CC BY
46
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОВОЙ СРЕДЫ ТОРГОВЫХ ЗДАНИЙ
EXPERIMENTAL RESEARCH INTO QUALITY CHARACTERISTICS OF LIGHTING ENVIRONMENT IN SALES
BUILDINGS
A.C. Оншина A. Onshina
ГОУ ВПО МГТУ им. Г.И. Носова
По результатам комплексного исследования световой среды торговых залов разработана методика расчета цилиндрической освещенности, учитывающая планировочные параметры помещения, противостоящую застройку и торговое оборудование.
An integrated research into lighting environment results in the methods of calculating cylindrical lighting, with regard to the planning parameters, facing buildings and sales equipment.
Разработка рекомендаций по совершенствованию систем естественного освещения торговых зданий актуальна в связи с потребностью в экономии энергоресурсов. Чтобы повысить эффективность объемно-планировочных решений торговых пространств и правильно назначать размеры светопроемов, следует, в первую очередь, использовать адекватные критерии оценки качества световой среды. Применяемый метод анализа естественного освещения по величине КЕО (коэффициент естественного освещения) не является оптимальным для данных зрительных задач. В качестве оценочной характеристики световой среды торговых залов самообслуживания была теоретически обоснована цилиндрическая освещенность (Ец) [2].
В натурных условиях был проведен психофизический эксперимент с целью подтверждения эффективности использования данного показателя и определения диапазона требуемых значений. Результаты эксперимента - это частоты заключений, с которыми наблюдатели выбирали отдельные категории оценочной шкалы. Графическое представление всех положительных субъективных оценок и фотометрических измерений, показывает, что между горизонтальной освещенностью и процентом наблюдателей, признающих, что помещение достаточно комфортно для выполнения данной зрительной работы отсутствует закономерность. Тогда как между ощущением комфортности световой среды торговых залов самообслуживания и уровнем Ец наблюдается корреляция. Использование вероятностных методов на основе субъективных массовых оценок позволило установить, что значение 165-170 лк устроит 70% покупателей как явно достаточный уровень и 30% как удовлетворительный. Это значение принято за минимальный рекомендуемый уровень Ец.
Поскольку при столь распространенной боковой схеме естественного освещения торговых предприятий создание равномерного распределения яркости практически невозможно, ставилась также задача изучить влияние неравномерности освещения на
общую оценку качества световой среды. В качестве дополнительного критерия, характеризующего степень комфортности световой среды торговых залов, предложен коэффициент неравномерности распределения цилиндрической освещенности. Сопоставление значений коэффициента, который представляет собой отношение минимального значения Ец к максимальному, с ответами большинства респондентов на вопрос анкеты об общей оценке качества световой среды отдельных магазинов, позволило выявить его приемлемые значения (более 0,46).
С целью разработки методики расчета цилиндрической освещенности в торговых залах, которая бы учитывала многие значимые параметры, было проведено комплексное экспериментальное исследование с использованием моделей торгового зала и экранирующей застройки.
Режим естественного освещения помещений зависит, прежде всего, от наружной освещенности. Метод расчета и проектирования естественного освещения может быть основан на допущении о пасмурном небе, стандартизированном Международной Комиссией по освещению (МКО). Поэтому основным условием проведения всех экспериментов являлась равномерная облачность (8-10 баллов). Все серии макетных экспериментов проводились на открытой площадке при контроле внешней освещенности в диапазоне 7500-8500 лк.
Основные этапы исследования и соответствующие им изучаемые факторы представлены на рисунке 1.
ЗВИ I- Нзшжве ¡ТПШ^ОБОЧЛК: парэмтрС'В трнпяпчп зятя ня щр.тгк™ Р..
ягсот-э ш о ттс о сто як е н згст5о:Ъп1, Н
урщт? нное та п]»ттаостлщ*й астрой КИ, ^
а
ПЬдепь ОЕречелвнич кор]ж ¡вшрующня ИНЧШН^ЬиЯМ учКГЫКЮЩЙЛ ЖГЛНВТрЬ! пропоогтояце;! застозйки
прив м ¡расстановки обо-рртюваквя, т
ИО 5 Ф Ф 11X1.1« НТ
уСТМ К - а О *то и ппощаяк.
