Світлотехнічні установки Та системи

Міністерство освіти i науки України

 

Харківська національна академія міського господарства

 

 

Н.О. Ільїна, Ю.О. Васильєва

 

Світлотехнічні установки

Та системи

5 курсу заочної форм навчання спеціальності 6.090.600 -«Світлотехніка і джерела світла»)  

ВСТУП

У даний час склалося декілька тенденцій у світлотехніці, аналіз яких дозволяє краще оцінити ситуацію і виробити програму дій на найближчий період. У зв'язку з цим розглянемо ці тенденції.

Виробництво в області світлотехніки в цілому характеризується пожвавленням, що виявилося в рості обсягів виробництва різних видів світлотехнічних виробів за останні роки. Необхідно також відзначити появу нових виробників світлотехнічної продукції, що, безумовно, є позитивним чинником. Однак підвищення обсягів виробництва, на жаль, у більшості випадків не супроводжується підвищенням якості виробів. Продукція за номенклатурою, технічним рівнем відстає від закордонних фірм і не лежить у руслі основних напрямків розвитку сучасної світлотехніки [1].

У світлотехніці одним з головних критеріїв прогресу є створення нових засобів освітлення. У цьому напрямку не можна не відзначити ряд цікавих робіт, як, зокрема, енергоекономічні й довговічні ГЛР, безртутні натрієві лампи для світильників різного призначення, безртутні МГЛ для опромінення рослин у теплицях, лампи для експонування фотоформ у поліграфії. До числа важливих і перспективних робіт треба також ще віднести наступні: комплексні дослідження зі створення сірих ламп, що об’єднують зусилля декількох організацій; роботи з катодолюмінесценції; створення нових оптичних систем перерозподілу випромінювання, в тому числі за допомогою світловодів; використання оптичного випромінювання для знезаражування води та ін. [1,2].

Крім того, з'явилася велика кількість установок внутрішнього і зовнішнього освітлення, виконаних на найвищому рівні. Зовнішнє архітектурне освітлення за останні роки одержало широкий розвиток. У Москві, Санкт-Петербурзі та інших містах Росії з'явилося багато чудово виконаних ОУ, які змінили вечірній вигляд міста, що багато в чому сприяло росту якісного освітлення. В ОУ внутрішнього освітлення найбільший розвиток одержали установки громадських будинків (банки, офіси, видовищні об'єкти).

Говорячи про досягнення в області техніки освітлення, не можна не відзначити два важливих фактори: застосування міжнародних норм і рекомендацій МКО і використання методів візуалізації ОУ за допомогою комп'ютерної техніки. Цей метод одержує все більше поширення і дозволяє досить точно імітувати кінцевий результат, втілити задум художника-архітектора, уникнути важких помилок.

Однієї із сучасних тенденцій у створенні енергозберігаючих ОУ є врахування природного рівня освітленості при проектуванні освітлення будинків. При цьому акцент робиться на зниженні частки штучного освітлення будинків за рахунок більшого використання природного, але не на шкоду якості створюваного освітлення.

У зв'язку з вищевикладеним комп'ютерні методи в підходах до створення освітлювальних установок є досить перспективними [3,4]. Світлотехнічні розрахунки в цілому супроводяться значним обсягом обчислень. У більшості випадків методики розрахунку ОУ пов'язані з вибором і аналізом великого числа різноманітних параметрів, типів джерел світла, різних схем розміщення світильників і в підсумку можливих варіантів проектних рішень. Особливе місце в сучасному проектуванні ОУ займає автоматизоване проектування СУ. Використання баз даних до світлотехнічному розрахунку, реалізованих на ЕОМ, дозволяє значно скоротити час підбору підходящого елемента (джерела світла, світлового приладу, варіанта розміщення), полегшує порівняння обраних варіантів за економічними і технічними показниками. В останні роки велике поширення одержало графічне моделювання.

