CC BY
85
МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩЕГО КОЭФФИЦИЕНТА СВЕТОПРОПУСКАННЯ ЗАПОЛНЕНИЙ СВЕТОПРОЕМОВ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ
METHOD OF EXPERIMENTAL DETERMINATION OF TOTAL COEFFICIENT LIGHT TRANSMISSION OF WINDOWS UNDER NATURAL CONDITIONS
B.A. Земцов, E.B. Гагарина, C.H. Коркин V.A. Zemtsov, E.V. Gagarina, S.N. Korkin
НИИСФ PAACH, МГТУ МАМИ
Аналитически обоснован и проведен эксперимент по определению общего коэффициента светопропускания заполнений светопроемов в натурных условиях. Полученный результат превышает рассчитанное значение на 14%.
Analytically justified and carried out an experiment to determine the total coefficient light transmission of windows under natural conditions. The result obtained exceeds the calculated value by 14%.
1. Введение
Общий коэффициент светопропускания заполнения светопроема используется при проектировании естественного освещения помещений зданий различного назначения [1]. Экспериментально этот коэффициент определяется для оконных блоков на установке искусственный небосвод по методике [2]. В настоящее время данный метод испытания оказался труднодоступным в связи с сокращением действующей экспериментальной базы учреждений. В то же время возникают задачи по натурному исследованию естественного освещения помещений, в которых окна заполнены оконными блоками с неизвестными значениями общего коэффициента светопропускания. В литературе работ по определению коэффициента светопропускания заполнений светопроемов в натурных условиях отмечено не было. Настоящая статья посвящена обоснованию такого метода и описанию его реализации.
2. Суть метода
Метод состоит в измерении освещенности в физической модели некоторого условного помещения со светопроемом. В данной модели освещенность измеряется на уровне пола. Размеры светопроема модели подобны размерам светопроема помещения. Для измерения освещенности используется люксметр. Измерение в модели проводят дважды - с учетом заполнения светопроема оконным блоком и без него. Первое измерение проводят в модели при закрытых створках окна в исследуемом помещении. При этом модель устанавливается таким образом, чтобы из точки модели, в которой проводятся измерения освещенности ( Ef ) и в которой установлен люксметр, было
видно только заполнение светопроема помещения и не были видны стены и внутренние откосы оконного проема. Второе измерение освещенности (Е\) проводят в той же точке модели, но сама модель вынесена по горизонтали за заполнение светопроема помещения на улицу и ориентирована параллельно тому положению, которое она занимала при первом измерении. Данный принцип основан на светотехнических законах [3]:
- о проекции телесного угла - освещенность в какой-либо точке помещения равна произведению яркости участка небосвода, видимого из данной точки через окно, на проекцию телесного угла под которым виден этот участок небосвода на освещаемую поверхность;
- о светотехническом подобии - освещенность в какой-либо точке помещения зависит не от абсолютных, а от относительных размеров помещения.
Одновременно с измерениями освещенности внутри модели, измеряется наружная освещенность (, Е^) в плоскости стены с окном. Измеренные данные позволяют оперировать относительными освещенностями, получаемыми в модели. Отношение получаемых значений относительных освещенностей в одной и той же точке модели при наличии оконного блока и без него, т.е. при выносе модели за плоскость стены, позволяет получить коэффициент общего светопропускания заполнения оконного блока.
3. Теоретическое обоснование метода определения общего коэффициента светопропускания заполнения светопроема.
Коэффициент естественной освещенности (КЕО) при боковом освещении (от окон) в помещении рассчитывается по формуле [1]:
е6 = (£*6 Ч + ^ездЪфКзд >0г0/К3 (1),
где г0 - коэффициент, учитывающий влияние отраженного света от поверхностей помещения;
т0 - общий коэффициент пропускания света заполнением светопроема;
К3 - коэффициент запаса (при чистом остеклении К3 = 1).
Остальные условные обозначения в формуле (1) соответствуют обозначениям в
[1].
Из (1) следует, что, если произведены два измерения КЕО в модели, при которых выражение в круглых скобках одинаково, то различие в значениях КЕО в этих измерениях определяется только различием в значениях г0 / К3.
Согласно определению, КЕО в какой-либо точке в модели равен отношению освещенности в данной точке к одновременной наружной освещенности на горизонтальной поверхности под открытым небосводом. Поэтому, для результата измерения, произведенного в модели при закрытых створках окна, можно написать:
е,в = Е / Е? (2),
где:
-гб
Е1 - освещенность в точке внутри модели находящейся в помещении при закрытых створках окна, лк;
Е" - наружная освещенность на горизонтальной поверхности под открытым небосводом, лк.
