Естественное освещение. (DIN 5034). Еще 160 лет тому назад прусское законодательство требовало, чтобы из окон нижнего этажа был виден небосвод (рис. 3). По действующим сейчас правилам все помещения, предназначенные для длительного пребывания людей, должны иметь естественное освещение. Естественное освещение помещений подвержено количественным и качественным изменениям, зависящим от облачности неба, географического расположения, ориентации по странам света и времени суток.

 

Размеры окон. По исследованиям В. Клеффнера, увеличение размеров окон свыше 1/10 — 1/8 площади пола помещения не дает соответствующего повышения средней освещенности горизонтальной поверхности в помещении. При увеличении размера окон с 1/6 до 1/3 площади пола повышение освещенности составляет не 100, а всего 59%. Экономичность применения окон общей площадью свыше 1/8 площади пола должна быть тщательно проверена в каждом отдельном случае.

 

Равномерность освещения при северной ориентации помещений достигается при высоко поднятых окнах с перемычками небольшой высоты, при светлых стенах и потолках, большой площади окон, небольшой глубине помещения, а также применением занавесей. Однако занавеси значительно снижают коэффициент использования окон и ими следует пользоваться лишь при слишком ярком освещении (солнечный свет). Целесообразно применять занавеси только в нижней части оконного переплета, что смягчает яркость освещения вблизи окна (рис. 6).

 

Средняя освещенность горизонтальных поверхностей в помещении. Точка, освещённость которой равна среднему значению, расположена в передней трети или ближе к середине помещения (в зависимости от равномерности освещения), т.е. там, где обычно размещают рабочие места. Освещённость определяют для рабочей поверхности на высоте 1 м от пола (рис. 5).

 

По исследованиям В. Клеффнера, особенно заметное значение для средней освещенности горизонтальной поверхности в глубине помещения имеет отраженное освещение. Наибольшее отражение дают: боковые стены, потолок, задняя стена, пол и, в последнюю очередь, фасадная стена.

 

Даже при окнах, из которых открывается совершенно свободный обзор (угол затенения смежной застройкой равен 0°), доля освещённости прямым светом имеет основное значение лишь в непосредственной близости от окон; уровень освещенности помещений определяется отражённым светом (зависит от коэффициента отражения ограждающих поверхностей) (рис. 5).

 

Доля освещенности отраженным светом какой-либо точки помещения, куда не достигает прямой свет, выражается формулой Eотр = Eпрям • 1/(1 - pm).

 

Кривая Eотр резко снижается при чёрных стенах, имеет более пологое очертание при окраске стен в светлые тона и почти не снижается при белых стенах.

 

Этим обусловлены санитарно-гигиенические требования, сформулированные ещё в 1949 г.:

 

а)  расстояние от боковой стены до края остекления окна, а также ширина простенков не должны превышать 150 см. (рис. 4);

 

б) среднее значение коэффициента отражения должно составлять 30%.

 

Ощущение комфорта и приятное впечатление от окраски помещения в решающей степени зависят от психологического» коэффициента 1/(1 — pm).

При выборе цветового решения интерьера необходимо учитывать условия его освещения дневным светом за исключением тех случаев, когда помещение эксплуатируется только при искусственном освещении.

 

Повышение освещенности помещений, в которые плохо проникает прямой солнечный свет, может быть достигнуто путём применения стеклянных призм (люксфер), преломляющих световые лучи и направляющих их в глубину помещения (рис. 5).

 

Затенение. По действующим правилам путем светлой окраски помещения следует снизить его затенение настолько, чтобы освещенность любой точки помещения в тени составляла ≥ 20% освещенности в незатененных местах.

 

Смещение окон. Коэффициент использования и равномерность освещения повышаются при некотором смещении окна с оси фасадной стены, однако не вплотную к боковой стене, что может привести к противоположному результату.

 

Широкие простенки снижают равномерность освещения. Поэтому в больших рабочих помещениях ширина простенков должна составлять ≤ ¼  ширины окна.

