Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор методов учета светового климата и методов расчета естественного освещения зданий и сооружений 9
1.1. Определения светового климата 9
1.2. Характеристики светового климата
1.2.1. Облачность 11
1.2.2. Яркость небосвода
1.3. Зависимость освещенности от высоты стояния солнца 18
1.4. Методы учета ресурсов светового климата
1.4.1. Коэффициенты светового климата (1Пск) 19
1.4.2. Коэффициент солнечности климата (С)
1.5. Факторы, определяющие полноту учета характеристик светового Климата 26
1.6. Методы расчета естественного освещения в помещении
1.6.1. Основные параметры, определяющие уровень естественного освещения 31
1.6.2. Существующие методы расчёта естественного освещения 32
1.7. Принципы и нормы освещения автотранспортных тоннелей 35
Выводы 39
ГЛАВА 2. Исследование светового климата Иордании 40
2.1. Географические характеристики 41
2.2. Климатические характеристики 46
2.3. Строительные характеристики зданий 50
2.4. Программа измерения и исследования параметров естественного освещения для всех районов 52
2.5. Система районирования территорий Иордании по параметрам светового климата 61
2.6. Расчет коэффициентов светового климата 66
Выводы 68
ГЛАВА 3. Разработка аналитического метода расчёта прямой составляющей освещенности с применением теории светового поля 69
3.1. Расчет прямой составляющей освещенности от модели равно яркого небосвода 70
3.2. Расчет прямой составляющей освещенности от модели облачного неба. 77
3.3. Расчет прямой составляющей освещенности от модели ясного неба 86
3.4. Сравнение результатов расчета прямой составляющей освещенности от модели небосвода в программе DIALux 93
3.5. Расчет погрешности метода светового вектора для расчета прямой составляющей освещенности 93
Выводы 95
ГЛАВА 4. Практическое применение системы естественного освещения в зданиях и сооружениях Иордании 96
4.1. Измерения горизонтальной освещенности внутри помещений, общественных зданий в течение рабочего дня 96
4.2. Расчет стоимости потребляемой электроэнергии в системах освещения общественных зданий 100
4.3. Освещение автотранспортных туннелей 101
4.4. Современное решение освещения мечети с применением цилиндрического световода 110
4.5. Оптимальный выбор солнцезащитных систем зданий с учетом высоты стояний солнца в Иордании 112
4.6. Требования к солнцезащите и инсоляции зданий 116
Заключение 121
Список литературы
- Зависимость освещенности от высоты стояния солнца
- Программа измерения и исследования параметров естественного освещения для всех районов
- Расчет погрешности метода светового вектора для расчета прямой составляющей освещенности
- Расчет стоимости потребляемой электроэнергии в системах освещения общественных зданий
Зависимость освещенности от высоты стояния солнца
Современный этап разработки нормативных требований к освещению AT начался в 1964г. лабораторными исследованиями Шредера [33]. Адаптационный экран равномерной яркости с темным участком в центре, представляющим въездное отверстие AT, предъявлялся наблюдателям в течение 0,1 с. На фоне этого отверстия находился объект малого размера, составлявший с ним определенный яркостный контраст. Наблюдатели опрашивались, различают ли они тест-объект, и на основе 75%-ной вероятности его различения, находились соотношения, связывающие необходимую яркость (тоннеля) с яркостью его окружения (адаптационного экрана) для разных величин контраста. Был сделан вывод, что отношение яркости (тоннеля) к яркости окружения примерно постоянно в диапазоне яркости адаптации 100-5000 кд/м2. при контрасте 0,2 это отношение было 1:10.
Главным образом на основе исследований Шредера были разработаны рекомендации МКО 1973г. [34], в которых была поставлена цель заложить принципы освещения AT как базы для национальных стандартов, хотя, и указывалось, что необходимость и возможность реализации этих принципов в разных странах могут существенно различаться. В [34] в качестве яркости адаптации (яркости зоны приближения непосредственно перед порталом) принималась максимальная величина средней яркости L20 кругового поле зрения водителя размером 20, а наивысшую яркость внутри AT предписывалось обеспе чивать на дорожном покрытии в начальной после портала граничной или «пороговой» зоне AT (Lnop). При этом рекомендовалось соотношение Lnop/L20 = 1 : 10. Для AT в открытой местности была принята L20 = 8000 кд/м2, что соответствовало Lnop. 800 кд/м2. Достаточно высокими уровни освещения были и для районов в гористой местности или застроенных зданиями.
