Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Проблемы проектирования систем верхнего естественного света
1.1 .Существующие методы проектирования естественного освещения зданий, их анализ и постановка задач исследования.
1.2. Современные типы производственных зданий и особенности их систем освещения.
1.2.1. Опыт строительства производственных зданий в России . 18
1.2.2. Освещение производственных зданий. 22
1.2.3. Системы верхнего естественного света. 23
1.2.4. Искусственное освещение производственных зданий. 24
1.3. Влияние технологических коммуникаций на проектирование естественного освещения.
1.4. Светопропускание проемов и его учёт при проектировании естественного освещения
1.4.1. Учёт светопропускания проёмов. 47
1.5. Совместная работа систем естественного и искусственного света.
1.5.1. Концепция постоянного дополнительного искусственного освещения и её развитие.
1.5.2. Анализ основных критериев проектирования совмещенного освещения.
1.5.3. Психологически необходимые размеры светопроемов. 5 5
1.5.4. Блёсткость и дискомфорт. 57
1.5.5. Спектральные характеристики совмещенного освещения. 63
1.5.6. Направление световых потоков. 65
1.5.7. Влияние климатических условий на интеграцию естественного и искусственного света, экономия энергии.
1.5.8. Методы интеграции естественного и искусственного света в зданиях с фонарями верхнего естественного освещения.
1.6. Выводы и предложения по главе I. 73
ГЛАВА II. Расчёты естественного освещения и их модернизация . 75
2.1. Обзор существующих методов расчёта естественного освещения зданий.
2.2. Формализация расчётов естественного освещения. 79
2.2.1. Расчёт прямой составляющей КЕО при равноярком небосводе .
2.2.2. Расчёт составляющей КЕО от прямого света пасмурного неба с распределением яркости по закону Муна и Спенсер.
2.2.3. Расчёт прямой составляющей КЕО при небосводе конхоидальной яркости для прямоугольных светопроемов при 83 любом расположении их по отношению к рабочей плоскости
2.2.4. Формализация расчётов внутреннего отраженного света Q1 для помещений большой площади. 118
2.3. Учёт распределения яркости безоблачного неба в расчётах QQ естественного освещения зданий.
2.4. Обоснование модели «средне-статистического небосвода» и её использование в расчётах естественного освещения.
2.5. Выводы и предложения по главе II 125
ГЛАВА III. Приложение теории светового поля к вопросам проектирования естественного освещения. 127
3.1. Развитие науки о световом поле естественного освещения в здании.
3.2. Общие положения теории светового поля. 131
3.3. Методика определения требуемых значений пространственных характеристик светового поля исходя из особенностей объекта различения .
3.4. Расчёты пространственных характеристик светового поля при естественном освещении в производственных зданиях с верхним расположением светопроемов.
3.4.1. Расчёт прямой средней сферической освещенности. 145
3.4.2. Расчёт прямой составляющей средней полусферической 1 .„ освещенности.
3.4.3. Расчёт прямой составляющей модуля светового вектора естественного освещения.
3.4.4. Расчёт прямой составляющей средней цилиндрической освещенности.
3.4.5. Расчёт относительных величин пространственны характеристик естественного освещения.
3.5. Учёт отражённой составляющей от внутренних поверхностей помещения с верхними светопроемами в расчётах пространственных характеристик светового поля естественного света.
3.6. Экспериментальная проверка точности инженерного метода расчёта пространственных характеристик светового поля при естественном освещении (для чёрного помещения).
3.7. Проектирование систем естественного освещения промышленных зданий с использованием пространственных характеристик световой среды.
3.8. Выводы по главе III. 174
ГЛАВА IV. Автоматическое регулирование дополнительного искусственного освещения и его влияние на проектирование зданий .
4.1. Виды автоматического регулирования искусственного освещения и их эффективность.
4.2. Автоматическое регулирование освещения в промышленных зданиях с системами верхнего естественного света.
4.3. Примеры составления зависимостей, характеризующих включение и отключение групп или рядов светильников в зависимости от наружной освещенности .
4.4. Выводы по главе IV. 195
ГЛАВА V. Экономия энергии за счёт верхнего естественного освещения зданий .
5.1. Методы оценки систем естественного освещения. 197
5.2. Оценка энергетической эффективности существующих норм естественного освещения для производственных зданий с зенитными светопроемами.
5.3. Эффективность применения автоматически регулируемого совмещенного освещения в производственных зданиях с равномерным верхним естественным освещением.
5.4. Примеры оценки энергоэффективности осветительных установок в зданиях с различными системами светопроемов.
5.5. Оценка эффективности автоматического регулирования совмещенного освещения в зданиях с неравномерным 228 распределением естественного света.
5.6. Полые трубчатые световоды. Их применение для естественного освещения зданий и экономия энергии.