 

Размещение окон по высоте. Чем выше расположено окно и чем меньше коэффициент использования, тем равномернее освещение и тем дальше от наружной стены размещаются точки, соответствующие средней горизонтальной освещенности помещения (рис. 3). При этом глубина помещения может быть более эффективно использована, чем при низко расположенных окнах, поскольку даже в самых дальних частях помещения лучи света падают под достаточно большим углом (рис. 4). Наиболее благоприятным является свет, падающий под углом ≥ 20° к рабочей плоскости. При свете, падающем под меньшим углом, образуются мешающие работе длинные падающие тени. Высоту оконной перемычки следует принимать ≤ 30 см. Рекомендуется избегать занавесей, жалюзи и других приспособлений, закрывающих верхнюю часть окон.

Освещенность. Правилами светотехнического общества ФРГ установлены следующие значения освещенности.

 

Эти значения относятся к рабочим местам. Если размещение последних еще не определено, то эти значения относятся к горизонтальной освещенности на высоте 1 м от пола; при верхнем свете освещенность рассчитывается для средних участков помещения, при боковом освещении — для точки, расположенной на перпендикуляре к оси фасадной стены, на расстоянии 2 м. Указанные значения должны быть обеспечены при горизонтальной освещенности на открытом воздухе в 3000 лк.

Основы расчета естественного освещения помещений с помощью коэффициента использования по методу д-ра Фрюлиига (рис. 1 - 7).

 

Расчет по коэффициенту использования дает только приближенное определение средней освещенности горизонтальной плоскости в помещении. Он дает только приблизительные данные о порядке величин освещенности в помещении. Однако в ряде случаев необходимо знать освещенность в определенной точке помещения. Для определения этих значений пользуются другими методами расчета, в первую очередь методами, разработанными Бюнингом и Арндтом.

 

Горизонтальная освещенность на открытом воздухе (Еа). Яркость естественного освещения может меняться на 100 —200% в течение 1 мин даже при сплошной облачности; при ярком солнце и бегущих облаках она меняется больше чем на 100% в течение 1 с. Поэтому при расчете естественного освещения внутренних помещений приходится иметь дело с относительными значениями, которые определяются по сравнению с освещенностью на открытом воздухе. Для упрощения за основу расчетов принимается освещенность от небесного свода равномерной яркости (рис. 1).

 

Значение горизонтальной освещенности на открытом воздухе колеблется на протяжении дня и года от 0 до 100 000 лк, чаще до 70 000 лк (рис. 5). Из 8760 ч в году в течение 5000 ч светло; из них около 1000 ч с освещенностью от 0 до 3000 як почти не имеют значения для освещения помещений (рис. 6). Поэтому при определении размера окон, необходимого для обеспечения достаточной освещенности каждого рабочего места в помещении, при минимальном значении освещенности на открытом воздухе (в 9 ч 15 мин в декабре, см. рис. 5) в 3000 лк следует принимать в расчет значение Енар = 3000 лк. Международная комиссия по освещению предлагает принять за основу расчета освещенности Енар — 5000 лк (в декабре в 9 ч 45 мин).

 

Вертикальная освещенность на открытом воздухе (Ев). Для окон со свободным обзором, расположенных в плоскости наружных стен здания, освещенность равна освещенности вертикальной поверхности на открытом воздухе и составляет 1/2 или 50% Енар (рис. 7). Если здания, расположенные на противоположной стороне улицы, отнимают часть света, то освещенность окна соответственно снижается. Освещенность наружной поверхности окон для разных условий взаимного расположения зданий легко определить по графику (рис. 7).

 

Коэффициент использования освещенности в помещении (η). Только часть проникающего через окна светового потока падает на рабочую плоскость (горизонтальная плоскость на высоте 1 м от пола), остальная часть приходится на другие поверхности помещений, которые лишь частично отражают световой поток на рабочую плоскость. По многочисленным измерениям в школах, магазинах и фабриках коэффициент использования при вертикальных окнах составляет 30 — 50%. Поэтому можно принимать среднее значение 40%, что примерно соответствует коэффициенту использования при искусственном освещении помещения.

 

Средняя горизонтальная освещенность в помещении (рис. 4) определяется по формуле:

 

 

Если принять горизонтальную освещенность на открытом воздухе Енар = 3000 лк, освещенность наружной поверхности окна Еок = 30%, коэффициент использования η =  40%, площадь окон Fок = 1/8Fпом (площади пола), то Ев = 3000 х 0,3 х 0,4 х  1/8 = 45 лк. Такая освещенность достаточна для рабочего места при грубой работе. В помещении для чертежных работ, где требуется освещенность в 150 лк, нужно было бы площадь окон Fок увеличить до Fок/Fпом = Ев/ηKок = 150/(0,4 • 900) = 0,47 от площади пола.

