Лабораторная работа 4 исследование естественного и искусственного освещения в производственных помещениях

Цель работы – ознакомление с порядком нормирования естественного и искусственного освещения и исследование условий зрительной работы в лаборатории. Изучение количественных и качественных характеристик освещения, оценка влияния типа источника искусственного освещения и цветовой отделки интерьера помещения на освещенность и коэффициент использования светового потока.

4.1. Общие сведения

Освещение характеризуется количественными и качественными показателями.

К количественным показателям относятся:

• световой поток Φ – мощность световой энергии, излучаемой источником света; измеряется в люменах (лм).

• сила света I – величина пространственной плотности светового потока, определяется как отношение светового потока dΦ, исходящего от источника и равномерно распространяющегося внутри элементарного телесного угла dω (ср), к величине этого угла. Измеряется в канделах (кд):

,

• освещенность Е – поверхностная плотность светового потока; определяется как отношение светового потока dΦ, равномерно падающего на освещаемую поверхность, к ее площади dS. Измеряется в люксах (лк):

.

• яркость B – поверхностная плотность силы света в заданном направлении. Яркость, являющаяся характеристикой светящихся тел, равна отношению силы света в каком-либо направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению.

,

где B – яркость поверхности, кд/м²;

dS – площадь светящейся поверхности, м²;

α – угол между нормалью к поверхности и направлением излучения, град.

Для качественной оценки условий зрительной работы используют следующие показатели:

• коэффициент отражения ρ – характеризует способность поверхности отражать падающий на нее световой поток:

,

где Φ_отр – отраженный от поверхности световой поток, лм;

Φ_пад – падающий на поверхность световой поток, лм.

• фон – поверхность, на которой происходит различение объекта. Фон характеризуется коэффициентом отражения. В зависимости от цвета и фактуры поверхности значения коэффициента отражения находятся в пределах 0,02…0,95. При ρ > 0,4 фон считается светлым, при ρ = 0,2…0,4 – средним и при ρ < 0,2 – темным.

• контраст объекта с фоном k – степень различения объекта и фона – характеризуется соотношением яркостей рассматриваемого объекта (точки, линии, знака, пятна, трещины, риски или других элементов) и фона:

,

где B_ф – яркость фона, кд/м²;

B_о – яркость объекта, кд/м².

Контраст считается большим, если k > 0,5 (объект резко выделяется на фоне), средним при k = 0,2…0,5 (объект и фон заметно отличаются по яркости) и малым при k < 0,2 (объект слабо заметен на фоне).

• показатель ослепленности Р – критерий оценки слепящего действия осветительной установки, определяемый выражением:

,

где S – коэффициент ослепленности, равный отношению пороговых разностей яркости при наличии и отсутствии слепящих источников в поле зрения.

• показатель дискомфорта М – критерий оценки дискомфортной блескости, вызывающей неприятные ощущения при неравномерном распределении яркостей в поле зрения.

• коэффициент пульсации освещенности K_п – это критерий оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока газоразрядных ламп при питании их переменным током:

,

где K_п – коэффициент пульсации освещенности, %;

Е_max, Е_min, Е_ср – максимальное, минимальное и среднее значения освещенности за период колебаний, лк.

Пульсации освещенности на рабочей поверхности не только утомляют зрение, но и могут вызвать неадекватное восприятие наблюдаемого объекта за счет появление стробоскопического эффекта. Стробоскопический эффект – кажущееся изменение или прекращение движения объекта, освещаемого светом, периодически изменяющимся с определенной частотой. Например, если вращающийся белый диск с черным сектором освещать пульсирующим световым потоком (вспышками), то сектор будет казаться: неподвижным при частоте f_всп = f_вращ, медленно вращающимся в обратную сторону при f_всп > f_вращ, медленно вращающимся в ту же сторону при f_всп < f_вращ, где f_всп и f_вращ – соответственно частоты вспышек и вращения диска. Пульсации освещенности на вращающихся объектах могут вызывать видимость их неподвижности, что в свою очередь, может явиться причиной травматизма.

