 |
II. Системы естественного света в зданиях.
|
|
|
|
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ
К РАСЧЕТУ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ
Москва, 2010
“Учебно-методические разработки к расчету и проектированию естественного освещения помещений” (авторы – доцент Мигалина Инна Валентиновна и зав. кафедрой доктор арх., проф. Щепетков Николай Иванович) рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры “Архитектурная физика” (протокол № 10 от 11 мая 2010г.).
Содержание
I. Общие положения ………………………………...………………….……3
II. Системы естественного света в зданиях ……………..……………..……4
III. Светопропускающие материалы и изделия
для световых проемов ………………………………..………..………...14
IV. Нормирование естественного освещения ……………..………..………23
V. Расчет и проектирование естественного освещения…………………...34
1. Предварительный расчет площади световых проемов.......................35
2. Проверочный расчет коэффициента естественной освещенности (КЕО):……………………………………………………………………………..43
А. Расчет КЕО при боковой системе освещения …………..……….........45
Б. Расчет КЕО при верхней системе освещения ………..………….........55
В. Расчет КЕО при комбинированной системе освещения ……..…........59
VI. Контрольные вопросы……………………………………………………61
VII. Литература ………………..……………………………………………62
I. Общие положения. Критерием оценки переменного естественного освещения[1] служит коэффициент естественной освещенности (КЕО), который представляет собой отношение естественной освещенности EМ, создаваемой в точке М на заданной рабочей поверхности внутри помещения диффузным светом неба (непосредственно или после отражения), к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности под открытым небосводом EН. Значение КЕО показывает, какую долю составляет освещенность в данной точке М помещения от одновременно измеренной освещенности горизонтальной поверхности на открытом месте при диффузном свете неба; КЕО выражается в процентах. Участие прямого солнечного света в определении EМ и EН исключается. Значение КЕО, обозначаемого в формулах как е, находится из выражения:
|
|
|
e М = (EМ/ EН) . 100 [%] (1)
Наряду с е в расчетах естественного освещения применяется геометрический КЕО, обозначаемый ε. Он отличается от е тем, что не учитывает влияние остекления, и света, отражаемого фасадами зданий, землей и внутренними поверхностями помещения с определенной отделкой, а также не учитывает неравномерной яркости небосвода.
Суммарное значение КЕО в той или иной точке помещения определяется следующими составляющими: долей естественного освещения, создаваемого прямым светом неба и оцениваемого значением геометрического КЕО; долей КЕО, обусловленной при боковом освещении отражением света фасадов противостоящих зданий и подстилающим слоем; долей КЕО, обусловленной отражением света от внутренних поверхностей помещения.
еМ = еН + еПР. ЗД. + еПОД. СЛ.+ еО , (2)
где еM – расчетный КЕО в данной точке помещения;
еH – КЕО от прямого света неба (εH);
еПР. ЗД . – КЕО за счет отражения естественного света от фасада противостоящих зданий (εзд);
еПОД. СЛ. – доля КЕО за счет отражения от подстилающего слоя (альбедо земли);
еО – доля КЕО в результате многократных отражений от внутренних поверхностей помещения.
II. Системы естественного света в зданиях.
Объемно-планировочное решение здания является одним из главных факторов, определяющих выбор систем естественного освещения помещений. Таких систем три: боковая (окна в наружных стенах – рис. 1а), верхняя (световые фонари в покрытии, а также проемы в стенах в местах перепада высот здания – рис. 1 б, в, г), комбинированная – боковое + верхнее естественное освещение (рис. 1д).
|
|
|
Рис.1. Схемы естественного освещения:
а - боковое освещение;
б, в, г - верхнее освещение;
д - комбинированное освещение;
▼ - ур. раб. поверхности.
На рис. 2 и 3 приведена классификация проемов бокового освещения(2а) и типы окон (2б); классификация типов фонарей (рис.3), облегчающая проектировщику выбор типа и расположения светопроемов. При выборе типов окон и фонарей и их расположения в пространстве необходимо учитывать большую архитектурную роль этих деталей интерьера, которые вносят свой ритм в членение пространства, способствуют выявлению его глубины, пропорций и других качеств, что во многом определяет художественную тектонику и эмоциональную атмосферу в помещениях.
Рис.2. Классификация проемов бокового освещения и типы окон:
1,2- большая и средняя неравномерность освещения
3- равномерное освещение (показано кривой КЕО)
Рис.3. Классификация типов фонарей
Системы бокового естественного освещения применяются, как правило, в жилых и общественных зданиях. Они представляют собой обычные окна, ленточное остекление, витражи. Системы бокового естественного освещения применяются также в многопролетных производственных зданиях для освещения крайних пролетов, а также в многоэтажных производственных зданиях и зданиях павильонного типа, имеющих один большой пролет. Такие здания применяются не только в промышленности (самолетостроение, судостроение и т. п.), но и для выставочных залов, ярмарочных и торговых павильонов (рис. 4).
