Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современных методов оценки качественных показателей естественного освещения в помещении . 10
1.1. Естественный свет – строительный материал 10
1.2. Естественный свет и здоровье человека 10
1.3. Совмещенное освещение. Принципы проектирования качественной световой среды 12
1.4. Анализ качества естественного освещения при современном состоянии световой среды в помещениях 13
1.5. Принятая система нормирования естественного освещения. История, основные критерии 14
1.6. Оценка существующих качественных показателей световой среды 20
1.7. Пространственные характеристики светового поля как показатели качества световой среды. Световое поле. История 24
1.8. Пространственные характеристики светового поля как показатели качества световой среды. Световое поле. Основные понятия 27
1.9. Оптическая теория светового поля 30
1.10. Пространственные характеристики светового поля как показатели качества световой среды. Световое поле. Теория. Основные величины 30
1.11. Цилиндрическая освещенность как характеристика насыщенности световой среды. История. 34
1.12. Выводы по главе 1.
Перспективы использования цилиндрической освещенности как качественного показателя естественной световой среды 36
ГЛАВА 2. Цилиндрическая освещенность как характеристика качества естественного освещения. исследование характера ее распределения. 39
2.1. Методы измерения пространственных характеристик светового поля. Методы измерения цилиндрической освещенности. Роль цилиндрической освещенности в оценке искусственного освещения 39
2.2. Экспериментальное сравнение распределения характеристик светового поля по помещению с боковым освещением и с верхним естественным освещением 43
2.3. Относительная цилиндрическая освещенность. КЕЦО 46
2.4. Экспериментальное исследование распределения цилиндрической освещенности в помещениях с различными условиями естественного освещения 47
2.5. Экспериментальное исследование характера распределения относительной цилиндрической освещенности на модели 53
2.6. Планирование эксперимента 55
2.7. Эксперимент по поиску зависимостей КЕЦО от высоты светопроема 56
2.8. Эксперимент по поиску зависимостей КЕЦО от отражающей способности поверхностей помещения 57
2.9. Выводы о перспективах использования цилиндрической освещенности как характеристики качества естественной световой среды 66
ГЛАВА 3. Методы расчета цилиндрической освещенности 68
3.1. Существующие методы учета качественных характеристик световой среды 68
3.2. Существующие аналитические методы расчета освещенности 70
3.3. Расчеты отраженного света при естественном освещении помещений 78
3.4. Метод расчета цилиндрической освещенности от точечного источника света. (М.М. Гуторов) 82
3.5. Методы расчета относительной цилиндрической освещенности от естественного освещения 85
3.6. Метод определения цилиндрической освещенности от искусственного источника света
3.7. Краткий обзор программных комплексов, решающих задачу определения показателей естественного освещения помещения 91
3.8. Анализ данных, полученных при экспериментах на модели. Роль точки пересечения графиков КЕО и КЕцО в поиске метода расчета Ец 93
3.9. Несколько слов о методах расчета вертикальной освещенности 97
3.10. Выводы и перспективы определения относительной цилиндрической освещенности 100
ГЛАВА 4. Перспективы нормирования кецо. 102
4.1. Несколько слов об истории нормирования качества естественного освещения 102
4.2. Цилиндрическая освещенность как характеристика насыщенности для искусственного освещения общественных помещений 104
4.3. Анализ известных экспериментов по поиску связи между субъективной оценкой качества световой среды и значениями цилиндрической освещенности
4.3.1. Методика оценки световой среды в психофизическом эксперименте по оценке уровня насыщенности светом станций метро и выставочных павильонов. 107
4.3.2. Методика оценки световой среды в эксперименте по оценке световой среды в торговых залах 112
4.4. Применение критерия насыщенности светом для оценки качества световой среды 114
4.5. Анализ экспериментальных данных с точки зрения определения зоны, в которой наиболее оптимально производить нормирование цилиндрической освещенности 117
4.6. Экспериментальное определение качественно приемлемого уровня КЕцО 118
4.7. Выводы и перспективы нормирования качества естественного освещения с помощью цилиндрической освещенности 127
5. Заключение 128
Список литературы 130
- Совмещенное освещение. Принципы проектирования качественной световой среды
- Экспериментальное сравнение распределения характеристик светового поля по помещению с боковым освещением и с верхним естественным освещением
- Эксперимент по поиску зависимостей КЕЦО от высоты светопроема
- Метод расчета цилиндрической освещенности от точечного источника света. (М.М. Гуторов)
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одним из обязательных условий создания комфортного микроклимата в помещениях является наличие и качество естественного освещения. В настоящее время в жилых и общественных зданиях основным требованием к естественному освещению является обеспечение необходимых условий для выполнения зрительной работы.
