Что такое свет? С чем его "едят"? Основные светотехнические величины Особенности освещения рабочих мест, оснащенных компьютерами.
Освещение характеризуется количественными и качественными показателями . Количественными являются световой поток, сила света, освещенность, светимость, коэффициент отражения поверхности, яркость, световая отдача источника света, коэффициент естественной освещенности.
Световой поток Ф – это энергия световых электромагнитных волн, переносимая в единицу времени через некоторую площадь поверхности и оцениваемая по зрительному ощущению. Единицей измерения светового потока является люмен (лм).
Сила света I – пространственная плотность светового потока, численно равная световому потоку, излучаемому точечным источником света в телесный единичный угол w (стер):
следовательно, полный световой поток, испускаемый точечным источником силой света I, равен:
Единица силы света I – кандела (кд).
Освещенность Е, лк, – поверхностная плотность светового потока, которая характеризуется световым потоком, приходящимся на единицу площади освещаемой поверхности S, м 2:
Освещенность, лк, создаваемая точечным источником, на расстоянии r от него равна:
(4)
где a – угол между падающим лучом и нормалью к поверхности в точке падения луча.
Источник света, линейные размеры которого незначительно отличаются от расстояния до него из точки наблюдения, не является точечным. Для его характеристики используют величину светимости и яркости.
Светимость R, лк, определяется величиной светового потока, испускаемого с единицы площади светящейся поверхности S пов:
Если светимость тела обусловлена его освещенностью, то R = r×Е, где r – коэффициент отражения.
Коэффициент отражения поверхности r характеризует способность поверхности отражать падающий на нее световой поток:
где Ф отр и Ф пад – соответственно отраженный и падающий на поверхность световой поток, лм.
При r > 0,4 поверхность светлая; при r = 0,4…0,2 поверхность средняя; если r < 0,2, то поверхность темная.
Яркость В, кд/м 2 , характеризует излучение площади проекции светящейся поверхности S пов в данном направлении a:
(7)
где I a – сила света светящейся поверхности в направлении a, кд;
a – угол между нормалью к элементу поверхности и направлением наблюдателя, градус.
Максимальное значение яркости устанавливается СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение» в зависимости от площади освещаемой рабочей поверхности. Если площадь рабочей поверхности S меньше 10 -4 м2 допустимо значение В max = 2000 кд/м 2 , если S > 1×10 -1 , то В max = 500 кд/м 2 .
Световая отдача источника света y, лм/Вт, определяется отношением светового потока Ф, лм, источника к его мощности Р, Вт:
Характеристикой естественной освещенности является коэффициент естественной освещенности е в процентах: отношение освещенности Е вн в данной точке помещения к одновременной наружной горизонтальной освещенности Е нар, создаваемой светом всего небосвода:
(9)
К качественным показателям освещения относят: спектральный состав света, фон, контраст объекта с фоном, видимость объекта, коэффициент пульсации освещенности, показатель ослепленности. Последние два показателя нормируются с учетом характеристики зрительной работы по СНиП 23-05-95.
Контраст объекта с фоном К характеризуется соотношением яркости рассматриваемого объекта и фона:
(10)
где В о и В Ф – соответственно яркость объекта и фона, кд/м 2 .
Если объект различения сильно выделяется на фоне, то контраст большой (К > 0,5); если различие яркостей заметно (К = 0,2…0,5), то контраст средний; при малом отличии по яркости (К < 0,2) контраст малый.
Видимость объекта V характеризует способность глаза воспринимать объект. Она зависит от освещенности, яркости, размера объекта и определяется числом пороговых контрастов в контрасте объекта с фоном:
где К пор – наименьший различимый глазом контраст, при небольшом уменьшении которого объект становится неразличимым на фоне.
Коэффициент пульсации освещения К п , в процентах– критерий оценки относительной величины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока источников света при питании их переменным током:
, (12)
где Е max и Е min – максимальная и минимальная освещенность за период ее колебания, лк;
Е ср – средняя освещенность за тот же период, лк.
Коэффициент пульсации для I…III разрядов зрительных работ не должен превышать 10 %.
Показатель ослепленности Р – критерий оценки слепящего действия осветительной установки:
, (13)
где W – коэффициент ослепленности, равный отношению видимости при экранировании источников V э к видимости при наличии ярких источников в поле зрения V.
Одной из светотехнических характеристик светильников является коэффициент полезного действия светильника h св , характеризующий потерю части светового потока в отражателе (рассеивателе):
(14)
где Ф св – световой поток, вышедший из светильника, лм;
Ф л – световой поток лампы, лм.
Если в светильнике несколько ламп, то световой поток Ф л определяется как сумма потока всех ламп, установленных в светильнике.
Примеры решения задач
Пример 1.1. Определить световой поток, лм, падающий на поверхность площадью S = 0,2 м 2 , расположенную на расстоянии
r = 2 м от источника, сила света которого I = 400 кд.
Примем, что источник света находится в центре сферы радиусом
2 м. Освещаемая поверхность S составляет часть площади поверхности сферы, угол падения a = 0.
Из выражений (3) и (4) найдем I/r 2 = Ф/S, откуда:
Ответ: световой поток Ф = 20 лм.
Пример 1.2. Лампа накаливания, сила света которой I = 200 кд находится в матовом сферическом светильнике диаметром D = 0,2 м.
Найти светимость лампы, пренебрегая поглощением света светильником.
