Краткие теоретические сведения. Исследование эффективности и качества искусственного освещения

Исследование эффективности и качества искусственного освещения

 

Цель работы. Изучение количественных и качественных характеристик освещения. Знакомство с различными источниками света и приборами для измерения количественных характеристик освещения.

Краткие теоретические сведения

Освещение–необходимый фактор не только для нормального функционирования организма человека, но и для осуществления любых видов работ. Зрение является важнейшим источником получения информации, поступающей в мозг человека из внешней среды. Правильная организация освещения обеспечивает хорошую видимость и создает благоприятные условия труда. Недостаточное освещение вызывает преждевременное утомление, притупляет внимание работающего, снижает производительность труда, ухудшает качественные показатели и может оказаться причиной возникновения травмоопасной ситуации или профессионального заболевания.

Правильно спроектированное и выполненное производственное освещение предназначено для решения следующих задач:

– предупреждения развития зрительного и общего утомления;

– повышения производительности труда и качества выпускаемой продукции;

– обеспечения психологического комфорта;

– повышения безопасности труда и снижения травматизма на производстве.

Существуют несколько систем и видов освещения. Рассмот-
рим их.

Естественное – создается прямыми солнечными лучами и рассеянным светом небосвода и меняется в зависимости от географической широты, времени года, времени суток, степени облачности
и прозрачности атмосферы. Конструктивно подразделяется на боковое – (одно- и двухстороннее), осуществляемое через световые проемы в наружных стенах; верхнее – через световые проемы в кровле
и перекрытиях; комбинированное – сочетание верхнего и бокового
освещения.

Искусственное применяется в часы суток, когда естественный свет недостаточен, или в помещениях, где он отсутствует, по конструктивному исполнению, может быть общее и комбинированное; по функциональному воздействию подразделяется на рабочее, аварийное, эвакуационное и охранное.

Системы общего освещения применяют в помещениях, где по всей площади выполняются однотипные работы (литейные, сварочные цеха), а также в административных и конторских помещениях,
классах и аудиториях учебных занятий.

Местное освещение применяют наряду с общим при выполнении точных зрительных работ, в местах, где оборудование создает глубокие резкие тени или рабочие поверхности, расположенные вертикально (штампы, гильотинные ножницы). Совокупность общего и местного освещения называется комбинированным. Применение одного местного освещения не допускается.

Рабочее освещение предназначено для обеспечения нормального выполнения производственного процесса, прохода людей, движения транспорта и является обязательным для всех производственных помещений.

Аварийное освещение применяют при внезапном отключении рабочего, если это может вызвать прекращение производственного процесса – взрыв, пожар, отравление людей и др. (минимальная освещенность рабочих поверхностей должна составлять 5 % нормируемой освещенности, но не менее 2 лк).

Эвакуационное освещение применяют в проходных помещениях для эвакуации людей из производственных зданий с числом работающих более 50 человек (минимальная освещенность на полу и ступеньках должна составлять 0,5 лк, на открытых территориях – минимум 0,2 лк).

Охранное освещение устраивают вдоль границ территорий, охраняемых специальным персоналом (в ночное время – минимум0,5 лк).

Совмещенное – освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным.

Совмещенное освещение следует предусматривать для следующих помещений:

– производственных помещений, в которых выполняются работы I–III разрядов;

– производственных и других помещений в случаях, когда по условиям технологии, организации производства или климата
в месте строительства требуются объемно-планировочные решения, которые не позволяют обеспечить нормированное значение коэффициента естественной освещенности (КЕО) (многоэтажные здания большой ширины, одноэтажные многопролетные здания с пролетами большой ширины и т. п.), а также в случаях, когда технико-экономическая целесообразность совмещенного освещения, по сравнению с естественным, подтверждена соответствующими расчетами.

В качестве источников искусственного освещения применяются лампы накаливания и газоразрядные лампы.

