Комплексний метод вирішення освітлення будівель при ясному та хмарному небі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

УДК 721.011:692.292/492:628.921

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Комплексний метод вирішення освітлення будівель при ясному та хмарному небі

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

Галінська Тетяна Анатоліївна

Полтава 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Чернявський Валерій Володимирович, професор кафедри архітектури та міського будівництва Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Фаренюк Геннадій Григорович, завідувач відділу будівельної фізики та ресурсозбереження Державного підприємства «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій» (м. Київ)

кандидат технічних наук, доцент Мартинов Вячеслав Леонідович, завідувач кафедри інженерної та комп'ютерної графіки Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського (м. Кременчук)

Захист відбудеться « 7 » червня 2011 р. о 13³⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 44.052.02 при Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24, ауд. 218.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24

Автореферат розісланий « 6 » травня 2011 р.

В.о. вченого секретаря спеціалізованої вченої ради Ю.Л. Винников

освітлення ліхтарний зенітний хмарний

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Ефективне використання природних ресурсів сонячної енергії для освітлення приміщень, створення їх комфортного внутрішнього мікроклімату нерозривно пов'язано з раціональним рішенням зовнішніх огороджуючих конструкцій (елементів) будівель, і в першу чергу, світлопрозорих конструкцій, які,крім функцій огородження, виконують функції із забезпечення приміщень природним освітленням і повітрям під час їх аерації, а також можливістю візуального контакту із зовнішніх середовищем.

При проектуванні та улаштуванні сучасних світлопрозорих огороджуючих конструкцій будівель проектувальники та будівельники зіштовхуються з питаннями визначення їх оптимальної площі та раціонального розташування в огородженні будівлі при забезпеченні норми освітлення в приміщенні.

Збільшення відношення площі засклення до 25%від загальної площі зовнішнього огородження будівлі може призвести до необхідності значного підвищення опору теплопередачі, як самих світлопрозорих елементів, так і огороджуючих стінових конструкцій. У разі недотримання вимог збільшиться рівень втрат тепла в зимовий період експлуатації будівлі та надходження додаткового тепла від сонячної радіації в літній період. Загальний резерв економії енергоресурсів може бути досягнуто в результаті розробки та впровадження в практику будівництва раціональних об'ємно-планувальних і конструктивних рішень виробничих та громадських будинків, які тісно пов'язані з ефективними системами природного освітлення, що мають оптимальну площу світло прорізів.

За останні роки в нашій державі розроблено комплекс нормативних документів, з проектування зовнішніх огороджень будівель, застосування будівельних виробів та елементів, а також методів їх випробувань. Однак, як відзначено в концептуальних положеннях Галузевої програми підвищення енергоефективності у будівництві на 2010-2014 рр., існують напрямки, нормативне забезпечення яких не відповідає сучасним технологічним можливостям промисловості та реаліям проектування і будівництва. Вони потребують термінової гармонізації до існуючих нормативів країн Євросоюзу. Так, відповідно положень розділів 8, 10, 13 програми, одним із напрямків удосконалення енергоефективності у будівництві є розвиток застосування пасивних систем використання сонячної енергії за рахунок оптимізації об'ємно-планувальних рішень будинків, їх форми та орієнтації, використання систем акумуляції сонячного тепла та сонцезахисту з урахуванням особливостей регіону.

Тому, на сучасному етапі раціональний вибір площі світлових прорізів і систем освітлення з урахуванням функціонально-технологічних особливостей виробництва, світлових характеристик світлопрозорих конструкцій і сонцезахисних пристроїв та об'ємно-конструктивного вирішення будівель дає змогу істотно зменшити витрати на штучне освітлення та пов'язані з ним інженерні системи, а також покращити їх експлуатаційні параметри.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає сучасним напрямам науково-технічної політики держави з питань енергозбереження, що регламентується положеннями наступних нормативних і декларативних документів і програм: Законом України "Про енергозбереження" (Постанова Верховної Ради №74/94-ВР від 1 липня 1994 р); Указом Президента України № 174/2008 від 28.02.2008 "Про невідкладні заходи щодо забезпечення ефективного використання паливно-енергетичних ресурсів"; Постановою Кабінету Міністрів України № 1040 від 27.06.2000 "Про невідкладні заходи щодо виконання комплексної державної програми енергозбереження України"; Комплексною державною програмою енергозбереження України (постанова Кабінету Міністрів України № 148 від 5 лютого 1997 р.); Галузевою програмою підвищення енергоефективності у будівництві на 2010-2014 роки, яка затверджена наказом Мінрегіонбуду України №257 від 30 червня 2009 р; Енергетична стратегія України на період до 2030 року (план заходів, який затверджений розпорядженням Кабінету Міністрів України № 145-рвід 15 березня 2006 р.).

Дисертація виконувалася у межах держбюджетної теми: «Оцінювання надійності та ризиків несучих та огороджуючих будівельних конструкцій» (державний реєстраційний номер 0111U000839). Робота відповідає напряму наукових досліджень кафедри архітектури та міського будівництва.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає у розробленні методу оптимального проектування освітлення приміщень для виробничих і громадських будинків при ясному та хмарному небі МКО (за визначенням Міжнародної комісії з освітлення). Для досягнення поставленої мети слід вирішити такі основні задачі:

· розробити методи розрахунку природного освітлення на горизонтальній умовній робочій поверхні (УРП) в приміщеннях будівель від систем ліхтарних надбудов, зенітних і шедових ліхтарів й віконних прорізів при ясному та хмарному небі МКО;

· експериментально дослідити характер розподілу освітлення на горизонтальній УРП в приміщеннях існуючих будівель і фізичної моделі будівлі та зіставити отримані результатів з результатами розрахунків за запропонованими авторомтеоретичними залежностями та діючих нормативних документів;

· встановити закономірності розподілу освітлення на горизонтальній УРПу приміщеннях будівель, яке здійснюється системою ліхтарних надбудов,шедових ліхтарів і бокового освітлення найбільш поширених форм,для визначення на ній ділянок з максимальним і мінімальним впливом складових геометричного коефіцієнта природного освітлення;

· розробити на основі теоретичних й експериментальних досліджень графоаналітичний і аналітичний методи оптимального проектування освітлення приміщень будівель від систем ліхтарних надбудов, шедових ліхтарів і бічного освітлення, які б дозволили ефективно розташовуватисвітлові прорізи у покритті залежно від вимог світлового клімату, функціонально-технологічного процесу, архітектурно-конструктивного рішення світлозахисних пристроїв на прорізах будівлі;

· розробити рекомендації щодо проектування природного освітлення приміщень будівель, які б покращили розрахунок на попередньому етапі проектування та зменшили його трудомісткість.

