4.6. Источники искусственного света и их характеристики.

С доисторических времен человек использует огонь (одно из величайших открытий) в виде источника тепла и света. Факелы, лучины, жировые и масляные светильники сохранились до ХIХ века; в средние века к ним прибавились свечи, а в ХIХ веке керосиновые и газовые фонари. Желание улучшить освещение интерьеров приводило к увеличению числа и размеров сосудов для масла или подсвечников; для их изготовления применяли ценные материалы, их богато украшали орнаментами. Известны высокохудожественные люстры эпохи барокко, люстры эпохи русского классицизма, в которых применяли венецианское лепное стекло, гранёный хрусталь, цветное стекло, золотые детали. Цветовая гамма и разнообразие осветительных приборов свидетельствуют о высоком мастерстве проектировщиков интерьеров. В ХIХ веке все усилия специалистов были направлены на проектирование форм новых светильников при сочетании дешевизны и высокого художественного качества.

Революционный скачок в технике освещения произошёл в конце ХIХ века при создании первых электрических ламп. В.В.Петров в 1802г. открыл явление электрической дуги, на её основе в 1872г. А.Н.Лодыгин и П.Н.Яблочков создали источник света. В том же 1872г. Лодыгин впервые продемонстрировал лампу накаливания, которая в 1881г. демонстрировалась на Всемирной выставке в Париже. Характеристики ламп улучшались, улучшения ищут и в наши дни.

Значение световой отдачи некоторых источников света (лм/Вт):

свеча – 0,1;

лампа керосиновая – 0,25;

лампа газокалильная – 1,12;

лампы накаливания - от 8 до 19,5;

лампы дуговые угольные - от 4 до 39;

лампы газоразрядные - от 30 до200.

Лампы накаливания имеют ряд недостатков (главный – низкий световой кпд – 2 - 3%). Более эффективными оказались газоразрядные (в них используется свечение газов или паров металлов при пропускании через них электрического тока). Свечение паров ртути было описано ещё М.В.Ломоносовым. Первую ртутную лампу в 1879 г. разработал И. Репьев; в тридцатые годы прошлого века появляются ртутные лампы низкого и высокого давления, натриевые лампы низкого давления; в послевоенный период созданы ксеноновые, металлогалогенные и натриевые лампы высокого давления.

Экономичность электрических ламп, кроме световой отдачи, характеризуется сроком их службы.

Ассортимент источников света сегодня разнообразен по мощности, размеру колб, светотехнических, цветовых, экономических и спектральных характеристик. При разработке осветительных установок разного назначения перед проектировщиком стоит задача рационального выбора типа ламп. Преобразование электрической энергии в световую бывает двух типов – тепловое и газоразрядное. Основные показатели источников света сведены в таблицу 13:

Таблица 13

Основные характеристики источников искусственного света,

применяемых в осветительных установках

Характеристики источников света	Тепловые ИС		Газоразрядные источники света
			высокого давления			низкого давления
	ЛН	ГЛН	ДРЛ	МГЛ	НЛВД	НЛНД	ЛЛ
Электрические - диапазон мощностей, ВТ	15-1500	60-20000	50-2000	35-4000	35-1000	18-200	4-150
Световые и экономические: -световая отдача, лм/Вт - срок службы, ч	9-19 (50-60)* 500-2000 (15000)	22-30 (50) 2000-3000 (10000)	30-63 (75) 10000-15000	60-112 300-20000	66-150 (180) 10000-24000	70-200 (400) 2000-18000	40-104 (130) 10000-60000
Цветовые: -цветовая температура, К - общий индекс цветопередачи Rа	2500-2700 100**	3000-3400 100**	3300-4500 40-52	2200-7000 55-93	1900-3000 20-85	Монохроматическое излучение, λ = 589 нм	2600-6700 До 99

Условные обозначения: ЛН - лампы накаливания (нормальные, зеркальные, прожекторные); ГЛН - галогенные лампы накаливания; ДРЛ - дуговые ртутно-люминесцентные лампы; МГЛ - металлогалогенные лампы; НЛВД - натриевые лампы высокого давления; НЛНД - натриевые лампы низкого давления; ЛЛ - люминесцентные лампы (в том числе компактные ЛЛ).

