Оптимизация геометрических параметров световых колодцев для многоэтажных производственных зданий в условиях Юго-Восточного Китая Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 628.921

С.В. Стецкий, Чэнь Гуанлун

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СВЕТОВЫХ КОЛОДЦЕВ ДЛЯ МНОГОЭТАЖНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ В УСЛОВИЯХ ЮГО-ВОСТОЧНОГО КИТАЯ

Рассмотрены вопросы оптимальной высоты (длины) световых колодцев для многоэтажных производственных зданий в условиях жаркого и солнечного климата Юго-Восточного Китая. Исследования проводились на основе комплексного анализа данных о размерах световых колодцев в плане, создаваемых ими уровней естественной освещенности и времени использования искусственного освещения в рабочих помещениях рассматриваемого производственного здания. Сделаны выводы об эффективности применения световых колодцев для последних и предпоследних этажей аналогичных промзданий.

Ключевые слова: коэффициент естественной освещенности, световой колодец, солнечный и жаркий климат, многоэтажные промздания, ясное небо, внутренняя среда.

При проектировании производственных зданий серьезное внимание должно уделяться созданию качественного внутреннего микроклимата, что становится особенно важным в экстремальных климатических условиях, в частности, при жарком и солнечном климате. Вопросы создания и совершенствования внутренней физической среды в помещениях промзданий уже в течение многих лет изучаются ведущими научными исследователями в области строительной физики. Эти исследования для условий жаркого климата базируются в основном на изучении светового, теплового и инсоляционного режимов в рассматриваемых помещениях с соответствующей разработкой их архитектурных и конструктивных решений для улучшения параметров этих режимов [1—6].

Исследования внутреннего микроклимата производственных помещений проводились на базе многоэтажного корпуса швейной фабрики в г. Фучжоу (юго-восточный регион Китая). Данная работа велась в несколько этапов, проводился ряд реконструкторских работ по устройству световых колодцев на экспериментальном участке и затем исследовалось новое состояние микроклимата в рассматриваемом помещении.

Объективные методы исследований использовались для замеров и расчетов уровней внутренней естественной освещенности, к которым был добавлен натурный эксперимент по субъективной экспертной оценке качества внутреннего микроклимата.

В ходе субъективного эксперимента рассматривались уже не только качество световой среды, но и внутренний температурный режим и степень визуальной связи с окружающей средой.

Более детально проведенные исследования рассматриваются в [7]. На основе результатов проведенной работы был предложен ряд рекомендаций по оптимизации объемно-планировочных и конструктивных проектных решений как рассматриваемых многоэтажных производственных зданий в целом, так и их отдельных частей и элементов. В частности, были сделаны предложения по планировке этих зданий, по проектированию светопрозрачных элементов — окон и световых колодцев, солнцезащитных устройств и т.д. Особое внимание было уделено рекомендуемым размерам, расположению и остеклению световых колодцев. В данной статье рассматриваются рекомендации по оптимальной высоте (длине) конструкций световых колодцев для многоэтажных производственных зданий.

© Стецкий С В., Чэнь Гуанлун, 2012

23

вестник 11/2012

Определение этого параметра, т.е. количества этажей, в которых их использование является эффективным, следует вести на основе комплексного анализа уровней естественной освещенности в них и времени использования искусственной освещенности при использовании световых колодцев в рассматриваемых помещениях.

Этот анализ проводился в общем виде, с учетом ряда упрощающих предположений, а именно:

расчет коэффициентов естественной освещенности проводится в условиях ясного неба;

рассчитывается освещенность только от световых колодцев, так как предполагается, что освещенность от окон остается постоянной на всех этажах рассматриваемого здания;

рассматривается освещенность в точках с минимальным суммарным значением КЕО (точки «3» в левой и правой части производственных участков на всех этажах), по которой может быть определено значение наружной критической освещенности Екр, а по ней определяется время работы системы искусственного освещения [1, 2, 8, 9].

