выбор освещения. освещение. Учебное пособие по дисциплинам Осветительные установки и системы и Проектирование электротехнических устройств для студентов всех форм обучения специальностей
 Скачать 1.57 Mb.
|
|
1 Министерство образования РФ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» Уральский энергетический институт В.В. Гоман, ФЕ. Тарасов ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СИСТЕМ ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ Учебное пособие по дисциплинам Осветительные установки и системы и Проектирование электротехнических устройств для студентов всех форм обучения специальностей 140604 – Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов, 140605 – Электротехнологические установки и системы и 140610 – Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений Екатеринбург 2013 2 УДК 629.7.036.72(075.8) ББК я Т Авторы-составители: Тарасов ФЕ, Гоман В. В. Рецензенты Заведующий кафедрой автоматизации технологических процессов и систем НТИ (филиал) УрФУ, к.т.н., доц. В. А. Иванушкин. Главный конструктор проектно-конструкторского института «Ником- проект ОАО Евраз-НТМК Е. Г. Кулешов Научный редактор докт. техн. наук. Ф. Н. Сарапулов, завкафедрой ЭЭТС, проф. Проектирование и расчет систем искусственного освещения: учебное пособие / авт.-сост. В. В. Гоман, ФЕ. Тарасов ; Мин-во образ. РФ, ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», Уральский энерг. ин-т. – Екатеринбург УрФУ, 2013 – 76 с. Учебное пособие содержит сведения по теории светотехники, распространенным источникам света, ряд справочных данных. Приведены методики расчетов искусственного освещения с примерами расчетов. Предназначено для студентов всех форм обученияспециальностей 140604 – Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов, 140610 – Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений и 140605 – Электротехнологические установки и системы. Библиогр.: 6 назв. Табл. 16 Рис. 29 Прил. Подготовлено кафедрой Электротехника и электротехнологические системы. © Тарасов ФЕ, Гоман В. В. 2013 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ................................................................................................................................ 4 1. Основные положения ....................................................................................................... 5 1.1. Общая характеристика оптического излучения .................................................... 5 1.2. Взаимодействие оптического излучения с телом. ................................................. 7 2. СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ .................................................................... 11 2.1. Световой поток ....................................................................................................... 11 2.2. Освещенность ......................................................................................................... 12 2.3. Сила света ................................................................................................................ 13 2.4. Яркость .................................................................................................................... 15 2.5. Прочие светотехнические характеристики .......................................................... 16 3. Источники ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ................................................................ 18 3.1. Источники излучения и их классификация ......................................................... 18 3.2. Точечные и линейные источники излучения ....................................................... 20 3.3. Симметричные и несимметричные источники излучения ................................. 21 Искусственное освещение и ИСТОЧНИКИ СВЕТА .................................................. 24 4.1. Лампы накаливания ................................................................................................ 26 4.2. Галогенные лампы .................................................................................................. 28 4.3. Газоразрядные источники излучения. .................................................................. 30 4.4. Люминесцентные источники излучения .............................................................. 32 4.5. Ртутные лампы высокого давления (ДРЛ) ........................................................... 34 4.6. Металлогалогенные лампы .................................................................................... 36 4.7. Натриевые лампы ................................................................................................... 37 4.8. Ксеноновые лампы ................................................................................................. 38 4.9 Светодиоды .............................................................................................................. 39 4.10. Индукционные лампы (ИЛ) ................................................................................. 40 5. Расчет искусственного освещения ................................................................................ 46 5.1. Нормативные характеристики ............................................................................... 47 5.2. Коэффициент запаса ............................................................................................... 48 5.3. Выбор осветительных приборов ........................................................................... 49 5.4. Размещение осветительных приборов .................................................................. 57 5.5. Метод коэффициента использования светового потока ..................................... 59 5.6. Метод удельной мощности .................................................................................... 68 5.7. Точечный метод ...................................................................................................... 