Полный телесный угол w = 4p, площадь светящейся поверхности S = pD 2 . Тогда из выражений (5) и (2) светимость, лк, определяется по формуле:
Пример 1.3. Над круглым столом диаметром D = 1,6 м на высоте h = 0,6 м висит лампа, равномерно излучающая свет по всем направлениям. Световой поток, падающий на стол, составляет
Ф = 200 лм. Нормируемая освещенность на рабочем месте
Е Н = 200 лк. Определить силу света лампы, ее полный световой поток, соответствие освещенности нормам в центре и на крае стола.
Телесный угол, под которым из источника видна поверхность стола (рис. 1), равен:
,
где a – угол падения луча.
h
Рис. 1. Схема к примеру 3
Из рисунка 1 следует:
Из формулы (1) сила света I, кд, равна:
Полный световой поток, лм, испускаемый точечным источником света по формуле (2) составляет:
Освещенность центра стола Е ц, лк, определяем по формуле (4):
.
Освещенность края стола Е кр, лк, рассчитываем по формуле (4):
.
Следовательно, освещенность центра стола соответствует требованиям норм (Е Н = 200 лк). Выполнять работы данной степени точности на крае стола недопустимо.
Пример 1.4. В центре квадратной комнаты площадью 25 м 2 висит лампа. Считая ее точечным источником, найти, на какой высоте от пола должна находиться лампа, чтобы освещенность в углах комнаты была наибольшей.
Расстояние от лампы до угла комнаты r, величина а (половина диагонали квадратного пола комнаты), сторона квадратного пола b и высота лампы над полом hсвязаны равенством:
Тогда с учетом формулы (4) выражение для освещенности может быть записано так:
Для нахождения максимума Е возьмем производную dE/da и приравняем ее к нулю:
отсюда tg 2 a = 2. Тогда искомая высота h, м, будет равна:
.
Задачи для самостоятельного решения
Задача 1.1. Лампа накаливания силой света I = 100 кд висит над центром круглого стола диаметром 2 м. Считая лампу точечным источником света, вычислить изменение освещенности края стола при постепенном подъеме лампы на высоту h от 0,5 до 1,0 м через каждые 0,1 м. Построить график зависимости Е = f (h).
Задача 1.2. На высоте 0,4 м от поверхности круглого стола диаметром 1,2 м в светильнике местного освещения установлена лампа накаливания. Над центром стола на высоте 2 м от его поверхности висит люстра с четырьмя такими же лампами. В каком случае освещенность на краю стола будет больше и во сколько раз: при местном или общем освещении?
Задача 1.3. Найти освещенность поверхности Земли, создаваемую нормально падающими солнечными лучами. Яркость Солнца равна 1,2×10 9 кд/м 2 .
Задача 1.4. Определить светимость и яркость лампы накаливания с матовой сферической колбой диаметром 0,05 м и 0,1 м. Сила света, создаваемая лампой равна 100 кд. Потерей света в колбе пренебречь.
Задача 1.5. На лист белой бумаги размером 0,2х0,3 м нормально к поверхности падает световой поток 120 лм. Найти освещенность, светимость и яркость бумажного листа, если его коэффициент отражения r = 0,75. Какова должна быть освещенность листа, чтобы его яркость не превышала допустимого значения 2000 кд/м 2 ?
Задача 1.6. Лист бумаги размером 0,1х0,3 м освещается лампой с силой света 100 кд. КПД светильника составляет 50 %. Определить освещенность листа бумаги.
Задача 1.7. Электрическая лампа силой света 100 кд излучает во все стороны ежеминутно 122 Дж световой энергии. Найти световую отдачу, если потребляемая мощность лампы 100 Вт.
Задача 1.8. На высоте h 1 = 2 м над серединой круглого стола диаметром D = 3 м висит лампа силой света I 1 = 100 кд. Ее заменили лампой силой света I 2 = 25 кд, изменив расстояние от стола так, что освещенность середины стола не изменилось. Как изменится освещенность края стола?
Задача 1.9. Три одинаковых точечных источника света расположены в вершинах равностороннего треугольника. В центре треугольника перпендикулярно к его плоскости и параллельно одной из сторон находится маленькая пластинка. Определить освещенность обеих сторон пластинки, если сила света каждого из источников
I = 10 кд, а длина стороны треугольника l = 1м.
Задача 1.10. На какой высоте над чертежной доской следует повесить лампу мощностью Р = 200 Вт, чтобы получить освещенность доски под лампой Е = 50 лк? Световая отдача лампы равна
y = 12 лм/Вт. Наклон доски a = 30 0 .
Задача 1.11. Световой поток лампы мощностью Р л = 200 Вт при напряжении U = 120 В равен Ф л = 3050 лм. Определить световой поток светильника, если коэффициент полезного действия его
h св = 78 %.
ЗАДАЧА 1.12. Определить световую отдачу лампы накаливания мощностью Р л = 60 Вт, напряжением U = 127 В, если ее световой поток Ф л = 6000 лм.
К атегория: Электромонтажные работы
Основные световые величины
К основным световым величинам относят: световой поток, освещенность и силу света.
Мощность излучения лампы, которая оценивается по световому ощущению, производимому на глаз человека, называют световым потоком и выражают в люменах (лм). Падая на какую-либо поверхность, световой поток освещает ее. Световой поток обычной стеариновой свечи составляет 10-15 лм, электрической лампы накаливания мощностью 25 Вт и напряжением 220 В - свыше 200 лм.
Отношение светового потока лампы (лм) к потребляемой лампой мощности (Вт), или величина светового.потока получаемой на 1 Вт потребляемой мощности, называют световой отдачей (светоотдачей), которая характеризует экономичность ламп.
Световой поток, приходящийся на единицу освещаемой поверхности, называют освещенностью и выражают в люксах: E=F/S (или 1 лк = 1 лм/1 м2), где F - световой поток, лм, S - освещаемая площадь, м2.
