Расчет освещенности
При проектировании освещения расчет освещенности является основополагающим расчетом. В настоящее время имеется большое количество программ для компьютеров, например DIALux, позволяющих автоматизировать процесс вычислений. Для программы DIALux практически все производители светильников выпускают базу данных своих осветительных приборов, позволяющих выполнить все расчеты освещенности для использования конкретного светильника, что повышает точность и достоверность расчетов. Но уметь выполнить все расчеты вручную все равно должен уметь каждый, кто, так или иначе, связан с освещением.
Автоматизация расчетов не означает, что после выполнения монтажа и включения светильников освещенность в помещении окажется точно соответствующей расчетной. Как правильно нормировать и измерять освещенность после монтажа осветительной установки, подробно изложено в статье «Нормирование освещенности при расчетах». Все расчеты освещенности очень приблизительны. Особенно это касается помещений, имеющих площадь менее 50 м 2 . На результаты расчетов очень большое влияние оказывают коэффициенты отражения стен и потолка. Достаточно в помещении со светлыми стенами покрасить их темной краской, что бы уменьшить освещенность в 2 – 2,5 раза при площади помещения 20 – 30 м 2 и в 1,5 раза при площади более 100 м 2 . А если учесть, что все расчеты выполняются до строительства или реконструкции здания, то точные значения коэффициентов отражения не всегда известны. Поэтому крайне важно предусмотреть возможность включения светильников частями, либо иметь возможность плавной регулировки освещенности. При использовании светильников с лампами накаливания при необходимости можно применить лампы другой мощности.
Нормы освещенности зависят от вида освещаемого помещения. Требуемые уровни освещенности помещений можно найти в СП 52.13330.2011 «Естественное и искусственное освещение (актуализированная редакция СНиП 23-05-95*)», в СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03, и в своде правил по проектированию и строительству СП 31-110-2003.
Например, освещенность офисных помещений и классных комнат учебных заведений должна быть в пределах 400 – 500 люкс, торговых залов магазинов 300 – 400 люкс, жилых комнат и кухонь – 150 люкс, коридоров и лифтовых холлов – 75 люкс.
При этом следует учитывать, что при использовании ламп накаливания ощущение комфортности освещения возникает примерно при 75 люксах, а при использовании люминесцентных ламп при освещенности более 150 люкс. Ранее освещенность нормировали раздельно для ламп накаливания и люминесцентных ламп, например в СНиП II-В.6 (действовал с 1955 по 1971 год). Сейчас нормы освещенности ориентированы на люминесцентные лампы
Освещенность определяется как отношение светового потока, падающего на освещаемую поверхность, к площади этой поверхности. Если бы весь световой поток всех источников света беспрепятственно достигал освещаемой поверхности, то расчет освещенности сводился бы к простой операции деления суммы светового потока всех ламп на площадь освещаемой поверхности. Но, часть светового потока теряется в конструктивных элементах светильников, часть поглощается стенами и потолком. Так же необходимо принимать во внимание неравномерность освещенности в разных точках освещаемой поверхности. Поэтому введен коэффициент использования светильника (обозначаемый буквой U), который показывает, какая часть от полного светового потока источников света достигает освещаемой поверхности. Очевидно, что в помещении с небольшой площадью и очень высоким потолком весьма большая часть светового потока попадает на стены. При низком коэффициенте отражения стен (стены покрашены очень темной краской, либо на них поклеены темные обои) световой поток не отразится от стен и, в значительной степени, поглотится ими, что вызовет уменьшение коэффициента использования. Светлые стены отражают свет и способствуют увеличению освещенности. При больших площадях помещений доля светового потока, падающего на стены, не велика, и влияние коэффициента отражения стен уменьшается. В помещениях с большим отношением длины к ширине (протяженные коридоры) коэффициент использования светильников меньше, чем в квадратных помещениях аналогичной площади, так как в коридорах увеличивается площадь освещаемых стен. Исходя из этого коэффициент использования светильника зависит от коэффициентов отражения потолка ρп, стен ρс, пола ρпола и геометрических размеров освещаемого помещения.
Среднюю освещенность помещения Еср можно выразить соотношением:
где: Фл – световой поток лампы, единица измерения люмен (лм), является паспортной характеристикой ламп;
n – количество ламп в светильнике, шт.;
N – количество светильников в освещаемом помещении, шт.;
S – площадь освещаемого помещения, м 2 ;
U – коэффициент использования;
k – коэффициент запаса, принимается 1,4 для сухих чистых помещений и 1,7 для пыльных и сырых помещений.