расчет проводится с совместным учетом основных положений расчета зенитных фонарей шахтного типа и полых трубчатых световодов, приведенных в [3—6], так как предполагается, что световые колодцы могут рассматриваться как комбинация этих элементов систем естественного освещения.

Основным фактором, определяющим значение КЕО в помещениях со световыми колодцами, является яркость их светоприемных диффузоров (или яркость) светящих участков Ьв, которая определяется как

Лд [(180°-а/180°)] 100

Ьв ~ , (1)

л

где лв — общий коэффициент полезного действия системы;

П = Тс К м ^ (2)

где тс — коэффициент светопропускания входного проема полого трубчатого световода; п — математическая константа 3,14; тв — коэффициент светопропускания выходного проема полого трубчатого световода; к — коэффициент запаса, учитывающий загрязнение элементов световода при эксплуатации; Е, — эффективность или КПД полого трубчатого световода, определяемый по формуле ' ь

[ Я pJ

^Г^ъ-Г7, (3)

[1- ъ * е- 1п р] X

где е — основание натурального логарифма, равно 2,718; Ь — длина световода, м; В — диаметры световода, м; Ь/В — приведенная длина световода; 9 — угол вхождения света в световод, град.; р — коэффициент отражения стенок световода.

Расчет по вышеприведенным формулам и их анализ показывает, что определение значений КЕО для рассматриваемого помещения сводится к определению оптимальной длины (высоты) световых колодцев для различных высотных положений расчетных точек (рис. 1). На основе этой расчетной схемы определяются параметры, необходимые для расчета КЕО на всех этажах рассматриваемого здания (табл. 1).

По данным этой таблицы видно, что расчетные точки на всех этажах рассматриваемого здания имеют практически одинаковые геометрические параметры, за исключением расчетной и приведенной длины (высоты) светового колодца.

Значения промежуточных расчетных коэффициентов Е , "Л и Ьв для всех трех этажей приведены в табл. 2.

500 l

о о о о

О

Tf -t

st

ч

3000

3000

3000

1500 L L500

3000

3,п

зооо

7500

2500

зооо :

з„

7500

В

, 13500

У IM 11 9000

УРП | 4500

УРП ,0.000

©

Рис. 1. Расчетная схема к определению минимальных значений КЕО от световых колодцев на этажах здания

г

г

Табл. 1. Основные геометрические параметры рабочих помещений на 1-м и 3-м этажах рассматриваемого здания, необходимых для расчетов освещенности от световых колодцев при условиях ясного неба

Расчетные геометрические параметры Этажи и расчетные точки

Этаж 1 Этаж 3

31Л 31П 3 3

1. Площадь светового колодца (сечение) А, м2 4,5 4,5 4,5 4,5

2. Расстояние от расчетн. точки до центра остекления светового колодца г, м Гц = 3,33 ГЛ,ПР - 6 ГЦ = 3,33 ГЛ,ПР - 6 ГЦ = 3,33 ГЛ,ПР - 6 ГЦ = 3,33 ГЛ,ПР - 6

3. Угол между вертикалью к расчетной точке и линией от этой точки к центру остекления светового колодца ß 62° 62° 62° 62°

4. Угол между горизонталью и линией от центра остекления светового колодца и расчетной точкой у 28° 28° 28° 28°

5. Угол, характеризующий вхождение света в световой колодец, 0 45° 45° 45° 45°

6. Эквивалентный диаметр сечения светового колодца D, м 2,4 2,4 2,4 2,4

7. Длина светового колодца от входного проема до середины этажного остекления НК (или ¿кХ м 11,75 11,75 11,75 11,75

8. Приведенная длина светового колодца H/D (или L/D) 4,9 4,9 4,9 4,9

вестник

11/2012

Табл. 2. Значения промежуточных расчетных коэффициентов для всех этажей рассматриваемого здания при солнечном освещении

