Основные светотехнические величины и единицы их измерения. Нормирование естественного и искусственного освещения

Лекция 4. Освещение производственных помещений и рабочих мест. 1. Основные светотехнические величины и единицы их измерения. 2. Нормирование естественного и искусственного освещения. 3. Виды и системы производственного освещения. 4. Источники искусственного освещения. Светильники и их классификация. Основные требования к производственному освещению. Освещение Краткие теоретические сведения Рационально устроенное освещение в цехах промышленных предприятий и общественных зда­ний является существенным показателем высокого уровня культуры труда и технического прогресса, неотделимой частью научной организации труда и эстетики, производства. Обеспечение гигиенически рациональных условий освещения в производственных помещениях способствует длительному сохранению работоспособности и предотвращению производственного травматизма и повышает производительность труда от 5 до 20%. Производственное освещение должно обеспечивать не только достаточную освещенность на рабочих местах, но и обладать высо­ким качеством – равномерное распределение яркостей на рабочей поверхности, отсутствие слепящих бликов и резких теней, быть экономичным и безопасным. Степень усталости глаза зависит от напряженности процессов, сопровождающих зрительное восприятие предметов. К таким процессам относится аккомодация, конвергенция и адаптация. Аккомодация – это способность глаза приспосабливаться к ясному видению предметов, нахо­дящихся от него на различном расстоянии, посредством изменения кривизны хрусталика. Чрезмерная усталость мышц, управляющих зрачком, приводит к появлению близорукости или дальнозоркости. Конвергенция – это способность глаза при рассмотрении близких предметов принимать поло­жение, при котором зрительные лучи пересекаются на фокусируемом предмете. Расстояние, на кото­ром можно чётко видеть предмет без напряжения равно 30-40 см. Адаптация - это изменение чувствительности глаза в зависимости от воздействия на него раз­дражителей, например при изменении яркости, или освещенности. Процесс адаптации обусловлен изменением диаметра зрачка, поэтому частая адаптация приводит к утомлению органов зрения. Основные светотехнические величины и единицы их измерения Условия зрительной работы определяются количественными и качественными показателями. К количественным показателям относятся световой поток, сила света, освещенность, яркость, коэффи­циент отражения. Световой поток Ф определяется как мощность лучистой энергии, оцениваемой через световое ощущение. За единицу светового потока принят люмен [лм]. Сила света I –пространственная плот­ность светового потока и измеряется в канделах [кд]. Сила света в одну канделу обеспечивается све­товым потоком в один люмен, который излучается в телесном угле величиной в один стерадиан. 1кд = лм/стер, Освещенность – плотность светового потока на освещаемой Ф поверхности Е = P/S (1) S – единица измерения освещенности – люкс [лк]. Яркость поверхности – отношение силы света, излучаемой поверхностью в данном направле­нии Ia, к проекции светящейся поверхности на плоскость S*соsa, перпендикулярную данному на­правлению. Коэффициент отражения р – отношение отраженного от поверхности светового потока FОТР к падающему на нее световому потоку. К качественным показателям зрительных условий относятся характеристики фона, контраст объекта различения с фоном и др. Фон – поверхность, прилегающая к объекту различения, на кото­рой он рассматривается; характеризуется коэффициентом отражения этой поверхности. Фон счита­ется светлым при r более 0,4, средним при r от 0,2 до 0,4 и темным при r < 0,2. Контраст объекта с фоном характеризуется соотношением яркостей рассматриваемого объекта и фона. Контраст определяется по формуле: (2) где ВО и ВФ – соответственно контраст яркости объекта и фона. Контраст объекта с фоном считается большим при К более 0,5; средним при значениях К от 0,2 до 0,5; малым при значениях К менее 0,2. Объект различения – рассматриваемый предмет, отдельная его часть или дефект, которые тре­буется различать в процессе работы. Точность зрительной