Искусственное освещение

(основные критерии качества)

     Качество искусственного освещения помещений зависит от многих факторов, главные из которых будут рассмотрены в этой статье. Статья написана не для проектировщиков осветительных установок (они в основном все это знают), а для тех, кто хочет разобраться в сложных вопросах, касающихся освещения помещений.

Некоторые вопросы, касающиеся тематики данной статьи уже рассматривались в статьях Проектирование освещения квартир, Светильники для кухни. В статье Основные светотехнические характеристики светильников имеются ссылки на стандарты, в которых установлены правила измерения светотехнических характеристик. В данной статье рассмотрены вопросы:

• Освещенность
• Цилиндрическая освещенность
• Спектр света и индекс цветопередачи
• Цветовая температура
• Пульсации освещенности
• Неравномерность освещенности
• Показатели дискомфорта
• Требования к светильникам

Освещенность

     Освещенность помещения является основополагающим фактором, определяющим комфортность окружающей световой среды и соответственно качества искусственного освещения. Вычисляется как величина светового потока Ф, падающего на единицу площади освещаемой поверхности. Освещенность обозначают буквой Е. Имеет размерность люкс (лк), 1лк=1лм/м². Здесь световой поток, это мощность светового излучения, воспринимаемого человеком как видимый свет, имеет размерность люмен (лм). Именно освещенность определяет, хорошо ли освещены окружающие нас предметы.

     Человеческий глаз способен адаптироваться под разные условия освещенности. Мы может читать мелкий текст и при освещенности в 1 Люкс, и при 50000 Люкс. Но комфортной для глаз является освещенность 300 – 500 Лк. В некоторых случаях, когда требуется различать очень мелкие предметы, величина комфортной освещенности может находиться в пределах 1000 – 1500 Лк.

     Основные нормы освещенности помещений при искусственном освещении даны в СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03  (Таблицы 1 и 2) и в Своде Правил СП 52.13330.2011  (Таблица 2 и Приложение К). Здесь нормируется горизонтальная (то есть на поверхности стола или на полу) минимальная освещенность на рабочей поверхности. В Европе нормируют среднюю освещенность на рабочей поверхности. Вообще нормируемая в упомянутом СП освещенность, к примеру, в офисном помещении, 400 Лк (минимальная освещенность), это примерно, то же самое, что европейские 500 – 550 Лк (средняя освещенность).

     Свод Правил СП 52.13330 входит в перечень нормативных документов обязательного применения. Сейчас принят ГОСТ Р 55710-2013 добровольного применения, в соответствие с которым допускается нормировать среднюю освещенность на рабочей поверхности. При проектировании освещения, как правило, не сложно одновременно выполнить нормы, как по минимальной освещенности, так и по средней освещенности на рабочей поверхности.

Цилиндрическая освещенность

     Как правило, при проектировании осветительных установок помещений ограничиваются расчетом горизонтальной освещенности. При таком упрощенном подходе к проектированию осветительной установки помещения трудно говорить о высоком качестве искусственного освещения.

     В помещениях, в которых происходит общение людей (выставочные залы, конференц-залы) важным параметром является цилиндрическая освещенность, которую необходимо учитывать при проектировании освещения. При низкой величине этого параметра даже при достаточной горизонтальной освещенности мы можем увидеть лицо человека, на которое падает тень. Это происходит, если ближайший к собеседнику светильник находится за его спиной.

     Цилиндрическая освещенность характеризует степень насыщенности помещения светом. Ее определяют как среднюю плотность светового потока, падающего на поверхность цилиндра, расположенного вертикально. При этом геометрические размеры цилиндра стремятся к нулю.

     Самый простой способ добиться хороших показателей цилиндрической освещенности – сделать стены и потолок светлыми, хорошо отражающими свет. А часть светового потока светильников направить на потолок. В этом случае помещение насыщается светом. Для жилых помещений конечно лучшим выбором является хорошая люстра. Покупать люстры желательно в специализированных магазинах, где перед покупкой ее можно увидеть включенной и визуально оценить качество.

     В небольшом помещении (площадью менее 40 – 50 м²) первостепенную роль играет коэффициент отражения стен. При этом если стены и потолок светлые и хорошо отражают свет, то даже если единственный светильник находится за спиной нашего собеседника, его лицо мы видим освещенным светом, отраженным от стен и потолка.

     Для обеспечения комфортной световой среды необходимо обеспечить цилиндрическую освещенность помещения порядка 50 - 150 лк. Но, для достижения хороших показателей цилиндрической освещенности требуется совместная согласованная работа светотехников, отвечающих за выбор и расстановку осветительных приборов и дизайнеров, отвечающих за выбор цвета и способов отделки стен и потолка.