Для результата измерения, произведенного в модели при открытых створках окна (когда модель вынесена на подоконник), можно написать:
е26 = Е2: / ^ (3),
где:
-гб
Е2 - освещенность в точке внутри модели находящейся в помещении при закрытых створках окна, лк;
Е2, - наружная освещенность на горизонтальной поверхности под открытым небосводом, лк.
При этом измерении значение г0 / К3 равно единице, т.к. отсутствует заполнение светопроема.
Следовательно, при пренебрежении изменением выражения в круглых скобках в (1), из (1) - (3) следует:
т / К = -1- = Д1 Д1 = . (4)
0 К3 Р6 Е6 / Е" Е6 Е"
с-2 ■^2 2 2
Измерение наружной освещенности на горизонтальной поверхности под открытым небосводом вызывает определенные трудности. Поэтому, для упрощения проведения эксперимента, предлагается следующий прием. Одновременно с измерением освещенности в модели производится измерение наружной освещенности на вертикальной плоскости наружной поверхности стены с исследуемым окном, Ес. Легко можно показать, что по закону проекции телесного угла выполняется равенство:
77е 77е
\ = ^ (5)
£1 Е2
С учетом (5) выражение (4) можно представить в виде:
грб т?б
Фт = ('о/К,)-^ (6)
Данное выражение используется для обработки результатов измерений с целью расчета общего коэффициента пропускания света.
4. Описание и принцип действия экспериментальной установки.
Экспериментальная установка представляет собой модель прямоугольного помещения со светопроемом прямоугольной формы, начинающимся от пола в одной из стенок. Высота и ширина светопроема регулируется в зависимости от исследуемого в натурных условиях окна. Пол модели с отверстием для фотоэлемента люксметра не скреплен со стенками, что позволяет перемещать их относительно друг друга. Фотоэлемент люксметра монтируется заподлицо с полом. Модель выполнена из фанеры. Внутренние поверхности модели окрашены в черный цвет для снижения влияния отраженного света в модели на показания люксметра (коэффициент отражения света окрашенной фанеры по результатам измерений составил р=0,05 и менее, т.е. г0 «1). Остекление светопроема очищено (К3 = 1).
При проведении измерений последовательно производится перемещение всей модели по г-тым точкам на полу помещения, которые находятся на соответствующих расстояниях от стены с окном. Одновременно производится перемещение модели относительно пола самой модели так, чтобы фотоэлемент установился на соответст-
вующем /¿-том расстоянии от окна модели. Люксметром фиксируется показание освещенности в определенной точке на полу модели при различных положениях стен и потолка модели и соответствующих им положениях модели в помещении. Таким образом, при каждом измерении на модели в помещении, из точки соответствующей положению центра датчика люксметра в полу модели, «видно» заполнение светопроема помещения и только оно. После каждого измерения освещенности в модели, установленной в помещении, производится вынос модели за наружную стену помещения и измеряется освещенность в модели в той же точке модели. При этом свет, попадающий на датчик люксметра не проходит через заполнение светопроема. Все измерения проводятся по разрезу помещения, проходящего через середину светопроема. Расстояния Li и /i связаны соотношением:
/, = M(L + D) - d* (7)
где: /i - расстояние внутри модели от стенки с окном до точки на полу модели, м;
d* - ширина оконных откосов модели, м;
Li - расстояние от стены с окном до проекции положения датчика люксметра на полу помещения, м;
D - толщина стены помещения, м;
М- масштабный коэффициент светопроема модели и помещения.
5. Пример экспериментального определения общего коэффициента свето-пропускания оконного блока.
Экспериментальное определение общего коэффициента светопропускания проводилось на окне, схематично изображенном на рисунке 1. Оконный блок из ПВХ профиля Rehau Delight, цвет белый, стеклопакет двухкамерный, без теплоотражающих покрытий, толщина стекол 4 мм. Оконный блок установлен в светопроем стены толщиной 2,5 кирпича, оштукатуренной с двух сторон.
Для определения общего коэффициента светопропускания заполнения светопроема последовательно проводились измерения освещенности в модели внутри помещения с учетом заполнения светопроема и при выносе модели за светопроем помещения. Проводилось пять серий измерений для четырех различных точек на полу модели, расположенных по средней линии окна модели. Расстояния /i рассчитывались по формуле (7). При D= 72 см, d*=2,5; M=0,1; L= 63, 100, 150, 200 см, значения /i получились соответственно = 11, 14,7, 19,7, 24,7 см.
1250
Рисунок 1. Схема заполнения светопроема, на котором проводились измерения.
