Министерство образования и науки Российской федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» Кафедра безопасности производств ИСКУССТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ Методические указания Санкт-Петербург 2013 Цель работы Демонстрация преимуществ и недостатков, применяемых в настоящее время источников света. Изучение нормируемых качественных и количественных характеристик освещения. Оценка степени влияния отделки интерьера на коэффициент использования (КПД) осветительной установки. Общие положения Сохранность зрения человека, состояние его центральной нервной системы, производительность, качество труда и безопасность в производственных условиях в значительной мере зависят от условий освещения. По конструктивному исполнению искусственное освещение может быть двух систем: общее – осуществляемое расположением светильников на потолке помещения; комбинированное – совокупность общего освещения и местных светильников, расположенных непосредственно на рабочих местах. Применение одного местного освещения внутри зданий не допускается. Источники света В качестве источников света в настоящее время применяются электрические лампы и газоразрядные лампы. Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Они удобны в эксплуатации, легко монтируются, дешевы, работают в широком диапазоне температур окружающей среды, однако обладают низкой световой отдачей 10 – 20 лм/Вт ( при идеальных условиях 1 Вт соответствует 683 лм), сравнительно небольшим сроком службы до 2500 часов; их спектральный состав сильно отличается от естественного света, нарушается правильная цветопередача. Газоразрядные лампы – это приборы, в которых излучение света возникает в результате электрического разряда в атмосфере паров металлов (ртуть, натрий), галогенов (йод, фтор) и инертных газов, а также явления люминесценции. Наиболее широкое применение для целей освещения помещений и открытых площадок получили люминесцентные, ксеноновые лампы в форме светящихся трубок, а также дампы ДРЛ ( дуговые ртутные, люминесцентные) и натриевые по форме напоминающие вытянутые лампы накаливания. Основные преимущества газоразрядных ламп: высокая световая отдача (ДРЛ – до 65 лм/Вт, люминесцентные – до 90 лм/Вт, ксеноновые и натриевые – 110-200 лм/Вт); большой срок службы 5000-20000 часов, близкий к естественному солнечный спектр излучения. К недостаткам газоразрядных ламп следует отнести наличие вредных для биосферы человека паров ртути и натрия при их раз герметизации, радиопомехи; сложную и дорогостоящую пускорегулирующую арматуру, включающую в некоторых случаях стартер, дроссели, конденсаторы; длительный период выхода отдельных типов ламп на номинальный режим (для ДРЛ – 3-5 мин), невозможность быстрого вторичного включения лампы при кратковременном отключении питающего напряжения. Основным существенным недостатком всех газоразрядных ламп является пульсация светового потока, то есть непостоянство во времени излучения света, вызванное переменным током в питающей сети и малой инерционностью процессов, сопровождающих работу этих ламп. В момент перехода переменного напряжения через ноль освещенность, создаваемая лампой, достигает минимального значения Еmin , при достижении напряжением максимального значения освещенность принимает значение Еmax . Пульсация освещенности, не всегда заметная глазом, приводит к быстрому утомлению зрения, вызывает в некоторых случаях покраснение глаз, головную боль. Глубина пульсации оценивается коэффициентом пульсации равным: КП =(Еmax-Emin)/(2Ecр)100%, (1) 2 где Еmax, Emin, Ecр – соответственно максимальная, минимальная и средняя освещенность, создаваемая лампой за период колебаний. Пульсация может привести к стробоскопическому эффекту, когда при пульсирующем освещении вращающихся объектов возникает иллюзия их вращения в противоположную сторону или полной остановки. Данный эффект на практике, провоцируя ошибочные действия операторов, приводит к авариям и травмам. Сглаживание пульсации достигается применением нескольких рядом работающих ламп со сдвигом фаз питающего напряжения или существенным повышением частоты переменного тока (f>1000 Гц). Нормирование освещения Для оценки совершенства искусственного освещения в соответствии с действующими строительными нормами и правилами (СниП) предусмотрены светотехнические параметры количественного и качественного характера. К количественным параметрам относятся: Видимое излучение – вызывающее зрительное ощущение, характеризуется участком спектра электромагнитных колебаний в диапазоне длин волн от (4-7,6)*10-7м или с учётом условности границ 380-770 нм (1 нанометр = 