Плотность светового потока в данном направлении называют силой света и выражают в канделах (кд). Она характеризует распределение светового потока источника света.
Предметы, окружающие нас, способны отражать, поглощать или пропускать световой поток. Различают три вида отражения и пропускания света телами: рассеянное, направленное (зеркальное) и направленно-рассе-янное.
Рассеянное, или диффузное, отражение характерно для предметов, которые светятся с яркостью, одинаковой во всех направлениях, например гипс, мел, молочное стекло. Предметы, которые рассеивают падающий на них свет и одновременно начинают сами светиться, но с неравномерной яркостью, обладают направленно-рассеянным отражением, например матовое стекло, глянцевая бумага. Материалы, диффузно отражающие и пропускающие свет, широко применяют при изготовлении светотехнических приборов и устройств.
Светлые тона окраски помещений с установленным оборудованием максимально отражают падающий на них свет, что позволяет создавать уровень требуемой освещенности при использовании источников света меньшей мощности и с меньшим световым потоком по сравнению с темной окраской.
Освещенность нормируется для каждого помещения и рабочего места. На основе установленных норм освещенности проектируют освещение производственных помещений, учреждений, культурно-бытовых объектов, территорий, при этом норма освещенности газоразрядными лампами в 1,5 - 3 раза выше, чем лампами накаливания. Освещенность, требуемую по нормам, создает рабочее освещение, а при наличии аварийного - оба вида освещения. Аварийное освещение для продолжения работы должно создавать освещенность не менее 5% (2 лк) нормы для общего освещения, а эвакуационное - не менее 0,5 лк на полу по основным проходам помещений и лестницам.
При комбинированном освещении требуемая освещенность рабочих мест достигается в основном с помощью местного освещения, а от светильников общего освещения - не менее 10% нормы освещенности.
- Основные световые величины
Световой режим в помещениях зданий является одним из существенных факторов, определяющих качество окружающей человека среды. Освещение помещений обеспечивается естественным, искусственным и комбинированным светом.
Источником естественного света является лучистая энергия солнца, передаваемая путем электромагнитного излучения . Мощность лучистой энергии оценивается по производимому ею на нормальный глаз человека световому ощущению, называемому световым потоком . За единицу светового потока принят люмен (лм).
Искусственное освещение осуществляется при помощи электрических светильников различного типа с лампами накаливания, с разнообразными газоразрядными лампами, в том числе с люминесцентными и др. Во многих случаях свет этих источников заменяет или дополняет естественный свет и создает световую среду, отвечающую высоким требованиям эстетики и комфорта.
Комбинированное освещение представляет собой совокупность естественного и искусственного освещения.
Необходимое количество и качество естественного света в помещениях определяется их функциональным назначением.
Качество освещения принято оценивать по его характеристикам исходя из функций света в архитектуре, важнейшими из которых являются:
Информативно-зрительные, обеспечивающие зрителя информацией о пространственной среде и создающие зрительный образ;
Морфофункциональные, которые оказывают воздействие на человека либо непосредственно через кожный покров, либо через органы зрения в виде ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных излучений, не связанных с возникновением зрительных образов.
Косвенные, характеризующие воздействия света на материальную среду, на ее физические (температура, влажность), биологические (содержание вредных бактерий), и химические (фотосинтез, выцветание красок) параметры, которые в свою очередь нередко определяют состояние человека, его ощущение комфортности.
Количественными характеристиками света являются: освещенность, яркость, коэффициент естественного освещения (КЕО).
За единицу освещенности принимают люкс (лк), равный освещенности поверхности в 1 м 2 , на которой равномерно распределен световой поток в 1 лм. В связи с тем, что практически не представляется установить минимальные значения освещенности внутри помещения в люксах, из-за непостоянства природных условий освещения под открытым небом, освещенность в помещениях выражают не в абсолютных, а в относительных единицах в виде коэффициента естественной освещенности (КЕО).
В нормах по естественному освещению помещений для нормирования принята относительная величина КЕО, а по искусственному освещению помещений - освещенность на рабочей поверхности, а городских ансамблей - яркость или освещенность на дорожном покрытии и на фасадах объектов.
К качественным характеристикам, определяющим комфорт и эстетичность световой среды, относятся :
Распределение яркости в поле зрения и неравномерность освещенности на поверхностях объектов и в пространстве;
Насыщенность пространства светом;
Ослепленность и дискомфортная блескость;
Контрастность освещения и контраст светотени;
Направление световых потоков;
Спектральный состав излучения источников света, их цветопередача;
Динамика освещения.
Распределение яркости в поле зрения человека зависит от распределения освещенности по поверхностям объектов в интерьерах и открытых пространствах (потолок, стены, пол, оборудование, рабочие поверхности, здания, земля, зеленые насаждения и т.д.) и характеристик отражения этих поверхностей.
Неравномерность освещенности при искусственном освещении, характеризуется отношением максимального или среднего уровня освещенности к минимальному его значению, а неравномерность естественного освещения определяется соответственно через отношение среднего значения к наименьшему значению КЕО (е ср / е мин).
Неравномерность распределения яркости в пространстве может отрицательно влиять на зрительную работоспособность, поэтому необходимо знать характер распределения яркости. Достигнуть полной равномерности невозможно и не нужно, так как именно яркостные контрасты прежде всего позволяют различать предметы и детали и способствуют выявлению формы.
