Розміщення світильників

 

Вибір розміщення світильників загального освітлення є одним з основних питань, що вирішуються при побудові освітлювальних установок, що впливають на їх економічність, якість освітлення й зручність експлуатації.

На рис. 3.2 наведені типові випадки розміщення світильників, де прийняті такі позначення, якими надалі будемо користуватися без пояснень:

Н – висота приміщення, а при ферменному покритті – висота до затягування ферм;

h_c – відстань світильників від перекриття або затягування ферм;

h_р – висота робочої поверхні над підлогою;

h_п – висота установки світильників над підлогою;

h = h_п – h_р = Н – h_c – h_р – розрахункова висота;

L – відстань між світильниками або їх рядами;

L_A, L_b – відстані між світильниками в напрямку уздовж і поперек приміщення, якщо вони неоднакові;

l – відстань крайніх рядів світильників від стіни; всі розміри зазначаються в метрах.

З названих розмірів Н і h_р є заданими; h_с, крім випадків установки світильників на стінах, береться в межах від 0 при установці на стелі або урівень з фермами і, як правило, до 1,5 м. Більші значення h_с не рекомендуються, але якщо вони приймаються, то повинні бути передбачені міри проти розгойдування світильників потоками повітря (необхідний твердий підвіс). Відстань l рекомендується брати близько за наявності біля стін проходів і близько в інших випадках. За необхідності забезпечити біля стін таку саму освітленість, як і по всій площі, відстань l може бути зменшена майже до нуля шляхом установки світильників на кронштейнах, укріплених на стінах.

На рис. 3.2б показаний «класичний» випадок

 

 

 

Рисунок 3.2 – Схеми розміщення світильників:

а – у розрізі; б – у плані;

1 – кутове поле; 2 – одне із центральних полів; 3 – осі ферм;
4 – осі містків обслуговування; 5 – стіна з вікнами

 

рівномірного розміщення світильників з лампами розжарювання або лампами ДРЛ по вершинах квадратних полів. За умовами розміщення світильників у конкретних приміщеннях часто доводиться брати поля прямокутної форми, причому в цьому випадку бажано, щоб відношення L_A : L_B не
перевищувало 1,5.

У приміщеннях з ферменним перекриттям (рис. 3.2 в) у більшості випадків світильники можуть встановлюватися лише на фермах. У цьому випадку допустимі й збільшені значення L_a : L_B , оскільки з мережних і експлуатаційних міркувань по можливості необхідно число поздовжніх рядів світильників. Особливо це важливо за наявності спеціальних містків для обслуговування світильників, уздовж яких світильники розміщуються, як правило, частіше (рис. 3.2 г).
Аленерідко світильники розміщуються блоками із 2 – 4 шт., якщо це необхідно для зниження коефіцієнта пульсації освітленості або якщо найбільша можлива потужність лампи менше необхідної з розрахунку.

На рис. 3.2 д показане так зване «шахове» розміщення світильників, у цьому випадку по вершинах квадратних, але діагонально розташованих полів. Теоретично оптимальним є шахове розміщення по вершинах ромбів з гострим кутом 60°. У вузьких приміщеннях іноді неминуче однорядне розміщення світильників, але у приміщеннях, де виконуються роботи, його варто уникати, оскільки при цьому (і при світильниках прямого світла) створюються глибокі тіні й не завжди забезпечується вдалий напрямок світла.

Світильники із трубчастими, тобто в основному люмінесцентними лампами, переважно розміщуються рядами, бажано паралельними стіні з вікнами (рис. 3.2 е) або довгій стороні вузького приміщення (рис. 3.2 ж). Розміщення світильників за схемою, наведеною на рис. 3.2 е, іноді оскаржується архітекторами з естетичних міркувань як таке, що психологічно підкреслює подовженість приміщення. Але у приміщеннях, призначених для роботи, треба, як правило, наполягати на такому розміщенні: напрямок світла в цьому випадку наближається до напрямку природного світла, полегшується можливість включення в сутінки тільки освітлення в глибині приміщення, при звичайній орієнтації робочих місць так, що природне світло падає на них ліворуч, зменшується пряма та відбита блискість і, нарешті, виявляється менша довжина групової мережі.