1*10-9м). Световой поток F - мощность лучистой энергии, оцениваемой по световому ощущению. За единицу светового потока принят люмен (лм). Сила света Ia - пространственная плотность светового потока, характеризующая свечение источник излучения; измеряется в канделах (кд), dF (2) d где Ia - сила света в телесном угле , dF - световой поток (лм), распределяющийся в пределах единичного телесного угла d, определяемого в стерадианах (ср). Освещенность Е- поверхностная плотность светового потока, люкс (лк) dF (3) E dS где dS - площадь поверхности, м2, на которую падает световой поток dF. Ia Яркость (В) - это поверхностная плотность силы света в данном направлении. Единицей измерения яркости является кандела на м2 (кд/м2), это яркость светящейся плоской поверхности площадью 1 м2 в перпендикулярном к ней направлении при силе света в 1 кд. (прежнее название – НИТ) Количественной характеристикой общего освещения, определяющей степень его экономичности, является светоотдача (СО), численно равная отношению светового потока, создаваемого источником света к мощности, потребляемой этим источником: СО = r 2 Е , лм/Вт Р ( 4) где: r - расстояние от источника до точки, где измеряется освещенность Е, м; Р - мощность, потребляемая источником, Вт. К качественным параметрам относится коэффициент пульсации освещенности КП в %, измеряемый с помощью прибора пульсометра. Приведенные параметры связаны следующими соотношениями: I=F/ ; кд; (5) =S/r ; ср; (6) B =I/(Scos), кд/м2; (7) Е = F/S , лк; (8) где: r - расстояние от источника до освещенной поверхности, м; 3 - угол падения светового потока, град; S - площадь освещенной поверхности, м2. Принято раздельное нормирование параметров освещения в зависимости от применяемых источников света и системы освещения. Величина параметров устанавливается согласно характеру зрительной работы, который зависит от размеров объекта различения, характеристики фона и контраста объекта с фоном. Нормируемый параметр при искусственном освещении - величина минимальной освещенности на рабочей поверхности. Для выбора нормы освещенности при зрительной работе необходимо оценить следующие параметры: Объект различения - это наименьший линейный размер рассматриваемого предмета, детали или дефекта, который требуется различать в процессе работы. Основными его характеристиками являются коэффициент отражения и размер в мм. Коэффициент отражения (Котр) характеризует долю отраженного света от поверхностей различных цветов. Фон - поверхность, на которой рассматривается объект различения. Различают фон: светлый (Котр 40%); средний (Котр= 2040 %); темный (Котр 20 %). Контраст (К) объекта различения с фоном - отношение разности яркостей объекта и фона к яркости фона. К= о ф ф (9) где: о , ф - соответственно коэффициенты отражения объекта и фона, % (таблица 2.5.4). Различают контраст - большой К 0,5 (объект и фон резко отличаются по яркости); средний - К = 0,20,5 (заметно отличаются по яркости); малый - К 0,2 (мало отличаются по яркости). Нормируемый параметр при естественном освещении коэффициент естественной освещенности (КЕО), численно равный отношению естественной освещенности, создаваемой в некоторой точке рабочей поверхности внутри помещения светом неба Ев, к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности Ен светом полностью открытого небосвода: Z= Eв/Ен100, % (10) Значения КЕО в зависимости от характера зрительной работы и прочих условий приведены в табл. 2. Нормирование искусственного освещения производится в следующей последовательности: 1. Определяется объект различения в данной зрительной работе (наименьший размер предмета, который необходимо различить в процессе работы), его цвет и соответствующий коэффициент отражения (табл. 1). 2. Определяется характеристика зрительной работы и её разряд (табл. 2). 3. Определяется цвет фона, на котором непосредственно находится объект различения. По табл.1 выбирается соответствующий данному цвету, коэффициент отражения, на основании чего выбирается характеристика фона. Если объект различения непосредственно находится на нескольких поверхностях разных цветов, выбирается более темный фон (с наименьшим коэффициентом отражения). 4. По формуле (9) рассчитывается контракт объекта различения с фоном и выбирается его характеристика. 