работы – определяется наименьшим размером объекта различия. Чем меньше объект различия, тем выше точность зрительной работы. Нормативная освещенность – освещенность, которую необходимо создать на рабочей поверх­ности для того, чтобы работа заданной точности могла проводиться с наименьшим утомлением зри­тельного аппарата. В зависимости от источника света производственное освещение может быть трех видов: - естественное, создаваемое прямыми лучами и диффузионным светом небесного излучения; - искусственное, создаваемое электрическими лампами; - смешанное (интегральное) – совокупность естественного и искусственного освещения. Учитывая высокую биологическую и гигиеническую ценность и положительное психофизио­логическое воздействие естественного освещения, следует стремиться к максимально возможному его использованию. По конструктивному исполнению естественное освещение подразделяется на боковое – через окна в наружных стенах; верхнее – через световые фонари, остекленные проемы в потолочных пере­крытиях; комбинированное – когда к боковому освещению добавляют верхнее. Естественное освещение характеризуется непостоянством во времени и подвержено колеба­ниям в зависимости от состояния наружной освещенности, расстояния рабочего места от световых проемов окон, их светопропускания и других факторов. Поэтому естественная освещенность оцени­вается относительной величиной – коэффициентом естественной освещенности (к.е.о.) и определя­ется по формуле: (3) где ЕВН – освещенность в любой точке внутри помещения, освещаемой видимым участком небосвода, люкс; ЕН – одновременно измеренная освещенность наружной гори­зонтальной плоскости, освещаемой рассеянным светом всего небосвода, лк. Рисунок 1.1 - Схема размещения замерных точек для определения к.е.о. Величина к.е.о. регламентируется нормами СНиП 25-05-95 (II-4-79)., которыми устанавливаются значе­ния к.е.о. в зависимости от двух факторов: 1. Характера выполняемых работ в помещении (наименьшего размера объекта различения ); 2. Системы естественного освещения. Нормируемое значение коэффициента естественной освещенности е определяется не только с учетом характера работ, но и коэффициентом светового климата Т и солнечного климата с по фор­муле: (4) где е – значение к.е.о., выбранное по таблице А.1, Т – коэффициент светового климата, выбранный по таблице А.2 с – коэффициент солнечности климата, зависящий от ориентации здания относительно сторон света, определяемый по таблице А.3. Значение е служит для определения типов и необходимых размеров световых проемов при про­ектировании или реконструкции зданий. Для каждого производственного помещения в характерном сечении можно построить кривую изменения к.е.о., которая характеризует его светотехнические ка­чества. Рисунок 1.2 - Изменение к.е.о. в помещении Для помещений с боковым освещением нормируется минимальное значение к.е.о. При боковом одностороннем освещении е – это значение к.е.о. в точке, расположенной на расстоянии 1 м от стены, противоположной светопроему. При двустороннем боковом освещении е – это значение к.е.о. в сред­ней части помещения. Коэффициент естественной освещенности может быть рассчитан по экспериментальным дан­ным. Для этого необходимо измерить освещенность внутри помещения на рабочем месте и одновре­менно наружную освещенность горизонтальной плоскости, освещаемой всем небосводом; к.е.о. рас­считывается по формуле (3). Для выполнения требований строительных норм при проектировании производственных помещений для правильной расстановки оборудования и распределения рабочих мест с различной степенью зрительного напряжения необходим аналитический расчет коэффициента естественной освещенности. Световой поток, падающий в расчетную точку производственного помещения складывается из прямого диффузионного света части небосвода, видимого через светопроем, света, отраженного от внутренних поверхностей помещения и от противоположных зданий. Коэффициент естественной освещенности рассчитывается по следующим формулам: а) при боковом освещении: (5) б) при верхнем освещении: (6) в) при комбинированном: (7) где ЕБ и ЕЗД – геометрические коэффициенты естественной освещенности в расчетных точках при боковом освещении соответственно от небосвода и противостоящего здания. Их значения опре­деляются с помощью графического метода Данилюка с учетом того, что оконные проемы не имеют остекления и переплетов, а внутренние поверхности не отражают света; g – коэффициент, учитывающий неравномерную яркость облачного неба в зависимости от угла между горизонтальной линией, соединяющей расчетную точку рабочего места и середину светового проема (таблица А.6); R – коэффициент, учитывающий относительную яркость противостоящего здания(таблица А.7);; ЕБ – геометрический к.