Естественное освещение зданий

Учет естественного освещения при проектировании зданий и застройки имеет большое значение. Это особенно важно при проектировании промышленных зданий, где светопроемы имеют большую площадь остекления, через которое зимой уходит тепло, а летом поступает большое количество тепла от солнца. На восполнение теплопотерь и ликвидацию теплопоступлений требуются значительные дополнительные затраты энергии. В то же время недостаточная площадь остекления приводит к большим затратам энергии на искусственное освещение. Поэтому площадь остекления должна быть не больше и не меньше, чем это необходимо. Существуют нормы СНиП 23-05-2003* "Естественное и искусственное освещение", которые содержат нормативные указания по устройству естественного освещения зданий, а также Свод правил СП 23-102-2003 "Естественное освещение жилых и общественных зданий", где содержатся данные и методики по расчетам естественного освещения.

В жилищном и гражданском строительстве основной и очень важной задачей является проверка соблюдения норм естественного освещения при затенении жилых зданий, школьных и детских дошкольных учреждений противостоящей застройкой.

Освещение бывает естественное, искусственное и совмещенное. Источниками естественного света являются солнце и прямой свет небосвода. Источниками искусственного света в настоящее время являются электрические лампы. При совмещенном освещении помещение освещается одновременно естественным и искусственным светом в определенных соотношениях.

Основным требованием к естественному освещению в жилых, общественных и промышленных зданиях является обеспечение наилучшего освещения рабочего места или объекта, который воспринимается человеком при наблюдении. При этом имеют значение не только условия видимости объекта, но и "поле адаптации" – окружающая световая среда, которая очень важна, особенно в жилых, школьных зданиях, а также в детских садах и яслях. Естественное освещение имеет очень большое влияние на самочувствие человека, его психофизическое состояние и на производительность труда. Кроме того, естественное освещение экономит большое количество энергии, затрачиваемой на электрическое освещение.

Любое светящее тело излучает световой поток, являющийся частью лучистого потока в диапазоне длин волн электромагнитных колебаний от 100 нанометров (нм) – ультрафиолетовая часть спектра до 780 нм – инфракрасная часть спектра. Единица светового потока Ф – люмен (лм). Отношение светового потока к площади F (м2), на которую он падает, называется освещенностью:

Единицей освещенности является люкс. Однако если измерять естественную освещенность помещения в люксах, это значит, что надо задаваться фиксированной величиной наружной естественной освещенности. Но так как она постоянно меняется в зависимости от облачности, времени дня и времени года, на практике это неудобно. Поэтому в строительной светотехнике применяется относительная величина, называемая коэффициентом естественной освещенности (КЕО).

КЕО (е) есть отношение естественной освещенности в какой-либо точке внутри помещения (Ев) к одновременной освещенности снаружи на открытой горизонтальной площадке (Ен), выраженное в процентах:

Расчет КЕО основан на допущении о пасмурном небосводе, покрытом равномерной (10-балльной) облачностью. Это стандарт Международной комиссии по освещению (МКО), установленный на основе исследований яркости пасмурного неба американскими учеными П. Муном и Д. Спенсер. Они установили, что яркость пасмурного неба изменяется только по угловой высоте точки на небосводе. На одной и той же угловой высоте θ яркость неба во всех точках Lθ постоянна:

Здесь Lz – яркость неба в зените.

На рис. 15.12 оказана схема прохождения света в помещение с боковыми светопроемами (окнами).

Рис. 15.12. Схема прохождения света в помещение с боковым светопроемом

Основная часть света проходит в расчетную точку М от прямого света небосвода. Эта часть светового потока определяется составляющей КЕО (ен). При наличии противостоящих зданий другая часть светового потока, приходящего в точку М, является отраженной от противостоящего здания. Она определяется оставляющей КЕО от противостоящих зданий (езд). Часть света отражается от прилежащей поверхности земли, галереи, балкона. Эта часть попадает на потолок и в верхнюю зону стен помещения, и оттуда она отражается в расчетную точку М. Она определяется составляющей КЕО от прилегающей поверхности (еп). Весь световой поток, падающий на поверхность окна, ослабляется остеклением, переплетами, загрязнением, затенением балконами и солицезащитой. Прошедший световой поток попадает на пол и нижнюю часть стен, отражается от них на потолок и верхнюю часть стен и оттуда – на рабочую поверхность в точку М. Эта часть светового потока образует внутреннюю отраженную составляющую КЕО (ео), которая при светлой отделке может значительно увеличить величину КЕО, особенно в глубине помещения. Таким образом, КЕО определяется как сумма перечисленных составляющих:

