в архитектуре.

Основные законы светотехники; световой климат и диффузный свет неба

в архитектуре.

В основу расчета и моделирования естественного освещения помещений положены два закона.

Первый закон - закон проекции телесного угла.Он говорит, что освещенность Ем в какой-либо точке поверхности помещения, создаваемая равномерно светящейся поверхностью неба, прямо пропорциональна яркости неба L и обратно пропорциональна проекции σ телесного угла, в пределах которого из данной точки виден участок неба, на освещаемую рабочую поверхность.

При этом приняты допущения:

1) яркость неба во всех точках одинакова;

2) не учитывается влияние отраженного света;

3) не учитывается остекление светопроемов.

Графический закон иллюстрируется следующим построением: проведем из точки М полусферу небосвода радиусом, равным единице, и обозначим яркость неба через L (рис. 8 ). Определим освещенность в точке М, создаваемую в помещении через окно участкомполусферы Ѕ, который можно принять за точечный источник света, по формуле ( 14 ). Выражая в ней силу света I участка неба Ѕ через яркость L согласно формуле ( 8 ) получим

Ем = L Ѕ соsα. ( 17 )

Но Ѕ соsα = σ, т.е. площади проекции участка неба Ѕ на освещаемую поверхность.

Таким образом, закон проекции телесного угла выражается формулой

Ем = L σ, ( 18 )

т.е. освещенность в какой-либо точке помещения равна произведению яркости участка неба, видимого из данной точки через светопроем, на проекцию этого участка неба на освещенную поверхность.

Представим теперь, что точка находится на открытой горизонтальной поверхности и освещается всей равномерной яркой полусферой. В этом случае

Ен = L π R², ( 19 )

где π R² - площадь полусферы на горизонтальную поверхность.

Но R = 1, следовательно, Ен = L π. Отсюда

εм = L σ / L π = σ / π, ( 20 )

т.е. значение КЕО в какой-либо точке поверхности определяется отношением проекции видимого из данной точки помещения участка неба на освещаемую поверхность к величине π. Это отношение представляет собой геометрическое выражение коэффициента естественной освещенности – геометрическое КЕО.

Практическое значение этого закона очень велико: пользуясь им, можно определитьотносительную световую активность различных светопроемов или сравнивать освещенности, создаваемые одним и тем же проемом, расположенным различно относительно рабочей плоскости (рис.9), а также определять светотеневой рисунок на объемных объектах и деталях под открытым небосводом в пасмурный день.

На основе этого закона разработаны графические способы расчета естественного освещения (в частности, графики Данилюка), получившие широкое распространение в нашей и мировой архитектурной практике.

Второй закон – закон светотехнического подобия (рис. 10). Освещенность в точке М помещения создается через окна, обладающие яркостьюL1 и L2. Различная яркость может создаваться, например, применением различных сортов стекла (прозрачного, молочного, контрастного, матированного и т.д.). Однако при различных размерах окон (I и II), но с одинаковым остеклением, освещенность в точке М создается одним и тем же телесным углом с вершиной в этой точке.

Из закона проекции телесного угла следует, что освещенность в точке М остается постоянной при условии, если L1 = L2 = Ln = const. Следовательно, освещенность в какой – либо точке помещения зависит не от абсолютных, а от относительных размеров помещения.

Большое практическое значение этого закона заключается в том, что он позволяет решать задачи естественного освещения, т.е. оценивать условия освещения помещения намоделях. Для этого изготавливаются модели в масштабе не менее чем 1:20. При этом тщательно соблюдаются все геометрические и светотехнические параметры (отделка, пропорции, детали и др.) интерьера.

Совокупность ресурсов природной световой энергии, характерная для того или иного района, получила название светового климата данного района. На территории нашей страны световой климат изменяется в широких пределах как по широте, так и по долготе.

Составляющие светового климата и схема их многообразного взаимодействия с архитектурой приводятся на рисунке11. Среди этих составляющих к настоящему времени изучены наружная диффузная освещенность и яркость неба.

Основные компоненты естественной освещенности на открытой местности – прямой солнечный свет Ес, расчетный (диффузный) свет неба Ен и отраженный от земли свет Ез.

Суммарная (общая) освещенность Ео в ясный день при полностью открытом горизонте

Ео = Ес + Ен + Ез. ( 21 )

Солнечное излучение, падающее на землю, претерпевает изменения вследствие его отражения, рассеяния и поглощения атмосферой и подстилающим слоем земной поверхности.

Солнце представляет собой шар радиусом 696 000 км. Среднее расстояние от Земли до Солнца, равное большой полуоси эллипса земной орбиты, составляет приблизительно 149,6á10⁶ км; это расстояние принимается за единиц (астрономическую единицу). Основными характеристиками, которые определяют излучательную способность Солнца, служат солнечные постоянные – световая и тепловая.

Световая солнечная постоянная Есº представляет собой освещенность плоскости, расположенной перпендикулярно солнечным лучам и удаленную от солнца на расстояние, равное астрономической единице. Приближенное значение солнечной световой постоянной на границе атмосферы составляет 135 000 – 137 000 лк. Соответствующая этой освещенности средняя яркость Солнца Lс = 2 á10⁹ кд/м².

