Расчет и контроль освещения

Лабораторная работа № 9

Оценка эффективности производственного

Освещения

Цель работы

Изучить принципы нормирования, расчета и контроля естественного и искусственного освещения помещений.

 

Содержание работы

1. Замерить освещенность в лаборатории при естественном и искусственном освещении.

2. Произвести нормирование искусственного освещения в соответствии со СНиП 23-05-95 и измерение фактической освещенности для заданных зрительных работ.

3. В соответствии с заданием выполнить расчет освещения.

 

Основные светотехнические понятия и величины

Основными показателями, характеризующими свет, являются сила света, световой поток, освещенность и яркость.

Для качественной оценки визуального действия светового потока и характеристики его распределения по поверхности и в пространстве разработана система световых единиц. Исходной для построения системы световых единиц является единица силы света - кандела (кд), которая определяется как сила света, испускаемая с поверхности площадью 1/600000 м² эталонного излучателя (черного тела) в перпендикулярном направлении при температуре затвердевания платины 2042 К и давлении 101325 Па (760 мм. рт. ст).

Световой поток Ф определяется как величина не только физическая, но и физиологическая, так как измерение ее основано на зрительном восприятии. Световой поток Ф - мощность лучистой энергии, оцениваемой по световому ощущению, воспринимаемому человеческим глазом в диапазоне длин волн 380-780 нм. Единицей измерения светового потока является люмен (лм). 1 лм - световой поток, испускаемый в единичном телесном угле (1 стерадиане) точечным источником при силе света 1 кд. Распределение светового потока реального источника излучения в окружающем пространстве обычно неравномерно. Поэтому пространственную угловую плотность светового потока характеризуют величиной силы света.

Сила света I является одной из основных величин Международной системы единиц СИ и определяется как отношение светового потока Ф к телесному углу w, в пределах которого световой поток распространяется и равномерно распределяется:

I _a = Ф/w, где I _a - сила света под углом a.

Освещенность Е характеризует поверхностную плотность светового потока на освещаемой площади S: Е =Ф/ S. Единица освещенности - люкс (лк) - это освещенность поверхности площадью 1 м² световым потоком 1 лм.

Яркость L поверхности определяется как отношение силы света светящейся поверхности в рассматриваемом направлении к ее проекции на плоскость, перпендикулярную этому направлению: L = I/(S cos a). Единица яркости - кандела на квадратный метр (кд/м²) - специального названия не имеет. Человек различает окружающие предметы только благодаря тому, что они имеют разную яркость.

Уровень ощущения света человеческим глазом зависит от плотности светового потока на сетчатке глаза, поэтому основное значение для зрения имеет не освещенность какой-либо поверхности, а световой поток, отраженный от этой поверхности и попадающий на зрачёк, т.е. яркость светящихся поверхностей обратно пропорциональна их площади, а яркость освещенных объектов зависит от их световых свойств, от степени освещенности и, в общем случае, от угла, под которым поверхность рассматривается. Поверхности, яркость которых в отраженном свете одинакова во всех направлениях, называются диффузными. Для них справедливо соотношение L=E r/p, где r = Ф_r / Ф - коэффициент отражения, определяемый отношением отраженного от поверхности светового потока Ф_r к падающему потоку Ф.

 

Виды и системы освещения

В зависимости от природы источника световой энергии различают естественное, искусственное и совмещенное освещение.

Естественное освещение - освещение помещений светом неба (прямым или отраженным), проникающим через световые проемы (окна) в наружных стенах.

Естественное освещение подразделяется на боковое, верхнее и комбинированное (верхнее и боковое). Во всех производственных помещениях с постоянным пребыванием в них людей для работ в дневное время следует предусматривать естественное освещение как более экономичное и совершенное с точки зрения медико-санитарных требований по сравнению с искусственным освещением. Особенность естественного освещения - чрезвычайно широкий диапазон изменения и непостоянство. Поэтому оценивать естественное освещение в абсолютных единицах освещенности - люксах не представляется возможным. В качестве нормируемой величины принята относительная величина - коэффициент естественной освещенности (КЕО), который представляет собой выраженное в процентах отношение естественной освещенности в некоторой точке заданной плоскости внутри помещения (Е _вн) светом неба (непосредственным или после отражений), к одновременно замеренной наружной горизонтальной освещенности (Е _нар), создаваемой светом полностью отрытого небосвода:

 

КЕО= (Е _вн Е _нар)×100 %.