Значение K_п меняется от нескольких процентов (для ламп накаливания) до нескольких десятков процентов (для люминесцентных ламп). Малое значение K_п для ламп накаливания объясняется большой тепловой инерцией нити накала, препятствующей заметному уменьшению светового потока Φ_нак ламп в момент перехода мгновенного значения переменного напряжения сети через «0» (рис. 4.1). В то же время газоразрядные лампы обладают малой инерцией и меняют свой световой поток Φ_люм почти пропорционально амплитуде сетевого напряжения (см. рис. 4.1), где Φ_нак и Φ_люм – световой поток ламп накаливания и люминесцентных (газоразрядных) ламп.

Рис. 4.1. Характер изменения светового потока люминесцентных ламп и ламп накаливания во времени вследствие изменения напряжения сети

Для уменьшения коэффициента пульсации освещенности люминесцентные лампы включают в разные фазы трехфазной электрической сети. Это хорошо поясняет нижняя кривая на рис. 4.2, где показан характер изменения во времени светового потока (и связанной с ним освещенности), создаваемого тремя люминесцентными лампами 3·Φ_люм, включенными одновременно в одну фазу L₁ и в три различные фазы сети. В последнем случае за счет сдвига фаз на 1/3 периода провалы в световом потоке каждой из ламп компенсируются световыми потоками двух других ламп, так что пульсации суммарного светового потока существенно уменьшаются. При этом среднее значение освещенности, создаваемой лампами, остается неизменным и не зависит от способа их включения.

Рис. 4.2. Характер изменения во времени светового потока, создаваемого тремя люминесцентными лампами, включенными одновременно в одну фазу L₁ и в три различные фазы сети

В производственных помещениях используют следующие виды освещения:

• естественное освещение, создаваемое прямыми солнечными лучами и рассеянным светом небосвода;

• искусственное освещение, создаваемое искусственными источниками света;

• совмещенное освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняют искусственным.

Конструктивно естественное освещение подразделяют на боковое, осуществляемое через световые проемы в наружных стенах; верхнее – через аэрационные и зенитные фонари, проемы в кровлях и перекрытиях; комбинированное – сочетание верхнего и бокового освещения.

По конструктивному исполнению искусственное освещение может быть двух видов – общее и комбинированное.

Систему общего освещения применяют в помещениях, где по всей площади выполняются однотипные работы (литейные, сварочные, гальванические цехи), а также в административных, конторских и складских помещениях. Различают общее равномерное освещение (световой поток распределяется равномерно по всей площади без учета расположения рабочих мест) и общее локализованное освещение (с учетом расположения рабочих мест).

Комбинированное освещение включает в себя общее и местное освещение (местное освещение применяется в местах, где оборудование создает глубокие, резкие тени или рабочие поверхности расположены вертикально (штампы, гильотинные ножницы)). Применение одного местного освещения внутри производственных помещений не допускается, поскольку образуются резкие тени, зрение быстро утомляется и создается опасность производственного травматизма.

По функциональному назначению искусственное освещение подразделяют на:

• рабочее;

• аварийное (освещение безопасности и эвакуационное);

• охранное;

• дежурное.

Нормирование естественной и искусственной освещенности осуществляется в соответствии со СНиП 23-05–95 «Естественное и искусственное освещение»[1].

Поскольку для естественной освещенности характерно изменение ее в чрезвычайно широких пределах, в качестве нормируемой величины взята относительная величина – коэффициент естественной освещенности (КЕО):

, (4.1)

где е – коэффициент естественной освещенности, %;

Е_вн – освещенность внутри помещения, лк;

Е_нар – горизонтальная наружная освещенность, лк.

Для производственных помещений в соответствии со СНиП 23-05–95 [1] в зависимости от размеров рассматриваемого объекта и характеристики зрительной работы по точности установлены восемь разрядов зрительной работы.

Нормированное значение КЕО e_н определяется с учетом:

• разряда зрительной работы;

• системы освещения (боковое, верхнее, комбинированное);

• района расположения здания (для каждой из пяти групп обеспеченности естественным светом вводится свой поправочный коэффициент светового климата).

При нормировании искусственного освещения нормируемой величиной является минимальная освещенность рабочей поверхности Е, лк. Также нормируется коэффициент пульсации освещенности K_п и показатель ослепленности Р. Нормированное значение освещенности определяется с учетом:

• разряда зрительной работы;

• подразряда зрительной работы (для производственных помещений для первых пяти разрядов установлено по четыре подразряда);

• системы освещения (общее, комбинированное).

Нормативные значения КЕО и освещенности для непроизводственных и производственных помещений приведены в прил. 4.1 и 4.2.