5.7. Расчет КЕО при применении полых трубчатых световодов 241
5.8 Выводы по главе V. 255
Основные результаты и выводы исследования. 257
Список использованной литературы
- Опыт строительства производственных зданий в России
- Расчёт прямой составляющей КЕО при равноярком небосводе
- Методика определения требуемых значений пространственных характеристик светового поля исходя из особенностей объекта различения
- Примеры составления зависимостей, характеризующих включение и отключение групп или рядов светильников в зависимости от наружной освещенности
Введение к работе
В России к концу ХХ в. сложился огромный фонд производственных зданий, которые в настоящее время совсем не используются, используются частично или не по прямому назначению. При соответствующих экономических условиях, когда возникает необходимость в модернизации производства, такие здания реконструируются и перепрофилируются. Новое строительство ведется по качественно новым принципам, исключающим гигантоманию. Здания при этом должны быть экономичными как при строительстве, так и при эксплуатации. В связи с ростом стоимости энергии энергоэкономичность строящихся и реконструируемых зданий становится одним из показателей качества. При этом системы естественного освещения, являясь элементами связи внешней и внутренней среды, играют главную роль в энергетическом балансе здания.
В современных крупных промышленных зданиях системы верхнего естественного освещения являются практически единственным средством обеспечить доступ дневного света с необходимыми количественными и качественными параметрами по всей площади производственных помещений.
Настоящая работа посвящается проектированию систем верхнего естественного освещения производственных зданий и в основном тем аспектам, которые до настоящего времени не получили достаточного осмысления и внедрения в практику. Это учет на современном уровне светового климата при проектировании верхнего естественного освещения, применение теории светового поля к нормированию и проектированию верхнего естественного освещения зданий, оценка энергетической эффективности систем естественного освещения, выбор способа автоматического регулирования совмещенного освещения для оптимизации таких систем, применение новых инновационных технологий естественного освещения.
Разработка методов расчета и проектирования энергоэффективных систем верхнего естественного освещения промышленных зданий на основе теории светового поля, современных способов учета светового климата и совместного использования естественного и искусственного света.
ЗАДАЧИ РАБОТЫ. В соответствии с поставленной целью было необходимо решить следующий комплекс задач:
- проанализировать существующие методы расчета естественной освещенности их точность и применимость для проектирования;
- разработать метод учета неравномерной яркости неба в расчетах естественного освещения зданий, основанный на среднестатистических условиях облачности, применимый для определения энергетической эффективности систем естественного освещения;
- уточнить методику учета отраженного света при верхнем естественном освещении;
- разработать инженерный метод расчета пространственных характеристик светового поля, применимый для проектирования естественного освещения зданий;
-разработать принципы отраслевого нормирования освещения по пространственным характеристикам светового поля;
-показать преимущества пространственных характеристик по сравнению с горизонтальной освещенностью, используемой в существующих методиках;
- выявить наиболее рациональные системы автоматического регулирования искусственного освещения с точки зрения их применения при проектировании совмещенного освещения зданий;
- усовершенствовать методику энергетической оценки систем естественного освещения и приспособить её к учету автоматически регулируемого совмещенного освещения зданий;
-определить параметры систем естественного света, при которых автоматическое регулирование является наиболее эффективным;
- определить область эффективного применения инновационных систем естественного освещения с помощью полых трубчатых световодов, разработать методику расчета КЕО для таких систем и показать на примерах эффективность таких устройств.
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ заключается в том, что она решает одну из важнейших народнохозяйственных задач - задачу повышения энергетической эффективности промышленных зданий при создании систем освещения, обеспечивающих комфортную внутреннюю среду, условия для повышения производительности труда, экономию энергоресурсов и денежных затрат на устройство и эксплуатацию таких систем.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ состоит в следующем:
- Разработан точный аналитический метод расчета КЕО, позволяющий использовать для получения исходных данных строительные чертежи.
- использована теория светового поля для расчетов естественного освещения зданий;
- разработана методика нормирования освещения по пространственным характеристикам светового поля;
- разработан метод проектирования систем естественного освещения зданий с использованием пространственных характеристик светового поля;
- разработана система нормирования естественного освещения производственных зданий с учётом минимума энергозатрат на освещение;
- предложены новые способы определения параметров систем верхнего естественного освещения при совмещенном и автоматически регулируемом освещении;
- предложен метод проектирования естественного освещения зданий с применением световодов, получена оценка таких систем с точки зрения экономии энергозатрат при эксплуатации зданий;
- разработан новый метод учета светового климата при расчетах естественного освещения, приближающийся к реальным среднестатистическим условиям.
- даны предложения по учёту верхнерасположенных коммуникаций и загрязнения светопроемов при проектировании систем верхнего естественного освещения зданий.