Смежные здания в большей степени влияют на освещенность окон, выходящих во двор, чем выходящих на улицу. Кроме отношения величины разрыва между противостоящими зданиями к высоте (от средины окна до верха крыши), равного В/Н, должно быть учтено отношение длины двора L к высоте Н (если L или Н имеют несколько значений, то учитывают их средние величины). На графике (рис. 1) даны значения освещенности наружных поверхностей окон, размещенных очень неблагоприятно— в углу двора. Если окно расположено в средней части двора, то двор условно делят вертикальной плоскостью, проходящей по оси окна, на две части, для каждой из которых определяют значения освещенности окна. Сумма этих величин даёт искомую освещенность окна. Таблица учитывает только прямое освещение от небесного свода; отражение света от стен и затенения окон смежными зданиями в ней не учтены, так как они, как правило, взаимно компенсируются (чем круче угол падения лучей света, вызывающих затенение окон тенью от перемычки, тем сильнее отражение света от стен противостоящих зданий).

 

Оконные откосы. При очень глубоких оконных откосах значения освещенности поверхности окна, полученные из графика (рис. 1) и графика (рис. 7) в статье «Пандусы. Крутые откосы», необходимо уменьшить, пользуясь графиком (рис. 2). По графику (рис. 2) легко определяется коэффициент снижения освещенности, зависящий от глубины откоса; найденное ранее значение освещенности наружной поверхности  окна  следует   умножить  на  этот   коэффициент.

 

Отражение. При очень светлых стенах зданий, расположенных против окна или окружающих двор (например, из глазурованного кирпича), значение освещенности отраженными лучами очень велико; оно часто превосходит (особенно в нижних этажах) освещенность прямыми лучами света; для некоторых окон стена, отражающая свет, является единственным источником света. Величину такого светового потока для рассматриваемого окна можно легко рассчитать, приняв некоторые упрощения. В основу расчета берется значение общей средней освещенности отражающей стены, ее средняя отражающая способность и среднее расстояние до рассматриваемого окна. Поскольку стена освещена не только небосводом, но и светом, отраженным от стен соседних и противостоящих зданий, значение которого трудно учесть, то наиболее быстрым методом определения величины светового потока является замер на модели. Измерения д-ра Фрюлинга показали, что фактическая освещенность окон во дворе, окруженном пятиэтажными домами, облицованными глазурованным кирпичом (с отражающей способностью 70%), на 10 — 100% больше, чем определенная расчётом без учёта отражения. Наибольшие отклонения получены для окон первого этажа, для которых освещение от небесного свода ничтожно по сравнению со светом, отраженным от светлого покрытия двора (рис. 4).

 

Ориентация. Значение освещенности наружной поверхности окон, помимо высоты стояния солнца, зависит также от ориентации окон (рис. 3). Наибольшей равномерностью характеризуется освещенность окон, обращенных на север (ориентация, принятая для ателье художников).

 

Пример. Требуется определить среднюю горизонтальную освещенность в помещении площадью 30 м2; свет падает через окно размером 1,5 х 2 м, с откосами глубиной 50 см; здание длиной 20 м, шириной 6 м, высотой 10 м облицовано глазурованным кирпичом и расположено во дворе со светлым покрытием; вертикальная ось окна удалена от угла двора на 7 м, горизонтальная ось проходит на высоте 2 м от отметки двора (рис. 4).

 

В/(Н — h) = 6/8 ≈ 0,8; L1 /(H — h) = 7/8 ≈ 0,9; по графику (рис. 1) освещенность наружной поверхности окна составляет 4%.

 

L2/(H -h)=1/8 =1,6; по графику (рис. 1) освещенность окна составляет 5%; суммарное значение — 9%.

 

Коэффициент снижения: h/t = 2/0,5 = 4; b/t = 1,5/0,5 = 3; по графику (рис. 2) находим коэффициент снижения, равный 0,78.

 

Доля отраженного освещения определена в соответствии с местными условиями в 80%.

