Расчет освещения. Устройство и расчет искусственного освещения
 Скачать 1.13 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Волгоградский государственный технический университет А. А. Липатов УСТРОЙСТВО И РАСЧЕТ ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ Учебное пособие  Волгоград 2014 УДК 628.93 (075) + 658.345 (075) Рецензенты: кафедра «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» Волгоградского государственного архитектурно-строительного ун-та, зав. кафедрой д-р техн. наук, профессор В. Н. Азаров; профессор кафедры «Проектирование технических и технологических комплексов» Саратовского государственного технического ун-та (СГТУ) имени Гагарина Ю. А. д-р техн. наук, профессор В. В. Мартынов Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета Липатов, А. А. Устройство и расчет искусственного освещения: учеб. пособие / А. А. Липатов / ВолгГТУ. – Волгоград, 2014. – 64 с. ISBN 978–5–9948–1440–6 В методических указаниях приведены сведения об основных светотехнических величинах, дана классификация и описаны показатели качества и эффективности искусственного освещения, показаны преимущества и недостатки различных типов ламп. Представлены основные функции светильников и нормирование искусственного освещения. Дана методика, примеры расчета и варианты расчетных заданий. Предназначаются для студентов ВолгГТУ при изучении курса «Безопасность жизнедеятельности» по направлениям 151900.62, 220400.62, 220700.62, 221700.62, 200100.62, 150100.62, 150400.62 и 150700.62. Ил. 9. Табл. 10. Библиогр.: 10 назв.
ВВЕДЕНИЕ Учебное пособие предназначено для самостоятельного изучения раздела «Искусственное освещение», выполнения практических и семестровых работ, раздела выпускной работы (проекта) и контрольных работ заочников по курсу «Безопасность жизнедеятельности». Пособие включает в себя краткое изложение теоретического материала со ссылками на нормативную документацию, методику и примеры расчета общего равномерного искусственного освещения, а также задачи для самостоятельного решения. 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Правильно спроектированное и выполненное освещение обеспечивает сохранность зрения и центральной нервной системы человека, безопасность и повышение производительности труда на производстве. Наилучшим для зрения человека является естественное освещение. Однако в темное время суток, при неблагоприятных погодных условиях, а также при нехватке естественного света в рамках системы совмещенного освещения не обойтись без искусственного освещения, осуществляемого электрическими лампами. 1.1. Основные светотехнические величины Глаз человека воспринимает узкую часть оптического диапазона, в свою очередь являющегося частью электромагнитного спектра. Диапазон длин волн видимого света – 380÷770 нм (по другим данным – 400÷780 нм). Излучение с длиной волны свыше 770 нм – инфракрасное, с длиной волны менее 380 нм – ультрафиолетовое. Изменение длины волны излучения внутри видимого диапазона глаз воспринимает как изменение цвета: от темно-фиолетового на нижней границе диапазона до темно-красного – на верхней. Важно и то, что одинаковая интенсивность видимого света с разными длинами волн вызывает различный уровень зрительных ощущений. Наиболее чувствительно зрение человека к излучению с длиной волны 555 нм (середина видимого диапазона, желто-зеленый цвет). К границам видимой части спектра восприятие уменьшается до нуля. Рассмотрение светотехнических величин удобно начать со светового потока. Световой поток F – мощность лучистой энергии, излучаемой источником во всех направлениях. Казалось бы, что единицей измерения светового потока должна быть системная единица мощности – ватт. Однако световой поток оценивается по зрительному ощущению, которое испытывает глаз человека. Пусть два источника испускают излучение одинаковой мощности (в ваттах), но с разными длинами волн: например, в темно-красной (близкой к границе видимого диапазона) и желто-зеленой (в середине видимого диапазона) частях спектра. Больший световой поток создает «желто-зеленый» источник – человеческое зрение к нему более восприимчиво. Источники же, излучающие только инфракрасные или ультрафиолетовые лучи, не видимые человеком, вообще не создают светового потока. Поэтому величину F оценивают в специальных единицах – люменах (лм). Подчеркнем, что световой