Примечания: 1. В скобках указаны некоторые прогнозируемые характеристики на ближайшую перспективу. 2. Цветовая температура стандартных ИС: А - 2856 К (свет ЛН); В - 4870 К (свет Солнца); С - 6770 К (свет облачного неба).

* Тело накала на основе полупроводников.

** Для тепловых ИС это условная величина.

Рис. 16 Формы колб и спектр ламп накаливания

Тепловые источники света.

В них свет излучает тепло накала, разогревающееся током в соответствии с законом Джоуля - Ленца (температура превышает 1000⁰; кроме инфракрасных лучей появляются видимые глазом). Законы теплового излучения света изучены на модели абсолютно - чёрного тела (тела, поглощающего все падающие на него лучи). Такое тело имеет непрерывный спектр; цветность излучения резко меняется при изменении температуры; максимум излучения перемещается по спектру, изменяется и величина максимума. При изменении температуры от 3750 до 7800 К максимум остается в области видимого света (при более низких температурах максимум - в области инфракрасной; при более высоких – в ультрафиолетовой). Чем больше доля видимого излучения, тем выше световой кпд (растёт кпд до максимума при 6500 К – примерно температура Солнца). КПД максимально достигает 14% (это предел экономичности тепловых источников света).

Температура теплового источника определяет его цветность, для чего вводится понятие цветовой температуры Т_цв, (при ней цветность абсолютно - чёрного тела совпадает с цветностью данного). Правда, эта величина не полностью определяет качество цветопередачи, которое зависит от спектра излучения.

Лампы накаливания – основной класс тепловых источников света; в них вольфрамовая спираль разогревается до 3000 К (плавление вольфрама происходит при 3653 К). Другой недостаток – малый срок службы.

У ламп накаливания сплошной спектр с максимумом в желто - оранжевой области видимого спектра, что приводит к отличию воспринимаемого цвета от дневного: теплые цвета (красный, оранжевый, коричневый) воспринимаются более яркими, а холодные (зелёный, синий, фиолетовый) – ослабляются; бледно-жёлтый практически не отличается от белого.

Применяя светофильтры и цветные колбы можно повысить цветовую температуру ламп при одновременном уменьшении светового потока на 30 – 35% (температура повышается от 2500-2700 К до 3500 – 4000 К).

Вместе с тем лампы накаливания имеют и ряд преимуществ перед газоразрядными: они дешевле, экологически чище, просты в обслуживании, в сеть включаются без дополнительных устройств, имеют меньшие размеры, дешевле, проще в изготовлении.

Лампы накаливания выпускаются мощностью от 15 до 1500 Вт на напряжение 220 и 127 В, имеющие в обозначении первой букву В – вакуумные; Б – биспиральные; БК – биспиральные криптоновые; г – газонаполненные; ПЖ – прожекторные; ЗК – зеркальные концентрированного светораспределения; ЗС – зеркальные среднего светораспределения; ЗШ – широкого; КГ – галогенные; КГЗ – зеркальные галогенные. У галогенных ламп повышенный срок службы, выпускаются кроме напряжения 220 и 127 В и на напряжения 12, 24 и 36 В.

Газоразрядные источники света.

Их гораздо больше, чем тепловых. В основе – свойство газов светиться в электрическом поле (каждый газ и металл имеет свой цвет свечения). При низком давлении свечение имеет линейчатый спектр, при высоком - спектр приближается к сплошному. Наиболее широко используется ртуть, стекло специальное, пропускающее ультрафиолетовые лучи. При нанесении на внутреннюю поверхность люминофора ультрафиолетовое излучение преобразуется в видимое.

Ртуть при утилизации создает проблемы, однако, они постепенно вытесняют лампы накаливания. Газоразрядные лампы делятся на лампы низкого давления (0,1 – 10⁴ Па), высокого (3·10⁴ – 10⁶) и сверхвысокого – превышающего 10⁶ Па. По характеру разряда люминесцентные лампы делятся на лампы дугового разряда с горячими катодами и лампы тлеющего разряда с холодными катодами. Изменяя состав люминофора, можно получить любой по цветности спектр.