Елементи теорії найвигіднішого розміщення.

У нормах ДБН, за рідкісними винятками, нормована найменша освітленість поверхні, й саме вона повинна бути досягнута найвигіднішим чином.

Можуть визначатися умови, при яких для вирішення даного світлотехнічного завдання необхідний:

- мінімум світлового потоку ламп;

- мінімум потужності;

- мінімум річних експлуатаційних витрат.

Відповідно до цього можна говорити про світлотехнічне найвигідніше розміщення, енергетично найвигідніше розміщення й економічно найвигідніше розміщення. Величини, що ставляться до цих випадків, будемо позначати індексами «c», «е», «о». Рішенням завдання є, як правило, визначення відношення відстані між світильниками L до розрахункової висоти h, позначуваного . Для знаходження l, оптимального в певному відношенні, вивчається поводження функцій економічності Е_с, Е_е, Е_о, що дорівнюють або пропорційні витраті світлового потоку, електроенергії або коштів на експлуатацію.

Примітка

Економічність освітлювальних установок найбільш повно оцінюється не за річними експлуатаційними витратами, а за наведеними витратами, які враховують як річні експлуатаційні витрати, так і частку капітальних витрат, що визначається як вартість створення освітлювальної установки, помножену на нормативний коефіцієнт ефективності капітальних вкладень, що дорівнює 0,12. Однак стосовно питання найвигіднішого розміщення світильників урахування капітальних витрат практично не впливає на одержувані кінцеві результати, у зв'язку із чим для спрощення розрахунків оцінку варіантів можна робити за річними експлуатаційними витратами.

Попередньо розглянемо завдання визначення найвигіднішої висоти підвісу одиночного світильника, що освітлює точку А горизонтальної поверхні, віддалену на відстань d від проекції світильника на зазначену поверхню (рис. 3.3). Припустимо, що світлорозподіл світильника підкоряється закону

 

. (3.1)

 

Рисунок 3.3 – Освітлення горизонтальної поверхні

 

Не вимагає доведення те, що при h = 0 освітленість Е також дорівнює нулю і що при освітленість наближається до нуля, таким чином, виходить, що існує певна висота, при якій освітленість досягає максимуму. Наведемо вираз освітленості в такому вигляді:

 

.

 

Знаходячи похідну освітленості по висоті та прирівнявши її до нуля, знаходимо значення найвигіднішої висоти

 

. (3.2)

При m = 0 маємо рівномірний світлорозподіл і , при m = 1 – косинусний світлорозподіл і h = d. Якщо світильники розміщені по вершинах квадратних полів і розглядається точка, що лежить у центрі поля, то , звідки одержуємо співвідношення:

– для рівномірного світлорозподілу;

– для косинусного.

Для конкретних світильників може бути визначене значення m, що найбільш близько відповідає формі кривої сили світла, і за формулою (3.2) – значення h.

При даному світловому потоці світильника світлотехнічна економічність Е_с може бути взята пропорційною корисному потоку, що дорівнює добутку найменшої освітленості, тобто освітленості центральної точки поля, на площу поля:

 

.

 

Пропускаючи проміжні розрахунки, можна одержати, що

 

. (3.3)

 

Рівняння (3.3) справедливе і для випадку освітлення лініями, що світять.

Для найбільш характерних значень (т = 0 і т = 1) одержуємо:

– рівномірний світлорозподіл (при т = 0);

– косинусний світлорозподіл (при т = 1).

Фізичний зміст найвигіднішого значення L полягає в тому, що при збільшенні площі поля, починаючи від нуля, освітленість центральної точки спершу зменшується повільніше, ніж зростає площа поля, після ж певного моменту зменшення стає настільки швидким, що вже не компенсується зростанням площі. При цьому, справедливо, що найбільша освітленість має місце біля вершини поля, створюється в основному одним світильником і при зростанні значення L майже не змінюється, оскільки зі зростанням L освітлення стає все більш нерівномірним.