Для реализации таких рекомендаций требовались либо чрезвычайно громоздкие ОУ, либо сложные и непрактичные системы снижения естественной освещенности в зоне приближения. И то и другое приводило к большим капитальным и эксплуатационным затратам и вскоре вызвало сомнения в необходимости таких яркостей и недоверие в научном плане к формуле, используемой для расчета [35]. Этому способствовал и энергетический кризис начала 70-х гг.
Правомерность допущения, что реальное окружение въезда в AT может считаться равномерно ярким, была оспорена японскими исследователями К. Нарисада и др. [36]. Они показали, что наблюдатель-водитель адаптируется к усредненной по времени средней яркости неравномерного поля, в то время как яркость фона Ьф постоянно меняется при определенной кратковременной фиксации взгляда. Было установлено, что для точки в неравноярком поле зрения пороговая разность яркости (ГГРЯ) может быть найдена путем суммирования величин ПРЯ, обусловленных яркостью адаптации La и фона Lф в этой точке. При этом широком диапазоне изменений яркости адаптации изменение ПРЯ от Lф в центре поля зрения очень велика. Это означает, что в зоне приближения к AT важнейшим фактором, влияющим на зрительную работоспособность водителя, является его концентрированность на въездном отверстии AT, имеющем наименьшую яркость в поле его зрения, а значит, суммарная ПРЯ будет относительно небольшой. На этом основании японские нормы освещение AT, действовавшие в 70 - 80 г.г., регламентировали, например, при расчетной скорости движения автомобилей 100 км/ч величину яркости Lnop. 95 кд/м2, т. е. В 8,5 раз ниже рекомендуемой МКО [34]. В 1988 г. на базе результатов исследований с учетом требований экономии электроэнергии и положений вышедшего к тому времени проекта рекомендаций МКО по освещению AT и путепроводов был разработан проект нормативных требований по освещению AT (первая редакция). В нем по методике МКО были определены L20, а затем Lnop при разных видах въезда (равнинном или со спуском к порталу), северной или южной ориентации въездного портала, продолжительности снежного покрова больше или меньше полугода. При этом было принято расстояние безопасного торможения 60 м; размер стандартного объекта 0,4x0,4 м; критический контраст 0,3. В этих условиях отношение Lnop / L20 было 0,03, а длина пороговой зоны составляла 55 м, средняя яркость во внутренней зоне была принята 2 кд/м2. Расчет яркости в переходной зоне исходил из ее допустимого снижения в 3 раза на расстоянии, проходимом автомобилем за - 1,5 с. для удобства проектирования яркости были пересчитаны на освещенности. Основные нормативные показатели отражены в СНиП 32-04-97.
Рассмотрим один пример реализуемой в настоящее время AT на площади Гагарина в Москве. Его длина 905 м при ширине проезжей части 20,5 м, направление - северо-запад юго-восток.. С обеих сторон площадь застроена довольно высокими зданиями. В AT используется система встречного освещения. Проектировщиками принято, что перед въездами L20= 4500 кд/м2. В этом случае требования некоторых зарубежных норм следующие: порциональности Lnop/L20 по швейцарским нормативам в разд. 1) Lnop. составит 135 кд/м2. на протяжении 80 м, 160 м уменьшится до 54 кд/м2. далее на протяжении 360 м должно произойти снижение до 3 кд/м2.
В проекте принят следующий Расчетный ход распределения в дневном режиме средней яркости дорожного покрытия и полосы обеих стен высотой 2 м по длине тоннеля, считая от портала впервой части пороговой зоны от 80 до 160 м -постепенное снижение от 314 до 136 кд/м2. в переходной зоне от 160 до 360 м-снижение оті36 до 18 кд/м2. во внутренней зоне от 360 до 832 м постоянная величина 6кд/м2. в выездной зоне на последних 60 м перед выездом увеличение до 20 кд/м2.