е.о. в расчетной точке при верхнем освещении; ЕСР – среднее значение к.е.о. при верхнем освещении; r1 – коэффициент, учитывающий повышение к.е.о. при боковом освещении за счет света, отра­женного от потолка и стен помещения и подстилающего слоя, прилегающего к зданию (таблица А.9); r2 – коэффициент, учитывающий повышение к.е.о. при верхнем освещении за счет отражения от поверхности помещения (таблица А.10); КЗ – коэффициент запаса (таблица А.4); КФ – коэффициент, учитывающий тип фонаря; T0 – коэффициент светопропускания. Коэффициент t0 учитывает потерю света в материале остекления, в переплетах светопроёмов, в слое загрязнения и солнцезащитных устройствах t0 = t1 × t2 × t3 × t4 × t5 (8) Коэффициенты t1 и t2 определяются по таблице А.11. Для бокового осве­щения коэффициенты t3 = t4 = t5 = 1. Метод Данилюка заключаемся в следующем: полусферу небосвода разбивают на десять тысяч участков, равных световой активности и графически определяют количество участков полусферы, видимых через световые проемы из расчетной точки помещения, учитывающий прямой свет небо­свода и определяется по формуле: EБ = 0,01*n1*n2 [%] (9) На современных промышленных предприятиях применяются два источника искусственного освещения. Первый основан на принципе температурного освещения, второй – на принципе электро­фотолюминесценции. Основным видом первого источника искусственного освещения являются лампы накаливания. Они удобны в эксплуатации, не требуют дополнительных устройств в сеть, про­сты в изготовлении. Однако они имеют существенные недостатки: низкая световая отдача (7-20 лм/Вт), сравнительно малый срок службы (до трех тысяч часов), имеют спектральный состав отлич­ный от солнечного света. Основным преимуществом газоразрядных ламп является возможность по­лучить спектральный состав света близкий к дневному, высокая световая отдача – до 100 лм/Вт, большой срок службы – от 8000 до 14000 часов. К недостаткам ламп относятся: пульсация светового потока, дорогостоящая и относительно сложная схема включения, чувствительность к колебаниям температуры окружающей среды, выражающейся в уменьшении светового потока. Самыми распро­страненными газоразрядными лампами являются люминесцентные. В зависимости от распределения светового потока по спектру путем применения различных люминофоров различает следующие типы ламп: ЛД – дневного света; ЛДЦ – дневного света с улучшенной цветопередачей; ЛХБ – холодного белого цвета; ЛТБ – теплого белого цвета; ЛБ – белого цвета. Широкое распространение в настоящее время получили лампы ДРЛ (дуговые ртутные люми­несцентные), ДКсТ (дуговые ксеноновые трубчатые), ДнаТ (дуговые натриевые трубчатые) благо­даря своей экономичности и отличной цветопередачи. Создание в производственном помещении высококачественного и экономичного освещения невозможно без применения рациональных светильников. В зависимости от конструктивного испол­нения различают светильники открытые, закрытые, пыленепроницаемые, влагозащитные, взрывоза­щищенные, взрывобезопасные. Светильники обозначаются номером, аббревиатурой, например ПВЛ (пылевлагозащитный, люминесцентный), ВЗГ (взрывобезопасный), могут иметь собственное назва­ние, например "Люцетта", "Универсаль". Количественные и качественные характеристики освещения. регламентируются СНиП 25-05-95 (II-4-79). Нормируется один из количественных показателей – наименьшая освещенность рабочей поверхно­сти, остальные учитываются косвенно. Значения освещенности установлены в зависимо­сти от точности зрительной работы, контраста объекта с фоном, фона. Критерием точности зритель­ной работы является размер объекта различения, например: менее 0,15 мм – работа наивысшей точ­ности, 5 мм – грубая работа и т.