3/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
При проведении измерений определялись значения Е1 , Е2, Е1 , Е2. На рисунке 2 представлен график зависимости ^ / £1 от £2 / £2. Как следует из выражения (6), график этой зависимости должен представлять собой прямую линию, проходящую через начало координат, тангенс угла наклона этой прямой равен г0 / К3. Из рисунка 2 видно, что график действительно представляет собой прямую пропорциональную зависимость Е^ / ЕЦ от £2 / £2. Для описываемого эксперимента получено г0 / К = 0,54 с величиной достоверности аппроксимации 0,97. Разброс результатов эксперимента объясняется неточностью настройки модели при проведении измерений.
Относительная освещенность
Рисунок 2. Зависимость относительной освещенности в модели в помещении, Е^ / , от относительной освещенности при выносе модели на окно, £2 / £2 .
6. Сопоставление экспериментального и рассчитанного значения общего коэффициента светопропускания
Методика расчетного определения общего коэффициента светопропускания т0 изложена в [4]. Согласно этой методике:
= • ^2 , (8) где г1 - коэффициент светопропускания материала (остекления); т2 - коэффициент, учитывающий потери света в коробке и переплетах оконного блока.
Коэффициент г1 определяется перемножением коэффициентов светопропускания отдельных стекольных листов в стеклопакете. При коэффициенте светопропускания одного стекольного листа 0,917 для двухкамерного стеклопакета этот коэффициент получается равным г1 = 0,917 х 0,917 х 0,917 = 0,77.
Коэффициент т2 рассчитывается по формуле из [4] с параметрами окна, приведенными на рисунке 1. Для исследованного окна т2 = 0,60 . Следовательно, рассчитанное значение общего коэффициента светопропускания т0 = 0,60 • 0,77 = 0,46. Сравнение с определенным выше экспериментальным значением показывает, что экспериментальное превышает рассчитанное значение на 14%. Отклонение значения может быть объяснено тем, что теоретический метод очень чувствителен к суммарной тол-
щине переплета, следовательно, допускается некоторая погрешность вследствие отклонения реальной формы профиля переплета около стеклопакета от идеальной. С другой стороны в экспериментальном методе пренебрегается незначительным изменением КЕО от прямого света (выражение в скобках в правой части (1)) при переносе модели. Эти обстоятельства оказывают влияние на результаты расчета и эксперимента, чем и может быть объяснено их различие.
7. Заключение
Результаты определения общего коэффициента светопропускания оконного блока в натурных условиях имеют бОльшую ценность для расчетов естественного освещения помещений, чем определенные по методике [2]. В натурном эксперименте определяется светопропускание заполнения светопроема с учетом реальной заделки оконного блока в светопроем, фактических свойств светопропускания стекол, отражения света переплетом. Использование предлагаемого метода позволит выявить влияние различных факторов на светопропускание реальных оконных блоков, в свою очередь использование уточненных значений светопропускания блоков будет способствовать более точному расчету светового режима помещений зданий в городской застройке.
Литература:
1. Естественное освещение жилых и общественных зданий. СП 23-102-2003. М. 2005. 82 с.
2. ГОСТ 26602.4-99. Оконные и дверные блоки. Методы определения общего коэффициента пропускания света.
3. Гусев Н.М. Основы строительной физики. Учебник для вузов. М., Стройиздат, 1975, 440 с.
4. Земцов В.А., Гагарина Е.В. Расчетно-экспериментальный метод определения общего коэффициента пропускания света оконными блоками. // Academia. Архитектура и строительство. 2010, №3, стр. 472-476.
Literature:
1. Estestvennoe osveschenie jilyh i obschestvennyh zdanii. SP 23-102-2003. M. 2005. 82 p.
2. GOST 26602.4-99. Okonnye i dvernye bloki. Metody opredeleniya obschego koefficienta propuskaniya sveta.
3. Gusev N.M. Osnovy stroitel'noi fiziki. Uchebnik dlya vuzov. M., Stroiizdat, 1975, 440 p.
4. Zemcov V.A., Gagarina E.V. Raschetno-eksperimental'nyi metod opredeleniya obschego koefficienta propuskaniya sveta okonnymi blokami. // Academia. Arhitektura i stroitel'stvo. 2010, №3, p. 472-476.
Ключевые слова: Естественное освещение. Общего коэффициента пропускания света. Модель. Оконный блок. Заполнение светопроема. Коэффициент естественной освещенности. Люксметр. Освещенность. Экспериментальное определение.
Key words: Day lighting. Total coefficient light transmission. Model. Window. Filling the lighting aperture. Coefficient of day light exposure. Luxmeter. Exposure. Experimental determination.
Почтовый адрес авторов: 127238, Москва, Локомотивный пр., 21.
Тел. авторов: (495) 482-40-45. e-mail авторов: gagarinaev@yandex.ru
