Расчет естественного освещения

1 Расчет естественного освещения

1.1 Светотехнические характеристики и единицы измерения

Для характеристики света применяются определенные светотех­нические понятия и величины.

Часто приходится наблюдать явления, которые связаны с дей­ствием источников энергии, расположенных на значительном рас­стоянии. В подобных случаях передача энергии происходит посредством лучеиспускания. Такая энергия называется лучистой. Она распро­страняется в пространстве прямолинейно в виде электромагнит­ных колебаний, называемых электромагнитными волнами. Для из­мерения длин волн ? видимого участка спектра применяются доле­вые значения основной единицы длины — метра: 1 микрон (мкм) равен 10^-6 м; 1 нанометр (нм) равен 10^-9 м; 1 ангстрем ( А ) равен 10^-10 м.

Мощность лучистой энергии называется лучистым потоком, ко­торый представляет собой количество лучистой энергии, переноси­мой в единицу времени. Измеряется он в ваттах (Вт). Человеческий глаз воспринимает лучистую энергию в пределах длин волн от 380 до 760 нм. Этот участок спектра электромагнитных колебаний на­зывается видимым участком спектра. Действуя на глаз, он вызыва­ет ощущение света. Действие отдельных частей видимого участка спектра при определенных соотношениях воспринимается глазом как белый свет. К ним относится излучение дневного рассеянного света неба, солнца и др.

Чувствительность глаза к излучению разных длин волн видимо­го участка спектра неодинакова. Называется она спектральной чувствительностью глаза. Наибольшую чувствительность нормаль­ный человеческий глаз имеет к желто-зеленому излучению, длина волны которого равна 556 нм. Мощность лучистой энергии, характеризующаяся производимым ею световым ощущением, называется световым потоком. За еди­ницу светового потока принят люмен (лм). Люмен — это световой поток, испускаемый платиновой пластинкой с площадью 0,5305 мм² при температуре затвердевания 2042°К (по Кельвину). Для измере­ния больших значений светового потока применяется килолюмен, который равен 1000 лм.

Распределение светового потока в пространстве характеризуется его пространственной плотностью, определяемой количеством све­тового потока, приходящегося на единицу телесного угла. Прост­ранственная плотность светового потока называется силой света. За единицу силы света принята такая пространственная плотность светового потока, когда в пределах телесного угла в 1 ст (стера­диан) равномерно распространяется световой поток в 1 лм. Эта единица света называется свечой (св). Стерадиан — единица измере­ния телесного угла. Он равен телесному углу, вырезывающему на поверхности сферы радиусом R площадь, численно равную квадрату радиуса данной сферы r².

Поверхностная плотность падающего светового потока называ­ется освещенностью. Ее характеризует количество светового по­тока, приходящегося на единицу поверхности. Если падающий све­товой поток равномерно распределяется на поверхности, то осве­щенность Е равна

где F_пад — световой поток в лм;

S — площадь поверхности, на которую падает световой поток.

Освещенность, создаваемая равномерно распределенным свето­вым потоком в 1 лм на поверхности в 1 м², называется люксом (лк). Люкс принимают за единицу освещенности. Освещенный предмет будет тем лучше виден, чем большую силу света получает каждый элемент поверхности.

Отношение силы света, излучаемого в рассматриваемом направ­лении, к площади светящей плоскости называется яркостью. Из­меряя силу света в свечах и проекции светящей поверхности в квад­ратных метрах, получаем яркость, выраженную в свечах на 1 м². Эта единица называется нитом (нт). Яркостью в 1 нт обладает рав­номерно светящаяся плоская поверхность, излучающая в перпен­дикулярном к ней направлении свет силой в 1 св с 1 м².

Таким образом, основными световыми величинами являются световой поток, сила света, освещенность и яркость.