поток является характеристикой источника света, а не условий зрительной работы человека. Как правило, источники излучают свет в пространство неравномерно. Характеристикой источника, оценивающей интенсивность излучения в разных направлениях, является сила света J – пространственная плотность светового потока в данном направлении, т. е. отношение светового потока dF, исходящего от источника и распространяющегося равномерно внутри малого телесного угла dΩ, к величине этого угла:J = dF/dΩ. Единица измерения – кандела (кд): 1 кд = 1 лмстер (стер – стерадиан). Основной характеристикой условий зрительной работы является освещенность Е – отношение светового потока dF, падающего на малый элемент поверхности, к площади этого элемента dS: Е = dF/dS. За единицу освещенности принят люкс (лк): 1 лк = 1 лм/м2. Именно освещенность количественно оценивает бытовые понятия «много света – мало света», а создание достаточной по величине освещенности в первую очередь обеспечивает комфортные зрительные условия. Еще одной светотехнической характеристикой (источника света) является яркость L элемента светящейся поверхности dS под углом θ относительно нормали к этому элементу – отношение создаваемой им силы света J в данном направлении к площади его проекции на плоскость, перпендикулярную данному направлению: L = J/(dS∙cosθ), кд/м2. В отличие от освещенности, увеличение яркости негативно сказывается на условиях зрительной работы. Наличие ярких источников в поле зрения вызывает ослепленность. Отметим, что корректнее говорить «наличие в поле зрения прямой или отраженной блескости», так как яркость является собственной характеристикой источника и присутствие в поле зрения яркого, но удаленного источника света ослепляющего действия не оказывает. В то же время, при одинаковом расстоянии от глаза до источника, более яркий источник будет «обеспечивать» большую блескость. Следующая светотехническая характеристика – коэффициент отраженияρ фона (поверхности, непосредственно прилегающей к объекту различения). Это отношение отраженного от поверхности светового потока Fотр к падающему на нее Fпад: ρ = Fотр/Fпад. При ρ > 0,4 фон считается светлым, при ρ = 0,2÷0,4 – средним, а при ρ < 0,2 – темным. Контраст объекта с фоном К определяется как отношение модуля разности яркостей объекта Lo и фона Lф к яркости фона: К = |Lо–Lф|/Lф. Контраст считается большим при К > 0,5, средним при К = 0,2÷0,5 и малым при К < 0,2. Последняя из основных светотехнических характеристик – видимость V. Описывает способность глаза воспринимать объект. Определяется числом пороговых контрастов в результирующем контрасте К объекта с фоном: V = К/Кпор(Кпор – пороговый контраст, т. е. наименьший различимый глазом контраст, при небольшом уменьшении которого объект становится неразличимым с фоном). 1.2. Классификация искусственного освещения Искусственное освещение может быть двух систем – общее и комбинированное, когда к общему освещению добавляется местное, концентрирующее световой поток непосредственно на рабочих местах. Общее освещение подразделяется на общее равномерное (световой поток по площади помещения распределяется без учета размещения оборудования) и общее локализованное (светильники устанавливаются с учетом расположения рабочих мест). Применение только местного освещения внутри зданий не допускается. Таким образом, местное освещение существует только как вид, а не как система. На производстве рекомендуется применять систему комбинированного освещения при выполнении точных зрительных работ (слесарные, на металлорежущих станках, контрольные операции и т. д.) и там, где оборудование создает глубокие резкие тени или рабочие поверхности расположены вертикально (штампы, гильотинные ножницы). Если рабочие места сосредоточены на отдельных участках, например, у конвейеров, разметочных плит, целесообразно локализовано размещать светильники общего освещения. Система общего освещения может быть рекомендована для тех производственных помещений, где по всей площади выполняются однотипные работы (литейные, гальванические, сборочные цехи), а также в административно-управленческих, проектно-конструкторских (в частности, при использовании компьютеров) и складских помещениях. По функциональному назначению искусственное освещение подразделяют на рабочее, аварийное, эвакуационное, сигнальное и охранное (дежурное). Аварийное освещение устраивают в тех случаях, когда внезапное отключение рабочего освещения и, соответственно, нарушение нормального обслуживания оборудования могут вызвать взрыв, пожар, отравление людей, или недопустимо прекращение работ. Эвакуационное освещение следует предусматривать для эвакуации людей из помещений при аварийном отключении рабочего освещения в местах, опасных для прохода людей – на лестничных клетках, вдоль основных проходов помещений, в которых находится более 50 человек. Сигнальное освещение применяют для фиксации границ опасных зон; оно указывает на наличие опасности либо на безопасный путь эвакуации. Выходные двери помещений, в которых могут одновременно находиться более 100 человек, должны отмечаться световыми указателями. Светильники аварийного освещения для продолжения работы присоединяют к независимому источнику питания, а светильники для эвакуации людей – к сети, независимой от сети рабочего освещения, начиная от щита подстанции. При этом следует применять лампы накаливания и люминесцентные лампы. В темное (нерабочее) время суток часто необходимо обеспечить минимальное искусственное освещение объектов, охраняемых специальным персоналом. На открытых площадках такое освещение называют охранным, а в помещениях – дежурным. Для него выделяется часть светильников рабочего или аварийного освещения. 1.3. Показатели эффективности и качества искусственного освещения Основным показателем эффективности искусственного освещения является световая отдача источников света – отношение светового потока лампы Fл к потребляемой ею электрической мощности Pл: ψ = Fл/Pл, лм/Вт. Увеличение ψ позволяет получить больший световой поток при той же потребляемой мощности (и, соответственно, при той же плате за электроэнергию на освещение) либо создать такой же световой поток ламп (и, соответственно, такую же освещенность рабочих поверхностей) при меньшей потребляемой мощности и плате за электроэнергию. Поэтому лампы с большой световой отдачей называют энергосберегающими. Кроме увеличения ψ нужно использовать светильники с большим коэффициентом полезного действия (см. п. 1.5), а для повышения эффективности всей осветительной системы требуется за счет нанесения светлых покрытий увеличивать в помещении коэффициенты отражения потолка и стен (в меньшей степени это относится к полу и горизонтальным рабочим поверхностям). Существенно влияет на эффективность искусственного освещения и форма помещения, оцениваемая индексом формы: i =  =  , (1.1)где A, Bи S – длина, ширина и площадь помещения; Hр – высота от рабочей поверхности до светильников (рабочая высота подвеса). Эффективность освещения тем выше, чем больше величина i. Действительно, чем меньше Hр, тем большая часть светового потока попадает на рабочую поверхность (как правило, горизонтальную), а меньшая – на стены помещения. Величина Hр находится в знаменателе формулы (1.1) – с ее уменьшением индекс i возрастает. Влияние отношения произведения длины на ширину (площади помещения) к их сумме (полупериметру) влияет на эффективность освещения следующим образом. С изменением формы помещения в плане – от длинного узкого коридора к квадрату – эффективность его освещения возрастает за счет попадания большей части светового потока на рабочую поверхность. Легко убедиться, что при этом увеличивается отношение AB/(A + B) и, соответственно, индекс i. Основные показатели качества искусственного освещения – коэффициент пульсации освещенности Кп и показатель ослепленности P. Коэффициент пульсации освещенности Кп – критерий оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока ламп при питании их переменным током: Kп=100(Eмакс– Eмин)/2Eср, %, (1.2) где Емакс и Емин – соответственно максимальное и минимальное значения освещенности за период ее колебания, лк; Еср– среднее значение освещенности за этот же период, лк. Остановимся на этом показателе подробнее. Величина протекающего через лампу переменного тока изменяется, как правило, по синусоидальному закону. Дважды за период ток становится нулевым. В эти моменты значение излучаемого лампой светового потока в той или иной степени уменьшается: световой поток пульсирует с частотой, равной удвоенной частоте питающего напряжения, (100 Гц). Соответственно возникает пульсация освещенности. При достаточно большой ее глубине видимое человеком изображение