Основные светотехнические величины. Совершенство производственного освещения характеризуется количественными и качественными показателями.
К количественным показателям относятся: световой поток F, лм; сила света I, кд; яркость, кд/м2; освещенность Е, лк; коэффициент отражения ρ, безразмерный.
Световой поток F определяется, как мощность лучистой энергии, оцениваемой по световому ощущению, которое оно производит на человеческий глаз. За единицу светового потока принимается люмен (лм).
Световой поток определяется как величина не только физическая, но и физиологическая, поскольку ее изменение основано на зрительном восприятии.
Все источники света, в томчисле и осветительные приборы, излучают световой поток в пространство неравномерно, поэтому вводится величина пространственной плотности светового потока – сила света I, которая представляет собой отношение светового потока к телесному углу, в пределах которого световой поток распространяется и равномерно распределяется:
,
где Iα – сила света под углом α; dF – световой поток, равномерно распределяющийся в пределах телесного угла dω.
За единицу силы света принята кандела (кд).
Освещенность Е – плотность светового потока на освещаемой поверхности:
,
где dS – площадь поверхности, на которую падает световой поток dS.
За единицу освещенности принят люкс (лк).
Яркостью поверхности L в данном направлении называется отношение силы света, излучаемого поверхностью в этом направлении, к проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению:
,
где dLα – сила света, излучаемого поверхностью dS в направлении α.
Коэффициент отражения ρ характеризует способность поверхности отражать падающий на нее световой поток. Определяется как отношение отраженного от поверхности светового потока FОТР к падающему на нее световому потоку FПАД:
.
К качественным показателямотносятся: фон, контраст объекта с фоном, видимость, показатель ослепленности, коэффициент пульсации освещенности.
Фон – поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения, на которой он рассматривается. Фон характеризуется коэффициентом отражения, зависящим от цвета и фактуры поверхности, значение которого лежит в пределах от 0,02 до 0,95. При коэффициенте отражения поверхности более 0,4 фон считается светлым; от 0,2 до 0,4 – средним; менее 0,2 – темным.
Контраст объекта с фоном К характеризуется отношением яркостей рассматриваемого объекта (точка, линия, знак и др. элементы, которые требуется различить в процессе работы) и фона. Контраст определяется по формуле:
,
где Lф и LО – яркость соответственно фона и объекта.
Контраст объекта с фоном считается большим при значениях К>0,5 (объект и фон резко отличаются по яркости}, средним при значениях 0,2<1≤0,5 (объект и фон заметно отличаются по яркости) и малым при значениях К≤0,2 (объект и фон мало отличаются по яркости).
Видимость V характеризует способность глаза воспринимать объект и зависит от освещенности, размера объекта, его яркости, контраста объекта с фоном, длительности экспозиции. Определяется по формуле:
,
где К - контраст объекта с фоном; КПОР – пороговый контраст, т. е. наименьший различимый глазом контраст, при небольшом уменьшении которого объект становится неразличимым.
Показатель ослепленности Р – это критерий оценки слепящего действия, создаваемого осветительной установкой, значение которого определяется по формуле:
P = (S -1) . 1000,
где Р - показатель ослепленности; S – коэффициент ослепленности, равный V1/V2, где V 1 и V2 – видимость объекта наблюдения соответственно при
экранировании и при наличии блеских источников в поле зрения.
Коэффициент пульсации освещенности КП – критерий оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока газоразрядных ламп при питании их переменным током.
Коэффициент пульсации освещенности выражается в процентах и рассчитывается по формуле:
,
где ЕМАХ, EМlN и ЕСР – максимальное, минимальное и среднее значения освещенности за период ее колебания, лк.
Основные требования к производственному освещению. Создание благоприятных условий труда, исключающих быстрое утoмление зрения, возникновение несчастных случаев и способствующих повышению производительности труда, возможно только с помощью осветительной установкой, отвечающей следующим требованиям.
1. Освещенность на рабочем месте должна соответствовать зрительным условиям труда согласно гигиеническим нормам. Увеличение освещенности рабочей поверхности улучшает видимость объектов за счет повышения их яркости, увеличивает скорость различения объектов, что сказывается на росте производительности труда.