Ориентиром при выборе яркостей потолка, стен и пола в интерьерах могут служить распределения и соотношения, создаваемые природным освещением. Установлено, что при облачном небе, как правило, наибольшая яркость наблюдается в зенитной части неба; средняя характерна для панорамы у горизонта и наименьшая - на поверхности земли (при отсутствии снега). Соотношения усредненных яркостей между этими зонами 10:3:1 в южных районах страны и 5:3:1 в средней полосе. Таким образом, считается, что благоприятные условия для зрительной работы обеспечиваются при соотношениях яркостей потолка (зенитная часть), стен (у горизонта) и пола (земля) помещения, аналогичных природным.
В практике нормирования, расчета и проектирования освещения пользуются преимущественно уровнем освещенности на рабочей плоскости, который, однако, не характеризует ощущение насыщенности пространства светом.
Критерием насыщенности помещения светом является, так называемая, цилиндрическая освещенность на уровне глаз человека, представляющая собой отношение светового потока, падающего на боковую поверхность бесконечно малого вертикального цилиндра, радиус и высота которого стремятся к нулю, к площади этой поверхности. В зависимости от световой насыщенности впечатление от интерьера может изменяться от торжественного и праздничного до унылого и мрачного.
При оценке качественной стороны освещения используется понятие блескости:
Прямая, проявляющаяся при наличии светящихся поверхностей (окон, светильников и др.) в направлениях, близких к направлению зрения;
Периферическая, возникающая от светящих поверхностей в направлениях, не совпадающих с направлением зрения;
Отраженная, вызванная наличием в поле зрения зеркальных отражений от светящихся источников и поверхностей.
Блескость действует в направлении глаз наблюдателя и способствует снижению видимости объекта вследствие чрезмерного увеличения яркости, снижающей контраст между объектом и фоном. Различают два вида блескости: дискомфортную, связанную с неприятным ощущением, но не всегда ухудшающую видимость и слепящую, сопровождающуюся резким нарушением видимости.
Критерием оценки дискомфортной блескости служит показатель дискомфорта, а слепящего действия - показатель ослепленности.
Явления отраженной блескости довольно часто имеют место при наличии в помещениях и в городских пространствах полированных зеркально отражающих поверхностей (каменных, металлических или стеклянных).
Существует несколько возможностей для устранения или ограничения отраженной блескости, к которым относятся:
Выбор такого направления света, при котором зеркально отражаемые лучи не попадают в глаз человека;
Ограничение яркости бликов путем увеличения размеров светящей поверхности светильника и уменьшения ее яркости;
Изменение светотехнических свойств отражающего материала или расположения бликующей поверхности.
Существенную роль в решении архитектурных задач по выбору объемной композиции, фактуры отделочных материалов, выявлению пластической формы предметов играют контрастность освещения и контраст светотени.
Контраст между затененными и освещенными поверхностями может быть достаточно большим, что ухудшает работу зрения и восприятия рассматриваемого объекта. В некоторых случаях тени отвлекают внимание и создают ложное впечатление о размере, форме и цвете объекта. Вместе с тем наличие собственных и падающих теней является залогом для различения рельефных объектов. Особенно это относится к мелким деталям, которые хорошо различимы только при образовании на них теней. Отсутствие теней делает архитектурные детали «нечитаемыми».
Наиболее благоприятными формообразующими свойствами обладает сочетание рассеянного освещения с направленным. Направление световых потоков (от одного или нескольких источников, падающих на рабочие места или отдельные поверхности) является важным качественным показателям освещения, так как с ним связаны тенеобразование, направление зеркального отражения и контрастность освещения. Направление света оценивается световым вектором. При рассеянном освещении объекты теряют свою объемность, кажутся плоскими. Направленный свет делает тени резкими, их очертания становятся четкими, яркостной контраст светотени возрастает.
Форма предмета в зависимости от направления падения света может восприниматься естественной или искаженной. Наиболее благоприятными формообразующими свойствами обладает сочетание рассеянного освещения с направленным. Контрастность и направленность освещения оказывают существенное влияние на эстетику освещения и, соответственно, на художественные качества архитектурной формы.
Существенным условием зрительного различения является контраст между фоном и рассматриваемым объектом. Контраст может быть яркостным (при монохроматическом освещении) и цветовым, а также по насыщенности тона.
Фоном считается поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения, на которой он рассматривается. Фон считается светлым при коэффициенте отражения поверхности >0,4: средним - при =0,2-0,4: темным - при < 0,2.
Контраст объекта различения с фоном определяется отношением абсолютной величины разности между яркостью объекта и фона к яркости фона.
Контраст считается большим при значении >0,5. (объект и фон резко отличаются по яркости); средним - при =0,2.-0,4 (объект и фон заметно отличаются по яркости); малым - при < 0,2 (объект и фон мало отличаются по яркости).
Спектральный состав излучения зависит от источников света. Спектры излучений естественных и искусственных источников света очень разнообразны, что обусловливает значительное различие их цветности и цветопередачи. Различие цветности отчетливо заметно на белых и серых поверхностях, цветопередачу же оценивают на цветных образцах.
Цвет является одним из главных характеристик световой среды, определяющим эстетику освещения, эмоциональное воздействие среды на человека. Разнообразие спектров источников искусственного света предопределило необходимость введения специальной характеристики качества их цветопередачи - общего индекса цветопередачи R а .
Динамика освещения характеризуется изменением интенсивности и спектрального состава света. Изменяя освещенность и другие характеристики освещения во времени, можно получить необходимый световой эффект среды, диктуемый функциональным назначением того или иного помещения.
Динамику искусственного света следует рассматривать как один из способов, с помощью которого можно компенсировать отсутствие или недостаток естественной освещенности, создавать благоприятный визуальный микроклимат в интерьере и в городе, поддерживать биологические ритмы организма. Гибкость искусственного освещения может быть достигнута за счет регулирования светового потока и применения различных осветительных приборов, С помощью которых можно изменять положение светового центра и направления светового потока, а также по заданным нормативным условиям организовать необходимый световой микроклимат в помещениях.