Эти нормы которые уже приняты в многих странах, нацеленные к использованию системы искусственного освещения, для повешения и снижение яркости дорожного покрытия зон AT и не одна из них не тронула использование системы естественного освещения для этой целей. Также эти нормы были разработанные исключительно в странах характерно для облачного небосвода и явления черной дыре мало имеет значение сравнение с моделям ясного неба Иордании.
Программа измерения и исследования параметров естественного освещения для всех районов
Материалы, используемые в строительстве всех видов зданий в Иордании, в основном из природных ресурсов местности. Они были использованы еще в древности для строительства городов римской и греческой империй. Созданы такие исторические города, как, например Амман и Джараш. В наше время применяются такие же материалы из белого камня для облицовки зданий снаружи. Отличительным свойством этого материала является высокая отражательная способность на противостоящих зданиях (р=50%), и это является очень важным фактором при расчете естественного освещения внутри зданий (рис. 2.9.) [39,40].
По нормам инсоляции, существуют правила для разных видов стройки и подразделяются следующим образом: общественные здания, строящиеся в последнее время в Иордании, например, здание министерств и гостиниц, строятся в открытой местности, там отсутствуют затеняющие противостоящие сооружения, так как вся окружающая территория предназначена для автомобильных парков. жилые здания разделяются на две части. Первая часть - это частные коттеджи до трех этажей с расстоянием между зданиями в пределах 6 метров, вторая часть - это новые высокоэтажные жилые дома. Здесь, к сожалению, не действуют никакие нормы для инсоляции. Здания строятся хаотически, с расстоянием 6 м, как и расстояния между коттеджами. Также существуют жилые районы, которые не соблюдают ни какие нормы см. рис.2.10. коммерческие здания строят как малоэтажные, так и многоэтажные вплотную, не соблюдая никаких норм по инсоляции, это приводит к диском-форту и к дополнительным затратам на отопление зимой и кондиционирование летом, А также к затратам на искусственное освещение
Измерения проводятся для получения результатов глобальной горизонтальной освещенности и высоты стояний солнца. С целью оценки и районирования территории страны с учетом всех параметров светового климата. А также для разработки формулы расчета глобальной горизонтальной освещенности с применением функции зависимости освещенности от высоты стояний солнца. Результаты исследований и измерений должны быть основной информационной базой светового климата территории Иордании, для разработки новых национальных норм естественного освещения.
Для выполнения программы измерения в разных районах страны были использованы измерительные приборы марки «PICO». Которые состоят из следующих частей рис. 1.1-1.2 (см. приложения. 1): - измерительный прибор марки «PICO- EL 005» - комплектующие к нему приборы таблица 1.1-1.2. (см. приложения. 1). Приборы были установленные в четырех одинаковых по географическим и климатическим характеристикам районах для облегчения программы измерения, например:
Для уточнения результатов измерения, полученных от используемых приборов в городе Амман (центре района высотных гор), проводились сравнения с результатами измерения освещенности по международной программе измерения параметров естественного освещения МКО под руководством Профессора Нейманом Элияхоо, которые были получены от станции Бет-даган в Из раиле (см. приложения. 1), потому что, станция Бет-даган находится вблизи города Аммана и имеет одинаковые климатические и географические характеристики [41]. Результаты измерения таблицы 1.3-1.6.(см приложения. 1). Сравнения показали небольшую разницу с данными Бет-даган, что позволяет говорить о достоверности результатов измерений глобальной наружной освещенности. Рисунок 2.12,2.13.
По полученным результатам измерения глобальной горизонтальной освещенности (Ег) и высоты стояния солнца для каждого района, была получена следующая формула с применением метода аппроксимаций и с использованием синусной зависимости Er=f(h0) для всех районов: Ег = a + -sinc(/ 0), (32) Где Ег- глобальная горизонтальная освещенность, ho— высоте стояния солнца ho, а , Ъ и с - постоянные коэффициенты, зависящие от светового климата местности. Подбор коэффициентов а , Ъ и с осуществлялся с использованием метода наименьших квадратов. Таким образом, для всех районов получены следующие значения (таблица 2.3).
Относительная погрешность такой аппроксимации по среднеквадратичному отклонению составляет 1,4%. По полученным результатам построены графики зависимости глобальной наружной освещенности от высоты стояния солнца, как видно на рисунках. (2.14-2.17), расхождение измеренных и расчетных данных невелико.