Лампа накаливания – источник света с излучателем в виде проволоки (нити или спирали) из тугоплавкого металла (обычно вольфрама), накаливаемой электрическим током до температуры, близкой
к температуре плавления вольфрама. Световая отдача (отношение создаваемого лампой светового потока к потребляемой электрической мощности) лампы накаливания должна составлять 10–35 лм/Вт; срок службы до 2 тыс. ч. Эти лампы дают непрерывный спектр излучения
с повышенной (по сравнению с естественным светом) интенсивностью в желто-красной области спектра. По конструкции лампы накаливания бывают вакуумные (НВ), газонаполненные (НГ), биспиральные (НБ), биспиральные с криптоно-ксеноновым наполнением (НБК). Имеются также зеркальные лампы, являющиеся лампами-светильниками.

Все большее распространение получают галогенные лампы накаливания. Наличие в колбе лампы паров галогенов (йода или брома), уменьшающих количество испарения вольфрама, позволило повысить температуру накала вольфрамовой нити, в результате чего световая отдача увеличивается до 40 лм/Вт и спектр излучаемого света приближается к естественному. Кроме того, пары вольфрама, испаряющегося с нити накала, соединяются с йодом и вновь оседают на нить, препятствуя ее истощению.

К недостаткам ламп накаливания относят:

– низкую световую отдачу (в три–шесть раз меньше, чем у газоразрядных ламп);

– относительно малый срок службы;

– зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения;

– цветовую температуру, которая лежит в пределах 2 300–2 900 K (преобладают желтые и красные лучи, что искажает цветопере-дачу, поэтому их не применяют при работах, требующих различения цветов);

– световой коэффициент полезного действия ламп накаливания, который весьма мал и не превышает 4 %, и определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к мощности, потребляемой от электрической сети;

– температура колбы галогенных ламп, которая может достигать 500 °С, поэтому при установке ламп следует соблюдать нормы противопожарной безопасности (например, обеспечить достаточное расстояние между поверхностью перекрытия и подвесным потолком);

– большую яркость, которая не дает равномерного распределения светового потока;

– при применении открытых ламп почти половина светового
потока не используется для освещения рабочих поверхностей. В промышленности они находят применение для организации местного
освещения.

В связи с необходимостью экономии электроэнергии и сокращения выброса углекислого газа в атмосферу, во многих странах введен или планируется ввод запрета на производство, закупку и импорт ламп накаливания, с целью стимулирования замены их на энергосберегающие лампы (компактные люминесцентные лампы и др.).

Президент России 23 ноября 2009 г. подписал принятый ранее Госдумой закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Согласно документу, с 1 января 2011 г. к обороту на территории страны не допускается продажа электричес-ких ламп накаливания мощностью 100 Вт и более; с 1 января 2013 г. – электроламп мощностью 75 Вт и более, а с 1 января 2014 г. – ламп мощностью 25 Вт и более.

Наибольшее применение в промышленности находят газоразрядные лампы низкого и высокого давления. Основным преимуществом газоразрядных ламп является их экономичность. Световая отдача этих ламп колеблется в пределах 40–110 лм/Вт. Срок их службы доходит до 12 тыс. ч. С их помощью легче создать равномерное освещение, спектр их излучения ближе к естественному свету.

Газоразрядные лампы низкого давления, называемые люминесцентными, содержат стеклянную трубку, внутренняя поверхность
которой покрыта люминофором, наполненную дозированным количеством ртути (30–80 мг) и смесью инертных газов под давлением около 400 Па. Внутри трубки на противоположных концах размещаются электроды, между которыми, при включении лампы в сеть, возникает газовый разряд, сопровождающийся излучением преимущественно
в ультрафиолетовой области спектра. Это излучение, в свою очередь, преобразуется люминофором в видимое световое излучение.

В зависимости от состава люминофора люминесцентные лампы обладают различной цветностью. В настоящее время промышленность выпускает несколько типов люминесцентных ламп, отличающихся по цветности: лампы дневного света (ЛД), лампы дневного света с улучшенной цветопередачей (ЛДЦ), лампы, наиболее близкие к естественному свету (ЛЕ), лампы белого цвета (ЛБ), лампы теплого белого цвета (ЛТБ), лампы холодного белого цвета (ЛХБ), лампы дневного света с исправленной цветопередачей (ЛДЦ), лампы рефлекторные – с внутренним отражающим слоем (ЛР) и др.

