СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Светотехнические установки (СТУ) представляют собой совокупность следующих элементов: источника, генерирующего излучение оптического диапазона спектра; прибора для перераспределения и трансформации этого излучения в пространстве; среды, в которой осуществляется перенос излучения, а нередко и его трансформация, и, наконец, приемника излучения, реакция которого во многом определяет эффективность всей установки. Основное назначение любой СТУ – создание оптимальных условий облучения (освещения) для получения максимальной реакции соответствующего приемника. Многообразие приемников не позволяет Создавать однотипные по своей структуре и назначению установки.

Осветительные установки (ОУ) – установки, использующие излучение видимого диапазона спектра и предназначенные для создания оптимальных условий жизни, работы, отдыха, творчества человека. Все другие установки, обеспечивающие оптимальные условия работы любых других приемников излучения оптического диапазона спектра, носят название облучательных установок (ОБУ).

В настоящее время любая сфера деятельности человека не обходится без освещения, поэтому так разнообразны типы ОУ, которые необходимо проектировать и рассчитывать инженерам‑светотехникам. Среди них установки промышленного освещения, освещения общественных зданий и сооружений, подземных и наземных горных выработок, наружного освещения городов и населенных пунктов, освещения на транспорте, естественного и совмещенного освещения зданий и т.д.

Не менее разнообразна группа облучательных установок, которые используют как видимое, так и ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. В зависимости от характера преобразования энергии излучения приемником ОБУ подразделяют на несколько групп: фотоэлектрические, фотохимического действия, теплового действия, фотолюминесценции, фотобиологического действия.

Если представить структуру всей светотехнической науки в виде пирамиды, то в ее основании находятся научные разработки источников излучения и приборов. Вершину этой пирамиды занимают СТУ. Наблюдается постоянная взаимосвязь всех ее частей. Именно установка формулирует требования к характеру излучения источника и основным параметрам прибора. Она же требует учитывать влияние среды как на перенос энергии излучения от источника к приемнику, так и на свойства и структуру пучка переносимого излучения. СТУ тесно связаны с другими науками – математикой, различными отделами физики и химии, физиологией, психологией.

Естественным источником излучения для всего живущего на Земле является Солнце. Оно служит не только источником жизни, но и формирует эту жизнь, наделяя ее системами регистрации излучения. С.И. Вавилов, который много сделал для становления и развития светотехники в нашей стране, в своей книге «Глаз и Солнце» очень убедительно доказал взаимосвязь этих двух субстанций. Первым искусственным источником излучения был факел. Поэтому осветительные установки древности выполнялись в виде равномерно размещенных факелов, свечей, лампад и т.д. Древние зодчие создавали конструкции зданий, выбирали места для их постройки с учетом естественного освещения. При этом учитывалось попадание света и во внутренние помещения.

Появление керосиновых и газовых фонарей расширило возможности осветительной техники, но ненамного. Свет газовых фонарей не был стабильным, огонь то разгорался, то погасал, постоянно вздрагивал, а это отрицательно сказывалось на зрительном восприятии. Революцией в технике освещения стало появление электрических источников света (см. гл. 3).

Вскоре после демонстрации первой электрической лампочки был издан первый учебник по электрическому освещению (1884 г.), написанный кронштадским морским электриком Е.П. Твертиновым, который выполнил и реализовал проект первой установки архитектурного освещения Московского Кремля. Позднее электрическое освещение Зимнего дворца выполнил Ф.А. Врублевский, который вместе с Г.Н. Буряковичем написал книгу «Электрическое освещение и как им надо пользоваться» (1898 г.).

Важнейшее значение для прогресса отечественной светотехники имело избрание в 1893 г. М.А. Шателена (1865–1953 гг.) профессором на первую в России кафедру электротехники Электротехнического института в Петербурге. Им была прочитана публичная лекция на тему «Электрическое освещение больших площадей». В 1901 г. он издал «Руководство к составлению проектов электрического освещения и электрического распределения энергии в жилых помещениях, на фабриках, заводах и других общественных зданиях», явившееся в то время почти единственным пособием такого рода.