- использование пространственных характеристик светового поля при проектировании естественного освещения зданий дает возможность повысить качество естественного освещения и повысить энергетическую эффективность систем естественного света;
- методы расчета и проектирования систем верхнего естественного освещения, новые и усовершенствованные в результате настоящей работы, доведены до возможности использования в инженерной практике;
- результаты диссертации позволяют усовершенствовать нормирование верхнее
го естественного освещения зданий, которое приведет к экономии энергии на освещение при обеспечении комфорта внутренней среды;
- полученные в диссертации оптимальные соотношения между величинами искусственной освещенности и КЕО позволяют выбрать энергоэффективные системы верхнего естественного света при автоматически регулируемом совмещенном освещении;
- методика расчета КЕО при использовании полых трубчатых световодов и методика определения их энергетической эффективности позволяют прогнозировать применение этих инновационных систем естественного освещения;
- новый метод учёта неравномерной яркости небосвода с учетом статистических условий облачности дает возможность повысить точность расчета энергетических затрат на освещение и в некоторых регионах значительно упрощает расчеты и обеспечивает переход к территориальному нормированию естественного освещения зданий.
ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ: Исследования проводились в течение последних 40 лет, в том числе в рамках государственных программ, действовавших в период до 1990 г. Результаты работы внедрены в системах совмещенного освещения метизных цехов Череповецкого и Магнитогорского сталепрокатных заводов, в отделении спирализации Майли-Сайского электролампового завода, в цехах Московской обувной фабрики «Парижская комунна», а также в рабочих помещениях Проектного института «Кавказкурортпроект г.Пятигорск.
Основные положения диссертационной работы использованы при создании Строительных норм и правил СНИП П-4-79 / М – 83 (Изменения и дополнения для условий МНР), при написании учебника «Физика среды» (Гриф УМО) и при написании монографии «Справочная книга по светотехнике», раздел «Естественное освещение зданий».
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на:
- международных научно-технических конференциях «Строительство с оптимизированным энергетическим потенциалом», г.Ченстохов. Польша, 2003 и 2004 г.г.
- 1-м международном симпозиуме Греческого национального комитета по освещению, г.Афины. Греция, 2004 г.
- семинаре ГОУ ВПО МГСУ в КВЦ Сокольники, г.Москва, 2007 г.
- международной конференции «Энергосбережение в городской среде». Париж, ноябрь 2008г.
- научно-технических конференциях ГОУ ВПО МГСУ.
- заседаниях кафедры Архитектуры гражданских и промышленных зданий и кафедры Отопления и вентиляции ГОУ ВПО МГСУ.
По теме диссертации опубликовано более 100 работ, в том числе 21 публикация в журналах, рекомендуемых ВАК, а также 15 публикаций в зарубежных журналах и сборниках научных трудов.
В работа использован мировой опыт в области строительной светотехники, и в первую очередь труды таких крупных отечественных специалистов, как А.А.Гершун, Н.М.Гусев, В.В.Мешков, М.М.Епанешников, М.М.Гуторов, Д.Н.Лазарев, В.И.Петров, А.Е. Атаев, В.П.Будак, Н.Н.Киреев, Н.В.Оболенский, В.С.Федосихин, Х.Н.Нуретдинов, В.А.Земцов, Д.В.Бахарев, А,Н.Кондратенков, А.В.Спиридонов, а также таких крупных зарубежных ученых, как П.Мун, Д.Е.Спенсер, Р.Г.Гопкинсон, Дж.Лонгмор, Е.Нееман, Ю.Крохманн и др.
Автор с особой признательностью хранит память о своих учителях, покойных проф.В.М.Предтеченском, проф. Н.М.Гусеве и проф. Ю.Крохманне (ФРГ), имевших основные заслуги в становлении автора как научного работника.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы, включающего 175 источников. Основной текст работы изложен на 263 страницах, включая 88 рисунков и 43 таблицы.
Опыт строительства производственных зданий в России
Критическая освещенность является в настоящее время единственным средством связи между естественным и искусственным освещением при проектировании освещения зданий. В 1984г. НИИ Строительной физики провел экономическое и энергетическое обоснование существующих норм естественного освещения [65]. При этом была использована методика определения энергозатрат на освещение, которая в дальнейшем была модернизирована [64].
Необходимо проверить при каких величинах КЕО для данных уровней искусственной освещенности будет иметь место минимум приведенных затрат, а также затрат условного топлива на устройство системы естественного освещения. Кроме того, необходимо учесть, как эти значения КЕО будут согласоваться с психофизической адекватностью количества естественного и искусственного освещения с учетом действительной солнечности климата, т.е. принимая во внимание статистические данные о количестве пасмурных, ясных и полуясных дней в данной местности.
Другим важным аспектом проблемы проектирования естественного освещения является простота и степень точности отражения действительных условий естественного освещения в светотехнических расчетах.
В настоящее время существуют многочисленные программы для ЭВМ, которые позволяют рассчитывать параметры естественного освещения в помещениях любой сложности. Они основаны на стохастических методах, позволяющих учитывать световой климат и вести расчеты с большой скоростью.
Анализ применимости программ, предлагающих средства расчета естественного освещения, проведенный И.А.Зимновичем показал, не все они пригодны для нормативных расчетов естественного освещения. Тем не менее, программы AGi32 1.84.2005 и особенно Radiance 3.7.2.2005 являются достоверными, точными и быстродействующими. Результаты расчетов по этим программам совпадают с результатами, по программе, разработанной в Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете.