д. Разряд зрительной работы делится на четыре подразряда в зависи­мости от сочетаний контраста и фона. Всего различают восемь разрядов и четыре подразряда в зави­симости от степени зрительного напряжения. Для системы комбинированного освещения. как более элективной, значения норм освещенности выше, чем для общего. Нормы регламентируют количест­венные и качественные показатели (показатель дискомфорта, показатель освещенности, коэффициент пульсации освещенности). Для расчета общего равномерного освещения при горизонтальной рабочей поверхности основ­ным методом является метод светового потока. Расчетное уравнение этого метода: (10) Ф – световой поток лампы, лм Еmin – нормированная минимальная освёщенность, лк S – площадь освещаемой поверхности, м2 Кз – коэффициент запаса (таблица А.4) учитывающий старение ламп, загрязнение светильни­ков. Z – коэффициент неравномерности освещенности (1,15 – для ламп накаливания, 1,1 – для лю­минесцентных ламп) N – число светильников в помещении n – число ламп в светильнике h - коэффициент использования светового потока, зависящий от световых показателей поме­щения, типа светильника, высоты подвеса, коэффициента отражения стен и потолка j – коэффициент затенения, для фиксированного рабочего места = 0,8 – 0,9. Для различных типов светильников, выбор которых производиться с учетом взрыво- и пожаро­безопасности и загрязненности воздушной среды, принимают энергетически наивыгоднейшее рас­стояние L между светильниками к расчетной высоте подвески h над рабочей поверхностью. Обычно для расчета из норм определяют значение наименьшей освещенности Е, задаются типом и числом светильников n, по справочнику из таблиц находят значение коэффициентов K и h, по формуле (10) подсчитывают световой поток Ф и по таблицам находят ближайшую стандартную лампу, обеспечи­вающую этот поток. На практике допускается отклонение светового потока выбранной лампы от рас­четного значения в интервале от –10 ¸ +20%. В зависимости от типа светильника отношение L при­нимается равным: 1,4 – для светильников открытых снизу и снабженных плоским рассеивателем; 1,25 – для светильников с решетчатым рассеивателем; 2,4 – для светильников с вертикально расположенными лампами. В настоящей работе рассматривается только рабочее освещение, которое может быть общим и комбинированным. Устройство в производственных помещениях только местного освещения запрещено. Выбор системы освещения зависит, прежде всего, от такого важнейшего фактора, как точность выполняемых зрительных работ (наименьший размер объекта различения), согласно действующим нормам при выполнении работ I – IV разрядов следует применять систему комбинированного освещения. В механических, инструментальных, сборочных и др., как правило, применяют систему комбинированного освещения. В литейных, гальванических и т.п. цехах – систему общего освещения. Выбор системы освещения производится одновременно с выбором нормированной освещенности. Выбор нормированной освещенности Количественные и качественные показатели искусственного освещения определяют согласно действующим нормам [1]. В качестве количественной характеристики освещенности принята наименьшая освещенность рабочей поверхности Еmin, которая зависит от разряда зрительных работ, фона и контраста объекта с фоном и системы освещения.. Разряд зрительных работ определяется минимальным размером объекта различения, т.е. размером предмета, его части или дефекта на нем, которые необходимо обнаружить или различить в процессе производственной деятельности. Качественные показатели освещения (коэффициент пульсации и показатель ослепления) в данной работе не рассматриваются. Можно принять значение Еmin для точных работ III разряда 300–500 лк, для средней точности IV разряд 150 –300 лк, для работ малой точности V разряд 100 –150 лк. Меньшее значение освещенности в каждом разряде для светлого фона и большого контраста, большее для темного фона и малого контраста. В табл. 3 приложения приведены значения Emin для всех разрядов зрительных работ и различных