Рис. 4. Здания павильонного типа:
а) с боковым естественным освещением;
б) с комбинированным естественным освещением.
Боковые светопроемы обеспечивают высокую естественную освещенность на вертикальных поверхностях, обращенных к ним. На горизонтальной поверхности уровни освещенности меньше, чем от светопроемов верхнего естественного освещения. Освещенность на вертикальной поверхности, ориентированной в противоположную сторону от светопроемов, обеспечивается только за счет отраженного света и очень мала.
|
|
|
- Системы верхнего естественного освещения применяются в одноэтажных промышленных зданиях, в многоэтажных производственных зданиях для освещения средних пролетов верхнего этажа, а также в общественных помещениях зального типа (школы, библиотеки, торговые павильоны, спортивные залы, выставочные павильоны, вокзалы и др.).
Основные типы систем верхнего естественного света.
Фонари-надстройки. Среди них наиболее распространены светоаэрационные фонари. В зависимости от их формы, они могут быть прямоугольными (или П-образными), трапециевидными или М-образными (рис. 5).
Из-за невысокой светоактивности таких фонарей естественная освещенность может соответствовать только требованиям для зрительной работы невысокой точности. Благодаря двустороннему вертикальному расположению остекления обеспечивается удовлетворительное соотношение между освещенностями на вертикальной и горизонтальной поверхностях.
Рис. 5. Фонари-надстройки:
а - П-образные; б – трапециевидные; в - М-образные.
Для уменьшения инсоляции помещений (в производственных помещениях инсоляция противопоказана) остекление фонарей ориентируют на север-юг. При этом южное остекление рекомендуется оборудовать солнцезащитными устройствами. Этот тип систем естественного освещения применяется в основном для производств с повышенной влажностью и значительным тепловыделением. Использование таких фонарей для аэрации приводит к быстрому загрязнению остекления, т.к. частицы пыли в смеси с влагой и другими загрязняющими технологическими выделениями подхватываются потоками воздуха и осаждаются на стекле. Поэтому функции освещения и аэрации в таких фонарях следует разделять, применяя отдельно секции с не открывающимся остеклением только для освещения, обслуживаемые “персонально”.
В фонарях-надстройках большое значение имеет свет, отраженный от прилегающих участков кровли на потолок фонаря. Высокая активность потолка фонаря при очень светлой кровле может в 1.5 раза увеличить освещенность в зоне рабочей поверхности под фонарем.
|
|
|
Зенитные фонари. Эти фонари обладают наибольшей светоактивностью на горизонтальных поверхностях интерьера. Зенитные фонари традиционных типов целесообразно применять в северных районах и в районах с преобладанием пасмурного облачного неба, потому что они обладают существенным недостатком – почти беспрепятственно пропускают прямые солнечные лучи внутрь производственных цехов, мешающие зрительной работе. Другой недостаток в интерьере – большой контраст между светопроемом фонаря и потолком, кажущимся очень темным. Вследствие высокой светоактивности зенитные фонари применяют для всех разрядов зрительных работ. Естественная освещенность от зенитных фонарей на горизонтальной плоскости обычно в 1,5 – 2 раза выше, чем на вертикальных плоскостях. Это необходимо учитывать при проектировании. Кроме того, при проектировании необходимо обязательно учитывать расположение коробов, труб и других коммуникаций, проходящих в межферменном пространстве, как правило, во всех производственных зданиях (рис. 6). Они, как и несущие конструктивные элементы (фермы, балки и др.), оказывают затеняющее действие.
Рис. 6. Зенитные ленточные фонари (вид изнутри).
Зенитные фонари могут быть трех типов – ленточные, панельные и точечные.
Зенитные ленточные. Как правило, они располагаются вдоль пролета. В зависимости от ширины они могут иметь различные конструкции. Остекление таких фонарей может быть одинарным, двойным или тройным в зависимости от климата местности. Наклон остекления от 15° при ширине фонаря 1,5 - 3,0 м до 30° при большей их ширине.
Зенитные панельные. Эти фонари имеют размеры панелей покрытия и могут располагаться в линию или в шахматном порядке. Они обеспечивают высокую равномерность распределения освещенности по рабочей поверхности помещения. Наклон остекления - до 15°. Отраженный свет от кровли на внутренние поверхности фонаря практического значения не имеет. В районах с избыточной солнечной радиацией остекление таких фонарей должно быть солнцезащитным или должны применяться специальные солнцезащитные устройства в виде сотовых пластин.
