КАМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
Кафедра электроники и электротехники
ЭФФЕКТИВНОСТЬ И КАЧЕСТВО
ОСВЕЩЕНИЯ
Методические указания
к лабораторной работе по БЖД
Набережные Челны
Эффективность и качество освещения: Методические указания к лабораторной работе по БЖД /Составитель Р.Н. Мазитов. - Набережные Челны: Изд-во КамПИ, 2004. – 27с.
Методические указания предназначены для студентов дневной и вечерней формы обучения. Даются разъяснения по ознакомлению с основными светотехническими номиналами, принципами нормирования, а также методами и приборами для определения эффективности и качества освещения в рабочих помещениях.
Печатается по решению научно-методического совета Камского государственного политехнического института.
© Камский государственный
политехнический институт,
2004 г.
Лабораторная работа
ЭФФЕКТИВНОСТЬ И КАЧЕСТВО ОСВЕЩЕНИЯ
Цель работы - изучение нормируемых количественных и качественных характеристик освещения;
- оценка влияния типа светильника и цветовой отделки интерьера помещения на освещенность и на (КПД) эффективность использования светового потока осветительной установки;
- демонстрация преимуществ и недостатков применяемых в настоящее время источников света.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Освещение - получение, распределение и использование световой энергии для обеспечения благоприятных условий видения предметов и объектов. Оно влияет на настроение и самочувствие, определяет эффективность труда.
Сохранность зрения человека, состояние его центральной нервной системы, производительность, качество труда и безопасность в производственных условиях в значительной мере зависят от условий освещения. Рациональное освещение помещений и рабочих мест - одно из важнейших условий создания благоприятных и безопасных условий труда.
Около 80 % из общего объема информации человек получает через зрительный аппарат. Качество получаемой информации во многом зависит от освещения: неудовлетворительное в количественном или качественном отношении освещение не только утомляет зрение, но и вызывает утомление организма в целом. Нерационально организованное освещение может, кроме того, явиться причиной травматизма: плохо освещенные опасные зоны, слепящие источники света и блики от них, резкие тени и пульсации освещенности ухудшают видимость и могут вызвать неадекватное восприятие наблюдаемого объекта.
В зависимости от источника света система производственного освещения может быть трех видов: естественное, искусственное (общее и местное) и комбинированное (смешанное). Применение одного местного освещения внутри зданий не допускается.
1.1. СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСВЕЩЕНИЯ
Для гигиенической оценки освещения используются светотехнические характеристики, принятые в физике.
Видимое излучение - участок спектра электромагнитных колебаний в диапазоне длин волн от 380 до 770 нм (1 нм = 10-9 м), регистрируемых человеческим глазом.
Световой поток F - мощность лучистой энергии, оцениваемая по производимому ею зрительному ощущению. За единицу светового потока принят люмен (лм).
Ia = dF/dw, (1),
где dF - световой поток (лм), равномерно распределяющийся в пределах телесного угла dw. Единица измерения силы света - кандела (кд), равная световому потоку в 1 лм (люмен), распространяющемуся внутри телесного угла в 1 стерадиан.
Освещенность Е - поверхностная плотность светового потока, люкс (лк):
Е = dF/dS,
где: dS - площадь поверхности (м2), на которую падает световой поток dF.
Яркость В - поверхностная плотность силы света в заданном направлении. Яркость, являющаяся характеристикой светящихся тел, равна отношению силы света в каком-либо направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к этому направлению.
Вα = Iα /(dS cosa),
где Iα - сила света, кд; dS - площадь излучающей поверхности, м2; a - угол между направлением излучения и нормалью к поверхности, град. Единицей измерения яркости является кд/м2, это яркость такой плоской поверхности, которая в перпендикулярном направлении излучает силу света в 1 кд с площади 1м2.
ИСКУССТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ
Искусственное освещение предусматривается в помещениях, в которых испытывается недостаток естественного света, а также для освещения помещения в те часы суток, когда естественная освещенность отсутствует.
По принципу организации искусственное освещение можно разделить на два вида: общее и комбинированное.
Общее освещение предназначено для освещения всего помещения, оно может быть равномерным или локализованным. Общее равномерное освещение создает условия для выполнения работ в любом месте освещаемого пространства. При общем локализованном освещении светильники размещают в соответствии с расположением оборудования, что позволяет создавать повышенную освещенность на рабочих местах.
Комбинированно е освещение состоит из общего и местного. Его целесообразно устраивать при работах высокой точности, а также при необходимости создания в процессе работы определенной направленности светового потока. Местное освещение предназначено для освещения только рабочих поверхностей и не создает необходимой освещенности даже на прилегающих к ним участкам. Оно может быть стационарным и переносным. Применение только местного освещения в производственных помещениях запрещается, так как резкий контраст между ярко освещенными и неосвещенными местами утомляет зрение, замедляет скорость работы и нередко является причиной несчастных случаев.