При установлении нормируемой освещенности принимается во внимание ряд дополнительных признаков, характеризующих выполняемую работу и условия ее выполнения, для которых предусматривается повышение требуемых уровней освещенности. К ним относятся:

1. зрительная работа I–IV разрядов выполняется более половины рабочего дня;

2. повышенная опасность травматизма (работа на дисковых пилах, гильотинных ножницах и т.п.) при освещенности от системы общего освещения 150 лк и менее;

3. специальные повышенные санитарные требования (на предприятиях пищевой и химико-фармацевтической промышленности), при освещенности от системы общего освещения 500 лк и менее;

4. работа или производственное обучение подростков при освещенности от системы общего освещения 300 лк и менее;

5. отсутствие в помещении естественного света и постоянное пребывание работающих при освещенности от системы общего освещения 750 лк и менее;

6. наблюдение деталей, вращающихся со скоростью, равной или более 500 об/мин, или объектов, движущихся со скоростью, равной или более 1,5 м/мин;

7. постоянный поиск объектов различения на поверхности размером 0,1 м² и более;

8. помещения, где более половины работающих старше 40 лет.

Кроме этого в помещениях без естественного света освещенность рабочей поверхности, создаваемая светильниками общего освещения в системе комбинированного, следует повышать на одну ступень.

Возможно также снижение требуемых уровней освещенности, которое может производиться при использовании ламп накаливания, а также для производственных помещений, где пребывание работающих кратковременно и имеется оборудование, не требующего постоянного обслуживания.

Переход от регламентированной разрядами и подразрядами работы к более высоким или более низким значениям освещенности осуществляется с помощью ступенчатой шкалы, содержащий возрастающий ряд цифр (каждой ступени соответствует определенная освещенность, лк): 0,2; 0,3; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 10; 15; 20; 30; 50; 75; 100; 150; 200; 300; 400; 500; 600; 750; 1000; 1250; 1500; 2000; 2500; 3000; 3500; 4000; 4500; 5000.

При наличии нескольких признаков, указывающих на необходимость повышения или снижения нормируемой освещенности, перемещение по шкале освещенности производится не более чем на одну ступень.

Источники света, применяемые для искусственного освещения, делятся на группы:

• лампы накаливания;

• газоразрядные лампы низкого (люминесцентные) и высокого давления (металлогалогенные, ксеноновые, ДРЛ и др.);

• светодиодные лампы.

Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Видимое излучение получается в результате нагрева электрическим током вольфрамовой нити.

Недостатки ламп накаливания: низкая световая отдача, малый срок службы, преобладание в спектре желтых и красных лучей, что сильно отличает их спектральный состав от солнечного света.

Преимущества: невысокая стоимость, удобство в эксплуатации, простота изготовления, низкая инерционность при включении, отсутствие дополнительных пусковых устройств, надежность работы при колебаниях напряжения и при различных метеорологических условиях, простота утилизации.

Улучшенные лампы накаливания за счет добавления в газ-наполнитель галогенных элементов, которые уменьшают испарение вольфрама, называют галогенные лампы накаливания.

В газоразрядных лампах излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов и паров металла, а также за счет явления люминесценции, которое невидимое ультрафиолетовое излучение преобразует в видимый свет.

Основной недостаток газоразрядных ламп – пульсация светового потока, которая может привести к появлению стробоскопического эффекта.

Преимущества перед лампами накаливания: большая световая отдача, значительно больший срок службы, от таких ламп можно получить световой поток любого желаемого спектра, подбирая инертные газы, пары металла и люминофор.

Светодиодные лампы – наиболее современные источники света. Принцип работы светодиодной лампы заключается в том, что электрический разряд, проходящий через полупроводник, преобразуется в световое излучение.

Одно из самых главных достоинств светодиодных ламп – крайне низкое энергопотребление. К другим преимуществам ламп также относят: рекордно долгий срок службы, высокая прочность и устойчивость к механическим воздействиям, экологическая безопасность (не содержат ртути) и т.п.

Недостаток таких ламп – их высокая стоимость.

При выборе источников света для производственных помещений необходимо руководствоваться следующими рекомендациями: отдавать предпочтение газоразрядным и светодиодным лампам как энергетически более экономичным и обладающим большим сроком службы.

Использование ламп накаливания допускается лишь в тех случаях, когда применение других ламп невозможно или нецелесообразно.