Зенитные точечные (рис. 7).
Рис. 7. Зенитные точечные фонари (купола с относительно глубокими шахтами-стаканами).
Эти фонари устанавливаются над точечными проемами в покрытии, изготавливаются на заводах как отдельные светотехнические изделия. Они имеют, как правило, небольшие размеры - от 1х1 м до Зх3 м, могут быть квадратными в плане, прямоугольными или круглыми. Фонари состоят из «стакана», светопрозрачного заполнения и системы крепления этих частей между собой, обеспечивающей надежную герметизацию и утепление. В некоторых случаях такие фонари оснащаются системами дистанционного открывания и используются для аэрации (рис.8).
|
|
|
Рис. 8. Зенитные точечные купола с системами дистанционного открывания для аэрации.
При равномерном расположении таких фонарей в покрытии достигается высокая равномерность освещенности. Освещенность на рабочей плоскости в большой степени зависит от отраженного света от стенок «стакана» фонаря, что необходимо учитывать при расчете КЕО. В районах с избыточной солнечной радиацией возможно применение солнцезащитного светопрозрачного заполнения или увеличение высоты стенок «стакана», в том числе и с помощью полых световодов.
Шеды. Эти фонари являются частью покрытия здания и могут выполняться как в железобетонных, так и в металлических конструкциях. Естественное освещение в таких зданиях обычно обеспечивается для высоких разрядов зрительных работ, причем освещенность на вертикальных поверхностях, обращенных к остеклению фонаря, обычно в 2-3 раза выше, чем на вертикальных поверхностях, ориентированных в противоположную сторону. Соотношение освещенности на вертикальной плоскости, обращенной в сторону фонаря, к горизонтальной освещенности обычно близко к единице.
Такие системы наиболее целесообразны для ткацких и других цехов текстильной промышленности, где объекты зрительной работы расположены как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. Пилообразная форма покрытия шеда дает опасность образования снеговых мешков в нижней части покрытия, что приводит к протечкам и неравномерной нагрузке на покрытие. Поэтому применение шедов в многоснежных районах возможно только в крайнем случае. Наиболее целесообразно применение шедов в малоснежных районах с преобладанием солнечных дней. В этом случае ориентация светопроемов на север обеспечит защиту от солнечной радиации и высокую освещенность за счет прямого света небосвода и отраженного света от кровли соседнего шеда.
По характеру распределения прошедшего в помещение светового потока окна и фонари подразделяются на три вида (рис. 9).
Рис.9. Классификация приемов естественного освещения по характеру светораспределения.
Первый вид (рис. 9а) характеризуется отчетливо выраженной направленностью светового потока, который четко выделяет формы рассматриваемой детали благодаря образующимся собственной и падающей теням, т.е. обладает наилучшим светомоделирующим эффектом.
Световые проемы второго вида (рис. 9б) создают в помещениях так называемое бестеневое освещение благодаря двустороннему или многостороннему освещению объектов в интерьере или применению в светопроемах светорассеивающих материалов (стекла, пленки, решетки и т.п.; обозначены штриховыми линиями).
Для третьего вида естественного освещения (рис.9в) характерно использование отраженного света, который создается скрытыми от наблюдателя окнами; этот прием освещения создает иллюзию открытого проема и зрительно увеличивает глубину пространства.
Проектирование системы верхнего естественного освещения в современных зданиях – задача большой сложности; ее надо решать комплексно с учетом климатических условий района строительства и особенностей технологии производства.
В зданиях общественного и жилого назначения различные модификации систем бокового, верхнего и комбинированного естественного освещения используются более изобретательно, индивидуализировано, что приводит к оригинальным образно-световым решениям в интерьерах. Эта индивидуализация усиливается использованием различных ахроматических и цветных светопропускающих стекол, полимеров, материалов и изделий (сеток, перфорированных листов, стационарных и регулируемых солнцезащитных решеток и т.п.), которые обеспечивают необычные оптические эффекты, формируя новые структуры светового поля в интерьере и его новые зрительные образы. Многие известные мастера современной архитектуры (Ж.Нувель, К. де Портзампарк, Д.Перро, Н.Фостер, Ф.Гери, Ж.Херцог и П. де Мерон, П.Зумтор, М.Фуксас, Н.Гримшоу, П.Андре, Х.Ян, М. фон Геркан, Р.Монео, Т.Ито, Ф.Маки, Р.Пьяно, С.Холл, Р.Мейер и др.), используя новейшие светотехнические и строительные материалы и технологии, формируют в архитектуре все новые стилевые течения.
