7.3. Строительная светотехника

Строительная светотехника – раздел строительной физики, освещающий вопросы обеспечения помещений естественным светом и прямым солнечным облучением.

Существуют понятия «строительная светотехника» и «архитектурная светотехника». Понятие «архитектурная светотехника» более широкое. Оно включает в себя вопросы «световой архитектуры», т. е. создания художественной формы сооружения, его деталей, всего его художественного образа в связи с природным и искусственным освещением.

Строительная светотехника включает в себя следующие вопросы:

1. Проектирование систем естественного освещения зданий. Это особенно важно при проектировании промышленных зданий, где светопроемы имеют очень большие площади.

2. Проектирование городской застройки. Проверка соблюдения норм естественного освещения при затенении жилых помещений зданиями окружающей застройки. Эта задача является особенно важной в современных условиях, когда только соблюдение норм естественного освещения и инсоляции позволяет избежать недопустимого переуплотнения застройки современных городов.

Освещение помещений может быть естественное, искусственное и совмещённое. Естественными источниками света является солнце и рассеянный (диффузный) свет небосвода. Искусственными источниками света являются электрические лампы (накаливания, люминесцентные, ртутные, натриевые, ксеноновые, галогенные и др.). При совмещенном освещении помещение одновременно освещается естественным и искусственным светом в определенных соотношениях.

Оптимальный световой режим в помещении создает наилучшее освещение рабочего места или объекта, который воспринимается человеком при наблюдении. При этом имеют значение не только условия освещения в месте расположения объекта наблюдения, но и так называемое «поле адаптации» (окружающая световая среда). Оптимальный световой режим достигается путем учета светового климата местности, где предполагается строительство проектируемого здания, правильного выбора размеров, формы и цветовой отделки помещения, расположения и размеров светопроемов (окон и фонарей верхнего света), правильного размещения и выбора источников искусственного света.

Без естественного освещения допускается проектировать помещения, которые определены соответствующими главами СНиП на проектирование зданий и сооружений, нормативными документами по строительному проектированию зданий и сооружений отдельных отраслей промышленности, утвержденными в установленном порядке, а также помещения, размещение которых разрешено в подвальных и цокольных этажах зданий и сооружений.

Световые проемы – один из основных элементов, определяющих архитектурное решение здания и его интерьеров. От размеров, формы и размещения светопроемов зависит обеспечение оптимального светового режима в здании. Правильное решение естественного освещения имеет большое технико-экономическое значение, поскольку заполнение светопроемов, конструкции фонарей и остекления атриумов имеет относительно высокую стоимость. Кроме того, с ними связаны более высокие эксплуатационные расходы на очистку светопроемов, восполнение теплопотерь через светопроемы зимой и ликвидацию избыточных теплопоступлений летом.

В настоящее время разработаны конструкции светопроемов, имеющие очень высокое сопротивление теплопередаче. Но, несмотря на это, их сопротивление теплопередаче (даже в случае вакуумных стеклопакетов) не менее чем в 3 раза ниже, чем требуемое по нормам сопротивление теплопередаче глухих стен и покрытий. Поэтому формальное применение сплошных остекленных поверхностей фасадов в качестве ограждающих конструкций, часто используемых только по условиям архитектурной композиции, без учета требуемого светового режима, дополнительных теплопотерь и теплопоступлений, приводит не только к увеличению стоимости здания и значительно увеличивает эксплуатационные расходы, но и часто ухудшает температурно-воздушную среду помещений, в основном за счет их перегрева летом.

Естественное освещение осуществляется через проемы в наружных ограждениях. В зависимости от расположения проемов (в стенах или покрытиях) различают боковое (рис. 108, а, б) (одно- или двустороннее), верхнее и комбинированное (верхнебоковое) освещение помещений (рис. 108, в, г). Боковое одностороннее освещение используют в жилых и большинстве общественных зданий с относительно малой глубиной помещений (6–9 м). Верхнее освещение в жилых зданиях используется очень редко (например, для освещения лестничных клеток, расположенных в центральной темной части плана здания), в общественных зданиях – в соответствии со специфическими функциональными требованиями (например, в музейных залах), в одноэтажных промышленных зданиях – в большинстве случаев.

