1.1. Естественное освещение

Дневной солнечный свет по сравнению с искусственным лучше воспринимается глазом и более благоприятно влияет на самочувствие человека. Содержащиеся в лучах солнца ультрафиолетовые излучения необходимы для нормальной жизнедеятельности организма. Поэтому все помещения здания должны освещаться естественным светом за исключением тех, где естественный свет противопоказан по технологическим причинам.

В зависимости от расположения светопроемов различают следующие виды естественного освещения;

- боковое - через окна в наружных стенах или через прозрачные части стен;

- верхнее - через световые фонари и проемы в покрытиях;

- комбинированные - когда к верхнему освещению добавляется боковое.

Применение того или иного вида естественного освещения зависит от архитектурных особенностей производственных зданий.

Очевидно, что естественная освещенность колеблется в течение суток, зависит от времени года, атмосферных осадков, географических координат и т.д. Это обстоятельство не позволяет установить норму освещенности в абсолютных величинах (лк).

Для регламентаций переменного по характеру естественного освещения зданий принята относительная единица измерения, выраженная в процентах - коэффициент естественной освещенности (К.Е.О. или е).

К.Е.О. в какой-либо точке внутри помещения, освещаемой светом, видимым через световой проем участком небосвода, представляет собой отношение абсолютной освещенности в этой точке (Е_в, лк, к одновременной наружной освещенности Е_н, лк, горизонтальной плоскости, освещаемой (равномерно) рассеянным светом всего небосвода):

е или (1.2)

1.2. Искусственное освещение

Искусственное освещение предусматривается в помещениях, в которых испытывается недостаток естественного света, а также для освещения помещения в те часы суток, когда естественная освещенность отсутствует.

Источниками искусственного освещения в настоящее время являются: лампы накаливания и газоразрядные лампы низкого и высокого давления.

Лампы накаливания просты по устройству, удобны в эксплуатации, могут быть включены в сеть постоянного и переменного тока и поэтому находят широкое применение для освещения производственных помещений.

Однако лишь 2-3 % потребляемой лампой электроэнергии расходуется по назначению, т.е. превращается в свет, а основная часть выделяется в виде тепла. Световой К.П.Д. этих ламп не превышает 10-13 %, что делает их мало экономичными. Срок службы их около 100 часов.

В газоразрядных источниках света, создаваемых для целей освещения, широко используется явление фотолюминесценции, основанное на свечении кристаллических порошков - люминофоров - под воздействием ультрафиолетовых излучений.

Типичным представителем газоразрядных ламп низкого давления являются люминесцентные лампы. Для изготовления этих ламп применяют люминофоры, излучающие свет различных оттенков, близких к дневному свету, что оказывает положительное влияние на состояние зрительных функций, способствует уменьшению утомления и создает условия для цветопередачи. Кроме того, применение этих ламп снижает слепящее действие, т.к. яркость их невелика. Эти лампы в 2,5-3 раза экономичнее ламп накаливания, а срок их службы до 5000 часов.

В последние годы появились газоразрядные лампы низкого давления со встроенным высокочастотным преобразователем. Газовый разряд в таких лампах (называемый вихревым) возбуждается на высоких частотах (десятки кГц) за счет чего обеспечивается очень высокая светоотдача.

К газоразрядным лампам высокого давления (0,03 - 0,08 МПа) относят дуговые ртутные лампы (ДРЛ). В спектре излучения этих ламп преобладают составляющие зелено-голубой области спектра.

Основными достоинствами газоразрядных ламп является их долговечность (свыше 10000 часов), экономичность, малая себестоимость изготовления, благоприятный спектр излучения, обеспечивающий высокое качество цветопередачи, низкая температура поверхности. Светоотдача этих ламп колеблется в пределах от 30 до 105 лм/Вт, что в несколько раз превышает светоотдачу ламп накаливания.

К недостаткам газоразрядных ламп следует отнести наличие вредных для биосфе­ры и человека паров ртути и натрия при их разгер­метизации, повышенный уровень ультрафиолетового излучения, радиопомехи, сложную и дорогостоя­щую пускорегулирующую арматуру, длительный период выхода отдельных типов ламп на номинальный режим (для ламп ДРЛ 3...5 мин), не­возможность быстрого вторичного включения лам­пы при кратковременном отключении питающего напряжения.

