CC BY
21УДК 514.18:628.921/922(083.75) Подгорный А.Л., д.т.н.,
Сергейчук О.В., д.т.н., Диб М.З., Шитюк В.П.1) Пугачев Е.В., д.т.н 2) Егорченков В.А., к.т.н.3)
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕНЕНИЯ № 2 ДБН В.2.5-28-2006 «ЕСТЕСТВЕННОЕ И ИСКУССТВЕННОЕ
ОСВЕЩЕНИЕ»
1) Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Украина
2) Национальный университет водного хозяйства и природопользования, Украина
3) Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Украина
Постановка проблемы. Определение оптимальной площади, формы и размещения светопроёмов, является очень важным вопросом при проектировании энергоэффективных зданий, поскольку они являются наиболее уязвимыми элементами теплоизоляционной оболочки. С точки зрения тепло- и звукоизоляции желательно иметь окна и фонари минимальной площади. Но с точки зрения экономии электрической энергии на искусственное освещение помещений желательны светопроёмы большой площади. Согласование этих противоречивых требований должны осуществлять нормы по освещению помещений. В Украине - это ДБН В.2.5-28-2006 [1]. Однако практика их применения показала, что они имеют ряд существенных недостатков, которые перешли из норм СССР [2] и действующих в некоторых странах СНГ межгосударственных строительных норм по естественному освещению [3]. В 2008 г. было принято Изменение № 1 этих норм [4], которое касалось лишь уточнения нормативных показателей освещённости основных помещений общественных, жилых и вспомогательных зданий. Это изменение не исправило ситуацию, а, наоборот, только усугубило её, так как принятые завышенные значения нормативных коэффициентов естественного освещения (КЕО) для ряда помещений не могли быть на практике достигнуты.
В связи с указанными обстоятельствами, в Минрегионе Украины было принято решение о разработке Изменения № 2 ДБН В.2.5-28 [5], которое вступило в действие с 1 сентября 2012 г. При работе над изменением возникла необходимость совершенствования геометрических основ расчёта и нормирования КЕО
Анализ основных исследований. В специальной литературе достаточно широко обсуждаются проблемы, связанные с проектированием, расчётом и нормированием естественного освещения. Обстоятельный
анализ развития архитектурной светологии в Украине и формулировка основных направлений последующих исследований в этой области сделаны в [6]. Этому вопросу посвящены также и другие работы, среди которых отметим [7-9]. Авторы этих работ едины в том, что нормы нуждаются в изменениях. Это касается как нормирования естественного освещения, так и методов его расчёта.
Постановка задачи. Обоснование необходимости и основные направления изменений ДБН В.2.5-28 были сформулированы в [10]. Однако при работе над окончательной редакцией Изменений № 2 эти направления были существенно уточнены и переработаны. Целью статьи является анализ геометрических задач, возникших в процессе работы.
Основная часть. Как известно, при нормировании КЕО влияние яркости неба, которая зависит от географической широты и ориентации окна, учитывается коэффициентом светового климата т^ [1]:
ек = ен • тм , С1)
где е^ - нормативное значение КЕО для рассматриваемого помещения при расчётных условиях, %; ен - нормативное значения КЕО для рассматриваемого типа помещения при стандартных условиях, %;
Этот коэффициент меньше для Одесской обл. и Крыма и больше для всей остальной территории Украины (влияние широты); меньше для южного окна и больше для северного (влияние ориентации). Влияние же разной яркости неба по вертикали учитывается в дальнейших расчётах коэффициентом ц. Поэтому, для светопроема, ориентированного на зенит, т^ нужно принимать как значение среднего т^ для вертикальных плоскостей (так это и было сделано в [2] ). В [1] значения т^ для зенитных фонарей приняты неправильно - они очень занижены, что приводит сейчас к переоценке их световой активности и, как следствие, необоснованному уменьшению площади зенитных фонарей в проектах (более чем на 10%).
Кроме того, учитывая что в идеале должно выполняться условие
ер = ек, (2)
где ер - расчётное значение КЕО от запроектированной системы светопроёмов, %, проектировщики автоматически принимают яркость неба для окна в качестве расчётной яркости для всех объектов, которые видны через это окно из помещения. Но, ведь, здание, которое затеняет окно, имеет другую, часто противоположную ориентацию и для него нужно брать другое значение т^.