Завдяки інтенсивному технологічному розвиткові ЕОМ і зниженню їхньої вартості системи автоматизованого проектування (САПР) все більше використовуються проектувальниками ОУ й архітекторами в їхній роботі. З розвитком програмного забезпечення САПР вже не обмежується кресленням планів. Сьогодні існує можливість відтворити зображення екстер'єру проектованого будинку й інтер'єрів його приміщень. Як правило, програми візуалізації результатів розрахунків внутрішнього освітлення не точні. Це пов'язано з тим, що розрахований розподіл яскравостей, а також відтворення окремих матеріалів неадекватне натурі, моделювання на ЕОМ може призвести до помилкового враження. В останні роки коректному моделюванню освітлення було приділено багато уваги. Дослідження не обмежувалися тільки фізично правильними розрахунками, вирішувалося завдання інтерпретації результатів розрахунку для забезпечення правильного відтворення. Дотепер такі системи застосовувалися лише у вузькому колі фахівців. У даний час дизайнери освітлення все частіше одержують архітектурні плани не на папері, а на дискеті. Інформація в такій формі може бути безпосередньо введена в САПР.

Тривимірне зображення світильників зберігається в базі даних САПР разом з характеристиками оздоблювальних матеріалів. Після задання характеристик матеріалів поверхонь може бути запущена програма розрахунку ОУ. Результати розрахунку відтворюються у графічній формі. На основі тих же результатів можливе відтворення тривимірного перспективного зображення приміщень, на якому відображається розподіл яскравостей по поверхнях. Зображення світильників і результати розрахунків зберігаються у вигляді графічних файлів у базі даних САПР. Це дозволяє використовувати стандартні функції САПР при оперуванні з результатами світлотехнічних розрахунків, наприклад, відтворювати розподіл освітленості або яскравості в різних перетинах приміщення. Крім того, спеціалізовані САПР можна використовувати при комплексному проектуванні, включаючи електричну мережу.

При використанні САПР слід враховувати, що при її розробці повинні бути пред'явлені високі вимоги до світлотехнічного модуля, найбільш важливим з яких є передача даних між різними САПР.

У більшості випадків системи мають стандартні інтерфейси типу EKF-IGES, що дозволяють обмінюватися тільки двовимірною інформацією. У розрахункову програму із САПР передається тривимірна інформація. Крім розмірів і розташування світильників, вводяться характеристики матеріалів, необхідні для розрахунків візуалізації. Програма розрахунку повертає результати в САПР. Після визначення фотометричних характеристик на планах приміщення можуть бути накреслені графіки ізолюкс. Описані зв'язки найкраще реалізуються через прямий інтерфейс. Але розрахункова програма не повинна мати обмежень за числом поверхонь, їх розташуванням і формою, приміщення, проектовані за допомогою САПР, не повинні мати тільки прямокутну форму, необхідно враховувати тінь від меблів і устаткування. Усі ці вимоги враховуються у стандартних програмах.

Широку практику набула реконструкція вже існуючих ОУ. З цією метою використовуються спеціальні комп'ютерні програми. Останні можуть застосовуватися для освітлення цілого крила будинку або поверху ДС однієї кольоровості, але з різними світловими потоками. У такий спосіб досягається економія електроенергії і забезпечується якість освітлення. Додаткові переваги виникають при збереженні файлу з даними про світильники, що знайшли застосування в ОУ будинку. Як тільки на ринку з'являються нові ДС і технологія освітлення, вони можуть бути легко включені в діючу ОУ. Дані про світлорозподіл СП зберігаються в пам'яті комп'ютера. Користувачеві доступні для перегляду одночасно кілька варіантів. В одному можна переглянути значення рівнів освітленості до і після реконструкції СУ, а також остаточні результати їхньої економії електроенергії для кожного приміщення, в другому – нові рівні освітленості, розміри приміщень, ступінь їхньої зайнятості. Крім того, користувачеві доступний повний набір типових звітів. Вони містять у собі потенційну економію, типи і характеристики ДС і СП, використаних у кожному приміщенні.

Таким чином, раціональне світлотехнічне проектування є одним із сучасних шляхів економії електроенергії.

