Расчет освещенности

    При проектировании освещения расчет освещенности является основополагающим расчетом.

В настоящее время имеется большое количество программ для компьютеров, например DIALux, позволяющих автоматизировать процесс вычислений. Для программы DIALux практически все производители светильников выпускают базу данных своих осветительных приборов, позволяющих выполнить все расчеты освещенности для использования конкретного светильника, что повышает точность и достоверность расчетов. Но уметь выполнить все расчеты вручную все равно должен уметь каждый, кто, так или иначе, связан с освещением.

    Автоматизация расчетов не означает, что после выполнения монтажа и включения светильников освещенность в помещении окажется точно соответствующей расчетной. Как правильно нормировать и измерять освещенность после монтажа осветительной установки, подробно изложено в статье «Нормирование освещенности при расчетах». Все расчеты освещенности очень приблизительны. Особенно это касается помещений, имеющих площадь менее 50 м². На результаты расчетов очень большое влияние оказывают коэффициенты отражения стен и потолка. Достаточно в помещении со светлыми стенами покрасить их темной краской, что бы уменьшить освещенность в 2 – 2,5 раза при площади помещения 20 – 30 м²и в 1,5 раза при площади более 100 м². А если учесть, что все расчеты выполняются до строительства или реконструкции здания, то точные значения коэффициентов отражения не всегда известны. Поэтому крайне важно предусмотреть возможность включения светильников частями, либо иметь возможность плавной регулировки освещенности. При использовании светильников с лампами накаливания  при необходимости можно применить лампы другой мощности.

     Нормы освещенности зависят от вида освещаемого помещения. Требуемые уровни освещенности помещений можно найти в СП 52.13330.2011 "Естественное и искусственное освещение (актуализированная редакция СНиП 23-05-95*)", в СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03, и в своде правил по проектированию и строительству СП 31-110-2003.

Например, освещенность офисных помещений и классных комнат учебных заведений должна быть в пределах 400 – 500 люкс, торговых залов магазинов 300 – 400 люкс, жилых комнат и кухонь – 150 люкс, коридоров и лифтовых холлов – 75 люкс.

     При этом следует учитывать, что при использовании ламп накаливания ощущение комфортности освещения возникает примерно при 75 люксах, а при использовании люминесцентных ламп при освещенности более 150 люкс. Ранее освещенность нормировали раздельно для ламп накаливания и люминесцентных ламп, например в СНиП II-В.6  (действовал с 1955 по 1971 год). Сейчас нормы освещенности ориентированы на люминесцентные лампы

Освещенность определяется как отношение светового потока, падающего на освещаемую поверхность, к площади этой поверхности. Если бы весь световой поток всех источников света беспрепятственно достигал освещаемой поверхности, то расчет освещенности сводился бы к простой операции деления суммы светового потока всех ламп на площадь освещаемой поверхности. Но, часть светового потока теряется в конструктивных элементах светильников, часть поглощается стенами и потолком. Так же необходимо принимать во внимание неравномерность освещенности в разных точках освещаемой поверхности. Поэтому введен коэффициент использования светильника (обозначаемый буквой U), который показывает, какая часть от полного светового потока источников света достигает освещаемой поверхности. Очевидно, что в помещении с небольшой площадью и очень высоким потолком весьма большая часть светового потока попадает на стены. При низком коэффициенте отражения стен (стены покрашены очень темной краской, либо на них поклеены темные обои) световой поток не отразится от стен и, в значительной степени, поглотится ими, что вызовет уменьшение коэффициента использования. Светлые стены отражают свет и способствуют увеличению освещенности. При больших площадях помещений доля светового потока, падающего на стены, не велика, и влияние коэффициента отражения стен уменьшается. В помещениях с большим отношением длины к ширине (протяженные коридоры) коэффициент использования светильников меньше, чем в квадратных помещениях аналогичной площади, так как в коридорах увеличивается площадь освещаемых стен. Исходя из этого коэффициент использования светильника зависит от коэффициентов отражения потолка ρ_п, стен ρ_с, пола ρ_пола и геометрических размеров освещаемого помещения.

