Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра общей и строительной физики РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ЕСТЕСТВЕННОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ ПРИ БОКОВОМ ОСВЕЩЕНИИ ПОМЕЩЕНИЯ Методические указания к расчетно-графической работе № 207 для студентов архитектурных и строительных специальностей Санкт-Петербург 2007 УДК [628.921:928.97:725/728](076.5) Расчет коэффициента естественной освещенности при боковом освещении помещения: Методические указания к расчетно-графической работе № 207 для студентов архитектурных и строительных специальностей / СПбГАСУ; Сост.: Ю. Н. Леонтьева, Е. С. Вознесенская. – СПб., 2007. – 12 с. Изложены методика определения коэффициента естественной освещенности в расчетных точках помещения с боковым односторонним освещением, а также основные принципы нормирования естественной освещенности. Содержание и объем работы отвечают учебной программе по курсу архитектурно-строительной физики. Составлены на основании действующих нормативных документов СНиП 23-05–95 «Естественное и искусственное освещение», СП 23-102–2003 «Естественное освещение жилых и общественных зданий» и СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278–03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий»; содержат все необходимые справочные таблицы и нормативные показатели. Табл. 9. Ил. 2. Рецензент д-р техн. наук, профессор Т. А. Дацюк Цель работы – знакомство с основными принципами нормирования естественной освещенности помещений и расчета коэффициента естественной освещенности с использованием графиков Данилюка. Для практического освоения метода расчета необходимо: 1)определить значения коэффициента естественной освещенности в четырех расчетных точках заданного помещения; 2)на разрезе помещения построить кривую распределения коэффициента естественной освещенности по глубине помещения; 3)дать заключение о соответствии естественного освещения в заданном помещении существующим санитарным нормам; 4)в случае необходимости разделить помещение на зоны с достаточным и недостаточным естественным освещением. Основные понятия В соответствии со СНиП 23-05–95 «Естественное и искусственное освещение» помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь, как правило, естественное освещение. Минимально необходимая в помещении освещенность зависит от характера и точности выполняемой в нем зрительной работы. Освещенность в точке поверхности определяется отношением светового потока dF , падающего на элемент поверхности, содержащий данную точку, к площади этого элемента dS : dF . (1) dS Единица освещенности – люкс (лк), т. е. освещенность, создаваемая световым потоком в 1 люмен (лм), равномерно распределенным на поверхности площадью 1 м2. Естественная освещенность создается прямым солнечным светом, рассеянным (диффузным) светом неба и светом, отраженным от фасадов противостоящих зданий, земли и внутренних поверхностей помещения. В отличие от искусственной освещенности она изменяется в зависимости от погоды, времени года и дня как по уровню, так и по спектральному составу, поэтому для оценки естественной освещенности в помещениях абсолютные величины освещенности (люксы) применять нецелесообразно. Переменное по характеру естественное освещение принято характеризовать относительной величиной – коэффициентом естественной освещенности. Коэффициент естественной освещенности (КЕО) – это выраженное в процентах отношение естественной освещенности Eв в какой-либо точке на рабочей поверхности внутри помещения к одновременному значению наружной E= РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ЕСТЕСТВЕННОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ ПРИ БОКОВОМ ОСВЕЩЕНИИ ПОМЕЩЕНИЯ Составители: Леонтьева Юлия Николаевна Вознесенская Елена Сергеевна Редактор А. В. Афанасьева Корректор К. И. Бойкова Компьютерная верстка И. А. Яблоковой Подписано к печати 19.11.2007. Формат 60´84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. 