69 5.8. Пример расчета освещения помещения методом КИСП ................................... БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .......................................................................... 75 4 ВВЕДЕНИЕ Учебное пособие Проектирование и расчет систем искусственного освещения имеет своей целью ознакомить читателя с общими сведениями по светотехнике, с принципом действия и характеристиками различных источников света, а также с методами расчета искусственного освещения. Все это входит в программу дисциплины Осветительные установки и системы, читаемой студентам специальности Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений. Поэтому пособие может рассматриваться как конспект лекций по дисциплине. В тоже время студенты данной специальности изучают дисциплину Проектирование электротехнических устройств, входе которой помимо проектирования силового электрооборудования уделяется время расчету и проектированию установок искусственного освещения. В данной дисциплине рассматриваются светотехнические и электротехнические расчеты, проектные решения, требования нормативных документов. Разделы 5 и 6 пособия могут оказаться весьма полезными при изучении данной дисциплины. Также вопросы производственного освещения рассматриваются студентами электротехнических специальностей в курсах Безопасность жизнедеятельности и Энергосбережение, внимание освещению уделяется в курсе Электрооборудование промышленности, Потребители электрической энергии и других. Поэтому пособие может быть использовано студентам различных электротехнических специальностей. Работа над пособием распределилась следующим образом Гоман В.В. – введение и разделы 5 и 6, Тарасов ФЕ. – разделы 1-4, Сарапулов Ф.Н. – научное редактирование рукописи, общее руководство и постановка задачи. 5 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Освещение – важнейший фактор обеспечения безопасности человека и сохранения его здоровья. Свет обеспечивает связь организма с окружающей средой, передачу 80 % информации, обладает высоким биологическим действием. В производственных условиях от освещения рабочего места в значительной мере зависит сохранность зрения человека, состояние его центральной нервной системы, производительность, качество и безопасность труда. Освещение в жилых помещениях, естественно, не менее значимо. Наружные осветительные установки в городах и сельской местности также должны обеспечивать безопасность людей. О важности систем искусственного освещения свидетельствует то, что около 10-12% всей вырабатываемой электроэнергии затрачивается на освещение. В настоящее время происходит внедрение новых видов источников света и светильников, схем управления освещением (с целью повышения удобства и экономичности его использования, современных программных средств расчета и проектирования. 1.1. Общая характеристика оптического излучения Лучистая энергия передается от тела к телу в виде фотонов электромагнитных волн различной длины (частоты. Значение энергии фотона связано с частотой электромагнитных колебаний соотношением = h = (h c)/ , где ― энергия фотона, Дж h – постоянная Планка, h = 6,6245 10 -34 Дж с; – частота электромагнитных колебаний, Гц – длина электромагнитной волны, м. Частота и длина волны электромагнитного излучения взаимосвязаны со скоростью распространения электромагнитных волн в пространстве (со скоростью света) с = 3 10 8 мс соотношением с = v Излучения оптического диапазона спектра электромагнитных колебаний в зависимости от длины волны делят на видимое (от 380 до 6 760 нм, ультрафиолетовое (от 1 до 380 нм) и инфракрасное (от 760 до 10 6 нм) [1 нм = 10 -9 м (рис. 1.1). Рис. Спектральное распределение электромагнитного излучения Видимый солнечный свет – это сочетание излучений семи основных цветов красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. В оптической области спектра электромагнитных колебаний перед красным излучением находится инфракрасное (ИК-излучение), аза фиолетовым – ультрафиолетовое (УФ-излучение), (лат. «инфра» означает впереди, а ультра – за. Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи невидимы для человеческого глаза. В свою очередь ультрафиолетовое (УФ) излучение подразделяют • на длинноволновое зоны А (от 315 до 380 нм • средневолновое зоны Вот до 315 нм • коротковолновое зоны Сот до 280 нм. Ультрафиолетовое – излучение с длиной волны менее 100 нм, интенсивно поглощается воздухом земной атмосферы и не достигает поверхности Земли. 7 Длинноволновое УФ – излучение зоны А обладает крайне низкой фотобиологической активностью, но способно вызывать видимое свечение некоторых веществ. Поэтому его используют для люминесцентного анализа химического состава различных веществ и биологического состояния продуктов питания. Средневолновое УФ – излучение зоны В оказывает благоприятное действие на живые организмы, вызывает эритему и загар, способствует лучшему усвоению витамина D, обладает мощным антирахитным действием. Для большинства растений УФ - излучение зоны В неблагоприятно. Коротковолновое УФ – излучение зоны С обладает бактерицидным действием. Поэтому его применяют для обеззараживания продуктов питания, воды, воздуха, для дезинфекции и стерилизации различного инвентаря и посуды. Инфракрасное (ИК) излучение также в зависимости от длины волны подразделяют натри зоны • коротковолновую А (от 760 до 1400 нм • средневолновую Вот до 3000 нм • длинноволновую Сот нм до 1 мм. Инфракрасное излучение практически не поглощается воздухом и большую часть энергии своих фотонов расходует на образование теплоты в поверхностном слое тела нагрева. Глубина проникновения ИК - излучения в поверхностный слой составляет в среднем для воды 30...45 мм, для древесины – 3...7 мм, для сырого картофеля – до 6 мм, для тела животного – 2,5 мм, для зерна – 2 мм. В сельскохозяйственном производстве ИК - излучение используют для местного обогрева молодняка животных и птицы, сушки сельскохозяйственной продукции, лакокрасочных и других покрытий, для дезинсекции. 