Становление и расширение проектных работ в области ОУ приходится на 20‑е годы и связано с принятием и началом осуществления плана ГОЭЛРО. К составлению этого плана был привлечен М.А. Шателен. В 1921 г. на VIII Всероссийском электротехническом съезде он сделал доклад «Современное положение и задачи осветительной техники», в котором сформулировал первостепенные задачи в области развития новой для страны отрасли народного хозяйства – светотехники. В решениях съезда было записано, что необходимо создавать и развивать метрологическую базу светотехники (величины и единицы для характеристики источников света, условий освещения, приборы для измерения); разработать нормы освещения для различных производств, характера зрительной работы и характера помещения; обследовать условия освещения действующих промышленных предприятий; организовать институт для работ в области осветительной техники.

М.А. Шателен опубликовал работы «Влияние освещения на безопасность труда» (1921 г.), «Установление эталона силы света в СССР» (1925 г.), «Роль светового хозяйства в общем энергетическом хозяйстве страны» (1930 г.). Он возглавил Комиссию по осветительной технике в Ленинградском отделении Центрального электротехнического совета, Ленинградское отделение Всесоюзной ассоциации лабораторий осветительной техники и Комиссию по светотехнике АН СССР. К участию в работе этих организаций он привлек ведущих специалистов, в числе которых были Л.Д. Белькинд, А.А. Гершун, Д.Н. Лазарев, С.О. Майзель, В.В. Мешков, М.В. Соколов, П.М. Тиходеев, А. А. Труханов. Вопрос об учреждении светотехнического института М.А. Шателен вновь выдвинул на I Всесоюзной светотехнической конференции в 1927 г. И только в 1951 г. его мечта сбылась. В этом году при его участии был организован Всесоюзный научно‑исследовательский светотехнический институт (ВНИСИ).

До принятия и реализации норм и правил искусственного освещения на большинстве промышленных предприятий страны были очень низкие уровни освещенности. Так, на рабочих местах ткачих и прядильщиц фактическая освещенность не превышала 30 лк, хотя напряженная зрительная работа занимала до 80% рабочего времени. На IX Всесоюзном электротехническом съезде (1928 г.) были приняты новые «Правила искусственного освещения фабрик, заводов, мастерских и других рабочих и служебных помещений». Основным автором правил был П.М. Тиходеев. Разработанный документ был для того времени более прогрессивным, чем аналогичные зарубежные правила, которые не имели законодательной силы. В Правилах учитывались точность выполняемой работы и коэффициент отражения рабочей поверхности; регламентировались меры по ограничению слепящего действия, равномерность освещенности, соотношение освещенности от общего и местного освещения; предусматривалось устройство аварийного освещения. Принцип построения Правил, заложенный П.М. Тиходеевым, сохранился и до наших дней. В них регламентировалось значение минимальной (а не средней) горизонтальной освещенности, которое в то время составляло 100 лк.

В 30‑е годы в Ленинграде и Москве были организованы лаборатории промышленного освещения. Они сыграли большую роль во внедрении новых Правил. В эти же годы начинают проводиться научно‑исследовательские работы по совершенствованию промышленного освещения. Наиболее интересными являются работы В.В. Мешкова (1903–1980 гг.) по разработке мер ограничения ослепленности; Я.З. Нейштадта, Н.М. Данцига и др. по методам контроля зрительного утомления; серия фундаментальных работ по исследованию влияния освещения на видимость, проведенных В.Г. Самсоновой; исследования влияния освещенности на производительность труда, выполненные А.А. Трухановым, А.А. Волькенштейном, М.С. Дадиомовым и др. [9.23–9.27].

Большую роль во внедрении результатов научно‑исследовательских работ в практику промышленного освещения сыграли всесоюзные светотехнические конференции (1927, 1928, 1931 гг.). С 1932 г. начал издаваться журнал «Светотехника».

Наиболее крупные специализированные организации по проектированию электротехнических установок были созданы в конце 20‑х годов в городах Москве, Ленинграде и Харькове. В начале 30‑х годов вместе с крупными электромонтажными конторами они были объединены в организацию под названием «Электропром». Специалистами этого объединения были созданы многочисленные вспомогательные и справочные материалы по разным вопросам проектирования освещения.