0,75. Уч.-изд. л. 0,87. Тираж 1000 экз. Заказ 182 «С» 81. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская, 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская, 5. 1 горизонтальной освещенности Eн , создаваемой рассеянным светом полностью открытого небосвода: e= Eв . Eн (2) аПрямой солнечный свет при определении Eв и Eн не принимают во внимание. Таким образом, КЕО показывает, какую долю освещенность в данной точке помещения составляет от одновременной освещенности горизонтальной поверхности на открытом месте при диффузном свете неба. Геометрический КЕО e, %, отличается от расчетного (действительного) КЕО e, %, тем, что учитывает только диффузный свет неба и не учитывает реальные условия освещения: неравномерную яркость небосвода, влияние остекления оконных проемов, усиление освещенности отраженным светом. Геометрический КЕО рекомендуется определять с помощью графиков Данилюка. e= e × q × tо × rо , kз (5) где q – коэффициент, учитывающий неравномерную яркость облачного неба (в зенитной части неба яркость больше, чем у горизонта); tо – общий коэффициент светопропускания оконного проема; rо – коэффициент усиления освещенности отраженным светом; kз – коэффициент запаса, учитывающий старение и загрязнение оконных стекол. Расчетный (действительный) КЕО отличается от геометрического рядом поправок (коэффициентов), учитывающих реальные условия освещения: Рассмотрим основные принципы нормирования естественной освещенности. В помещениях общественных и производственных зданий при одностороннем боковом естественном освещении нормативные требования предъявляются к значению КЕО в расчетной точке, расположенной в центре помещения на рабочей поверхности. Высота рабочей поверхности над плоскостью пола принимается обычно равной 0,8 м (поверхность стола). Исключение составляют помещения детских, учебных и лечебных учреждений, в которых нормируемое значение КЕО должно быть обеспечено в расчетной точке, расположенной на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности на расстоянии 1 м (в детских и лечебных помещениях) и 1,2 м (в учебных помещениях) от стены, наиболее удаленной от световых проемов. В помещениях детских дошкольных учреждений расчетная точка выбирается на поверхности пола. При одностороннем боковом освещении в жилых зданиях нормируемое значение КЕО должно быть обеспечено в расчетной точке, расположенной на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и плоскости пола на расстоянии 1 м от стены, наиболее удаленной от световых проемов: в одной комнате для 1-, 2-, 3-комнатных квартир и в двух комнатах для 4-комнатных и более квартир. В остальных комнатах и в кухне нормируемое значение КЕО должно обеспечиваться в расчетной точке, расположенной в центре помещения на плоскости пола. В жилых комнатах общежитий и гостиниц нормируемое значение КЕО при одностороннем боковом освещении должно обеспечиваться также в расчетной точке, расположенной в центре помещения на плоскости пола. В общественных зданиях допускается деление помещений на зоны с достаточным и недостаточным естественным освещением. В этом случае предусматривается совмещенное освещение (естественное и искусственное). Кроме назначения помещения (характера выполняемой в помещении зрительной работы), при нормировании естественного освещения учитывается также световой климат района строительства (т. е. превалирующие условия наружной освещенности, количество солнечных дней, устойчивость снежного покрова) и ориентация светового проема по сторонам горизонта. В силу этого нормированное значения КЕО определяют по формуле 2 3 Рассмотрим принцип определения геометрического КЕО по графикам Данилюка. При построении графиков Данилюка небосвод представляют в виде равномерно яркой полусферы с центром в расчетной точке. Светящаяся сферическая