     Если совсем не контролировать цилиндрическую освещенность, то в принципе можно создать осветительную установку, которая будет соответствовать всем требованиям по горизонтальной освещенности, но качество осветительной установки окажется недопустимо плохим. Для небольшого помещения, например, размером 5х6 метров можно взять светодиодный прожектор мощностью около 50 Вт с углом рассеивания 120х60 градусов, который прекрасно способен осветить небольшую спортивную площадку во дворе дома, и установить его на потолке комнаты. После чего можно долго ходить с люксметром по комнате и радоваться достигнутым результатам по горизонтальной освещенности на уровне пола. Но, стены и особенно потолок окажутся темными. Кроме того, будет просто невозможно повернуться лицом в сторону прожектора. Здесь, как будет показано ниже, окажутся неприемлемыми еще и  показатели дискомфорта.

Спектр света и индекс цветопередачи

     Видимый нами свет представляет собой электромагнитную волну (подробнее о волновой природе света можно прочитать в статье Основные понятия о видимом свете). Источники света (лампы) излучают не весь спектр видимого света, а лишь некоторую его часть. Причем в спектре источников электрического освещения могут присутствовать значительные всплески и провалы, и даже отдельные спектральные линии. Это приводит к тому, что в условиях искусственного освещения происходит искажение восприятия цветов и их оттенков. Например, если в спектре излучения лампы отсутствуют световые волны, соответствующие красному цвету, то при рассмотрении предметов красного цвета мы увидим их неестественно темными.

     Для количественной оценки источников света по обеспечению естественности и точности восприятия цветов и их оттенков введен показатель индекс цветопередачи Ra, который может принимать значения от 0 до 100. Лучшие по цветопередаче источники света на сегодняшний день – лампы накаливания (включая галогенные лампы - усовершенствованные варианты ламп накаливания). Их показатель Ra принимают равным 100. Индекс цветопередачи лучших светильников с люминесцентными лампами достигает значения 90 (отдельные экземпляры могут иметь Ra=95) .

     Сравнительную таблицу с параметрами различных источников света можно посмотреть в статье про выбор источников света.

     Индекс цветопередачи в некоторых случаях не играет особой роли, например, если мы читаем книгу. Но, если важным является правильное различение цветов и их оттенков, то индекс цветопередачи выходит на первый план. Для достижения высокого качества искусственного освещения индекс цветопередачи должен быть не менее 90.

Цветовая температура

     У каждого источника света имеется область спектра, в которой сосредоточена основная доля излучения. Для оценки распределения излучения по спектру введен показатель цветовая температура Тц. Цветовую температуру измеряют в градусах Кельвина (отсчет градусов по Кельвину осуществляют от точки абсолютного нуля, что соответствует температуре минус 273 градуса по Цельсию).

     Если нагревать любое тело, то начиная от некоторой температуры, оно начинает излучать видимый свет. Для оценки цветовой температуры источника электрического освещения используют нагрев абсолютно черного тела (некоторой физической модели, имеющей свойство поглощать все падающие на него лучи без отражения). Цветовая температура источника света определяется как температура, до которой необходимо нагреть абсолютно черное тело (АЧТ), что бы спектры излучения АЧТ и исследуемого источника электрического освещения были равны. Это равенство, конечно, является приблизительным.

     Лампы накаливания в зависимости от их мощности могут иметь Тц в пределах 2200 – 3000 К (чем мощнее лампа, тем выше цветовая температура. Люминесцентные лампы в зависимости от типа люминофора могут иметь Тц порядка 2700 – 6500 К. Тц светодиодных источников света в зависимости от технологии изготовления светодиода может находиться в пределах 1800 – 10000 К.

     Лампы с Тц менее 3000 К часто называют теплыми источниками света; с Тц 3500 -4500 – нейтральными белыми, более 5000 – холодными источниками света. Но это разделение чисто условно и у всех производителей ламп может несколько различаться.

     От цветовой температуры используемых источников света во многом зависит работоспособность и здоровье людей. Причем в каждом конкретном случае для искусственного освещения помещений следует выбирать осветительные приборы с требуемыми параметрами: для спальни с Тц не более 3000 К, гостиной в квартире 3500 – 4000 К. Для офисов и производственных помещений, как правило, с Тц=4000 – 5000 К.

     Например, если для освещения офиса использовать источники света с Тц=2000 – 2500 К, то у большинства сотрудников в зимнее время при коротком световом дне вместо работы будет борьба со сном. А если спальню осветить световыми приборами с Тц=5000 – 6000 К, то бессонница практически обеспечена. 