Поэтому было решено перенести учёт влияния географической широты и ориентации из нормирования КЕО в его расчёт, сделав замену
1
т =--(3)
тм
и принимая соответствующие значения т отдельно для окна и фасада противоположного здания. Это упрощает и делает более логичным нормирование - есть табличные значения ен, которые зависят от характера зрительной работы в помещениях (физиологические требования) и должны
быть обеспечены в любых климатических условиях. А задача проектировщика - запроектировать так помещение, что бы эти условия выполнялись в конкретном светоклиматическом районе и при конкретной ориентации светопроёмов.
В этом случае формулы для расчета КЕО принимают вид а) при боковом освещении:
Е8 ибДт +Е8 зд,
1=1
]=1
к з
(4)
б) при верхнем освещении:
= [8в + 8ср (Г2кф - 1)]
К з
I 7
= Е8 нб ^т +Е8
I )=1
зд
Ят
J J
(5)
8 ср
N
Е8 в,-
i = 1
N
где 8нб., 8 зд. - геометрические КЕО в расчетной точке, учитывающие
'зд
соответственно прямой свет от ¿-го участка неба и свет, отраженный от _/-го фасада противостоящих зданий; qi - коэффициент, учитывающий неравномерную яркость ¿-го участка облачного неба; - коэффициент, учитывающий относительную яркость _/-го фасада противостоящих зданий; т, - коэффициенты светового климата соответственно расчетного светопроёма и _/-го фасада противостоящих зданий; I, 7 - соответственно количество отдельных расчетных участков неба и фасадов противостоящих зданий, наблюдаемых через светопроём из расчетной точки; г1, г2, -коэффициенты, учитывающие повышение КЕО за счет света, отраженного от внутренних поверхностей помещения; то - общий коэффициент светопропускания светопроёма; Кз - коэффициент запаса; Кф - коэффициент, учитывающий тип фонаря; N - количество расчётных точек по характерному разрезу помещения.
В отличие от методики [1], формула (5) позволяет учитывать затенение окружающими зданиями при светопроёмах верхнего света.
Одним из наиболее существенных недостатков [1] являлось необоснованное разделение территории Украины только на 2 светоклиматических района: один район включал Одесскую область и Крым, другой - всю остальную территорию Украины. Предложенное нами ранее светоклиматическое районирование территории Украины [11] было проведено на основе, имеющихся на то время климатических данных. С введением в действие [12] это районирование необходимо было уточнить.
т
0
е
г
е
8
в
В основу районирования было положено допущение о световом эквиваленте между значениями энергетической и световой освещенности, что практически всегда делается при светоклиматическом районирований в виду отсутствия измерений освещенности на метеорологических станциях и пунктах. Это позволило воспользоваться данными табл. 8 [12], в которой приводятся значения энергетической освещенности вертикальных и горизонтальной плоскостей при реальных условиях облачности в областных центрах Украины.
Светоклиматические районы определялись в зависимости от значений суммарной освещенности горизонтальной плоскости. Это позволило учесть влияние географической широты и облачности. Приняв значение коэффициента светового климата в Симферополе и Одессе тм = 1, были получены значения тм в других городах по формуле
Е(
= ' (6) свеще
2ч
7
где ЕО - суммарная энергетическая освещенность горизонтальной плоскости
в Симферополе и Одессе (Ео = 4472 МДж/м2); Е1 - суммарная энергетическая освещенность горизонтальной плоскости в 7-м городе.
Интерполяцией построена над территорией Украины поверхность значений тм и получены границы четырех светоклиматических районов (рис. 1). Границы районов проходят по изолиниям т = 1.08, 1.16, 1.24 (Эти значения делят на равные части отрезок между максимальным и минимальным тм). Для удобства проектантов и контролирующих органов, в окончательном варианте, границы светоклиматических районов совмещены с административными границами областей Украины. При этом принято, что область относится к тому району, в котором находится большая ее площадь (рис. 2).
При определении влияния ориентации светопроёмов использовались уже значения энергетической освещенности вертикальных плоскостей только рассеянным светом, так как при расчете КЕО не учитывается прямой солнечный свет.
По требованию гигиенистов, было принято в качестве исходного значение коэффициента светового климата для окна южной ориентации в IV районе тмюг IV = 0,75. Значения тмюг 7 для окон в вертикальных стенах
южной ориентации в других районах получены по формуле
т7
тм . = тм --—, (7)
м юг, 7 м юг, IV гы
т IV
где 7 - номер района;
При этом значения тм . . для светопроемов в разных районах
],7
получены по формуле
Е
юг, 1
mN = mN .--^, (8)
л ], 1 л юг, 1 Е
],1
где ] - ориентация окна.