В умовах нормування найменшої освітленості підвищена нерівномірність економічно протипоказана, тому що на створення всієї освітленості понад найменшу формально неефективно затрачається світловий потік.

При освітленні лампами розжарювання збільшення значення L супроводжується переходом до ламп все більшої потужності й, отже, збільшенням світлової віддачі ламп. Це зрушує максимум економічності у бік більших значень L і призводить до розбіжності умов світлотехнічної й енергетичної економічності.

Приблизно можна припустити, що залежність світлового потоку ламп розжарювання від їхньої потужності Р підкоряється закону

 

,

 

в якому для ламп 220 В значення n » 1,14.

Умови електричної економічності визначаються максимумом функції

 

.

 

Розв’язок завдання в загальному вигляді дає результат

 

. (3.4)

 

Для рівномірного світлорозподілу значення ,
для косинусного , що в обох випадках істотно перевищує .

Вартість світильників і їхнього обслуговування зі збільшенням потужності лампи зростає повільніше, ніж потужність, і коли при збільшенні понад потужність починає зростати, річні витрати якийсь час ще продовжують зменшуватися, у результаті чого завжди, у принципі, , тобто економічно найвигідніша відстань між світильниками більш енергетично найвигіднішого.

Усі наведені раніше висновки базуються на розгляді ізольованого поля, центральна точка якого освітлюється чотирма світильниками. Але у великих приміщеннях може бути безліч таких полів, причому центр кожного, крім «своїх» чотирьох світильників, освітлюється й усіма іншими.

Нехай збільшується висота установки світильників, розташованих на незмінній відстані. Коли чотири найближчих світильники виявляються на найвигіднішій висоті, для інших світильників висота буде ще менш найвигіднішою, й при подальшому збільшенні висоти освітленість буде ще трохи збільшуватися. Аналогічно в умовах зміни значення L, коли це значення, зменшуючись, стає менше світлотехнічного найвигіднішого, економічність Е_с може продовжувати підвищуватися за рахунок вилучених світильників.

Зупинимося на ролі висоти h при її вільному виборі.
Коли світильники локалізованого освітлення розміщені над певними робочими місцями, роль висоти дійсно значуща, при загальному ж рівномірному освітленні вона порівняно невелика і тим менша, чим більша площа приміщення. Для підтвердження цього розглянемо теоретичний випадок, коли площа необмеженого розміру освітлюється безліччю світильників, висота яких зростає при збереженні значення незмінним.

Незмінність веде до того, що при одночасній зміні значень h і L напрямки від кожного зі світильників на центральну точку поля зберігаються, і освітленість від кожного світильника (а отже, і від усіх світильників) зменшується обернено пропорційно h². Отже, у тому самому відношенні повинен збільшуватися світловий потік кожного світильника для збереження освітленості незмінною. Але оскільки число світильників зменшується також пропорційно h², то загальний необхідний потік залишається незмінним; якщо ж освітлення виконується лампами розжарювання, то зі збільшенням значень h і L будемо переходити до ламп більшої потужності, тобто із все більшою світловою віддачею, і сумарна потужність освітлення буде зменшуватися, поки потужність лампи не досягне гранично можливого значення.

Усі наведені вище висновки з теорії найвигіднішого розташування світильників використовуються в практиці з деякими застереженнями, і знайдені значення L в основному служать лише для орієнтування при виборі розміщення світильників. Для цього є кілька причин.

Усі криві залежності поблизу максимуму досить похилі, і відхилення величини від оптимального значення в межах приблизно ±30%, як правило, припустимо. Визначальним фактором при практичному виборі значення L часто виявляється обмеженість сортаменту ламп.