Верхнебоковое освещение применяют в крупных залах общественных зданий с большепролетными перекрытиями (в крытых рынках, выставочных, спортивных и тому подобных залах) и в крайних пролетах одноэтажных промышленных зданий.

а

Р

в

а – боковое одностороннее; б – то же, двухстороннее; в – верхнее; г – верхнебоковое

П

г

Освещённость, создаваемая естественным светом, переменна, так как она зависит от времени дня, месяца и года, отражательных свойств земного покрова, прозрачности воздуха, положения солнца на небосводе, степени и характера облачности и др. В силу этого установить значение естественной освещённости в здании в абсолютных единицах (люксах) практически невозможно. Поэтому освещённость в помещениях регламентируют относительной величиной – коэффициентом естественной освещённости.

Коэффициент естественной освещённости (КЕО) выражает отношение естественной освещённости, создаваемой в некоторой точке заданной плоскости внутри помещения светом неба (непосредственно или после отражений), к одновременному значению наружной горизонтальной освещённости, создаваемой светом полностью открытого небосвода.

Нормированное значение коэффициента естественной освещённости в % с учётом характера зрительной работы и района расположения здания на территории России следует определять по формуле:

,

где N – номер группы обеспеченности естественным светом; – значение КЕО в % при рассеянном свете от небосвода, определяемое с учётом характера зрительной работы по таблице СНиП; – коэффициент светового климата (без учёта прямого солнечного света), в зависимости от района расположения здания на территории России.

Освещенность в помещениях КЕО нормируется в точках ее минимального значения на условной рабочей поверхности, которая в большинстве случаев принимается горизонтальной, расположенной на высоте 0,8 м от уровня пола. В некоторых помещениях за уровень условной рабочей поверхности принимается пол (спортивные, актовые залы, вестибюли и т. п.) или вертикальная плоскость (выставочные залы музеев, экспозиционные залы картинных галерей и т. п.).

В небольших помещениях при одностороннем боковом естественном освещении 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, а при двустороннем боковом освещении – в точке посередине помещения. В крупногабаритных производственных помещениях при боковом освещении минимальное значение КЕО нормируется в точке, удаленной от световых проемов:

для работ

I–IV разрядов – на 1,5 высоты помещения;

V–VII разрядов – на 2 высоты помещения;

VIII разрядов – на 3 высоты помещения;

При верхнем и комбинированном естественном освещении нормируется среднее значение КЕО в точках, расположенных на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности. Первую и последние точки принимают на расстоянии 1 м от поверхности наружных стен или от осей средних рядов колонн.

Допускается деление помещения на зоны с боковым освещением (зоны, примыкающие к наружным стенам с окнами) и зоны с верхним освещением, нормирование и расчет естественного освещения в каждой зоне производятся независимо друг от друга.

Освещенность нормируется на рабочей поверхности по характерному разрезу помещения (обычно посредине помещения по оси светопроемов).

Характерный разрез помещения – это поперечный разрез по середине помещения, плоскость которого перпендикулярна плоскости остекления световых проёмов (при боковом освещении) или продольной оси пролётов помещения (при верхнем освещении). В этот разрез должны попадать участки, наиболее загруженные оборудованием, и точки рабочей зоны, наиболее удалённые от световых проёмов.

В помещениях с верхним освещением для производств Ι–ΙV разрядов работ помимо значения е нормируют неравномерность естественного освещения; она характеризуется отношением наибольшего КЕО к наименьшему, определённых по кривой распределения КЕО в пределах характерного разреза помещения. Этот показатель не должен превышать 2:1 для работ Ι и ΙΙ разрядов и 3:1 для работ ΙΙΙ и ΙV разрядов.

В производственных помещениях с постоянным пребыванием работающих, выполняющих работы Ι–ΙV разрядов на предприятиях, располагаемых в ΙΙΙ и ΙV строительно-климатических районах, следует предусматривать солнцезащитные устройства.

Размеры световых проёмов определяют в соответствии с нормативными значениями КЕО еN. Отклонение площади световых проёмов допускается на ±10 % от требуемой по расчёту.