объектов (и всей окружающей обстановки) как бы разбивается на кадры (вспомним, что в кино 24 кадра в секунду, здесь – 100). Может возникнуть стробоскопический эффект, проявляющийся в искажении восприятия быстро движущихся объектов. Вращающийся объект может восприниматься вращающимся с меньшей скоростью, в обратном направлении или вовсе неподвижным (как колеса движущихся автомобилей в кино). Это явление не только ухудшает условия зрительной работы, но и приводит к увеличению опасности травматизма. На экранах мониторов компьютеров (и телевизоров), как и в кино, имеет место покадровое разбиение изображения. При одновременной пульсации освещенности экрана от внешних источников возникают эффекты (более сложные, чем стробоскопический), приводящие к быстрому ухудшению зрения (в большей степени – при работе с компьютером: экран занимает большее поле зрения). Уменьшение Кпможет быть достигнуто: – правильным выбором источника (типа лампы); – смещением фазы тока для части ламп с помощью последовательно подключаемых к ним балластных – индуктивных или емкостных (конденсаторов) – сопротивлений (например, для одной из люминесцентных ламп в двухламповом светильнике); – смещением фазы питающего соседние светильники (еще лучше – разные лампы в одном многоламповом светильнике) напряжения, для чего их включают в две или три разные фазы осветительной сети (трехфазное подключение эффективнее – величина Кп снижается в большей степени); – добавлением к общему освещению, осуществляемому газоразрядными лампами, светильников местного освещения с лампами накаливания, для которых величина Кпнамного меньше вследствие тепловой инерции; – увеличением частоты напряжения питания (проявляется инерционность излучения и для газоразрядных ламп) или его формы (например, прямоугольная вместо синусоиды) с помощью электронной аппаратуры. Показатель ослепленности Р – критерий оценки слепящего действия, создаваемого осветительной установкой: P = (S – 1)∙1000, (1.3) где S = V1/V2 – коэффициент ослепленности; причем V1 – видимость объекта наблюдения при экранировании блестких (посторонних) источников света, V2 – видимость объекта при их наличии в поле зрения. 1.4. Электрические источники света (лампы) В настоящее время основными типами являются лампы накаливания и газоразрядные (разрядные). Широкое применение ламп накаливания (ЛН) объясняется следующими их преимуществами: простотой в изготовлении, компактностью и удобством в эксплуатации. ЛН включаются в сеть без дополнительных пусковых приспособлений, могут работать при снижении напряжения в сети, мало зависят от температуры окружающей среды, световой поток к концу срока службы снижается незначительно (приблизительно на 15 %), глубина пульсации светового потока невелика (величина Кп порядка 7÷9 %). Последнее обусловливает их использование в качестве источников местного освещения (в частности, на металлорежущих станках). Однако лампы накаливания имеют существенные недостатки, главным из которых является низкая световая отдача (для ламп общего назначения ψ = 7÷20 лм/Вт). При использовании ламп накаливания приходится недопустимо много платить за электроэнергию: получаемый с каждого ватта потребляемой мощности световой поток слишком мал – большая часть мощности расходуется на тепловое (инфракрасное) излучение. Поэтому в настоящее время ЛН практически не применяются на производстве для общего освещения. Кроме того, лампы накаливания имеют сравнительно малый срок службы (до 2,5 тыс. час.). В их спектре преобладают желтые и красные лучи, что сильно отличает спектр от солнечного и ведет к искажению цветопередачи. В известной степени этих недостатков лишены галогенные лампы накаливания, в которых реализован механизм осаждения испаряющегося вольфрама обратно на элемент накаливания. Это позволяет повысить температуру последнего и тем самым приблизить спектр излучения к естественному, увеличив световую отдачу до 40 лм/Вт и одновременно не ухудшив долговечность (свыше 3 тыс. час.). Кроме того, галогенные лампы обеспечивают наименьшую величину Кп – порядка 1÷2 %. В газоразрядных лампах (ГРЛ) световое излучение генерируется электрическим разрядом в атмосфере инертных газов и паров металлов (чаще всего – ртути), а также в результате явления люминесценции. Эти лампы делятся на два основных вида: газоразрядные лампы высокого давления (ГЛВД) и