CC BY
11
Проф. М. Л. КОШКИН и арх. Н. Н; ФИНОГЕНОВ (Харьков)
Коэфициент естественного освещения как метод характеристики освещенности жилого
помещения1
Из Украинского центрального института коммунальной гигиены (дир.—заслуж. деятель науки проф. А. Н. Марзеев)
Естественное освещение жилищ мало изучено. Buning связывает это с тем, что к дневному свету относятся как к дешевому и даже даровому. В действительности же дневной свет далеко не дешевый, особенно при нынешних нормах планировки городов и строительства жилищ (Гершун, Покровский и Пашкова и др.). Независимо от экономической стороны вопроса необходимость изучения естественного света, значение которого как фактора общебиологического действия получило полное признание, является в настоящее время бесспорной (Finsen, Rollier,. Huldschinsky, Hasser und Wohle, Углов, Kollath, Ellinger, Nischida, Plotnikow, Hess и др.).
Основной вопрос для гигиениста при изучении естественного света—это биологическое его действие в широком смысле слова. Предпринимая настоящую работу, мы и ставили перед собой эту задачу; при этом мы имели в виду изучить не только положительные свойства дневного света, но и отрицательные, с тем чтобы можно было поставить вопрос о кондиционировании проникающего в помещение естественного света путем устранения его отрицательных свойств и дополнения искусственным путем недостающих полезных свойств.
Предварительно мы сочли необходимым изучить интенсивность освещенности и ее распределение в помещении.
Большинство исследователей стремилось определить различные относительные значения естественного света помещений (Cohn, Weber, Gottschlich, Wingen, Korff—Petersen, Фрюлинг и др.), значительно реже—абсолютные его значения.
При изучении дневного света необходимо учесть многочисленные и самые разнообразные факторы (Калитин, Зеленков, Галанин, Данциг, Дорно, Гершун, Болдырев, Gamble, Фрюлинг, Дмитриев и др.). Относительными значениями, благодаря их большой простоте, пользуются для светотехнических расчетов естественного освещения помещения. Однако даже самые универсальные из относительных методов не характеризуют в полной мере естественную освещенность внутри помещений. Наиболее распространенный метод относительного учета—коэфициент естественного освещения (Weber) также далек от совершенства (Вейнберг и Гершун). Ввиду того, однако, что КЕО (отношение освещенности в горизонтальной плоскости в данной точке внутри помещения к освещенности рассеянным светом под открытым на 180° небом) очень заманчив по своей простоте, особенно сейчас, когда Данилюком предложен простой и удобный метод расчета его,—-мы попытались выяснить возможность использования этого метода для наших целей.
Исследования проводились в жилых помещениях. В одном доме были взяты две противолежащие комнаты на пятом этаже; комната 1 обращена на северо-запад с открытым горизонтом, комната 2—на юго-восток, причем горизонт перед ней закрыт противолежащим
1 Статья является частью работы «Световой режим жилых помещений и его био логическая характеристика»
пятиэтажным зданием, находящимся на расстоянии 30 м (угол, под которым виден небосвод из комнаты 2 в точке у окна, составляет 65°, в точке у стены против окна—8,5°). Длинная ось здания отклонена от меридиана северным концом к востоку на 39,4°. Обе комнаты имеют по одному окну со световым коэфициентом (отношение площади окна к площади пола) для комнаты 1 — 1 :7, для комнаты 2 — 1:5; размеры комнат и их взаимное расположение показаны на рис. 1. Стены и потолки обеих комнат выбелены.
В другом доме также были взяты две противолежащие комнаты на втором этаже: комната 5 обращена на северо-восток, комната 4 — на юго-юго-запад. Ось здания отклонена от меридиана северным концом на восток на 23°. Горизонт перед комнатой 3 открыт, перед комнатой 4 закрыт двухэтажным зданием, расположенным на расстоянии 30 м (угол, под которым виден небосвод из комнаты 4 в точке у окна, составляет 69°, в точке у стены против окна—11,5°).
Обе комнаты имеют по одному световому проему и выбелены. Световой коэфи-циент в комнате 3—1 :3,5, в комнате 4—1 :6. Размеры комнаты 3—2,1 мХ6 м, комнаты 4—3,3 мХб м.