 

Пояснення

У високих приміщеннях може виявитися оптимальним дуже велике значення L, але якщо при цьому для створення заданої освітленості необхідні, наприклад, лампи розжарювання потужністю 5 кВт, то доведеться зменшувати L. Щоправда, у виробничих приміщеннях замість цього часто застосовується установка світильників блоками, сумарний потік кожного з яких відповідає розрахунковому, а при використанні люмінесцентних ламп застосовуються здвоєні або строєні ряди світильників. Далі певні обмеження на розміщення світильників накладає конструкція перекриття, тобто наявність ферм, балок. Нарешті, й сама необхідність розмістити в межах певної довжини ціле число світильників уже викликає коригування значення L.

 

«Правило третин»

Нехай уздовж сторони приміщення довжиною А треба розмістити світильники при бажаній відстані
L і .

Спочатку визначається можливе число світильників , що округляється до меншого цілого числа, потім знаходиться уточнена відстань між світильниками:

 

. (3.5)

 

Вихідним значенням L при виборі розміщення світильників, як правило, повинне бути відповідне значення при лампах розжарювання і – в інших випадках. Значення для внутрішнього освітлення визначається лише в поодиноких випадках і обов'язково супроводжується перевіркою якості освітлення та можливістю його здійснення стандартними лампами.

 

3.7. Освітлювальні прилади (ОП)

 

Основне призначення світильників полягає в перерозподілі світлового потоку джерел світла в необхідні для освітлювальних установок напрямках і захисті ламп, оптичних елементів і електричних апаратів світильників від впливів навколишнього середовища.

Здійснюваний світильниками перерозподіл світлового потоку ламп неминуче пов'язаний із частковими втратами світлового потоку, і важливою (хоча невирішальною) характеристикою світильників є їхній коефіцієнт корисної дії, тобто відношення потоку світильника до потоку встановленої в ньому лампи.

Світильники розділяються на класи за світлорозподілом залежно від відношення світлового потоку, випромінюваного світильником у нижню півсферу Ф, до загального потоку світильника Ф_св (табл. 3.2).

 

Таблиця 3.2 – Класи світильників за світлорозподілом

Позначення класів світильників	Найменування класів світильників за світлорозподілом	Ф /Фсв , %
П	Світильники прямого світла	Ф /Фсв > 80
Н	Світильники переважно прямого світла	60 < Ф /Фсв ≤ 80
Р	Світильники розсіяного світла	40 < Ф /Фсв ≤ 60
В	Світильники переважно відбитого світла	20 < Ф /Фсв ≤ 40
О	Світильники відбитого світла	Ф /Фсв ≤ 20

 

Випромінюваний у даній півсфері потік може бути по-різному розподілений у просторі. Його розподіл за окремими напрямками простору характеризується кривими сили світла (КСС), причому особливе значення мають ці криві для нижньої півсфери. Напрямок сили світла у просторі задається меридіональним кутом і азимутом (рис. 3.4). Якщо для всіх меридіональних площин світлорозподіл однаковий, то він називається круглосиметричним і визначається однією меридіональною кривою. У багатьох випадках, наприклад у більшості світильників з горизонтально розміщеними трубчастими лампами, світлорозподіл має дві площини симетрії й характеризується поздовжньою й поперечною (стосовно осі ламп) кривими сили світла. У загальному випадку, тобто при несиметричному світлорозподілі, він характеризується кривими сили світла в декількох меридіональних площинах.

За формою кривої сили світла світильники діляться на
7 класів (рис. 3.5). Основною ознакою, що визначає тип кривої світлорозподілу світильника, є коефіцієнт форми K_ф:

Рисунок 3.4 – Площини й кути, для яких задаються
значення сили світла:

1 – поздовжня площина; 2 – поперечна площина;

– меридіональний кут; – азимут

 

Рисунок 3.5 – Типові криві сили світла

, (3.6)

 

де I_max – максимальне значення сили світла світильника;
I_сер – середньоарифметичне значення сили світла світильника.