2. Необходимо обеспечить достаточно равномерное распределение яркости на рабочей поверхности, а также в пределах окружающего пространства. Если в поле зрения находятся поверхности, значительно отличающиеся между собой по яркости, то при переводе взгляда с ярко освещенной на слабо освещенную поверхность глаз вынужден переадаптироваться, что ведет к утомлению зрения.
3. На рабочей поверхности должны отсутствовать резкие тени. Наличие резких теней создает неравномерное распределение яркостей в поле зрения, искажает размеры и форму объектов различения, в результате повышается утомление, снижается производительность труда.
4. В поле зрения должна отсутствовать прямая и отраженная блескость – повышенная яркость светящихся поверхностей, вызывающая нарушение зрительной функции (ослепленность). Прямая блескость создается поверхностями источников света, отраженная – поверхностями с большим коэффициентом отражения или отражением по направлению к глазу.
5. Величина освещенности должна быть постоянной во времени. Колебания освещенности каждый раз вызывают переадаптацию глаза и ведут к значительному переутомлению.
6. Следует выбирать оптимальную направленности светового потока, что позволяет в одних случаях рассмотреть внутренние поверхности деталей, в других – различить peльефнocть элементов рабочей поверхности.
7. Следует выбирать необходимый спектральный состав света. Это требование особенно существенно для обеспечения правильной цветопередачи, а в отдельных случаях – для усиления цветовых контрастов.
8. Осветительная установка не должна быть источником дополнительных опасностей и вредностей. Необходимо сводить до минимума тепловыделения, излучаемый шум, опасность поражения током и пожароопасность.
9. Установка должна быть удобной, надежной и простой в эксплуатации.
Виды производственного освещения. В зависимости от источника света производственное освещение может быть двух видов: естественное – создаваемое непосредственно солнечным диском и диффузным светом небесного излучения; искусственное – создаваемое электрическими лампами.
Естественное освещение положительно влияет не только на зрение, но также тонизирует организм человека в целом и оказывает благоприятное психологическое воздействие. В связи с этим все помещения в соответствии с санитарными нормами и правилами должны иметь естественное освещение. Исключение составляют производства, где естественное освещение нарушает технологический процесс (фотолаборатории и пр.).
По конструктивным особенностям естественное освещение подразделяется на:
- боковое – осуществляется через окна в наружных стенах или через прозрачные части стен;
- верхнее – осуществляется через световые проемы, устраиваемые в покрытии или через аэрационные фонари;
- комбинированное – к верхнему освещению добавляется боковое.
Нормирование естественного освещения. Естественное освещение характеризуется тем, что создаваемая в помещении освещенность изменяется в чрезвычайно широких пределах. Эти изменения обуславливаются временем дня, временем года, метеорологическими факторами (состоянием облачности) и отражающими свойствами земного покрова. Поэтому в отличие от искусственного естественное освещение нельзя количественно задавать величиной освещенности в люксах. В качестве нормируемой величины для естественного освещения принята относительная величина – коэффициент естественной освещенности (КЕО):
,
где е – коэффициент естеcтвeнной освещенности; Ев – освещенность внутри помещения, лк; Ен – одновременная освещенность рассеянным светом снаружи, лк.
Для каждого производственного помещения строится кривая значений КЕО в характерном сечении (поперечный разрез, посредине помещения, перпендикулярный плоскости световых проемов), который характеризует светотехнические качества помещения.
Достаточность естественного освещения в прмещениях регламентируется нормами СНиП П-А.8-72. Нормированное значение КЕО еН с учетом характера зрительной работы, системы освещения, географического района расположения здания определяется по формуле:
(10)
где е – значение КЕО, определяемое по таблице норм в зависимости от разряда зрительной работы и вида освещения (верхнее, боковое или комбинированное); с – коэффициент солнечности, определяемый по таблице норм в зависимости от ориентации здания относительно сторон света; m – коэффициент светового климата, определяемый по таблице норм в зависимости от географического района расположения здания.
Кроме количественного показателя КЕО, нормируется качественная характеристика – неравномерность естественного освещения (соотношение максимального и минимального значений КЕО в пределах характерного разреза помещения). Неравномерность не должна превышать 2:1 для работ I и II разрядов, 3:1 – для работ III и IV разрядов.
Искусственное освещение предусматривается в помещениях, в которых недостаточно естественного света или для освещения помещения в те часы суток, когда естественный свет отсутствует.