При заданном коэффициенте пропускания света атмосферой τа, который зависит от высоты стояния Солнца и прозрачности воздуха р, освещенность от Солнца нагоризонтальной поверхности Ес^г определяется по формуле

Ес^г = Ес┴ sίn hо, ( 22 )

где Ес^{^} – освещенность от Солнца на плоскости, перпендикулярной направлению солнечных лучей;

Ес^{^} = ( Есº / Δ² ) р^М, ( 23 )

где Δ – расстояние от Солнца в заданный момент времени, определяется по астрономическим таблицам ( ≈ 1); М – воздушная масса, которую необходимо преодолеть солнечным лучам при прохождении через атмосферу; hо – высота стояния Солнца над горизонтом.

Значение М изменяется в зависимости от hо: от 90º (зенит) до 0º (у горизонта) соответственно от 1 до 26,96 ( рис. 12 ) – определяются по таблице Бемпорада.

Средняя освещенность поверхности, перпендикулярной лучам Солнца, определяется по таблице в зависимости от географической широты и часа дня для характерных дней года (см. Л-1 . стр.88- Архитектурная физика :Учеб. Для вузов:Спец. «Архитектура» /В.К.Лицкевич, Л.И.Макриенко, И.В.Мигалина и др.; Под ред. Н.В.Оболенского. –М.:Стройиздат, 1997. – 448 с.: ил).

Продолжительность солнечного сияния в разных пунктах на территории страны определяется по картам климатических атласов, которые составляются в результате обобщения многолетних измерений, проведенных метеорологическими станциями. При составлении этих карт должно учитываться общеклиматическое районирование территории.

Освещенностьот облачного неба определяется фотометрическим, а также расчетнымпутем по многолетним средним характеристикам солнечной радиации с помощью так называемого светового эквиваленты, который выражает отношение между освещенностью и интенсивностью солнечной радиации на данной поверхности. (Годовой ход наружной освещенности и ультрафиолетовой облученности приведен Л-1 стр.89 ).

Световой эквивалент солнечной радиации зависит от :

- высоты стояния Солнца;

- характера облачности;

- коэффициента отражения подстилающей поверхности (альбедо).

Поэтому суммарный световой эквивалент определяется с учетом различных условий облачности для периодов со снежным покровом и без него.

На основании результатов расчетов, проведенных в крупных городах и промышленных районов, построена карта светоклиматического районирования нашей страны. Критериемпри её составлении было принято среднее за год количество наружного диффузногоосвещения (средняя освещенность) на горизонтальной поверхности при открытом небосводе в течение 1 ч за период использования в помещении естественного света:

Еср = ∑год (Е – Екр) / ∑год Т, ( 24 )

где Еср – средняя освещенность, лк; Е – наружная освещенность горизонтальной поверхности, лк; Екр – критическая наружная освещенность, лк; Т - продолжительность использования естественного освещения, определяется разностью времени наступления критической освещенности утром и вечером, ч.

Критической наружной освещенностью Екр называется освещенность, наблюдаемая в моменты выключения (утром) и включения (вечером) искусственного освещения в помещении; она вычисляется по формуле:

Екр = Еи / е, ( 25 )

где Еи – освещенность при искусственном освещении помещения (по СНиП !!-4-79); е – нормированное значение КЕО.

Действующее в настоящее время светоклиматическое районирование территории СНГ (рис.13) основано на данных многолетних актинометрических измерений. При составлении карты светового климата вероятность ясного неба учитывалась лишь косвенно, так как основным критерием при проведении границ светоклиматических районов было количество освещения в час в среднем за период использования освещения (5000 лк и выше).

На карте светоклиматического районирования приводятся значениякоэффициентов светового климата m, которое и пользуется при расчетах КЕО и определялись как отношение средней освещенности а Москве Еср^М к средней освещенности в данном районе Еср. Средняя освещеность в Москве служила эталоном (значение для Москвы принято равным единице), т.е.

m= Еср^М / Еср. ( 26 )

Территория на рис.11 делится на пять светоклиматически районов; три северных района разделены на подрайоны восточный и западный. Для восточных подрайонов характерно длительное (6 месяцев и более в течение года) залегание снежного покрова, оказывающее влияние на распределение яркости неба (заштриховано).

Наружная освещенность зависит от яркости неба, значение которой в разных участках неба различно. Значение закономерности изменения яркости облачного и ясного неба имеет большое утилитарное и эстетическое значение, помогая архитектору выбрать ориентацию по сторонам горизонта и пластическое решение фасадов здания.

Распределение яркости облачного неба учитывается коэффициентами q и qс :

q – коэффициент, учитывающий яркость облачного неба при отсутствии снежного покрова; qс – соответственно при наличии снежного покрова.

