Комплексний метод вирішення зенітного освітлення будинків

Полтавський державний технічний університет

імені Юрія Кондратюка

СКАТЬ ДМИТРО ДМИТРОВИЧ

УДК 721.011:628.928:69.024.92

КОМПЛЕКСНИЙ МЕТОД ВИРІШЕННЯ

ЗЕНІТНОГО ОСВІТЛЕННЯ БУДИНКІВ

05.23.01 -” Будівельні конструкції, будівлі та споруди”

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Полтава - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Полтавському державному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Могилат Олександр Никонович, Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондратюка, завідувач кафедри архітектури будівель та містобудування.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Фомиця Леонід Миколайович, Сумський державний аграрний університет, завідувач кафедри будівельних конструкцій;

кандидат технічних наук, доцент Глікман Михайло Тевельович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, доцент кафедри архітектурних конструкцій.

Провідна установа: Київський національний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти України, кафедра архітектурних конструкцій,

м. Київ

Захист відбудеться “ 02 ” листопада 1999 р., о 13⁰⁰ годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 44.052.02 в Полтавському державному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою:

314601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою:

314601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

Автореферат розісланий “ 30 ” вересня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Семко О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Постійно зростаючий дефіцит та вартість енергії в усіх технічно розвинутих країнах світу, а також у нашій державі, поставили на порядок денний питання про бережливе й економне використання паливно - енергетичних ресурсів. Завдання економії всіх видів енергетичних ресурсів повною мірі стосується і такої важливої галузі, як будівництво.

Значний вклад у загальний резерв економії енергоресурсів може бути досягнутий у результаті розроблення й упровадження в практику вітчизняного будівництва раціональних об'ємно-планувальних і конструктивних вирішень виробничих та громадських будинків. Раціональне об'ємно-планувальне та конструктивне вирішення будинку тісно пов'язане з удосконаленими світлопрозорими огороджувальними конструкціями та ефективними системами природного освітлення.

Недооцінка ролі природного освітлення в свій час була однією з причин масового будівництва безліхтарних і безвіконних будинків, які відзначались незадовільним внутрішнім середовищем та підвищеними витратами енергії на штучне освітлення й вентиляцію виробничих будинків.

У той же час у більшості сучасних виробничих будинків, особливо там, де повинні забезпечуватись оптимальні умови для виконання технологічних процесів і зручності для працюючих, однією з важливих задач постає вибір раціональних систем природного освітлення. Існуючі нормативні світлотехнічні документи, які використовуються при проектуванні систем верхнього природного освітлення, не пов'язані взаємно між собою і недостатньо враховують вимоги до вибору природного освітлення. В результаті цього частина світлопрорізів може бути розташована в неефективних місцях огорожі, що в кінцевому результаті приводить до значних матеріальних та енергетичних витрат.

Тому на сучасному етапі, коли значна увага приділяється економному використанню теплової та електричної енергії, відсутність методів вирішення цієї задачі ускладнює проектування раціонального зенітного освітлення, призводить в багатьох випадках до вибору далеко не оптимального значення площі світлових прорізів, що в свою чергу знижує ефективність систем природного зенітного освітлення.

Правильний вибір площі світлових прорізів дає змогу істотно зменшити приведені витрати на верхнє освітлення та пов'язані з ним інженерні системи, а також поліпшити експлуатаційні характеристики будинків.

У зв'язку з цим актуальним є вдосконалення методики проектування зенітного освітлення у виробничих і громадських будинках з урахуванням світлотехнічних вимог та конструктивних вирішень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами;

Тема наукової роботи входить в наукову програму кафедри з економії теплоти й енергії в проектуванні та будівництві, яка виходить із загальнодержавної програми економії енергоресурсів у народному господарстві України і має велике значення для створення умов забезпечення нормального експлуатаційного режиму будинків та збереження здоров'я людей.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в створенні методу оптимального проектування зенітного освітлення для виробничих та громадських будинків.

При проведенні теоретично-експериментальних досліджень були поставлені наступні конкретні задачі:

- експериментально дослідити характер розподілу на умовній робочій поверхні (УРП) прямої складової коефіцієнта природного освітлення (КПО) при оптимальному проектуванні зенітного освітлення будинків;

- розробити метод розрахунку КПО в будинках від зенітного ліхтаря круглої форми;

- теоретично встановити закономірності розподілу освітлення на умовній робочій поверхні від зенітних ліхтарів найбільш поширених форм;

- визначити оптимальні конструктивні параметри зенітних ліхтарів, виходячи із умов їх ефективного використання, особливостей технологічного процесу та архітектурно-конструктивного вирішення будинку;

- розробити на основі теоретичних й експериментальних досліджень графоаналітичний і аналітичний методи проектування зенітного освітлення, які давали б змогу ефективно розташовувати світлові прорізи у покритті залежно від вимог технологічного процесу та архітектурно-конструктивного вирішення будинку;

- розробити пропозиції та практичні рекомендації до оптимального проектування зенітного освітлення будинків.