    Среднюю освещенность помещения Е_ср можно выразить соотношением:

Е_ср=Ф_л n N U/S k   (1),

где: Ф_л – световой поток лампы,  единица измерения люмен (лм), является паспортной характеристикой ламп;

n – количество ламп в светильнике, шт.;

N – количество светильников в освещаемом помещении, шт.;

S – площадь освещаемого помещения, м²;

U – коэффициент использования;

k – коэффициент запаса, принимается 1,4 для сухих чистых помещений и 1,7 для пыльных и сырых помещений.

    Для определения коэффициента использования U необходимо знать коэффициенты отражения от потолка, стен и пола и так называемый индекс помещения φ, который определяется выражением:

φ=ab/H_р(a+b)   (2),

где a,b – длина и ширина помещения;

H_р – высота установки светильников над расчетной плоскостью. За расчетную плоскость (h₂) обычно принимают высоту письменного стола (0,8 метра). Если к примеру высота установки светильника над уровнем пола (h₁ равна 3 метра, то H_р= h₁ - h₂= 3 - 0,8=2,4 м.

    Коэффициенты отражения можно принять: 70 - 80% для белых поверхностей, 50 - 60% для светлых. Поверхности серого цвета имеют коэффициент отражения 20 – 30%, а темные, например стена, оштукатуренная цементным раствором только 10%  и черные поверхностей – 0%.

    Вычисление коэффициента использования светильника заключается в решении системы линейных алгебраических уравнений, составленных для всех отражающих поверхностей. Решения этих уравнений позволяют определить величины световых потоков, установившихся на всех поверхностях. Обычно эти вычисления проводят при конструировании светильника для разных коэффициентов отражения и индексов помещения. Производители светильников приводят эти значения в виде таблиц или графиков в каталогах своей продукции. Например, большое количество подобных таблиц для различных светильников можно найти в каталоге компании «Световые технологии» (http://www.ltcompany.com).

     Рассмотрим три наиболее часто используемые осветительные системы с люминесцентными лампами.

1). Светильники с отражателями и экранирующей решеткой из анодированного алюминия. Оптическая схема светильника показана на Рис. 1. Световой поток нижней полусферы ламп непосредственно направлен на освещаемую поверхность, а для направления светового потока верхней полусферы ламп используется отражатель. Это наиболее распространенная конструкция светильников для офисных помещений, встраиваемых в подвесные потолки.

 Оптическая схема светильника с отражателем

Рис.1 Оптическая схема светильника с отражателем

    Графики зависимостей коэффициентов использования светового потока светильника от индекса помещения при разных коэффициентах отражения показаны на Рис.2.

 Коэффициенты использования светильника с отражателем

Рис. 2 Коэффициенты использования светильника с отражателем

2). Светильники отраженного света, в которых световой поток как нижней, так и верхней полусфер ламп попадает на освещаемую поверхность после отражения от отражателей светильника. Оптическая схема светильника показана на Рис. 3. Данный светильник так же предназначен для подвесных потолков. Они имеют низкие значения коэффициентов использования за счет потерь светового потока в конструктивных элементах светильника, но по показателям ослепленности они значительно превосходят другие типы осветительных приборов.

 Оптическая схема светильника отраженного света

Рис. 3 Оптическая схема светильника отраженного света

    Графики коэффициентов использования для таких светильников показаны на Рис. 4

 Коэффициенты использования светильника отраженного света

Рис. 4 Коэффициенты использования светильника отраженного света

3). Светильники прямого и отраженного света, в которых световой поток нижней полусферы ламп направлен на освещаемую поверхность, а верхней полусферы – на потолок. В таких светильниках можно добиться коэффициентов использования светового потока, близких к 1, при большой отражающей способности потолка. Оптическая схема светильника показана на Рис. 5. Данный осветительный прибор относится к классу подвесных светильников.