Однако, общественных зданиях помимо условий зрительной работы большую роль играет распределение освещенности по всем направлениям линии зрения, в этой связи в нормы по искусственному освещению помещений введен критерий насыщенности светом. В некоторых типах общественных помещений, таких как залы заседаний, вестибюли, фойе, помещения для выставок, в зонах, ориентированных на общение людей, насыщенность светом помещений играет более важную роль, чем условия зрительной работы.
В жилых помещениях и помещениях образовательных учреждений качественные показатели естественного освещения, в том числе насыщенность светом, так же важны, как и условия зрительной работы. В то же время существующие нормы естественного освещения для зданий с боковым освещением регламентируют только нормированное значение КЕО на плоскости пола или условной рабочей поверхности и практически не учитывают потребность людей в качественном освещении.
Качественные показатели естественного освещения, такие как
равномерность, тенеобразование, насыщенность светом помещения зависят от
параметров светового поля, которые определяются его пространственными
характеристиками и особенностями переноса световой энергии в данном
пространстве. Поэтому исследование характеристик светового поля, их
приложение к расчету и нормированию качественных показателей,
обеспечивающих комфорт естественной световой среды является актуальной научной задачей, имеющей практическое значение. По этим показателям возможна в дальнейшем корректировка норм естественного освещения в гражданских зданиях.
Степень разработанности темы. Исследованиями в области
совершенствования методов повышения качества световой среды в помещении занимались Гусев Н.М., Киреев Н.Н., Воронов В.В., Скобарева З.А., Стецкий С.В., Земцов В.А., Глаголева Т.А., Белова Л.Т., за рубежом Р.Гопкинсон, П.Нойферт, Дарула С., Киттлер Р. Методы оценки световой среды по показателям светового поля разрабатывали такие ученые как Гершун М.М., Бахарев Д.В., Епанешников
М.М., Сидорова Т.Н., Иванченко В.Т., Чикота С.И., Оншина А.С. Использованию пространственных характеристик светового поля при проектировании световой среды посвящены исследования М.М. Гуторова, В.И. Петрова, Е.А. Никитиной, Нуретдинова Х.Н. В НИУ МГСУ образовалось целое научное направление по приложению теории светового поля для проектирования естественного и совмещенного освещения. Заметное влияние на развитие методов приложения ории светового поля к проектированию естественного и совмещенного освещения оказали, помимо перечисленных ранее, исследования Соловьева А.К., Егорченкова В.А., Раджабова У.Н., Завьялова Е.М., К.А. Хамидова, Чань-Динь Бака.
Недостатком существующих методов определения пространственных характеристик светового поля как качественных показателей световой среды является их трудоемкость, дефицит измерительных приборов, отсутствие определенной методики измерения и привязки к существующим методам расчета естественного освещения
Цель и задачи
Целью диссертационной работы является совершенствование методов измерения, расчета и нормирования световой среды помещения в условиях естественного освещения с учетом оценки качественных характеристик световой среды, таких как равномерность, контрастность, тенеобразование и насыщенность светом помещения.
Задачи диссертационной работы:
-
Произвести анализ существующих методов проектирования естественного освещения с точки зрения возможности их использования для оценки качества естественной световой среды;
-
Произвести анализ существующих норм по оценке качества естественного и искусственного освещения;
-
Выполнить анализ существующих характеристик естественного освещения с целью определить величину, с помощью которой возможно произвести оценку качества световой среды; определить исследуемый показатель световой среды;
-
Выполнить экспериментальное сравнение предлагаемой величины с существующими нормируемыми характеристиками световой среды;
-
Предложить методику измерения и расчета исследуемого показателя;
-
Предложить методику нормирования исследуемого показателя.
Научная новизна работы заключается в следующем
1. На основании анализа проведенных ранее исследований, выполненных в данной работе измерений и результатов психофизического эксперимента методом
анкетирования предложен критерий, позволяющий оценить качество
естественного освещения через насыщенность помещения естественным светом.
2. Разработан метод и создана экспериментальная установка для определения
характера распределения значений исследуемых величин в зависимости от
геометрических характеристик помещения и отражающих способностей
ограждающих поверхностей.
3. Предложена методика измерения коэффициента естественной цилиндрической
освещенности через значения вертикальной освещенности. Проведена проверка
данного метода в сравнении с показаниями специальных приборов,
разработанных и сертифицированных для измерения цилиндрической
освещенности;
4. Сформулированы основные положения метода расчета коэффициента
естественной цилиндрической освещенности и методика проектирования систем
бокового естественного освещения в жилых помещениях, учитывающая
насыщенность помещения естественным светом.
5. Предложен новый метод оценки качества естественной освещенности с
помощью коэффициента естественной цилиндрической освещенности,
взаимоувязанный с существующим методом нормирования КЕО для жилых
помещений.
Таким образом границами настоящего исследования является применение коэффициента естественной цилиндрической освещенности (КЕЦО) в учебных аудиториях с боковыми световыми проемами как показателя качества естественной световой среды.