люминесцентные (ЛЛ), называемые также газоразрядными лампами низкого давления. ГЛВД применяются в условиях, когда требуется высокая световая отдача при компактности источника света (при расчетах их, как и ЛН, можно считать точечными источниками) и стойкости к неблагоприятным условиям внешней среды. Их основные разновидности: дуговые ртутные люминесцентные ДРЛ, металлогалогенные (МГЛ) типа ДРИ (дуговые ртутные с йодидами; не путать с галогенными лампами накаливания), натриевые ДНаТ, ксеноновые ДКсТ. Последние из-за высокой единичной мощности (от 5 кВт) и большого давления в колбе (у горящей лампы – до 12 МПа) внутри зданий не применяются. Общая черта всех ГЛВД – малые размеры светящегося тела (в этом они схожи с лампами накаливания) при, как правило, высокой мощности, т. е. большая яркость, оказывающая ослепляющее действие (у ламп ДРЛ – в несколько меньшей степени, так как свет излучает вся покрытая люминофором колба). Поэтому ГЛВД применяются для больших высот подвеса. В производственных помещениях (цехах) в основном используют лампы типов ДРЛ и ДРИ (МГЛ). Естественно, что ДРЛ (как менее яркие) применяют при меньших высотах подвеса, ДРИ (МГЛ) – при больших. Следует учитывать, что световая отдача МГЛ существенно выше, чем у ДРЛ (в диапазоне мощностей 250÷1000 Вт – в 1,44÷1,54 раза). Еще одним существенным преимуществом ГЛВД типа ДРИ является значительно меньшее значение коэффициента пульсации освещенности Kп (см. ниже). Однако серьезным недостатком МГЛ является гораздо меньший, чем у ДРЛ, срок службы – в 4÷6 (!) раз. В отличие от ГЛВД, люминесцентные лампы являются протяженными объектами и имеют большие размеры при малой яркости единицы площади светящейся поверхности. Поэтому ЛЛ, учитывая их малую единичную мощность, применяются для небольших помещений при относительно малой высоте подвеса. В ЛЛ генерируемое электрическим разрядом в парах ртути ультрафиолетовое излучение попадает на покрывающий внутреннюю поверхность колбы (трубки) слой люминофора, сообщая ему энергию для свечения в видимом диапазоне. Составом люминофора можно изменять спектр излучения. Основные типы ЛЛ в зависимости от спектра (в порядке его расширения и приближения к естественному): белого света (ЛБ), дневного света (ЛД), естественного света (ЛЕЦ) и дневного света с улучшенной цветопередачей (ЛДЦ). При работах, требующих правильного различения цветовых оттенков, применяют лампы ЛЕЦ и ЛДЦ. Основным преимуществом всех видов газоразрядных ламп перед лампами накаливания является более высокая световая отдача (40÷110 лм/Вт), что резко снижает потребление ими электроэнергии. Наибольшая световая отдача у натриевых ламп, наименьшая – у ксеноновых; у ламп ДРИ ψ выше, чем у ДРЛ (100 против 60 лм/Вт). Световая отдача люминесцентных ламп в большой степени зависит от ширины спектра излучения. Расширение спектра сопровождается ростом затрат энергии на излучение с близкими к границам видимого диапазона длинами волн (красные и фиолетовые лучи), к которым глаз человека менее чувствителен. Поэтому световая отдача при переходе от ламп ЛБ к ЛЕЦ и ЛДЦ снижается (в зависимости от мощности) с 65÷78 лм/Вт до 41÷52 лм/Вт. Другим важным преимуществом газоразрядных ламп является большой срок службы, достигающий 18÷20 тыс. час. Следует еще раз отметить, что подбором инертных газов, паров металлов и люминофора можно получить любой спектр излучения, в том числе приближающийся к естественному спектру. Основным недостатком газоразрядных ламп является их малая инерционность, приводящая к существенным пульсациям светового потока и стробоскопическому эффекту. Одиночная лампа ДРИ создает на освещаемой поверхности коэффициент пульсации освещенности от 37 % (лампы с йодидами натрия, индия, таллия) до 48 % (лампы с йодидами натрия, скандия), ДРЛ – 58 %, ДНаТ – 77 %. Не «уступают» им и люминесцентные лампы: ЛБ – 34 %, ЛД – 55 %, ЛЕЦ – 64 %, ЛДЦ – 72 %. Трехфазное подключение уменьшает Кп на порядок: ЛБ – 3 %, ЛД – 5 %, ЛЕЦ – 6 %, ЛДЦ – 7 %. Другие недостатки газоразрядных ламп: высокая стоимость, необходимость применения пускорегулирующей аппаратуры (для запуска требуется либо разогреть электроды, либо подать на них повышенное «стартовое» напряжение; ЛЛ при температуре ниже 10 ºС могут вообще не зажигаться), сложность утилизации из-за наличия паров ртути. Некоторые типы разрядных ламп имеют длительный период разгорания (до 10÷15 мин), у других (в частности, у ЛЛ) значительно снижается световой поток к концу срока службы. Некоторые типы ГРЛ создают радиопомехи. 