Человеческий глаз реагирует на изменения во времени яркости или освещенности, которые имеют место при освещении помещения газоразрядными источниками света. Для количественной оценки этого явления пользуется коэффициент пульсации, рассматриваемый как качественная характеристика освещения, регламентируемая СНиП 23-05-95*.
Лекция 10
Производственное освещение
В зависимости от природы источника световой энергии различают естественное, искусственное и совмещенное освещение.
Основные требования к освещению
Основной задачей рациональной организации освещения является поддержание освещенности, соответствующей характеру зрительной работы. Увеличение освещенности улучшает видимость объектов за счет повышения их яркости, увеличивает скорость различения деталей. При организации освещения необходимо обеспечить равномерное распределение яркости. Перевод взгляда с ярко освещенной на слабо освещенную поверхность вынуждает глаз переадаптироваться, что ведет к утомлению зрения. Для повышения равномерности естественного освещения больших помещений применяется комбинированное освещение. Светлая окраска потолка и стен способствует равномерному распределению яркостей в поле зрения. Освещение должно обеспечивать отсутствие в поле зрения резких теней. Наличие резких теней искажает размеры и формы объектов и, тем самым, повышает утомляемость. Особенно вредны движущиеся тени, которые могут привести к травмам. Тени необходимо смягчать, применяя, например, светильники со светорассеивающими стеклами, при естественном освещении необходимо использовать солнцезащитные устройства. Для улучшения видимости объектов должна отсутствовать прямая и отраженная блесткость. Блесткость – это повышенная яркость светящихся поверхностей, вызывающая нарушение зрительных функций (ослепленность), т.е. ухудшение видимости объектов. Блескость ограничивают уменьшением яркости источников света, правильным выбором защитного угла светильника, увеличением высоты подвеса светильников, правильным направлением светового потока. Там, где это возможно, блестящие поверхности следует заменить матовыми. Колебания освещенности на рабочем месте, вызванные, например, резким изменением напряжения в сети, обусловливают переадаптацию глаза, приводя к значительному утомлению. Постоянство освещенности во времени достигается стабилизацией питающего напряжения, жестким креплением светильников, применением специальных схем включения газоразрядных ламп. При организации освещения следует выбирать необходимый спектральный состав светового потока. Это требование особенно существенно для обеспечения правильной цветопередачи, а в отдельных случаях для усиления цветовых контрастов. Оптимальный спектральный состав обеспечивает естественное освещение. Все эти требования учитываются действующими нормами проектирования и правилами эксплуатации освещения в помещениях и на открытых пространствах.
Основные светотехнические показатели и величины
В результате преобразования подводимой к телам энергии, в частности тепловой или электрической, при определенных условиях возникает электромагнитное излучение, количественно характеризующееся мощностью – лучистым потоком. Та часть лучистого потока, которая воспринимается зрением человека как свет, называется световым потоком Ф и измеряется в люменах, лм.
Световой поток может быть различно распределен в пространстве. Интенсивность его излучения в любом направлении характеризуется силой света I , определяемой отношением светового потока к телесному углу w , в пределах которого свет распространяется
В свою очередь телесный угол определяется отношением площади S , вырезанной им из сферы произвольного радиуса R , к квадрату радиуса
Полный телесный угол пространства, окружающего точку равен 4p ср (стерадиан), телесный угол каждой из полусфер, верхней и нижней, равен 2p ср. Единица силы света - кандела (кд). Кандела – это световой поток в люменах, испускаемый точечным источником в телесном угле 1 ср, лм/ср. понятие силы света применимо только к точечным источникам, размеры которых малы по сравнению с расстоянием до них.
 |
Схематическое изображение светотехнических единиц
Падая на поверхность площадью S , световой поток Ф создает ее освещенность Е , определяемую соотношением
Единица освещенности – люкс, лк. Это освещенность поверхности площадью 1 м 2 световым потоком 1 лм, лм/м 2 . Освещенность поверхности не зависит от ее световых свойств. Зрительное восприятие в основном определяется яркостью В равномерно светящейся плоской поверхностью площадью 1 м 2 в перпендикулярном к ней направлении при силе света 1 кд. Поэтому
Единица яркости – кд/м 2 . Яркость освещенных поверхностей зависит от их световых свойств, степени освещенности, а в большинстве случаев также от угла, под которым поверхность рассматривается.
Свет и зрительная информация об окружающем мире воспринимаемая глазом человека, передаются по зрительному нерву в мозг, в котором формируется субъективный зрительный образ. Основными показателями работоспособности глаза являются контрастность, острота зрения, вероятность различения, время зрительного восприятия, поле зрения и ослепленность.
Для различения предметов человеком, прежде всего, необходима разность яркости предмета и фона, т.е. контрастность . Количественно контрастность определяют как отношение разности яркости предмета и фона к яркости предмета (фона)
Оптимальным значением яркости считают 0,6 – 0,9.
Нормальная видимость предметов зависит от угловых размеров предметов, различения, времени экспозиции и вероятности различения. Характеристикой пространственного порога зрения является острота зрения . Она определяется величиной, обратной минимальным размерам предмета, при которых он различим глазом. Размеры предмета выражают в угловых величинах, которые связаны соотношением
где a - угловой размер предмета различения; h – линейный размер предмета; l - расстояние от глаз до предмета.
У людей с нормальным зрением порог остроты зрения при нормальной яркости соответствует примерно 1¢. Оптимальные условия различения предметов будут при a ³ 30 - 40¢.
