Тема 2.3 Естественное освещение зданий

Тема 2.3
Естественное освещение зданий
1. Коэффициент естественной освещенности
2. Основные законы строительной светотехники
3. Источники естественного освещения
4. Проектирование естественного освещения
1. Коэффициент естественной освещенности
Для регламентации переменного по характеру естественного
освещения зданий принимается отвлеченная единица измерения,
выраженная в процентах, - коэффициент естественной освещенности
(сокращенно к. е. о.). Коэффициент естественной освещенности eM в какойлибо точке М помещения представляет отношение освещенности в этой
точке EM к одновременной наружной освещенности горизонтальной
площадки на открытом месте, освещенной диффузным светом всего
небосвода, EH .
Аналитически к. е. о. выражается таким образом:
EM
100% .
EH
eM =
(1)
К. е. о. показывает, какую долю освещенность в данной точке
помещения составляет от одновременной горизонтальной освещенности на
открытом месте при диффузном свете неба.
Абсолютную величину этой освещенности в любой точке помещения
можно найти, пользуясь формулой (1), а именно:
EM =
EH eM
, лк.
100
(1)
Эта формула показывает, что для определения величины
освещенности в помещении в тот или иной момент времени необходимо
знать одновременную величину наружной освещенности; она находится по
кривым наружной освещенности при диффузном свете неба, определяемой в
результате многолетних наблюдений на метеорологических станциях.
1
2. Основные законы строительной светотехники
Расчет естественного освещения зданий основывается на законе
проекции телесного угла и законе светотехнического подобия.
Закон проекции телесного угла говорит, что освещенность в какойлибо точке поверхности в помещении создаваемая равномерно светящейся
поверхностью неба, прямо пропорциональна яркости неба и площади
проекции на освещаемую поверхность телесного угла, под которым из
данной точки виден участок неба.
Для вывода основной формулы этого закона рассмотрим случай, когда
поверхность горизонтальна.
Проведем из точки М полусферу, радиус которой примем равным
единице (рис. 1). Обозначаем яркость полусферы через В и найдем
освещенность в точке М, создаваемую весьма малым участком полусферы
∆S , который в этом случае можно принять за точечный источник света.
Сила света, излучаемая участком ∆S , определится:
∆I = B∆S .
Рис. 1. Схема к выводу закона проекции телесного угла
Освещенность в точке М будет
∆I cos α
∆Em = 2 .
r
Заменив ∆I через яркость и положив r = 1 , имеем, что
∆Em =B∆S cos α .
2
Но ∆S cos α =
∆σ , т.е. площади проекции участка на горизонтальную
освещаемую плоскость.
Таким образом:
∆EM =B∆σ
Если принять, что полусфера имеет одинаковую яркость, то
EM = Bσ
(3)
Эта формула выражает закон проекции телесного угла. Графическая
интерпретация этого закона приводится на рис. 2.
Рис.2. Схемы (а, б) к определению освещенности в какой-либо точке
помещения на основе закона проекции телесного угла
Если точка М находится на открытом месте и освещается всей
полусферой с одинаковой яркостью, то
EH = Bπ r 2 .
Проекция полусферы на горизонтальную плоскость равна площади круга
радиусом г, поэтому при радиусе, равном 1, имеем
EH = Bπ .
(4)
Пользуясь формулами (1), (3) и (4), находим геометрическую
интерпретацию к. е. о., а именно:
=
eM
EM Bσ σ
= =
EH Bπ π
3
(5)
т. е. к. е. о. в какой-либо точке М представляет отношение площади
проекции видимого из данной точки участка полусферы на освещаемую
поверхность к величине π .
Пользуясь законом проекции телесного угла, можно определять
относительную световую активность разных видов светопроемов,
применяемых для освещения данной рабочей поверхности, а также
сопоставлять освещенности, создаваемые одним и тем же светопроемом,
различно расположенным относительно рабочей плоскости (рис. 3).
Рис. 3. Сравнение относительной освещенности на разных поверхностях
при одинаковой площади светопроёма
На основе этого закона разработаны удобные для практики
графические способы расчета к. е. о.
Для примера на рис. 3 приводится сопоставление освещенностей,
создаваемых на горизонтальной поверхности окном и фонарем, имеющими
одинаковые размеры. При сравнении проекций σ 1 и σ 2 видно, что фонарь
обладает более высокой светоактивностью, чем окно.