Основными типами стандартных ламп общего назначения считаются:

ЛД – дневные; ЛХБ – холодно-белые; ЛБ – белые; ЛТБ – тепло-белые; (спектральные характеристики не совпадают со спектром дневного света).

Удовлетворить повышенным требованиям к восприятию цвета способны лампы типа ЛДЦ с улучшенной цветопередачей; перспективны лампы с трехполосной излучательной способностью (три полосы – в красной, зелёной и синей областях спектра; при аддитивном смешивании дают белый свет). Особые зрительные задачи решают с помощью особых ламп: ЛЕ – естественный свет; ЛЕЦ – для передачи цвета лица человека; ЛХЕ и ЛХЕЦ – для больниц; в ряде случаев используют компактные люминесцентные лампы КЛЛ, сочетающие в себе преимущества ламп накаливания и люминесцентных: стандартный цоколь, небольшие размеры, хорошая цветопередача, высокая световая отдача, большой срок службы.

Дуговые ртутно - люминесцентные лампы ДРЛ высокого давления с исправленной цветностью получили широкое распространение. Аналогично лампам ДРЛ созданные металлогалогеновые лампы МГЛ. Конкуренцию им составляют натриевые лампы низкого и высокого давления НЛ НД и НЛ ВД, цена которых в 7 – 10 раз выше цены ДРЛ, но они дают экономию капитальных и эксплуатационных затрат; особое место занимают ксеноновые лампы сверхвысокого давления (разряд высокой яркости, спектр непрерывный и близкий к солнечному).

На практике источники света применяют в комплекте с осветительной арматурой (световые приборы). Световые приборы классифицируют по разным признакам (основному назначению, характеру светораспределению, способу крепления и др.).

Для разных условий эксплуатации светильники изготавливают открытыми или закрытыми; влаго - или пылезащищенными.

По роли в ансамбле можно выделить 4 группы светильников: серийные для общего освещения; осветительные устройства – элементы архитектуры; светильники – скульптуры для украшения и освещения; светящие малые формы (информационные установки, фонтаны, скульптуры, в которых свет – вторичная функция).

Искусственное освещение не зависит от времени года, времени дня, погоды и позволяет обеспечить нормальную деятельность человека при недостатке естественного света. Системы искусственного освещения бывают двух типов: общее (равномерное) и комбинированное (с добавлением к общему дополнительного на рабочих местах).

Нормы искусственного освещения требуют обеспечить зрительную работоспособность с хорошей производительностью труда.

Помещения общественных зданий классифицируют на 4 группы:

1 – помещения с напряженной зрительной работой (классы, читальные залы, проектные и конструкторские бюро и др.).

2 – помещения, в которых зрительная работа связана с различением и наблюдением окружающего пространства (торговые залы, музеи и выставки, залы заседаний и спортивные).

3 – помещения с архитектурно художественными требованиями к восприятию цвета (зрительные залы, зимние сады).

4 – вспомогательные помещения (коридоры, лестничные площадки и др.).

Без светотехники проектирование освещения невозможно.

Рис. 17 Классификация осветительных приборов по основному назначению

Р ис. 18 Классификация светильников по светораспределению

При восприятии интерьера важную роль играет фактура материала, применяемого для отделки (отчётливая структура создает иллюзию приближения поверхности и наоборот).

Разновидностью естественного освещения является совмещённое, так как при нём сохраняется преобладающее влияние естественного. Искусственное освещение при совмещенном применяется в виде двух раздельных систем: постоянного в зоне В₂ (работает непрерывно весь день) и включаемого во время сумерек для освещения зоны В₁ (граница между зонами в течение дня изменяет своё положение в зависимости от уровня естественного освещения). Для включения освещения во второй зоне желательно использование автоматических устройств. Значение КЕО для производственных помещений с учётом разряда работ представлено в таблице. Запрещается использовать совмещённое освещение в жилых помещениях, учебных классах, лечебных учреждениях, санаториях и домах отдыха.