Достаточность естественного освещения в помещении регламентируется нормами СНиП 23-05-95 (табл. 1.1), которыми установлены значения кео в зависимости от следующих четырех факторов:

1) точности или характера зрительной работы (разряда зрительной работы);

2) системы освещения (боковое, верхнее, комбинированное или совмещенное);

3) коэффициента светового климата, определяемого в зависимости от района расположения здания на территории России;

4) ориентации световых проемов здания по сторонам горизонта.

Для зданий, расположенных в центре Европейской части России независимо от их ориентации, коэффициенты светового климата равны единице.

В небольших помещениях с боковым односторонним освещением нормируется минимальное значение КЕО в точке, расположенной на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности на расстоянии 1 м от стены, наиболее удаленной от световых проемов. В крупногабаритных производственных помещениях при боковом освещении минимальное значение КЕО нормируется в точке, удаленной от световых проемов: а 1,5 высоты помещения для работ I-IV разрядов;

на 2 высоты помещения для работ V-VII разряда;

на 3 высоты помещения для работ VIII разряда.

Установленные СНиП 23-05-95 нормируемые значения КЕО используются для проектирования производственных зданий (помещений). На стадии проектирования основной задачей светотехнических расчетов при естественном освещении является определение требуемой площади световых проемов.

В том случае, если естественное освещение оказывается недостаточным, его дополняют искусственным. Такое освещение называют совмещенным.

Искусственное освещение применяется в часы суток, когда естественный свет недостаточен, или в помещениях, где он отсутствует. Существуют следующие виды искусственного освещения по функциональному назначению: рабочее, аварийное, охранное (для освещения в нерабочее время) и дежурное. Аварийное освещение разделяется на освещение безопасности (для продолжения работы) и эвакуационное. Искусственное освещение проектируется в виде двух систем - общее и комбинированное.

При общем освещении светильники размещаются в верхней зоне помещения равномерно (общее равномерное освещение) или применительно к расположению оборудования (общее локализованное освещение).

При комбинированном освещении к общему добавляется местное от светильников, концентрирующих световой поток непосредственно на рабочих местах. Искусственное освещение должно обеспечивать освещенность на рабочих местах в соответствии с нормами СНиП 23-05-95 (табл. 1.2 приведена также на стенде).

В основу нормирования освещенности положены следующие показатели, характеризующие условия зрительной работы: размер объекта, фон, контраст объекта с фоном.

1. Размер объекта - наименьший размер, который необходимо выделить при проведении работы. Например, при чтении текста - толщина линии буквы, при работе с приборами - толщина линий градуировки шкалы или толщина стрелки.

2. Фон - величина, определяемая коэффициентом отражения поверхности (rФ), на которой рассматривается объект (см. на стенде). Коэффициент отражения объекта (r0) различается по светлоте также, как и фон. Объект может быть светлым при r0 > 0,4, средним при 0,2 £ r0 £ 0,4 и темным при r0 < 0,2.

3. Контраст объекта с фоном (К) характеризуется отношением абсолютной величины разности между яркостью объекта L0 и фона Lф к яркости фона или между их коэффициентами отражения к коэффициенту отражения фона (см. также на стенде): K=(L0-Lф)/ Lф; K=(r0-rф)/rф.

Контраст объекта с фоном (К) считается большим, средним или малым в зависимости от его численного значения (табл. 2).

В некоторых случаях фон и контраст объекта с фоном можно определить визуально, например, при чертежных работах: линии – темные, фон – светлый, следовательно, контраст – объекта с фоном – большой.

При нормировании осветительных условий (определении уровня освещенности по СНиП 23-05-95) для заданной зрительной работы при искусственном освещении необходимо знать:

1) разряд работы, который зависит от размера объекта различения,

2) подразряд работы, который зависит от контраста объекта с фоном и характеристики фона.

