CC BY
9Доклады V Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
УДК 628.921/.928
О.В. СЕРГЕЙЧУК, д-р техн. наук, Киевский национальный университет строительства и архитектуры (Украина)
Особенности расчета естественного освещения помещений по нормативной методике Украины
Обоснованы положения, на основе которых разработано Изменение № 2 украинских норм по естественному освещению помещений ДБН В.2.5-28-2006. Основное внимание уделено необходимости переноса учета светового климата из нормирования в расчет; светоклиматическому районированию Украины, расчету относительной яркости противостоящих зданий; учету влияния рамы на светопропускание светопроема.
Ключевые слова: освещенность, яркость, коэффициент естественной освещенности, световой климат.
Определение оптимальной площади, формы и размещения светопроемов является очень важным вопросом при проектировании энергоэффективных зданий, поскольку светопроемы 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 светопроемы большой площади. Согласование этих противоречивых требований должны осуществлять нормы по освещению помещений. В Украине это ДБН В.2.5-28-2006 «Естественное и искусственное освещение». Однако практика их применения показала, что они имеют ряд существенных недостатков, которые перешли из норм СССР СНиП 11-4-79 «Естественное и искусственное освещение» и действующих в некоторых странах СНГ межгосударственных строительных норм по естественному освещению МСН 2.04-05-95 «Естественное и искусственное освещение». В 2008 г. было принято Изменение № 1 ДБН В.2.5-28, которое касалось лишь уточнения нормативных показателей освещен-
Рис. 1. Светоклиматическоерайонирование территории Украины
ности основных помещений общественных, жилых и вспомогательных зданий. Это изменение не исправило ситуацию, а наоборот, усугубило ее, так как принятые завышенные значения нормативных коэффициентов естественного освещения (КЕО) для ряда помещений не могли быть достигнуты на практике.
В связи с указанными обстоятельствами в Минрегионе Украины было принято решение о разработке Изменения № 2 ДБН В.2.5-28, которое вступило в действие 1 сентября 2012 г. Поскольку речь шла не о создании новых норм, а лишь о внесении изменений в существующие, авторы не ставили себе целью кардинального изменения подхода при решении задач по расчету систем естественного освещения зданий. Поэтому Изменение № 2 следует рассматривать как временную меру, направленную на устранение грубых ошибок существующей нормативной методики расчета КЕО.
Основой Изменения № 2 послужили работы авторов документа [1-4], в которых исследованы различные аспекты указанной проблемы. Однако при работе над нормами возникла необходимость их существенного развития, учета особенностей изменения климата Украины за последние годы и адаптации методики расчета для возможности использования ее в проектной практике.
Целью данной статьи является обоснование методических принципов, положенных в основу разработки Изменения № 2 украинских норм по естественному освещению, что представляется важным в связи с тем, что нормы России и Украины построены на общей базе, заложенной еще в СНиП II 4-79.
Изменение № 2 содержит следующие основные положения: учет светового климата перенесен из нормирования в расчет; уточнение зонирования территории Украины по ресурсам светового климата; уточнение нормативных значений КЕО в помещениях гражданского назначения; конкретизацию расчета КЕО при наклонных светопроемах; уточнение положения расчетных точек в по-
Научно-технический и производственный журнал
Доклады V Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
мещениях и их минимального числа; развитие метода расчета КЕО от верхних светопроемов на случай их частичного затенения окружающей застройкой; уточнение методики расчета геометрического КЕО по графикам А.М. Данилюка для сложных случаев градостроительной ситуации; изменение методики учета света, отраженного от соседних зданий; усовершенствование расчета коэффициента светопропускания светопроемов; нормирование и расчет естественного освещения увязаны с инсоляцией и солнцезащитой помещений; узаконена возможность применения для естественного освещения специальных отражающих систем и полых световодов.
В рамках данной статьи рассматриваются лишь изменения, которые имеют принципиальное значение при расчетах КЕО.
В МСН 2.04-05 учет светового климата осуществляется на стадии нормирования КЕО и учитывается коэффициентом светового климата т1Р зависящим от географической широты и ориентации окна:
= ен • тN (1)
где ек - нормативное значение КЕО для рассматриваемого помещения при расчетных условиях, %; ен - нормативное значение КЕО для рассматриваемого типа помещения при стандартных условиях, %.