поверхность небосвода разбита на 104 участков, площади проекций которых на горизонтальную поверхность основания полусферы одинаковы. От каждого участка небосвода в расчетную точку приходит один луч. Освещенность в точке на горизонтальной поверхности полностью открытым небосводом Eн соответствует 104 таких лучей. Освещенность в расчетной точке внутри помещения Eв соответствует числу лучей N , попадающих в рассматриваемую точку через световые проемы. Следовательно, геометрический КEО e= N × 100 % = 0,01 N %. (3) 10 4 Графики Данилюка построены таким образом, что общее число лучей N, проникающих от неба через световые проемы в расчетную точку при боковом освещении, определяется произведением N = n1n2 , (4) где n1 – число лучей по графику I, проходящих через световые проемы в расчетную точку на поперечном разрезе помещения; n2 – число лучей по графику II, проходящих через световые проемы на плане помещения. (6) eN = eн × mN , где N – номер группы административных районов по ресурсам светового климата, определяемый по табл. 1 приложения (территория России разбита на пять групп); eн – нормированное значение КЕО для первой группы административных районов, зависящее от назначения помещения и характера выполняемой в нем зрительной работы, определяемое по табл. 2 приложения; mN – коэффициент светового климата при боковом освещении, зависящий от номера группы административных районов и от ориентации светового проема по сторонам горизонта, определяемый по табл. 3 приложения. Расчетное значение КЕО, определяемое по формуле (5), должно быть не менее нормируемого, определяемого по формуле (6). Однако допускается снижение расчетного значения КЕО по отношению к нормируемому не более чем на 10 %. каждой дуге (полуокружности) на графике I соответствует горизонталь (горизонтальная линия) на графике II. Дуги и горизонтали на графиках пронумерованы. Порядок выполнения работы Необходимо получить у преподавателя: 1) графики Данилюка; 2) бланк задания, содержащий исходные данные. Определение нормируемого значения КЕО Следует: по табл. 1 приложения для указанного в задании города (района строительства) определить и записать номер N группы административных районов по ресурсам светового климата; по табл. 2 приложения для указанного в задании назначения помещения определить и записать нормативное значение КЕО eн для первой группы административных районов; по табл. 3 приложения, учитывая указанную в задании ориентацию светового проема по сторонам горизонта, определить и записать коэффициент светового климата m N ; ( ) Рис. 1. Пример использования графика I для подсчета количества лучей n1 = 40 – 24 = 16 Необходимо: внимательно рассмотреть графики Данилюка (рис. 1). Каждый график содержит 100 лучей. Нумерация лучей идет от оси графика в обе стороны (от 0 до 50); обратить внимание на то, что луч – это промежуток между соседними расходящимися линиями. На графике I 50-й луч у горизонта поделен пунктирными линиями на десятые доли; На бланке задания указано назначение рассматриваемого помещения и изображены его характерный разрез и план. На характерном разрезе помещения указаны четыре расчетные точки. Следует обратить внимание на то, что в помещениях общественных и производственных зданий расчетные точки должны быть расположены на условной рабочей поверхности – на высоте 0,8 м от пола, а в помещениях жилых зданий – на поверхности пола. Необходимо определить значение геометрического КЕО e, %, в первой расчетной точке следующим образом: 1. На разрезе помещения отметить середину С светового проема, через который из расчетной точки видно небо (точка С расположена в плоскости наружного стекла светового проема). Для этого поделить пополам активную высоту светового проема, через которую лучи от неба проходят в расчетную точку, и поставить точку С (см. рис. 1). Если точка С расположена в наружной плоскости окна, то она сохраняет свое положение неизменным для всех расчетных точек. 