Наукова новизна отриманих результатів

Розроблено метод розрахунку КПО від зенітного ліхтаря круглої форми.

Теоретично досліджено розподіл освітлення на горизонтальній УРП в основній світлотехнічній зоні від системи зенітних ліхтарів різних форм і конструкцій, де вплив прямої складової КПО цих ліхтарів на розрахункові точки цієї зони максимальний.

Експериментально досліджено характер розподілу освітлення на горизонтальній УРП в основній світлотехнічній зоні та зонах, що межують або найбільш наближені до бокових огороджувальних конструкцій будинку.

Запропоновано аналітичний метод проектування зенітного освітлення виробничих та громадських будинків із використанням ПЕОМ.

Удосконалено попередній розрахунок проектування зенітного освітлення будинку шляхом розроблення графоаналітичного (інженерного) методу проектування зенітного освітлення приміщень.

Практичне значення отриманих результатів

Запропоновані аналітичний та графоаналітичний методи проектування допоможуть проектувальнику з меншими затратами часу на основі існуючої номенклатури зенітних ліхтарів залежно від функціонально-технологічних, архітектурно-конструктивних, економічних і кліматичних факторів запроектувати раціональне зенітне освітлення виробничих та громадських будинків.

Особистий внесок здобувача представлено результатами:

- експериментально-теоретичних досліджень розподілу освітлення від системи зенітних ліхтарів найбільш поширених форм і конструкцій;

- методикою розрахунку КПО від зенітного ліхтаря круглої форми;

- аналітичною та графоаналітичною методикою проектування зенітного освітлення приміщень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати доповідалися на наукових конференціях Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка (1990, 1993,1998 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано п'ять статей у збірниках наукових праць, троє тез доповідей на конференціях, одна стаття депонована.

Обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'ятьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 102 найменувань і додатків. Робота викладена на 238 сторінках, з яких 123 сторінок основного тексту, 55 сторінок додатків, ілюстрована 75 рисунками та 11 таблицями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність, наукова новизна та практична цінність роботи, подана її загальна характеристика.

У першому розділі відзначено роль зенітного природного освітлення в забезпеченні ефективного світлового мікроклімату будинків, дан коротку характеристику існуючих систем верхнього природного освітлення будинків та конструктивних вирішень ліхтарів залежно від їх призначення й ефективності використання, проведено аналіз досліджень з питань економічної ефективності будівель із зенітним освітленням приміщень, відображено вплив архітектурно-планувального та конструктивного вирішення будинку і його системи освітлення на рівень природного освітлення в приміщенні, обґрунтовано мету й сформульовано основні завдання досліджень, які розв'язуються в дисертації.

У роботах М. М. Гусєва та М. М. Кіреєва, В. О. Дроздова й Т.І.Смірнової приведені техніко-економічні порівняння будинків з ліхтарями і без них, в результаті яких установлено, що найбільш ефективним за техніко-економічними показниками є будинки із зенітними ліхтарями.

У другому розділі подане обґрунтування стану й розвитку методів проектування зенітного освітлення будинків і проведено аналіз та вибір найбільш прийнятного для розрахунків на ЕОМ методу розрахунку коефіцієнта природного освітлення (КПО) від прямокутного й окремо круглого ліхтаря.

Практика проектування природного освітлення в наш час використовує розрахункові методи таким чином, щоб на початковій стадії проектування можна було б виконати розрахунок спрощеним методом, а перевірну частину - більш точним. Спрощеним методом вирішується задача попереднього знаходження необхідної загальної площі світлових прорізів при заданому нормативному значенні КПО. На другій стадії проектування загальна площа ліхтарів перетворюється в систему прорізів і перевірним розрахунком визначаються фактичні значення КПО з урахуванням розмірів та розташування світлових прорізів у покритті будинку й порівняння його з нормативним значенням. Близька відповідність розрахункових та нормативних значень КПО - показник достатнього рівня проектування.

Дослідженням із розроблення й впровадження в практику методів проектування верхнього природного освітлення будинків та методів розрахунку КПО від ліхтарів різних форм і конструкцій присвятили свої роботи Ю.П. Александров, К.Е. Батурін, С.В. Беляєв, Д. Вернеску, В.Б. Вейнберг, О.О. Гершун, М.Т. Глікман, Д.Д. Гордіца, М.М. Гусєв, О.М. Данилюк, В.О.Дроздов, А. Ене, І.М. Еріванцев, В.А. Земцов, М.М. Кірєєв, В.В. Мєшков, В.М. Сорокін, Т.І. Смірнова й інші.