 

Лекція 1. ЗАГАЛЬНІ ПРИНЦИПИ НОРМУВАННЯ СВІТЛОТЕХНІЧНИХ УСТАНОВОК

Світлотехнічні установки застосовуються у всіх областях народного господарства і є найбільш розповсюдженими серед інших електроустановок. Мета вивчення дисципліниполягає у формуванні знань з питань нормування,… Завданнями вивчення дисципліни є одержання уявлення про принципи дії світлотехнічних установок, що дозволяє брати…

Мета і завдання нормування

Проектування світлотехнічних установок будь-якого призначення необхідно починати з вибору параметрів установки, що визначають її продуктивність.… У ряді випадків вибір щільності опромінення або кількості опромінення в… Найбільш складним є вибір параметрів продуктивності освітлювальних установок, а також опромінювальних установок…

Деякі визначення

, (1.1) де – чутливість приймача; Wэ – ефективне значення енергії кожного елементарного процесу перетворення фатона;

Лекція 2. МЕТОДИ І КРИТЕРІЇ НОРМУВАННЯ

ОСВІТЛЮВАЛЬНИХ УСТАНОВОК

Чутливість зорового аналізатора, як і чутливість будь-якого іншого приймача випромінювання, прийнято визначати характеристикою, зворотною граничному… а) контрастної чутливості; б) гостроти розрізнення;

Врахування спектрального складу випромінювання

При нормуванні

Функції спектрального розподілу випромінювання необхідні для обґрунтованого вибору норми освітленості в установках з приймачами. Вони мають… Урахування спектрального складу випромінювання при нормуванні особливо важливе… Відносна спектральна чутливість зорового аналізатора в умовах сутінкового зору 10 кд/м2 > L> 0,01 кд/м2…

Лекція 4. НОРМУВАННЯ ЗА ВИДИМІСТЮ

Якщо тест-об'єкт рівнояскравий, ступінь його помітності на рівнояскравому фоні можна визначити яркісним контрастом k, чисельно рівним відношенню… , (4.1) Шайкевичем А.С. [8,9] розроблені нонограми, що дозволяють визначати швидкість розрізнення кільця Ландольта у функції…

Лекція 6. РОЗРАХУНОК ЦИЛІНДРИЧНОЇ ОСВІТЛЕНОСТІ

Циліндрична освітленість, як і освітленість плоскої поверхні, може розглядатися у вигляді суми двох складових — прямої (Ец)пр і відбитої (Ец)0: . (6.1) Розглянемо способи розрахунку прямої складової циліндричної освітленості, запропоновані М. М. Гуторовим [3] для різних…

Лінійні елементи, що світять

  Рис. 6.3

Лекція 7. РІВНОЯСКРАВІ ПОВЕРХНІ

Розглянемо рівнояскравий диск, площина якого перпендикулярна до утворюючій циліндра (рис. 7.1).  

Відбита складової циліндричної освітленості

(7.5) Для визначення відбитої складової циліндричної освітленості від верхнього і… Вважаємо, що розподіл яскравостей по поверхнях стелі, стін і підлоги рівномірним, що складаються відбитої складової…

Послідовність розрахунку циліндричної освітленості

а) для точкового випромінювача — за рівнянням , (7.7) і графіков або ;

Лекція 8. НОРМУВАННЯ ОСВІТЛЮВАЛЬНИХ УСТАНОВОК

ЗА ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИМИ ПОКАЗНИКАМИ

Строком окупності капітальних витрат прийнято вважати час, протягом якого різниця капіталовкладень для двох порівнюваних варіантів установки (ДО2 —… Т=(ДО2 – ДО1)/(З1 – З2), (8.1) де Т - строк окупності, роки;

Техніко-економічні характеристики установок за укрупненими показниками

Користуючись даними таблиці в (Л. 1), неважко визначити питомі капіталовкладення на 1 м2 освітлюваної площі для Е = 1 лк: k =РіСіЕ . (8.7) Відповідно повні капіталовкладення Ко.у для усієї освітлюваної площі S визначаться як

Освітлення і продуктивність праці

, (8.14) де d, b і з — параметри, які обумовлені складністю зорової задачі і діапазоном… Залежності продуктивності праці від яскравості дозволяють у першому наближенні прийняти

Нормування якісних показників освітлення

Показник засліпленості

Рис.8.2  

Лекція 9. ПОКАЗНИК ДИСКОМФОРТУ

Зоровий дискомфорт визначається як відчуття незручності або напруженості. Це відчуття виникає в результаті наявності в полі зору світлових плям з… а) засліплюючий ефект блиских джерел; б) дискомфорт з появою блискості в полі зору.