Расчет погрешности метода светового вектора для расчета прямой составляющей освещенности
Аналитический метод расчета прямой составляющей освещенности от модели небосвода, разработанный в диссертации, позволяет рассчитать только прямую составляющую освещенности. Но, как известно, внутри помещения происходят многократные внутренние отражения от стен и потолка помещений, их характеристики зависят от отделки потолка и стен, поэтому для полного расчета освещенности в помещении необходимо также учитывать внутренние многократные отражения.
Для решения этой задачи в данной работе воспользовались компьютерной программой DIALux [49]. В этой программе в качестве входных данных для расчета задаются те же параметры, что и применяемые в расчетах прямой составляющей освещенности аналитическим методом. Для сравнения задаем входные данные для помещения без многократных отражений путем ввода коэффициента отражения, равного нулю, а во втором случае для учета внутренних многократные отражений задаем определенные коэффициериы отражения гО. Результаты расчета представлены на рисунках 3.10 а, б.
Для оценки точности предлагаемого метода было проведено сравнение освещенности в контрольных точках посередине окна и на полу вдоль помещения, определенной с использованием аналитического метода, предлагаемого метода и рассчитанной по программе DIALux. Результаты расчета приведены на рисунках 3.12 а, б. Из графиков видно, что погрешность расчётов небольшая. О Облачное небо DIALux (прямой свет) —Облачное небо DIALux (отражённый + прямой свет) - Облачное небо по методу светового вектора ——Облачное небо точный расчёт прямого света
Из результатов расчета прямой составляющей освещенности внутри помещения по разработанной методике на языке (Mat Lab) можно сделать следующие выводы: 1. Разработанный метод расчета представляет новизну в расчётах прямой составляющей освещенности внутри помещений с учетом разных моделей небосвода, т.е. для равнояркого, облачного и ясного небосвода с применением светового вектора. 2. Применение этого метода позволяет рассчитать площади световых проемов и их форму, подходящую для любой модели небосвода с учетом идеальной освещенности внутри помещении. 3. Результаты сравнения трех методов расчета показали небольшие погрешности в расчетах, и это определяет достоверность этого метода. 4. Программа расчета на языке (Mat Lab) является небольшой и простой для расчета. 5. На основе предлагаемых методов расчёта открываются широкие возможности регулирования и оптимизации размеров световых проемов, при этом количество входных данных и скорость расчёта невелики. 6. Программа расчета имеет ясность в работе и методике ее разработки, в отличие от существующих программ. 7. Разработанной методике соответствуют нормы МКО, для разных моделей небосвода. 8. Возможности методики рассчитать модуль светового вектора в любом сферическом направлении.
В этой работе проводится натурный эксперимент для оценки состояния естественного освещения в общественных зданиях в районе высотных гор, где концентрируется большинство крупных государственных учреждении. Которые были спроектированы с применением норм британского стандарта, действующими в настоящее время в нашей стране.
Для примера эксперимента была выбрано здание министерства строительства Иордании, которое находится в районе высотных гор, в г. Амман. Задача, была решена по следующему алгоритму:
Измерение освещенности внутри офиса проводились следующим образом. - Измерение освещенности внутри помещении в течения года прово дилось с использованием измерительных приборов типа (Люксметр - АРГУС-12) и (Люксметр -Pico) (см. приложение), - датчики были расположены, на уровне рабочей поверхности, (с высотой (0.8м.)), - Измерения проводились летом и зимой в течение года, зиме соот ветствует период с ноября по февраль, а лету - с марта по октябрь, - результаты измерения фиксировались каждый час, - измерения проводилось в трех контрольных точках На рисунках 4.1.а,б,в. показаны результаты натурных измерений освещенности внутри помещений в трех точках.
Из результатов измерений горизонтальной освещенности внутри помещений, на рабочей поверхности, можно сделать следующие выводы: уровень естественной освещенности внутри помещений в течение 8 месяцев и в течении рабочего время, является достаточным, чтобы, использовать только его, для освещения помещений, так как нормируемый уровень освещенности для офисов общественных зданий составляет 300 лк, а результаты натурных измерений освещенности внутри помещений от паковых свето-проёмов дневного света составляет (300- 600 лк) летом, в остальное зимнее время можно использовать совмещенные системы освещения, то есть включать светильники только по мере необходимости в местах, где не хватает освещенности, а также можно использовать системы автоматического управления освещением; из рисунков видно что, максимальная освещенность приходится на вторую половину дня при действии прямого солнечного света, который приводит к ослеплению и создает дискомфорт в помещении.