Для определения коэффициента использования U необходимо знать коэффициенты отражения от потолка, стен и пола и так называемый индекс помещения φ, который определяется выражением:
где a,b – длина и ширина помещения;
Hр – высота установки светильников над расчетной плоскостью. За расчетную плоскость (h2) обычно принимают высоту письменного стола (0,8 метра). Если к примеру высота установки светильника над уровнем пола (h1 равна 3 метра, то Hр= h1 — h2= 3 — 0,8=2,4 м.
Коэффициенты отражения можно принять: 70 — 80% для белых поверхностей, 50 — 60% для светлых. Поверхности серого цвета имеют коэффициент отражения 20 – 30%, а темные, например стена, оштукатуренная цементным раствором только 10% и черные поверхностей – 0%.
Вычисление коэффициента использования светильника заключается в решении системы линейных алгебраических уравнений, составленных для всех отражающих поверхностей. Решения этих уравнений позволяют определить величины световых потоков, установившихся на всех поверхностях. Обычно эти вычисления проводят при конструировании светильника для разных коэффициентов отражения и индексов помещения. Производители светильников приводят эти значения в виде таблиц или графиков в каталогах своей продукции. Например, большое количество подобных таблиц для различных светильников можно найти в каталоге компании «Световые технологии» (http://www.ltcompany.com).
Рассмотрим три наиболее часто используемые осветительные системы с люминесцентными лампами.
1). Светильники с отражателями и экранирующей решеткой из анодированного алюминия. Оптическая схема светильника показана на Рис. 1. Световой поток нижней полусферы ламп непосредственно направлен на освещаемую поверхность, а для направления светового потока верхней полусферы ламп используется отражатель. Это наиболее распространенная конструкция светильников для офисных помещений, встраиваемых в подвесные потолки.
Оптическая схема светильника с отражателем
Рис.1 Оптическая схема светильника с отражателем
Графики зависимостей коэффициентов использования светового потока светильника от индекса помещения при разных коэффициентах отражения показаны на Рис.2.
Коэффициенты использования светильника с отражателем
Рис. 2 Коэффициенты использования светильника с отражателем
2). Светильники отраженного света, в которых световой поток как нижней, так и верхней полусфер ламп попадает на освещаемую поверхность после отражения от отражателей светильника. Оптическая схема светильника показана на Рис. 3. Данный светильник так же предназначен для подвесных потолков. Они имеют низкие значения коэффициентов использования за счет потерь светового потока в конструктивных элементах светильника, но по показателям ослепленности они значительно превосходят другие типы осветительных приборов.
Оптическая схема светильника отраженного света
Рис. 3 Оптическая схема светильника отраженного света
Графики коэффициентов использования для таких светильников показаны на Рис. 4
Коэффициенты использования светильника отраженного света
Рис. 4 Коэффициенты использования светильника отраженного света
3). Светильники прямого и отраженного света, в которых световой поток нижней полусферы ламп направлен на освещаемую поверхность, а верхней полусферы – на потолок. В таких светильниках можно добиться коэффициентов использования светового потока, близких к 1, при большой отражающей способности потолка. Оптическая схема светильника показана на Рис. 5. Данный осветительный прибор относится к классу подвесных светильников.
Оптическая схема светильника прямого и отраженного света
Рис. 5 Оптическая схема светильника прямого и отраженного света
Графики коэффициентов использования представлены на Рис. 6.
Коэффициенты использования светильника прямого и отраженного света
Рис. 6 Коэффициенты использования светильника прямого и отраженного света
Чаще задача заключается в нахождении количества светильников N, обеспечивающих требуемую освещенность. Для этого выражение (1) представим в виде:
В выражении (3) использована средняя освещенность, но нормируется минимальная освещенность Eн в помещении, поэтому в выражение (3) добавим коэффициент z=Eср/Emin, который можно принять равным 1,1 при количестве светильников более 4 в помещениях с отношением длины к ширине менее 3; 1,2 при количестве светильников 2 – 4 и 1,4 при использовании одного светильника в помещении, либо в помещениях с большим отношением длины к ширине (в длинных коридорах).