Этаж здания Промежуточные расчетные коэффициенты

Ь/Б 9° Р ч тс тб к м Чб пБ Гс Б

1. Первый 4,9 45° 0,6 0,3 0,54 0,29 0,77 0,3 0,036 1,14

2. Второй (рассмотрен ранее) 3,0 45° 0,6 0,4 0,54 0,29 0,77 0,4 0,048 1,52

3. Третий 1,15 45° 0,6 0,45 0,54 0,29 0,77 0,45 0,054 1,71

Используя полученные значения, определяем величины КЕО от световых колодцев слева и справа от них в расчетных точках № 3 на всех этажах рассматриваемого здания. С учетом освещенности от других остекленных поверхностей, расположенных вне характерного разреза, в пределах которого рассчитывается КЕО, суммарная освещенность от световых колодцев в расчетных точках № 3 приведена в табл. 3, а суммарная освещенность с учетом света от боковых светопроемов для всех этажей — в табл. 4.

Табл. 3. Расчет КЕО при солнечной освещенности при одностороннем боковом освещении от окон, образованных световыми колодцами (1-й и 3-й этажи)

Этажи здания № точек п/п гс Б А, м2 Т° С08Р С08у Г о Г центр г2 центр Г л,пр г2 2,Пр е , % ц е, % !е, %

Первый 3 лев 1,14 4,5 62° 28° 0,47 0,88 1,18 3,33 1,11 6,0 36,0 0,225 0,07 0,365

3 прав 1,14 4,5 62° 28° 0,47 0,88 1,18 3,33 1,11 6,0 36,0 0,225 0,07 0,365

Третий 3 лев 1,71 4,5 62° 28° 0,47 0,88 1,18 3,33 1,11 6,0 36,0 0,53 0,105 0,74

3 прав 1,71 4,5 62° 28° 0,47 0,88 1,18 3,33 1,11 6,0 36,0 0,53 0,105 0,74

Примечание. Суммарное значение КЕО равно сумме его частных значений от центрального, левого и правого окон, т.е. £еБ = еЦ + 2еЛП.

Табл. 4. Суммарные значения КЕО при двухстороннем солнечном освещении в расчетных точках этажей

Расчетные точки КЕО при солнечном освещении, %

№ п/п Этаж здания От окон От световых колодцев Суммарный

1 Первый № 3 левая 0,52 0,365 0,885

2 № 3 правая 0,91 0,365 1,275

3 Второй (рассмо- № 3 левая 0,52 0,48 1,0

4 тренный ранее) № 3 правая 0,91 0,48 1,39

5 Третий № 3 левая 0,52 0,74 1,26

6 № 3 правая 0,91 0,74 1,65

Полученные значения КЕО являются основой для определений времени работы установки искусственных освещения на обследуемых производственных участках.

Это время определяется по критической наружной освещенности Екр и данных по

ходу наружной прямой (солнечной) освещенности для рассматриваемого региона в течение года.

Критическая наружная освещенность определяется по формуле

Е - Е100

е

(4)

где Ен — нормативное значение искусственной освещенности, равное 200 лк; е — минимальное значение КЕО в помещении [10, 11].

Годовое время работы осветительной установки ТГ по [8, 9] определяется по формуле

T - DMT

(5)

где В — среднее число рабочих дней в месяце, В = 21; М — число месяцев в году, М = 12; Траб — число часов работы предприятия в день; Т — число часов использования естественного света за день в /-й месяц года.

По графику на рис. 2 определяем значение Т для каждого месяца года при значениях Екр, которые определяются по усредненным величинам еш{п для каждого этажа.

Рис. 2. График хода наружной прямой (солнечной освещенности) горизонтальной поверхности для условий г. Шанхая, клк

Для первого этажа: е^рП = 1,1 %; Е = 18180 лк;

i-1

вестник

11/2012

для второго этажа: е^П = 1,2 %; Е = 16660 лк; для третьего этажа: е^ = 1,45 %; Е = 13800 лк.

Время использования естественной освещенности для рассчитанных величин Екр на основе рис. 2 приводится в табл. 5. По данным этой таблицы на основе формулы (5) определяем годовое время работы системы искусственного освещения в условиях солнечного наружного освещения, которое составляет:

для первого этажа: Тгс1 = 1071 ч/год;

для второго этажа: Т^2 = 945 ч/год;

для третьего этажа: Т°3 = 567 ч/год.