контрастов. Определяющими параметрами при выборе экономичного источника света являются строительные параметры, архитектурно - планировочное решение, состояние воздушной среды, вопросы дизайна и экономические соображения. Проектируя освещение, конструктор всегда принимает компромиссное решение. Общие рекомендации приведены в литературе [2 ]. Лампы накаливания – малоэкономичны, имеют светоодачу 7 –26 лм/Вт, они имеют искаженный спектр излучения, при работе сильно нагреваются. Но, с другой стороны они имеют низкую стоимость, просты в эксплуатации и могут быть рекомендованы для помещений с временным пребыванием людей, бытовых помещений и др. Основным достоинством люминесцентных ламп их высокая светоодача, до 75 лм/Вт и срок службы до 10000 ч, хорошая цветопередача, низкая температура. Хотя они дорогие, требуют специалистов для их обслуживания, имеют сложную пусковую аппаратуру, иногда шумят, мигают, при их утилизации возникают проблемы. В помещениях высотой до 6 м рекомендуется применять люминесцентные лампы. В производственных помещениях высотой до 7 – 12 м целесообразно применять лампы типа ДРЛ, т.к. они более мощные и имеют большую светоодачу до 90 лм/Вт. Перспективными являются металлогалогеновые лампы высокого давления типа МГЛ. Окончательный выбор источника света должен осуществляться одновременно с выбором типа светильника, частью которого он является. Выбор светильника. Выбор светильников общего освещения производится на основе учета светотехнических, экономических требований, условий воздушной среды. Существует классификация светильников по светораспределению: прямого, преимущественно прямого, рассеянного, преимущественно отраженного и отраженного света. Кроме этого существуют светильники с различными кривыми силы света: концентрированной, глубокой, косинусной, полу широкой, широкой, равномерной и синусной. Согласно ГОСТ 14254-69 светильники классифицируют по степени защиты от пыли, воды и взрыва. По конструктивному исполнению согласно [1] различают 7 эксплутационных групп светильников. Ввиду чрезвычайного разнообразия светильников конкретный выбор светильника должен решаться совместно со специалистами по энергетике, экономистами, дизайнерами и с учетом требований по охране труда, или обратиться к специальной справочной литературе [2] и [3]. Коэффициент запаса k учитывает запыленность помещения, снижение светового потока ламп в процессе эксплуатации. Значения коэффициента k приведены в таблице А.4 Коэффициент минимальной освещенности Z Коэффициент минимальной освещенности Z характеризует неравномерность освещения. Он является функцией многих переменных, точное его определение затруднительно, но в наибольшей степени он зависит от отношения расстояния между светильниками к расчетной высоте (L / h) (рисунок 1.3). При расположении светильников в линию (ряд), если выдержано наивыгоднейшее отношение L / h, рекомендуется принимать Z = 1,1 для люминесцентных ламп и Z = 1,15 для ламп накаливания и ДРЛ.     Рисунок 1.3 - Схема расположения светильников в помещении Для определения коэффициента использования светового потока h находят индекс помещения i и предполагаемые коэффициенты отражения поверхностей помещения: потолка rп, стен rс, пола rр. Обычно для светлых административно-конторских помещений: rп=70%, rс=50%, rр = 30%. Для производственных помещений с незначительными пылевыделениями: rп=50%, rс = 30%, rр = 10%. Для пыльных производственных помещений: rп = 30%, rс = 10%, rр = 10%. 1.3.9 Индекс помещения i Индекс помещения определяется по следующему выражению: , (12) где А, В, h – длина, ширина и расчетная высота (высота подвеса светильника над рабочей поверхностью) помещения, м (рисунок 1,3). , (13) где H – геометрическая высота помещения; hсв – свес светильника. Обычно hсв = 0,2 …0,8 м; hp – высота рабочей поверхности. hp = 0,8 …1,0 м. Коэффициент использования светового потока есть сложная функция, зависящая от типа светильника, индекса помещения, коэффициента отражения потолка стен и пола. Для наиболее распространенного светильника с люминесцентными лампами коэффициент h может быть определен из таблицы А.5. Промежуточные значения коэффициента использования находятся методом интерполяции. Для сложных светильников этот коэффициент может быть найден в специальной справочной литературе [2], [3]. При заданном ФЛ , т.