4 5 вычислить по формуле (6) и записать нормативное значение КЕО e N , %. Определение геометрического КЕО по графикам Данилюка 2. Совместить график I с разрезом помещения так, чтобы полюс (центр) графика 0 совпадал с первой расчетной точкой, а его основание – с рабочей поверхностью или плоскостью пола (см. рис.1). 3. Сосчитать и записать число лучей n1 по графику I, проходящих через световой проем от небосвода в первую расчетную точку. 4. Определить и записать номер полуокружности на графике I, проходящей через середину светового проема – точку C (или вблизи нее). 5. Совместить график II с планом помещения так, чтобы горизонталь, номер которой соответствует номеру полуокружности (определенному по графику I), совпадала с плоскостью наружного стекла светового проема (с плоскостью, в которой расположена точка С), полюс (центр) 0 графика был расположен со стороны помещения, а ось графика совпадала с осью помещения, на которой расположены расчетные точки (рис. 2). 6. Сосчитать и записать число лучей n2 по графику II, которые попадаютт в помещение через световой проем, на плане помещения. Если световых проемов несколько, то n2 определяется суммой лучей, попадающих через все световые проемы. 7. Вычислить значение геометрического КЕО, %, в первой расчетной точке, используя соотношения (3) и (4), (7) e = 0,01 × n1 × n2 . Аналогичным образом определить значения геометрического КЕО (см. пп. 2–7) в остальных расчетных точках. Вычисленный по графикам Данилюка геометрический КЕО совпадает с расчетным (действительным) КЕО, если небосвод равномерно яркий, в световом проеме нет заполнения (рам, стекол и т. п.), подстилающий слой земли и поверхности помещения абсолютно черные. Учет реальных условий освещения В каждой расчетной точке следует определить значение действительного (расчетного) КЕО в соответствии с формулой (5). При этом целесообразно придерживаться приведенной далее последовательности действий. 1. По табл. 4 приложения определить и записать коэффициент запаса k з . 2. Вычислить общий коэффициент светопропускания светового проема по формуле (8) to = t1 × t2 × t4 , ( ) где t1 – коэффициент светопропускания оконного стекла; t2 – коэффициент, учитывающий потери света в переплетах светового проема; t4 – коэффициент, учитывающий потери света в солнцезащитных устройствах. Коэффициенты t1, t2 и t4 определить по табл. 5 и 6 приложения в соответствии с заданием. Если солнцезащитных устройств нет, то t4 = 1. 3. Для каждой расчетной точки определить и записать значение угла q, под которым видна середина участка неба из расчетной точки. Для этого на разрезе помещения из каждой расчетной точки провести луч через точку С (см. рис. 1) и измерить угол q, который составляет указанный луч с горизонтом. 4. По значениям углов q для каждой расчетной точки определить по табл. 7 приложения и записать значения коэффициента q , учитывающего неравномерную яркость облачного неба (промежуточные значения определять интерполяцией). 5. По указанным в задании размерам помещения вычислить площади пола S пол , потолка S пот и стен S ст (без учета площади светового проема). По указанным в задании значениям коэффициентов отражения пола r пол , потолка r пот Рис. 2. Пример использования графика II для подсчета количества лучей n2 = 35 + 35 = 70 6 и стен r ст вычислить и записать средневзвешенный коэффициент отражения света внутренними поверхностями помещения по формуле 7 r ср = r пол × S пол + r пот × S пот + r ст × S ст . S пол + S пот + S ст 6. По указанным в задании значениям глубины помещения B (от световогоо проема до противоположной стены – см. разрез), длины помещения L (см. план) и высоты h1 верха окна над уровнем рабочей поверхности или пола (см. рис. 1) вычислить и записать значения отношений Приложение (9) L B и . B h1 li , B где li – расстояние от внутренней поверхности стены (со световым проемом) до расчетной точки (см. рис. 1). 