Вопрос о неизбежности перехода на компьютерные технологии в научных исследованиях не является дискуссионным. Однако для проектировщиков зданий, для которых расчеты и проектирование систем естественного освещения, особенно в производственных зданиях, являются одним из многих вопросов комплексного учета всех факторов, влияющих на условия внутренней среды, необходимо иметь инженерные методы расчета. Эти методы должны отражать физику явлений, должны быть простыми и должны как можно точнее отражать действительное положение вещей.
Метод расчета естественного освещения, приведенный в ныне действующем Своде правил СП 23-102-2003, основан на допущении пасмурного неба, как наиболее неблагоприятного, с точки зрения освещения. Учет светового климата и его солнечности производится с помощью специальных коэффициентов, на которые следует умножать нормируемые значения КЕО. Такой подход является достаточно простым, удобным и отражает физику явления. Однако точность его нуждается в специальной проверке. Дело в том, что при таком подходе, учет солнечности климата позволяет уменьшать нормированные значения КЕО например в крайних южных районах для фонарей типа "шед" всего на 15%. В то же время опыт и расчеты показывают, что отраженные световые потоки прямого солнечного света от кровли в шедовом покрытии дают около половины от всего уровня естественной освещенности в таком здании [86]. Такие же сомнения возникают при анализе коэффициентов, учитывающих отраженный свет от конструкций фонарей-надстроек и зенитных фонарей. Необходимо провести анализ точности этого расчета с точки зрения влияния поверхностей, с которых прямой солнечный свет отражается в помещение и увеличивает уровни естественной освещенности. В действующих нормах принцип учета светового климата вообще непонятен, т.к., например во 2, 3 и 4 светоклиматических районах шеды и зенитные фонари имеют один и тот же коэффициент т.
Сомнения в точности графоаналитического метода расчета КЕО, разработанного проф. А.М.Данилюком, возникали уже давно. Эти сомнения заключались не только в том, что точность расчетов с помощью графиков и чертежей зависит от точности их выполнения. Здесь точность может быть занижена за счет удобства и простоты. Но точность этого метода является не во всех случаях достаточной также и потому, что он основан на некоторых допущениях, введенных для простоты вывода аналитической формулы, являющейся основой построения графиков А.М.Данилюка [30].
Кроме того, учет неравномерной яркости пасмурного неба с помощью коэффициента неравномерной яркости q предполагает умножение значения КЕО от равнояркого неба на этот коэффициент, взятый для точки в середине высоты светопроема. С одной стороны само допущение пасмурного неба вызывает возражение. В настоящее время существуют также концепции ясного и среднего неба [31, 66, 136, 149] которые целесообразно использовать в расчетах естественного освещения для приближения их к реальным условиям светового климата местности.
С другой стороны, применение коэффициента q взятого для середины светопроема, также снижает точность расчета, т.к. интегрирование яркости по всей площади светопроема является более правильным. Необходимо оценить, насколько такое упрощение снижает общую точность расчетов естественного освещения, и, если потеря точности значительна, предложить другой способ учета неравномерной яркости небосвода.
Следующим аспектом, который нуждается в специальном исследовании, является учет пространственного распределения направленной и рассеянной составляющих светового поля. Еще в начале 30-х годов выдающийся советский ученый в области светотехники проф. А.А.Гершун отмечал, что: "... объекты, фиксируемые глазом при его работе, лишь в чрезвычайно ограниченной области разновидностей человеческого труда (канцелярский труд, школы и т.д.) могут считаться определенно ориентированными плоскостями. Если же предмет может иметь различную ориентацию в пространстве или содержит различно наклонные поверхности, то мерой достаточности его освещения в первую очередь должна служить пространственная освещенность" [16]. Соотношения пространственной (скалярной) освещенности и направленной (векторной) освещенности обуславливает тенеобразование. Глубина и резкость теней непосредственным образом влияет на зрительное восприятие материала, рельефа, фактуры поверхности. При выполнении особо точных работ с рельефными или объёмными объектами различения названные факторы определяют видимость объекта.
В 1990г. Д.В.Бахарев [4] предложил оптическую интерпретацию теории светового поля. Согласно этой теории, световое поле в помещении представляет собой нерезкое, размытое многократными отражениями оптическое изображение внешней среды, проецируемое светопроемом на поверхности помещения [4,5,6]. Однако не только внутренние поверхности, но и любая точка пространства «видит» это изображение, проецируемое через светопроем. Кроме того, в эту точку поступают также и отраженные световые потоки. Здесь оптическая теория позволяет получить достоверную картину распределения яркостей на поверхностях помещения и обеспечивает качественно новый подход к вопросу учета отраженного света при расчетах пространственных характеристик светового поля. Фактически эта теория позволяет определить в каждой точке пространства помещения поле распределения яркости, являющееся как бы обратным полю освещенностей на поверхности бесконечно малых сферы, полусферы, цилиндра, полуцилиндра, на различных плоскостях и т.п., т.е. приблизить учет всех факторов, влияющих на пространственные характеристики, к реальности.