Теоретическая и практическая значимость работы Теоретическая значимость работы заключается в следующем:
- Разработан метод оценки качества естественной освещенности в помещении с
помощью коэффициента естественной цилиндрической освещенности (КЕЦО);
Получены зависимости для анализа взаимосвязи характеров распределения коэффициентов естественной горизонтальной и цилиндрической освещенностей в помещениях;
Получены зависимости КЕЦО от геометрических характеристик помещения, размеров светопроемов, а также от коэффициента отражения ограждающих конструкций.
Практическую значимость работы определяет следующее:
1. Разработан метод измерения коэффициента естественной цилиндрической
освещенности;
2. Разработаны рекомендации и основные положения для создания метода расчета
коэффициента естественной цилиндрической освещенности;
3. Разработаны методы, которые позволяют проводить оценку качества
естественной световой среды в существующих помещениях и макетах помещений
с боковыми светопроемами и учитывать полученные значения при
проектировании естественного освещения в помещениях для обеспечения
комфортной световой среды.
4. Разработана натурная модель помещения с боковыми светопроемами в
масштабе 1:10 для определения значений относительной освещенности с
изменяемыми геометрическими характеристиками светопроемов и отражающей
способностью ограждающих конструкций.
5. Разработана методика проведения психофизической оценки качества
естественного освещения с привязкой к значениям КЕЦО и КЕО.
Методология и методы исследования
В диссертационной работе экспериментальные исследования выполнены в
помещениях лаборатории Строительной физики НИУ МГСУ и в учебных
аудиториях НИУ МГСУ. Определение коэффициента естественной освещенности
и цилиндрической освещенности проводилось с помощью люксметра Эколайт 01
и других проверенных люксметров согласно ГОСТ Р 54944-2012, определение
значений пространственных характеристик светового поля проводилось с
помощью прибора Radiolux111 производства PRC Krochmann,
сертифицированный согласно стандарту DIN 5032-7. Расчеты коэффициента
естественной освещенности проводились согласно СП 23-102-2003. В качестве
теоретической базы для исследования использованы фундаментальные
светотехнические законы (закон проекции телесного угла и закон
светотехнического подобия) и научные труды по расчету пространственных характеристик естественного освещения. В исследовании применяются методы сферической геометрии, метод конечных световых элементов, а также современные методы фотометрии.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Метод измерения естественной цилиндрической освещенности и КЕЦО в помещении с боковыми светопроемами;
-
Результаты натурных исследований распределения КЕЦО в аудиториях с боковыми и верхними светопроемами;
-
Результаты исследований на модели распределения значений КЕЦО по помещению при различных геометрических характеристиках светопроемов и отражающих характеристиках ограждающих конструкций и взаимосвязь значений КЕО и КЕЦО;
-
Результаты эксперимента по субъективной оценке насыщенности помещений естественным светом в аудиториях с боковыми светопроемами и
взаимосвязь этих результатов с единовременно замеряемыми значениями КЕО и
КЕЦО;
5. Метод оценки световой среды с помощью коэффициента естественной
цилиндрической освещенности;
Степень достоверности результатов и выводов
При разработке методов использованы законы строительной светотехники,
такие как закон светотехнического подобия и закон проекции телесного угла.
Адекватность методов подтверждена сравнением теоретических и
экспериментальных данных, полученных при исследованиях распределения естественной горизонтальной и цилиндрической освещенности на модели и в помещениях общественного назначения.
Научно-техническая гипотеза диссертации заключается в возможности повышения качества естественной световой среды за счет использования нового критерия освещенности, характеризующего насыщенность помещения светом.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались на научных конференциях:
«Строительство – основа формирования среды жизнедеятельности» НИУ МГСУ
2013; «Проблемы экологической безопасности и энергосбережения в
строительстве и ЖКХ» Кавальский технологический институт, Греция 2014
«Строительство на основе оптимизации энергетического потенциала»
Ченстоховский Политехнический Университет, Польша 2014; «Строительная
физика. Системы обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях»
НИУ МГСУ 2014; «Строительство – основа формирования среды
жизнедеятельности» НИУ МГСУ 2015.
Личный вклад автора диссертации заключается в систематизации методов
расчета характеристик естественного освещения, уточнении метода измерения
цилиндрической освещенности, структуризации методов расчета
пространственных характеристик светового поля. Соискателем самостоятельно
получены данные о сравнении характеров распределения коэффициентов КЕО и
КЕЦО в помещениях, выполнены и проверены уточнения к существующим
расчетным формулам. Теоретические результаты подтверждены
экспериментально путем натурных исследований и измерений на модели помещения.
Публикации
По теме исследования соискателем опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 в рецензируемых журналах из «Перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук» ВАК Министерстве образования и науки РФ.
Структура диссертации
Диссертация состоит из оглавления, введения, основной части, состоящей из 4-х глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, 55 рисунков, 17 таблиц и списка литературы из 72 наименований.