Найденные значения КЕО в виде отрезков (в соответствующем масштабе) откладывают вверх от условной рабочей поверхности из точек, в которых определялась освещённость. Соединив концы отрезков, получают кривую освещённости, дающую наглядное представление об освещённости помещения и помогающую рационально расположить на его площади технологический процесс. Кривые освещённости при различных видах естественного освещения показаны на рис. 109.

Расчёт КЕО в какой-либо точке характерного разреза помещения производят:

– при боковом освещении по формуле

;

– при верхнем освещении по формуле

– при комбинированном освещении по формуле

где L – количество участков небосвода, видимых через световой проём из расчётной точки; M – количество участков фасадов зданий противостоящей застройки, видимых через световой проём из расчётной точки; Т – количество световых проёмов в покрытии; – геометрический коэффициент естественной освещённости в расчётной точке при боковом освещении, учитывающий прямой свет от i-го участка неба, определяемый с помощью графиков Данилюка; qi – коэффициент, учитывающий неравномерную яркость i – го участка облачного неба, определяемый в зависимости от угловой высоты середины светопроёма над рабочей поверхностью (θ в 0); εздj – геометрический КЕО в расчётной точке при боковом освещении, учитывающий свет, отражённый от j – го участка фасадов противостоящих зданий; bфj – средняя относительная яркость j – го участка фасада противостоящего здания; kздj – коэффициент, учитывающий изменения внутренней отражённой составляющей КЕО в помещении при наличии противостоящих зданий; r0 – коэффициент, учитывающий повышение КЕО при боковом освещении благодаря свету, отражённому от поверхностей помещения и подстилающего слоя; τ0 – общий коэффициент светопропускания; Кз – коэффициент запаса; r2 – коэффициент, учитывающий повышение КЕО при верхнем освещении благодаря свету, отражённому от поверхностей помещения; kф – коэффициент, учитывающий тип фонаря; eср – среднее значение КЕО при верхнем и комбинированном освещении; εbi – геометрический КЕО в расчётной точке при верхнем освещении от i – го проёма, определяемый с помощью графиков Данилюка

а

в

Рис. 109. Нормирование естественного освещения

в зависимости от расположения светопроёмов:

а – при одностороннем боковом освещении; б – при двухстороннем боковом освещении; в – при верхнем освещении; г – при комбинированном освещении

Для определения площади световых проемов применяют геометрический и графоаналитический методы расчета. При проектировании жилых и некоторых общественных зданий с небольшими помещениями используют геометрический метод, в основу которого положены определенные соотношения площади окон и площади пола, принимаемые в соответствии с нормами. Так, в жилых помещениях площадь окна должна быть не менее 1:8 и не более 1:5,5 площади пола этих помещений.

При разработке проектов общественных зданий с крупными помещениями с особыми условиями зрительного восприятия (картинные галереи, музеи, крытые рынки, зимние спортивные залы и др.), а также промышленных зданий, имеющих верхнее и комбинированное освещение, требуется знать, как распределяется естественная освещенность в уровне рабочей зоны.

Наиболее удобным методом определения коэффициента естественной освещенности считается графический метод А. М. Данилюка, основанный на законе проекции телесного угла. По этому закону освещенность точки на плоскости пропорциональна площади проекции на эту плоскость телесного угла, под которым видна светящаяся поверхность из данной точки (рис. 110).

а

Рис. 110. Графическая модель небосвода.

Схема к закону проекции телесного угла:

а – аксонометрия; б – разрез I–I; S – участок неба, видимый из точки М; N – небосвод; площадь проекции участка неба, освещающего точку М, на рабочую поверхность (РП); ЛГ – линия горизонта; θ° – угловая высота середины светопроема С над горизонтом; Z – зенит небосвода; О – центр небосвода, совмещенный с исследуемой точкой М; L – яркость небосвода, кд/м2

А. М. Данилюк предложил разделить полусферу небосвода 100 меридианами и 100 параллелями на 10 тыс. клеток, горизонтальные проекции которых равновелики между собой. Получившиеся таким способом графики позволяют определить КЕО в заданной точке. Приемы подсчетов коэффициентов освещенности подробно описаны в специальных курсах строительной физики.