III. Светопропускающие материалы и изделия для световых проемов. [1].
Кроме традиционных типов световых проемов, таких как окна и фонари верхнего естественного освещения, в настоящее время широкое распространение получили большие плоскости остекления фасадов, светопрозрачные покрытия атриумов, остекленные оранжереи и зимние сады, формирующие современную архитектуру зданий. Эти новые архитектурные приемы стали возможны вследствие качественного скачка в производстве новых прочных светопропускающих материалов, обладающих не только высоким светопропусканием, но и высокими УФ- и теплозащитными, а также шумозащитными качествами.
Традиционным светопропускающим материалом является оконное стекло, производящееся методом растяжки («тянутое стекло») или проката жидкой стеклянной массы между вальцами («прокатное стекло»). Для изготовления витринных и зеркальных стекол тянутое и прокатное стекло подвергают шлифовке и полировке.
Кроме обычных прозрачных стекол в строительстве применяются специальные стекла — тонированные, т.е. окрашенные в массе, и стекла со специальным покрытием под общим названием «низкоэмиссионные стекла».
Окрашенное в массе стекло изготавливается при помощи добавления к обычной стеклянной массе различных веществ для получения желаемого цвета (промежуток между бронзовым и коричневым, серый, зеленый, синий и др.). Такие стекла известны как свето- и теплозащитные или абсорбирующие, поскольку они поглощают больше солнечной энергии и света, чем обычные прозрачные. Наряду с преимуществами такого стекла, позволяющего реализовать различные современные архитектурные решения фасадов, оно имеет и существенные недостатки, связанные с пониженным светопропусканием и нагревом стекла за счет поглощения тепловой солнечной радиации. Это следует учитывать при проектировании светопроемов, выбирая их размеры, форму и конструкцию.
Применение низкоэмиссионных стекол позволяет решить широкий спектр архитектурно- строительных задач и является одним из наиболее перспективных направлений мировой стекольной индустрии. Основным отличием таких стекол от обычных является напыление на поверхность стекла светопропускающего покрытия из цветных металлов или полупроводниковых оксидов.
Напыление может наносится как на прозрачные стекла, так и на стекла, окрашенные в массе. Низкоэмиссионные стекла могут быть с «твердым» и «мягким» покрытием.
Твердые покрытия устойчивы к воздействию погодных условий и к эксплуатации (чистке) светопроемов. В отличие от них, мягкие покрытия ограниченно устойчивы к погодным, температурным и эксплуатационным воздействиям. Однако, при установке в стеклопакете - покрытием в сторону воздушной камеры - они имеют долговечность, сопоставимую с твердыми покрытиями.
При использовании стекла в светопрозрачных конструкциях с повышенными требованиями к безопасности (стеклянные крыши, наклонные остекленные плоскости фасадов и т.д.) применяются закаленные или л аминированные с текла (рис.10 и рис.11).
Рис. 10. Рис. 11.
Стеклянные крыши и фасады. Наклонная стеклянная плоскость фасада
Ламинирование - изготовление многослойных конструкций из стекла с прослойками между слоями стекол из поливиниловой пленки или специальной смолы. Наиболее распространенным типом является так называемый «ТРИПЛЕКС» (два стекла и промежуточный слой). Основным достоинством многослойных конструкций из стекла является безопасность при разрушении.
Многослойные стекла, полученные с помощью обычного жидкостного ламинирования, мало отличается с точки зрения пропускания видимого света от обыкновенного прозрачного стекла. За счет добавления пигментов в ламинирующую жидкость можно получить цветные жидкостноламинированные стекла.
При необходимости получения выразительных архитектурных решений стекло может быть подвергнуто молированию - изгибу. Для строительства, как правило, требуется выпускать гнутые стекла малыми и кратковременно выпускаемыми сериями; такие гнутые стеклянные элементы являются дорогими.
Стеклопакетом называется элемент, в котором два или более стекол герметично соединяются друг с другом при помощи одной или двух дистанционных рамок и внутреннего и внешнего герметиков. Между стеклами образуется одна или две полости - камеры, заполненные осушенным воздухом или другими газами (аргоном, криптоном, гексофторидом серы). Первые два газа применяются для улучшения теплоизоляции, последний - для улучшения звукоизоляции стеклопакета.
Стеклопакеты различной конструкции приведены на рис.12.
Рис. 12. Стеклопакеты различной конструкции:
1 – заваренный;
2 – паяный;
3 – клееный с одинарной герметизацией;
4 – клееный с двойной герметизацией.