Розрахунок показника дискомфорту від світної лінії, що перпендикулярна до лінії зору

Загальний вираз для інтегральної характеристики світлового поля:

, (9.19)

де f- функція напрямку, що визначає точність випромінювання в напрямку .

, (9.20)

де ω- тілесний кут, утворений двома конічними поверхнями з кутами розкриття a і a+ da і поздовжніми площинами b і db, рис 9.6.

Рис. 9.6

Напрямок випромінювання щодо досліджуваної точки простору визначається двома кутовими координатами: кутом a у меридіональній площині й кутом b в екваторіальній площині відносно площини меридіану, що проходить через точку простору.

При переважно горизонтальній орієнтації лінії зору яскравість адаптації визначиться в основному яскравістю стелі та стін внаслідок того, що в освітлювальних установках громадських будинків яскравість стелі перевищує яскравість стін. Центральну частину поля зору з яскравістю L₁, обумовлену стіною, що перпендикулярна до лінії зору, характеризує граничний кут q:

q₁=arctg(H-h)/l , (9.21)

де Н — висота приміщення;

h — висота лінії зору над підлогою;

l- довжина приміщення.

Частина другої зони, що відповідає площі стелі з яскравістю L₂, визначається центральним кутом a_п, рис. 9.7.

Рис. 9.7

Частка участі випромінювання стелі приблизно визначається функцією

. (9.22)

При виконанні розрахунків яскравості адаптації можна користуватися таблицею:

=. Наприклад: для 1≤(L₁/L₂)≤10;

Lа_Д = Lст + 2,5 · 10^-2(L_п-Lст)k(θ);

для 10≤(L₁/L₂)≤100:

Lа_Д = Lст + (0.23L_ст+7 · 10^-3(L_п-Lст))k(θ);

L_ад — яскравість адаптації;

L_ст — яскравість стін;

L_п — яскравість стелі.

Рівень дискомфортної яскравості в установках зі стелями, що світять, мінімальний при тілесному куті світної стелі ω_с = 1 стер і зростає як при зменшенні, так і при збільшенні тілесного кута ω_с.

Тілесний кут, що охоплює світлова стеля, визначається так:

ω_c = 2[arcsin (sin α₁ sin α₂₎-arcsin (sin а₁ sin α₂^’)]. (9.23)

Обмеживши кут а'₂ = 30°

ω_c = 2[arcsin (sin α₁ sin α₂₎-arcsin ((sin а_1/2))]. (9.24)

 

 

Лекція 10. ПУЛЬСАЦІЯ ВИПРОМІНЮВАННЯ

Світловий потік газорозрядних джерел світла при живленні струмом промислової частоти пульсує з частотою 100 Гц. Причиною цього є інерційність… Якісний критерій - пульсація яскравості робочої поверхні у часі, рис 10.1.  

Класифікація світних елементів

   

Лекція 12. РОЗРАХУНОК ПРЯМОЇ СКЛАДОВОЇ ОСВІТЛЕНОСТІ

Розглянемо загальний випадок розрахунку освітленості від світильника із симетричним світлорозподілом, обумовленим відомою залежністю /а = / (а). Нехай на деякій відстані l від світильника, що значно перевищує його розміри,…

Розрахунок освітленості від несиметричних світильників

Рис. 12.3  

Просторові криві рівної відносної освітленості

Побудову таких кривих для даного типу світильника здійснюють за кривими відносної освітленості для різних поздовжніх площин j = const. Задаючись…  

Розрахунок освітленості від прожекторів заливаючого світла

Розрахунок прожекторного освітлення може здійснюватися за допомогою співвідношень, справедливих для точкових елементів, що світять. Специфіка… Нехай у деякій точці О розташований прожектор заливаючого світла, оптична вісь… Напрямок сили світла до розрахункової точки А буде визначатися кутами bв і bм у двох взаємно перпендикулярних…

Лекція 13. МЕТОД КРИВИХ РІВНИХ ЗНАЧЕНЬ ВІДНОСНОЇ ОСВІТЛЕНОСТІ

При розрахунку освітленості в багатьох точках освітлюваної поверхні або розрахунку освітленості від великого числа прожекторів звичайно користуються… Криві рівних значень відносної освітленості, під якою розуміється освітленість… Для визначення освітленості в точці А горизонтальної площини Q побудуємо допоміжну площину Р, що проходить через…