Нормирование освещенности
Освещенность рабочих поверхностей в производственных помещениях регламентируется строительными нормами и правилами СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение».
В основу нормирования освещенности положены следующие показатели, характеризующие условия зрительной работы: размер объекта различения и его коэффициент отражения, фон, контраст объекта с фоном.
Объект различения – рассматриваемый объект, отдельная его часть или дефект, которые следует контролировать в процессе работы.
Размер объекта – наименьший размер, который необходимо выделить при проведении работ.
Коэффициент отражения объекта r 0 различается по светлоте так же, как и фон. Объект может быть светлым при r 0 > 0,4, средним при 0,2 £ r 0 £ 0,4 и темным при r 0 < 0,2.
Фон – поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения, на которой он рассматривается. Фон считается: светлым при коэффициенте отражения поверхности r Ф , на которой рассматривается объект, более 0,4; среднесветлым при коэффициенте отражения от 0,2 до 0,4; темным при коэффициенте отражения менее 0,2.
Контраст объекта с фоном К характеризуется отношением абсолютной величины разности между яркостью объекта и фона к яркости фона или между их коэффициентами отражения к коэффициенту отражения фона. Контраст объекта с фоном бывает большим, средним или малым в зависимости от его численного значения:
o большим – при К > 0,5 (объект и фон резко разняться по яркости);
o средним – при 0,2 £ К £ 0,5 (объект и фон заметно отличаются по яркости);
o малым – при К < 0,2 (объект и фон мало отличаются по яркости).
При нормировании осветительных условий для заданной зрительной работы при искусственном освещении необходимо знать:
разряд работы, который зависит от размера объекта различения;
подразряд работы, который зависит от контраста объекта с фоном и характеристики фона.
В соответствии со СНиП 23-05-95 все зрительные работы делятся на 8 разрядов. Разряды от I до V разбиты на четыре подразряда в зависимости от контраста объекта различения с фоном и характеристики фона.
Естественное освещение
Естественное освещение – освещение помещений светом неба (прямым или отраженным), проникающим через световые проемы (окна) в наружных стенах. Образуемое в результате взаимодействия прямого и отраженного света диффузное освещение помещений создает благоприятное распределение яркости, что оказывает положительное действие на зрение. Естественное освещение подразделяется на боковое - через световые проемы в наружных стенах или через прозрачные части стен, выполненные из пустотелых стеклянных блоков; верхнее - через световые проемы, устраиваемые в покрытии или через прозрачные части покрытия; и комбинированное - через световые проемы в покрытии и стенах или через прозрачные ограждения покрытий и стен. Во всех производственных помещениях с постоянным пребыванием в них людей для работ в дневное время следует предусматривать естественное освещение как более экономичное и совершенное с точки зрения медико-санитарных требований по сравнению с искусственным освещением. Особенность естественного освещения – чрезвычайно широкий диапазон изменения и непостоянство. Поэтому оценивать естественное освещение в абсолютных единицах освещенности – люксах не представляется возможным. В качестве нормируемой величины принята относительная величина – коэффициент естественной освещенности е (КЕО ), который представляет собой выраженное в процентах отношение освещенности в данной точке помещения Е ВН к одновременной освещенности точки Е НАР , находящейся на горизонтальной плоскости вне помещения и освещенной рассеянным светом всего небосвода
 |
Схема определения коэффициента естественной освещенности
Следовательно, коэффициент естественной освещенности показывает, какую долю от одновременной горизонтальной освещенности на открытом месте при диффузном свете небосвода составляет освещенность в рассматриваемой точке помещения. Наружная освещенность для разных местностей различна и колеблется в широких пределах. В пределах России в ясный день полуденная освещенность колеблется от 4000 лк (в декабре) до 38000 лк (в июне). Наименьшую расчетную освещенность в помещении определяют при наружной освещенности 5000 лк.
Достаточность естественного освещения в помещении регламентируется специальными нормами, которыми установлены значения КЕО в зависимости от следующих 4-х факторов:
§ характера и точности зрительной работы;
§ системы освещения;
§ коэффициента светового климата, определяемого в зависимости от района расположения здания на территории России;
§ коэффициента солнечности, зависящего от ориентации здания относительно сторон света.
Нормированные значения КЕО, е N , для зданий, располагаемых в различных районах следует определять по формуле
 |
где N - номер группы обеспеченности естественным светом по табл.; е Н - значение КЕО; т N - коэффициент светового климата.
В зависимости от напряжения зрительного аппарата при выполнении работы освещенность на предприятиях делят на 8 разрядов – от наивысшей точности до общего наблюдения за ходом производственного процесса.
В помещениях с боковым односторонним освещением нормируется минимальное значение коэффициента естественной освещенности в точке на рабочей плоскости, наиболее удаленной от светового проема. При боковом двустороннем освещении и симметричных световых проемах нормируется минимальное значение коэффициента естественной освещенности в середине помещения, а при наличии в середине помещения свободного прохода - на границах этого прохода. Если световые проемы несимметричны, за минимальное значение коэффициента естественной освещенности принимается наименьшее значение коэффициента из числа вычисленных для различных точек помещения с предполагаемой наименьшей освещенностью.
В помещениях, освещаемых верхним или комбинированным светом, нормируется среднее значение коэффициента естественной освещенности в пролете или помещении, который определяется по формуле
где е Ф - среднее значение коэффициента естественной освещенности от фонаря; е О - среднее значение коэффициента естественной освещенности от окон.
Кроме интенсивности естественного освещения, нормируется равномерность естественного освещения, которая в производственных помещениях 1 и 2-го разрядов работ с верхним освещением должна быть не менее 0,5, а для работ 3 и 4-го разрядов - не менее 0,3.