Основным и существенным недостатком всех га­зоразрядных ламп является пульсация светового потока, т. е. непостоянство во времени, излучение света, вызванное переменным током в питающей сети и малой инерционностью процессов, сопрово­ждающих работу этих ламп.

На рисунке 1 изображена синусоида изменения напряжения в сети U в В и примерная осциллограм­ма светового потока лампы Фл в лм и создаваемой им освещенности Е в лк на рабочем месте.

Рисунок 1. Зависимость светового потока от напряжения питания

В момент перехода переменного напряжения че­рез ноль освещенность, создаваемая лампой, достигает минимального значения Еmin, при достижении напряжения максимального значения осве­щенность принимает значения Еmax. Пульсация освещенности, не всегда заметная глазом, приводит к быстрому утомлению зрения, вызывает в некото­рых случаях покраснение глаз, головную боль.

Глубина пульсации оценивается коэффициен­том пульсации

(1)

где Е_max, Е_min, Е_ср - соответственно максимальная, минимальная и средняя освещенность, создаваемая лампой за период колебаний.

Пульсации освещенности на рабочей поверхности не только утомляют зрение, но и могут вызывать неадекватное восприятие наблюдаемого объекта за счет появления стробоскопического эффекта. 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 вспышек и вращения диска. Пульсации освещенности на вращающихся объектах могут вызывать видимость их неподвижности, провоцируя ошибочные действия операторов, что в свою очередь, может явиться причиной травматизма.

Сглаживание пульсации достигается применением нескольких рядом работающих ламп со сдвигом фаз питающего напряжения (подключением ламп к разным фазам трехфазной сети) или существенным повыше­нием частоты переменного тока (f > 1000 Гц) при помощи специальных устройств питания.

Самыми перспективными источниками света на сегодняшний день являются светодиодные лампы и матрицы. Светодиод – полупроводниковый прибор, способный излучать электромагнитные колебания при прохождении через него электрического тока в прямом направлении. Достаточно длительное время с момента своего появления светодиоды служили лишь как маломощные индикаторы, заменяя собой сигнальные лампочки в электронных устройствах. С развитием технологии производства светодиоды стали конкурировать с лампами накаливания и люминесцентными лампами. Светодиоды гораздо эффективнее превращают электроэнергию в свет, чем другие его источники. Светоотдача светодиодов в 10 раз больше, чем светоотдача ламп накаливания. Светодиоды всегда излучают в узком спектральном диапазоне, то есть их свет имеет ярко выраженную окраску. Для получения белого цвета (светового излучения, в котором представлены все цвета из видимого спектра) раньше использовали комбинацию нескольких светодиодов с разным цветом свечения (красным, зеленым, синим). В настоящее время для получения белого света на поверхность кристалла с длинной волны, соответствующей синему цвету наносят специальный люминофор, который поглощает синий цвет и сам начинает излучать свет во всем видимом спектре. Оттенки белого можно варьировать, вплоть до полного сходства с солнечным светом. Так же светодиоды могут излучать свет в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне.

Достоинствами светодиодов являются высокая экономичность, виброустойчивость, большой срок службы (до 100 000 часов и более), механическая надежность и прочность, очень низкая инерционность, способность без ущерба работать в импульсном режиме, низкая теплоотдача. Кристалл полупроводника, заключенный в корпус светодиода, имеет микроскопические размеры. Поэтому светодиод можно рассматривать как точечный источник света. Корпус его можно сделать самым миниатюрным. Обычно пластиковый корпус представляет собой устройство фокусировки света в заданном телесном угле, препятствуя светопотерям в других направлениях. Размеры корпуса определяют размер источника света. Благодаря этому светодиоды могут размещаться внутри любого устройства благодаря своим незначительным размерам. Они могут быть легко установлены в любом, нужном положении с помощью специальных направляющих. Еще одной отличительной особенностью светодиодов является жестко заданный угол половинной яркости (угол между направлениями, на которых сила света в два раза ниже, чем на оси), он обычно лежит в пределах от 30 до 120 градусов, и благодаря ему светодиодные источники света могут быть как узконаправленными, так и широкоугольными.