 

Окончательная величина освещенности наружной поверхности окна 9% • 0,78 •1,8 = 12,5%, при Е = 3000 лк получаем 378 лк. Средняя горизонтальная освещенность:

 

Ев = Еок η• Fок / Fпом= 378 • 0,4 • 3,0 / 30 = 15,1 лк.

 

Для обеспечения достаточной для работы освещенности в 40 лк можно увеличить площадь окна до

 

Fок = (FпомЕв)/ ηЕок = (30 • 40)/(0,4 • 378) = 8м2 — размер окна 4х 2 м.

 

Незначительной величиной коэффициента снижения для окна столь большой площади можно пренебречь.

Помещения в одноэтажных зданиях (производственного назначения) могут освещаться через фонари верхнего света.

 

Коэффициент естественной освещенности (КЕО) выражен отношением освещенности в данной точке внутри помещения Евн к наружной освещенности горизонтальной плоскости Енар в процентах:

 

 

Определение КЕО для любой точки Р на горизонтальной рабочей плоскости показано в табл. 1. Видимая из точки часть небосвода ограничена прямыми (крайними) лучами, проведенными через грани светового проема L1 и L2. Эти лучи вырезают из полуокружности, проведенной из точки Р с диаметром D дугу M1M2.

 

Если проекцию этой дуги на рабочую плоскость обозначить s, получим: КЕО = s/D • 100.

 

Если принять D = 100 мм, то длина отрезка s в мм определит величину КЕО. Этот расчет справедлив для фонарей большой протяженности в их среднем поперечном сечении. Равномерность значений КЕО зависит от расстояния между фонарями, от их площади и высоты помещения. Чем ближе расстояние между фонарями (в одноэтажном помещении с равномерным параллельным размещением фонарей оно совпадает с высотой помещения), тем равномернее значение КЕО (рис. 1, 2).

 

Коэффициент полезного действия фонарей η = KEO / (d / e) зависит от наклона остекленной поверхности фонаря (по Фрюлингу):

 

для горизонтального остекления η = 0,8 — 0,9;

 

для наклонного остекления под углом 60° η = 0,5 — 0,6;

 

для вертикального остекления η = 0,25 — 0,35.

 

Расчет освещения ведется в три стадии: I — для открытого незастеклённого светового проёма; II — для застекленного, незагрязненного светового проема; III — для застекленного, покрытого пылью светового проема (предельное значение) (табл. 1).

 

Остекление, горбыльки и конструктивные элементы фонарей являются причиной потерь в освещенности. Эти потери увеличиваются с загрязнением остекления (рис. 5, 6) по Спенсеру. Применение для фонарей матового стекла способствует рассеянию прямых солнечных лучей.

 

Из графиков видно, что загрязнение фонарей с обеих сторон через некоторое время достигает постоянной величины; коэффициент светопропускания τ при этом имеет наибольшее значение для вертикального остекления и наименьшее для горизонтального. Большее или меньшее содержание пыли в воздухе влияет только на сокращение или удлинение сроков достижения максимального загрязнения. Это справедливо только при загрязнении остекления сухой пылью и не относится к загрязнению липкими и маслянистыми веществами, а также к остеклению зданий вблизи цементных заводов.

 

Минимальные разрывы между зданиями и максимальные высоты зданий, установленные строительными правилами, имеют целью обеспечить естественное освещение помещений. Для школ и больничных зданий установлен разрыв В = 2Н (рис. 1). Это соответствует углу падения лучей света в 27°; для помещений первого этажа требуется угол свободного обзора 4 — 5°. В центрах старых городов чаще всего ограничиваются разрывом В = Н, т.е. углом падения лучей 45°. Для делового центра Берлина величина разрыва снижена до В = 5/6Н. С учётом этих предпосылок в зависимости от назначения здания устанавливают отношение площади окон (нетто) к площади пола в пределах от 1/10 до 1/3. Местные нормы, принятые в Гертлице и Магдебурге, требуют, чтобы в старых районах города l/3, a в остальных районах ½  поверхности пола помещений были обеспечены прямым освещением от небесного свода.

 

Расчет производится по эмпирической формуле Кюстера:

 

 

(рис. 3). Балконы, лоджии и козырьки следует устраивать так, чтобы они возможно меньше мешали освещению помещений (рис. 4).