К газоразрядным лампам высокого давления (0,03–0,08 МПа)
относят дуговые ртутные лампы (ДРЛ). Лампы ДРЛ позволяют создавать большие уровни освещенности и рекомендуются к применению при высоте помещения более 12–14 м, при наличии в воздухе дыма, пыли и копоти. Однако по спектральному составу излучения они сильно отличаются от люминесцентных. В спектре излучения этих ламп преобладают составляющие зелено-голубой области спектра. Их нельзя применять там, где недопустимо искажение цветовосприятия.

Наиболее экономичными являются ДРИ – ртутные лампы высокого давления с добавкой иодидов металла, их часто называют металлогалогенными. Светоотдача этих ламп достигает 80 лм/Вт.

Газоразрядные лампы имеют ряд недостатков:

– содержание ртути (в замкнутом помещении разбитая ЛЛ может давать кратковременное превышение ПДК ртути более чем в 160 раз, загрязнение выше ПДК может сохраняться несколько десятков лет);

– относительная сложность схемы включения, шум дросселей;

– ограниченная единичная мощность и большие размеры при данной мощности;

– невозможность переключения ламп, работающих на переменном токе, на питание от сети постоянного тока;

– зависимость характеристик от температуры внешней среды (световой поток снижается при повышенных температурах);

– значительное снижение потока к концу срока службы;

– вредные для зрения пульсации светового потока с частотой 100 Гц при переменном токе 50 Гц;

– срок действия компактных ЛЛ не всегда соответствует заявленному и может быть сравним со сроком ламп накаливания при существенно большей стоимости;

– пульсации светового потока, возникающие вследствие малой инерционности свечения люминофора.

Создание в производственных помещениях качественного и эффективного освещения невозможно без рациональных светильников.

Электрический светильник – это совокупность источника света и осветительной арматуры, предназначенной для перераспределения излучаемого источником светового потока в требуемом направлении, предохранения глаз рабочего от слепящего действия ярких элементов источника света, защиты источника от механических повреждений, воздействия окружающей среды и эстетического оформления помещения.

Тип светильников определяется характером производственного помещения и технологического процесса, необходимой безопасностью, качеством освещения и удобством обслуживания. Слепящее действие света устраняется при правильном выборе высоты подвеса определенного типа светильника.

Важной характеристикой светильника является его коэффициент полезного действия – отношение фактического светового потока светильника Ф_ф к световому потоку помещенной в него лампы Ф_л, т. е. .

По распределению светового потока в пространстве различают светильники прямого, преимущественно прямого, рассеянного, отраженного и преимущественно отраженного света.

Основные показатели освещенности. Свет имеет сложную корпускулярно-волновую природу и представляет собой часть оптической области спектра. К видимому излучению оптического спектра относят излучение с длиной волны от 0,38 до 0,78 мкм. В этом диапазоне волны (монохроматический свет) вызывают цветовое ощущение. Для гигиенической оценки освещения используются некоторые показатели:

Световой поток Ф – часть лучистого потока, воспринимаемая человеком как свет, характеризует мощность светового излучения, измеряется в люменах (лм).

Один люмен – это световой поток, излучаемый точечным источником с силой света 1 кандела (кд) в телесном угле в 1 стерадиан (ср).

Сила света J – пространственная плотность светового потока, определяется как отношение светового потока Ф(лм), исходящего от источника и равномерно распространяющегося внутри элементарного телесного угла (стерадиан), к величине этого угла, измеряется в канделах (кд):

(3.1)

 

Телесный угол часть пространства, заключенная внутри конической поверхности. Измеряется отношением площади, вырезаемой им из сферы произвольного радиуса, к квадрату последнего

Освещенность Е – поверхностная плотность светового потока, определяется как отношение светового потока Ф(лм), равномерно падающего на освещаемую поверхность, к ее площади S (м²), измеряется
в люксах (лк):

Е = ∆Ф/∆S. (3.2)

Один лк – это освещенность 1 м² поверхности при падении на нее светового потока в 1 лм.