При проектировании освещения всегда необходимо контролировать суммарную мощность использованных источников света и удельную мощность, измеряемую как отношение суммы мощностей всех ламп к площади освещаемого помещения:
Для однотипных помещений иногда расчет освещенности выполняют по величине удельной мощности, хотя точность такого расчета, как правило, не высока.
При использовании светильников с пускорегулирующей аппаратурой (ПРА), мощность, потребляемая светильниками от электрической сети, всегда будет больше, чем суммарная мощность ламп вследствие потерь в ПРА.
При проведении вычислений удобно пользоваться электронными таблицами Excel. Для расчетов необходимо использовать формулы 2, 4 и 5. Применение электронных таблиц позволяет оперативно выполнить расчеты при использовании различных светильников.
В приложенном к статье файле «Примеры расчета освещенности» представлены результаты вычислений освещенности при использовании светильников, содержащих четыре люминесцентных лампы с улучшенной цветопередачей мощностью 18 Вт, которые имеют длину 600 мм, диаметр 26 мм, цоколь G13 и световой поток 1350 лм. Расчеты выполнены для помещений площадью 24 м 2 , 40 м 2 , 80 м 2 , 150 м 2 и 300 м 2 . Рассмотрен вариант помещений со светлыми поверхностями (коэффициенты отражения потолка, стен и пола 80, 50 и 30 %) и темными (коэффициенты отражения потолка, стен и пола 30, 30 и 10 %). Результаты вычислений показаны на рисунках 7, 8 и 9. Данный файл можно скачать и пользоваться им для своих расчетов, вводя в его поля свои данные. Что бы файл случайно не «испортить», его желательно хранить в отдельной папке, а для выполнения расчетов копировать в другую папку.
Результаты вычисления освещенности – светильники с отражателем
Рис. 7 Результаты вычисления освещенности – светильники с отражателем
Рис. 8 Результаты вычисления освещенности – светильники отраженного света
Рис. 9 Результаты вычисления освещенности – светильники прямого и отраженного света
Как видно из представленных результатов вычислений, по энергоэффективности светильники прямого и отраженного света превосходят светильники с отражателями только в помещениях со светлыми поверхностями, имеющих площадь не менее 50 – 80 м 2 . Хотя их часто используют для освещения небольших кабинетов ввиду их оригинального дизайна.
Светильники отраженного света чаще используют для освещения помещений с нормированной освещенностью не более 300 лк.
При проектировании освещения иногда необходимо учитывать устанавливаемую в помещениях мебель, так как она коренным образом может повлиять на отражающую способность стен, и, как правило, снизить освещенность в помещении.
В больших помещениях светильники необходимо располагать максимально равномерно по потолку, если нет необходимости осуществлять их привязку к проходам и оборудованию. В каждом конкретном случае индивидуально выбирают места установки осветительных приборов.
Источник
Расчет освещенности помещений врукопашную
Постараюсь очень кратко и просто изложить метод ручного расчета освещения в помещениях, которому меня научили на курсе «Расчет освещения» школы светодизайна LiDS.
Какой должна быть освещенность
При планировании освещения, в первую очередь нужно определить соответствующую нормам целевую освещенность и посчитать общий световой поток, который должны давать светильники в помещении.
С нормативами определиться просто – либо ищем свой тип помещения в таблицах СанПиН 2.21/2.1.1/1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий» и СП 52.13330.2011 «Естественное и искусственное освещение», либо соглашаемся с основным требованием по освещенности жилых помещений – 150лк или офисных помещений с компьютерами – 400лк.
Грубая оценка необходимого светового потока
По умолчанию расчет освещенности делается в программе Dialux. Но результат хотя бы приблизительно нужно знать заранее, чтобы сверить данные с оценкой «на глазок».
Как написано даже в Википедии, средняя освещенность поверхности — это отношение падающего на нее светового потока к площади. Но в реальном помещении часть светового потока светильника рабочих плоскостей не достигает, пропадая на стенах. Освещенность в помещении – это отношение общего светового потока светильников к площади помещения с поправочным коэффициентом «η». 
Долю света «η», который доходит до рабочих поверхностей, можно оценить на глазок. В самом общем приближении для некоего очень среднего помещения с какими-то там светильниками до рабочих поверхностей доходит примерно половина света, а значит для очень грубой оценки можно использовать коэффициент η = 0,5.