7. Для каждой расчетной точки определить по табл. 8 или 9 приложения и записать значение коэффициента rо , учитывающего усиление освещенности отраженным светом, в зависимости от вычисленных отношений и средневзвешенного коэффициента отражения (промежуточные значения определять интерполяцией). 8. Для каждой расчетной точки вычислить действительное значения КЕО по формуле (5). На разрезе помещения рекомендуется построить кривую распределения коэффициента естественной освещенности по глубине помещения. Для этого из каждой расчетной точки восстановить перпендикуляр к рабочей поверхности или плоскости пола и отложить на нем в некотором масштабе соответствующее значение действительного КЕО, полученные точки соединить плавной кривой. В соответствии с изложенными ранее основными принципами нормирования естественной освещенности нужно выбрать точку, в которой должно быть обеспечено нормируемое значение КЕО для рассматриваемого помещения. Необходимо сравнить расчетное (действительное) значение КЕО в выбранной нормируемой точке помещения с нормативным eN и дать заключение о соответствии естественной освещенности помещения требованиям санитарных норм. В случае, если в нормируемой точке помещения расчетное значение КЕО меньше нормативного более чем на 10 % (т. е. нормативные требования по естественной освещенности помещения не выполнены), необходимо использовать совмещенное освещение (естественное и искусственное). На разрезе помещения следует указать зону с достаточным естественным освещением и зону, в которой требуется дополнительное искусственное освещение. Таблица 1 Группы административных районов по ресурсам светового климата № п/п 1 Для каждой расчетной точки вычислить и записать значение отношения 8 2 3 4 5 Административный район Московская, Смоленская, Владимирская, Калужская, Тульская, Рязанская, Нижегородская, Свердловская, Пермская, Челябинская, Курганская, Новосибирская, Кемеровская области, Мордовия, Чувашия, Удмуртия, Башкортостан, Татарстан, Красноярский край (севернее 63° с. ш.), Республика Саха – Якутия (севернее 63° с. ш.), Чукотский нац. округ, Хабаровский край (севернее 55° с. ш.) Брянская, Курская, Орловская, Белгородская, Воронежская, Липецкая, Тамбовская, Пензенская, Самарская, Ульяновская, Оренбургская, Саратовская, Волгоградская области, Республика Коми, КабардиноБалкарская Республика, Северо-Осетинская Республика, Чеченская Республика, Ингушская Республика, Ханты-Мансийский нац. округ, Алтайский край, Красноярский край (южнее 63° с. ш.), Республика Саха – Якутия (южнее 63° с. ш.), Республика Тува, Бурятская Республика, Читинская область, Хабаровский край (южнее 55° с. ш.), Магаданская область Санкт-Петербург, Калининградская, Псковская, Новгородская, Тверская, Ярославская, Ивановская, Ленинградская, Вологодская, Костромская, Кировская области, Карельская Республика, Ямало-Ненецкий нац. округ, Ненецкий нац. округ Архангельская, Мурманская области Калмыцкая Республика, Ростовская, Астраханская области, Ставропольский край, Дагестанская Республика, Амурская область, Приморский край Таблица 2 Нормированные значения КЕО для первой группы административных районов Назначение помещения Жилая комната, кухня Общественные помещения со зрительной работой наивысшей точности То же со зрительной работой высокой точности То же со зрительной работой средней точности То же со зрительной работой малой точности Плоскость нормирования КЕО Уровень пола Рабочая поверхность на высоте 0,8 м от пола Значение КЕО eн , % Рабочая поверхность на высоте 0,8 м от пола Рабочая поверхность на высоте 0,8 м от пола Рабочая поверхность на высоте 0,8 м от пола 1,2 9 0,5 2,0 0,9 0,6 Таблица 3 Таблица 7 Значения коэффициента q , учитывающего неравномерную яркость небосвода Значения коэффициента светового климата для световых проемов в наружных стенах Ориентация