Об'єкт дослідження - об'ємно-планувальні та конструктивні рішення засобів природного освітлення промислових і цивільних будівель

Предмет дослідження -вирішення раціональних розмірів світлопрорізів систем природного освітлення приміщень, які розміщуються у зовнішньому огородженні будівель.

Методи дослідження - методи архітектурної світлології, методи розрахунку та проектування освітлення, методи фізичного моделювання процесів, натурні методи дослідження світлового середовища і світлопрозорих огороджувальних конструкцій в будівлях різного функціонального призначення.

Наукову новизну отриманих результатів складають:

вперше:

- розроблено аналітичні методи розрахунку природного освітлення в приміщеннях будівель, які освітлюються через ліхтарні надбудови, шедові та зенітні ліхтарі та бокові віконні прорізи у зовнішніх стінах при хмарному та ясному небі МКО;

- теоретично досліджено розподіл освітлення на горизонтальній умовній робочій поверхні в приміщеннях будівель від систем ліхтарних надбудов, шедових ліхтарів і бокових віконних прорізів та визначені ділянки з максимальним і мінімальним впливом складових геометричного КПО;

удосконалено:

- удосконалено попередній етап проектування природного освітлення будівель шляхом розробки аналітичних і графоаналітичних методів оптимального проектування (визначення необхідної площі світлопрорізів) верхнього, бокового та комбінованого освітлення приміщень виробничих і громадських будівель, які отримані на основі аналітичних розрахунків;

отримало подальший розвиток:

- експериментально досліджено характер розподілу освітлення на горизонтальній УРП приміщень існуючих будівель і фізичної моделі та проведено порівняння отриманих результатів з результатами розрахунків за запропонованими теоретичними залежностями автора та діючих нормативних документів;

Практичне значення отриманих результатів: Запропоновані аналітичні та графоаналітичні методи проектування природного освітлення в приміщеннях будівель дають можливість за допомогою визначення оптимальної (мінімальної) площі світло прорізів створювати необхідні умови для зорової роботи та комфортних параметрів мікроклімату приміщень, що в свою чергу, також дозволить зменшити витратами електроенергії та тепла, особливо в зимовий період їх експлуатації.

Розроблено рекомендації щодо проектування природного освітлення приміщень будівель. Результати роботи використані при проектуванні та реконструкції будівель: ремонтно-екіпірувального депо Харківської вагонної дільниці №1 (ВЧ-1) по вул. Котлова, 1 в м. Харкові; виробничого корпусу ВАТ «Полтавський алмазний завод» по вул. Красіна, 71,а в м. Полтаві; виробничої будівлі КП «Полтаваелектроавтотранс» по вул. Халтурина, 10 в м. Полтаві.

Особистий внесок здобувача у наукових працях, які опубліковані у співавторстві, полягає:

· [1] - проведено аналіз публікацій, які присвячені дослідженню впливу світлового клімату на рівень зовнішнього освітлення місцевості і освітлення приміщень, яке напряму впливає на раціональні розміри світло прорізів, від яких залежить в літній період експлуатації будівель додаткове надходження надмірного тепла та його надмірна втрата в зимовий період експлуатації;

· [2, 3, 4] - наукові розробки належать особисто автору і отримані їм самостійно;

· [5] - отримано дані натурних досліджень розподілу освітлення в приміщеннях корпусу;проведено порівняльний аналіз даних натурних досліджень розподілу освітлення в приміщеннях головного виробничого корпусу алмазного заводу з даними попередніх досліджень вчених, що були визначені в 1968-1969 роках в період введення заводу в експлуатацію, а також з даними теоретичних розрахунків, які були виконані за методикою діючих нормативних документів та запропонованою методикою автора;

· [6] - запропоновано методику розрахунку природного освітлення приміщень будівель, які освітлюються через ліхтарні надбудови при ясному та хмарному небі МКО;

· [7] - запропоновано методику розрахунку природного освітлення приміщень будівель, які освітлюються через зенітні круглі у плані ліхтарі при ясному і хмарному небі МКО.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення дисертації доповідалися на наукових конференціях: 54 - 62-й наукових конференціях Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка (2002 - 2010, рр.), 5-й та 6-й науково-технічних конференціях «Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди» ( Рівне, 2006, 2008 рр.), Міжнародній науково-практичній інтернет - конференції «Стан сучасної будівельної науки - 2003» ( Полтава, 2003 р.), ІІ-й міжнародній науково - технічній інтернет - конференції «Будівництво, реконструкція та відновлення будівель міського господарства» (Харків, 2007р.).

Публікації. Основний зміст дисертації викладено у 7 наукових працях
(з них 3 одноосібні), які опубліковані у 7 наукових фахових виданнях, включених до переліку ВАК України, загальним обсягом 2,61 друк. арк., з яких автору особисто належить 1,4 друк. арк.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 240 стор. тексту, який містить 117 стор. основного тексту, 21 табл., 37 рис. Список використаних джерел складається із 291 найменування, що викладені на 35 стор.

Роботу було розпочато під керівництвом д.т.н., професора О.Н.Могилата.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, наукову новизну, практичну цінність і застосування отриманих результатів.

У першому розділі роботи дано коротку характеристику існуючих систем природного освітлення будівель та їх конструктивного вирішення залежно від призначення й ефективного використання, відзначено роль освітлення в забезпеченні внутрішнього мікроклімату приміщень будівель, проведено аналіз стану і розвитку методів розрахунку та проектування природного освітлення.