Этот коэффициент учитывает относительную яркость неба, видимого из окна рассчитываемого помещения, и автоматически его значение переносится и на фасады всех зданий, которые находятся перед этим окном. Но здание, которое затеняет окно, имеет другую, часто противоположную ориентацию; для него нужно брать другое значение тк
Поэтому было решено перенести учет влияния географической широты и ориентации из нормирования КЕО в его расчет:
1
т =
т
N
(2)
Разрез 1-1
при этом принимая соответствующие значения т отдельно для окна и фасадов противоположных зданий.
В этом случае нормативные значения КЕО принимаются в зависимости от назначения помещений по характеру зрительной работы в них, а формулы для расчета КЕО будут иметь вид: а) при боковом освещении:
( I 1
4=
Ч»=1 У=1
б) при верхнем освещении:
т0
(3)
I I
;=1 N
У-1
(4)
Рис. 2. Определение количества лучей и для расчета относительной яркости противостоящего здания
* N '
где ^„6,-, - геометрические КЕО в расчетной точке, учитывающие соответственно прямой свет от г-го участка неба и свет, отраженный от j-го фасада противоположного здания;
- коэффициент, учитывающий неравномерную яркость г-го участка облачного неба; Я - коэффициент, учитывающий относительную яркость j-го фасада противоположного здания; т, т] - соответственно коэффициенты светового климата расчетного светопроема и j-го фасада противоположного здания; I, / - соответственно количество отдельных расчетных участков неба и фасадов противоположных зданий, наблюдаемых через светопроем из расчетной точки; г1, г2, - коэффициенты, учитывающие повышение КЕО за счет света, отраженного от внутренних поверхностей помещения; т0 - общий коэффициент светопропускания светопроема; Кз - коэффициент запаса; Кф - коэффициент, учитывающий тип фонаря; N - количество расчетных точек по характерному разрезу помещения.
В отличие от методики МСН 2.04-05 формула (4) позволяет учитывать затенение светопроемов верхнего света окружающими зданиями.
Одним из наиболее существенных недостатков ДБН В.2.5-28 являлось необоснованное разделение территории Украины только на два светоклиматических района: один район включал Одесскую область и Крым, другой - всю остальную территорию Украины. В [1] было разработано более детальное светоклимати-ческое районирование территории Украины. Однако оно проводилось на основе имеющихся на то время климатических данных. С введением в действие ДСТУ-Н Б В.1.1-27:2010 «Строительная климатология» это районирование необходимо было уточнить.
В основу районирования было положено допущение о световом эквиваленте между значениями энергетической и световой освещенности. Светоклиматические районы определяли в зависимости от значений суммарной годовой горизонтальной освещенности при реальных условиях облачности. Было выделено четыре светоклиматических района, при этом для удобства проектантов границы районов совмещены с границами областей (рис. 1). Это позволило учесть влияние географической широты и облачности.
Для определения влияния ориентации светопроемов и фасадов противоположных зданий использовали уже значения энергетической освещенности вертикальных плоскостей только рассеянным светом, так как при расчете КЕО не учитывается прямой солнечный свет. При этом по требованию гигиенистов в качестве исходного значения был принят коэффициент светового климата для вертикального окна южной ориентации
62013
55
Доклады V Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
Ц M .1
Научно-технический и производственный журнал
Светоклиматический район Значение коэффициента светового климата т для светопроемов и фасадов, ориентированных на:
С С-В В Ю-В Ю Ю-З З С-З Зенит
1 0,95 0,98 1,02 1,04 1,05 1,04 1,02 0,98 1,01
II 1 1,04 1,09 1,11 1,12 1,12 1,1 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 1,3 1,22 1,27
в IV районе т=1,33. Для зенитных фонарей значения m являются средними значениями m по всем ориентациям в соответствующих районах (см. таблицу).
При расположении светопроемов в плоскостях, наклоненных к горизонту под углом а, значение m определяется по формуле: т^а +т2(90 - а)
т=-
90
(5)
где m, - коэффициент светового климата для вертикального светопроема соответствующей ориентации в данном районе; m2 - коэффициент светового климата для светового проема, ориентированного на зенит, в данном районе.