Совмещенное освещение. Принципы проектирования качественной световой среды
Несмотря на важность естественного освещения для внутренней среды зданий, следует отметить, что большую часть времени житель современного города проводит в закрытых помещениях разного назначения (жилище, рабочие помещения, городской транспорт, включая метрополитен, предприятия торговли и службы быта, учреждения культуры и др.), в которых ощущаются значительный дефицит естественного света и ультрафиолетовой радиации.
Искусственный свет дополняет и при необходимости заменяет собою недостаточный или отсутствующий естественный свет, что делает возможной активную жизнь человека в темное время суток или в условиях вынужденного пребывания без естественного света – в метрополитене, в подземных и технических помещениях, где невозможно создание систем естественного освещения. Искусственный свет обеспечивает возможность ориентации в пространстве, определенный уровень зрительной работоспособности и психофизиологической активности, регулирует циклы активизации гормонов сна и бодрствования (мелатонина и кортизола). Для повышения гигиенической значимости искусственного света он должен имитировать естественный свет, приближаясь к нему по интенсивности, динамике, спектру светового потока, вплоть до обогащения, при необходимости, ультрафиолетовым излучением [18, Раздел XX].
В настоящее время распространенным планировочным решением для административных, офисных и заводских помещений является устройство больших залов, открытых большепролетных пространств (open space – «Ландшафтные офисы»). Для таких помещений характерно использование совмещенного освещения в течение всего рабочего дня. Следствием такого объемно-планировочного решения является низкое качество естественной световой среды. Денатурация1 световой среды в таких помещениях настолько велика, что сказывается на работоспособности и самочувствии людей. Еще более неблагоприятны условия световой среды в помещениях, полностью лишенных естественного света, номенклатура и число которых в современном городе весьма велики и продолжают увеличиваться, в частности, за счет освоения подземного горизонта города [1].
В условиях многоэтажной застройки современных городов и длительного нахождения в условиях денатурированной световой среды человек теряет значительную часть биологически активного естественного освещения. Уплотненная городская застройка и загрязнение атмосферного воздуха городов уменьшают наружную освещенность и напряженность ультрафиолетовой радиации на уровне земли более чем на 40%. Даже в пригородной зоне эти потери иногда превышают 20%. Длительное пребывание в условиях недостаточного или некачественного освещения чревато возможностью развития нарушения зрения и проявления симптомов светового голодания. Недостаточное освещение городских магистралей увеличивает частоту дорожно-транспортных происшествий. Недостаточное освещение города сказывается также на общественном порядке и на санитарном состоянии городских объектов.
Задержка естественного света остеклением светопроемов составляет, в среднем, 45%. Загрязненные стекла задерживают 50—70% света. Затенение противостоящими зданиями, солнцезащитными устройствами, шторами, озеленением и пр. приводит к дополнительной потере естественного света. Ориентация окон на северные румбы горизонта также уменьшает освещенность и облученность помещений.
Не только полная замена естественного света искусственным, но и частичная денатурация световой среды негативно сказывается на состоянии человека, особенно при его значительной рабочей нагрузке [18, Раздел XX].
Анализ современных условий внутренней среды позволяет говорить о недостаточных качественных показателях естественного освещения. Система освещения играет важную роль в создании комфортной внутренней среды помещения. Климатические условия, уплотненная застройка, архитектурные решения и функциональное назначение здания диктуют необходимость использования систем совмещенного и искусственного освещения. Необходимо отметить, что более строгие требования к нормированию естественного освещения предъявляются к жилым помещениям, в то время как среднестатистический городской житель проводит большую часть светового дня (а зимой и весь световой день) на рабочем месте, где зачастую искусственный свет не выключается на протяжении всего рабочего дня, а световые проемы завешиваются жалюзи, чтобы уменьшить эффект отсвечивания и слепимости. Искусственный свет является вынужденной заменой и дополнением к естественному свету. Грамотно запроектированная световая среда помещения позволяет уменьшить или даже совершенно исключить затраты электроэнергии на освещение в светлое время дня.
С появлением систем искусственного освещения в нашу жизнь пришло много новых возможностей, увеличилось разнообразие архитектурных форм, размеры помещений, удлинился рабочий день. Однако, несмотря на то, что искусственное освещение первоначально рассматривалось, как дополнение естественного света, в настоящее время зачастую практически полностью заменяет его. Наблюдатель редко может заметить низкое качество естественного освещения, так как практически всегда в общественных помещениях оно дополняется искусственным. В жилых же помещениях, где освещение регулируется самими жителями, часто можно заметить, что помещение недостаточно насыщено светом, что естественный свет от светопроема в нужных количествах не достигает даже середины помещения, что контрастность освещения очень высока и сильный перепад яркости между светопроемами и наиболее удаленными от них стенами вынуждает наблюдателя использовать солнцезащитные устройства, несмотря на низкую освещенность в глубине помешения. Естественное освещение согласно принятой системе нормирования проектируется исходя из минимально допустимого показателя, что было естественным для времени появления данных норм, когда ресурсы и время были ограничены, а количество жителей, которых нужно обеспечить жильем, только возрастало, однако для нынешнего уровня развития технологий эти показатели уже не являются достаточными [43].