1.5. Светильники Светильник представляет собой совокупность источника (источников) света (лампы или нескольких ламп) и осветительной арматуры (отражатели, светорассеивающие или защитные колпаки, устройства для крепления, пускорегулирующая аппаратура). Важнейшей функцией отражателя является перераспределение светового потока лампы в пространстве. Оно описывается кривой силы света (КСС), т. е. зависимостью силы света Jλ от углового отклонения λ от вертикали (в полярной системе координат). На рис. 1.1 представлены типовые КСС. Равномерная КСС типа М (кривая 1) приведена на рис. 1.1 из методических соображений. Она будет иметь место для источника света при отсутствии отражателя – для лампы без светильника или для используемых в прошлом светильников общего освещения типа «молочный шар» с лампами накаливания: свет равномерно излучается во всех направлениях. Светильники с такой КСС могут быть относительно эффективны лишь при очень светлых потолках и стенах, и для производственных помещений не применяются. Достаточно редко используются и светильники с широкой (условное обозначение – Ш; кривая 2) и полуширокой (обозначение – Л; на рис. 1.1 не показана) КСС. Слишком большая часть их светового потока (особенно
участков. В цехах промышленных предприятий чаще используют светильники с КСС типов Д (косинусная, кривая 3), Г (глубокая, 4) и К (концентрированная, 5). При этом переход от КСС типа Д к типу Г и, далее, – к типу К, сопровождается концентрацией излучаемого светильниками светового потока в меньшем пространственном угле и более эффективным его использованием: все большая часть светового потока ламп попадает на рабочую поверхность, а меньшая – на стены. Однако равномерность освещения рабочей поверхности при этом ухудшается (увеличивается отношение максимальной освещенности к минимальной Емакс/Емин – см. п. 1.6). Поэтому переходить от использования светильников с КСС типа Д к КСС типа К следует при увеличении высоты подвеса. Для относительно небольших высот подвеса такой переход должен сопровождаться уменьшением расстояния между светильниками (что потребует увеличения их числа и невыгодно с экономической точки зрения). Полное обозначение КСС в специальной литературе – буквенно-цифровое: Д-1, Д-2; Г-1, …, Г-4; К-1, …, К-3. Увеличение стоящего на второй позиции числа обозначает некоторую трансформацию КСС в направлении от Д к К и соответствующее увеличение коэффициента использования светового потока всей осветительной установки. Однако это, как и переход от типа Д к типу К, сопровождается ухудшением равномерности освещения, требуя уменьшения расстояния между светильниками (в приведенной ниже методике расчета, имеющей все-таки учебный характер, этот фактор не учитывается). Следует отметить, что для светильников общего освещения с люминесцентными лампами, имеющих в одном направлении во много раз большую протяженность, чем в перпендикулярном ему, и располагаемых как правило непрерывными рядами, КСС определяется только в поперечной плоскости – в сечении, перпендикулярном лампам, т. е. наибольшему габаритному размеру светильника (и ряду светильников). Другим важным назначением осветительной арматуры является предохранение глаз человека от ослепляющего воздействия источника света – лампы. Лампа не должна сколь либо длительное время находиться в поле зрения работающего (в идеальном случае – вообще не должна). Степень возможного ограничения слепящего воздействия источника света определяется защитным углом светильника α – углом между горизонталью и линией, соединяющей нить накала (электрическую дугу, поверхность колбы лампы) с противоположным краем отражателя (рис. 1.2). В общем случае правило определения защитного угла можно сформулировать следующим образом. Следует разграничить поверхностью (для светильников с ЛЛ – поверхностями) области пространства, из которых лампа может быть видна и не может быть видна. Угол между этой поверхностью и горизонтальной плоскостью и есть защитный угол α. Обладающие осевой симметрией светильники с точечными источниками (лампы накаливания, дуговые) (рис. 1.2, а и б) характеризуются одним значением угла α. Если лампа имеет прозрачную колбу, граничная линия  |