В области искусственного освещения использование пространственных характеристик светового поля при. проектировании и нормировании особых препятствий не имеет. В нашей стране этот процесс сдерживается отсутствием стандартной приборной базы для измерения пространственных характеристик светового поля. В области естественного освещения этот вопрос осложняется непостоянством количественных и качественных параметров наружной освещенности, сложностью учета различных факторов при расчете пространственных характеристик естественной освещенности, а также стабильностью расположения светопроемов, создающих определенную направленность световых потоков и связывающих тем самым гибкость расстановки технологического оборудования.
Расчёт прямой составляющей КЕО при равноярком небосводе
Анализ литературы по естественному освещению зданий показывает, что существующие инженерные методы расчета естественного освещения могут быть подразделены на две основных группы: Одна группа методов использует так называемый "люмен-метод" [131]; другая группа основана на расчетах КЕО [129].
Люмен-метод, впервые примененный в США, основан на серии экспериментальных измерений на моделях помещений, проведенных в Техасе в начале 1950-х годов, результаты которых были положены в основу метода расчета, основанного на коэффициентах корреляции величин светового потока снаружи и внутри помещения. Этот метод может быть применен как для условий пасмурного, так и ясного неба. Однако, как и много других корреляционных методов, он имеет серьёзные недостатки, которые связаны с корреляционными допущениями, принятыми при его разработке. Фактически он рассматривает светопроем как источник света без учёта распределения яркости по небосводу. Этот метод даёт лишь общие данные об освещенности в помещении.
Методы, основанные на расчетах КЕО, получили распространение в Европе. Они рассмотрены в книге немецкого физика Фрюлинга еще в 1910 г. [101]. Эти методы в свою очередь могут быть подразделены на аналитические, основанные на выкладках сферической геометрии, графические, основанные на графиках проекции небесной сферы, различных графических диаграммах, так называемых "протракторах", а также на использовании таблиц. До недавнего времени расчеты КЕО основывались на допущении о равноярком или пасмурном небосводе. В настоящее время сделаны попытки использовать эти методы при условии допущения о ясном небе, которое в некоторых районах является более распространенным, а также при допущении о "среднем небе" [149]. Следует отметить, что все эти методы имеют в своей основе расчет так называемого "геометрического КЕО" и прямой составляющей КЕО, обусловленной прямым светом участка неба, видимого из какой-либо точки помещения через светопроем. Составляющие, обусловленные внутренним отражением световых потоков, а также отражением света от наружных поверхностей перед светопроемами, определяются отдельно, или прямая составляющая увеличивается в связи с этими факторами с помощью соответствующих коэффициентов.
Из графических методов в Западной Европе наибольшее распространение получили диаграммы Уэлдрэма [114]. В России наибольшее распространение получили графики А.М.Данилкжа [30] основанные на законе проекции телесного угла. Графические методы достаточно удобны в проектировании, особенно графики А.М.Данилкжа, позволяющие использовать для определения КЕО строительные чертежи, традиционно используемые в проектировании, т.е. разрезы и планы помещений. Однако, как и все графические методы, они зависят от точности выполнения чертежей и самих графиков. Кроме того, они должны быть основаны на корректных математических методах.
Так, например, математическое выражение графиков А.М.Данилюка является приближенным. Подробно анализ этого выражения сделан автором еще в 1971 г. [90].
Как уже было отмечено в первой главе, в настоящее время начинает окончательно оформляться и разрабатываться до стадии практического применения в инженерных расчетах оптическая теория поля освещенности в помещении. Автор этой теории Д.В.Бахарев уже в 1990 г. впервые представил поле освещенностей в помещении как оптическое изображение внешней среды, проецируемое через светопроем на поверхности помещения [4, 5, 6]. В настоящее время эта теория использована Д.В.Бахаревым, Л.Н.Орловой и А.Ф.Широбоковым [8] в программе расчетов поля КЕО и яркостных характеристик помещений при естественном свете на ЭВМ. Программа позволяет средствами машинной графики провести визуализацию светового режима при естественном освещении.
Однако большое значение имеет создание инженерных методов, использующих эту теорию, и в то же время являющихся достаточно простыми для проектировщиков и позволяющих вести сравнительные расчеты при проведении экспертиз условий естественного освещения. Это особенно важно в условиях стесненной городской застройки при реконструкции и новом строительстве.