Усі існуючі методи проектування і розрахунку КПО здебільшого поділяються на аналітичні, графоаналітичні та графічні. Аналітичні й графічні методи розрахунку КПО грунтуються пнреважно на двох основних законах світлотехніки: законі проекції тілесного кута та законі подібності. В основу аналітичних розрахунків покладена формула Вінера або Хігбі, за допомогою якої в кожному конкретному випадку виконується розрахунок КПО.

Аналіз результатів порівняння на конкретних прикладах методів розрахунку КПО допоміг визначити найбільш точний і прийнятний для розрахунків на ЕОМ метод розрахунку КПО: від прямокутного в плані зенітного ліхтаря - за методикою, що запропонована Д.Вернеску та А.Ене; від круглого в плані зенітного ліхтаря - за методикою, яка розроблена автором дисертаційної роботи.

Третій розділ присвячено розробленню аналітичного методу проектування зенітного освітлення приміщень за допомогою ЕОМ та аналізу розрахунків оптимального кроку характерних форм зенітних ліхтарів у плані: круглого і прямокутного. Спочатку автором були проведені теоретичні дослідження розподілу природного освітлення на горизонтальній умовній робочій поверхні (УРП) від одного ліхтаря та системи ліхтарів, а потім на основі результатів досліджень розроблено методику аналітичного методу проектування за допомогою ЕОМ із урахуванням висоти приміщення, висоти борту ліхтаря і необхідного середнього значення (e_ср) КПО на УРП. Значення КПО від зенітного ліхтаря в довільній розрахунковій точці М, яка належить розрахунковій лінії умовного робочого перерізу на УРП, визначається за формулою

, (1)

де - коефіцієнт природного освітлення в точці М;

- геометричний КПО в точці М (пряма складова КПО);

- середнє значення геометричного КПО в точках на лінії перетину УРП та площини характерного вертикального перерізу приміщення;

- загальний коефіцієнт світлопропускання;

-коефіцієнт, який ураховує тип ліхтаря; для зенітних ліхтарів =1,1;

r_2- коефіціент, який враховує підвищення КПО при верхньому освітленні завдяки світлові, що відбивається від поверхонь приміщення;

К_З - коефіціент запасу;

q - коефіціент, який ураховує нерівномірність розподілу яскравості

МКО неба і визначається за формулою

q = (2)

де - кут, що утворюється лінією, проведеною з точки виміру М до середини світлопрорізу та її проекцією на горизонтальну площину.

Розрахунок КПО в довільній точці М зводиться в основному до розрахунку геометричного КПО , який згідно з законом проекції тілесного кута являє собою відношення площі проекції ділянки небозводу, яку видно із розрахункової точки М, до площі проекції напівсфери одиничного радіуса :

. (3)

Кожна розрахункова точка М по відношенню до проекції прямокутного світлопрорізу на горизонтальну УРП може приймати чотири основні положення (див. рис. 1). Світловий проріз розбивається на менші прямокутники так, щоб точка М була на межі або поза всіма цими маленькими прямокутниками. Тоді площа проекції видимої через світлопроріз ділянки небозводу складається із суми площ видимих через маленькі прямокутники ділянок небозводу і визначається, як у ІY випадку, за формулою (формула Хігбі)

(4)

,

де Y₁=Y_M+B; Y₂=Y_M -B; X₁=X_М+А; X₂=X_М -А; H₁=H+h (5)

Розрахункові значення Y_M, X_М залежать від місця знаходження точки М відносно прямокутного світлового прорізу, а значення А, В, h і Н є відповідно розмірами половини ширини і довжини, висоти світлопрорізу й висоти приміщення від УРП до низу світлопрорізу (див. рис. 2).

Геометричний КПО від ліхтаря круглої форми з вертикальним бортом () визначається за формулою

(6)

де - кут, який утворюють лінії, що проведені з точки М до границь світлопрорізу по вертикальному перерізу.

Рис. 2. Розташування розрахункової точки М відносно світлопрорізу в ІY випадку Х_М >А і Y_M >B

Значення геометричного КПО від ліхтаря круглої форми з вертикальним бортом h відповідно до закону подібності визначається із співвідношення

(7)

де F_a - активна площа світлопрорізу;

F - площа круглого світлопрорізу із вертикальними бортами;

геометричний КПО у розрахунковій точці М при , який визначається за формулою (6);

- геометричний КПО у розрахунковій точці М при .

Активна площа світлопрорізу (F_a) буде складатися з двох кругових сегментів із радіусами R та R_1, які розділені загальною хордою KN. Залежно від відстані точки М по відношенню до проекції геометричного центра світлопрорізу на горизонтальній УРП можна виділити два випадки (див. рис. 3), коли

1) 2) (8)

де - проекція вихідного отвору світлопрорізу радіусом R на рівень площини вхідного отвору;

m - величина зміщення геометричних центрів вхідного та вихідного отворів (див. рис. 3)

(9)

де X_М - відстань від геометричного центра ліхтаря до точки М; h - висота борту ліхтаря ; Н - відстань від УРП до низу ліхтаря.