5. По нормам СН и П 11-4-79 (табл. 2) с учетом полученных параметров определить наименьшую нормируемую освещенность, учитывая при этом тип освещения. Таблица 1. Коэффициент отражения некоторых поверхностей и цветов, % 1. Белая бумага 84 2. Белое эмалированное железо 50-55 3. Эмаль фарфоровая белая 65-75 4. Бумага писчая 60-70 5. Белый кафель 75 4 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. Белая фаянсовая плита Известково-белый цвет Стекло молочное Стекло матированное Белый кирпич Бархат черный Алюминиевая фольга Алюминий матовый Сталь полированная Грязные цинковые листы Бетонный потолок в грязных помещениях, деревянный потолок, бетонные стены с окнами, оклеенные светлыми обоями Стены и потолки с большим количеством темной пыли, сплошное остекление без штор, красный кирпич, неоштукатуренный, стены с темными обоями Асфальт Кирпич желтый Кирпич красный Линолеум светлый Линолеум темный Серый цвет известковой штукатурки Фанера Серый цвет сухого бетона Серебристо-серый Лимонно-желтый Цвет слоновой кости Кремовый цвет Охра светлая Чисто желтый Зеленый, цвет липового листа Ель светлая Голубой цвет 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. Небесно-голубой Оливково-зеленый Бирюзово-синий, чистый Дуб темный Дуб светлый Светло-коричневый Чисто-бежевый Травянисто-зеленый Чисто оранжевый Киноварь Кармин Клинкер темный Черный 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 70 80 до 50 8-20 62 6 83 55-75 50-55 8-20 30 10 8-12 32 18 21 16 42 38 около 32 около 35 70 около 70 около 70 около 60 50 около 50 около 50 около 40-50 30 около 25 15 около 33 около 18 около 25 около 25 около 20 25-30 20 10 около 10 10 При выборе нормируемой освещенности размер объекта различения регламентирует выбор зрительного разряда от I до VIII в таблице норм. Сочетание характеристики фона и контраста объекта с фоном определяет подразряд зрительной работы от а до г. Таблица норм содержит минимальные значения освещенности на рабочих местах при использовании газоразрядных ламп. Если используются для освещения лампы накаливания, то значение освещенности, указанное в таблице, снижается на одну ступень. Например, в таблице для конкретного разряда и подразряда зрительной работы указана цифра 200 лк, ищем ближайшую меньшую цифру 150 дк – это и будет норма освещенности для ламп накаливания. При проектировании осветительных установок стремятся обеспечить требования норм при минимальных затратах электроэнергии с сохранением равномерного распреде5 ления яркостей в поле зрения, исключающих слепящее действие самих дамп. Для этого применяют светильники с рассеивающими экранами, матовыми стеклами, что приводит к частичной потере световой энергии (на 10 – 15 %). Разряд зрительной работы Подразряд зрительной работы I а б в От 0,15 до 0,3 II г а б в г От 0,3 до 0,5 III а б в г От 0,5 до 1,0 IV а б в г От 1,0 до 5,0 V а б в г Характеристика фона Наименьший объект различения, мм Менее 0,15 Контраст объекта различения с фоном Малой точности Средней точности Высшей точности Очень высокой точности Наивысшей точности Характеристика зрительной работы Таблица 2. Малый Малый Средний Малый Средний Большой Средний Малый Малый Средний Малый Средний Большой Средний Большой Большой Малый Малый Средний Малый Средний Большой Средний Большой Большой Малый Малый Средний Малый Средний Большой Средний Большой Большой Малый Малый Средний Малый Средний Большой Средний Большой Большой Темный Средний Темный Светлый Средний Темный Светлый Темный Средний Темный Светлый Средний Темный Светлый Светлый Средний Темный Средний Средний Светлый Средний Темный Светлый Светлый средний Темный Средний Темный Светлый Средний Темный Светлый Светлый Средний Темный Средний Темный Светлый Средний Темный Светлый Светлый Средний Освещенность, лк, при освещении комоббищем нированном 5000 4000 1500 1250 2500 750 1500 4000 400 1250 3000 750 2000 500 1000 300 2000 1000 500 300 750 300 400 200 750 500 300 200 300 150 200 200 200 200 150 150 КЕО, % (естественное освещение) При верхнем и боковом освещении При боковом освещении В зоне с На устойчиостальвым снежной терным покро- ритории вом 10 2,8 3,5 7 2 2,5 5 1,6 2 4,0 1,2 1,5 3,0 0,8 1,0 150 100 6 Очень малой точности Работа со светящимися материалами Общее наблюдение за ходом процесса более 5,0 VI Независимые характеристики фона и контраста объекта с фоном 150 2 0,4 0,5 VII Независимые характеристики фона и контраста объекта с фоном 200 3 0.8 1.0 VIII Независимые характеристики фона и контраста объекта с фоном 75 1.0 0.2 0.3 По конструкции различают светильники прямого света, концентрирующие световой поток в нижнюю полусферу с помощью белого или зеркального отражателя; рассеянного света (при равномерном распределении света в пространстве) и отраженного света (световой поток направлен в верхнюю полусферу). Светлая окраска потолка, стен, мебели и оборудования способствует улучшению освещенности на рабочих местах за счет лучшего отражения и создания более равномерного