Если методы, основанные на применении ЭВМ и метода конечных световых элементов, позволяют проецировать элементарные участки внешней среды с их яркостями на внутренние поверхности и в расчетные точки с последующим суммированием освещенностей от них, то инженерные методы, как это делалось и ранее, предполагают отдельное определение составляющих КЕО от прямого света неба, отраженного света от противостоящих зданий и примыкающих к светопроемам подстилающих поверхностей с учетом многократных отражений. Эти составляющие представляют собой суммарные оптические отображения внешней среды из верхней и нижней полусферы снаружи на внутренние поверхности помещения, в том числе и на рабочую поверхность. Величина каждой из составляющих зависит от относительной яркости участков верхней и нижней полусферы внешнего пространства, проецируемых на соответствующие поверхности. Эти яркости следует привязать к расчетному состоянию небосвода. Внешние составляющие, ослабленные материалом и конструкциями заполнения светопроема, усиливаются многократными отражениями внутри помещения. До появления оптической теории поля, эти составляющие просто суммировались. Теперь, однако, возникают сомнения в возможности простого механического суммирования этих составляющих. Проверка этого возможна как с помощью экспериментов, хотя они очень сложны и требуют наличия высококачественной аппаратуры, так и с помощью математического моделирования с помощью ЭВМ, что при наличие указанных выше программ значительно проще.
Задачей настоящей главы в диссертации является анализ существующих методов расчета отдельных составляющих КЕО применительно к системам верхнего естественного освещения (т.е. не затрагивая отражения от противостоящих зданий), их модернизация и инженерная интерпретация.
В работе [9] предлагается пользоваться для расчета освещенности плоскостей внутри помещения от неба и от других поверхностей, находящихся снаружи, точными формулами, полученными классиками светотехники П.Муном и Д.Е.Спенсер [144, 145]. В отечественной литературе формулы для координат вектора КЕО, проникающего в расчетную точку помещения єх, єу и sz приведены только в [9]. Однако, как видно из рисунка 2.1, плоские углы граней телесного угла светопроема при такой постановке задачи не читаются на строительных чертежах. Поэтому было принято решение получить такое аналитическое выражение для геометрического КЕО, которым было бы можно пользоваться в строительном проектировании.
Методика определения требуемых значений пространственных характеристик светового поля исходя из особенностей объекта различения
Однако встает вопрос: какое значение К0 принимать в качестве расчетного? Известно, что характер облачности меняется как в течение года, так и в течение суток, следовательно и значения К0 меняются в каждый момент времени. Любые расчеты естественного освещения для того, чтобы проверить соответствие условий освещения нормируемым, имеют целью подтвердить способность систем естественного освещения обеспечивать минимальные затраты энергии, используемой на освещение и восполнение теплопотерь и ликвидацию теплопоступлений через светопроемы. При этом физиологически необходимые уровни освещенности обеспечиваются как естественным, так и искусственным светом в зависимости от времени суток. Одновременно должна обеспечиваться физиологическая адекватность естественного освещения. По Т.А.Глаголевой [17] она рассчитывалась по нормируемым уровням искусственной освещенности.
С точки зрения обеспечения минимального расхода энергии справедливы те же рассуждения, что были приведены в п.2.3.3. При обосновании выбора графиков распределения коэффициента q по ясному небу. Т.е. основное значение при этом имеет время использования естественного света, которое согласно рис. 2.15 и 2.16 зависит от уровня критической освещенности (Екр). Екр в свою очередь зависит от величины КЕО, которая зависит от распределения яркости по небосводу. Как показано выше, распределение яркости зависит от значения К0.
Таким образом, значения К0 необходимо принимать в момент нахождения Солнца на расчетной угловой высоте, соответствующей данному уровню критической освещенности. Для сравнительных расчетов КЕО К0 можно рассчитать как среднюю величину значений К0 для всех 12-и месяцев в утренние или вечерние часы (в зависимости от ориентации). Для расчетов энергозатрат с помощью ЭВМ возможно учесть значения отдельно для каждого месяца, что является более точным. Тогда в каждый отдельный месяц года будет иметь место свое распределение яркости неба, которое следует учитывать в расчетах. Если в зимние месяцы максимальная суммарная наружная освещенности остается ниже критической, то эти месяцы из расчета Ко исключаются.
Значения Ко принимаются по климатическим справочникам, например по ныне не действующему, но имеющему большое количество полезных справочных данных СНиП И-А.6-72 "Строительная климатология и геофизика" [83], как отношение диффузной и суммарной горизонтальной наружной освещенности в расчетное время, определяемое по табл. 12 в данном месяце. Они используются для расчета распределения яркости по формулам (2.36) и (2.37).
Графики расчетных значений Р и q приведены на рис. 2.18. Рассмотрим пример использования этих графиков для различных ориентации светопроемов в зданиях, расположенных в г. Москве. Данные об отношении рассеянной и суммарной освещенности, примерно совпадающие с отношением соответствующих величин солнечной радиации на горизонтальной открытой поверхности, для г. Москвы в типичный день (15 числа) каждого месяца приведены в табл. 2.20. Они получены по данным [83].
В этой же таблице приведены расчетные значения ED / EQ В расчетное время для каждой из ориентации, выбранное согласно рис. 2.15 и 2.16 в зависимости от времени наступления критической освещенности - во второй половине дня для ориентации С, Ю, В, ЮВ и СВ и в первой половине дня для ориентации западного направления: 3, СЗ и ЮЗ.