Равномерность освещения характеризуется отношением минимального коэффициента естественной освещенности e min к максимальному его значению е max на рабочей плоскости в пределах характерного разреза помещения (обычно посредине помещения по оси светового проема или по оси простенка между световыми проемами).
Для производственных помещений с боковым и комбинированным освещением неравномерность естественного освещения не нормируется.
Размеры и расположение световых проемов в помещениях, а также соблюдение норм освещенности проверяются расчетом. При этом руководствуются следующими соображениями.
Световой поток, падающий в ту или иную точку помещения, суммируется из прямого диффузного света от небосвода е Н (с учетом светопотерь), света, отраженного от внутренних поверхностей помещения е О , и света, отраженного от поверхности земли е З . Таким образом, e = е Н + е О + е З .
Освещенность е Н , получаемая в помещении от диффузного света небосвода, зависит от величины световых проемов и их размещения. Она увеличивается с увеличением площади световых проемов, а также при размещении световых проемов в верхней части стен и в покрытии зданий. Освещенность е О , получаемая за счет света, отраженного от внутренних поверхностей помещения, зависит от цвета пола, окраски стен и потолка. В помещениях со светлыми полами, с потолком и стенами, окрашенными белой краской, освещенность повышается в 2 и более раза. Освещенность e З учитывается только для зданий с боковым освещением. Отраженный свет от поверхности территории, прилегающей к зданию, при боковом освещении помещений, имеющих светлую окраску потолка, увеличивает освещенность в помещениях на 30% и более при светлом грунте (песок) или при покрытии грунта светлой керамической плиткой.
 |
Схема определения коэффициента естественной освещенности с учетом отраженного света
Рабочие места предприятий быта по зрительной характеристике относятся обычно к 3 и 4 разрядам работ с нормируемым КЕО = 1, 5 – 2,0. В помещениях, в которых осуществляют работы различной точности, значение КЕО принимают по точности работы, преобладающей в данном производстве. При расположении зданий ниже 45° северной широты КЕО умножают на 0,75, при расположении зданий севернее 60°северной широты – на 1,2.
При устройстве естественного освещения надо учитывать, что боковое освещение применяется в зданиях при отношении глубины помещения к высоте не более 8. Световые проемы в наружных стенах могут быть в виде отдельных окон, ленточные (одна или несколько лент по высоте стены) и сплошные. Проемы в виде отдельных окон устраиваются в тех зданиях, где производится грубая обработка изделий, а также в складских зданиях. Если необходимо иметь хорошее естественное освещение на большую глубину помещений, предусматривают ленточное или сплошное остекление. В зданиях, имеющих отношение глубины помещения к высоте более восьми, возникает необходимость устройства световых фонарей (световые фонари - это остекленные надстройки, возводимые над проемами, устраиваемыми в покрытии здания).
Расчет естественного освещения
Расчет естественного освещения сводится к определению площади оконных проемов производственного помещения. Этот расчет должен определить правильное отношение площади оконных проемов к площади пола. Правильное соотношение этих площадей обеспечивает минимально допустимое значение коэффициента естественной освещенности на рабочем месте.
Расчет осуществляют по формуле
где S 0 - площадь оконных проемов, м 2 ; S П - площадь помещения, м 2 ; e N - нормируемый КЕО; К З - коэффициент запаса – величина, принимаемая в зависимости от запыленности производственного помещения (при запыленности рабочей зоны свыше 5 мг/м 3 К З = 2,0; от 1,0 до 5,0 мг/м 3 – К З = 1,8; менее 1 мг/м 3 – К З = 1,5); h 0 - световая характеристика окна, равная площади светового проема в % от площади пола (принимают по таблицам СНиП 23 – 05 – 95); t 0 - общий коэффициент светопропускания (определяют по формуле t 0 = t 1 × t 2 × t 3 , где t 1 – коэффициент светопропускания материала, t 2 – коэффициент, учитывающий потерю света в переплетах светопроема; t 3 – коэффициент, учитывающий потерю света в несущих конструкциях; r 1 - коэффициент, учитывающий повышение коэффициента естественной освещенности благодаря свету, отраженному от светлых поверхностей оборудования, стен и потолка помещения; К ЗД – коэффициент, учитывающий затемнение окон противостоящими зданиями.
Коэффициент r 1 зависит от средневзвешенного коэффициента отражения поверхностей помещения Р СР , %, который при боковом и верхнем освещении определяется по формуле
 |
 |
где В – ширина помещения, м; L – длина помещения – расстояние между стенами, перпендикулярными к наружной стене, м; Н – высота помещения, м.
Отношение площади окон к площади пола для производственных помещений обычно должно быть 1: 4 ¼ 1: 6.
Световой поток
Характеризует мощность видимого излучения по её воздействию на глаз человека в специальных единицах - люменах [Лм]. Световой поток является важнейшей характеристикой ламп. Обычная лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет световой поток 1300 Лм, а металлогалогенная лампа мощностью 70 Вт - 6000 Лм.
Освещённость
Это поверхностная плотность светового потока, падающего на площадку заданной величины. Единица освещённости - люкс [Лк]. Одна из самых главных величин в нормах освещения. Чаще всего нормируется горизонтальная освещённость (в горизонтальной плоскости). Диапазон уровней освещённости составляет при искусственном освещении от 1 до 20 Лк на улице и от 20 до 5000 Лк в помещении. В природных условиях освещённость E=0,2 Лк в полнолуние, 5000 - 10000 Лк днём при сплошной облачности и до 100000 Лк в ясный солнечный день.