Существенную роль при решении таких архитектурных задач, как выбор объемнойкомпозиции, пластики фасада, ритма членений, а также фактуры отделочных материалов, играет контрастность естественного освещения, которая учитывается в динамике в течение дня и сезонов года.

В общем случае контрастность естественного освещения выражается отношением

суммарная освещенность

Ко = Ес / Ен + Ез = -------------------------------------------------------------- ( 27 )

освещенность от неба + освещенность от земли

Контрастность естественного освещения изменяется в разных районах в зависимости от высоты стояния солнца, характера облачности и состояния подстилающего слоя земли (чернозем, лесс, пески, снеговой покров и др.). Характеристикой контрастности освещения может служить соотношение абсолютных величин освещенности, наблюдаемых при солнечном и диффузном освещении.

Контрастность освещения имеет место и при диффузном освещении облачным небом; в этом случае она определяется повышенной яркостью зенитной части неба по сравнению с частью неба, прилегающей к горизонту. Отсутствие контрастности можно наблюдать в пасмурные зимние дни, когда яркость облачного неба делается равной или кажется меньше яркости снежного покрова. Наблюдениями установлено, что наибольшая контрастность освещения наблюдается летом в южных районах (Средняя Азия, Армения и т.п.), а наименьшая – зимой в северных районах (Крайний Север, Заполярье).

Суточный ход контрастности естественного освещения по среднемесячным данным в западной части III, IV, V районов характеризуется максимальными значениями утром и минимальными - вечером. Это объясняется в основном уменьшением прозрачности воздуха.

Критерием оценки контрастности естественного освещения, наблюдаемой при солнечном и диффузном освещении зданий и деталей, служит коэффициент контраста светотени,определяемый как

К = L₁ - L₂ / L₁, ( 28 )

где L₁ и L₂ - соответственно яркость поверхности, освещенной прямым светом солнца (или неба) и затененной.

Коэффициент контраста светотени колеблется в летнее полугодие:

-в южных районах- 0,7 – 0,8

- в центральных - 0,5 – 0,6

- в северных - 0,3 – 0,4.

При составлении карты светового климата вероятность ясного неба учитывалась лишь косвенно (см. выше). Однако в южных районах Украины, на Кавказе, в Средней Азии и Казахстане, на юге Западной и Восточной Сибири и на значительной части территории Дальнего Востока более 50% времени в году преобладает ясное небо и солнечная погода.

С одной стороны, на значительной территории Севера и средней полосы, для которой по СНиП производятся расчеты с учетом прямого солнечного света, происходитнеоправданное сокращение площади остекления и занижение уровня освещенности помещений в осенне-зимний период, когда в течение шести месяцев преобладает пасмурное небо. С другой стороны, в южных и дальневосточных районах площадь остекления значительно превышает необходимую.

Таким образом, очевидно, что при определении границ преобладания ясного неба для нормирования и расчета освещенности в помещениях с учетом инсоляции следует исходить не из средней годовой вероятности солнечного сияния, а принимать за критерийсреднюювероятность солнечного сияния за период с октября по март. Это повысит надежность обеспечения помещений требуемым количеством освещения и упорядочит выбор площади остекления светопроемов в указанных районах.

Как уже отмечалось ранее, большое влияние на наружную освещенность и ультрафиолетовую облученность оказывает состояние подстилающего слоя земли. По данным Актинометрического института в Павловске, снеговой покров при сплошной облачности увеличивает наружную освещенность на 100% и более.

Высокий коэффициент светового ультрафиолетового и теплового отражения подстилающего слоя значительно повышает роль отраженной от земли радиации в южных районах, и это надо учитывать , решая улитарные и эстетические задачи при архитектурном проектировании.

В последние годы было предложено дополнить карту светоклиматического районирования зоной, где целесообразно нормировать и рассчитывать освещенность помещения исходя из условий преобладающего ясного неба и вида подстилающей поверхности. Это имеет большое гигиеническое, экономическое и эстетическое значение.

Рис. 8

Графическая модель небосвода.

Схема к закону проекции телесного угла (аксонометрия и разрез)

Условное допущение: L1 = L2 = L3 =соnst

S - участок неба, видимый из точки М; N - небосвод; s - площадь проекции участка неба, освещающего точку М, на рабочую поверхность (РП); ЛГ – линия горизонта; ⁰ – угловая высота середины светопроема С над горизонтом; О – центр небосвода, совмещенный с исследуемой точкой М; L - яркость небосвода, кд/м²

Рис. 9

Определение относительной световой активности светопроемов

с помощью закона проекции телесного угла при расположении точек

на горизонтальной (1), наклонной (2) и вертикальной (3) плоскостях

Рис.10

Схема к закону светотехнического подобия.

Модели помещения в масштабе 1:10 (а) и 1:20 (б) на разрезе 1-1 и плане.

N - условный небосвод

Рис.11 Схема, поясняющая

функции светового климата и

их взаимодействие с архитектурой

Рис. 12

Схема к определению воздушной массы (М),

проходимой солнечным лучом при различной высоте стояния солнца

Рис. 13 Карта светоклиматического районирования страны