(15.11)

(15.12)

На рис. 15.13 представлена схема прохождения света в помещение через фонарь системы верхнего естественного света. Здесь имеют место те же составляющие КЕО за исключением езл, а в качестве прилегающей поверхности служит поверхность кровли.

Рис. 15.13. Схема прохождения света в помещение с верхним светопроемом

Формула для расчета КЕО в помещениях с боковыми светопроемами предложена действующими нормами СНиПа "Естественное и искусственное освещение":

(15.13)

Здесь, где – геометрический КЕО, учитывающий

телесный угол, под которым из светопроема виден участок неба; q – коэффициент, учитывающий неравномерную яркость пасмурного неба (стандарта МКО):

где и – соответственно яркость неба под углом к горизонту и в зените соответственно освещенности под открытым равноярким небом и небом стандарта МКО. Используя закон Муна и Спенсер (15.35), имеем

Далее, , где – геометрический КЕО, учитывающий телесный угол, под которым видно противостоящее здание из расчетной точки;– коэффициент, учитывающий яркость фасада противостоящего здания;– коэффициент, учитывающий то, что от противостоящего здания отраженный свет может попадать не только в верхнюю зону помещения (потолок и верхнюю часть стен), но и в его нижнюю часть (на нижнюю часть стен и даже на пол);– коэффициент светопропускания окна;– коэффициент запаса, учитывающий загрязнение остекления;– коэффициент, учитывающий влияние отраженного света внутри помещения.

Все коэффициенты в формуле (15.13) являются эмпирическими, хотя и имеют физический смысл. Они определяются по таблицам в СП 23-102-2003. Исключение составляют геометрические коэффициенты естественного освещения, которые определяются по графикам А. М. Данилюка (см. ниже) или по аналитическим формулам. Расчет геометрических КЕО основан на двух законах строительной светотехники.

Закон проекции телесного угла. Освещенность Ем в какой-либо точке помещения (М), создаваемая равнояркой, сферической поверхностью небосвода, прямо пропорциональна яркости участка этой поверхности и площади проекции телесного угла, под которым виден этот участок через светопроем (рис. 15.14):

Рис. 15.14. Схема к закону проекции телесного угла

Следствие 1. Понятие о геометрическом КЕО.

Освещенность под открытым небом по закону проекции телесного угла равна

Здесь – проекция полусферы на горизонтальную плоскость. При . Согласно определению КЕО (15.11)

Это отношение поясняет геометрическую сущность КЕО и называется геометрическим коэффициентом естественной освещенности.

Следствие 2. Понятие о светоактивности проема.

На рис. 15.15 показано помещение с двумя одинаковыми по площади светопроемами, расположенными на одном расстоянии от расчетной точки М, но на различной высоте над ней и в различно расположенных ограждающих конструкциях по отношению к расчетной поверхности. Из рис. 15.15 очевидно, что σ2 > σ1, следовательно, освещенность, создаваемая светопроемом в потолке на горизонтальной плоскости, гораздо больше, чем освещенность от светопроема в стене. Следовательно, для горизонтальной рабочей поверхности верно, что чем выше расположен светопроем над расчетной точкой и чем ближе его ориентация к зениту, тем выше его светоактивность. При расположении расчетной точки в вертикальной плоскости наоборот: светоактивность окна в стене может быть выше, чем светоактивность светопроема в потолке.

Закон светотехнического подобия. Освещенность в какой-либо точке помещения зависит не от абсолютных, а от относительных размеров помещения.