Утверждение о том, что для любых зрительных задач горизонтальная освещенность является единственной и наиболее адекватной характеристикой условий видимости, в настоящее время подвергается сомнению.
Однако отсутствие на данный момент каких-либо эффективных альтернатив в российской системе нормирования естественного освещения позволяет сделать вывод, что по большей части принятая система отвечает тем требованиям, которые к ней предъявляются. В то же время, следует заметить, что требования, предъявляемые к естественному освещению, ориентированы на минимальные показатели световой среды, а качество световой среды оценить с их помощью достаточно сложно.
Переход к существующей системе нормирования состоялся в начале 40-х годов прошлого века, на Всесоюзной конференции по естественному освещению, где была, в том числе высказана необходимость перехода от ранее принятого геометрического нормирования естественного освещения к светотехническому нормированию через определение КЕО. Следует заметить, что на успешный исход данного перехода повлиял доклад инженера А.М. Данилюка о графическом методе проектирования. С 1931 года данный метод получил широкое распространение для практических целей [34].
Принцип нормирования естественного освещения по КЕО был принят в СССР в 1936 году. Уровни КЕО устанавливались исходя из условий зрительной работы, определяемой различимостью рассматриваемых деталей, экономичностью устройства естественного освещения и скорости его окупаемости и ограничения КЕО, определяемого конструкцией светопроемов. В послевоенное время методы нормирования и расчета КЕО совершенствуются. Для проведения исследований в области естественного освещения в научно-исследовательском институте строительной физики были созданы установки искусственного неба диаметром 9 метров и искусственного солнца диаметром 1,5 метра. На основе накопленных фототметрических и экспериментальных исследований в 1962 году были впервые введены единые нормы естественного освещения, охватившие все виды строительства: промышленного, гражданского, жилого и сельскохозяйственного, вышедшие в виде СНиП II А.8-62 «Естественное освещение. Нормы проектирования». В последствие были разработаны также нормы для совмещенного освещения, появились указания по освещению общественных и жилых зданий.
Экспериментальное сравнение распределения характеристик светового поля по помещению с боковым освещением и с верхним естественным освещением
Внедрение любой новой величины, как правило, может быть заторможено двумя факторами: отсутствием простого и логичного метода расчета, который удобно использовать, в том числе, и в полевых условиях и отсутствием общедоступного метода измерения и, соответственно, измерительных приборов. Так как характеристики светового поля являются интегральными величинами, измерить их с использованием методики измерения горизонтальной освещенности не представляется возможным. Характеристики светового поля описывают распределение яркости по объемному телу определенной формы. Логично предположить, что воспринимающий элемент измерительного прибора должен соответствовать по форме этому объемному телу.
В своей работе «Световое поле» Гершун А.А. провел анализ способов измерения распределения яркости по объемным предметам и соответственно определения средних значений пространственной освещенности, а также подробно описал прибор, с помощью которого возможно измерить сферическую освещенность (Рисунок 7).
«…Приспособление состоит из полусферы молочного стекла, укрепленной на металлической цилиндрической коробке, высота которой равна радиусу полусферы. Коробка внутри вычернена. В середине дна коробки имеется отверстие, закрытое молочным матированным стеклом. Оно составляет как бы элемент той сферы, частью которой является светорассеивающая оболочка. Молочное стекло измеряет на просвет его яркость…. Освещенность стекла, а следовательно, и его яркость в проходящем свете может считаться, как показано выше, пропорциональной средней наружной освещенности шарика, а если шарик достаточно мал, то средней сферической освещенности в его центре… описанное приспособление одевается вместо обычной фотометрической насадки на тело фотометра…»
Для непосредственного измерения средних значений освещенности в данной точке может быть использовании приемник лучистой энергии, светочувствительная поверхность которого является выпуклой и имеет форму шара или полушара. Осуществление шарового селенового фотоэлемента с совершенно однородными свойствами по всей поверхности затруднительно, однако для достижения цели шар может быть заменен многогранником. Первый образец подобного фотолемента был изготовлен в исследовательской лаборатории Tunsgsram. При вращении всего фотоэлемента вокруг оси фототок менялся примерно лишь на 12%. (Рисунок 8)
Прибор для измерения цилиндрической освещенности был придуман изначально для измерений, проводимых Сидоровой Т.Н. и Епанешниковым М.М [20] в московском метрополитене, а также в павильонах ВВЦ. Ученым требовался прибор, который бы позволил замерять значения не только горизонтальной искусственной освещенности, но и пространственные характеристики, такие как горизонтальная и сферическая освещенности. Иными словами, прибор должен был иметь насадки, воспринимающие равномерно распределенную освещенность по объемной поверхности в виде сферы или цилиндра. Также необходимо было решить вопрос определения числовых значений пространственных характеристик исходя из данных прибора.