Закон светотехнического подобия является логическим следствием
закона проекции телесного угла.
Сущность закона подобия уясняется из схемы, приведенной на рис. 4.
Рис. 4. Схема к закону светотехнического подобия
4
Освещенность точки М в помещении создается через окна,
обладающие различной яркостью B1 и B2 . Различная яркость окон может
создаваться, например, применением различных сортов стекла (оконного
листового, узорчатого, матированного и др.).
У этих окон один и тот же телесный угол ω , вершина которого совпадает с
точкой M .
Из закона проекции телесного угла следует, что освещенность в точке
М будет одинаковой, если
B1= B2= ...= const .
Таким образом, освещенность в какой-либо точке помещения зависит
не от абсолютных, а от относительных размеров световых проемов.
Закон подобия имеет большое практическое значение, позволяя при
расчетах освещенности пользоваться чертежами разного масштаба. На этом
законе основана возможность моделирования, позволяющая оценивать
условия освещения помещений на моделях. Практика показывает, что при
масштабе моделей не менее чем 1 20 натуральной величины результаты
измерений освещенности на моделях достаточно достоверны, если при
изготовлении моделей строго соблюдены все параметры натуры.
На основе закона подобия осуществляют лабораторные установки,
называемые искусственным небом, применяемые для различных
светотехнических исследований. Схема и общий вид искусственного неба
приводятся на рис. 5.
Рис. 5. Искусственный небосвод в Институте строительной физики (система
Н. М. Гусева) а - схема; б - общий вид 1 - граница угла затенения; 2 источники света: зеркальные и люминесцентные лампы; 3 - прожектора
5
3. Источники естественного освещения
Природное освещение земли по интенсивности и по времени действия
делится на дневное, сумеречное и ночное. В безоблачную ил частично
облачную погоду наблюдаются три основные компоненты дневной
освещенности прямого света от солнца EП , рассеянного - от неба EH и
отраженного - от земли и окружающих предметов EЗ .
Суммарная освещенность EC , получаемая какой-либо поверхностью,
определяется по формуле
EC = EП + EH + EЗ
(6)
Весьма важной характеристикой естественного освещения является
контрастность освещения К, выражаемая отношением
K=
EC
E H + EЗ
(7)
Степень контрастности освещения изменяется в разных районах
страны в зависимости от высоты стояния солнца, характера облачности и
подстилающего слоя земли. В южных районах, как правило, контрастность
освещения более высокая благодаря значительному увеличению
компоненты EП .
4. Проектирование естественного освещения
Основная задача проектирования естественного освещения зданий
заключается в выборе формы, размеров и расположения световых проемов,
обеспечивающих световой комфорт в помещении. Наряду с надлежащим
уровнем освещенности решающую роль в создании рационального
освещения помещения играет качество освещения.
Под качеством естественного освещения помещений понимают
совокупность мер, способствующих созданию в помещениях комфортных
условий зрительной работы. Комфортные условия зрительной работы
характеризуются не только хорошей видимостью и быстротой различения
рассматриваемых предметов, но и наименьшим утомлением глаза. К
требованиям, обеспечивающим высокое качество естественного освещения
в помещениях, относятся:
а) равномерность освещения;
б) направление световых потоков, падающих на рабочие поверхности;
в) устранение из поля зрения работающих слепящего действия прямых и
отраженных лучей солнца, проникающих в помещение через окна и фонари;
6
г) яркость окружающего пространства, определяемая уровнем
освещенности и цветовой отделкой интерьера, технологического
оборудования и инвентаря.
В помещениях с высокими требованиями к равномерности освещения
(например, в цехах с поточным и конвейерным производством, в
конструкторских бюро) при верхнем или комбинированном их освещении
регламентируется отношение минимального к. е. о. к максимальному (в
пределах помещения или пролета); численное значение этого отношения
должно быть не менее 0,3.
В других помещениях (например, в спортивных, демонстрационных,
музейных)
наилучшая
видимость
рассматриваемых
предметов
обеспечивается, наоборот, при неравномерном освещении помещения;
максимальном на арене (или в выставочной зоне) и минимальном в зоне
нахождения зрителей. В этом случае отношение к. е. о. в зоне нахождения
зрителя к к. е. о. на арене или в выставочной зоне должно быть менее
единицы.