По конструктивному исполнению искусственное освещение может быть следующих видов: общее, местное, комбинированное.
Общее освещение применяется, когда требуется создать освещение по всей площади производственного помещения. Общее освещение подразделяется на общее равномерное освещение (при равномерном распределении светового потока без учета расположения оборудования) и общее локализованное освещение (при распределении светового потока с учетом расположения рабочих мест).
Местное освещение предназначено для создания требуемой освещенности только зоны производства работ и осуществляется стационарными или переносными осветительными приборами. Применение только местного освещения внутри здания не допускается.
Сочетание местного и общего освещения носит название комбинированного освещения.
По функциональному назначению искусственное освещение подразделяется на следующие виды: рабочее, аварийное, специальное.
Рабочее освещение обязательно во всех помещениях и на освещаемых территориях для обеспечения нормальной работы, прохода людей и движения транспорта. При погасании рабочего освещения временное продолжение работы обеспечивается аварийным освещением.
Аварийное освещение для продолжения работы надлежит устраивать в тех случаях, когда внезапное отключение рабочего освещения (при аварии) и связанное с этим нарушение нормального обслуживания может вызвать взрыв, пожар, отравление людей, длительное нарушение технологического процесса, нарушение работы таких объектов, как электрические станции, диспетчерские пункты, насосные установки водоснабжения и других производственных помещений, в которых недопустимо прекращение работ.
Питание светильников аварийного освещения осуществляется от независимого источника электроэнергии, напряжение на котором сохраняется при исчезновении его на других источниках (трансформаторы, питаемые от двух электростанций, аккумуляторные батареи и пр.).
Аварийное освещение для эвакуации (освещение безопасности) предусматривается в производственных помещениях при наличии опасности возникновения травматизма для эвакуации людей из помещения. Устраивается в местах, опасных для прохода, на лестничных клетках, в производственных помещениях с числом работающих более 50 человек. Оно должно обеспечивать наименьшую освещенность по линии основных проходов в помещении не менее 0,5 лк, а на открытых территориях - 0,2 лк.
К специальным видам освещения и облучения относят: охранное, дежурное, бактерицидное, эритемное.
Для охранного освещения площадок предприятий и дежурного освещения помещений следует по возможности выделять часть светильников рабочего и аварийного освещения.
Установки эритемного (искусственного ультрафиолетового) облучения должны предусматриваться в первую очередь на промышленных предприятиях, расположенных за Северным Полярным кругом, а также в средней полосе при отсутствии или недостаточности естественного освещения.
Бактерицидное облучение применяется для обеззараживания воздуха в производственных помещениях, питьевой воде, продуктах питания. Наибольшей бактерицидной эффективностью обладает ультрафиолетовое излучение с длинами волн 0,254-0,257 мкм, создаваемое специальными лампами.
Нормирование искусственного освещения. В действующих нормах искусственного освещения в производственных помещениях задаются как количественные характеристики (величина минимальной освещенности, допустимая яркость), так и качественные (показатель ослепленности, глубина пульсации освещенности), которые важны для создания нормальных условий труда.
Для освещения производственных помещений в первую очередь следует применять газоразрядные лампы независимо от принятой системы освещения в связи с большим преимуществом их перед лампами накаливания экономического и светотехнического характера. Использование ламп накаливания допускается только в случаях невозможности применения газоразрядных ламп.
Основной нормируемый параметр – освещенность. Величина минимальной освещенности устанавливается согласно условиям зрительной работы, которые определяются наименьшим' размером объекта различения, контрастом объекта с фоном и характеристиками фона.
Повышение освещенности следует предусматривать также в помещениях с недостаточным по нормам естественным светом, если он составляет 80% нормируемого значения.
Нормами также ограничивается: яркость рабочей поверхности, показатель ослепленности, глубина пульсации освещенности при освещении производственных помещений газоразрядными лампы, питаемыми переменным током промышленной частоты 50 Гц.
Источники искусственноrо света. При сравнении источников света друг с другом и при их выборе учитываются следующие характеристики: 1) электрические характеристики (номинальное напряжение и электрическая мощность лампы); 2) светотехнические характеристики (световой поток, излучаемый лампой (лм), и максимальная сила света, которая задается для некоторых ламп вместо светового потока (в свечах)); 3) экономические и эксплуатационные характеристики (световая отдача лампы (лм/Вт), срок службы); 4) конструктивные характеристики (форма колбы лампы; форма тела накала; наличие и состав газа, заполняющего колбу лампы; давление газа).