распределения яркостей в поле зрения. В этом случае увеличивается коэффициент использования осветительной установки . Этот коэффициент зависит от типа источника света и светильника, геометрии помещения и коэффициента отражения потолка и стен. Коэффициент использования осветительной установки приближенно может быть рассчитан как =Fпол / Fл (11) где Fпол- световой поток в люменах, обеспечивающий горизонтальную освещенность по внешней площади помещения, равный произведению средней освещенности Еср в лк на площадь помещения Sп в м2; Fл- суммарный стандартный световой поток примененных ламп. Измерение освещенности Применяемые в настоящее время приборы для измерения освещенности – люксметры имеют фотоэлементы со спектральной чувствительностью, совмещенной со спектром ламп накаливания (ЛН), поэтому при измерении освещенности ЛН осуществляется прямой отсчет по шкале прибора. При измерениях естественной освещенности вводится поправочный множитель К1 =0,8; для ламп ДРЛ- 1,09; дневного света ЛД, ЛДЦ – 0,99; люминесцентных ламп белого света ЛБ, ЛХБ – 1,17; натриевых ламп ДНаТ – 1,23. Отсчет показаний люксметра можно вести по двум шкалам до 30лк и до 100 лк в зависимости от положения переключателя «диапазон измерения». Для расширения диапазона измерений фотоэлемент снабжен насадками, перекрывающими часть падающего светового потока: основной полусферической матовой насадкой с резьбовым соединением с фотоэлементом (маркировка К) и тремя дополнительными плоскими насадками (маркировки М, Р, Т), располагаемыми внутри полусферической. При наличии на фотоэлементе насадок К и М показания умножаются на коэффициент К2=10, насадок К и Р – на 100; насадок К и Т – на 1000. Освещенность, создаваемая электрическими лампами, в большой степени зависит от величины питающего напряжения U в В. В процессе аттестации осветительной установки может оказаться, что дефицит освещенности обусловлен не малой мощностью и 7 количеством источников света, а низким напряжением в питающей сети. В связи с изложенным необходимо параллельно измерять напряжение и производить пересчет освещенности на номинальное напряжение – 220 В с учетом коэффициента К3 . К3=220 / [220-Кн(220-Uизм)] (12) где Uизм – напряжение в сети в момент измерения освещенности; Кн – коэффициент, определяемый по табл. 3. Таблица 3. Значения коэффициента влияния напряжения на освещенность. Источник света Кн Лампы накаливания 4 Люминесцентные лампы при использовании индуктивного балластного сопротивления 3 Люминесцентные лампы при использовании емкостного балластного сопротивления 1 Лампы ДРЛ, ДРИ, ДНаТ 3 Окончательно фактическая освещенность будет равна Ефакт= ЕизмК1К2К3 (13) где Еизм – измеренная освещенность по показанию прибора, лк. Описание лабораторной установки Установка выполнена в виде модели помещения с прозрачной стационарной передней и съемными боковыми и задней стенками на магнитных креплениях. Съёмные стены с одной стороны окрашены в светлые тона, с другой – в более темные, что позволяет моделировать два типа помещений. В верхней части передней стенки располагаются органы управления вентилятором, расположенным внутри модели помещения, и выключатели ламп. Вентилятор с регулируемой частотой вращения крыльчатки служит для демонстрации стробоскопического эффекта и регулирования температуры внутри установки. На потолке модели помещения смонтировано шесть ламп различных конструкций: -лампа накаливания прозрачная(Б 215-225-40) грибовидной формы мощностью 40 Вт со световым потоком Fл =415 лм; -лампа накаливания синяя грибовидной формы мощностью 40 Вт со световым потоком 200 лм; -люминесцентная лампа в виде спирали (ESSIYSUCTL 11W) c повышенной светоотдачей мощностью 11Вт и световым потоком 900 лм. -три дуговые лампы (ДРЛ80), включенные в разные фазы трехфазной сети, мощностью 80 Вт и световым потоком 3400 лм. Порядок выполнения работы Задание I. Нормирование количественного параметра освещения 1. Включить прозрачную лампу накаливания. 2. Измерить освещенность в трех точках на уровне пола модели помещения. 3. Определить среднее значение фактической освещенности в лк, используя формулу (13). Напряжение в питающей сети определить с помощью лабораторного стенда по электробезопасности. 4. Визуально оценить характеристику фона (светлый, средний или темный), определить по формуле (9) контраст объекта с фоном (большой, средний или малый). Определить к какому разряду зрительных работ относится данное измерение, если учесть, что величина наименьшего объекта различения составляет 2 мм, а по характеристике фона определить подразряд (а, б, в или г). так как в модели помещения лампы располагаются на потолке, считать освещение общим. Определить освещенность, необходимую для создания комфортных условий. 