Рис. 15.15. Схемы к понятию об относительной световой активности светопроемов с помощью закона проекции телесного угла при расположении точки на горизонтальной (а) и в вертикальной (б) плоскости

Сущность этого закона показана на рис. 15.16. Проекция телесного угла в обоих подобных друг другу, но разных по размеру помещениях одинакова. Следовательно, согласно закону проекции телесного угла освещенность в обоих помещениях одинакова.

Рис. 15.16. Схема к закону светотехнического подобия

Следствие 1. Результаты измерений освещенности в моделях помещений в основном соответствуют результатам измерений освещенности в реальных помещениях. Использование этого закона позволяет моделировать небосвод и измерять под искусственным небосводом освещенность в моделях помещений.

Расчет геометрического КЕО может производиться по графикам А. М. Данилюка (рис. 15.17). Это метод хорошо подходит для практических расчетов, так как позволяет использовать в расчетах основные строительные чертежи – разрезы и планы помещений.

На график 1 накладывается разрез помещения так, чтобы расчетная точка совпала с полюсом графика. Подсчитывается количество лучей, проходящих через окно в расчетную точку ().

Следует иметь в виду, что нижний луч разбит пунктирными линиями на десятые доли. Отмечается номер полуокружности, проходящей через центр светопроема.

На график II накладывается план помещения (при расчетах светопроемов в кровле – продольный разрез помещения) таким образом, чтобы центральная линия светопроема на плане совпала с горизонталью, помер которой совпадает с номером полуокружности на разрезе. Подсчитывается количество лучей, проходящих через светопроем.

Величина геометрического КЕО определяется по формуле

Масштаб чертежей не имеет значения. Однако ясно, что на графики № 1 и № 2 следует накладывать разрезы и планы помещений, выполненные в одном масштабе.

Величины n1 и n2 могут быть рассчитаны по формулам, заменяющим графики А. М. Данилюка:

Расчетная схема с обозначениями углов представлена на рис. 15.18. При этом следует учитывать, что и где взяты с плана помещения, а – это угол превышения центра окна над расчетной точкой.

Нормируемые значения КЕО приведены в СНиП "Естественное и искусственное освещение". Однако в разных районах России разный световой климат. Поэтому в нормах административные районы России объединили в группы с примерно одинаковым световым климатом. Для каждой группы и для разных ориентаций светопроемов в СНиПе приведены коэффициенты светового климата (т), на которые надо умножить коэффициенты енорм. Это и будут нормированные значения КЕО.

Рис.. 15.17. Графики А. М. Данилюка и примеры их использования в расчетах геометрического КЕО

Рис. 15.18. Схема углов к расчету геометрических КЕО

При проектировании или проверке естественного освещения зданий необходимо, чтобы нормированные значения КЕО были меньше или равны расчетным значениям КЕО в точках, указанных в СНиПе:

Для расчета КЕО при верхнем естественном освещении можно пользоваться формулой, предложенной в СНиПе:

(15.14)

Здесь первое слагаемое – составляющая от прямого света неба. Второе слагаемое – это внутренняя отраженная составляющая, учитывающая также отраженный свет от прилегающих участков кровли на плоскости фонарей. Это учитывает коэффициент Кф. Коэффициент r2 учитывает внутренний отраженный свет. Остальные коэффициенты – такие же, как и в формуле (15.13).

Рассчитываются значения КЕО при верхнем естественном освещении обычно не менее чем в пяти точках на пролет здания, после чего рассчитывается среднее значение КЕО и сравнивается с нормируемым значением при верхнем освещении, приведенным в СНиП. Оно обычно примерно в три раза больше, чем при боковом освещении.

Проектирование систем естественного освещения заключается в том, что сначала выбирают площади и типы светопроемов. Для этого используют формулы и графики, приведенные в СП 23-102-2003. Методика подробно изложена в учебнике "Физика среды" [3]. Затем размещают светопроемы в ограждающих конструкциях. После этого проводят проверочный расчет КЕО по формулам (15.13) и (15.14) и сравнивают расчетные значения КЕО с нормируемыми.