Класифікація світильників за світлорозподілом у просторі й криві сили світла ДСТ 13677-82 наведені в табл. 3.3.

Велике значення для обмеження засліпленості, що створюється світильниками, має захисний кут (рис. 3.6), який створюється відбивачем, а у світильниках з люмінесцентними лампами – також планками екрануючої решітки.

 

Таблиця 3.3 – Типи кривих сил світла

Позначення типу кривої сили світла	Тип кривої сили світла	Зона напрямків максимальної сили світла, град.
К	Концентрована	0 – 15
Г	Глибока	0 – 30; 180 – 150
Д	Косинусна	0 – 35; 180 – 145
Л	Напівширока	35 – 55; 145 – 125
Ш	Широка	55 – 85; 125 – 95
М	Рівномірна	0 – 90; 180 – 90
С	Синусна	70 – 90; 110 – 90

 

 

Рисунок 3.6 – Захисний кут, який створюється:
а – відбивачем, б – захисними решітками

 

Вибір ОП для освітлення промислових підприємств здійснюється з урахуванням багатьох умов. Найважливішим світлотехнічним параметром ОП є його КСС. Економічність загального освітлення виробничих приміщень дуже сильно залежить від правильного вибору ОП за світлорозподілом. Використання ОП з неефективною для наявної висоти підвісу й прийнятою схемою розміщення призводить до перевитрати електроенергії на 30-35%. На основі аналізу багатоваріантного розрахунку ОУ виробничих приміщень на ЕОМ, виконаного для промислових споруд із різними будівельними рішеннями, і при використанні ОП з різними типовими класифікаційними КСС були побудовані енергетично вигідні області застосування ОП, що масово випускаються з різними КСС. У практиці проектування наближена перевірка ефективності вибору ОП за світлорозподілом (для ОУ загального рівномірного освітлення) може бути проведена за допомогою спрощеного критерію економічності ОП, застосування якого припускає оцінку співвідношення відстані L між сусідніми ОП (або їхніми рядами) до висоти h установки ОП над розрахунковою поверхнею й зіставлення отриманих значень із рекомендованими для кожного типу КСС відповідно до
ДСТ 17677-82 (табл. 3.4)

 

Таблиця 3.4 – Рекомендовані та найбільш припустимі значення L/h для ОП з різними КСС, що забезпечують рівномірність освітлення

Тип КСС	Значення L/h
рекомендоване	найбільш припустиме
К	0,4-0,7	0,9
Г	0,8-1,2	1,4
Д	1,2-1,6	2,1
Л	1,4-2,0	2,3
М	1,8-2,6	3,4

 

Допускається зменшення рекомендованих співвідношень L/h, якщо це обумовлено конструкцією перекриття, а також у випадках, коли це необхідно для забезпечення нормованих значень показника засліпленості й коефіцієнта пульсації або при найменшому рекомендованому значенні L/h і найменшої можливої потужності не забезпечується нормована освітленість.

Якщо тип КСС невідомий, середнє рекомендоване співвідношення можна приблизно визначити за формулою

 

,

 

де – світловий потік ОП у нижню півсферу (для ОП із ЛЛ умовно розраховується по поперечній КСС); – осьова сила світла ОП.

Розміщення ОП. При розміщенні ОП у виробничих приміщеннях необхідно враховувати такі основні умови: створення нормованої освітленості найбільш економічним шляхом; дотримання вимог до якості освітлення (рівномірність, напрямок світла, обмеження тіней, пульсації освітленості, а також пряма й відбита блискість); безпечний і зручний доступ для обслуговування; найменша довжина й зручність монтажу групової мережі; надійність кріплення ОП.

Для підвищення економічності рішень ОУ можуть використовуватися як рівномірні, так і нерівномірні схеми розміщення ОП. При трьох і більше рядах ОП у прольоті перевагу варто віддавати схемам з розрідженими центральними рядами. Якщо ОУ виконана ОП із ЛЛ, то при суцільному розміщенні ОП у крайніх рядах у середніх їх доцільно розташовувати з розривами, що дозволяє знизити нерівномірність і забезпечити нормовану освітленість при меншій установленій потужності.