С
й.'В
У в
¡1 Р-
ПР-П^ ГГТ ГАТ^ ЕЗО^КТНр^КИШС М05ф|)]Щ;|В ИТОВ,
^шашяллшл лши^ие ирсшою оЬйртдэктол
№ тидпш рии ле 1а ЦКЧИЛИЙ жчв 1ший ОСКЕ^МОСТИг ТИПОВЫХ ЗЩШ
Рис.1. Этапы комплексного исследования световой среды торговых залов
Исследования построены на основе планирования эксперимента в соответствии с полным факторным планом. Последовательно были проведены три эксперимента, связанные одной функцией отклика - Ец и общим фактором - высотой ленточного свето-проема, что позволило при реализации малого числа опытов учесть 7 факторов. Для определения интервалов варьирования были определены верхний и нижний уровень каждого из них.
Применяя известные принципы физического моделирования, была создана макетная установка, представляющая собой уменьшенную в 10 раз сборно-разборную модель торгового зала. Для определения параметров макета, кроме нормативно-технической документации, было исследовано 35 различных магазинов самообслуживания г.Магнитогорска. В большинстве случаев, несмотря на расположение (в отдельных зданиях, в пристроенных или во встроено-пристроенных объемах), они представляют собой торговые залы с односторонней боковой схемой естественного освещения, протяженной стороной ориентированные на магистраль.
Глубина залов начинается от 9м и крайне редко превышает 30м (самые распространенные сетки опор - 6x6 и 6x9). В исследовательских целях интерес представляют размеры залов до 24 м в глубину. Зачастую проектная высота отличается от фактической из-за наличия подвесного потолка. В связи с этим в модели отсутствует надоконное пространство. За минимальное значение высоты помещения при моделировании принято 2,7 м, за максимальное значение - 4,0 м. Выбор последних значений связан со статистическими данными и нормативными показателями разных лет.
Размер ленточного светопроема и место его расположения зависят от высоты потолка и высоты используемого пристенного оборудования. В 90 % случаев ширина полоски открытого светопроема зависит от верхнего уровня имеющегося пристенного торгового оборудования, высота которого составляет в среднем 2,0 м.
Судить о распределении цилиндрической освещенности в глубину следует по характерному разрезу помещения, который проходит по прямой, перпендикулярной плоскости окна через его центр. Однако встает вопрос о значении ширины физической модели. Для изучения влияния ширины торгового зала был проведен уточняющий эксперимент и при большом и при малом окне, который позволил исключить данный фактор как незначимый и принять для исследовательских целей относительно небольшую ширину макета. Характер распределения и значения цилиндрической освещенности по глубине в широкой модели 2,4 м практически совпадает с полученным для ширины 1,2 м. При оценке распределения Ец по ширине отклонения от центральной точки в средней части малозаметны и проявляются при приближении к стене. Расхождения находятся в пределах 8 %, что соизмеримо с погрешностью эксперимента.
Все поверхности интерьера макета были оклеены и окрашены так, чтобы коэффициенты отражения полностью соответствовали средним выявленным значениям в реальных магазинах (пол - 50%, потолок - 84%, стены - 80%).
Для измерений в качестве датчика использовался куб с селеновыми фотоэлементами, заключенными в оправу, включающую светофильтры для исправления спектральной чувствительности. Светофильтры были составлены из стекол ЗС8 и ЖЗС18, одновременное использование которых хорошо коррегирует чувствительность селеновых фотоэлементов, приближая ее к чувствительности зрительного анализатора человека [6]. Насадка позволяет в заданных взаимноперпендикулярных плоскостях исследуемого пространства производить измерения вертикальных освещенностей, а величина цилиндрической освещенности определялась их средним значением по стандартной методике [1].
Фотодатчик подключался к измерительному прибору, в качестве которого использовался измерительный преобразователь напряжения (модель E14-140D фирмы L-card), приемлемому, в том числе, и для измерения фототока. Замеры цилиндрической освещенности проводились в пяти точках на высоте 15 см от пола макета, что соответствует 1,5м - нормальному уровню расположения линии взора. Из-за наличия пристенного торгового оборудования крайние контрольные точки назначены не на 1м, а на 1,5 м от стен.
С использованием программы Power Graph 3.0 фиксировались измерения по отдельным граням. После получения тарировочных уравнений программа была настроена таким образом, что выдавала значения вертикальных освещенностей в люксах.
Созданный макет и измерительный комплекс были использованы не только для изучения влияния планировочных параметров торгового зала на распределение цилиндрической освещенности по глубине, но и для определения влияния на Ец противостоящей застройки и внутреннего наполнения торговым оборудованием.