Для данной задачи нужен был приемник в виде цилиндра и сферы, исчезающе малого диаметра и высоты. «Средняя сферическая и средняя цилиндрическая освещенности измерялись с помощью специально изготовленных приемников излучения, состоящих из цилиндрической и сферической насадок из молочного стекла и фотоумножителя ФЭУ-25, подключаемого к измерительному блоку яркомера, шкала которого была предварительно отградуирована по точечному эталонному источнику света в единицах сферической и цилиндрической освещенности» [34]
На протяжении многих десятилетий для каждого исследования характеристик светового поля требовалось изобретение индивидуального измерительного прибора или фотометрической головки. Сейчас Европе и США существуют запатентованные приборы, соответствующие необходимым стандартам, поэтому измерение величин светового поля может приобрести более массовый характер.
В настоящее время в базе лаборатории Строительной Физики имеется уникальный современный прибор, способный измерять значения пространственных характеристик светового поля люксметр Radiolux 111 производства немецкой фирмы PRC Krochmann. (Рисунок 9).
Специально разработанные кремневые фотоэлементы, используемые в приборе, характеризуются постоянством показаний во времени, и прибор может измерять освещенность с точностью до миллилюксов. Хороший уровень соотношения спектральной чувствительности прибора с чувствительностью человеческого глаза достигается с помощью специальных коррегирующих фильтров.
Каждая фотоголовка тестируется индивидуально на качество спектральной регулировки. Помимо плоского фотоэлемента для измерения горизонтальной освещенности, к измерительному прибору можно также подсоединить различные насадки: фотометрические головки из молочного стекла с внутренним рассеянием света, которые позволяют оценивать уровень освещенности с помощью пространственных характеристик светового поля: сферическая, полусферическая, цилиндрическая и полуцилиндрическая фотоголовки.[24]
Эти насадки позволяют измерять пространственные характеристики светового поля в помещении (от естественного и искусственного света) и на улице, соответственно сферическую, полусферическую, цилиндрическую и полуцилиндрическую освещенности (Рисунок 10, Рисунок 11). отличается легкостью и удобством в эксплуатации. Быстрая смена насадок позволяет проводить в помещении сравнительный анализ распределения различных пространственных характеристик. Встроенная память прибора избавляет от необходимости записывать многочисленные значения. Так как мы имеем дело с объемными, а не плоскими насадками, чтобы избежать погрешности, вызванной отклонением насадки от вертикальной оси, все фотоголовки снабжены уровнем и удобной площадкой для установки. Насадки также отличаются небольшим размером (вся установка имеет высоту не больше 10см), что позволяет проводить измерения на моделях, тем не менее в комплект входит специальная миниатюрная насадка со штативом для измерения горизонтальной освещенности в моделях и на музейных экспонатах.
Эксперимент по поиску зависимостей КЕЦО от высоты светопроема
Данные рассуждения натолкнули автора на проведение эксперимента по измерению доли отраженной составляющей в величине относительной освещенности.
Данный опыт позволит сделать вывод о влиянии отраженного света и соответственно, покрытия поверхностей внутри помещения, на относительную цилиндрическую освещенность. Данный эксперимент построен на методике определения составляющей КЕО от внутреннего отраженного света при заданных коэффициентах отражения внутренних поверхностей для точек характерного разреза помещения [29].
Составляющая КЕО от внутреннего отражения света зависит от величины коэффициентов отражения внутренних поверхностей помещения, его геометрических параметров и пропорций, от распределения освещенности от прямого света небосвода по характерному разрезу помещения, а также от отражающих свойств поверхностей, прилегающих к светопроемам снаружи. По абсолютной величине отраженная составляющая освещенности больше вблизи светопроема, по мере удаления от светопроема абсолютная величина уменьшается, однако соотношение (где ен -составляющая от прямого света небосвода) растет и становится много больше единицы. Для решения поставленной задачи модель была оборудована вставками из картона, обклеенного черным бархатом.
Влияние, которое оказывает отражение света от различных поверхностей помещения на внутреннюю световую среду различно в зависимости от геометрических параметров помещения. В глубоких и широких помещениях отраженный свет от стен имеет незначительное влияние. В таких помещениях основную величину отраженной составляющей освещенности составляет свет, многократно отраженный от пола и оборудования на потолок и от него обратно на рабочую плоскость. Свет, отраженный от стен может составлять значительную долю отраженной величины в узких помещениях. В настоящее время влияние геометрических параметров на отраженную составляющую учитывается при расчетах тем, что коэффициент отражения берется по таблицам [23] в зависимости от пропорций помещения.