Расчет стоимости потребляемой электроэнергии в системах освещения общественных зданий
Иордания исторически является религиозной страной, на ее территории существуют многочисленные мечети, и многие из них оказались в окружение высоких зданий, в связи со строительством новых высотных зданий, которые загораживают солнечный свет. Мечети являются не только местом для проведения религиозных обрядов, но служат тоже как места встречи религиозных ученых и учеников.
Основной системой для освещения мечети, служит система искусственного освещения, которая по экономическим показателям потребляет огромное количество электроэнергии. Поэтому в этой работе предлагается альтернативный метод освещения этих помещений в дневное время с применением современных систем естественного освещения. Альтернативная система представляет собой цилиндрический световод с концентратором солнечных лучей и хрустальная люстра.
Результаты эксперимента применения этой системы, на макетах, представляющих типичные помещения в городе Амман показали что действительно это система является альтернативой системой, для освещения этих помещений и является очень эффективным инженерным решением.
Также такая система является экономически эффективной, по сравнению с системами искусственного освещения. Так как расходы электроэнергии для освещения одного помещения данного типа составляют более 400 $ в год, и таких помещений более 2000, из этого можно говорить о суммах в пределах 800000 $ в год расхода электроэнергии. Кроме того, отсутствие солнечного света приводит к дополнительным расходам на подержание системы отопления.
Поэтому эта система служит не только источником света, но также для отопления помещений в холодное время путем ввода солнечного света внутрь помещений и переноса теплового излучения.
На рисунке 4.13 представлена конструкция цилиндрического световода. В нем происходят многократные отражения солнечных лучей, полученных от концентратора солнечного света, а внутри помещений располагается люстра с хрустальными гранеными шариками, которые направляют свет по разным направлениям внутри помещения.
Для обеспечения постоянного процесса концентрации и передачи солнечных лучей внутрь помещений, так как солнце движется с востока на запад, применяется природная система обгона солнца, это означает, что концентратор движется последовательно с движением солнца под действием солнечного тепла в этой системе.
Световой климат в Иордании, как это следует из второй главы, является теплым климатом в течение 8 месяцев. На практике наблюдается явление дискомфорта в помещениях от действия прямого солнечного света, из-за отсутствия солнцезащитных систем.
В данной работе предлагаются методы выбора солнцезащитных систем и определение угла наклона их устройства с учетом светоклиматических условий Иордании. Входными данными для расчета являются: Из таблицы 4.1 и рис. 4.14 видно, что угловая высота солнца зимой достигает 42, а летом - 70, а среднегодовая угловая высота солнца составляет 37. По этим данным можно выбрать угол наклона солнцезащитных систем с учетом следующих критериев: 1- Зимой на территории Иордании средняя температура с ноября по февраль очень низкая и не превышает 14С (таблица 4.2). В этом случае необходимо, чтобы солнечные лучи могли входить в помещение для получения нужного тепла внутри помещений [56]. 2- В другие месяцы (с марта по октябрь), наоборот, средняя температура высокая, превышает 20С (таблица 4.2). В этом случае солнечные лучи не желательны, так как от прямых солнечных лучей повышается температура внутри помещения и создается дискомфорт, и требуются дополнительные энергетические затраты для удаления полученного тепла. Поэтому в этом случае необходимо установить солнцезащитные устройства с нужным углом наклона.
Это методика была предложена для рассмотрения Комиссии по модернизации расчета и проектирования систем естественного освещения общественных зданий, и по результатам экспериментальных исследований была принята и реализована Министерством строительства Иордании в новых проектах
Угол наклона солнцезащитных устройств определяется с учетом средне годового углового стояния солнца и средней годовой температуры, чтобы обеспечить достаточной уровень инсоляции в помещении, который для широтной местности Иордании составляет минимум 1.5 часа в день [57].