В качестве источников света для освещения промышленных предприятий в настоящее время применяются лампы накаливания и газоразрядные лампы.
Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения и пока еще являются распространенными источниками света. Это объясняется их следующими достоинствами: 1) они удобны в эксплуатации; 2) не требуют дополнительных устройств для включения в сеть; 3) малое время разгорания; 4) просты в изготовлении.
Наряду с отмеченными достоинствами лампы накаливания имеют и существенные недостатки: 1) у них низкая световая отдача (от 7 до 20 лм/Вт); 2) сравнительно малый срок службы (1000 часов); 3) в спектре преобладают желтыe и красные лучи, что сильно отличает их спектральный состав от солнечного света, искажает цветопередачу и делает невозможным выполнение целого ряда работ.
Газоразрядные лампы – это приборы, в которых излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов, паров металлов и их смесей.
Современные газоразрядные лампы имеют ряд преимуществ перед лампами накаливания: 1)большая световая отдача - от 50 до 100 лм/Вт; 2) значительно больший срок службы - 8 000 - 14 000 часов; 3) от газоразрядных ламп можно получить световой поток практически в любой части спектра, подбирая соответствующим образом инертные газы и пары металлов, в атмосфере которых происходит разряд.
Газоразрядные лампы имеют и ряд существенных недостатков: 1) пульсация светового потока, вызывающая стробоскопический эффект, который проявляется в искажении зрительного восприятия объектов различения (вместо одного предмета видны изображения нескольких, искажается направление и скорость движения). Пульсация светового потока ухудшает условия зрительной работы, а стробоскопический эффект ведет к увеличению опасности травматизма. для стабилизации светового потока у большинства газоразрядных ламп необходимо последовательно включать балластное устройство в виде активного, емкостного или индуктивного сопротивления; 2) напряжение зажигания у газоразрядных ламп обычно значительно выше напряжения сети, поэтому для включения ламп приходится применять пусковые приспособления; 3) у некоторых типов ламп период разгорания может длиться до 10-15 минут; в течение этого периода изменяются электрические и светотехнические характеристики лампы; 4) газоразрядные лампы могут создавать радиопомехи, исключение которых также требует специальных устройств.
Задача 1. Рассчитать общее освещение лампами накаливания цеха механической обработки деталей. Работы относятся к категории высокой точности. Фон (деталь) средний, контраст малый. Длина помещения 24 м, ширина 12 м, высота 4 м. Стены и потолок окрашены в светлые тона. Допустимое содержание пыли в воздухе рабочей зоны 6 мг/м3.
Решение.
1. Высота подвеса светильников:
(м),
где Н – высота помещения, м; hр – высота рабочей поверхности, м; hс – расстояние от потолка до нижней кромки светильника, м; рекомендуется принимать hс = 0,2.(Н-hр).
2. Наибольшее расстояние между светильниками:
(м).
3. Минимально необходимое количество светильников:
(шт),
где S – площадь помещения, м2.
При расположении светильников в 3 ряда целесообразно принять 7 светильников в ряду, тогда:
(шт).
4. Индекс для прямоугольного помещения:
,
где А, В – длина и высота помещения, м.
Принимаем к установке светильник «Астра», коэффициенты отражения стен примем rС = 30, коэффициенты отражения потолка примем rП = 50 (табл. 4.6).
Коэффициент использования светового потока η для индекса 3,0, rС = 30, rП = 50 составляет 62%, в долях единицы η = 0,62 (табл. 4.9).
5. Необходимый световой поток одной лампы:
(лм),
где Ен – минимальная нормируемая освещенность, лк (табл. 4.10); z – коэффициент неравномерности освещения (принимается в пределах 1,15-1,3); Кз – коэффициент запаса, учитывающий снижение светового потока ламп в процессе эксплуатации (табл. 4.7).
По табл. 4.8 определяем, что заданным условиям лучше всего удовлетворяет лампа НГ-500 со световым потоком 8300 лм. Проверим процент отклонения от необходимого светового потока: [(8300-8649) . 100]/8300 = -4,2 (%), что допустимо.