Активна площа світлопрорізу для названих випадків визначається за формулами:

1) (10)

2) (11)

де Y_M - ордината точки М визначаеться за формулою

Y_M (12)

При Х_М активна площа світлопрорізу F_a=F, геометричний КПО в точці М , а кут визначається за формулою

(13)

При Х_М>R активна площа світлопрорізу визначається залежно від значення m за формулами (10) і (11), а геометричний КПО із співвідношення (7)

(14)

При Х_М >R кут розраховується за формулою:

(15)

і використовується при обчисленні у формулі (6).



Рис. 3. Визначення активної площі круглого в плані світлопрорізу

За допомогою аналітичних розрахунків геометричного КПО досліджено розподіл освітлення по трьох розрахункових лініях перетину умовних вертикальних перерізів із горизонтальною УРП залежно від кроку ліхтарів, висоти приміщення і площі ліхтаря. Найменш освітлена по відношенню до розрахункових ліній, які проходять по проекціях геометричних центрів ліхтарів на УРП, є розрахункова лінія, що проходить між ліхтарями і з'єднує найбільш віддалені від геометричних центрів ліхтарів розрахункові точки. Цю лінію при проектуванні й перевірних розрахунках приймаємо за основну розрахункову.

Аналітичний метод проектування зенітного освітлення приміщень виконуємо за допомогою ЕОМ у такій послідовності: перший етап, який виконує проектувальник, складається з підготовки вихідної інформації та введення даних в ЕОМ; другий етап, що виконується на ЕОМ в автоматизованому режимі, включає розрахунок оптимального кроку й кількості ліхтарів. У результаті обчислень одержуємо графік залежності між оптимальним кроком (Ш) ліхтарів визначеної конструкції та висотою приміщення між рівнем УРП і низом ліхтарів (Н) (див. рис. 4).

Загальну кількість ліхтарів (N), що необхідна для освітлення приміщення, визначаємо за формулою

, (16)

де А_П - загальна площа горизонтальної УРП в приміщенні;

- активна площа горизонтальної УРП, яку освітлює один ліхтар із системи освітлення приміщення.

При симетричному розміщенні круглих або квадратних у плані ліхтарів активна площа УРП, яку освітлює ліхтар, визначається із співвідношення

= Ш², (17)

а при симетричному розміщенні прямокутних у плані ліхтарів визначається за формулою

=Ш_Y Ш_X, (18)

де Ш_Y,Ш_X - відповідно крок ліхтарів у поперечному та поздовжньому напрямку УРП.

Теоретичні розрахунки оптимального кроку ліхтарів з урахуванням висоти приміщення, висоти та розмірів ліхтарів залежно від потрібного середнього значення КПО і мінімальній нерівномірності освітлення дали змогу отримати оптимальні значення площ ліхтарів, при яких відношення сумарної площі світлових пройм ліхтарів до площі підлоги приміщення (А_С.Ф/А_П) мінімальні. Результати аналізу теоретичних розрахунків наводяться в табл. 2.

Значення оптимального кроку ліхтарів залежно від розмірів ліхтаря для приміщення будинку, в якому проектується природне освітлення, визначається за формулою

(19)

де А - площа ліхтаря.

Залежність між кроком і коефіцієнтом апроксимувалася інтерполяційним багаточленом 3-го ступеня

(20)

де а_0, а₁, а₂, а₃ - коефіцієнти при багаточленові, визначаються за табл. 1 залежно від висоти борту ліхтаря.

Таблиця 1

аn	a0	a1	a2	a3
h,м
0,3	0,3	2	1,9	0,77
0,5	0,32	1,8	1,45	0,57
0,7	0,34	1,6	1,0	0,28

Таблиця 2

Оптимальні площі ліхтаря А, м² і відношення сумарної площі світлових пройм ліхтарів А_сф до площі підлоги приміщення А_п, залежно від середнього значенння КПО (e_ср), висоти приміщення Н_п та висоти пройми h до 0,7 м при подвійному заскленні й коефіцієнті r₂ =1,1_.