 Оптическая схема светильника прямого и отраженного света

Рис. 5 Оптическая схема светильника прямого и отраженного света

Графики коэффициентов использования представлены на Рис. 6.

Коэффициенты использования светильника прямого и отраженного света

Рис. 6 Коэффициенты использования светильника прямого и отраженного света

    Чаще задача заключается в нахождении количества светильников N, обеспечивающих требуемую освещенность. Для этого выражение (1) представим в виде:

N= E_ср S k/U n Ф_л    (3),

    В выражении (3) использована средняя освещенность, но нормируется минимальная освещенность E_н в помещении, поэтому в выражение (3) добавим коэффициент z=E_ср/E_min, который можно принять равным 1,1 при количестве светильников более 4 в помещениях с отношением длины к ширине менее 3; 1,2 при количестве светильников 2 – 4 и 1,4 при использовании одного светильника в помещении, либо в помещениях с большим отношением длины к ширине (в длинных коридорах).

N= E_н S k z/U n Ф_л       (4),

При проектировании освещения всегда необходимо контролировать суммарную мощность использованных источников света и удельную мощность, измеряемую как отношение суммы мощностей всех ламп к площади освещаемого помещения:

Р_уд=Р_сумм/S, Вт/м²        (5),

    Для однотипных помещений иногда расчет освещенности выполняют по величине удельной мощности, хотя точность такого расчета, как правило, не высока.

    При использовании светильников с пускорегулирующей аппаратурой (ПРА), мощность, потребляемая светильниками от электрической сети, всегда будет больше, чем суммарная мощность ламп вследствие потерь в ПРА.

    При проведении вычислений удобно пользоваться электронными таблицами Excel. Для расчетов необходимо использовать формулы 2, 4 и 5. Применение электронных таблиц позволяет оперативно выполнить расчеты при использовании различных светильников.

    В приложенном к статье файле «Примеры расчета освещенности» представлены результаты вычислений освещенности при использовании светильников, содержащих четыре люминесцентных лампы с улучшенной цветопередачей мощностью 18 Вт, которые имеют длину 600 мм, диаметр 26 мм, цоколь G13 и световой поток 1350 лм. Расчеты выполнены для помещений площадью 24 м², 40 м², 80 м², 150 м² и 300 м². Рассмотрен вариант помещений со светлыми поверхностями (коэффициенты отражения потолка, стен и пола 80, 50 и 30 %) и темными (коэффициенты отражения потолка, стен и пола 30, 30 и 10 %). Результаты вычислений показаны на рисунках 7, 8 и 9. Данный файл можно скачать и пользоваться им для своих расчетов, вводя в его поля свои данные. Что бы файл случайно не «испортить», его желательно хранить в отдельной папке, а для выполнения расчетов копировать в другую папку.

 Результаты вычисления освещенности – светильники с отражателем

Рис. 7 Результаты вычисления освещенности – светильники с отражателем

Рис. 8 Результаты вычисления освещенности – светильники отраженного света

Рис. 9 Результаты вычисления освещенности – светильники прямого и отраженного света

    Как видно из представленных результатов вычислений, по энергоэффективности светильники прямого и отраженного света превосходят светильники с отражателями только в помещениях со светлыми поверхностями, имеющих площадь не менее 50 – 80 м². Хотя их часто используют для освещения небольших кабинетов ввиду их оригинального дизайна.

    Светильники отраженного света чаще используют для освещения помещений с нормированной освещенностью не более 300 лк.

    При проектировании освещения иногда необходимо учитывать устанавливаемую в помещениях мебель, так как она коренным образом может повлиять на отражающую способность стен, и, как правило, снизить освещенность в помещении.

    В больших помещениях светильники необходимо располагать максимально равномерно по потолку, если нет необходимости осуществлять их привязку к проходам и оборудованию. В каждом конкретном случае индивидуально выбирают места установки осветительных приборов.

17 июля  2013 г.

    К ОГЛАВЛЕНИЮ (Все статьи сайта)

    К разделу  СВЕТИЛЬНИКИ