Табл. 5. Время использования естественной освещенности при солнечной наружной освещенности для различных этажей здания и при различных уровнях ЕС,

Этаж здания Постоянные и переменные временные характеристики Периоды и месяцы года

Зима Весна Лето Осень

XII, I, II III, IV, V VI, VII, VIII IX, X, XI

1. Первый Количество часов Т. г 0,0 ч в среднем за месяц 6,0 ч в среднем за месяц 9,0 ч в среднем за месяц 4,0 ч в среднем за месяц

!Т 0,0 ч ■ 3 + 6,0 ч ■ 3 + 9,0 ч ■ 3 + 4,0 ч ■ 3 = 57,0 ч

2. Второй Количество часов Т. г 0,0 ч в среднем за месяц 7,0 ч в среднем за месяц 9,0 ч в среднем за месяц 5,0 ч в среднем за месяц

0,0 ч ■ 3 + 7,0 ч ■ 3 + 9,0 ч ■ 3 + 5,0 ч ■ 3 = 63,0 ч

3. Третий Количество часов Т. г 4,0 ч в среднем за месяц 8,0 ч в среднем за месяц 9,0 ч в среднем за месяц 6,0 ч в среднем за месяц

4,0 ч ■ 3 + 8,0 ч ■ 3 + 9,0 ч ■ 3 + 6,0 ч ■ 3 = 81,0 ч

На основе полученных данных строим комплексный график зависимости значений высоты (длины) светового колодца Нк (Ьк), годового времени использования искусственного освещения ТС и минимальных средних значений КЕО в третьих точках соответствующих этажей рассматриваемого здания при солнечном наружном освещении е^ (рис. 3).

Данный график может рассматриваться как оптимизационный, но имеет частный характер, отражая зависимости между рассматриваемыми параметрами лишь для обследуемого здания. Однако данный подход может явиться основой для дальнейших исследований получения более универсальных результатов. В данном случае показано, что оптимальная длина (высота) световых колодцев в рассматриваемом здании при их определенном размере и расположении и конкретной системе естественного освещения составляет 5 м.

Выводы. 1. Определено, что оптимальная высота (длина) световых колодцев для рассматриваемого случая составляет 5 м, что говорит об эффективности применения световых колодцев для последнего (третьего) этажа производственного корпуса, возможности их использования для предпоследнего (второго) этажа и нецелесообразности световых колодцев для первого этажа, где в этом случае могут располагаться подсобно-вспомогательные помещения, требующие меньших уровней естественной освещенности.

2. Увеличение производительности труда на экспериментальном участке второго этажа, что было определено в результате предыдущих исследований [7], несмотря

на больший, чем эффективный, вывод светового колодца, может быть объяснено по -ложительной психологической реакцией работающих на изменения параметров микроклимата помещения, выразившейся в улучшении субъективной оценки режимов внутренней физической среды в помещении.

1,6

1,5

1,45 1,4

1,3

1,2 1,15

U 1,0

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

fv %

\ 1 1 П — —

— — V 1 - h

1 Сри вая 1 1 зав 1СИ лос ГИ

1 J V T3I [аче 1 НИР [ Т\ г' ч

Г 1 1

/ и 1 / — X

1 К \ H / ЭИВ к01 ая з ави ч et ;им ий ост , 1 > 1

1 1 1

Oi I ITHIS tari на* 1 1

вь ко 4от ^од а св ца i ето м ЮГ( > 1 1

Г - 1 1 1

0 1 2

Г, час 1100

1000

900

800

700

600

500 400 300 200 100

Як(1к),м

,3 4 5 6 7,

9 10 11 .12 13 14 15 16 17

^ '+ ^ и ^ |

3 этаж 2,75 м 2 этаж 7,25 м 1 этаж 11,75 м Рис. 3. График зависимости значений ТГС, еСин и при солнечном наружном освещении

Библиографический список

1. Соловьев А.К. Физика среды. М. : Изд-во АСВ, 2011. 344 с.