₂

		Висота приміщення до низу світлової пройми, м
еср,	h,	Нп =3,3м	Нп=6,0м	Нп =10,0м	Нп =18,0м
%	м	Асф/Ап, %	А, м2	Асф/Ап, %	А, м2	Асф/Ап %	А, м2	Асф/Ап, %	А, м2
	0,7	8,5	1,5-4,5	5,5	2,5-9,0	4,0	5,0-16,0	3,0	10,0-30,0
1	0,5	7,0	0,5-4,5	4,5	2,5-7,0	3,5	3,5-12,0	3,0	4,5-30,0
	0,3	5,0	0,5-2,5	4,0	0,5-8,0	3,0	2,0-11,0	2,5	4,0-30,0
	0,7	15,5	2,5-9,0	12,0	4,0-24,0	9,0	9,0-30,0	8,0	14,0-30,0
3	0,5	13,0	2,0-7,0	10,0	3,0-19,0	8,0	8,0-24,0	7,0	12,5-30,0
	0,3	10,0	1,5-4,0	8,0	3,0-9,0	6,5	7,0-14,0	6,5	6,0-30,0
	0,7	21,0	3,5-10,5	15,5	8,0-18,0	13,0	14,0-30,0	12,0	18,0-30,0
5	0,5	18,0	3,0-7,0	14,5	5,0-19,5	12,0	9,0-30,0	11,0	14,0-30,0
	0,3	14,5	2,0-5,0	12,0	4,0-14,0	10,0	8,0-26,0	10,0	8,0-30,0
	0,7	33,0	6,0-16,5	26,0	1,0-30,0	23,0	19,0-30,0	23,0	19,0-30,0
10	0,5	29,0	4,5-12,5	23,0	12,5-18,0	21,0	18,0-30,0	21,0	18,0-30,0
	0,3	25,0	2,5-11,0	21,0	7,0-18,0	19,0	13,0-30,0	19,0	13,0-30,0

У четвертому розділі викладено експериментальні дослідження характеру розподілу природного світла на горизонтальній УРП, які проведено на моделі приміщення, та результати експерименту і їх зіставлення з теоретичними розрахунками за діючими нормативними документами.

Експериментальні дослідження проводились під відкритим хмарним небом на моделі виробничого будинку розміром у плані 51х51м, яка була виконана в масштабі 1:20 деревоволокнистої плити, внутрішні поверхні якої були пофарбовані чорною матовою фарбою.

У покритті моделі було прорізано 36 отворів розміром 20х20см, на які накладались моделі трьох типів ліхтарів : квадратний, розміром 2,7х2,7м, круглий, радіусом 1,5м (площа світлопрорізів S_л=7,29м²) та квадратний із похилим бортом (кут нахилу 60^о) з розмірами верхнього перерізу 2,41х2,41м (S_в=5,76м² ) і нижнього - 2,99х2,99м (S_н=8,94м²). Крок ліхтарів становив 8,5м; висота борту всіх ліхтарів - 0,5м, а висота будинку (від підлоги до низу ліхтарів) - 15,7м.

Виміри КПО проводилися в розрахункових точках по перерізах І-І, що проходив по проекціях геометричних центрів ліхтарів на горизонтальну УРП, та ІІ-ІІ, який проходив між ліхтарями і з'єднував найбільш віддалені від геометричних центрів ліхтарів розрахункові точки на УРП, у світлотехнічних зонах А, що найбільш освітлена ліхтарями, Ж, яка межує із боковим огородженням, Б і Г, котрі найбільш наближені до стінової огороджувальної конструкції приміщення. Рівень УРП змінювався від 6 до 15м з інтервалом 3м. У кожній світлотехнічній зоні були визначені середні значення КПО та коефіцієнти співвідношення середніх значень КПО між світлотехнічною зоною А і зонами Б,Г, Ж.

Аналіз результатів експерименту показав, що для всіх варіантів ліхтарів освітлення у приміщенні висотою Н=9, 12,15м в перерізі І-І вище, ніж у перерізі ІІ-ІІ, і тільки при Н=6м освітлення світлотехнічної зони А в перерізі ІІ-ІІ вище, ніж у перерізі І-І. Мінімальний коефіцієнт співвідношення між середніми значеннями КПО зон Ж і А становить: для квадратного ліхтаря з вертикальним бортом - 0,73; для круглого ліхтаря з вертикальнним бортом - 0,5; для квадратного з похилим бортом - 0,52.

Зіставлення результатів розрахунку й експерименту для кожного із варіантів дослідження при різних значеннях висоти від низу ліхтарів до горизонтальної УРП показали, що експериментальні значення КПО для кожної моделі ліхтаря були до 10%, а в окремих випадках до 15 % вищі від відповідних значень, які одержані розрахунковим способом за допомогою графіків Данилюка (СНиП ІІ-04-79) та графоаналітичного методу Кірєєва-Сорокіна, викладеного у посібнику до існуючих норм проектування освітлення. Максимальні розбіжності між експериментальними і розрахунковими значеннями КПО є прийнятними для інженерних розрахунків у галузі будівельної світлотехніки.

У п'ятому розділі розглядаються питання конструктивного вирішення зенітного освітлення будинку за допомогою графоаналітичного методу, приводяться приклади конструктивних розрахунків, дані економічної оцінки методики проектування та рекомендації до проектування зенітного освітлення будинку.