Алгоритм розрахунку

2. За кривими рівної відносної освітленості знаходимо; 3. За (13.10) визначаємо освітленість горизонтальної або вертикальної… Водночас із завданням розрахунку освітленості в заданій точці викладений метод дозволяє вирішити й зворотне завдання,…

Розрахунок освітленості від лінійних елементів, що світять

була рівнобіжна розрахунковій площині. Припустимо, що лінія, що світить, ВС розташована в площині Р так, що вісь її…  

Розрахунок освітленості від лінії, що світить, у вертикальній площині

. (13.28) Відповідно рівняння для освітленості (13.25) перепишемо у вигляді . (13.29)

Алгоритм розрахунку

1. З креслення, що визначає положення лінії, що світить, відносно розрахункової точки, знаходимо кут ( = arctg (a/h_p);

2. За кривими сили світла світильника визначаємо силу світильника

з одиниці довжини лінії:

, (13.31)

де - сила світла світильника для F_л = 1 000 лм.

3. З креслення, що визначає положення лінії, що світить, відносно розрахункової точки, знаходимо кут (=arctg(L/l);

4. Користуючись рівняннями (13.25), (13.29) і (13.30), визначаємо освітленість у розрахунковій точці.

Лекція 14. РОЗРАХУНОК ОСВІТЛЕНОСТІ

РОЗТАШОВАНИХ У ЛІНІЮ З РОЗРИВАМИ На рис14.1 і 14.2 зображені світна лінія з розривами і криві розподілу…

Метод кривих рівної відносної освітленості.

. (14.4) З рис. 14.3 φ=arctg, (14.5) де n — число світильників у лінії.

Рис.14.4 Рис.14.5

 

Для полегшення побудови кривих = f(р') зручно користуватися графіком, приведеним на рис. 14.5. На осі абсцис графіка відкладені значення відносної довжини лінії, що світить, L', а на осі ординат - функція f(р', L'), обумовлена згідно з [4] розміром і положенням лінії, що світить, відносно розрахункової точки:

. (14.10)

Задаючись значеннями L’ з графіка, знаходимо значення функції f(р', L') і кути j, відповідні різним значенням р'. Відносна освітленість для заданих р' і L,' визначається як добуток функції f(р', L') на значення сили світла світильника (I_j)₁₀₀₀ , знайдене за поперечної кривою сили світла для відповідного кута j.

Задаючись значеннями , за графіком = f(р') (рис. 14.5) знаходимо значення р', що відповідають кожному значенню L', і наносимо їх на заздалегідь підготовлену сітку в прямокутній системі координат. З'єднуючи отримані точки плавними кривими, одержуємо графік лінійних ізолюкс.

На осі ординат графіка відкладені відносні розміри лінії, що світить, а на осі абсцис - відносні відстані від проекції осі лінії a/hp.

 

Алгоритм розрахунку освітленості з використанням кривих рівної відносної освітленості:

1) з креслення, що визначає положення лінії, що світить, відносно точки розрахунку знаходимо відносні координати:

;

2) за кривими відносної освітленості визначаємо для знайдених р' і L’;

3) за знаходимо освітленість горизонтальної площини.

Лекція 15. Розрахунок освітленості від поверхонь рівномірної яскравості, що світять

  Рис. 15.1 Освітленість у точці А розрахункової площині Р, створювана елементом, що світить, d, до якого застосуємо закон…

Алгоритм розрахунку

1. З креслення, що визначає положення прямокутника, що світить, відносно розрахункової точки, знаходимо відносні координати _Р2 = b/m і _Р1 = a/m;

2. За номограмою e=f(P_1, P₂) визначаємо коефіцієнт освітленості е;

3. За E_A = pL_e = М_e заданої світності визначаємо освітленість;(е-коефіцієнт освітленості в розрахунковій точці, створюваній розрахунковою поверхнею).