Е - суммарная энергетическая освещенность соответствующей плоскости
Рис. 1 . Поверхность mN
т = 129 т = 120 т = 111 т = 102 NI 1.29, NII Ь2°, NIII 1.11, NIV 1.02
Для зенитных фонарей значение
. являются
^ з, 7
средними
значениями mN.. 7 в соответствующих районах.
Значение коэффициента светового климата т при переносе его из нормирования в расчет получено по формуле (3) и представлено в табл. 1.
Табл. 1. Значение т
Св^ло-клшатичнии район (рис. 2) Значения коефщенту сводового ^мату т для свiтлопрорiзiв
вертикальних орieнтованих на зешт
Пн ПнС С ПдС Пд ПдЗ З ПнЗ
I 0,95 0,98 1,02 1,04 1,05 1,04 1,02 0,98 1,01
II 1,00 1,04 1,09 1,11 1,12 1,12 1,10 1,04 1,08
III 1,06 1,11 1,18 1,22 1,24 1,22 1,19 1,12 1,16
IV 1,15 1,21 1,29 1,32 1,33 1,32 1,30 1,22 1,27
Ещё одним существенным недостатком нормативной методики расчёта КЕО был некорректный учёт относительной яркости противоположного здания, дающий приемлемое решение только для противоположного здания расположенного параллельно фасаду рассчитываемого здания.
В основу разработанной в Изменении № 2 методики расчёта относительной яркости противоположного здания был положен метод, предложенный в [13] и адаптированный для использования привычного для проектантов инструментария. Считается, что противоположное здание освещается только светом неба (без учёта света, отраженного от земной поверхности и фасадов соседних зданий). Тогда, в случае, когда есть только 2 здания - в котором рассчитывается освещенность и противоположное, значение относительной освещенности Еф участка фасада противоположного здания, видимого из расчётной точки (РТ) будет
9 г Еф — —
'ф
7
V
п 4
—+ —
6 9
100
41п ,
(9)
где 8пр - геометрический КЕО центра тяжести участка фасада противостоящего здания, наблюдаемого из РТ через светопроём, от части неба, затеняемой зданием, в котором рассчитывается освещенность; д -относительная яркость части неба, от которой рассчитывается епр ;
Согласно закону Ламберта, яркость участка противоположного здания равна
Я
Еф р ф
п
где рф - средневзвешенный коэффициент светоотражения участка фасада противостоящего здания, видимого из расчетной точки.
После подстановки (9) в (10) и упрощения формула (10) принимает
вид
Я = (0,396 - 0,018^)рф. (11)
Геометрический КЕО 8пр может быть определён по формуле
впр = 0,01«1// пЦ
(12)
ТТ1ЛТ1 ГГ/ЛЛ «УЛТТТТ! ГЧЛ О <4\ТТТ/*/ЛТ» } I о
Разрез 1-1
-2
> 11 г
л
Противостоящее здание
План
Здание, в котором рассчитывается КЕО
Рис. 3. Определение количества лучей п1 и п2 для расчёта относительной
яркости противостоящего здания
Для случая, когда фасад противостоящего дома затеняется не только зданием, в котором рассчитывается освещенность, но и другими домами, коэффициент Я следует определять по формуле
( к
Я —
0,396 - 0,012£пр д Рф , (13)
к—1 у
где К - количество зданий, затеняющих фасад противостоящего здания.
Кроме рассмотренных вопросов, Изменения № 2 содержат другие важные положения, среди которых отметим следующие:
• уточнено нормирование КЕО в помещениях, имеющих несколько светопроёмов разной ориентации;
• уточнено нормирование КПО при наклонных светопроёмах;
• усовершенствован расчёт коэффициента светопропускания светопроёмов;
• увязаны вопросы нормирования и расчета естественного освещения с инсоляцией и солнцезащитой помещений;
• узаконены возможности применения для естественного освещения специальных отражающих систем и полых световодов.
Выводы и перспективы дальнейших исследований. Введение в действие Изменения № 2 ДБН В.2.5-28-2006, частично исправляет принятую методику нормирования и расчета естественного освещения, но не кардинально решает проблему оптимального проектирования светопроемов для освещения помещений в энергоэффективных зданиях.