Проектування зенітного освітлення будівель за допомогою графоаналітичного методу виконується в такій послідовності:

а) перший етап - визначення нормативного значення КПО за розрядом зорових робіт, вибір форми і розмірів зенітного світлопрорізу та світлопропускаючого матеріалу;

б) другий етап - виконання попереднього розрахунку зенітного освітлення приміщень ( вибір значення А_СФ/А_П за табл.2 залежно від висоти будинку, висоти борту ліхтаря і середнього значення КПО; розрахунок кроку ліхтаря за формулою (19), кількості ліхтарів за формулами (17), (18), (16)); уточнення кроку ліхтаря за допомогою коефіцієнта , який ураховує вплив загального коефіцієнта світлопропускання на значення кроку ліхтаря і визначається за формулою (20); розміщення ліхтарів у покритті будівлі;

в) третій етап - виконання перевірних розрахунків природного освітлення в розрахункових точках, що найбільш віддалені від геометричних центрів ліхтарів і належать розрахунковій лінії УРП приміщення;

г) четвертий етап - внесення корективів до проекту конструктивного вирішення зенітного освітлення приміщення будівлі та повторний перевірний розрахунок освітлення (при необхідності), зіставлення двох варіантів конструктивного вирішення зенітного освітлення.

Графоаналітичний метод проектування зенітного освітлення, який розроблено, дав можливість суттєво зменшити порівняно з існуючими методами площу світлових прорізів. Так, при е_ср=3% зменшення загальної площі становить залежно від висоти борту ліхтаря і висоти приміщення 1-3%, при е_ср=5% - 2-6%.

Результати техніко-економічної оцінки показали, що будівлі із зенітним освітленням порівняно з безліхтарними є більш економічними. За рахунок використання природного світла забезпечується зниження приведених витрат на освітлення до 40% і енерговитрат до 50%.

В додатках наведені алгоритм і програма визначення оптимального кроку ліхтарів за допомогою ЕОМ, графіки аналізу теоретичних та експериментальних досліджень, фотознімки моделі, приклад енергетичної оцінки варіантів конструктивного вирішення зенітного освітлення приміщень, а також довідки про впровадження.

ВИСНОВКИ

Основні висновки, що отримані на основі аналізу та узагальнення результатів проведених теоретично-експериментальних досліджень, які були спрямовані на розв'язання завдань, що ставилися в роботі, зводяться до такого:

1. Розроблено аналітичний метод розрахунку геометричного коефіцієнта природного освітлення (КПО) від зенітного ліхтаря круглої форми.

2. Отримано за результатами теоретичних досліджень із використанням аналітичних розрахунків геометричного КПО закономірності розподілу освітлення на горизонтальній УРП від системи зенітних ліхтарів залежно від висоти приміщення, розмірів та кроку ліхтарів. Найменш освітленою розрахунковою лінією умовного перерізу з УРП, що приймається при перевірних розрахунках за основну, є лінія, яка проходить між ліхтарями і з'єднує найбільш віддалені від геометричних центрів ліхтарів розрахункові точки.

3. На основі запропонованих аналітичних методів розрахунку КПО від прямокутного та круглого ліхтарів розроблена програма розрахунку оптимального кроку ліхтарів за допомогою ЕОМ.

4. Встановлені межі оптимальної площі світлового прорізу із висотою борту до 0,7м, що забезпечує мінімальне співвідношення сумарної площі світлових пройм до площі підлоги залежно від висоти приміщення при потрібному значенні КПО.

5. За допомогою експериментальних досліджень на моделі одержано коефіцієнти співвідношень КПО між основною найбільш освітленою ділянкою УРП та ділянками, що наближені до бокових огороджувальних конструкцій, а також досліджено характер розподілу освітлення на УРП залежно від форми і конструкції борту ліхтаря.

6. Розроблено графоаналітичний метод проектування зенітного освітлення приміщень, який порівняно з існуючими, вдосконолавив попередній етап та зменшив трудомісткість перевірного етапу проектування зенітного освітлення.

7. Одержані результати досліджень є теоретичною основою для проектування ефективних систем зенітного освітлення приміщень та розроблення нормативних документів для проектування природного освітлення будинків.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Скать Д.Д. Проектування природного освітлення приміщень зенітними ліхтарями круглої форми // Комунальне господарство міст. Республіканський міжвідомчий науково-технічний збірник, випуск 15. - К.: Техніка. - 1998.- С.127-131.

2. Могилат О.Н., Скать Д.Д. Новий метод розрахунку КПО в будинках із зенітними ліхтарями круглої форми // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво) / Полт. держ. техн. ун-т ім. Юрія Кондратюка, вип. 2.- Полтава: ПДТУ ім. Юрія Кондратюка.-1998.- С.73-79.