Вперше конкретні рекомендації щодо розрахунку та проектування віконних прорізів у житлових і промислових будівлях, вибору їх раціональних розмірів, форм і місця розташування були розроблені М.О. Риніним ще на початку XX століття. Подальший розвиток методика проектування та розрахунку природного освітлення приміщень дістала в 30-50 роках минулого століття в роботах К.Е. Бабуріна, С.В. Беляєва, В.Б. Вейнберга, О.О. Гершуна, Р. Г. Гопкінсона,М.М. Гусєва, О.М. Данилюка, Л.Л. Дашкевича,Р. Кіттлера, Ю. Крохмана, П. Муна, Є. Наамана, Д.Є. Спенсера та ін.

Найбільший розвиток наукових досліджень в області розробки та удосконалення методик розрахунку та проектування освітлення приміщень будівель припав на 60-80 рр. минулого століття і продовжується до теперішнього часу. За цей час дослідженню із розробленням і впровадженням в практику методів розрахунку та проектування природного освітлення будинків і подальшого їх удосконалення присвятили свої роботи Ю.Б. Айзенберг, Ю.П. Александров,Д.В. Бахарєв, Г.П. Бондаренко, М.Т. Глікман, Д.Д. Гордіца, М.М. Гусєв, В.О. Дроздов, В.А. Земцов, В.О. Єгорченков, Р.І. Кінаш, М.М. Кірєєв,Г.В. Козаков, М.І. Краснов, В.В. Мєшков, О.Н. Могилат, В.К. Савін, Д.Д. Скать, А.І. Смірнов, Т.І. Смірнова, С.П. Соловйов,О.К. Соловйов, В.М. Сорокін, В.В. Чернявський, Ф.Л. Шехтер,А.М. Югов, М.Б. Яцівта ін.

Вплив конструктивного вирішення сонцезахисних пристроїв і заповнення прорізів з скла на розподіл освітлення в приміщенні будівель досліджували А.І. Круглова, Н.П.Нікольська, М.В. Оболєнський, А.І. Пануров,І.Н. Скриль, В.В. Токарєв та ін.

Вагома роль у дослідженні розподілу освітлення на умовних робочих поверхнях у приміщеннях будівель належить школі О.Л. Підгорного, під керівництвом якого Д.В. Єршовою, О.В. Кривенко, В.Л. Мартиновим, Є.В. Пугачовим, О.В. Сергійчуком та іншими вченими досліджуються наукові питання, які стосуються архітектурно-будівельного проектування. Так у розробленні і впровадженні в практику вітчизняних норм із розрахунку та проектування природного освітлення й інсоляції будинків беруть участь Ю.С. Громадський,О.Т. Дворецький, В.О. Єгорченков, О.В. Сергійчук, О.Л. Підгорний, Є.В. Пугачов, Г.Г. Фаренюк та ін.

Прийняті в Україні норми розрахунку та проектування природного освітлення будівель мають ряд недоліків, які перейшли ще з радянських нормах, та існують в сучасних міждержавних будівельних нормах з природного освітлення:

· у діючих нормах більша увага приділяється нормуванню та методиці розрахунку освітлення приміщень будівель, ніж методиці його проектування, що повинна включати в себе основні положення з вибору та визначення раціональних розмірів і місця розташування прорізів систем освітлення будівель;

· нормування освітлення здійснюється в точках УРП у приміщеннях будівель, які не завжди є найменш освітленими, тому необхідно уточнити положення найменш освітленої розрахункової точки чи точок умовної розрахункової лінії, яка утворюється на перетині горизонтальної УРП і характерного вертикального умовного перерізу, в якій (чи в яких)нормується природне освітлення залежно від системи освітлення приміщень і конструктивного рішення будівлі;

· розрахунок і проектування освітлення в приміщеннях при хмарному та ясному небі МКО не розмежовується, через що постає питання про необхідність застосування коефіцієнта ₄, який враховує втрати світла в сонцезахисних пристроях, а відсутність коефіцієнта С, який враховував у попередніх нормах орієнтацію світло прорізів за сторонами горизонту, унеможливлює сам розрахунок освітлення приміщень будівель при ясному небі.

Таким чином, діючі норми суттєво відстають від сучасного стану проблеми проектування природного освітлення приміщень і потребують удосконалення.

У другому розділі автором розроблені аналітичні методи розрахунку природного освітлення в розрахункових точках на горизонтальній УРП у приміщенні будівлі, яке освітлюється при ясному та хмарному небі через системи верхнього природного освітлення будівель: ліхтарні надбудови [6]; шедові ліхтарі [2]; зенітні ліхтарі круглої та прямокутної у плані форми [7, 4].

Нижче наводиться методика розрахунку природного освітлення приміщень будівель, які освітлюються через ліхтарні надбудови при ясному та хмарному небі. На рис. 1 показано схематичний розріз будівлі з ліхтарною надбудовою, через прорізи якою проходять світлові потоки, що освітлюють розрахункову точку М на умовній горизонтальній робочій площині: потік від небозводу Ф_Н; потік, який відбивається від внутрішніх поверхонь приміщення; потік, який проходить через сонцезахисні пристрої, що розташовані у прорізі ліхтаря та освітлюються потоками Ф_Н і Ф_©.

Рис. 1 Схема проходження світлових потоків при ясному небі через світло-прорізи-ліхтарної надбудови

Розрахунок освітлення в розрахунковій точці приміщення будівлі, яке освітлюється через прямокутні ліхтарні надбудови при ясному та хмарному небі за відсутності сонцезахисних пристроїв (СЗП), виконуємо за формулою:

(1)

де n - кількість зенітних ліхтарів, які приймають участь в освітленні розрахункової точки М;

К_л,К_З, r₂, ₀ - відповідно коефіцієнт, що враховує тип ліхтаря; коефіцієнт запасу; коефіцієнт, який враховує освітлення в розрахунковій точці, що відбилося від внутрішніх поверхонь приміщення; загальний коефіцієнт світло проникнення заповнення прорізів ліхтаря, які приймаються за даними таблиць діючих норм;