е. известно какие лампы будут использоваться, находим N, т.е. сколько светильников надо применить. При заданном N или n, определяем ФЛ. По найденному ФЛ выбирают ближайшую, стандартную лампу в пределах допусков – 10 ¸ +20 %. В таблице А.8 приведены расчетные значения светового потока наиболее распространенных источников света ФЛ 1.6 Измерение освещенности на рабочих местах осуществляется с помощьюлюксметров. На рисунке 1.4 приведена принципиальная электрическая схема люксметра Ю-116. Рисунок 1.4 - Принципиальная электрическая схема люксметра Ю-116. Люксметр состоит из селенного фотоэлемента 1, измерителя магнитоэлектрической системы L и электрической цепи, содержащей резисторы R и переключатели пределов измерения 3 на 30 и 100 лк. Под действием падающего на поверхность фотоэлемента светового потока в цепи возникает про­порциональный ему фототок, который отклоняет подвижную часть измерителя 2. Шкала измерителя градуируется в люксах для источника света световой температурой 2800К (лампа накаливания). По­этому для других ламп вводиться поправочный коэффициент. Для люминесцентных ламп ЛД – 0,88; для ЯЩ – 0,95; для ЛБ – 1,15; для ДРЛ – 1,2. Для измерения естественной освещенности этот коэф­фициент принимается равным 0,8. Для расширения диапазона измерения прибор снабжен световыми поглотителями-насадками на фотоэлемент. Перед выполнением первого задания по определении к.е.о. необходимо: 1. Ознакомиться с устройством люксметра. Подключить фотоэлемент люксметра к измери­телю, соблюдая полярность. 2. Произвести измерение в 5 точках на рабочих местах в помещении лаборатории, находящихся на разных расстояниях от окна. При измерении фотоэлемент держать параллельно полу на уровне ра­бочей поверхности. 3. Замерить наружную освещенность горизонтальной плоскости, освещаемой всей небесной полусферой. Выбор наружной горизонтальной плоскости должен производиться из условия осве­щаемости ее всей небесной полусферой, т.е. чтобы небосклон не был затенен, близко стоящими зда­ниями или деревьями. Время измерения наружной освещенности должно соответствовать времени замера освещенности внутри помещения. При невозможности найти требуемую наружную горизон­тальную плоскость фотоэлемент люксметра помещают в горизонтальном положении за окном, кото­рое не затеняется зданием или деревьями. Показания люксметра удваиваются, т.к. вторая половина небосвода закрыта зданием. По формуле (3) найти значения к.е.о. для каждой точки. 4. Результаты измерения занести в протокол и построить график измерения к.е.о. в зависимости от расстояния рабочего места от окна. 5. В зависимости от величины к.е.о. по СНиП 25-05-95 (II-4-79) определить вид и разряд работ, которые можно выполнять на рабочем месте. Перед выполнением задания по исследованию освещенности ла­бораторного помещения при естественном освещении необходимо сделать в масштабе 1:100 попе­речный разрез и план помещения. После этого необходимо: а) Разрез лабораторного помещения совместить с графиком I Данилюка так, чтобы расчетная точка совпала с центром графика – точкой 0, а след рабочей поверхности с нижней линией графика. Определить количество лучей n1, проходящих через световые проемы. На графике найти номер ок­ружности, которая проходит через середину светового проема – точку С. б) План рабочего помещения совместить графиком II Данилюка так, чтобы вертикальная ось и горизонталь, номер которой соответствует номеру найденной полуокружности, проходили через точку С. Определить количество лучей n2, проходящих через световые проемы. в) По формуле определить величину геометрического коэффициента к.е.о., учитывающий пря­мой свет неба. г) Произвести аналогичный подсчет лучей, отраженных от противоположного здания. По фор­муле определить величину геометрического к.е.о., учитывающего свет, отраженный от противопо­ложного здания. д) По Формуле (5) определить величину к.е.о. при боковом освещении и дать заключение о возможности проведения работ определенного вида. е) Составить отчет по форме