В основу разработанной в Изменении № 2 методики расчета относительной яркости противоположного здания был положен метод, предложенный в [3] и адаптированный для использования привычного для проектантов инструментария. Считается, что противоположное здание освещается только светом неба без учета света, отраженного от земной поверхности и фасадов соседних зданий. В случае, когда есть только два здания: одно - в котором рассчитывается освещенность, и второе - противоположное, значение относительной освещенности Еф участка фасада противоположного здания, видимого из расчетной точки (РТ), будет:
(6)
где Епр - геометрический КЕО центра тяжести участка фасада противостоящего здания, наблюдаемого из РТ через светопро-ем от части неба, затеняемой зданием, в котором рассчитывается освещенность; q - относительная яркость части неба, от которой рассчитывается Ещ,.
Согласно закону Ламберта яркость участка противоположного здания равна:
, (7)
71
где Рф - средневзвешенный коэффициент светоотражения участка фасада противостоящего здания, видимого из расчетной точки.
После подстановки (7) в (6) и упрощения формула (6) принимает вид:
R = (0,396 - 0,01ЕпрЧ)рф. (8)
Геометрический КЕО Епр может быть определен по формуле:
епр=0,01и1//л^/ (9)
при помощи графиков А.М. Данилюка, как показано на рис. 2.
Если фасад противоположного здания затеняется не только зданием, в котором рассчитывается освещенность, но и другими домами, коэффициент R определяется по формуле:
Л=[0,396-0,01Хещ)^рф, (10)
где K - количество зданий, затеняющих фасад противоположного здания.
Расчет относительной яркости противоположного здания по формулам (9)-(10) дает более обоснованные значения этого коэф-
фициента по сравнению с табличными значениями в ДБН В.2.5-28.
В существовавшей методике расчета общего коэффициента светопропускания светопроема то потеря света в рамах светопроема учитывалась коэффициентом т2, значение которого принималось в зависимости от вида рамы (деревянная или металлическая, одинарная, спаренная или раздельная). При этом вообще не рассматривались металлопластиковые рамы, которые сейчас наиболее распространены в строительстве. Анализ влияния рамы на светопропускание светопроема показывает, что коэффициент т2 зависит в первую очередь не от материала рамы, а от размера светопроема: в маленьком окне рама занимает больший процент площади проема по сравнению с большим окном. Особенно это относится к металлопластиковым рамам, так как они производятся из стандартного профиля. Поэтому в Изменении № 2 принято определять значение т2 по формуле:
12=
s0-sp
(11)
где S - площадь светопроема (в свету); Sp - площадь части светопроема, затеняемой рамой.
Введение в действие Изменения № 2 ДБН В.2.5-28 частично исправляет принятую методику нормирования и расчета естественного освещения, но не 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 [5]. Изменение критериев нормирования естественного освещения нуждается в определении их необходимых значений и полной замены нормативной методики расчета. Это требует дальнейших исследований.
Список литературы
1. Сгорченков В.О. Свггловий ^мат УкраУни // Будiвництво УкраУни. 2005. № 2. С. 21-23.
2. Пугачов С. В. Розвиток архтектурноУ св^лологп в УкраУж // Вюник Нац. ун-ту водн. госп. 2007. Вип. 4(40). С. 319-325.
3. Пугачов С.В. Метод наближеного розрахунку св^ла, вщбитого фасадом в примщення // Прикл. геометpiя та шж. графка : мiжвiд. наук.-техн. зб. 2009. Вип. 82. С. 42-46.
4. Сергейчук О.В. Геометричн питання удосконалення нормативно': методики розрахунку природного освгглення примщень: Науковi нотатки. Мiжвузiвський збipник. Сучасн проблеми геом. моделювання. Ч. 1. Луцьк: ЛДТУ, 2008. С. 308-313.
5. Бахарев Д.В., Зимович И.А., Зимович М.А. О результатах теоретического анализа эмпирической методики расчета естественного освещения методами компьютерного моделирования // Прикл. геометpiя та Ыж. графка : мiжвiд. наук.-техн. зб. 2009. Вип. 82. С. 268-273.