Период с 1930 по 1935 г. можно считать временем становления светотехнического проектирования. Именно в эти годы рождались и внедрялись инженерные методы светотехнических расчетов осветительных установок, которые во многом не потеряли своей актуальности и сегодня. Это способы расчета прожекторного освещения (Р.А. Сапожников, В.В. Мешков), кривые относительной освещенности (Р.А. Сапожников), пространственные изолюксы (А.А. Труханов), таблица И.С. Дубинкина телесных углов первичного использования, изолюксы на условной плоскости для несимметричных светильников и др. [9.36]. В это время выходит большое число монографий, посвященных технике освещения, в том числе большой справочник под редакцией Л.Д. Белькинда. Крупным событием явился выпуск в Ленинграде в середине 30‑х годов первого ведомственного справочника по проектированию освещения. Он был составлен полностью на общественных началах под редакцией С.М. Демченко, Г.М. Кнорринга, Е.Д, Суворова. Именно эта работа явилась основой последующего известного справочника по проектированию электрического освещения Г.М. Кнорринга [9.35].

В «Электропроме» были созданы светотехнические отделы. Большой вклад в становление этих отделов внесли П.Ф. Надеждин, М.С Рябов и С.А. Клюев в Москве, С.М. Демченко и Е.Н. Яковлев в Ленинграде, Б.А. Гольдштейн в Харькове. Этот период ознаменовался началом развития двух школ проектирования ОУ – московской и ленинградской. В довоенные годы большую помощь «Электропрому» в светотехническом проектировании оказывали ведущие представители светотехнической науки Л.Д. Белькинд, С.О. Майзель, А.А. Гершун, П.М. Тиходеев, В.В. Мешков, М.В. Соколов, Н.Г. Болдырев, А.А. Труханов, Н.В. Горбачев, Е.С. Ратнер, Л.Н. Лазарев и др.

Сопоставляя методику проектирования тех лет с современной, необходимо отметить, что уже в то время все принципиальные вопросы прорабатывались с достаточной глубиной как в светотехнической, так и в электрической части.

Однако типизация проектных решений находилась в зачаточном состоянии.

Военное время приостановило развитие многих направлений светотехники. Однако в эти годы ученые и инженеры продолжали работать. А.А. Гершун занимается теоретическими и практическими задачами светомаскировки. Им были разработаны методы проектирования маскировочного освещения и приборы для его контроля, а также схемы маскировочных светильников [9.20].

Первое послевоенное обсуждение научных и производственных проблем техники освещения проводилось на научно‑технической сессии (г. Москва, 1947 г.). В ней приняло участие около 500 светотехников, председателем сессии был М.А. Шателен. В 1954 г. состоялось совещание по проблемам промышленных и бытовых осветительных установок и состояния светотехнической промышленности в СССР, а в 1955 г. – Пленум светотехнической секции при центральном правлении Научно‑технического общества электротехнической промышленности (НТОЭП) по вопросам проектирования осветительных установок (г. Ленинград). Начиная с 1955 г. советские светотехники активно участвуют в работе Международной комиссии по освещению (МКО). На XIII сессии МКО (1955 г., Швейцария) от нашей страны были представлены четыре доклада. На ней принято решение включить в международный светотехнический словарь термины на русском языке и поручить СССР руководить техническим комитетом по вопросам ночного и дневного видения. В 1957 г. в Москве проходила сессия Международной электротехнической комиссии (МЭК), в работе которой активное участие приняли советские светотехники.

К середине 50‑х годов в нашей стране сформировались основные направления развития светотехники как научно‑технической отрасли народного хозяйства. Одним из направлений была разработка СТУ, которые предназначались для решения следующих практических и теоретических задач: совершенствования норм искусственного и естественного освещения, методов проектирования осветительных установок, искусственного освещения промышленных зданий и сооружений, искусственного освещения общественных и жилых зданий, наружного освещения, проектирования и разработки специальных осветительных установок, облучательных установок различного назначения, строительной светотехники.

Нормы искусственного и естественного освещения являются важнейшим документом, который позволяет, с одной стороны, проектировать условия освещения, оптимальные для работы, творчества и отдыха человека, а с другой – рационально расходовать электроэнергию в соответствии с уровнем энерговооруженности страны. В 1941 г. Московским и Ленинградским институтами охраны труда был разработан новый вариант «Правил и норм искусственного освещения промышленных предприятий», внедрение которого было задержано войной. Он был положен в основу ГОСТ 3825–47 «Нормы искусственного освещения», утвержденного в 1947 г. Стандарт повторял структуру предыдущих документов, но позволял более точно учитывать условия зрительной работы по контрасту объекта различения с фоном. Были усилены требования правил ограничения ослепленности, введено дифференцированное нормирование освещенности для установок общего и комбинированного освещения. Максимальный уровень освещенности поэтому ГОСТ составлял 500 лк.