Лекція 16. РОЗРАХУНОК РОЗПОДІЛУ СВІТЛОВОГО ПОТОКУ ВІД ТОЧКОВОГО ВИПРОМІНЮВАЧА

Для розрахунку сумарної освітленості на розрахунковій площині, а також розподілу яскравості (світності) у полі зору треба попередньо знайти розподіл… Розглянемо спочатку метод розрахунку світлового потоку від точкового елемента,… 1. Світлорозподіл світильника характеризується залежністю I0=f(a);

Визначення світлового потоку, що падає на смугу нескінченної довжини

  РРис. 16.4 Рис. 16.5

Послідовність розрахунку

2. З креслення, що визначає розташування світильника відносно розрахункової площини, знаходимо координати a/h і b/h; 3. За знайденими координатами a/h і b/h, користуючись графіком на , знаходимо… 4. За кривою сили світла світильника розраховуємо зональні світлові потоки для 10-градусних зон оточуючого світильник…

Метод тілесних кутів первинного використання

Світловий потік, що падає на розрахункову площину або стелю, визначається як сума добутків середнього значення сили світла світильника для кожної… (16.11) Тілесні кути залежать не тільки від розмірів розрахункової площини і висоти розташування над нею світильників, але і…

Метод зональних множників

Ними розраховані коефіцієнти, названі зональними множниками, що являють собою відношення світлового потоку, що падає на розрахункову площину до… Зональні множники, як і тілесні кути первинного використання, залежать від… Існують таблиці зональних множників для різних значень L/h (0,4; 0,75; 1,0; 1,25 і 1,5) залежно від індексу приміщення…

Лекція 17. РОЗРАХУНОК РОЗПОДІЛУ СВІТЛОВОГО ПОТОКУ ВІД СВІТНОЇ ЛІНІЇ

1. На горизонтальну площину, рівнобіжну її осі. 1) Розіб'ємо простір, що оточує лінію, яка світить, на рівні двогранні кути g.… 2) нехай потік, що падає на одну зі стін, перпендикулярну до осі лінії, що світить - Fg;

Освітленість у розрахунковій точці для цього випадку

Світловий потік, що падає на смугу шириною dr у межах двогранного кута g   . (17.9)

Результа

     

Метод зональних множників

. (17.15) Рис. 17.4

Лекція 18. РОЗРАХУНОК РОЗПОДІЛУ СВІТЛОВОГО ПОТОКУ ВІД РІВНОЯСКРАВОЇ ПОВЕРХНІ, ЩО СВІТИТЬ

Розрахунок освітленості від поверхонь, що світять, розташовуваних звичайно в площині стелі, зводиться до визначеної освітленості від поверхні, що… 1.Поверхня, що світить, перпендикулярна до розрахункової площини, що…

Світний прямокутник, площина якого рівнобіжна розрахунковій площині

Визначивши освітленість, створювану поверхнею, що світить, S1 у розрахунковій точці поверхні S2 знаходимо світловий потік, який падає на елемент…   Рис. 18.4

Розрахунок світлового потоку з диска на рівнобіжний диск

Якщо диск, що світить, розташований у центрі стелі прямокутного приміщення, то цей випадок зводиться до найпростішого, прямокутник заміняється… лентним квадратом, а квадрат по площі рівнояскравим диском. Рис. 18.6

Лекція 19. РОЗРАХУНОК ОСВІТЛЮВАЛЬНИХ УСТАНОВОК З УРАХУВАННЯМ БАГАТОРАЗОВИХ ВІДБИТТІВ

У тих випадках, коли поверхні, що обмежують простір, мають високі коефіцієнти відбиття, відбита складова освітленості може мати велике значення і їх… Світловий потік елементів, що світять, розташованих усередині розглянутого… 1) світловий потік елементів, що світять, який безпосередньо падає на стелю Fп';

Визначення середньої яскравості (світності) поверхонь приміщення

(19.18) (19.19) Замінивши всі коефіцієнти використання світлового потоку через коефіцієнт використання світлового потоку відносно…

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1.Мешков В.В. Осветительные установки. М.-Л., Госэнергоиздат, 1947. 2.Масекене К.С. Исследование работоспособности в условиях промышленной… 3.Гуторов М.М. Средняя цилиндрическая освещенность //«Светотехника», 1963.- № 10; Графический метод определения…