1.2 Виды естественного освещения

Естественное освещение — освещение помещений пря­мым или отраженным светом, проникающим че­рез световые проемы в наружных ограждающих конструкциях. Естественное освещение должно предусматриваться, как правило, в помещениях с постоянным пребыванием людей. Без естествен­ного освещения допускается проектировать от­дельные виды производственных помещений сог­ласно Санитарным нормам проектирования про­мышленных предприятий.

Различают следующие виды естественного освещения помещений:

• боковое одностороннее — когда световые проемы расположены в одной из наружных стен помещения,

• боковое — световые проемы в двух противо­положных наружных стенах помещения,

• верхнее — когда фонари и световые проемы в покрытии, а также световые проемы в стенах перепада высот здания,

• комбинированное — световые проемы, предус­мотренные для бокового (верхнее и боковое) и верхнего освещения.

1.3 Принцип нормирования естественного освещения

Естественное освещение используется для общего освещения производственных и подсобных помещений. Оно создается лучистой энергией солнца и на организм человека действует наиболее бла­гоприятно. Используя этот вид освещения, следует учитывать ме­теорологические условия и их изменения в течение суток и перио­дов года в данной местности. Это необходимо для того, чтобы знать, какое количество естественного света будет попадать в поме­щение через устраиваемые световые проемы здания: окна — при боковом освещении, световые фонари верхних перекрытий здания — при верхнем освещении. При комбинированном естественном осве­щении к верхнему освещению добавляется боковое.

Помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь естественное освещение. Установленные расчетом размеры световых проемов допускается изменять на +5, -10%.

Неравномерность естественного освещения помещений производственных и общественных зданий с верхним или верхним и естественным боковым освещением и основных помещений для детей и подростков при боковом освещении не должна превышать 3:1.

Качество освещения естественным светом характеризуется коэф­фициентом естественной освещенности к_ео, который представляет собой отношение освещенности на горизонтальной поверхности внутри помещения к одновременной горизонтальной освещенности снаружи,

,

где Е_в — горизонтальная освещенность внутри помещения в лк;

Е_н — горизонтальная освещенность снаружи в лк.

При боковом освещении нормируется минимальное значение коэффициента естественной освещенности — к_{ео мин}, а при верхнем и комбинированном освещении — среднее его значение — к_{ео ср}. Способ расчета коэффициента естественной освещенности приведен в Санитарных нормах проектирования промышленных предприя­тий.

С целью создания наиболее благоприятных условий труда уста­новлены нормы естественной освещенности. В тех случаях когда естественная освещенность недостаточна, рабочие поверхности должны дополнительно освещаться искусственным светом. Смешан­ное освещение допускается при условии дополнительного освещения только рабочих поверхностей при общем естественном освещении.

Строительными нормами и правилами (СНиП 23-05-95) коэф­фициенты естественной освещенности производственных помещений установлены в зависимости от характера работы по степени точ­ности (табл. 1).

Для поддержания необходимой освещенности помещений норма­ми предусматривается обязательная очистка окон и световых фона­рей от 3 раз в год до 4 раз в месяц. Кроме того, следует система­тически очищать стены, оборудование и окрашивать их в светлые цвета.

Таблица 1 - Коэффициенты естественной освещенности для производственных помещений

Для определения соответствия естественной освещенности в производственном помещении требуемым нормам освещенность измеряют при верхнем и комбинированном освещении—в раз­личных точках помещения с последующим усреднением; при бо­ковом— на наименее освещенных рабочих местах. Одновремен­но измеряют наружную освещенность и определенный расчет­ным путем К.Е.О. сравнивают с нормативным.

1.4 Расчет бокового одностороннего естественного освещения в производственном помещении.

Целью расчета естественного освещения является определение площади световых проемов, то есть количества и геометрических размеров окон, обеспечивающих нормированное значение КЕО.

1.4.1 Определение нормированного значения К.Е.О.

Нормированное значение коэффициента естественной освещенности вычислим по формуле:

где – номер группы административно-территориального района по обеспеченности естественным светом. Для заданного города (г. Москва) принимаем N=1.