В ряде помещений (например, в производственных цехах) качество
условий зрительной работы определяется направленностью света,
падающего на рабочие поверхности; в этих случаях предпочтение следует
отдавать одностороннему освещению (боковому или верхнему). При этом
надо выбирать такое расположение светопроемов, при котором рабочие
поверхности не будут затеняться частями оборудования и корпусом
работающих.
Для создания комфортных условий зрительной работы в помещениях
архитектору необходимо внимательно проверять соотношения яркостей
между поверхностями, попадающими в поле зрения работающего. Высокая
яркость светопроема (особенно не защищенного от прямых лучей солнца),
оборудования, стен нередко является причиной так называемого
зрительного дискомфорта. Практика показывает, что рабочие поверхности,
на которых сосредоточивается внимание наблюдателей, должны быть
светлее, чем поверхности, окружающие их. Количественные соотношения
между яркостью рабочих поверхностей и яркостью окружающих человека
стен, потолка и оборудования различны для разных помещений.
Защита помещений от прямых лучей солнца обеспечивается
совокупностью архитектурно-планировочных и конструктивных мер.
А.
Производственные здания
Современные производственные здания блокированного типа
характеризуются
большой
протяженностью
и
универсальностью
использования помещений. Естественное освещение таких зданий может
быть обеспечено применением систем верхнего или комбинированного
освещения. Для верхнего освещения обычно применяются фонари разного
типа.
7
Б. Общественные здания
Приемы естественного освещения помещений определяются их
назначением. Классификация помещений общественных зданий в
зависимости от требований к освещению приводится в табл. 1.
Таблица 1. Классификация общественных зданий
по требованию к освещению
Группы
зданий
I
ІІ
ІІІ
IV
Требования к освещению основных
помещений
Требования к освещению интерьера
определяются в основном идейным и
художественным замыслом зодчего
Требования высокого уровня освещения
в отдельных зонах помещения
сочетаются с требуемой
неравномерностью освещения
Требования достаточного уровня
освещения сочетаются с требуемой
равномерностью освещения
Требования к уровню освещения
определяются в основном
гигиеническими соображениями
Примеры
Здания мемориальной
архитектуры
Выставочные залы,
крытые стадионы,
картинные галереи
Школы, техникумы,
вузы, конструкторские
бюро
Лечебные здания,
детские сады и ясли,
санатории, жилые дома
Естественное освещение общественных зданий, относимых к первой
группе, неразрывно связано с архитектурно-художественным решением
интерьера. Разнообразие приемов естественного освещения в зданиях,
относимых к этой группе, можно проследить на архитектурных памятниках
прошлого. Используя свет для акцентирования идейного и художественного
замыслов, зодчие прошлого достигали большого эффекта восприятия
интерьеров. Так, в древнеегипетском храме в Карнаке беспредельность
восприятия внутреннего пространства создавалась резким падением
освещенности от центрального нефа к боковым и от входа в гипостильный
зал к святилищу.
К числу общественных зданий второй группы (табл. 1) относятся
картинные галереи, музеи, выставочные павильоны и др. Каждое из этих
зданий имеет свои специфические требования к освещению. Однако для
большинства помещений в этих зданиях характерно стремление лучшим
образом выявить светом художественные и другие качества экспонатов. Это
может быть достигнуто при неравномерном распределении светового
потока в помещении.
Хорошая видимость экспонатов обеспечивается в том случае, когда
выставочная зона экспонатов будет обладать наибольшей яркостью.
Поэтому максимальная освещенность в экспозиционных залах должна быть
8
в зоне нахождения экспонатов, а минимальная - в местах расположения
посетителей.
В.
Школы и аудитории
К освещению школ и учебных заведений предъявляются весьма
высокие требования. Это объясняется условиями напряженной зрительной
работы учащихся и необходимостью обеспечить высокую гигиену
помещений. Опыт показывает, что недостаточное освещение классов и
аудиторий наносит серьезный ущерб зрению учащихся.
Проектирование освещения учебных помещений имеет в виду
создание в них прежде всего комфортных условий зрительной работы,
характеризующихся наименьшим напряжением, а следовательно, и
утомлением глаз учащихся. Наряду с хорошим решением функциональной
стороны освещение и цветовая отделка помещений должны отвечать
эстетическим и гигиеническим требованиям, оказывающим на учащихся
большое психологическое действие.