Магазины размещают вдоль путей интенсивного движения населения - на трассах людского и транспортного потока, то есть на магистральных улицах и дорогах с регулируемым движением. Ширина улиц и дорог в красных линиях принимается: магистральных дорог - 50-75м; магистральных улиц - 40-80м; улиц и дорог местного значения - 15-25м [3]. С учетом данных нормативов и наличия отступов от красных линий, а также статистического анализа был выбран диапазон удаленности торговых зданий от параллельной противостоящей застройки 25-75м.
Высота противостоящих зданий определяется их этажностью, в основном улицы магистрального значения застроены зданиями средней этажности (3-5 этажей) и многоэтажными (более 6 этажей). Наиболее характерными оказались пяти- и девятиэтажные здания. В качестве минимума и максимума принято 15м и 30м (рисунок 2).
к
Р- ?5л1
Рис.2. Схема параметров противостоящей застройки
Учитывая известные данные о средневзвешенных коэффициентах отражения фасадов зданий с учетом площади остекления [4], принят средний коэффициент отражения фасадов противостоящих зданий равным 0,35. Для имитации противостоящей застройки выбраны линейно вытянутые объекты - протяженный склад и железобетонный забор, которые располагаются на асфальтовом покрытии. Принято допущение, что застройка сплошная, без разрывов.
В торговых залах самообслуживания превалирует линейная, вытянутая в плане расстановка оборудования. Существует два принципиальных приема расстановки -продольный и поперечный (относительно окна). Для наполнения макета использовались упаковки различных расцветок - из них сделаны образцы, соответствующие размерам торгового оборудования. Диапазоны ширины проходов приняты в соответствии с нормами 1,4- 2,00 м [5].
Для оценки рациональности планировки торгового зала используется коэффициент установочной площади Ку, который представляет собой отношение площади, занимаемой оборудованием, к общей площади. При подсчете Ку использовались фиксированные размеры оборудования шириной 1,2 м (рисунок 3). При условии равномерности расстановки проход 1,4 м соответствует 0,85, а проход 2м - Ку—0,6.
Рис.3. Схема определения коэффициентов установочной площади
По показаниям измерительного комплекса были построены графики распределения вертикальных и цилиндрических освещенностей по глубине торгового зала в зависимости от исследуемых факторов. Примеры полученных кривых для конкретного случая (все факторы зафиксированы на значении максимума) представлены на рисунках 4 и 5.
Полученные кривые Ец были аппроксимированы экспоненциальной зависимостью. Однако при высоком помещении и малом окне, расположенном в верхней части стены, в подоконной зоне на относительно незначительном удалении от окна проявляется затенение. В данных случаях в начальной части графика аппроксимация по экспоненциальной зависимости некорректна. Тем не менее, значения Ец находятся в этой зоне на достаточно высоком уровне. При аппроксимации распределения Ец в глубоком зале исключили первую точку, что не оказало существенного влияния на общую картину результатов эксперимента. При неглубоком варианте размер зоны затенения выражен значительнее, но аппроксимированная по экспоненциальной зависимости кривая вполне соответствует усредненным значениям.
Рэсотояниё о: (кна, и
■ «покован грань —•— не; а я грань
■ правая фачь - зааная грлнь
Рис. 4. Распределение вертикальных освещенностей по глубине торгового зала при максимальном значении всех факторов (окно+ высота + глубина +)
слгр - учтыкает п ротче о стол щую застрой рсу
ёц.еЯор - учтыьаегт-тюргоюе оборудре ание (лг +,■ Ку
Рис. 5. Распределение цилиндрической освещенности по глубине торгового зала
(окно+ высота + глубина +)
Уравнения регрессии, полученные в результате экспериментов, имеют следующий вид: -в—
Ец = А • е 1 , (1)
где А и В - значения коэффициентов, учитывающих планировочные параметры торгового зала и размеры ленточного светопроема: А = 1889,2 + 886,6-х; - 407,6-х2 - 141,1-хг х2 - 93,1-х; -х3+ +186,5-х2 х3 + 94,1-х1-х2-х3, ,
В = 1,945 + 0,203-х;- 0,55-х2 + 1,108-х3 - 0,045-Х1 -х3 + 0,066-хгх2-х3, I - расстояние от окна, м. При кодированных значениях факторов:
(2) (3)
X, -1,3
X2 - 3,35
X3 -16,5 7,5 '
0,5 2 0,65 ' 3
где Х1= к0 - высота окна, м
Х2= к3 - высота торгового зала, м Х3= Ь - глубина зала, м.