 

При виборі місця й способу установки ОП необхідно зважати на будівельні особливості приміщень, їхню висоту, наявність кранового й транспортного устаткування. У багатьох приміщеннях виробничих будинків є мостові крани, що затінюють установлені вище них ОП загального освітлення, що знижує освітленість у зоні розміщення крана. У цьому випадку під мостом крана необхідно встановлювати ОП підкранового освітлення, що живляться від силової мережі крана.

Промислові ОУ живляться від трансформаторів, на шинах яких підтримуються постійні рівні напруги, необхідні для ДС. Для аварійного й евакуаційного освітлення повинна забезпечуватися необхідний ПУЕ ступінь надійності й безперебійності електропостачання. Електроустаткування, що застосовується в ОУ, і освітлювальні мережі повинні відповідати умовам навколишнього середовища, забезпечувати вибухо-, пожежо- і електробезпечність, мати в необхідних випадках захист від механічних ушкоджень. Система керування освітленням повинна бути зручною для експлуатації.

У виробничих приміщеннях з недостатнім за нормами природним освітленням або без нього в необхідних випадках передбачають установки ультрафіолетового еритемного опромінення тривалої або короткочасної дії.

Для виробничих приміщень за необхідності створення освітленості в горизонтальній площині найбільш доцільні світильники прямого світла (класу П, табл. 3.2), а в приміщеннях із світлою стелею й стінами – світильники переважно прямого світла (класу Н). Чим вище приміщення й більш нормована освітленість, тим більш концентровані криві сил світла повинні мати світильники. Для дуже високих приміщень найбільш вигідні світильники з концентрованою кривою типу К (табл. 3.3) і в міру зменшення висоти – із кривими Г і Д.

У приміщеннях, де робочі поверхні перебувають у довільно розміщених вертикальних площинах, застосовуються світильники розсіяного світла (класу Р) з напівширокою (Л) або рівномірною (М) кривими сил світла. Якщо ж вертикально розміщені робочі поверхні перебувають по один бік від ряду світильників (наприклад, складальні конвеєри автомобільних заводів), варто вибирати світильники спеціального однобічного світлорозподілу або встановлювати в похилому положенні світильники із кривими типу Г або Д.

У деяких виробничих приміщеннях характер зорових робіт вимагає створення достатніх освітленостей від загального освітлення як у горизонтальній, так і довільно орієнтованих похилих і вертикальних площинах. У цих умовах необхідно прагнути до можливого зближення освітленостей у різних площинах. При виборі світлорозподілу світильників для таких приміщень необхідно враховувати, що відношення вертикальної освітленості до горизонтальної максимальне при кривій сил світла типу К, зменшується при кривих типів Г і Д і є найбільш сприятливим при кривих типів М та Л.

Для освітлення адміністративно-конторських приміщень і лабораторій, як правило, використовуються світильники прямого й розсіяного світла (класів Н, Р) із кривими сил світла типів Д і Л.

Світильники переважно відбитого (класу В) і відбитого світла (класу О) у виробничих спорудах, як правило, не застосовуються. Вони використовуються в основному в установах архітектурного освітлення громадських будинків. Для внутрішнього освітлення практично не застосовуються світильники із кривою Ш, які застосовні для зовнішнього освітлення.

При проектуванні освітлювальних установок виявлення найбільш доцільного варіанта світлорозподілу світильників і типів джерел світла може виконуватися за найбільшим значенням добутку коефіцієнта використання світильника для даного приміщення на світлову віддачу джерела світла.

Клас світлорозподілу світильників, тип і форма кривої сили світла, як правило, зазначаються в каталожних і довідкових матеріалах світильників. Необхідно мати на увазі, що форми кривих сил світла для конкретних типів світильників можуть трохи відрізнятися від типових кривих, але при цьому позначення типу кривої у каталогах не змінюється.