Для решения поставленной задачи необходимо провести экспериментальное определение прямой составляющей освещенности при нескольких вариантах внутренних поверхностей.
Чтобы такой эксперимент стал возможен, необходимо сравнить помещения с двумя вариантами поверхностей: а. Максимально отражающая свет поверхность – белая краска; б. Минимально отражающая свет поверхность – черный бархат. Для создания поверхностей с минимальной отражающей способностью используется черный бархат, так как он обладает очень низким коэффициентом отражения за счет своего ворса. При подобном эксперименте важно использовать именно натуральный бархат, так как искусственный бархат отличается повышенной блескостью, что приводит к погрешностям при измерениях. Эксперимент основывается на формуле (12) (12) Так как эксперимент проводится на модели, составляющая, учитывающая отраженный свет от фасадов соседних зданий не участвует в расчете. (13) Для анализа проводим эксперимент параллельно для горизонтальной и цилиндрической освещенностей.
Данные величины определяются для нескольких точек характерного разреза, так как при удалении точки от светопроема, отраженная составляющая увеличивается.
Далее закрываем стены модели заставками из черного бархата и повторяем измерения.
Разность значений, полученных в первых и вторых измерениях, даст нам значение отраженной составляющей от потолка.
Далее закрываем потолок заставкой из черного бархата и получаем значение отраженной составляющей от стен и пола.
Важно отметить, что при определении уровней освещенности в модели, оборудованной вставками из черного бархата, разметка точек, в которых проводятся измерения, не видна. Поэтому в данном эксперименте использовалась система передвижения платформы на тросах, при которой контроль расстояния между точками осуществлялся на внешней поверхности модели.
Измерения проводились в 4 этапа: в модели с белыми ограждающими конструкциями с максимальным коэффициентом отражения (=0,7), в модели со стенами, покрытыми натуральным черным бархатом (0), в модели с черным потолком и в полностью черной модели.
Сначала определялись значения относительной цилиндрической и горизонтальной освещенностей в черном помещении, оборудованном вставками из черного бархата. Так как в этом случае коэффициент отражения стремится к нулю, то общая освещенность помещения равна прямой составляющей освещенности: (14) Отраженная составляющая состоит из света, отраженного от стен – e01, света, отраженного от горизонтальных поверхностей, то есть от пола и от потолка - e02 и света, образующегося за счет перераспределения световых потоков и вторичных отражений между стенками модели e03. (15) Соответственно на втором этапе эксперимента была определена освещенность в помещении, в котором пол и потолок закрыты вставками из черного бархата - e1 На основании полученных измерений было определено значение освещенности, отраженной от стен: (16) На третьем этапе бархатная вставка была оставлена только на потолке модели, что позволило определить суммарную отраженную составляющую от стен и от пола. (17) На четвертом этапе измерения проводились в белой модели, где соответственно было получено значение полной относительной освещенности e: После этого возможным стало определение полной отраженной составляющей освещенности: (18) Используя формулу (15) найдем величину отраженной составляющей, образованной за счет перераспределения световых потоков, отраженных от внутренних поверхностей помещения(20), для этого определим долю отраженного света от стен, пола и потолка: (19) (20)
На рисунке 23 приведено два графических сравнения Е ц и Ег: 1-ый случай для помещения с белыми стенами и черными горизонтальными поверхностями при высоте окон 24 см без подоконника (2,4 м в масштабе), 2-ой случай – для помещения с полностью черными внутренними поверхностями. Мы можем наблюдать, что для помещения с белыми стенами в середине помещения (точки 2,3,4) значения цилиндрической освещенности превышают значения горизонтальной освещенности в среднем на 40%, в то время, как в абсолютно черном помещении линии распределения горизонтальной и цилиндрической освещенностей имеют очень схожий характер и пересекаются во второй точке. При удалении от светопроема разница в значениях увеличивается до 40% в сторону Ец.
Метод расчета цилиндрической освещенности от точечного источника света. (М.М. Гуторов)
отраженный свет позволяет человеку видеть окружающие его предметы и ориентироваться в пространстве. Свет, поступающий от светопроема извне, не сможет «осветить» помещение, если внутренние поверхности не будут обладать достаточной отражающей способностью.
Светоотражающая способность в свою очередь зависит от цвета поверхности и её текстуры. Причем, матовая поверхность будет создавать более равномерную яркость поверхности, в то время как глянцевая будет давать зеркальное или рассеянно-направленное отражение (подчиняющееся геометрическим законам). Отражающие характеристики внутренних поверхностей помещения обеспечивают необходимую яркость окружающего пространства и соответственно определяют такие качественные показатели как равномерность освещения и насыщенность светом, так как именно внутренние поверхности распределяют прямой световой поток от светопроемов и характер этого распределения определяет качество внутренней световой среды. Однако, следует отметить, что распределение отраженного света по помещению также сильно зависит от расположения и геометрических характеристик самого светопроема.