_i1, _i2 - азимути середини торцевих граней світлопрорізу, і-ого ліхтаря через який освітлюється розрахункова точка;

z_i1, z_і2 - рівняння контуру світлопрорізу, який видно із розрахункової точки, які визначаються за формулами:

z_i1=/2-arctq(ctqQ₁sin); (2)

z_i2=/2-arctq(ctqQ₂sin), (3)

де Q₁, Q₂ - зенітна відстань середини відповідно верхньої та нижньої граней світло прорізу (кути між вертикальною віссю та напрямками з розрахункової точки на середину граней світло прорізу);

(_i)- азімут середини світло прорізу, що освітлює розрахункову точку, (кут між напрямком із розрахункової точки на південь і напрямком на середину світло прорізу проти годинникової стрілки);

f(z_i, _i) - залежність яскравості і-ої ділянки небозводу, що освітлює розрахункову точку приміщення через світло проріз ліхтаря

f(z_i, _i)=L(z_i, _i)sinz_icosz_i, (4)

де z (z_i) - зенітна відстань середини елементарної ділянки небозводу, яка освітлює розрахункову точку приміщення через світлопроріз ліхтаря (кут між вертикальною віссю, яка проходить через розрахункову точку та напрямком з розрахункової точки на геометричну середину світлопрорізу);

L(z_i, _i) - яскравість елементарної ділянки небозводу, що визначається за виразом:

L(z_i, _i)=L_З(H)S(z_i, _i), (5)

де L_З(H) - абсолютна яскравість небозводу в зеніті, яка визначається для ясного неба за формулою (6), а для хмарного неба - за (7):

L_З^Я(H)=60+600cos²(2H)+4800H^1,55; (6)

L_З^О(H)=300+17117,4sin(H)+4031,7Hsin²(H); (7)

S(z_i, _i) - стандартний розподіл відносної яскравості ясного неба МКО визначається за формулою, що запропонована Р.Кіттлером:

S(z_i, _i)=(f()f(z_i))/(f(z)(0^o)), (8)

де f() - стандартна індикатриса розсіювання

f()=0,91+10exp(-3)+0,45cos², (9)

де - кут між точкою і сонцем на небозводі:

=arccos[cos(z)cos(z)+sin(z)sin(z)cosА]; (10)

де А- азимут від сонячної вертикалі до елементарної ділянки небозводу, яка розглядається;

f(z_i) - функція точки елементарної ділянки на небозводі:

f(z_i)=1-exp(-0,32sec(z_i)); (11)

f(z) - стандартна індикатриса розсіювання для зеніту:

f(z)=0,91+10exp(-3z)+0,45cos²(z), (12)

де z - зенітна відстань сонця (кут між вертикальною віссю, яка проходить через розрахункову точку та напрямком із розрахункової точки на сонце);

(0^o) - функція точки для зеніту:

(0^o)=1-exp(-0,32)=0,274. (13)

При хмарному небі МКО відносна яскравість визначається за формулою, що запропонована П. Муном і Д. Спенсером:

S(z_i)=(1+2cos(z_i))/3. (14)

Розрахунок освітлення в розрахунковій точці приміщення будівлі, яке освітлюється через прямокутні ліхтарні надбудови при ясному та хмарному небі МКО і наявності сонцезахисних пристроїв (СЗП), виконуємо за формулою:

(15)

де Е^В_сум - сумарне вертикальне освітлення на сонцезахисному пристрої, що встановлений у прорізі ліхтарної надбудови:

Е^В_сум=Е^В+Е^В_вк+Е^В_ян, (16)

де Е^В - вертикальне освітлення на сонцезахисному пристрої від сонця, яке визначається за виразом:

Е^В=(1/²)Ср^мcosHsin(A-A), (17)

де С=136700 лк - світлова сонячна стала Джонсона; - відстань від Землі до сонця в астрономічних одиницях на період року, що розглядається;р=0,7 - прозорість атмосфери;М - оптимальна маса атмосфери, яка визначається за формулою Л.Г. Махоткіна:

; (18)

де Н - висота стояння сонця;

А, А - азімути сонця та нормалі до поверхні світлопрорізу ліхтарної надбудови, через який виконується освітлення в розрахунковій точці М;

де Е^В_ян - вертикальне освітлення на сонцезахисному пристрої, який встановлений в прорізі ліхтарної надбудови, від елементарної ділянки небозводу, що спостерігається з розрахункової точки через світлопроріз, визначається за виразом:

Е^В_ян=, (19)

де Е^В_вк - вертикальне освітлення на сонцезахисному пристрої, який встановлений в прорізі ліхтарної надбудови, від світла, що відбивається від покрівлі. Вертикальне освітлення Е^В_вк визначаємо за:

Е^В_вк=(Е_к^ян+Е_к)_к/, (20)

де _к - коефіцієнт відбиття світла від покриття покрівлі;

Q₄ - кутове значення межі інтегрування, див. рис. 2, що дорівнює:

Q₄=arctq[2(К_пр-L_л-H_лtqz^/)/(H_л)], (21)

де L_л - ширина ліхтарної надбудови;К_пр - відстань між поздовжніми осями ліхтарних надбудов, або сума двох відстаней від поздовжньої осі ліхтарної надбудови до найближчої огороджуючої конструкції будівлі;H_л - висота ліхтарної надбудови, через яку здійснюється освітлення приміщення;z^/ - зенітна відстань проекції сонця на площину, що перпендикулярна поздовжній осі ліхтаря, визначаємо за формулою:

z^/=/2-arctq[ctqHcos(A-A)], (22)



Рис. 2 Схема визначення кутових значень, які є межами інтегрування при розрахунку освітлення, що проходить через прорізи ліхтарних надбудов: а - розріз верхньої ділянки частини будівлі, на покритті якої улаштовані ліхтарні надбудови; б - вигляд зверху ділянки покриття будівлі з ліхтарними надбудовами.