3. Скать Д.Д., Овсій О.О., Овсій О.Д. Аналіз методів розрахунку КПО в приміщеннях із зенітним освітленням // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво) / Полт. держ. техн. ун-т ім. Юрія Кондратюка, вип. 3. - Полтава: ПДТУ ім. Юрія Кондратюка.-1998.- С. 182-187.

4. Скать Д.Д. Використання існуючих методів розрахунку КПО при проектуванні зенітного освітлення приміщень ліхтарями прямокутної форми за допомогою ПЕОМ // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Збірник наукових праць, вип. 2. - Рівне: Рівненський державний технічний університет. - 1999. - С. 157-162.

5. Скать Д.Д., Овсій О.О., Овсій О.Д. Енергетична оцінка найбільш ефективної конструкції борту зенітного ліхтаря круглої форми // Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація. Збірник наукових статей. - Кривий Ріг: Криворізький технічний університет. - 1998. - С. 163-168.

6. Могилат А.Н., Скать Д.Д. К определению количества зенитных фонарей круглой формы // Библиографический указатель депонированных рукописей. - М.,1988. - №12.- 11с. Деп во ВНИИИС Госстроя СССР 6.05.1988г., № 8654.

7. Скать Д.Д. Возможный метод расчета прямоугольных зенитных фонарей // Тезисы докладов 42-ой научной конференции. - Полтава: Полт. ИСИ. - 1990. - С. 77.

8. Скать Д.Д. Недостатки предварительного метода расчета площадей световых проёмов // Тезисы докладов 45-ой научной конференции. - Полтава: Полт. ИСИ. - 1993. - С. 87.

9. Скать Д.Д. Можливий метод проектування зенітного освітлення промислових будинків. // Тези доповідей 50-ої наукової конференції. - Полтава: Полт. ДТУ імені Юрія Кондратюка. - 1998. - С. 34.

АНОТАЦІІ

Скать Д.Д. Комплексний метод вирішення зенітного освітлення будинків.- Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. -Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондратюка, Полтава, 1999.

Дисертацію присвячено питанню вирішення природного зенітного освітлення виробничих і громадських будинків з урахуванням функціонально-технологічних та архітектурно-конструктивних вимог. Розроблено аналітичний метод розрахунку коефіцієнта природного освітлення від зенітного ліхтаря круглої форми. Проведено теоретичні й експериментальні дослідження на масштабно виконаній моделі будинку з метою дослідити розподіл світла на горизонтальній умовній робочій поверхні від системи зенітних ліхтарів. Експериментальні дослідження дозволили визначити коефіцієнти співвідношення середніх значень коефіцієнта природного освітлення приміщень по характерних світлотехнічних зонах. Розроблено аналітичний ( за допомогою ЕОМ) та графоаналітичний методи проектування зенітного освітлення приміщень, що дають змогу проектувати оптимальні за площею засклення й мінімальні за енергетичними витратами системи зенітного освітлення. Основні результати досліджень впроваджені в проектування зенітного освітлення будинків у Полтавському ДПІ “Міськбудпроект”. На основі аналізу стану зенітного освітлення Полтавського заводу штучних алмазів та алмазного інструменту розроблені і впроваджені рекомендації по його вдосконаленню.

Ключові слова: зенітне освітлення, коефіцієнт природного освітлення, метод проектування, аналітичний метод, графічний метод, модель, зенітний ліхтар, енергетична оцінка.

Скать Д.Д. Комплексный метод решения зенитного освещения зданий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения.- Полтавский государственный технический университет имени Юрия Кондратюка, Полтава, 1999.

Диссертация посвящена усовершенствованию методики проектирования зенитного освещения производственных и гражданских зданий с учетом их функционально-технологических, объемно-планировочных и конструктивных решений.

В первом разделе отмечена роль зенитного естественного освещения в обеспечении эффективного светового микроклимата зданий, дана краткая характеристика существующих систем верхнего естественного освещения зданий и конструктивных решений фонарей в зависимости от их назначения и эффективного использования, проведен анализ исследований по вопросам экономической эффективности зданий с зенитным освещением помещений, отображено влияние архитектурно-планировочного и конструктивного решения здания и его системы освещения на уровень естественного освещения в помещении, обоснована цель и сформулированы задачи исследования.

Во втором разделе изложены обоснования состояния и развития методов проектирования зенитного освещения зданий, проведен анализ и сделан выбор наиболее приемлемого для расчетов на ЭВМ метода расчета коэффициента естественного освещения (КЕО) : от прямоугольного в плане зенитного фонаря - по методике Д. Вернеску и А.Эне; от круглого в плане зенитного фонаря - по методике автора диссертационной работы.