По функциональному назначению искусственное освещение подразделяется на: рабочее, эвакуационное и охранное.
Рабочееосвещение предусматривается для всех помещений производственных зданий, а также участков открытых пространств, предназначенных для обеспечения нормальной работы, прохода людей и движения транспорта.
Аварийное освещение в помещениях и на местах производства работ необходимо предусматривать, если отключение рабочего освещения и связанное с этим нарушение обслуживания оборудования может привести к взрыву, пожару, длительному нарушению технологического процесса или работы объектов жизнеобеспечения. Наименьшая освещенность, создаваемая аварийным освещением, должна составлять 5 % освещенности, нормируемой для рабочего освещения, но не менее 2 лк внутри зданий и не менее 1 лк для территории предприятий.
Эвакуационное освещение следует предусматривать в местах, отведенных для прохода людей, в проходах и на лестницах, служащих для эвакуации людей в количестве более 50 человек. Это освещение должно обеспечивать на полу основных проходов (или на земле) и на ступенях лестниц освещенность не менее 0,5 лк в помещениях и 0,2 лк на открытой территории.
Охранное освещение предусматривается вдоль границ территории, охраняемой в ночное время. Охранное освещение должно обеспечивать освещенность не менее 0,5 лк на уровне земли.
Сигнальное освещение применяют для фиксации границ опасных территорий; оно указывает на наличие опасности либо на безопасный путь эвакуации.
Бактерицидное облучение (наиболее обеззараживающее эффективное лучи УФИ с l = 0,254…0,257 мкм) и эритемное облучение (максимальное стимулирующее обмену веществ в организме человека воздействие оказывают лучи с l = 0,297 мкм) условно также относят к производственному освещению.
ИСТОЧНИКИ ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ
В качестве источников искусственного освещения применяются лампы накаливания и газоразрядные лампы.
В лампах накаливания источником света является раскаленная вольфрамовая проволока. Эти лампы дают непрерывный спектр излучения с повышенной (по сравнению с естественным светом) интенсивностью в желто-красной области спектра. По конструкции лампы накаливания бывают вакуумные, газонаполненные, бесспиральные (галогенные).
Общим недостатком ламп накаливания является сравнительно небольшой срок службы (менее 2000 часов), сильное отличие спектрального состава излучения от естественного (нарушается правильная цветопередача) и малая световая отдача y (отношение создаваемого лампой светового потока к потребляемой электрической мощности) (y = 8-20 лм/Вт, при идеальных условиях 1 Вт соответствует 683 лм). В промышленности они находят применение для организации местного освещения.
Наибольшее применение в промышленности находят газоразрядные лампы низкого и высокого давления.
Газоразрядные лампы низкого давления, называемые люминесцентными, содержат стеклянную трубку, внутренняя поверхность которой покрыта люминофором, наполненную дозированным количеством паров металлов (натрия, ртути 30 - 80 мг), галогенов (йод, фтор) и смесью инертных газов под давлением около 400 Па. На противоположных концах внутри трубки размещаются электроды, между которыми, при включении лампы в сеть, возникает газовый разряд, сопровождающийся излучением преимущественно в ультрафиолетовой области спектра. Это излучение, в свою очередь, преобразуется люминофором в видимое световое излучение. В зависимости от состава люминофора люминесцентные лампы обладают различной цветностью.
В последние годы появились газоразрядные лампы низкого давления со встроенным высокочастотным преобразователем. Газовый разряд в таких лампах (называемый вихревым) возбуждается на высоких частотах (десятки кГц) за счет чего обеспечивается очень высокая светоотдача.
К газоразрядным лампам высокого давления (0,03-0,08 МПа) относят дуговые ртутные люминесцентные лампы (ДРЛ), по форме напоминающие вытянутые лампы накаливания. В спектре излучения этих ламп преобладают составляющие зелено-голубой области спектра.
Основными достоинствами газоразрядных ламп является их долговечность (свыше 10 000 часов: до 20 000 часов), экономичность, малая себестоимость изготовления, благоприятный спектр излучения (близкий к солнечному спектру), обеспечивающий высокое качество цветопередачи, низкая температура поверхности. Светоотдача y этих ламп колеблется в пределах от 30 до 105 лм/Вт (ДРЛ – до 65 лм/Вт, люминесцентные – до 90 лм/Вт, ксеноновые и натриевые – 110…200 лм/Вт), что в несколько раз превышает светоотдачу ламп накаливания.
К недостаткам этих ламп следует отнести наличие вредных веществ при их разгерметизации, радиопомехи, сложную и дорогостоящую пускорегулирующую арматуру, громоздкость и невозможность быстрого вторичного включения лампы при кратковременном отключении, а также длительность выхода отдельных типов ламп на номинальный режим (ДРЛ – до 3…5 мин). Существенным и наверное основным недостатком ГРЛ является пульсация светового потока.