Рис. 1. План и вертикальный раз- Рис. 2. КЕО в комнате 3,
рез опытных комнат обращенной на северо-
северо-восток
Систематические измерения освещенности производились двумя объективными фотометрами с селеновыми фотоэлементами ЛЭТИ. Кроме того, освещенность измерялась при помощи люксметров Бехштейна т ГОИ. Ввиду того что фотоэлементы не подчиняются закону косинуса угла падения 'лучей, была введена соответствующая поправка для устранения возможных ошибок.
Все измерения в .помещениях производились в горизонтальной плоскости на высоте стола (90 ■ем).
Мы изучали как общий -световой поток, так и отраженный от стен и потолка. Для измерения отраженного света нами сконструирован прибор, Состоящий из селенового фотоэлемента, объектива и щитов различной величины, при помощи которых исключался поток прямого света
Световые измерения производились в разных точках помещения По продольным линиям (перпендикулярным к стене со световым проемом) и по Нопереч' ным (параллельным стене со- световым проемом). Продольную линию, проходящую в рабочей плоскости через вертикальную ось симметрии светового проема, мы в дальнейшем будем называть главной световой линией, остальные продольные линии — боковыми. Во всех помещениях мы производили измерения по главной световой линии и на разных расстояниях от нее — по боковым; по поперечным линиям измерения делались у окна и на расстоянии 1—6 м от него через каждый метр.
Разрез по аЬ
1 Прибор и методика работы с ним будут описаны, в отдельном сообщений.
КЕО определялся .расчетным путем по ДанилюКу без учета отраженного света. Наряду с этим измерялся фактический КЕО с учетом отраженного света. Измерения производились также во время попадания солнечных лучей в (Помещение, однако случаи попадания солнечных лучей на фотоэлемент исключались.
На рис. 2 приведено распределение КЕО в комнате, 3 и показано его уменьшение по мере удаления от окна по главной и боковым линиям. В каждой точке на этом рисунке проставлены КЕО расчетный (над чертой) и фактический (под чертой). Приведенные данные говорят о том, что фактический КЕО значительно выше расчетного, а в удаленных от окна точках превышает его в 4—5 раз К Щодро отмечает, что чем дальше от светопроема, тем больше расхождение КЕО расчетного с фактическим. Такое резкое расхождение связано с преобладающим значением отраженного света в последних точках. Аналогичные данные получены по главной световой линии комнат 1 и 2.
Для' выяснения количественных значений отраженного света внутри помещений мы поставили ряд опытов. Прежде всего мы изучили распределение отраженного света на различных расстояниях от окна по главной световой линии. В неодинаковых по величине и ориентации помещениях с разными световыми коэфициентами (от 1 :3,5 до 1 :17) и шириной от 2,2 до 4 м мы имели значительные колебания в отношении отраженного света. После многократных определений мы выяснили пределы колебания отраженного света для жилого помещения с наиболее типичными признаками.
Колебания отраженного света по главной световой линии для жилого помещения современного типа с выбеленными стенами и потолком и одним симметрично расположенным относительно боковых стен окном при световом коэфициенте от 1 :б до 1 :9 (ширина помещения—от 3 до 4 м и глубина—не более 6 м) характеризуются следующими цифрами.
Расстояние от светопроема в м . . . 1 2 3 4 5 6 Отношение отраженного света к общему в % 10—26 20-34 32-45 50—62 61—74 71-85
о
При световом коэфициенте, больше чем 1 :6, процентное отношение отраженного света увеличивалось; при световом коэфициенте, меньше чем 1 :9,—уменьшалось. В табл. 1 приведены данные об отраженном свете по главной световой линии в комнате 4 (световой проем изменялся искусственно).