В начале 50‑х годов появилась возможность резкого качественного улучшения осветительных установок в связи с начавшимся производством люминесцентных ламп. Был выполнен ряд исследований по установлению сравнительной гигиенической и производственной эффективности освещения люминесцентными лампами и лампами накаливания. В 1951 г. Министерством электростанций СССР совместно с Министерством здравоохранения СССР введены в действие «Правила и нормы освещения люминесцентными лампами», а в 1955 г. были утверждены Государственным комитетом при Совете Министров СССР по делам строительства «Строительные нормы и правила» (СНиП), в которые включены нормы искусственного освещения.

В середине 60‑х годов работа над совершенствованием норм освещения объектов различного назначения проводилась по нескольким направлениям: разработке параметров количественной оценки качества освещения при решении различных зрительных задач; составлению отраслевых норм и разработке рациональных способов и приемов освещения в различных отраслях промышленности; разработке систем совмещенного естественного и искусственного освещения, а также систем компенсации световой и ультрафиолетовой недостаточности и др.

Были проведены исследования по определению эквивалентных параметров объектов различения в зависимости от осветительных условий, ограничению отраженной блескости, учету влияния зрительного поиска на работоспособность, вопросам влияния пульсации светового

потока газоразрядных ламп на зрительную работоспособность и состояние высшей нервной деятельности человека. Они легли в основу нового проекта норм.

Параллельно разрабатывались нормы естественного освещения помещений и требования к инсоляции зданий и помещений. Эти документы были приняты в 1971–1972 гг. [9.28]. На их основе разработаны и утверждены отраслевые нормы искусственного освещения для металлургической, машиностроительной, электротехнической, химической и других отраслей промышленности, строительных и монтажных работ, предприятий связи, железнодорожного транспорта и т.д. Эти нормы с небольшими дополнениями просуществовали до 1979 г.

Новые нормы [9.29] впервые в отечественной практике объединили нормативные материалы по естественному и искусственному освещению. В них включен целый ряд нововведений, дан раздел по искусственному ультрафиолетовому облучению, изменено построение норм, повышены нормы освещенности для некоторых помещений, введен новый принцип регламентации коэффициента запаса, даны рекомендации по выбору источников света с различными спектрами излучения, введены нормы наружного освещения городов, даны требования к освещению архитектурных объектов и т.д.

В 80‑е годы были проведены комплексные исследования по разработке и проектированию оптимальных для работы человека условий световой среды промышленных и общественных зданий и сооружений. Они позволили усовершенствовать действующие СНиП и принять в 1995 г. их новую редакцию [9.30].

Разработка энергоэкономичных и эффективных ОУ требует решения целого комплекса проблем научного, инженерного и технического планов. В первую очередь необходимо изучить работу зрительного анализатора, получить эмпирические зависимости, позволяющие количественно оценить различные функции зрения (контрастную и цветовую чувствительность), остроту и быстроту различения, остроту глубинного зрения (описать установившиеся и неустановившиеся процессы зрительного восприятия). Немаловажное значение имеет разработка теории светового поля и на ее основе инженерных методов расчета распределения световых потоков, освещенностей и яркостей по поверхностям, различным образом ориентированным в пространстве, а также объемной плотности световой энергии. Особое место занимают вопросы исследования цветового зрения, метрики цветоощущения, математических моделей для оценки качества воспроизведения цвета. Существенными являются также вопросы рационального выбора источников света, осветительных приборов, размещения осветительных средств для получения наиболее оптимальных условий освещения.

^{Рис. 9.9. Различные типы ОУ}

^{а – освещение прядильного цеха; б – местное освещение шлифовального станка; в – местное освещение конвейера на заводе низковольтной аппаратуры}

До Великой Отечественной войны у нас в стране и за рубежом были проведены многочисленные исследования и получены эмпирические зависимости, описывающие работу глаза с различными объектами. Эти данные обобщались,

уточнялись и вводились в практику проектирования ОУ на проводимых регулярно сессиях МКО. К сожалению, только в 50‑х годах советские физиологи и светотехники смогли начать активную работу в этой международной организации.