1.4. НОРМИРОВАНИЕ ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ
Наименьшая освещенность рабочих поверхностей в производственных помещениях устанавливается в зависимости от характеристики зрительной работы и регламентируется строительными нормами и правилами СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение».
Характеристика зрительной работы определяется минимальным размером объекта различения, контрастом объекта с фоном и свойствами фона.
Объект различения - рассматриваемый предмет, отдельная его часть или дефект, который следует контролировать в процессе работы.
Фон - поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения, на которой он рассматривается. Фон считается:
светлым при коэффициенте отражения r светового потока поверхностью более 0,4; средне светлым при коэффициенте отражения от 0,2 до 0,4; темным при коэффициенте отражения менее 0,2.
Контраст объекта различения с фоном (К) определяется отношением абсолютной величины разности яркостей объекта ВО и фона ВФ к наибольшей их этих двух яркостей. Контраст считается большим при значении К более 0,5; средним - при значениях К от 0,2 до 0,5; малым - при значениях К менее 0,2.
В соответствии со СНиП 23-05-95 все зрительные работы делятся на 8 разрядов в зависимости от размера объекта различения и условий зрительной работы. Допустимые значения наименьшей освещенности рабочих поверхностей в производственных помещениях в соответствии со СНиП 23.05-95 приведены в приложении 1. (В зарубежных нормах размер объекта различения часто указывают в угловых минутах).
Кроме цветности источников света и цветовой отделки интерьера, влияющих на субъективную оценку освещения, важным параметром, характеризующим качество освещения, является коэффициент пульсации Кп:
Кп = [(Еmax - Emin)/2Eср]*100%, (4)
где: Emax - максимальное значение пульсирующей освещенности на рабочей поверхности; Еmin - минимальное значение пульсирующей освещенности; Еср - среднее значение освещенности за период колебаний.
Для газоразрядных ламп Кп» 25...65 %, для обычных ламп накаливания Кп» 7 %, для галогенных ламп накаливания Кп» 1 %.
Пульсации освещенности на рабочей поверхности не только утомляют зрение, но и могут вызывать неадекватное восприятие наблюдаемого объекта за счет появления стробоскопического эффекта. Стробоскопический эффект - кажущееся изменение или прекращение движения объекта, освещаемого светом, периодически изменяющимся с определенной частотой. Например, если вращающийся белый диск с черным сектором освещать пульсирующим световым потоком (вспышками), то сектор будет казаться: неподвижным при частоте fвсп = fвращ, медленно вращающимся в обратную сторону при fвсп > fвращ медленно вращающимся в ту же сторону при fвсп< fвращ, где fвсп и fвращ соответственно частоты вспышек и вращения диска. Пульсации освещенности на вращающихся объектах могут вызывать видимость их неподвижности, что в свою очередь, может явиться причиной травматизма.
Значение Кп меняется от нескольких процентов (для ламп накаливания) до нескольких десятков процентов (для люминесцентных ламп). Малое значение Кп для ламп накаливания объясняется большой тепловой инерцией нити накала, препятствующей заметному уменьшению светового потока Fлн ламп в момент перехода мгновенного значения переменного напряжения сети через 0 (Рис.1). В то же время газоразрядные лампы обладают малой инерцией и меняют свой сетевой поток Fлл почти пропорционально амплитуде сетевого напряжения (рис.1).
Рис.1.
Для уменьшения коэффициента пульсации освещенности Кп люминесцентные лампы включаются в разные фазы трехфазной электрической сети. Это хорошо поясняет нижняя кривая на рис.1а, где показан характер изменения во времени светового потока (и связанной с ним освещенности), создаваемого тремя люминесцентными лампами 3Fлл включенными в три различные фазы сети. В последнем случае за счет сдвига фаз на 1/3 периода провалы в световом потоке каждой из ламп компенсируются световыми потоками двух других ламп, так что пульсации суммарного светового потока существенно уменьшаются. При этом среднее значение освещенности, создаваемой лампой, остается неизменным и не зависит от способа их включения.
В соответствии со СНиП 23-05-95 коэффициент пульсации освещенности Кп нормируется в зависимости от разряда зрительных работ с сочетании с показателем ослепленности Р:
P = (s - 1)*103, (5)
где s - коэффициент ослепленности, определяемый как:
s = (DBпор)s / DВпор, (6)
где D Впор - пороговая разность яркости объекта и фона при обнаружении объекта на фоне равномерной яркости, (D Bпор)s - то же при наличии в поле зрения блёского (яркого) источника света.
Рис.1а.
На освещенность рабочих поверхностей в производственном помещении влияют отражение и поглощение света стенами, потолком и другими поверхностями, расстояние от светильника до рабочей поверхности, состояние излучающей поверхности светильника, наличие рассеивателя света и т.д. Вследствие этого полезно используется лишь часть светового потока, излучаемого источником света.