Таблица 1. Соотношение между общим и отраженным светом в комнате 4
Расстоя- Световой коэфициент 1 : 6 Световой коэфициент 1 :9
ние от общая осве- общая осве- % отра-
оконного отражен- % отражен- отражен-
проема щенность ный свет щенность ный свет женного
в м в люксах в люксах ного света в люксах в люксах света
1 155 26 16,6 90 10 11,1
2 76 21 27,6 48 10 20,9
3 49 21 42,9 21 8 38,1
4 24 ' 16 66,6 13 8 61,5
5 14 10 71,4 9 6 66,6
6 14 12 85,0 9 7 77,7
Большое влияние в условиях наших опытов на процентное отношение отраженного света к общему имела ширина помещения; при ширине его, меньшей 3 м, процентное отношение отраженного света увеличивалось, при ширине, большей 4 м,—уменьшалось сравнительно с приведенными выше величинами.
1 Следует иметь в виду, что расчет по Данилюку дает для точек, близких к окну, преувеличенные значения прямого света, потому что не учитывает углового смещения переплетов оконных рам (Пархоменко, неопубликов. Материалы).
Выяснив изменения отраженного света по главной световой линии, мы стали изучать его по боковым. Если взять поперечную линию и исследовать по ней отраженный свет, то оказывается, что величина отражения света в абсолютном значении по всей ширине комнаты на этой линии мало изменяется; процентное отношение отраженного света к общей освещенности при этом, разумеется, значительно меняется, так как интенсивность прямого света падает от главной световой линии к боковым, абсолютное же значение отраженного света колеблется в небольших пределах.
В наших измерениях отмечалась тенденция к увеличению абсолютной величины отраженного света по мере приближения к боковым стенам и некоторое увеличение у стены против окна. Однако
Рис. 3. Распределение общего (сплошная линия) и отраженного (пунктир) света в люксах по поперечным линиям в комнате 3 при световом коэ-фицпенте 1 : 5 (ясный день)
I
Рис. 4. Распределение общего (сплошная линия) и отраженного (пунктир) света в люксах по поперечным линиям в комнате 4 при световом коэфи-циенте 1 :9 (пасмурный день)
это увеличение в наших опытах не превышало 8—10% по отношению к величине отраженного света в той же точке; к общей же освещенности это в среднем составляло 5—6%. По главной световой линии, напротив, отмечались меньшие величины отраженного света сравнительно с точками, расположенными по той же поперечной линии. Самое значительное уменьшение не превышало 14% по отношению к величине отраженного света в данной точке; к общей освещенности это составило в среднем 5—7%. Отмеченные отклонения величины отраженного света у боковых стен и по главной световой линии проявлялись в большей степени в точках, близких к окну (1—2 м).
На рис. 3 и 4 показано распределение .отраженного света по поперечным линиям комнат 3 и 4, подтверждающее наши наблюдения; имеются отдельные случаи отклонений, однако общий характер не нарушается.
Произведенные количественные исследования отраженного света внутри помещений показали, что удельный вгс его в общей осве-
щенности помещения весьма велик и что расчетный КЕО без учета отраженного света не может характеризовать действительное распределение освещенности в помещении.
В процессе работы м,ы использовали эмпирически выведенные нами поправки для отраженного света и при помощи этих величин рассчитывали КЕО с учетом отраженного света по главной и боковым линиям, прибавляя к КЕО, вычислен ному по Данилюку, соответствующую эмпирически найденную величину отраженного света; данные фактического КЕО, 'экспериментально полученные в тех же точках помещений, весьма близко подходили к этой величине. Надо оговорить, что эмпирически полученные величины отраженного света относятся к помещениям с указанной выше характеристикой.
Окончательное решение вопроса о широком использовании выведенных нами вмпирических соотношений между общим и отраженным внутри помещения светом можно будет сделать после ряда уточняющих исследований на моделях. Тем яе менее необходимо отметить, что исправление расчетного КЕО эмпирически выведенным« соотношениями отраженного света значительно приближает его к действительному.
Чтобы избежать элемента случайности в наших исследованиях, мы сочли нужным, кроме фактических измерений, провести определение отраженного света расчетным путем 1.
Выведенные расчеты путем величины отраженного света подтвердили наши наблюдения; это позволяет считать, что полученные нами величины отраженного света путем фактических измерений характерны для помещений с указанными выше признаками.