     Чем выше цветовая температура источника света, тем большую освещенность помещения требуется обеспечить. При Тц=2500 К для комфортного освещения достаточно иметь освещенность 200 лк. Но такие параметры световой среды располагают к отдыху. При Тц=5000 К для ощущения светового комфорта потребуется освещенность 400 – 500 лк. Поэтому цветовая температура используемых ламп является важным параметром при оценке качества искусственного освещения конкретного помещения в зависимости от его предназначения.

     Основные рекомендации по использованию источников света с различными цветовыми температурами можно посмотреть в статье про требования к спектру ламп.

     Влияние цветовой температуры на качество освещения, в зависимости от требуемой освещенности, рассмотрено в статье Зависимость комфортной освещенности от цветности источников света.

Пульсации освещенности

     Если величина освещенности меняется во времени с частотой изменения напряжения в электрической сети более чем на 10-15%, то это приводит к быстрой утомляемости глаз. Особую опасность при сильных пульсациях освещенности может представлять стробоскопический эффект, при котором вращающиеся тела (шпиндель станка, лопасти вентилятора) мы вдруг можем увидеть неподвижными. Не стоит говорить о каком либо качестве искусственного освещения при пульсациях освещенности 20 и более процентов.

     Для достижения приемлемых величин пульсаций освещенности светильники с люминесцентными лампами следует использовать с электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА). В больших производственных помещениях до сих пор часто используют люминесцентные светильники с электромагнитными пускорегулирующими аппаратами (ПРА). Эти осветительные приборы имеют в своем составе стартеры. При использовании таких светильников их обязательно равномерно распределяют между тремя фазами групповой сети питания светильников. Причем если предусматривается включение осветительных приборов частями, то каждая по отдельности включаемая часть светильников также должна быть равномерно распределена по трем фазам.

     Неприемлемые пульсации освещенности (десятки процентов) могут быть у некоторых светодиодных источников света. Всегда следует интересоваться у поставщиков светодиодной продукции величиной данного параметра. У хороших производителей светодиодов пульсации освещенности не превышают 5%.

     Если говорить об источнике света (лампе) то правильнее указывать пульсации светового потока. Но, при установке светильников с рассматриваемыми лампами в помещении, как правило, возникают пульсации освещенности, равные пульсациям светового потока ламп (за исключением случая, когда светильники распределены между тремя фазами электрической сети).

     Проблема также может возникнуть при медленных изменениях освещенности помещений, вызванных суточными колебаниями напряжения в сети вследствие изменения нагрузок. В некоторых случаях при проектировании искусственного освещения рационально использовать стабилизаторы напряжения, которые не только повысят комфортность световой среды, но и увеличат срок службы светильников, особенно если периодически возникают значительные превышения напряжения в сети сверх установленных норм.

Неравномерность освещенности

     При больших неравномерностях освещенности помещения возникают неприятные зрительные ощущения. Когда отдельные части помещения существенно затенены, иногда вследствие установки мебели (шкафов), которыми в некоторых офисах делят помещение на отдельные зоны.

     При этом следует различать неравномерность распределения освещенности непосредственно на рабочем месте и в помещении в целом (включая проходы).

     При проектировании общего искусственного освещения для уменьшения неравномерности освещенности можно увеличить количество светильников в помещении (используя при этом светильники меньшей мощности), либо осуществить расстановку светильников с учетом мебели. Во втором случае удастся лучше осветить, к примеру, места, где имеется мебель (в том числе различные стеллажи), но расстояние между светильниками в рядах будет непостоянным. Для достижения требуемого качества искусственного освещения всегда исходят их конкретных условий использования помещения.

Показатели дискомфорта 

     Если в поле зрения одновременно попадают поверхности, имеющие чрезмерно различную яркость, то возникают неприятные зрительные ощущения, которые называют дискомфортной блескостью. Особенно часто подобная ситуация возникает на улице, когда взгляд направлен на какой то удаленный объект, а в поле зрения попадает яркое солнце. Яркие солнечные лучи сужают наши зрачки и не позволяют рассмотреть желаемый объект, имеющий существенно меньшую яркость, чем поверхность солнца. Хотя иногда удается ладонью руки защитить глаза от солнца и все-таки рассмотреть объект нашего интереса. 

     А теперь представим себе, что в поле зрения попадает ярко светящаяся поверхность светильника (или яркое отражение света на столе или мониторе компьютера), в результате чего зрачки стремятся сузиться. Но поверхность рассматриваемого предмета освещена существенно слабее. И для оптимального ее изучения по условиям освещенности зрачкам необходимо расширяться. Вот мы и получили неприятный зрительный эффект – дискомфортную блескость, вызывающий чрезмерное напряжение глаз. Длительное ежедневное напряжение глаз может даже вызвать их заболевания.