де Е_к^ян -освітлення на площині покрівлі від розсіяної складової ясного неба МКО, яке визначається за виразом:

, (23)

де Q₅, Q₆ - кутові значення меж інтегрування (зенітна відстань середини лівої та правої ділянок світлового прорізу, через який здійснюється освітлення розрахункової точки, див. рис. 2), які визначаються за формулами:

Q₅=arctq[(К_пр-L_л)/(4H_л)]; (24)

Q₆=arctq[5(К_пр-L_л)/(4H_л)], (25)

де Е_к - пряме освітлення на площині покрівлі від сонця, що визначається за виразом:

Е_к=Е^Г=(1/²)Ср^мsinH. (26)

Отримані математичні моделі розрахунку природного освітлення приміщення через ліхтарні надбудови (світлоаераційні ліхтарі) підвищують точність розрахунку його розподілу на розрахунковій поверхні як при хмарному, так і при ясному небі МКО в різний період експлуатації будівлі. Залежності (1) та (15) маємо можливість використати для оптимального проектування світлопрорізів ліхтарних надбудов будівель з урахуванням світлового клімату України та світлотехнічних характеристик сонцезахисних пристроїв (СЗП).

У третьому розділі викладено методику і результати експериментальних досліджень характеру розподілу природного освітлення на горизонтальній УРП, які проведені в приміщеннях існуючих будівель і на масштабно виконаній фізичній моделі будівлі.

Натурні експериментальні дослідження розподілу освітлення на горизонтальній УРП проводилися під час експлуатації і реконструкції приміщень наступних існуючих будівель, які освітлюються через вікна і прорізи ліхтарних надбудов і зенітних ліхтарів: будівлі головного виробничого корпусу з точковими зенітними ліхтарями ВАТ «Полтавський алмазний завод» по вул. Красіна, 71,а в м. Полтаві; виробничої будівлі з ліхтарними надбудовами КП «Полтаваелектроавтотранс» по вул. Халтурина, 10 в м. Полтаві;виробничої будівлі з ліхтарними надбудовами по вул. Клінкерній, 1 в м. Полтаві; будівлі головного виробничого корпусу з ліхтарними надбудовами ВАТ «Армапром» по вул. Хорольській, 34 в м. Миргороді; будівлі виробничого корпусу №2 з зенітними панельними ліхтарями ВАТ «Полтавхіммаш» по вул. М.Бірюзова, 85 в м. Полтаві; будівлі ремонтно-екіпірувального депо Харківської вагонної дільниці №1 (ВЧ-1) по вул. Котлова, 1 в м. Харкові, верхня система освітлення якої була реконструйована.

При дослідженні розподілу освітлення на горизонтальній УРП від системи точкових зенітних ліхтарів в приміщеннях головного виробничого корпусу заводу штучних алмазів у м. Полтаві були отримані дані натурних досліджень розподілу освітлення в його приміщеннях, які дозволили провести їх порівняльний аналіз з даними попередніх досліджень вчених, які були визначені в 1968-1969 роках в період введення заводу в експлуатацію, а також з даними теоретичних розрахунків, які були виконані за методикою діючих нормативних документів та запропонованою методикою автора [5]. Порівняння отриманих результатів з нормативними дозволили зробити наступний висновок щодо рівня природного освітлення приміщень корпусу: у більшості випадків середнє значення фактичного коефіцієнта природного освітлення приміщень перевищує значення нормативного коефіцієнта природного освітлення приміщень, за винятком дільниць, де виконуються високоточні зорові роботи І-ІІІ розрядів [5].

В результаті порівняння встановлено, що різниця між даними експериментальних досліджень розподілу освітлення в приміщеннях вищезазначених будівель і теоретичними розрахунками за методиками автора і діючих норм становить 10…15%, що є прийнятним для інженерних розрахунків у галузі будівельної світлотехніки.

Експериментальні дослідження на фізичній моделі, що представляє собою в масштабі 1:20 виробничу три прогінну будівлю, що має номінальні розміри у плані 54Ч54 м, висоту 15,7 м, проводилися під відкритим хмарним та ясним небом. Внутрішні поверхні моделі були пофарбовані чорною матовою фарбою.

На фізичній масштабно виконаній моделі будівлі було досліджено розподіл освітлення на горизонтальній УРП від систем: зенітних ліхтарів; бічного освітлення та зенітних ліхтарів; ліхтарних надбудов; бічного освітлення і ліхтарних надбудов; бічного освітлення.

Для дослідження розподілу освітлення на горизонтальній УРП у боковому огородженні моделі було прорізано по висоті стрічкові прорізи (див. рис. 3,а), які імітували стрічкові вікна на різних його рівнях, що дало можливість визначити вплив місця розташування прорізу за його висотою на рівень освітлення приміщення за його довжиною (глибиною). Бокові прорізи масштабно відповідали віконним світлопрорізам, які мали наступні розміри: перший (нижній) _висоту 3,0 м, довжину 42 м(площуS_н=126 м²), розташовувався між відмітками +1,200 м і +4,200 м; другий (верхній) _ висоту 2,4 м, довжину 4,2 м (площуS_н=100,8 м²), розташовувався між відмітками +12,000 м і +14,400 м.

Верхнє освітлення будівлі моделювалося шляхом улаштування в покритті моделі ліхтарних надбудов, які мали в боковому огородженні стрічкові прорізи (див. рис. 3,а), та зенітних ліхтарів трьох типів: круглої (рис. 3,б) та квадратної форми з вертикальними (рис. 3,в) і похилими (рис. 3,г) бортами висотою 0,5 м, які розташовувалися в покритті з кроком, який відповідає номінальному розміру 8,5 м.

Розміри прорізів зенітних ліхтарів масштабно відповідали номінальним розмірам: квадратного з вертикальним бортом - 2,7Ч2,7 м; квадратного з похилим бортом - на рівні нижнього перерізу - 2,9Ч2,9 м, на рівні верхнього перерізу - 2,4Ч2,4 м; круглого з вертикальним бортом - радіусом 1,5 м. Розміри макету ліхтарних надбудов, які розташовувалися у кожному прогоні моделі будівлі, масштабно відповідали наступним номінальним розмірам: висоті надбудови _ 3,3 м,ширині _ 6,0 м, довжині - 42 м. Відповідно номінальні розміри бокового світлопрорізу ліхтарної надбудови становлять: висота _h_В=2,5 м, довжина -l_В=40 м, площа _S_В=100 м². Загальна площа світлопрорізів надбудов становить S_В=800 м².