При наличии противостоящей застройки следует воспользоваться полученными корректирующими коэффициентами:
~кы В—
Е = к, • А ■ е Ь,
ц.застр а1 '
где кВ1= (81,01- 3,79-Х2 + 7,24-х^ -10"2,
кЬ1= (120,19 - 2,08-х1 - 1,79-х2 + 1,49-х3+9,27-х2 ■х3-2,09-х1-х2-х3) -10"2. При кодированных значениях факторов:
(4)
(5)
(6)
_ X, -1,3 _ X3 - 50 _ X2 - 22,5
— , Хз — , Хт —-.
1 0,5 3 25 2 7,5 '
где Х1= к0 - высота окна, м
Х2= Н - высота противостоящей застройки, м Х3= Р - удаленность противостоящей застройки, м.
Чтобы учесть затенение от торгового оборудования, следует скорректировать полученные в основной модели коэффициенты с помощью формулы:
-кь 2-в—
Еч.обор = К2 • А ■ е 1, (7)
где ка2= (94,89- 2,91-х; -21,58 -х2 + 2,99-х3) -10"2, (8)
кь2= (137,58 - 1,42-х; +2,7-х2 + 4,59-х3-3,23-хгх2- 1,35-х1-х2-х3) -10"2. (9)
При кодированных значениях факторов:
Х3 - 0,725 х, -1,3
х3 -, ж, =—i-—
3 0,125 1 0,5
где X¡= h0 - высота окна, м
Х2 = m - прием расстановки оборудования (m = +1 вдоль, m = - 1 поперек) Х3= Ку - коэффициент установочной площади.
Погрешность эксперимента определялась многократным дублированием одного опыта, по которому найдена дисперсия. Стандартное среднеквадратичное отклонение измерений не превышало 10%. Адекватность полученных моделей после исключения незначимых коэффициентов регрессии подтверждена критерием Фишера при пятипроцентном уровне значимости. Сопоставление с натурными измерениями в действующих торговых залах доказывает, что модели, полученные эмпирическим способом, пригодны для расчета Ец в реальных торговых зданиях с односторонней боковой системой естественного освещения.
Сравнение расчетных данных, полученных с помощью предложенной методики, с установленными для торговых залов самообслуживания значениями комфортности цилиндрической освещенности, а также коэффициента неравномерности ее распределения, позволяет выделить зону с достаточным естественным освещением и оценить качество световой среды торговых пространств.
Литература:
1. ГОСТ 24940-96. Здания и сооружения. Методы измерения освещенности. - М.: МНТКС, 1997. - 28с.
2. Оншина A.C. Оценка световой среды торговых залов по пространственным характеристикам //Academia. Архитектура и строительство. - 2010.- №3.- С. 91-94
3. СНиП 2.07.01-89*. Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений. - М.: ФГУП ЦПП, 2007.-56с.
4. СП 23-102-2003. Естественное освещение жилых и общественных зданий. - М.:, 2005.-81с.
5.ТСН 31-329-2004. Предприятия розничной торговли. Нормы проектирования Ивановской области.
3/2011_МГСу ТНИК
6. Чикота С.И. Совершенствование естественного освещения зданий горячих цехов металлургических предприятий (на примере листопрокатных цехов): Дис....канд.техн.наук.- М.:. 1985.- 220с.
Literature:
1.GOST 24940-96. Buildings and structures. Methods for mearsuring the illuminance. - M.:, 1997. - 28p.
2. Onshina A.S. Evaluation of light environment in sales area according to spatial characteristics // Academia. Architecture and building .-2010. -№3.- P. 91-94
3. SNiP 2.07.01-89*. Urban planning. Planning and development of urban and village settlings. -M.:, 2007.-56p.
4. Set of rules 23-102-2003. Natural lighting of residential and public buildings. - M.:, 2005.-
81p.
5. Regional construction norms 31-329-2004. Retailing companies. Design norms in Ivanovo region.
6. Chicota S.I. Improving the systems of buildings forming hot shops at steel plants (with the reference to rolling shops): Theses... Cand. Sc. - M.:, 1985.- 220p.
Ключевые слова: естественное освещение, макет, методика расчета, световая среда, торговый зал, цилиндрическая освещенность, фотометрический эксперимент, фотодатчик.
Key words: daylighting, mockup, calculating methods, light environment, sales area, cylindrical lighting, photometric experiment, light detector.
E-mail автора: samsakova@bk.ru
Рецензент: Наркевич Михаил Юрьевич, кандидат .технических наук, эксперт ООО Научно-производственного объединения «Надежность» (г. Магнитогорск).