Наиболее универсальным критерием оценки естественного и совмещенного освещения является комплекс количественных и качественных характеристик, которые включают сферическую освещенность, световой вектор и контрастность освещения [6,7]. Изменение критериев нормирования естественного освещения нуждается в определении их необходимых значений и полной замены нормативной методики расчета. Это требует дальнейших исследований, в том числе и геометрического плана.
Литература:
1. Природне { штучне освгглення : ДБН В.2.5-28-2006. [Чинш з 200610-01] / Держбуд Украши. - К. : Укрархбудшформ, 2006. - 76 с. -(Державш буд1вельш норми Украши).
2. Естественное и искусственное освещение : СНиП П-4-79. [Утверждены постановлением Госстроя СССР от 27 июня 1979 г. № 100] / Госстрой СССР. - М. : Стройиздат, 1980. - 48 с. - (Строительные нормы и правила СССР).
3. Естественное и искусственное освещение : МСН 2.04-05-95. [Приняты МНТКС 19 апреля 1995 г.] / Минстрой России. — М. : МНТКС, 1995. - 98 с. - (Межгосударственные строительные нормы).
4. Природне { штучне освгглення : ДБН В.2.5-28-2006. Змша № 1 [Чинш з 2008-10-01] / Мшрегюнбуд Украши. — К. : Укрархбудшформ,
2008. - 12 с. - (Державш будiвельнi норми Укра!ни).
5. Природне i штучне освгтлення : ДБН В.2.5-28-2006. Змша № 2 [Чиннi з 2012-09-01] / Мшрегюн Укра!ни. - К. : Укрархбудшформ, 2012. - 32 с. -(Державш будiвельнi норми Украши).
6. Пугачов С. В. Розвиток арх^ектурно! свгтлологп в Укра!ш / G. В. Пугачов // Вюник Нац. ун-ту водн. госп. - Рiвне : НУВГ, 2007. - Вип. 4(40). -С. 319-325.
7. Сгорченков В. О. Нормування освгтлення у виробничих спорудах / В. О. Сгорченков. // Будiвництво Украши. - 1993.- № 1 - С. 40-41.
8. Сергейчук О. В. Деяк геометричш питання розрахунку природного освплення примiщень за нормативною методикою / О. В. Сергейчук // Вюник нащонального ушверситету "Львiвська пол^ехшка" - Львiв : Львiвська полiтехнiка, 2004. - № 505. - с. 453-456.
9. Бахарев Д. В. О результатах теоретического анализа эмпирической методики расчета естественного освещения методами компьютерного моделирования / Д. В. Бахарев, И. А. Зимнович, М. А. Зимнович // Прикл. геоме^я та шж. графша : мiжвiд. наук.-техн. зб. - К.: КНУБА, 2009. - Вип. 82. - С. 268-273.
10. Сергейчук О. В. Геометричш питання удосконалення нормативно! методики розрахунку природного освгтлення примщень / О. В. Сергейчук // Науковi нотатки. Мiжвузiвський збiрник (за напрямом "шженерна мехашка") - вип. № 22. Сучасш проблеми геом. моделювання. - Частина 1. - Луцьк: ЛДТУ - 2008. - С. 308-313.
11. Сгорченков В. О. Свгтловий кшмат Украши / В. О. Сгорченков. // Будiвництво Украши. - 2005. - № 2 - С. 21-23.
12. Будiвельна кшматолопя : ДСТУ-Н Б В.1.1 - 27:2010 [Чинний з 201111-01] / Мшрегюнбуд Украши. - К. : Укрархбудшформ, 2011. - 112 с. -(Державний стандарт Украши).
13. Пугачов С. В. Метод наближеного розрахунку свгтла, вщбитого фасадом в примщення / С. В. Пугачов // Прикл. геометрiя та шж. графжа : мiжвiд. наук.-техн. зб. - К. : КНУБА, 2009. - Вип.82. - с. 42-46.
ГЕОМЕТРИЧН1 ОСНОВИ ЗМ1НИ № 2 ДБН В.2.5-28-2006 «ПРИРОДНЕ I ШТУЧНЕ ОСВГГЛЕННЯ»
Анотащя. Обгрунтовуються та аналiзуються запропонованi змiни укра!нських будавельних норм з природного освiтлення з точки зору використання методiв прикладно! геометрп.
GEOMETRIC BASICS OF CHANGES № 2 IN THE DBN V.2.5-28-2006 "NATURAL AND ARTIFICIAL LIGHTING"
Abstract. This article justified and analyzed the proposed changes in the Ukrainian building regulations for natural light from the position of the use methods applied geometry.