В нашей стране изучение фундаментальных для светотехники вопросов физиологии зрения началось в Государственном оптическом институте (ГОИ, г. Ленинград) по инициативе и под руководством С.О. Майзеля (1882–1955 гг.), который разработал физическую теорию трансформации лучистой энергии в сетчатке глаза. В лабораториях физиологической оптики (Л.Н. Гассовский), колориметрии и цветового зрения (Н.Д. Нюберг, Г.Н. Раутиан, Л.И. Демкина), фотометрии (М.М. Гуревич, А.А. Гершун) были проведены исследования эффективности работы зрительной системы при зрительном утомлении, порогов цветоощущения, кривых спектральной чувствительности глаза, вопросов световой, цветовой и контрастной чувствительности органа зрения [9.31]. С.И. Вавилов со своими сотрудниками провел уникальные исследования квантовой природы зрительного восприятия [9.32]. Во Всесоюзном институте экспериментальной медицины Н.Т. и В.И. Федоровы организовали лабораторию по исследованию цветового зрения. Большой вклад в область физиологии зрения внес С.В. Кравков (1893–1951 гг.), особенно при изучении взаимодействия органов чувств [9.21, 9.22].

^{Рис. 9.10. Освещение Воскресенских ворот в г. Москве}

^{Рис. 9.11. Области применения облучательных установок}

В послевоенные годы работы по физиологической оптике и колориметрии проводились в ряде крупных научно‑исследовательских и учебных институтов нашей страны (Н.Д. Нюберг, Н.И. Пинегин, М.М. Гуревич, В.Е. Карташевская, Е.Н. Юстова, А.А. Волькенштейн, С.Г. Юров, В.В. Мешков, Е.С Ратнер, B.C. Хазанов, А.Б. Матвеев и др.). За последние десятилетия на основе накопленных многочисленных экспериментальных данных было разработано несколько моделей пороговой чувствительности глаза, которые базируются на понятии порога. Проблема порога для метрики ощущений была сформулирована в конце XIX в. Э. Вебером и Г. Фехнером в виде основного психофизического закона. В настоящее время разработаны высокопороговая модель Г. Блэкуэлла; модель, основанная на теории обнаружения сигнала (Дж. Свете, В. Таннер), низкопороговая модель двух состояний Р. Люса [9.33]. Создана и рекомендована МКО аналитическая модель для описания влияния параметров освещения на зрительную работоспособность. Разработаны равноконтрастные цветовые системы ощущений (Д. Мак‑Адам, Д. Джадд, Г. Вышецки, Е. Адаме, А.Б. Матвеев) [9.33].

Продолжали совершенствоваться приемы проектирования ОУ. Были разработаны методы расчета ОУ с учетом многократных отражений [9.36], которые лежат в основе проектирования вариантов ОУ на ЭВМ. Большее внимание стали уделять вопросам качества освещения. Проведены исследования и получены методы расчета показателей, характеризующих влияние блеских источников на видимость, различимость, комфортность освещения (Л. Холлэдей, Ц. Ферри, Г. Рэнд, М.М. Епанешников, С. Гут и др.), а также методы оценки пульсации излучения и качества его спектрального состава [9.33, 9.36, 9.37].

Наряду с установками искусственного освещения развивалось проектирование ОУ совмещенного естественного и искусственного освещения, установок архитектурного освещения городов и памятников архитектуры. Работы в этом направлении координировались Госстроем СССР. Большой вклад в развитие архитектурной светотехники внесли Н.М. Гусев, Н.В. Волоцкой, Н.Н. Киреев, М.А. Островский, М.С. Дадиомов. На рис. 9.9 и 9.10 приведены различные типы ОУ.

Современные тенденции развития ОУ связаны с разработкой сети машинного проектирования, включающего базу данных и расчета светоцветовой среды проектируемого объекта с количественной и качественной сторон. В научном плане ведутся работы по созданию моделей комплексной оценки качества светоцветовой среды помещений промышленных предприятий, общественных зданий, зрелищных сооружений и т.д.

После второй мировой войны во многих странах и в нашей стране стали разрабатывать и серийно выпускать искусственные источники, генерирующие излучение в различных участках оптического диапазона спектра – ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном. Это послужило одной из причин бурного развития в 50–70‑е годы облучательных установок. Расчет и воплощение ОБУ базируются на методах, используемых в ОУ, однако требуют более детального изучения приемника и его реакции на излучение. На рис. 9.11 приведена схема областей применения ОБУ