5. Повторить пункты 2,3 и 4, изменив окраску боковых и задней стенок. 6. Выключить лампу. 7. Повторить пункты 1-6 для люминесцентной и одной из дуговых ламп. 8. Результаты лабораторной работы занести в отчет (табл. 4). 8 9. Сделать вывод о соответствии нормам измеренных значений освещенности. Внести предложения. Таблица 4. Зрительная работа Характерис тика фона Контраст объекта с фоном Размер объекта ,мм Разряд и подразряд зрительной работы Норма освещенности ламп,лк Измеренная освещенность для ламп, лк Темный фон Светлый фон Задание II. Нормирование качественного параметра 1. Для найденных в первом задании значений освещенности определить коэффициент пульсации КП в %. Занести в отчет (табл. 5). Для чего на приборе люксметрпульсометр нажать клавишу «сеть» и левую клавишу в положение КП. Определить последовательно коэффициент пульсации для каждой лампы накаливания, для люминесцентной лампы и для дуговой лампы. Занести в табл. 5. 2. Включить вентилятор и одну из дуговых ламп. Регулятором частоты вращения крыльчатки вентилятора добиться возникновения иллюзии вращения периферийной части вентилятора в одну сторону, а центральной в противоположную. Это и есть стробоскопический эффект. 3. Добавочно включать последовательно дуговые лампы, убедившись визуально в изменении стробоскопического эффекта, измерить коэффициент пульсации при работе одной, двух и трех дуговых ламп. Объяснить причину изменения пульсации. Таблица 5. Коэффициент пульсации, измеренный для ламп, % Накаливания Люминесцентная Газоразрядные Прозрачная Синяя Для одной Для двух Для трех Светлый фон стенок Темный фон стенок Задание III. Оценка энергетической эффективности источников света 1. Отдельно для каждой лампы измерить создаваемую на уровне пола освещенность Ефакт. Светочувствительный элемент люксметра каждый раз располагать под лампой. Условия работы различных ламп в модели помещения считать практически одинаковыми. 2. Определить для каждой лампы величину удельной освещенности Еуд= Ефакт /Wл лк/Вт, то есть количество люкс в условиях эксперимента, приходящихся на 1 Вт электрической мощности. Оценить во сколько раз одни лампы превосходят другие. Результаты занести в отчет (табл.6). 3. Повторить пункты 1 и2 изменив цвет стенок. 4. Сделать вывод. Таблица 6. Тип лампы Накаливания Прозрачная Синяя Светлый фон стенок Люминесцентная Дуговая Освещенность, лк Удельная освещенность, лк/Вт Темный фон стенок Освещенность, лк Удельная освещенность, лк/Вт Задание 4. Оценка коэффициента использования осветительной установки 1.Включить одну из ламп. 9 2.Измерить освещенность в пяти точках на уровне пола, определить среднее значение фактической освещенности по формуле Ефакт (13). Выключить лампу. 3.Принимая во внимание, что площадь пола в модели помещения Sп=0,42 м2, используя выражение (11), определить коэффициент использования осветительной установки. 4.Перемонтировать боковые и заднюю стенки модели помещения обратной стороной, повторить действия по пунктам 1,2, и 3. Результаты занести в отчет (табл. 7). 5.Повторить пункты 1,2,3,4 для всех остальных ламп. 6.Сделать выводы. Таблица 7. Тип лампы Окраска стен Точка 1 Точка 2 Освещенность, лк Точка 3 Точка 4 Точка 5 Среднее значение Коэффициент использования осветительной установки Контрольные вопросы 1. Назовите основные параметры, используемые для характеристики светотехнических устройств? 2. Что такое освещенность, от каких факторов она зависит и в каких единицах измеряется? 3. От чего зависит отражающая способность освещаемых поверхностей, как определяется понятие темный, средний, светлый фон? 4. Что такое контраст объекта различения с фоном, каким образом можно охарактеризовать большой, средний и малый контраст? 5. От чего зависит значение минимально допустимой освещенности на рабочих местах? 6. Поясните принцип работы люксметра-пульсометра. 7. Что такое комбинированное, общее, местное и совмещенное освещение рабочих мест? 8. Каким образом оценить соответствие рабочего места санитарно-гигиеническим требованиям по условиям освещенности? 9.Принципиальное отличие ламп накаливания от газоразрядных? 10. Преимущества газоразрядных ламп? 11. Недостатки газоразрядных ламп? 12. Причины и последствия пульсации светового потока газоразрядных ламп? 13. По каким параметрам нормируется освещение? 14. Чем определяется характер зрительной работы? 15. Какие поправочные коэффициенты вводятся при измерении освещенности люксметром? 16. Зачем при измерениях освещенности определять напряжение сети? 10