Автором роботи було виконане порівняння результатів експериментальних досліджень розподілу освітлення в розрахункових точках горизонтальної УРП в приміщеннях фізичної моделі будівлі, які освітлюються через світлопрорізи вищезазначених систем, з результатами аналітичних розрахунків за запропонованими ним теоретичними залежностями та діючих нормативних документів. Різниця Результатів, що порівнювалися, змінювалася в межах до 10%



Рис. 3 Загальний вигляд фізичної моделі будівлі з різними системами освітлення приміщення через: а) ліхтарні надбудови; б) зенітні ліхтарі круглої форми; в) зенітні ліхтарі квадратної форми з вертикальним бортом; г) зенітні ліхтарі квадратної форми з похилим бортом.

У четвертому розділі розглядаються питання пов'язані з удосконаленням методики проектування верхнього і бокового освітлення приміщень будівель.

Проведені теоретичні та експериментальні дослідження розподілу освітлення на горизонтальній УРП, яке проникає в приміщення будівлі через бокові світлопрорізи, прорізи шедових ліхтарів і ліхтарних надбудов, дозволили визначити її найменш освітленні зони, лінії та точки, що утворюються в результаті її перетину з вертикальним умовним перерізом.

В результаті теоретичних досліджень розподілу освітлення, що проникає в приміщення, були встановлені оптимальні для розрахунку положення найменш освітленої умовної розрахункової лінії та точок горизонтальної УРП при боковому освітленні приміщень будівлі, якими є:

· найменш освітлені розрахункові лінії на горизонтальній УРП, які найбільш віддалені від зовнішнього бокового огородження приміщення будівлі;

· найменш освітлені розрахункові крайні точки на розрахунковій лінії, що розташовані на кутових ділянках горизонтальної УРП і найбільш віддалені по горизонталі від бокових світлопрорізів.

Оптимальними для розрахунку положення найменш освітленої умовної розрахункової лінії горизонтальної УРП при освітленні приміщень через систему ліхтарних надбудов є:

· ділянка розрахункової лінії, яка утворена в результаті перетину горизонтальної УРП з вертикальним характерним перерізом будівлі, який проходить перпендикулярно до довжини ліхтарної надбудови. Ця ділянка розташована між точками, котрі є проекціями бокового огородження ліхтарних надбудов на горизонтальну УРП. Довжина ділянки розрахункової лінії дорівнює половині різниці прогону будівлі та ширини ліхтарної надбудови:

b_Д=(К_ПР_l_Л)/2;

· розрахункова лінія, яка утворена в результаті перетину горизонтальної УРП з вертикальним перерізом будівлі, який проходить вздовж поздовжніх осей будівлі, так як величина освітлення в її точках незалежно від зміни конструктивних параметрів світлопрорізів, розмірів будівлі і її ліхтарної надбудови завжди менша порівняно з величиною освітлення в усіх інших точках горизонтальної УРП, розміри якої обмежені величинами К_ПР і D_Л.

При освітленні приміщень будівлі через систему шедових ліхтарів найменш освітленою є ділянка горизонтальної УРП, яка розташована між точками, що є проекціями бокового огородження першого та другого шедових ліхтарів на горизонтальну УРП. Довжина ділянки горизонтальної УРП, на якій значення освітлення в розрахункових точках найменші, дорівнює довжині прогону першого ліхтаря:b_Д= В_К.Л=К_ПР.

На базі теоретичних розрахунків отримані залежності між коефіцієнтом природного освітлення (, %) й відношенням між площами засклення та горизонтальної УРП приміщення (S_В/S_П) при боковому освітленні (див. рис. 3) та між коефіцієнтом природного середнього освітлення (е_ср, %) і відношенням між площами засклення і горизонтальної УРП приміщення (S_В/S_П) при його освітленні через системи шедових ліхтарів (див. рис. 5а) і ліхтарних надбудов (див. рис. 5б), які дозволили розробити аналітичні та графоаналітичні методи

проектування верхнього та бокового освітлення приміщень, кінцевим результатом яких є отримання раціональних за площею засклення й мінімальних за енерговитратами систем освітлення будівель.

Так попередній розрахунок площі світлових прорізів вікон S_В,% залежно від площі горизонтальної УРП приміщення S_П здійснюється за допомогою графіка на рис. 4 у такій послідовності: а) залежно від розряду зорової роботи чи призначення приміщення та пояса світлового клімату визначається нормоване значення КПО (е_Н,%) приміщення, що розглядається;

б) визначається величина геометричного коефіцієнта природного освітлення (,%) шляхом ділення нормованого значення КПО (е_Н,%) на загальний коефіцієнт світлопроникнення ₀;

в) на ординаті графіку визначається точка, що відповідає величині геометричного КПО (,%), через знайдену точку проводять горизонталь до перетину з відповідною прямою відношення висоти Н від рівня горизонтальної умовної робочої поверхні (УРП) до верхньої грані бокових світлових прорізів і глибини приміщення l_П (Н / l_П) (див. рис. 4), по абсцисі точки перетину визначається величина відношення S_В/S_П;

г) значення площі світлових прорізів, м², визначається шляхом перемноження відношення S_В/S_П на величину площі горизонтальної УРП приміщення S_П, в якому проектується природне освітлення.



Рис. 4 Номограма для визначення площі світлопрорізів (S_В) у боковому огородженні будівлі залежно від глибини (l_П) і висоти (H) її приміщення при ₀=1:



Рис. 5 Номограми для визначення площі світлових прорізів (S_В) при освітленні приміщень будівлі: (а) шедовими ліхтарями, (б) системами ліхтарних надбудов:

1 - значення S_В/S_П при ₀=0,1;

2 - значення S_В/S_П при ₀=0,25;

3 - значення S_В/S_П при ₀=0,5;

4 - значення S_В/S_П при ₀=1

при одному прогоні ліхтарів;

при двох прогонах ліхтарів;

при трьох і більше прогонах ліхтарів

У випадках, коли розміри та розташування бокових світлових прорізів при проектуванні будівлі вибрані за архітектурно-будівельними міркуваннями, попередній розрахунок значень КПО в приміщеннях з боковим освітленням слід виконувати за допомогою графіка на рис. 4 у наступній послідовності:

а) за будівельним кресленням визначається сумарна площа світлових прорізів (у світлі) S_В, площа горизонтальної УРП приміщення S_П, що освітлюється, а потім розраховується величина відношення S_В/S_П;

б) визначається глибина приміщення l_П і висота Н верхньої грані бокових світлових прорізів над рівнем горизонтальної умовної робочої поверхні (УРП), та потім за ними розраховується величина відношення Н / l_П;

в) за значенням відношень S_В/S_П і Н / l_П знаходять точку з відповідною величиною геометричного КПО ,%;

г) розраховуємо величину коефіцієнта природного освітлення (е,%) шляхом перемноження значення геометричного КПО (,%) на коефіцієнт ₀.