Недостатком светодиодов в первую очередь является их довольно высокая стоимость (которая, однако в последнее время существенно сокращается). Кроме дороговизны светодиодов, их существенным недостатком являются повышенные требования к источнику питания (светодиоды должны питаться постоянным током, а кроме того по причине очень большой нелинейности величины излучаемого светового потока от напряжения питания и малой инерционности их следует питать от источник с минимальными колебаниями величины выходного напряжения). Еще одним недостатком светодиодов является тот факт, что даже при незначительном превышении температуры кристалла установленных норм, срок службы светодиода резко сокращается.

Основные характеристики ламп - световая отдача (отношение излучаемого светового потока к потребляемой энергии), световой поток, средняя продолжительность службы - определяются государственными стандартами.

Искусственное освещение может быть двух систем: общее и комбинированное, когда к общему освещению добавляется местное, концентрирующее световой поток непосредственно на рабочих местах.

Общее освещение подразделяется на:

- общее равномерное освещение, когда светильники равномерно располагаются по всей площади помещения, без учета расположения оборудования;

- общее локализованное освещение, при котором расположение светильников производится с учетом расположения рабочих мест.

Местное освещение предназначено для освещения только рабочих поверхностей и не создает необходимой освещенности даже на прилегающих к ним участкам. Оно может быть стационарным и переносным. Применение только местного освещения в производственных помещениях запрещается, так как резкий контраст между ярко освещенными и неосвещенными местами утомляет зрение, замедляет скорость работы и нередко является причиной несчастных случаев.

По функциональному назначению искусственное освещение подразделяется на рабочее, аварийное, эвакуационное и охранное.

Рабочее освещение предусматривается для всех помещений производственных зданий, а также участков открытых пространств, предназначенных для работы, прохода людей и движения транспорта

Аварийное освещение в помещениях и на местах производства работ необходимо предусматривать, если отключение рабочего освещения и связанное с этим нарушение обслуживания оборудования может привести к взрыву, пожару, длительному нарушению технологического процесса или работы объектов жизнеобеспечения. Наименьшая освещенность, создаваемая аварийным освещением, должна составлять 5 % освещенности, нормируемой для рабочего освещения, но не менее 2 лк внутри зданий и не менее 1 лк для территории предприятий.

Эвакуационное освещение следует предусматривать в местах, отведенных для прохода людей, в проходах и на лестницах, служащих для эвакуации людей в количестве более 50 человек. Это освещение должно обеспечивать на полу основных проходов (или на земле) и на ступенях лестниц освещенность не менее 0,5 лк в помещениях и 0,2 лк на открытой территории.

Охранное освещение предусматривается вдоль границ территории, охраняемой в ночное время. Охранное освещение должно обеспечивать освещенность не менее 0,5 лк на уровне земли.

Величина, характеризующая эффективность использования источников света, называется коэффициентом использования светового потока или коэффициентом использования осветительной установки и определяется как отношение фактического светового потока (F_факт) к суммарному световому потоку (F_ламп) используемых источников света, определенному по их номинальной мощности в соответствии с нормативной документацией.

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

В лампах накаливания источником света является раскаленная вольфрамовая проволока. 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, газонаполненные, бесспиральные (галогенные).

Общим недостатком ламп накаливания является сравнительно небольшой срок службы (менее 2000 часов) и малая световая отдача (отношение создаваемого лампой светового потока к потребляемой электрической мощности) (8 - 20 лм/Вт). В промышленности они находят применение для организации местного освещения.

Наибольшее применение в промышленности находят газоразрядные лампы низкого и высокого давления. 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. На противоположных концах внутри трубки 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 последние годы появились газоразрядные лампы низкого давления со встроенным высокочастотным преобразователем. Газовый разряд в таких лампах (называемый вихревым) возбуждается на высоких частотах (десятки кГц) за счет чего обеспечивается очень высокая светоотдача.

Система общего равномерного освещения применяется обычно:

• при небольших уровнях требуемой освещенности (300 лк и ниже);

• при высокой плотности расположения рабочих мест в производственных помещениях, где по всей площади выполняются однотипные работы (например, крупносборочные и литейные цехи), в непроизводственных помещениях.