Как видно из табл. 2.20, согласно статистическим данным во второй половине дня в г. Москве имеет место в среднем гораздо большая облачность, чем в утренние часы. Это имеет значение при расчетах освещенности для светопроемов различных ориентации.
Так, для ориентации С, Ю, В, СВ, ЮВ расчетным графиком распределения яркости по небосводу для Екр=2500 лк является кривая 1, а для ориентации 3, СЗ и ЮЗ - кривая 2, см. рис. 2.18 б). Аналогично, распределение относительной яркости р соответствует графикам 1 и 2 на рис. 2.18 а).
Для использования в расчетах с помощью ЭВМ кривые 1 и 2, рис. 2.18 а), можно апроксимировать с определенной степенью точности формулой, описывающей конхоидальную модель распределения яркости, так же, как это было сделано при расчетах при допущении ясного неба:
Как видно на рис. 2.18 расчетные графики q и Р, практически начиная с угловой высоты 20, показывают, что в момент критической освещенности, особенно для светопроемов верхнего света, наиболее реальным со статистической точки зрения является равномерное распределение яркости неба. Для боковых светопроемов такое распределение яркости также возможно, хотя и может идти «в запас» в глубине помещения.
Таким образом, проведенные исследования показывают, что возвращение допущения о равноярком небе при сравнительных расчетах естественного освещения оправдано не только с точки зрения упрощения расчетов, но и с точки зрения приближения их к реальным статистическим условиям. Эти результаты справедливы для г. Москвы, для которого был проведен анализ, однако предлагаемая методика может быть использована для определения закономерностей распределения яркости в различных климатических районах России. Она может быть включена в систему подготовки данных по локальному светоклиматическому районированию и для составления Территориальных Строительных Норм (ТСН).
Исследования показали, что использование классических математических выражений, полученных американскими учеными П.Муном и Д.Спенсер для определения естественной освещенности в помещениях с прямоугольными светопроемами, создает трудности для ввода данных со строительных чертежей (планов и разрезов). Поэтому были получены точные выражения для определения естественной освещенности, позволяющие для ввода данных пользоваться такими чертежами.
Предлагаемые формулы позволяют вести точный расчет прямой составляющей КЕО при любом конхоидальном распределении яркости по небосводу.
Впервые разработан инженерный метод расчета КЕО в помещении при ясном и среднестатистическом небе для расчетных положений Солнца относительно ориентации светопроемов. Для этого получены стандартные графики распределения яркости таких моделей небосвода и соответствующих коэффициентов q. Приведено светоклиматическое обоснование этих графиков по моменту наступления климатической освещенности.
Разработанная методика определения перехода от распределения яркости ясного неба к пасмурному через соотношение суммарной и диффузной горизонтальной освещенности позволяет рассчитать значение относительной яркости и коэффициентов q для среднестатистического неба в разных районах, в которых имеются статистические данные о ходе горизонтальной наружной суммарной и диффузной освещенности или солнечной радиации, т.е. включить в систему учета светового климата статистическое распределение яркости в конкретном районе строительства при разработке Территориальных Строительных Норм.
Предлагаемая методика учета распределения яркости среднестатистического неба применима для расчетов времени использования естественного света при определении энергетической эффективности систем естественного освещения зданий. Однако полученные данные позволяют сделать предложение, что при достаточном обосновании возможно и при сравнительных расчетах КЕО отойти от допущения о пасмурном небе МКО и возвратиться к равнояркому небу. Особенно это целесообразно при расчетах КЕО для систем верхнего естественного света. Расчеты, проведенные для светового климата Москвы, показывают, что это не снизит точность расчета, но значительно упростит его, приблизит результаты к действительности и увеличит градостроительные и архитектурные возможности проектировщиков. Однако этот вопрос требует дополнительных разносторонних исследований с учетом экономических, гигиенических психологических и других соображений.
Простейший анализ расчета отраженной составляющей КЕО при верхнем освещении показал, что существующие способы расчета, приведенные в СП 23-102-2003, недостаточно точны и требуют отдельного исследования, которое, при наличии ЭВМ, не представляет трудностей.
Все существующие расчеты естественной освещенности определяют её значение на условной рабочей поверхности. Для определения пространственных параметров светового поля необходимы отдельные исследования. Этим исследованиям посвящена третья глава диссертационной работы.
Примеры составления зависимостей, характеризующих включение и отключение групп или рядов светильников в зависимости от наружной освещенности
Отклонения результатов точного метода расчета КЕСО от экспериментального составляют: max 26%, min 2%. Эти отклонения имеют место в центре здания между фонарями, т.е там, где абсолютные значения КЕСО минимальны.
Под центрами фонарей отклонение меньше. Отклонения езультатов расчетов по инженерному методу для КЕСО составляют: max 14%, min 1%.
Расхождения измеренных и рассчитанных значений КЕПО еще меньше. Причем значения, рассчитанные по инженерному методу имеют даже меньше отклонения от измеренных, чем рассчитанные по точной формуле.