 

 

Таблица 1.1

Нормирование естественного освещения

 

Характеристика зрительной работы	Наименьший или эквивалентный размер объекта различения, мм	Разряд зрительной работы	Естественное освещение	Совмещенное освещение
КЕО, ен, %
при верхнем или комбинированном освещении	при боковом освещении	при верхнем или комбинированном освещении	при боковом освещении
Наивысшей точности	Менее 0,15	I	-	-	6,0	2,0
Очень высокой точности	От 0,15 до 0,30	II	-	-	4,2	1,5
Высокой точности	От 0,30 до 0,50	III	-	-	3,0	1,2
Средней точности	Св. 0,5 до 1,0	IV		1,5	2,4	0,9
Малой точности	Св. 1 до 5	V			1,8	0,6
Грубая (очень малой точности)	Более 5	VI			1,8	0,6
Работа со светящимися материалами и изделиями в горячих цехах	Более 0,5	VII			1,8	0,6
Общее наблюдение за ходом производственного процесса: Постоянное		VIII			1,8	0,6
Периодическое при постоянном пребывании людей в помещении		0,3	0,7	0,2
Периодическое при периодическом пребывании людей в помещении	0,7	0,2	0,5	0,2
Общее наблюдение за инженерными коммуникациями	0,3	0,1	0,2	0,1

Таблица 1.2

Характеристика зрительной работы	Наименьший или эквивалентный размер объекта различения, мм	Разряд зрительной работы	Подразряд зрительной работы	Контраст объекта с фоном	Характе­ристика фона	Искусственное освещение
						Освещенность, лк	Сочетание норми­руемых величин показателя ослепленности и коэффициента пульса­ции
при системе кобинированного освещения	при системе общего освеще­ния
всего	в том числе от общего	Р	Кп,%
Наивысшей точности	Менее 0,15	I	а	Малый	Темный			- -
б	Малый Средний	Средний Темный
в	Малый Средний Большой	Светлый Средний Темный
г	Средний Большой Большой	Светлый Светлый Средний	1500 1250
Очень высокой точности	От 0,15 до 0,30	II	а	Малый	Темный			- -
б	Малый Средний	Средний Темный
в	Малый Средний Большой	Светлый Средний Темный
г	Средний Большой Большой	Светлый Светлый Средний
Высокой точности	От 0 30 до 0 50	III	а	Малый	Темный
б	Малый Средний	Средний Темный
в	Малый Средний Большой	Светлый Средний Темный
г	Средний Большой Большой	Светлый Светлый Средний
Средней точности	Св 05 до 1,0	IV	а	Малый	Темный
б	Малый Средний	Средний Темный
в	Малый Средний Большой	Светлый Средний Темный
г	Средний Большой Большой	Светлый Светлый Средний
Малой точности	Св. 1 до 5	V	а	Малый	Темный
б	Малый Средний	Средний Темный	-	-
в	Малый Средний Большой	Светлый Средний Темный	-	-
г	Средний Большой Большой	Светлый Светлый Средний	-	-
Грубая (очень малой точности)	Более 5	VI		Независимо от характеристик фона и контраста объекта с фоном	-	-

 

Таблица 2.

К	К >0,5 Объект и фон резко разнятся по яркости	0,2£ К £0,5 Объект и фон заметно разнятся по яркости	К <0,2 Объект и фон мало отличаются по яркости
Контраст объекта с фоном	Большой	Средний	Малый

 

Принимая во внимание параметры, указанные выше, определяется нормируемое значение искусственного освещения. Предусматриваемое СНиПом число разрядов для промышленных предприятий составляет 8, первые пять разрядов имеют подразряды работ. В основу норм положена шкала со ступенями освещенности:

0,2; 0,3; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7;

10; 15; 20; 30; 50; 75;

100; 150; 200; 400; 500; 600; 750;

1000; 1250; 1500; 2000; 2500; 3000; 3500;4000; 4500; 5000 лк.

 

Освещенность повышают на одну ступень по шкале освещенности в следующих случаях:

а) при работах I-IV разряда, если зрительная работа выполняется более половины рабочего дня; б) при повышенной опасности травматизма, если освещенность от системы общего освещения составляет 150 лк и менее;

в) при отсутствии естественного света, если освещенность от системы общего освещения 750 лк и менее;

г) при работе и обучении подростков, если освещенность от системы общего освещения 300 лк и менее;

д) в помещениях, где более половины работающих старше 40 лет.