Приведенные данные об измерении КЕО и о роли отраженного света в помещении касаются рассеянного света, попадающего извне в помещение; прямой солнечный свет в этих опытах исключался. Попадание прямого солнечного света в помещение, понятно, изме-о^ няет как освещенность, так и отношение внутренней освещенности <у} к наружной, т. е. КЕО. Отраженный свет и прямой солнечный свет иногда повышают в несколько раз основную величину КЕО; если для светотехнических расчетов при проектировании такие изменения не имеют большого значения, то при изучении биологических свойств света их необходимо учесть.
Мы пытались также выяснить значение прямого солнечного света для освещения помещений. С этой целью нами был поставлен ряд опытов по . определению КЕО, чтобы выявить, как изменится его величина при попадании прямых солнечных лучей в помещение. Проводя систематические исследования помещений с различной ориентацией, мы могли убедиться в том, что КЕО —весьма непостоянная величина, значительно меняющаяся в связи с изменением зональной яркости небосвода и попаданием прямых солнечных. лучей в помещение.
В табл. 2 приведены данные о КЕО в комнате 4, обращенной на юго-запад, при разных условиях освещения. Буквами в таблице обозначены условия освещения, при которых определялся КЕО: а— рассеянный свет от небесного свода (расчет КЕО произведен по Данилюку); Ь—рассеянный свет с учетом отраженного от стен и потолка (определение КЕО производилось путем фактических измерений при отсутствии прямого солнечного света в помещении); с—рассеянный с учетом отраженного света плюс прямой солнечный свет при попадании солнечного пятна на пол комнаты; й—рассеянный с учетом отраженного света плюс прямой солнечный при попадании солнечного пятна на стену.
Наблюдения произведены в течение одного дня летом при слабой облачности (3 балла), в разные часы (10—18 часов), применительно к положению солнца относительно оконного проема.
Из табл. 2 прежде всего видно, что КЕО очень изменчив и при попадании прямого солнечного света в помещение резко увеличивает-
1 Материалы, касающиеся отраженного евёШ, лолучеЩШЬйЗДетн не приводятся по техническим услюви^, Ред.
Гигиена и сэнитария, № 1 | ййивввй!^ 'да*
>гм путем,
ся (в два раза и больше). Кроме того, если сравнить КЕО на одной поперечной линии по ширине комнаты при разных условиях освещения, то можно видеть, что величины его различны по обеим сторонам от главной световой линии. Совпадения в аналогичных точках обеих сторон комнаты по одной поперечной линии отмечаются при расчетном КЕО по Данилюку (а) и при фактических измерениях, когда солнечное пятно находилось на полу (Ь).
При попадании солнечных лучей на стену КЕО увеличивается на той же стороне комнаты и становится значительно большим, чем на противоположной стороне. Наши измерения показали, что освещенность солнечного пятна стены в 7—8 раз больше, чем соседнего участка той же стены.'
Таблица 2. КЕО при разных условиях освещения в комнате 4, обращенной
на юго-запад
Боковые линии к Боковые линии к сте-
Расстояние Условия стене А Главная не Б
от оконного проема в м освещения 1,5 м от главной 1 м от главной световая линия 1 м от главной 1,5 м от главной
линии линии линии линии
У окна ( а Ъ с Л 1,53 2,58 8,61 1,70 7,28 9,53 12,48 8,54 11,88 13,90 1,54 7,19 6,67 1,32 2,93 2,90
[ 1 ] 1 а Ъ с а 0,93 2,53 4,50 5,70 3,75 3,26 5,69 7,95 5,40 1,80 6,69 8,72 3,75 4,51 5,64 6,79 0,93 3,94 3,87 4,92
3 а Ь с Л 0,65 1,57 3,14 3,99 0,83 2,07 3,53 4,06 0,98 2,36 3,60 3,12 0,83 2,11 2,41 3,12 0,65 2,03 2,90 2,53
а Ь с 0,25 1,26 1,44 0,28 1,29 1,81 0,32 1,40 1,85 0,28 1.42 1,77 0,25 1,38 1,32
{ Л
Интересно отметить, что когда производились измерения при отсутствии солнечных лучей в комнате (Ь), то КЕО оказался более высоким на северо-западной стороне. Это объясняется тем, что на прилегающую стену попадали во время измерения лучи с юго-восточной части небосвода, яркость которой в тот момент была выше, чем юго-западной части, освещавшей другую стену. В среднем освещенность под влиянием увеличенной яркости небосвода возросла в два-три раза.