Попередній розрахунок площі S_В світлопрорізів ліхтарних надбудов і шедових ліхтарів залежно від площі горизонтальної УРП приміщення S_П визначається за допомогою графіків на рис. 5,а і рис. 5,б в такій послідовності:

а) залежно від розряду зорової роботи чи призначення приміщення та пояса світлового клімату визначається нормоване значення КПО (е_ср^Н,%) приміщення, що розглядається;

б) визначаємо величину коефіцієнта природного середнього освітлення (е_ср,%) шляхом його зіставлення з нормованим значенням КПО (е_ср^Н,%);

в) на ординаті графіку визначають точку, що відповідає величині КПО е_ср,%, через знайдену точку проводять горизонталь до перетину з відповідною прямою при визначеній величині загального коефіцієнта світлопроникнення ₀, що характеризує заповнення світлопрорізів, і кількості прогонів будівлі, в яких улаштовані ліхтарі (див. рис. 5,а чи рис. 5,б), за абсцисою точки перетину визначаємо величину S_В/S_П;

г) значення площі світлових прорізів в м² розраховуємо перемноженням величини відношення S_В/S_П на величину площі горизонтальної УРП приміщенняS_П, в якому проектується природне освітлення.

У випадках, коли розміри та розташування світлопрорізів у боковому огородженні ліхтарних надбудов чи шедових ліхтарів будівлі вибрані за архітектурно-будівельним міркуванням, попередній розрахунок значень КПО в приміщеннях з верхнім освітленням слід виконувати за допомогою графіків на рис. 5,а і рис. 5,б в такій послідовності:

а) за будівельними кресленнями визначають сумарну площу світлових прорізів (у світлі) S_В, площу горизонтальної УРП приміщення S_П, що освітлюється, та розраховують відношенням S_В/S_П;

б) визначають загальний коефіцієнт ₀ світлопропускання матеріалу засклення прорізів;

в) за величинами відношення S_В/S_П і ₀ залежно від визначеної кількості прогонів будівлі, що дорівнюють кількості ліхтарів, знаходять точку з відповідною величиною КПО е_ср, %.

Уточнення значення КПО е_ср,%, яке отримане за графіками на рис. 5,а і рис. 5,б, здійснюємо залежно від величини висоти (Н) від горизонтальної УРП до низу світлопрорізів у приміщенні будівлі шляхом його перемноження на коефіцієнт k_H, який визначаємо за даними табл. 1.

Таблиця 1. Значення коефіцієнта k_H, який корегує середнє значення коефіцієнта освітлення е_ср, % на горизонтальній УРП від систем ліхтарних надбудов і шедових ліхтарів залежно від висоти приміщення (Н) будівлі

	Висота приміщення (Н) від горизонтальної УРП до низу світлопрорізів, м
	6	8	10	12	14	16
kH	1,00	0,98	0,94	0,90	0,85	0,76

Уточнення значення величини КПО е,% при боковому освітленні приміщень і середнього значення КПО е_ср, % при освітленні приміщень через системи ліхтарних надбудов і шедових ліхтарів при ясному небі здійснюється за рахунок введення додаткових коефіцієнтів С_ОР, С_М і С_Е, які враховують вплив рівня зовнішнього освітлення залежно від орієнтації вертикальних світлопрорізів за сторонами горизонту і періоду освітлення приміщення, з одночасним введенням у склад формули загального коефіцієнта світлопроникнення ₀ коефіцієнта ₄, який враховує втрати світла в сонцезахисних пристроях. Тоді розрахункове значення освітлення в розрахункових точках е^Р, % (при боковому освітленні) та по розрахунковій лінії е^Р_ср ,% (при верхньому освітленні приміщень) визначаємо за наступними формулами з використанням даних графіків на рис. 4 і рис. 5:

е^Р=Ч₀ЧС_ОРЧС_МЧС_ЕЧ100; (27)

е^Р_ср=е_срЧk_HЧС_ОРЧС_МЧС_ЕЧ100, (28)

де С_ОР - коефіціент, який враховує вплив рівня зовнішнього вертикального освітлення залежно від орієнтації вертикальних світлопрорізів за сторонами горизонту і періоду освітлення приміщенні, визначається за даними табл. 2;

Таблиця 2. Значення коефіцієнта С_ОР, який враховує вплив рівня зовнішнього вертикального освітлення залежно від орієнтації вертикальних світлопрорізів за сторонами горизонту і періоду освітлення приміщенні

Місяць року	Сторони горизонту
	Пн	ПнСх, ПнЗх	Сх, Зх	ПдСх, ПдЗх	Пд
IV	0,44	0,65	1	1,23	1,09
V	0,52	0,71	1	1,08	0,98
VI	0,53	0,74	1	1,02	0,85
VII	0,52	0,72	1	1,04	0,89
VIII	0,43	0,69	1	1,36	1,14
IX	0,35	0,53	1	1,36	1,51
X	0,42	0,5	1	1,54	2,06

С_М - коефіцієнт, який враховує зміну сумарного зовнішнього освітлення за літній період експлуатації будівель і визначається за даними табл. 3;

С_Е - коефіцієнт, який враховує зміну відношення між зовнішніми сумарним і розсіяним освітленнями за літній період експлуатації будівель і визначається за даними табл. 3.