В помещении должна быть обеспечена равномерность и устойчивость уровня освещенности. В поле зрения должна отсутствовать прямая (от самих источников) и отраженная блескость. Последняя определяет снижение видимости вследствие чрезмерного увеличения яркости рабочей поверхности и вуалирующего действия, снижающего контраст между объектом и фоном.

Слепящее действие осветительной установки оценивается показателем ослепленности P, определяемым выражением:

P =1000(S -1),

где S -коэффициент ослепленности, равный отношению пороговых разностей яркости при наличии и отсутствии слепящих источников в поле зрения. Нормируемые значения показателей ослепленности не должны превышать P =20 для зрительных работ очень высокой точности и Р =40 для работ меньшей точности (табл. 1.2)

Колебания освещенности в результате изменения во времени светового потока газоразрядных ламп при питании их переменным током оценивается коэффициентом пульсации освещенности, определяемым по формуле

где Е _макс и Е _мин – соответственно максимальное и минимальное значения освещенности за период ее колебания, лк; Е _ср – среднее значение освещенности за этот же период, лк.

Для уменьшения коэффициента пульсации газоразрядных ламп используют следующие способы: включение светильников в разные фазы электрической сети, питание током повышенной частоты, использование высокочастотных пускорегулирующих аппаратов и др.

Для ограничения неблагоприятного действия пульсирующих световых потоков газоразрядных ламп нормируется сочетание показателя ослепленности Р (от 10 до 40) для общего освещения и коэффициент пульсации К _п (от 10 до 20%) для общего и комбинированного освещения (табл. 1.2)

Расчет и контроль освещения

Расчет искусственного освещения может выполняться различными методами. Наиболее распространенным в проектной практике является расчет освещения по методу коэффициента использования светового потока, который предназначен для расчета общего равномерного освещения горизонтальных поверхностей. Расчетное уравнение метода

Ф = (E _н kSz)/(N U _оу), (1)

где Ф - световой поток каждой из ламп или каждого светильника, лм;

Е _н - нормируемая минимальная освещенность, лк;

k - коэффициент запаса, учитывает запыление светильников и износ источников света в процессе эксплуатации, равен 1,2 для ламп накаливания и 1,4 для разрядных ламп;

S - площадь помещения, м²;

z - коэффициент неравномерности освещения, характеризует отношение средней освещенности к минимальной, и равен 1,15 для ламп накаливания и 1,1 для люминесцентных ламп;

N - выбранное число ламп или светильников;

U _оу - коэффициент использования осветительной установки (светильника), показывает какая часть светового потока (в долях единицы) лампы падает на освещаемую поверхность.

Определяют U _оу по справочным таблицам в зависимости от типа светильников, коэффициентов отражения потолка, стен, пола или расчетной поверхности, а также индекса помещения j= AB / h (A+B), где h - высота подвеса светильников над рабочей поверхностью, м; А и В - ширина и длина помещения, м.

По формуле (1) рассчитывается световой поток Ф в лм лампы (ламп) в светильнике, необходимый для создания на рабочих поверхностях освещенности Е не ниже нормируемой на все время эксплуатации осветительной установки. По полученному в результате расчета требуемому световому потоку подбирается ближайшая стандартная лампа. Допускается отклонение светового потока лампы от расчетного не более чем на (-10%) - (+20%). При невозможности выбора ламп с таким приближением корректируют количество светильников.

Чаще решается обратная задача, т.е. по известному световому потоку Ф лампы (ламп) в светильнике определяется необходимое число ламп или светильников N для получения требуемой нормированной освещенности Е _Н.

Измерение и контроль освещенности осуществляется с помощью приборов, получивших название люксметров. Принципиальная электрическая схема люксметра приведена на стенде. Принцип действия люксметра основан на явлении фотоэлектрического эффекта. Под влиянием светового потока, падающего на селеновый фотоэлемент, в замкнутой цепи возникает ток, величина которого пропорциональна световому потоку. Прибор градуирован в люксах. Существенным преимуществом селенового фотоэлемента по сравнению с другими типами фотоэлементов является то, что его кривая спектральной чувствительности наиболее близко совпадает с кривой относительной видности человеческого глаза. При изменении освещенности фотоэлемент устанавливается горизонтально на некотором расстоянии от проводящего измерение так, чтобы тень не падала на фотоэлемент.