Третий раздел посвящен разработке аналитического метода проектирования зенитного освещения помещений с помощью ЭВМ, анализу расчетов оптимального шага характерных форм зенитных фонарей в плане: круглого и прямоугольного.Расчет оптимального шага фонарей с помощью ЭВМ велся прямым методом расчета с сопоставлением расчетных и требуемых значений КЕО и неравномерности освещения по расчетным линиям пересечения условного вертикального разреза с горизонтальной условной рабочей плоскостью (УРП).

Расчет КЕО в расчетных точках велся по формулам (1), (2), (3) и (14). Проекция видимого через светопроем участка небосвода определялась по формулам Хигби, которые были выведены для каждого случая размещения расчетной точки М относительно прямоугольного светопроема (см. рис. 1 и формулу (4)). Расчет геометрического КЕО от круглого в плане фонаря велся по формулам (6), (8) - (13), (15). В результате расчетов были получены оптимальные значения шага фонарей в зависимости от размеров фонаря, высоты помещения и требуемого среднего значения КЕО. Результаты анализа теоретических расчетов приведены в табл. 2.

В четвертом разделе приведены экспериментальные исследования характера распределения естественного света на горизонтальной УРП, результаты исследований и их сопоставление с теоретическими расчетами по существующим нормативным документам. Эксперимент был проведен на масштабно изготовленной модели производственного здания.

Эксперимент позволил выделить характерные светотехнические зоны в зависимости от интенсивности освещения их естественным светом. Определены средние значения КЕО по каждой светотехнической зоне и коэффициенты соотношения этих значений между главной светотехнической зоной, которую освещает максимальное количество фонарей, и светотехническими зонами, которые граничат и приближены к боковым ограждающим конструкциям. Полученные коэффициенты соотношений КЕО могут быть использованы для определения средних значений КЕО для других светотехнических зон при условии, что известно его среднее значение для основной. Максимальное расхождение между экспериментальными и расчетными значениями КЕО не превышало 15%, что является приемлемым для инженерных расчетов в области строительной светотехники.

В пятом разделе рассматриваются вопросы конструктивного решения зенитного освещения здания с помощью графоаналитического метода, приводятся примеры конструктивных расчетов, данные экономической оценки методики проектирования и рекомендации по проектированию зенитного освещения здания.

Проектирование зенитного освещения здания по графоаналитическому методу выполняется с использованием данных табл. 2 по формулам (19), (20), (16) - (18).

Разработанный графоаналитический метод проектирования зенитного освещения помещений даёт возможность, в сравнении с существующими методами, уменьшить площадь световых проёмов. При е_ср = 3% уменьшение общей площади составляет в зависимости от высоты борта фонаря и высоты помещения 1-3%, при е_ср = 5% -- 2-6%.

Установлены границы оптимальной площади светового проёма с высотой борта до 0,7м, которая обеспечивает минимальное соотношение сумарной площади светопроемов к площади пола в зависимости от высоты помещения при требуемом значении КЕО.

Разработанные аналитический и графоаналитический методы проектирования зенитного освещения помещений позволяют проектировать оптимальные по площади остекления и минимальные по энергопотерям системы зенитного освещения зданий.

Результаты исследований внедрены в проектирование зенитного освещения зданий в Полтавском ГПИ “Горстройпроект”. На основании анализа состояния зенитного освещения Полтавского завода искусственных алмазов и алмазного инструмента разработаны и внедрены рекомендации по его усовершенствованию.

Ключевые слова: зенитное освещение, коэффициент естественного освещения, метод проектирования, аналитический метод, графоаналитический метод, модель, зенитный фонарь, энергетическая оценка.

Scutt D.D. Compllex Method for Solution of Zenithal Lighting in Buildings. Manuscript.

Dissertation for degree of Candidate of Technical Sciences, speciality 05.23.01 - Building Constructions, Buildings and Struktures. Poltava Technical Ju. Kondratyuk - State Univesity, Poltava, 1999.

The Dissertation is dedicated to the problem of solution the natural zenithal lighting in industrial and civil buildings with regard for functionaly - technological and architectural - constructive demands. The analytical calculation method of the natural lighting factor for the zenithal round - form light has been worked out. The theoretical and experimental research on scale - made building model with aim to investigate the light distribution characteristics on a horizontal conditional working surface from the system of zenithal lights has been carried out. Experimental investigations permitted to determine the correlation factors of the mean values of the natural lighting factor in buildings by vertue of typical lighting technology zones. The analytical, - by means of Computer, - and the grapho - analytical methods of designing the zenithal lighting of premises have been elaborated to permit designing of the optimum zenithal lighting systems, as to glazed space, and the minimum ones, as to energy expenditures.

The results of the investigations are applied for designing the zenithal lighting of buildings in Poltava's GPI “Gorstroyproyekt”. From analysis of condition the zenithal lighting at the plant of artificial diamands and diamand tools in Poltava the recjmmendations on its improvement have been elaborated and appilied.

__________________

(Підпис автора)