Комфортные условия зрительной работы в классах и аудиториях
создаются совокупностью следующих мер:
а) высоким уровнем освещенности парт и столов;
б) равномерностью освещения помещения;
в) правильным соотношением
яркости между тетрадью и столом, а
также между доской и стеной, на которой она находится;
г) надлежащим отношением яркости тетради и доски к яркости
окружающих учащегося стен и потолка.
Высокий уровень освещения парт и столов обеспечивается формой,
размерами и расположением светопроемов, а также светлотой внутренней
отделки и конструкцией остекления. При выборе формы окон следует
отдавать предпочтение горизонтальным окнам при повышенном
подоконнике (1,2-1,5 м). Такие окна обеспечивают равномерное освещение
по длине помещения и улучшают равномерность по его глубине.
В ряде стран (Франция, Бельгия, Канада, Италия, Румыния)
существует обязательное правило обеспечения естественного освещения с
левой стороны от учащегося. В этом случае максимальная глубина
помещений составляет 7 м.
Большое влияние на самочувствие учащихся оказывает яркость
попадающих в поле зрения поверхностей. Рядом исследователей
рекомендуются следующие соотношения яркостей поверхностей,
находящихся в поле зрения учащихся:
а) между тетрадью и партой, а также между доской и стеной 3:1;
б) между тетрадью и поверхностью стен и потолка 10:1;
в) между окном и простенками 20:1.
Такие соотношения можно обеспечить при светлой отделке потолка,
стен, пола и при светлой мебели. Рекомендуемые рядом исследователей
коэффициенты отражения внутренних поверхностей и мебели в классах
приводятся на рис. 6.
9
Рис. 6. Рекомендуемые коэффициенты отражения внутренних поверхностей
в классах (А – торцовая стена; Б – доска; В – стол; Г – пол; Д – потолок; Е –
продольная стена)
Г. Жилые здания
В жилых зданиях требования к освещению определяются в основном
гигиеническими соображениями. Проведенные исследования показали, что
уровень освещения жилых помещений зависит от следующих факторов:
а) от ширины разрыва между зданиями;
б) от формы и пропорций жилых комнат;
в) от формы и конструкции окон;
г) от расположения и пропорций балконов и лоджий.
Наименее благоприятной в световом отношении является
периметральная застройка кварталов, при которой образующие улицу
здания взаимно затеняют друг друга. Расчеты показывают, что освещение в
глубине жилых помещений резко уменьшается при ширине улиц меньшей,
чем тройная высота зданий.
Наметившийся за последние годы переход к свободной застройке
микрорайонов и, в частности, расположение зданий торцами к улице
позволяют осуществить требование увеличения расстояния между зданиями
и уменьшить затеняющее действие противостоящих зданий.
Весьма неблагоприятными в светотехническом отношении являются
комнаты с соотношением сторон 1:2, характеризующиеся большой
глубиной (до 6 м). Опыты показывают, что в таких помещениях
практически невозможно обеспечить нормируемое значение к. е. о. даже
при сплошном остеклении стены. Особенно неблагоприятные условия в
таких помещениях создаются при пониженной их высоте (2,5 м).
Наиболее благоприятной в световом отношении являются
горизонтальная и квадратная формы окон с сдвоенными переплетами
шведского типа и большими размерами стекол.
10
Балконы, веранды и лоджии в жилых зданиях могут существенно
уменьшать освещение жилых помещений; поэтому при выборе вариантов
этих деталей надо отдавать предпочтение тем из них, которые не ухудшают
условий освещения жилых комнат.
Для освещения вспомогательных помещений в жилых зданиях
целесообразно использовать второй свет, осуществляемый через прозрачные
стены лестничной клетки и перегородки. Для этого целесообразно
применять стены из пустотелых стеклянных блоков, линз, а также из
стеклянных швеллеров.
Для улучшения естественного освещения жилых помещений
необходимо:
• применять новые конструкции переплетов, а именно: спаренные
деревянные, алюминиевые, одинарные со стеклопакетами, переплеты без
горбылей с цельным толстым стеклом и др.;
• не допускать в жилых помещениях темной отделки стен;
средневзвешенный коэффициент отражения внутренних поверхностей
(стен и потолка) должен быть не менее 0,5;
• применять встроенную мебель, обеспечивающую доступ света в каждый
участок жилой комнаты;
• применять свободную застройку микрорайонов и разрывы между
длинными фасадами зданий не менее трехкратной их высоты.
11