Например, в комнате площадью 20м 2 светильник со световым потоком 700лм (эквивалент лампы накаливания 60Вт) создаст освещенность Е = 0,5 × 700лм / 20м 2 = 18лк. А это значит, что для достижения норматива в 150лк, нужно F = 700лм × (150лк / 18лк) =5800лм, или эквивалент 8-ми лампочек накаливания по 60Вт!
(Полкиловатта ламп накаливания на небольшую комнату! Понятно, почему нормы освещенности для жилых помещений гораздо ниже, чем для учреждений, и почему учреждения уже давно никто лампами накаливания не освещает.)
Более точный метод ручного расчета
Но так как помещения бывают с разными стенами, разной формы, с высокими или низкими потолками, поправочный коэффициент не обязательно равен 0,5 и для каждого случая свой: на практике, от 0,1 до 0,9. При том, что разница между η = 0,3 и η = 0,6 уже означает разбег результатов в два раза.
Точное значение η нужно брать из таблиц коэффициента использования светового потока, разработанных еще в СССР. В полном виде с пояснениями таблицы привожу в отдельном документе. Здесь же воспользуемся выдержкой из таблиц для самого популярного случая. Для стандартного светлого помещения с коэффициентами отражения потолка стен и пола в 70%, 50%, 30%. И для смонтированных на потолок светильников, которые светят под себя и немного вбок (то есть имеют стандартную, так называемую, «косинусную» кривую силы света).
Табл. 1 Коэффициенты использования светового потока для потолочных светильников с косинусной диаграммой в комнате с коэффициентами отражения потолка, стен и пола – 70%, 50% и 30% соответственно.
В левой колонке таблицы указан индекс помещения, который считается по формуле:
, где S — площадь помещения в м 2 , A и B — длина и ширина помещения, h — расстояние между светильником и горизонтальной поверхностью, на которой рассчитываем освещенность.
Если нас интересует средняя освещенность рабочих поверхностей (стола) в комнате площадью 20м 2 со стенами 4м и 5м, и высоте подвеса светильника над столами 2м, индекс помещения будет равен i = 20м 2 / ( ( 4м + 5м ) × 2,0м ) = 1,1. Удостоверившись, что помещение и лампы соответствуют указанным в подписи к таблице, получаем коэффициент использования светового потока – 46%. Множитель η = 0,46 очень близок к предположенному навскидку η = 0,5. Средняя освещенность рабочих поверхностей при общем световом потоке 700лм составит 16лк, а для достижения целевых 150лк, потребуется F = 700лм × ( 150лк / 16лк ) = 6500лм.
Но если бы потолки в комнате были выше на полметра, а комната была не «светлым», а «стандартным» помещением с коэффициентами отражения потолка, стен и пола 50%, 30% и 10%, коэффициент использования светового потока η составил бы (см. расширенную версию таблицы) η = 0,23, и освещенность была бы ровно вдвое меньше!
Проверяем расчеты в диалюксе
Построим в диалюксе комнату 4 × 5м, высотой 2,8м, с высотой рабочих поверхностей 0,8м и теми же коэффициентами отражения, что и при ручном счете. И повесим 9шт мелких светильников с классической косинусной диаграммой по 720лм каждый (6480лм на круг).
Рис. 1 Взятый для примера светильник Philips BWG201 со световым потоком 720лм, и его классическое «косинусное» светораспределение
Получится ли у нас средняя освещенность рабочих поверхностей в 150лк, как мы оценили вручную? Да, результат расчета в Dialux – 143лк (см. рис2), а в пустой комнате без мебели и человеческой фигуры – 149лк. В светотехнике же значения, различающиеся менее чем на 10% считаются совпадающими.
Рис. 2 Результат расчета в диалюксе – средняя освещенность рабочей поверхности (при коэффициенте запаса 1,0) составила 143лк, что соответствует целевому значению 150лк.
Рис. 3 Красивые картинки, в которые верят люди.
Заключение:
На грубую оценку примитивным методом по формуле E = 0.5 × F / S потребуется 1 минута времени, на уточнение коэффициента использования по таблицам – еще 3 минуты, на проект в диалюксе после некоторого обучения – около 20 минут и еще 20 минут, если хочется «навести красоту». Диалюкс выдает очень красивые картинки (см. рис. 3), которые стоят потраченного труда, потому что в них верят люди. Но по соотношению эффективности и трудозатрат оценка освещенности врукопашную вне конкуренции. Ручной счет прост, надежен и эффективен как саперная лопатка, дает уверенность и понимание.
Источник