Сила света
Это пространственная плотность светового потока, ограниченная телесным углом. Единица измерения силы света - кандела [кд] - воспроизводится эталоном и входит в Международную систему основных единиц (СИ).
Распределение силы света в пространстве (кривая силы света, КСС) - одна из важнейших характеристик осветительных приборов, необходимых для расчёта освещения. КСС светильников обычно приводится в полярных координатах для условной лампы со световым потоком 1000 лм, т.е. в кд/кЛм.
Яркость
Для матовых (диффузных или равноярких) поверхностей эта величина пропорциональна поверхностной плотности отраженного или излучаемого этой поверхностью светового потока. В более общем виде она равна отношению силы света в направлении точки наблюдения к видимой из этой точки площади светящей поверхности (проекции). Единица яркости - кд/м2. Яркость непосредственно связана с уровнем зрительного ощущения, а распределение яркости в поле зрения (например, в интерьере) характеризует качество освещения. В полной темноте человек реагирует на яркость в одну миллионную долю кд/м2. Сплошной светящий потолок при яркости более 500 кд/м2 оказывает дискомфортное влияние. Яркость солнца - около 1 000 000 000 кд/м2, а люминесцентной лампы - 5-11 тысяч кд/м2.
Коэффициенты отражения [ρ] и пропускания [τ]
Определяются как отношение отраженного [ρ] или пропущенного [τ] материалом светового потока к упавшему световому потоку. Коэффициенты отражения некоторых отделочных материалов:
- белая краска (0,7 - 0,8)
- светлые обои (0,5 - 0,7)
- белый мрамор - 0,45
- красный кирпич - 0,3
- темное дерево (0,1 - 0,25)
- асфальт - 0,07
При светлой отделке помещений (особенно при малых по отношению к высоте размерах) очень заметно возрастают уровни освещенности. Коэффициент отражения фона, на котором рассматривается объект, входит в число показателей, характеризующих условия зрительной работы на рабочем месте. По нормам России фон считается светлым при коэффициенте отражения более 0,4, средним - от 0,2 до 0,4 и тёмным - менее 0,2. При увеличении коэффициента отражения фона - видимость объекта улучшается.
Световая отдача
Это главная характеристика энергоэкономичности ламп и она равна отношению светового потока лампы к её мощности. Применение ламп с высокой световой отдачей - основной путь экономии электроэнергии в осветительных установках. Например, путём замены ламп накаливания, световая отдача которых 7-22 лм/Вт, компактными люминесцентными лампами (50-90 лм/Вт) можно снизить расход электроэнергии в среднем в 5-6 раз, не уменьшая уровня освещённости.
Показатели ослеплённости и дискомфорта
Эти показатели характеризуют прямое слепящее действие источников света или светильников. По показателю ослеплённости можно судить о степени ухудшения видимости при действии блёских источников света. Например, при значении этого показателя, равном 100, видимость снижается на 10%. По российским нормам для точных производственных работ значение показателя ослеплённости должно быть не выше 20. Показатель дискомфорта (М) характеризует степень неудобства или напряженности при наличии в поле зрения источников повышенной яркости.
Цилиндрическая освещенность [Ец]
Характеризует насыщенность помещения светом и определяется (в люксах) как средняя вертикальная освещенность, создаваемая в заданной точке наблюдения. В России эта величина нормируется в таких помещениях как холлы, парадные вестибюли, зрительные, выставочные, читальные и торговые залы, залы заседания и приёмов и т.п. Повышенная насыщенность светом создаётся при уровнях Ец не менее 100 лк.
Цвет и цветность
Понятие цвета определяется, как свойство видимого излучения вызывать зрительное ощущение цветности (цветовой тон + насыщенность) и яркости предметов. Цветовой тон (красный, оранжевый и т.д.) характеризуется длиной волны видимого излучения, а насыщенность - чистотой цвета, связанной со степенью приближения к спектрально чистому цвету от точки белого. Например, малонасыщенные цветовые тона получают путём большого разбавления красителя белой краской. Цвет одного и того же предмета может сильно изменяться в зависимости от спектрального состава освещения.
Цветовая температура [Тц]
Очень важная характеристика источников света, определяющая цветность ламп и цветовую тональность (тёплую, нейтральную или холодную) освещаемого этими лампами пространства. Она примерно равна температуре нагретого тела одинакового по цвету с заданным источником света. Выражается в температурной шкале Кельвина: Т = (градусы Цельсия +273) К.
Значения Тц некоторых источников:
- пламя свечи - 1900 К;
- лампы накаливания - 2500-3000 К;
- люминесцентные лампы - 2700-6500 К;
- Солнце - 5000-6000 К;
- облачное небо - 6000-7000 К;
- ясное небо - 10000-20000 К;
Индекс цветопередачи
Одна из основных цветовых характеристик качества разрядных ламп. Характеризует степень воспроизведения цветов различных материалов при их освещении лампой при сравнении с эталонным источником света. Наивысшее значение Ra=100. Наихудшие по цветопередаче натриевые лампы высокого давления имеют Ra=25. Согласно нормам Германии очень хорошая цветопередача (степень 1) соответствует значениям Ra=80 и более, хорошая (степень 2) - от 60 до 79, удовлетворительная (степень 3) - от 40 до 59 и недостаточная (степень 4) - от 20 до 39.
Коэффициент пульсации освещенности [Кп]
Характеризует относительную глубину пульсации освещенности (в %) в заданной точке помещения при питании ламп от сети переменного тока. Неконтролируемая пульсация освещенности приводит к повышенной опасности травматизма при работе с движущимися и, в особенности, с вращающимися объектами, а также к зрительному утомлению. В нормах России для большинства зрительных работ установлено значение Кп не более 20.