В настоящее время налаживается производство стеклопакетов с вакуумом в камерах. Для того, чтобы стекла не прижимались друг к другу, в таких стеклопакетах между стеклами устанавливаются шайбы диаметром до 0,2 мм по сетке 10 х 10 см. Такие стеклопакеты обладают исключительно высокими теплозащитными свойствами, но также и определенным недостатком, связанным с тем, что при прямом солнечном освещении дистанционные шайбы, невидимые при диффузном освещении, становятся заметными в виде очень мелких черных точек.
По количеству воздушных камер стеклопакеты классифицируются как однокамерные (2 стекла) и двухкамерные (3 стекла). В маркировке стеклопакетов указываются толщина и тип стекол, ширина дистанционной рамки, количество воздушных прослоек, а также тип газа, используемого для их заполнения (рис. 13).
Рис. 13. Клееные стеклопакеты различной конструкции:
1 – однокамерный;
2 – двухкамерный;
3 – однокамерный с ламинированным защитным стеклом (триплексом);
4 – двухкамерный с перегородкой из теплоотражающей пленки.
Профильное стекло представляет собой крупногабаритный элемент из рифленого, узорчатого или матированного стекла швеллерного или коробчатого сечения (рис. 14). Основная область его применения в строительстве - заполнение световых проемов в производственных и общественных зданиях. Применение профильного стекла позволяет создавать беспереплетные светопропускающие конструкции, обладающие солнцезащитными свойствами.
Рис. 14. Профильное стекло:
а – стекло швеллерного сечения;
б – стекло коробчатого сечения.
Существенным недостатком профильного стекла является невысокая светопрозрачность, что нарушает зрительную связь человека с внешним пространством. Для обеспечения такой связи, а также для обеспечения проветривания в больших плоскостях светопроемов из профильного стекла делаются открывающиеся вставки с прозрачным остеклением.
Органическое стекло по сравнению с силикатным обладает важными достоинствами - легкостью, прочностью, высоким светопропусканием, простотой обработки. Для изготовления светопрозрачных конструкций применяется листовое органическое стекло толщиной 3-5мм. При нагревании ему можно придать любую изогнутую форму, которая сохраняется при охлаждении. В США и Западной Европе широко распространены зенитные фонари в виде куполов из органического стекла. В России их применение сдерживалось пожарными требованиями. Однако, как показали исследования, быстрое разрушение куполов из органического стекла при пожаре резко снижает температуру в помещении, препятствуя распространению огня. В настоящее время у нас и за рубежом производятся купольные конструкции из органического стекла для зенитных фонарей, которые могут быть одно-, двух- и трехслойными.
В видимой части спектра органическое стекло имеет пропускание 92%, в УФ - 73% (у силикатного стекла в УФ-области пропускание не превышает 8%). Это свойство позволяет использовать органическое стекло в детских, учебных, лечебно-профилактических и др. зданиях.
К недостаткам органического стекла следует отнести его высокую стоимость, а также незначительное помутнение в первый период эксплуатации (около 4-5 месяцев) под воздействием трения о стекло частичек пыли и под воздействием УФ-радиации. Следует отметить, что это помутнение быстро прекращается. При этом коэффициент светопропускания не становится ниже 90%.
Поликарбонат - эффективный свтопрозрачный материал сплошной или ячеистой структуры, обладающий гораздо меньшим коэффициентом теплопроводности по сравнению с обычным стеклом. Поэтому поликарбонат, особенно ячеистой структуры, эффективен для применения при остеклении больших поверхностей в кровле. Применение поликарбоната ячеистой структуры для остекления проемов в стенах ограничивается светорассеянием, не позволяющим обеспечить зрительный контакт с внешней средой.
Фотохромные стекла являются новым перспективным светопрозрачным материалом с переменным светопропусканием. Заполнение световых проемов фотохромным стеклом в зданиях, строящихся в районах с избыточной солнечной радиацией, позволяет устранить слепящее действие солнца и уменьшить теплопоступление в помещения без применения солнцезащитных устройств. Когда солнце закрыто облаками или невысоки уровни наружной освещенности в утренние или вечерние часы, фотохромное стекло пропускает максимальное количество света. При высоких уровнях наружной освещенности, а также при прямом попадании солнечных лучей на световой проем светопропускание фотохромного стекла резко уменьшается. Например, фотохромные стекла с галоидами серебра за одну минуту могут уменьшить светопропускание в 3-5 раз. Стоимость фотохромных стекол пока велика. Поэтому их применение в строительстве ограничено.
|
|
|