световых проемов по сторонам горизонта Северная Северо-восточная, северо-западная Восточная, западная Юго-восточная, юго-западная Южная 1 l l l l 1 Коэффициент светового климата mN Номер группы административных районов 2 3 4 5 0,9 1,1 1,2 0,8 0,9 1,1 1,2 0,8 0,9 1,1 1,1 0,8 0,85 1,0 1,1 0,8 0,85 1,0 1,1 0,75 Таблица 4 Значения коэффициента запаса для помещений жилых и общественных зданий Коэффициент запаса kз при угле наклона светопропускающего материала к горизонту, град 0–15 16–45 46–75 76–90 2,0 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 Помещения Пыльные, жаркие и сырые С нормальными условиями среды Угловая высота середины участка небосвода, видимого из расчетной точки через световой проем в разрезе помещения q, град 2 6 10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 0,9 0,8 0,75 0,8 0,65 0,75 0,8 Вид переплета Переплеты деревянные: одинарные спаренные двойные раздельные с тройным остеклением Переплеты металлические: одинарные спаренные двойные раздельные с тройным остеклением Значения t2 0,8 0,75 0,65 0,5 0,9 0,85 0,8 0,7 Козырьки с защитным углом не более 30о Козырьки многоступенчатые 10 0,80 0.9–0,6 L = 0,6 B L = 0,8 B L =1 B rср rср rср rср li B 0,5 0,4 0,3 0,5 0,4 0,3 0,5 0,4 0,3 0,5 0,4 0,3 1 0,2 1,13 1,08 1,06 1,13 1,08 1,05 1,13 1,08 1,05 1,12 1,08 1,05 0,4 1,35 1,21 1,14 1,35 1,21 1,14 1,34 1,20 1,14 1,32 1,20 1,13 0,6 1,68 1,40 1,28 1,67 1,40 1,27 1,64 1,39 1,26 1,61 1,37 1,25 0,8 2,12 1,67 1,44 2,09 1,65 1,44 2,04 1,63 1,42 2,00 1,12 1,60 0,2 1,23 1,14 1,09 1,22 1,13 1,08 1,21 1,10 1,05 1,20 1,12 1,08 0,4 1,91 1,55 1,37 1,89 1,52 1,35 1,86 1,17 1,12 1,82 1,50 1,33 0,6 2,96 2,18 1,78 2,92 2,11 1,74 1,84 1,51 1,34 2,76 2,06 1,71 3 Таблица 6 Значение t4 1 0,65 0,75 L = 0,5 B B h1 Значения коэффициента t4 Солнцезащитное устройство Шторы, регулируемые жалюзи Жалюзи стационарные горизонтальные Жалюзи стационарные вертикальные 0,46 0,52 0,58 0,64 0,69 0,75 0,80 0,86 0,91 0,96 1,00 1,04 Таблица 8 Таблица 5 Значения t1 Угловая высота середины Значения q участка небосвода, видимого из расчетной точки через световой проем в разрезе помещения q, град 50 1,08 54 1,12 58 1,16 62 1,18 66 1,21 70 1,23 74 1,25 78 1,27 82 1,28 86 1,28 90 1,29 – – Значения коэффициента усиления освещенности отраженным светом rо на уровне пола Значения коэффициентов t1 и t2 Вид светопропускающего материала Стекло оконное листовое: одинарное двойное тройное Стекло витринное толщиной 6–8 мм Стекло листовое со специальными свойствами: солнцезащитное контрастное Стеклопакеты Значения q 5 0,8 4,25 2,95 2,30 4,18 2,83 2,22 4,05 2,28 1,78 3,92 2,76 2,17 0,2 1,38 2,23 1,15 1,37 1,22 1,15 1,36 1,21 1,14 1,34 1,21 1,14 0,4 2,52 1,92 1,61 2,49 1,90 1,60 2,43 1,86 1,57 2,37 1,83 1,55 0,6 4,27 2,96 2,31 4,20 2,91 2,28 4,07 2,84 2,23 3,94 2,77 2,18 0,8 6,41 4,25 3,17 6,30 4,19 3,13 6,09 4,06 3,04 5,87 3,93 2,95 11 Таблица 9 Значения коэффициента усиления освещенности отраженным светом rо на уровне рабочей поверхности (0,8 м от пола) B h1 1 3 5 li B L = 0,5 B L = 0,6 B L = 0,8 B L =1 B rср rср rср rср 0,5 0,4 0,3 0,5 0,4 0,3 0,5 0,4 0,3 0,5 0,4 0,3 0,2 1,11 1,07 1,04 1,11 1,06 1,04 1,10 1,06 1,04 1,10 1,06 1,04 0,4 1,24 1,13 1,07 1,24 1,12 1,06 1,22 1,11 1,06 1,21 1,11 1,05 0,6 1,46 1,23 1,12 1,44 1,23 1,12 1,42 1,21 1,11 1,40 1,20 1,10 0,8 1,74 1,39 1,21 1,73 1,38 1,20 1,69 1,36 1,17 1,66 1,33 1,17 0,2 1,03 1,03 1,02 1,03 1,03 1,02 1,03 1,03 1,02 1,03 1,03 1,02 0,4 1,60 1,34 1,21 1,59 1,33 1,21 1,56 1,32 1,20 1,54 1,31 1,19 0,6 2,55 2,89 1,56 2,52 1,87 1,55 2,45 1,83 1,52 2,39 1,80 1,50 0,8 3,53 2,46 1,92 3,48 2,42 1,90 3,37 2,36 1,86 3,26 2,30 2,82 0,2 1,05 1,04 1,03 1,05 1,04 1,03 1,05 1,04 1,03 1,05 1,04 1,30 0,4 2,02 1,60 1,39 2,00 1,59 1,38 1,96 1,56 1,37 1,92 1,54 1,35 0,6 3,65 2,56 2,01 3,60 2,52 1,99 3,49 2,46 1,94 3,38 2,39 1,90 0,8 5,31 3,53 2,64 5,22 3,48 2,60 5,05 3,37 2,53 4,78 3,27 2,46