2. Гусев Н.М. Основы строительной физики. М. : Стройиздат, 1975. 330 с.

3. Соловьев А.К. Эффективность верхнего естественного освещения производственных зданий : автореф. дисс. ... д-ра техн. наук. М., 2010. 72 с.

4. СкатьД.Д. Комплексный метод расчета зенитного освещения зданий : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Полтава, 1999. 20 с.

5. Земцов В.А. Вопросы проектирования и расчета естественного освещения помещений через зенитные фонари шахтного типа // Светотехника. 1990. № 10. C. 25—36.

6. Соловьев А.К. Полые трубчатые световоды и их применение для естественного освещения зданий // Промышленное и гражданское строительство. 2007. № 2. С. 53—55.

7. Стецкий С.В., Чэнь Гуанлун. Создание качественной световой среды в помещениях производственных зданий для климатических условий Юго-Восточного Китая // Вестник МГСУ. 2012. № 7. С. 16—25.

8. Проектирование светопрозрачных конструкций и естественного освещения зданий / Ю.П. Александров, И.Н. Марантиди, А.К. Соловьев, С.В. Стецкий. М. : Изд-во МИСИ, 1984. 115 с.

9. Liu Jianping. JianzHu Wuli // Zhongguo Jianzhu chubanshe. 2009. 558 p. (на китайском).

10. СНиП 23-05—95*. Естественное и искусственное освещение. М. : Госстрой России, 2004. 27 с.

вестник 11/2012

11. СП 52.13330. Естественное и искусственное освещение // Актуализированная редакция СНиП 23-05—95*. 2011. М. : Минрегион РФ, 2010. 75 с.

12. Разработать комплекс мероприятий по улучшению световой среды в целых предприятий Минлегпрома Таджикской ССР с учетом экономии энергоресурсов / А.Н. Кондратенков, А.К. Соловьев, С.В. Стецкий, К.Х. Хамидов // Научно-технический отчет по договору № 102. М. : МИСИ, 1986. 112 с.

Поступила в редакцию в сентябре 2012 г.

Об авторах: Стецкий Сергей Вячеславович — кандидат технический наук, доцент, профессор кафедры архитектуры, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, agpz@ mgsu.ru;

Чэнь Гуанлун — аспирант кафедры архитектуры, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected].

Для цитирования: Стецкий С.В., Чэнь Гуанлун. Оптимизация геометрических параметров световых колодцев для многоэтажных производственных зданий в условиях Юго-Восточного Китая // Вестник МГСУ 2012. № 11. С. 23—31.

S.V. Stetskiy, Chen Guanglong

OPTIMIZATION OF GEOMETRICS OF LIGHT WELLS FOR MULTI-STOREY INDUSTRIAL BUILDINGS IN THE CONDITIONS OF SOUTHEAST CHINA

The authors consider problems of optimum height (or length) of light wells in multi-storey industrial buildings in the hot and sunny climate of southeast China. The researches were based on the multi-component data analysis that included the analysis of dimensions of light wells in plan view, analysis of natural light that they delivered and the time period of the use of the artificial light in the workrooms of the above industrial buildings. Conclusions were made concerning the efficiency of light wells in the upper and pre-upper storeys of similar industrial buildings.

Particular attention must be driven to the quality of the internal microclimate, which accrues importance in the extreme weather conditions like hot and sunny climates. In the course of multiple years, the problem of development and maintenance of the favourable indoor environment has been the subject of research performed by the leading experts in building physics. The researches concerning hot climates are mainly based on the research of the lighting, thermal and insulation conditions in the said premises and development of architectural and structural concepts and solutions aimed to improve these conditions.

Key words: daylight factor, light well, hot and sunny climate, multi-storey industrial buildings, clear sky, indoor environment.