В комнате 3 (северо-северо-восток), расположенной на противоположной стороне дома, где находилась и комната 4, КЕО в течение того же срока исследования давал незначительные колебания: сюда солнечные лучи не попадали.
При измерении КЕО в комнатах 1 и 2, обращенных на юго-восток и северо-запад, отмечались также резкие колебания его, но характер колебаний был несколько иной, чем в комнате 4 (южной). В комнате 2 (юго-восточной) КЕО давал увеличенные показатели (в два и больше раза) до 14 часов, когда туда попадал прямой солнечный свет; в комнате 1 (северо-западной) КЕО возрастал во вторую половину дня (с 14—15 часов), в период освещения солнцем, когда оно
переходило на противоположную сторону дома и прямой солнечный свет проникал в эту комнату.
Таким образом, КЕО, являясь весьма непостоянной величиной, зависящей от ориентации здания, дает настолько большие колебания, что игнорировать их нельзя. В наших опытах при попадании солнечных лучей в помещение КЕО увеличивался в среднем в два раза, однако не исключена возможность и большего увеличения: это зависит от площади солнечного пятна, местоположения его в помещении и некоторых других факторов.
Чтобы дать конкретные величины изменений освещенности под влиянием прямого 'Солнечного света в помещениях в разных случаях, необходимо накопить большой материал. По существу дело сводится к выяснению изменения освещенности в помещении при разных ориентациях его. Приведенные данные об отражении от стен и потолка света и влиянии прямых солнечных лучей показали, что по КЕО нельзя получить полного представления о световом режиме помещения даже в тех случаях, когда имеются материалы о наружном световом климате местности. Слишком велико значение для внутренней освещенности указанных факторов, опускаемых при расчетах. При строительном проектировании удовлетворяются расчетным КЕО. Однако расчетный КЕО в том виде, в каком он сейчас применяется, мало пригоден для характеристики освещенности помещения. Мы не считаем, что расчетный. КЕО принципиальна как метод неприемлем для учета освещенности помещений; напротив, принцип КЕО весьма интересен и заманчив, и, результаты ¡приведенных выше исследований показывают, что КЕО можно использовать для этой цели, однако лишь при наличии ряда .поправок.
Выводы
1. КЕО расчетный (без отраженного света) резко отличается от КЕО фактического, учитывающего свет, отраженный стенами и потолком; в наших опытах КЕО фактический превышал КЕО расчетный в удаленных от окна точках в 4^-5 раз.
2. Разница между КЕО фактическим и расчетным увеличивается с удалением исследуемой точки от оконного проёма. Это связано с тем, что по мере удаления от окна нарастает процентное отношение отраженного от стен и потолка света; в. наших опытах процентное отношение отраженного света к общему в удаленных от окна точках доходило до 80—85%.
3. В жилых помещениях современного типа абсолютное значение отраженного света в точках одной линии по ширине комнаты мало изменяется; отмечается тенденция к увеличению отраженного света у боковых и задней стен, а также некоторое понижение по главной световой линии.
4. Выведенное эмпирически и проверенное расчетным путем процентное отношение отраженного света к общему относится только к помещениям указанного типа для главной световой линии. Окончательные выводы о широком практическом использовании этих данных можно будет сделать после исследований с более точной ди-ференциацией различных типов жилых помещений/
5. Изменение зональной яркости небосвода и попадание прямых солнечных лучей в помещение значительно изменяют КЕО и делают эту величину непостоянной, колеблющейся по часам дня и временам года в связи с положением солнца на небесном своде и ориентацией здания.
6. Принцип определения внутренней освещенности помещений по КЕО представляет большой практический интерес; однако КЕО в том виде, в каком он применяется в настоящее время, дает неправильную характеристику освещенности помещения.
Чтобы иметь возможность использовать расчетный КЕО для полноценной характеристики освещенности помещений, необходимо ввести при его расчете ряд поправок.