1.2. Взаимодействие оптического излучения с телом. Длина волны электромагнитных колебаний – это качественная характеристика монохромного оптического излучения. Мощность оптического излучения, называемая лучистым потоком, даѐт количественную оценку оптического излучения. В общем случае мощность лучистого потока измеряется в ваттах (Вт. Для 8 видимого спектра оптического излучения этот поток называют световым потоком. Основные величины, количественно характеризующие оптическое излучение в целом, - это лучистый поток, ила излучения, облучѐнность, экспозиция. Лучистый поток Ф (Вт, характеризующий мощность оптического излучения, численно равен лучистой энергии dQ (Дж, излучаемой источником в единицу времени dt (с): Ф = dQ Сила излучения I (Вт/ср) определяет удельную мощность излучения, приходящуюся на единицу пространственного угла d , измеряемого в стерадианах (ср): I = Ф /d Облучѐнность E (Вт/м 2 ) характеризует удельную мощность излучения, приходящуюся на единицу облучаемой поверхности dS (м = Ф Экспозиция (Дж/м 2 ), называемая также количеством облучения, определяет удельную энергию излучения, приходящуюся на единицу облучаемой поверхности в течение времени облучения (с H = 0 Поток оптического излучения, попадая на какой-либо объект, частично отражается от поверхности объекта, частично им поглощается и частично пропускается. Относительные значения потоков в долях от полного, упавшего на поверхность объекта, соответственно характеризуют коэффициенты – отражения, – поглощения и – пропускания. Очевидно, что + + = Эти коэффициенты – важные оптические показатели различных тел. В зависимости от преобладающего значения того или иного коэффициента тела подразделяют на отражатели, поглотители и фильтры. Из всей энергии оптического излучения в другой вид преобразуется лишь та, которая поглощается телом. Тела, в которых происходит преобразование поглощенной энергии излучения в другие виды энергии 9 биологическую, тепловую, электрическую и т. д, называют приѐмниками. Реакцию приемника оптического излучения по отношению к мощности падающего на него излучения называют чувствительностью = Ф ЭФ /Ф П = k Ф П Э /Ф П = Э где Ф ЭФ – мера реакции приемника, или эффективный поток излучения, поглощѐнный и преобразованный приемником, Вт Ф П – поток излучения, падающий на приемник,Вт; k, – коэффициенты пропорциональности и поглощения Э –энергетический КПД преобразования излучения приемником. Большинство приемников оптического излучения обладают различной чувствительностью к излучениям с разной длины волны. В этом случае говорят о спектральной чувствительности приемника g (Спектральная чувствительность ― основная фотометрическая характеристика приемника излучения, которая может быть выражена также в виде относительной спектральной чувствительности) = g( ) /g( ) max где g( ) max - максимальная спектральная чувствительность приемника излучения. На рис. 1.2 показаны стандартизированные (усреднѐнные) функции относительной спектральной чувствительности некоторых типовых приемников оптического излучения, которые можно также расценивать как функции относительной спектральной эффективности фотобиологических воздействий 1 – бактерицидного, 2 – витального (эритемного), 3 – светового и 4 – фотосинтезного. В соответствии с этим различают и системы эффективных величин и единиц их измерений бактерицидную, витальную, световую и фотосинтезную. 10 Рис. 1.2. Стандартизированные функции относительной спектральной чувствительности типовых приѐмников оптического излучения 1 - бактерий для летального действия 2 – кожи человека для витального действия 3 – глаза человека 4 – зелѐного листа растения. 11 2. СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ 2.1. Световой поток Фотометрические величины являются объективными характеристиками источников и сред. Человек с помощью органов зрения, как было указано в п. 1.1, воспринимает лишь часть лучистого потока. Величина лучистого потока, оцениваемая по его действию на человеческий глаз, называется световым потоком, который измеряется в люменах (лм). Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником, имеющим силу света в 1 кд (кандела) внутри телесного угла, равного 1 ср (стерадиану) [1]: 1 лм = 1кд∙1ср В табл. 2.1 приведены значения величин светового потока для ряда широко используемых в светотехнике источников. Видно, что технические источники (лампы накаливания, люминесцентные) создают световой поток, который, как правило, значительно меньше естественного солнечного освещения. Таблица 2.1 Световой поток некоторых источников света Источник света Световой поток, лм Электрическая лампа накаливания осветительная 100 Вт 1275 Электрическая лампа накаливания осветительная 1000 Вт 19000 Электрическая лампа накаливания прожекторная 1000 Вт 22200 Люминесцентная лампа белого цвета 15 Вт 540 Люминесцентная лампа дневного цвета 15 Вт 465 Окно площадью 1 м, освещенное солнцем в летний полдень 30000- 50000 Окно площадью 1 м в пасмурный день 5000-10000 Важной характеристикой всякого источника света является световая отдача, которая выражается отношением создаваемого светового потока к электрической мощности (лм/Вт). В качестве примера можно указать, что светоотдача ламп накаливания лежит в пределах 10-15 лм/Вт, а люминесцентных – 35-90 лм/Вт. При идеальных условиях, при полном использовании электроэнергии на образование оптического излучения мощностью 1 Вт соответствует 683 лм. Следует заметить, что даже наилучшие современные источники света пока обеспечивают не более 200 лм/Вт. 12 2.2. Освещенность Величина светового потока, падающего на единицу площади, называется освещенностью (Е. За единицу освещенности принят люкс (лк). 1 лк = 1 лм/м 2 Для определения освещенности пользуются формулой E = Ф где Ф – величина светового потока (лм); S – освещаемая площадь (м. На рис. 2.1 показано, что освещенность будет справедлива для точки О, а для точек О и О освещенность |