Яркость L поверхности под углом к нормали – это отношение силы света J_а (кд), излучаемой освещаемой или светящейся поверхностью в этом направлении, к площади S (м²) проекции этой поверхности, на плоскость, перпендикулярную к этому направлению, измеряется
в кд/м²:

 

L = ∆L_a/(∆S cos α), (3.3)

 

где α – угол между направлениями силы света и вертикалью.

Одна кд/м² – это яркость равномерно светящейся плоской поверхности, излучающей в перпендикулярном направлении с площади S = 1м² силу света в 1 кд.

Яркость является величиной, непосредственно воспринимаемой глазом. При постоянстве освещенности яркость предмета тем больше, чем больше его отражательная способность.

Коэффициент естественной освещенности (КЕО) – отношение естественной освещенности, создаваемой в некоторой точке заданной плоскости внутри помещения светом неба (непосредственным или после отражений), к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности, создаваемой светом полностью открытого
небосвода; выражается в процентах:

 

(3.4)

 

где Е_В– освещенность в точке внутри помещения, создаваемая светом видимого через световой проем участка небосвода, лк; Е_н – освещенность в тот же момент времени вне производственного помещения, создаваемая равномерно рассеянным светом всего небосвода, лк.

Объект различения – наименьший элемент рассматриваемого предмета или дефект, которые необходимо различить в процессе работы (например, линия, знак, нить, пятно, риска, трещина, символ и т. п.).

Фон – поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения, на которой он рассматривается. Характеризуется коэффициентом отражения, зависящим от цвета и фактуры поверхности.

Коэффициент отражения определяется как отношение отраженного от поверхности светового потока Ф_отрк падающему на нее световому потоку Ф_пад:

ρ = Ф_отр/Ф_пад. (3.5)

 

Значения коэффициента отражения находятся в пределах 0,02–0,95. При ρ = 0,4 – фон считается светлым; при ρ = 0,2–0,4 – средним; при
ρ = 0,2 – темным.

Контраст объекта с фоном k – степень различия объекта и фона характеризуется соотношением яркостей рассматриваемого объекта (точки, линии, риски или других элементов) и фона:

k = (L_о – L_ф)/L_ф. (3.6)

 

k > 0,5 – контраст считается большим (объект резко выделяется на фоне);

k = 0,2–0,5 – контраст средний (объект и фон заметно отличаются по яркости);

k < 0,2 – контраст малый (объект слабо заметен на фоне).

Коэффициент пульсации освещенности k_E – критерий глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока используемых источников света:

k_Е = 100(E_max – E_min)/2E_ср, (3.7)

где Е_max, Е_min и Е_ср – максимальное, минимальное и среднее значения освещенности за период колебаний.

Для газоразрядных ламп коэффициент пульсации освещенности составляет k_E = 15–65 %.; для обычных ламп накаливания k_E = 7 %;
для галогенных ламп k_E = 1 %.

Пульсации освещенности возникают из-за питания источников света переменным напряжением. Особо большие значения они имеют при использовании малоинерционных источников света, которыми являются люминесцентные лампы. Пульсации освещенности на рабочей поверхности не только утомляют зрение, но и могут вызывать неадекватное восприятие наблюдаемого объекта за счет появления стробоскопического эффекта.

Малое значение коэффициента пульсации для ламп накаливания объясняется большой тепловой инерцией нити накала, препятствующей заметному уменьшению светового потока лампы накаливания Ф_лн в момент перехода мгновенного значения переменного напряжения сети через ноль (рис. 3.1).

В то же время газоразрядные лампы (в том числе люминесцентные) обладают малой инерцией и меняют свой световой поток Ф_лл почти пропорционально амплитуде напряжения питающей цепи. Нормативные значения k_E для газоразрядных ламп представлены
в табл. 3.1.

Для уменьшения коэффициента пульсации освещенности люминесцентные лампы включаются в разные фазы трехфазной электрической цепи. показан. Характер изменения во времени суммарного светового потока, создаваемого тремя люминесцентными лампами 3Ф_лл, включенными в первом случае в одну фазу (фазу А сети), а затем в разные фазы трехфазной сети показан на правой нижней кривой рис. 3.1.