Систему общего локализованного освещения рекомендуется применять в производственных помещениях:

• где требуется повышенная освещенность отдельных участков рабочей поверхности, в цехах;

• где рабочие места расположены сосредоточенными отдельными группами (рабочие места у конвейерных лент, отдельно группы станков), в цехах, различные участки которых предназначены для выполнения работ, требующих разной освещенности и т.д.

Применяя локализованное размещение светильников общего освещения, можно добиться высоких уровней освещенности на отдельных участках работ без значительных экономических затрат.

Однако применение одной системы общего освещения в ряде случаев оказывается непригодным.

В таких случаях, а также при производстве точных работ, нуждающихся в высоком уровне освещенности, целесообразно применять систему комбинированного освещения.

Светильники местного освещения, расположенные вблизи рабочей поверхности, позволяют управлять световым потоком и благодаря этому создать лучшие условия видимости, а также создавать высокие уровни освещенности не только на горизонтальных, но и на вертикальных и наклонных поверхностях.

При выполнении системы комбинированного освещения надо соблюдать определенное соотношение между освещенностью рабочих поверхностей, создаваемой одновременно светильниками местного и общего освещения.

Это соотношение, как правило, должно находиться в пределах 10 : 2 - 10 : 5, т. е. неравномерное распределение яркостей в поле зрения работающих приводит к повышенному утомлению зрения. По этой же причине применение одного местного освещения не допускается.

Таблица 1.1

Нормированные значения освещенности (по СНиП 23-05-2005)

Характеристика зрительной зоны	Наименьший размер объекта различения, мм	Разрядзрите-льнойработы	Под-разрядзрите-льной работы	Конт-раст объекта различе-ния с фоном	Характеристика фона	Искусственное освещение			Естественное освещение
						Освещенность, лк			КЕО, %
						при комбинир. освеш.	в том числе от общего	при общем освещ.	при верхнем или комбинир.освещ..	при боковом освещ.
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Наивысшей точности	Менее 0,15	I	а	Малый	Темный	5000 4500	500 500		10	3,5
			б	Малый	Средний	4000	400	1250
				Средний	Темный	3500	400	1000
			в	Малый Средний Большой	Светлый Средний Темный	2500 2000	300 200	750 600
			г	Средний Большой “	Светлый “ Средний	1500 1250	200 200	400 300
Очень высокой точности	от 0,15 до 0,3	II	а	Малый	Темный	4000 3500	400 400	- -	7	2,5
			б	Малый	Средний	3000	300	750
				Средний	Темный	2500	300	600
			г	Средний Большой	Светлый Светлый Средний	1000 750	200 200	300 200

Продолжение табл. 1.1

1	2	3	4	5		6	7	8	9	10	11
Высокой точности	св. 0,3 до 0,5	III	б		Малый Средний	Средний Темный	1000 750	200 200	300
			в		Малый Средний Большой	Светлый Средний Темный	750 600	200 200	300 200
			г		Средний Большой	Светлый Средний	400	200	200
Средней точности	св. 0,5 до 1,0	IV	а		Малый	Темный	750	200	300	4	1,5
			б		Малый	Средний	500	200	200
					Средний	Темный
			в		Малый Средний Большой	Светлый Средний Темный	400	200
			г		Средний Большой	Светлый Средний	-	-	200
Малой точности	св. 1,0 до 5,9	V	а		Малый	Темный	400	200	300
			б		Малый	Средний	-	-	200
					Средний	Темный

Окончание табл. 1.1

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
				Малый Средний Большой		Светлый Средний Темный			200
			г	Средний Большой “	Светлый “ Средний	-	-	200
Грубая (очень малой точности)	более 0,5	VI	-	Независимо от характеристик фона и контрастности объекта с фоном		-	-	200	3	1
Работа со светящимися материалами и изделиями в горячих цехах	более 0,5	VII	-	То же		-	-	200	3	1
Общее наблюдение за ходом произв. процесса: пос-			а	То же		-	-	200	3	1
тоянное периодическое при пост. пребывании людей в помещении		VIII	б	То же		-	-	75	1	0,3