References

1. Solov'ev A.K. Fizika sredy [Environmental Physics]. Moscow, ASV Publ., 2011, 344 p.

2. Gusev N.M. Osnovy stroitel'noy fiziki [Fundamentals of Building Physics]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1975, 330 p.

3. Solov'ev A.K. Effektivnost' verkhnego estestvennogo osveshcheniya proizvodstvennykh zdaniy [Efficiency of Overhead Natural Lighting in Industrial Buildings]. Moscow, 2010, 72 p.

4. Skat' D.D. Kompleksnyy metod rascheta zenitnogo osveshcheniya zdaniy [Multi-component Method of Analysis of Overhead Lighting in Buildings]. Poltava, 1999, 20 p.

5. Zemtsov V.A. Voprosy proektirovaniya i rascheta estestvennogo osveshcheniya pomeshcheniy cherez zenitnye fonari shakhtnogo tipa [Issues of Design and Analysis of Natural Lighting of Premises through Shaft-type Skylights]. Svetotekhnika [Illumination Engineering]. Moscow, 1990, no. 10, pp. 25—36.

6. Solov'ev A.K. Polye trubchatye svetovody i ikh primenenie dlya estestvennogo osveshcheniya zdaniy [Hollow Tubular Light Conductors and Their Application for Natural Lighting of Buildings]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2007, no. 2, pp. 53—55.

7. Stetskiy S.V., Chen Guanglong. Sozdanie kachestvennoy svetovoy sredy v pomeshcheniyakh proizvodstvennykh zdaniy dlya klimaticheskikh usloviy yugo-vostochnogo Kitaya [Development of a

ApxureKjypa u rpaAocrpoureAbCJBO. PeKOHcrpyKwa u pecraBpawa

High-quality Illumination Environment in the Premises of Industrial Buildings in the Climatic Conditions of Southeast China]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 7, pp. 16—25.

8. Aleksandrov Yu.P., Marantidi I.N., Solov'ev A.K., Stetskiy S.V. Proektirovanie svetoprozrach-nykh konstruktsiy i estestvennogo osveshcheniya zdaniy [Design of Translucent Structures and Natural Lighting of Buildings]. Moscow, MISI Publ., 1984, 115 p.

9. Liu Jianping. Building Physics. China Building Industry Press, 2009, 558 p.

10. SNiP 23-05—95*. Estestvennoe i iskusstvennoe osveshchenie [Construction Norms and Regulations 23-05—95*. Natural and Artificial Lighting]. Moscow, Gosstroy Rossii publ., 2004, 27 p.

11. SP 52.13330. Estestvennoe i iskusstvennoe osveshchenie. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 23-05—95*. 2011. [Construction Rules SP 52.13330. Daylight and Artificial Lighting. Updated Version of Construction Norms and Regulations 23. 05.95*.2011. SP 52.13330.2011]. Moscow, Ministry of Regional Development, 2010, 75 p.

12. Kondratenkov A.N., Solov'ev A.K., Stetskiy S.V., Khamidov K.Kh. Razrabotat' kompleks mero-priyatiy po uluchsheniyu svetovoy sredy v tselykh predpriyatiy Minlegproma Tadzhikskoy SSR s uchet-om ekonomii energoresursov [Development of a Set of Actions Aimed at Improvement of the Lighting Environment at Industrial Enterprises of the Ministry of Textile Industry of the Tajik SSR with account for the Saving of Electricity]. Scientific Report compiled under Contract 102. Moscow, MISI Publ., 1986.

About the authors: Stetskiy Sergey Vyacheslavovich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Architecture of Civil and Industrial Buildings, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];

Chen Guanglong — postgraduate student, Department of Architecture of Civil and Industrial Buildings, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected].

For citation: Stetskiy S.V., Chen Guanglong. Optimizatsiya geometricheskikh parametrov sve-tovykh kolodtsev dlya mnogoetazhnykh proizvodstvennykh zdaniy v usloviyakh Yugo-Vostochnogo Kitaya [Optimization of Geometrics of Light Wells for Multi-Storey Industrial Buildings in the Conditions of Southeast China]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 11, pp. 23—31.