 

3Флл

Uсети

Флл

Флн

Uсети

Рис. 3.1. Пульсации светового потока при однофазном

и трехфазном питающем напряжении

В последнем случае за счет сдвига фаз в трехфазной цепи на
1/3 периода «провалы» в световом потоке каждой из ламп компенсируются световыми потоками двух других ламп, в результате пульсации суммарного светового потока существенно меньше, чем пульсация одиночной лампы.

Стробоскопический эффект – кажущееся изменение или прекращение движения объекта, освещаемого светом, периодически изменяющимся с определенной частотой. Например, если вращающийся белый диск с черным сектором освещать пульсирующим световым потоком (вспышками), то сектор будет казаться неподвижным при частоте f_всп = f_вращ, медленно вращающимся в обратную сторону при f_всп > f_вращ, медленно вращающимся в ту же сторону при f_всп < f_вращ, где f_всп и f_вращ – соответственно, частоты вспышки и вращения диска. Пульсации освещенности вращающихся объектов могут вызывать видимость их неподвижности и быть причиной травматизма (табл. 3.1).

 

Таблица 3.1

Нормативные значения k_E для газоразрядных ламп

Система освещения	Коэффициент пульсации освещенности, % при разрядах зрительной работы
I, II	III	IV–VIII
Общее освещение
Комбинированное освещение: а) общее б) местное

Показатель ослепленности Р – критерий оценки слепящего действия, определяемый по формуле

 

(3.8)

 

где S – коэффициент ослепленности; ; ∆В_пор – пороговая разность яркости объекта и фона при обнаружении объекта на фоне равномерной яркости, кд/м²; (∆В_пор)_s – пороговая разность яркости объекта и фона при наличии в поле зрения блеского (яркого)
источника света, кд/м².

 

Нормирование производственного освещения. Нормы естественного, искусственного и совмещенного освещения зданий и сооружений, а также нормы искусственного освещения селитебных зон, площадок предприятий и мест производства работ вне зданий установлены
в СНиП 23-05–95 «Естественное и искусственное освещение».

При нормировании освещенности производственных помещений регламентируется ее минимальный допустимый уровень в зависимости от характеристик и вида выполняемой зрительной работы, применяемой системы освещения и типа используемых источников света (табл. 3.2).

В соответствии со СНиП 23-05–95, все зрительные работы, выполняемые без использования оптических приборов, характеризуются:

– разрядом зрительной работы, определяемым в зависимости от размера объекта различения или от точности выполняемой зрительной работы;

– подразрядом зрительной работы, определяемым сочетанием контраста объекта различения с фоном и светлотой фона; для большинства разрядов зрительной работы существуют по четыре подразряда: «а», «б», «в», «г». Например, подразряд «а» означает, что контраст объекта различения с фоном – малый, характеристика фона – темный (табл. 3.2).

Для различных видов освещения нормируемые показатели различны.

При искусственном освещении в соответствии соСНиП 23-05–95 для каждого разряда и подразряда зрительной работы нормируются:

– освещенность Е, лк;

– показатель ослепленности Р;

– коэффициент пульсации К_п, %.

При естественном и совмещенном освещении в соответствии
соСНиП 23-05–95каждого разряда зрительной работы в зависимости от характеристики освещения (верхнее, боковое или комбинированное) нормируется коэффициент естественной освещенности КЕО, причем для бокового освещения нормируется минимальное значение КЕО, а для верхнего и комбинированного – среднее значение.

Расчет искусственного освещения. Расчет искусственного
освещения предусматривает выбор типа источника света, системы
освещения и светильника, проведение светотехнических расчетов, распределение светильников и определение потребляемой системой освещения мощности. Величина, характеризующая эффективность использования источников света, называется коэффициентом использования светового потока,или коэффициентом использования осветительной установки, и определяется как отношение фактического светового потока к суммарному световому потоку используемых источников света, вычисленному по их номинальной мощности в соответствии с нормативной документацией:

(3.9)

Таблица 3.2