Отраженная составляющая КЕО для различных систем естественного освещения определяется по-разному. Это обусловлено различием светораспределения в помещениях с боковыми и верхними светопроемами. Помещения с боковым освещением отличаются высокой неравномерностью распределении освещения, в отличии от помещений с верхними фонарями, где величину отраженной составляющей считают одинаковой во всех точках помещения.
Составляющая КЕО от внутреннего отраженного света зависит от отражающей способности внутренних поверхностей и поверхностей, прилегающих к светопроему снаружи, то есть от коэффициентов отражения, а также от геометрических параметров помещения и их пропорций [22, Таблица Б2].
В глубоких и широких помещениях на большей части площади отраженный свет от вертикальных поверхностей не имеет большого влияния. Здесь большую долю составляет свет, многократно отраженный от пола и предметов помещения на потолок и от него на расчетную плоскость. В узких помещениях свет, отраженный от стен, может составлять значительную долю отраженной составляющей КЕО.
В настоящее время это различие учитывается в нормах тем, что значения коэффициентов отражения берутся в зависимости от соотношения геометрических характеристик помещения.
Согласно методике, представленной в [22 и 23] отраженная составляющая КЕО учитывается следующим образом: Где – коэффициент, учитывающий повышение КЕО при боковом освещении, за счет света, отраженного от внутренних стен и подстилающий поверхности, прилегающей к зданию.
Данный коэффициент определяется по таблицам в зависимости от коэффициентов отражения стен, пола и потолка, а также геометрических характеристик помещения и сводит эти данные к простой пропорциональной зависимости.
Значение r0 не нормируется, однако, есть рекомендации по коэффициентам отражения отдельных поверхностей. В помещениях значения коэффициента отражения поверхности должны быть не менее: 0,7 для потолка и верхней части стен; 0,5 для нижней части стен; 0,3 для пола.
В нормах приводится достаточно детальная таблица значений коэффициента отражения для различных материалов. Однако в настоящее время многообразие технологий производства отделочных материалов требует более детального подхода к определению их отражающей способности.
В то же время, отраженная составляющая освещения играет большую роль. Человеческий глаз воспринимает информацию только о тех предметах, которые имеют собственную светимость или яркость за счет отражения падающего на них света. Для получения полной информации об объекте очень важно направление отраженных световых потоков. Например, если свет падает на объект преимущественно в одной плоскости, наблюдатель не получает информацию о рельефности объекта. Объект должен освещаться как сверху, так и сбоку.
В случае нормирования световой среды по горизонтальной освещенности отраженная составляющая учитывается также на горизонтальной плоскости на уровне рабочей поверхности, в то время как для наблюдателя несомненно имеет бОльшую важность отраженный световой поток от вертикальных ограждающих конструкций, направленный параллельно рабочей поверхности. Именно за счет него воспринимаются объемные рельефные поверхности (например, человеческие лица). Моделирование, то есть четкость восприятия рельефных объектов нуждается в отдельном детальном изучении. Однако, предварительно можно констатировать, что для его оценки нужны пространственные характеристики светового поля.
При оценке световой среды инструментом горизонтальной освещенности оценивается качество освещения отраженным светом рабочей поверхности. Но этот показатель не дает информации о качестве световой среды в помещении в целом.
В то же время правильно направленный, отраженный свет может существенно повысить качество освещения в помещении. Например, за счет грамотного использования отражающей способности поверхности свет может быть транспортирован в более темные зоны помещений [71].
Однако, все ресурсы, которые дает отраженный свет, не могут быть задействованы, пока уровень освещенности оценивается по горизонтальной плоскости. При этом уже расчет освещенности от многократных отражений на плоскости представляет из себя не простую задачу, а расчет отраженного света при определении пространственной характеристики светового поля - тем более.
Впервые этим вопросом занялся Е.М. Завьялов. Используя метод конечных световых элементов, он исследовал влияние отраженных световых потоков от внутренних поверхностей помещения на величину пространственных характеристик естественного освещения.[47] Им были получены коэффициенты отражения для сферической и полусферической освещенностей и проведено сравнение этих показателей с коэффициентом отражения для горизонтальной освещенности.
Он установил, что с увеличением степень влияния отраженного светового потока на пространственные характеристики увеличивается гораздо быстрее по сравнению с горизонтальной освещенностью. Отмечается, что при малых значениях (т.е. при наиболее встречающихся в практике ) отношение / равно 1,16 – 1,4 при темной кровле ( =0,053) и 1,21-1,38 при =0,84. Наибольшее отклонение от значений в нормах наблюдается в точках, расположенных у стен, при любых значениях . Подобную закономерность демонстрируют графики распределения цилиндрической освещенности по помещению, полученные при проведении измерений, описанных в Главе 2.(Рисунок 35) Построение данного графика стало возможно после проведения и анализа измерений прямой составляющей КЕЦО в модели с черными бархатными вставками.