Следует отметить, что точность эксперимента, проведенного к.т.н. Е.М. Завьяловым в конце 80-х годов, для того времени может быть и достаточная, в настоящее время оставляет желать лучшего. Методы компьютерных расчетов в настоящее время стали более совершенными. Однако приведенные на рис. 3.9. экспериментальные графики распределения КЕО, КЕСО и КЕПО по модели помещения и показанные на рис. 3.9 расхождения с расчетами показывают, что предлагаемый инженерный метод расчета прямой составляющей средней сферической и средней полусферической освещенности в абсолютных и относительных величинах имеет право на существование. Метод значительно упрощает расчеты. Это значит, что он может быть полезным для архитекторов и инженеров проектировщиков, для которых вопросы проектирования световой среды — только небольшая часть того, что им надо учитывать в процессе проектирования здания.
Дальнейшее совершенствование инженерного метода расчета должно идти по пути нахождения более точных значений коэффициентов К и К2к, а также путем использования компьютерных методов для повышения точности учета отраженного света при расчете пространственных характеристик светового поля в зданиях.
Проектирование систем естественного освещения промышленных зданий с использованием пространственных характеристик световой среды.
В производственных помещениях, предназначенных для работы с объемными объектами различения (а такие объекты — на большинстве производств), на условия видимости влияет не столько абсолютный уровень горизонтальной освещенности, сколько распределение света и тени на объекте, которое, наряду с коэффициентами отражения, оказывает влияние на контрастность объекта и фона.
Тенеобразование оценивается средней сферической (или полусферической для объектов на горизонтальной плоскости) освещенностью Е47Г (или Е2лг), модулем светового вектора Е, его направлением в пространстве (угловая высота в и азимут (3), а также контрастностью освещения, определяемой отношением 7П = /Е4іг Эта система характеристик определяет не только количественную но и качественную сторону освещения.
Для определения системы пространственных характеристик световой среды при проектировании естественного и совмещенного освещения здания необходимо определить требуемые значения этих характеристик для конкретного вида зрительной работы, а также выбрать площадь светопроемов и расположить их по отношению к рабочим местам (или наоборот, рабочие места по отношению к светопроемам) таким образом, чтобы обеспечить требуемые значения этих характеристик.
В качестве примера рассмотрим проектирование естественного освещения электродно-спирального цеха типового здания электроламповых заводов, запроектированного ЦНИИПромзданий. Здание предназначено для строительства в Средней Азии.
Помещение расположено на верхнем этаже и имеет укрупненную сетку колонн 6x24 м. с высотой этажа да низа ферм Н=7.2 м. (рис. 3.10) Объект наблюдения - спираль электрической лампы накаливания.
Объект различения - шаг витка темной спирали (мин. Размер 0,08 мм.) на светлом фоне (контраст К=0.7). Это соответствует разряду 1в согласно СНиП. Для него нормируемый уровень искусственной освещенности при местном освещении равен 1750 лк., при общем - 750 лк. Нормируемая величина КЕО при системе верхнего или комбинированного освещения составляет 6,0%
Методика определения требуемых значений пространственных характеристик описана в разделе 3.3. По данным к.т.н. В.А. Егорченкова, полученным совместно с автором на Майли-Сайском электроламповом заводе в Киргизии, азимут светового вектора для данной зрительной задачи составляет = 228 ± 6, угловая высота светового вектора # = 48±1. Требуемый уровень средней сферической освещенности E4jT = 365 ± ЗОлк. Значение контрастности освещения т =
Эти характеристики могут рассчитываться по точным формулам с использованием графиков A.M. Данилюка так, как показано в разделе 3.4.
Поиск решения комбинированной системы естественного освещения, создающей на рабочих местах условия видимости, при которых соответствующие пространственные характеристики световой среды приближались бы к требуемым, велся в две стадии:
Сначала определялась площадь светопроемов, необходимая для обеспечения требуемого уровня средней сферической освещенности. Затем изменением схемы расположения зенитных фонарей в покрытии получали наибольшие приближения угловой высоты светового вектора и контрастности освещения к требуемым значениям.
Результаты расчета показали, что ни одно боковое освещение (вариант 16), ни одно верхнее (вариант їв) в отдельности не могут создать такую оптимальную комбинацию параметров светового поля при рабочих местах, как комбинированное. Увеличение площади верхнего остекления (вариант 5) и боковых проемов (вариант 1) лишь ухудшает показатели оценки. Наилучшим вариантом системы комбинированного освещения по сочетанию пространственных характеристик светового поля является четвертый, который отличается от третьего сдвижкой фонарей в сторону боковых проемов. Это несколько увеличивает угловую высоту светового вектора, приближая её к требуемому значению.
Полученное по варианту 4 сокращение площади остекления на 33,3% и возможность работы в дневное время без искусственного света обеспечивает значительную экономию приведенных затрат на устройство и эксплуатацию светопроемов по сравнению с первым вариантом, запроектированным традиционным способом