5. Затраты электроэнергии на освещение:
Вт = 10,5 кВт
Вывод: при освещении помещения светильниками «Астра» с лампами накаливания НГ-5000 необходимо установить 21 светильник, расположив их в 3 ряда по 7 светильников. Затраты электроэнергии на освещение составят 10,5 кВт.
Задача 2. Для условий предыдущей задачи рассчитать общее освещение люминесцентными лампами. Сравнить два варианта освещения по затратам электроэнергии.
Решение.
1. Примем для установки светильники типа ЛДОР с двумя лампами ЛБ-80 в светильнике.
2. Коэффициент использования светового потока при индексе помещения 3,0, rС = 30, rП =50 составляет 55%, в долях единицы η = 0,55.
3. Необходимый световой поток для освещения всего помещения:
(лм)
Световой поток одной лампы ЛБ-80 составляет 5220 лм, двух ламп (светильника): 5220 . 2 = 10440 лм.
4. Необходимое количество светильников:
(шт)
Примем 30 штук. Светильники расположим в 3 ряда по 10 штук в ряду.
5. Затраты электроэнергии на освещение:
Вт = 4,8 кВт
Вывод: при освещении помещения светильниками ЛДОР с газоразрядными лампами ЛБ-80 по 2 лампы в каждом светильнике необходимо установить 30 светильников, расположив их в 3 ряда по 10 светильников в ряду. Затраты электроэнергии на освещение составят 4,8 кВт. По расходу электроэнергии данный вариант более экономичный.
Варианты заданий для расчета производственного освещения приведены в таблице 4.11.
Вопросы для самоконтроля
1. Перечислите количественные и качественные показатели освещения.
2. Какие требования предъявляются к производственному освещению?
3. Какие нормируемые величины естественного освещения вы знаете?
4. На какие виды подразделяется искусственное освещение по конструктивному исполнению?
5. На какие виды подразделяется искусственное освещение по функциональному назначению?
6. Какие специальные виды искусственного освещения вы знаете?
7. Назовите основной нормируемый параметр искусственного освещения.
8. Каковы достоинства и недостатки ламп накаливания?
9. В чем преимущество газоразрядных ламп по сравнению с лампами накаливания?
10. Каковы недостатки газоразрядных ламп?
Таблица 4.6
Ориентировочные значения коэффициентов отражения
потолка rп и стен rс производственных помещений
| Состояние потолка | rп, % | Состояние стен | rс, % |
| Свежепобеленный | Свежепобеленные с окнами, закрытыми белыми шторами | ||
| Побеленный в сырых помещениях | Свежепобеленные с окнами без штор | ||
| Чистый бетон | Бетон с окнами | ||
| Светлый деревянный (окрашенный) | Оклеенные светлыми обоями | ||
| Бетонный грязный | Грязные | ||
| Деревянный неокрашенный | Кирпичные неоштукатуренные | ||
| Грязный | С грязными обоями |
Таблица 4.7
Коэффициент запаса для расчета освещенности
| Помещения, содержащие в воздухе пыль, дым, копоть | Тип помещения | Коэффициент запаса для ламп | |
| Газоразряд-ных | Накалива-ния | ||
| Менее 1 мг/м3 | Цехи инструментальные, сборочные, механические, механосборочные, пошивочные, рабочие комнаты, кабинеты | 1,5 | 1,3 |
| От 1 до 5 мг/м3 | Цехи кузнечные, литейные, мартеновские, сварочные, сборного железобетона | 1,8 | 1,5 |
| Более 5 мг/м3 | Аглофабрики, обрубные отделения литейных цехов, цементные заводы | 1,7 |
Таблица 4.8
Световые характеристики ламп для напряжения
осветительной сети 220 В
| Лампы | |||
| Накаливания | Люминесцентные | ||
| Тип лампы | Световой поток, лм | Тип лампы | Световой поток, лм |
| НВ-15 НВ-25 НБ-40 НБ-40 НБ-60 НБ-100 НГ-150 НГ-200 НГ-300 НГ-500 НГ-750 НГ-1000 | ЛДЦ-20 ЛД-20 ЛБ-20 ЛДЦ-30 ЛД-30 ЛБ-30 ЛБЦ-40 ЛД-40 ЛБ-40 ЛДЦ-65 ЛД-65 ЛБ-65 ЛДЦ-80 ЛД-80 ЛБ-80 |
Таблица 4.9