Таблиця 3. Значення коефіцієнтів С_М і С_Е, які відповідно враховують зміну сумарного зовнішнього освітлення та зміну відношення між зовнішніми сумарним і розсіяним освітленнями за літній період експлуатації будівлі

	Місяць року
	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X
CМ	0,54	0,88	1,00	1,00	0,85	0,59	0,26
СЕ	1,81	1,97	2,23	2,27	2,22	2,17	1,75

Конструктивне вирішення природного освітлення багатопрогонних будівель здійснюється в такій послідовності:

а) розбивається площа приміщення будівлі на ділянки, що будуть освітлюватися боковими віконними світлопрорізами чи ліхтарями верхнього світла;

· залежно від висоти приміщення (Н) будівлі та вимог до його внутрішнього світлового мікроклімату визначається за допомогою даних графіка на рис. 4 глибина ділянок (l_П), які будуть освітлюватися через вікна у боковому огородженні будівлі;

· визначаються розміри внутрішньої ділянки приміщення будівлі, яка буде освітлюватися ліхтарями верхнього світла;

· приймається конструктивне рішення щодо вибору та застосування системи верхнього освітлення ділянки приміщення будівлі залежно від її розмірів, орієнтації, вимог до внутрішнього мікроклімату, конструктивного вирішення несучих елементів каркасу та покриття;

б) виконується попередній розрахунок площі світлопрорізів S_В за вищенаведеними в розділі IV методиками, проводиться конструювання та розміщення світлопрорізів у боковому огородженні стін і ліхтарних надбудов чи шедових ліхтарів будівлі;

в) виконується перевірний розрахунок освітлення в розрахункових точках і на ділянках розрахункових ліній горизонтальної УРП, які є найменш освітленими та зазначені в даному розділі.

Запропонована методика комплексного (одночасного) проектування бокового та верхнього природного освітлення приміщень будівель залежно від функціонально-технологічних і архітектурно-конструктивних вимог удосконалює загальну методику проектування освітлення будівель на попередньому етапі.

Висновки

У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення наукової задачі - розробки теоретичних основ і науково-методичних рекомендацій щодо удосконалення методики проектування та розрахунку природного освітлення приміщень промислових та цивільних будівель з урахуванням функціонально-технологічних, архітектурно-конструктивних і кліматичних факторів і вимог до них. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження дозволяють зробити наступні висновки.

1. Проаналізовано сучасний стан норм і методик з розрахунку і проектування природного освітлення будівель різного призначення, який дозволив виділити ряд загальних недоліків, які їм притаманні: відсутність чіткого розмежування послідовності між попереднім розрахунком площі світлопрорізів для різних систем освітлення і перевірним (точним) розрахунком коефіцієнта природного освітлення (КПО) чи величини освітлення (Е) в розрахункових точках і лініях УРП; перевірний (точний) розрахунок величини природного освітлення (КПО чи Е) пропонується здійснювати в розрахункових точках і лініях УРП, які не завжди є найменш освітленими; при перевірному розрахунку освітлення приміщень відсутній чіткий розподіл послідовності його проведення залежно від стану небозводу та орієнтації світлопрорізів.

2. Розроблено аналітичні методи розрахунку природного освітлення в приміщеннях будівель, які освітлюються через ліхтарні надбудови, шедові та зенітні ліхтарі та бокові віконні прорізи у зовнішніх стінах при хмарному і ясному небі МКО.

3. Експериментально досліджено характер розподілу освітлення на горизонтальній УРП в приміщеннях існуючих будівель. Зіставлення результатів експериментальних досліджень з результатами розрахунків за запропонованими теоретичними залежностями автора в умовах ясного та хмарного неба і діючими нормативними документами в умовах хмарного неба показали їх збіжність в межах 10-15%.

4. Експериментально досліджено на фізичній моделі будівлі характер розподілу освітлення на горизонтальній УРП в її приміщенні та проведено зіставлення отриманих результатів з результатами за запропонованими теоретичними залежностями автора та діючих нормативних документів (різниця результатів змінюється в межах до 10%).

5. Теоретично досліджено розподіл освітлення на горизонтальній умовні робочій поверхні в приміщеннях будівель від систем ліхтарних надбудов, шедових ліхтарів та бокових віконних прорізів та визначені ділянки з максимальним і мінімальним впливом складових геометричного КПО. Найменш освітленими розрахунковими лініями та точками, які можуть бути використані, як основні, при розрахунку освітлення приміщення, є:

· при боковому освітленні: крайні розрахункові точки розрахункової лінії, які розташовані в кутових ділянках горизонтальної УРП, що найбільш відділені по горизонталі від бокових світлопрорізів;

· при освітленні через ліхтарні надбудови: ділянка розрахункової лінії, яка утворюється в результаті перетину горизонтальної УРП з вертикальним характерним перерізом будівлі, який проходить перпендикулярно до довжини ліхтарної надбудови, і розташована між точками, котрі є проекціями бокового огородження ліхтарних надбудов на горизонтальну УРП;

· при освітленні приміщень будівлі через систему шедових ліхтарів: ділянка горизонтальної УРП, яка розташована між точками, що є проекціями бокового огородження першого та другого шедових ліхтарів на горизонтальну УРП.

6. Удосконалено попередній розрахунок проектування освітлення будівель шляхом розробки аналітичних і графоаналітичних методів оптимального проектування верхнього, бокового і комбінованого освітлення приміщень виробничих і громадських будівель, які отримані на основі аналітичних розрахунків, що зменшить трудовитрати в 1,5-2 рази.

7. Розроблено рекомендації щодо проектування природного освітлення будівель, які дозволяють на попередньому етапі його проектування отримати раціональні параметри світлопрорізів при визначених світлотехнічних вимогах, а на наступних етапах проводити перевірні розрахунки освітлення у визначених точках і розрізах горизонтальної УРП. Впровадження цих положень у практику проектування при реконструкції покриття будівлі ремонтно-екіпірувального депо Харківської вагонної дільниці №1 (ВЧ-1) дозволить заощадити до 23,5% сезонної потреби тепла на її обігрів. Послідовність і порядок, які викладені у рекомендаціях, також зменшать загальну трудомісткість процесу проектування.

Список опублікованих праць за темою дисертації