     Дискомфортная блескость  – самый неприятный недостаток многих осветительных установок. Можно обеспечить хорошую освещенность, в том числе цилиндрическую, индекс цветопередачи источников света Ra=90 и более. Но находясь в помещении, мы будет испытывать дискомфорт.

     Для количественной оценки дискомфортной блескости и слепящего воздействия осветительной установки в нормативных документах по проектированию освещения используются: показатель ослепленности Р, показатель дискомфорта М и объединенный показатель дискомфорта UGR.

     Показатель дискомфорта М - критерий оценки дискомфортной блескости, используемый в России.

     Объединенный показатель дискомфорта UGR является международным критерием оценки дискомфортной блескости. Используется в большинстве стран (кроме США и Канады). В настоящее время показатель введен и в национальные нормативные документы.

     Показатель ослепленности Р - критерий оценки слепящего действия осветительной установки. Используется в основном для оценки качества осветительных установок помещений промышленного назначения и различных мастерских по ремонту бытовой техники, обуви и одежды, расположенных в жилых и общественных зданиях.

     Основные формулы для расчета данных показателей приведены в третьем издании Справочной книги по светотехнике под редакцией Ю.Б. Айзенберга (издание 2006 года). Требования к методу определения показателя дискомфорта UGR приведены в ГОСТ Р 54943-2012.

     Сейчас использование показателя ослепленности Р постепенно снижается, так как оценивать показатели дискомфорта удобнее в величинах UGR или М, расчет которых выполняется на основе одних и тех же данных и соответственно они легко пересчитываются один из другого. Связь между UGR и М приведена в Таблице 1.

                                                                                                                                     Таблица 1

     В настоящее время для расчета объединенного показателя дискомфорта UGR используют программные средства, например программу DIALux. Она вычисляет UGR в пределах от 10 до 30. Этого диапазона вычислений более чем достаточно.

     Для вычислений параметров осветительной установки для каждого используемого светильника с официального сайта производителя данного типа осветительного оборудования скачивают специальный IES файл с фотометрическими данными. Сейчас практически все изготовители светильников выкладывают на своих сайтах в свободный доступ соответствующие IES файлы для программы DIALux. Данная программа не является единственной, и некоторые светотехники пользуются другими программными средствами.

     Обычно осветительные установки проектируют исходя из параметра UGR от 15 до 25. При величине UGR менее 15 можно говорить о весьма качественной осветительной установке. В помещениях, в которых не предусматривается постоянное присутствие людей, UGR может быть более 25, если это не противоречит нормам для данного типа помещения.

     Оценивают величины дискомфортной блескости около торцевых стен помещения на высоте 1,2 метра при направлении взгляда на противоположную стену.

Требования к светильникам

     Значение дискомфортной блескости зависит от типа используемых светильников (их мощности, кривой силы света (КСС), защитного угла, площади излучающей свет поверхности), и способа их расстановки в помещении.

    Самый простой способ добиться хороших показателей дискомфортной блескости – использовать светильники, излучающие часть светового потока (более 10%) в верхнюю полусферу, то есть на потолок. За счет этого уменьшается разница яркостей светящихся поверхностей осветительных приборов и потолка. Дальнейшего уменьшения яркости излучающей поверхности светильника (при фиксированном световом потоке) можно добиться выбором светильников с большой излучающей поверхностью. То есть уменьшить светимость поверхностей светильника (отношение светового потока к площади излучающей этот поток поверхности).

     Защитить глаза от ярких светящихся поверхностей светильника помогают защитные экраны, рассеиватели и плафоны. Защитные экраны действуют подобно ладони руки, когда мы ей защищаем глаза от слепящих солнечных лучей. Привычные нам офисные светильники размером 60х60 см с четырьмя люминесцентными лампами по 18 Вт снабжают сложными призматическими рассеивателями, которые закрывают от глаз источники света – лампы, но позволяют световому потоку практически беспрепятственно проходить через них.

     Для дома желательно выбирать светильники, имеющие небольшие значения светимости. С этой точки зрения лучшими являются светильники с лампами накаливания. Значительно сложнее обстоит дело со светодиодными светильниками – в них весьма маленькая поверхность светодиода излучает большой световой поток. Поэтому светодиодный светильник должен содержать экраны, рассеиватели и плафоны, исключающие всякую возможность попадания в поле зрения прямого излучения поверхности светодиода. Светодиодные светильники по сравнению с лампой накаливания потребляют значительно меньшую мощность при одинаковом световом потоке (примерно в 5-8 раз), поэтому если в рассеивателях и плафонах будет потеряно 10-20 % светового потока, то это не стоит рассматривать как недопустимый фактор.

                                                                                                                                   Виктор Чернов

К ОГЛАВЛЕНИЮ (Все статьи сайта)                                                                             04.01.2016