- значение коэффициента естественной освещенности, выбираемое по СНиП 23-05-95 в зависимости от характеристики зрительных работ в данном помещении и системы естественного освещения. Для заданного II разряда принимаем

- коэффициент светового климата, который находится по таблицам СНиП в зависимости от вида световых проемов, их ориентации по сторонам горизонта и номера группы административного района. Принимаем для расчета

%

1.4.2 Определение суммарной площади световых проемов.

При боковом одностороннем освещении суммарная площадь световых проемов определяется по формуле:

, [м²]

где S₀ – суммарная площадь всех световых проемов, м²;

S_П – площадь пола помещения, м²;

e_N – нормированное значение К.Е.О.

?₀ – световая характеристика окна, определяется по таблицам СНиП на основании отношений L_П/В и В/h₁:

; ?₀=18

К₃ – коэффициент запаса, учитывающий загрязнение светопропускающего материала светового проема, зависит от типа помещения и от расположения стекол. При вертикальном расположении К₃=1,2;

К_3Д – коэффициент, учитывающий затемнение окон противостоящими зданиями. При отсутствии противостоящих зданий К_3Д=1;

r₁ – коэффициент, учитывающий отраженный свет. Принимаем r₁=1,2;

?₀ – общий коэффициент светопропускания светового проема.

Вычислим суммарную площадь световых проемов:

1.4.3 Определение количества световых проемов

Площадь одного светового проема

м²

Тогда, количество световых проемов вычислим по формуле:

Вывод: для обеспечения уровня достаточной освещенности данного помещения, необходимы 8 световых проемов общей площадью 37,44 м².

2 Расчет системы заземления

Рассчитать систему заземления, выполненную вертикальными стальными стержнями d=0,06 м. Коэффициент сезонности К=1. Длина стрежня l=4,5 м, длина соединительной стальной полосы l_пол.=21 м, удельное сопротивление грунта (гравий) =2000 Ом/м, коэффициент использования заземления =0,66, глубина заложения стержня t_в=0,6 м.

Таблица 2.1 Удельное сопротивление грунта

Таблица 2.2 Значение сезонных повышающих коэффициентов

1. Принята допустимая величина R_з?4 Ом (Электроустановки напряжением до 1000 В с заземленной и изолированной нейтралью или при мощности установок более 10 кВ?А)

2. Ом/м

3. Сопротивление естественного заземлителя R_е=14 Ом

4. Сопротивление искусственного заземлителя Ом

5. Определение сопротивления одиночного заземлителя Ом

1. Расстояние между заземлителями L=3 м

2. Периметр контура заземлителя: l_пол.=21 м

3. Число заземлителей:

4. Коэффициент использования заземлителей: _ст.=0,66

5. Определение сопротивления соединительной полосы R_n=Ом

_n=0.38

1. Определение сопротивления полосы с учетом _n: Ом

2. Определение общего сопротивления всех заземлитетлей6

Ом

1. Уточнение числа заземлителей:

Вывод: необходимое число заземлителей с изолированной нейтралью составляет 14 штук.

3 Защита от электромагнитного излучения (поля)

Источником излучения является генератор аэродромный РЛС дециметрового диапазона f= 2,1 ГГц. Рассеиваемая в пространстве мощность составляет P=6 Вт. Обслуживающий персонал должен находиться на расстоянии L=10 м от генератора. Найти радиус опасной зоны и определить требуемую эффективность экранирования помещений для защиты обслуживающего персонала.

3.1 ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭМП РАДИОЧАСТОТ

ЭМП радиочастот следует оценивать показателями интенсивности поля создаваемой им энергетической нагрузкой.

В диапазоне частот 60 кГц — 300 МГц интенсивность ЭМП характеризуется напряженностью электрического (Е) и магнитного (Н) полей, энергетическая нагрузка (ЭН) представляет собой произведение квадрата напряженности поля на время его воздействия. Энергетическая нагрузка, создаваемая электрическим полем, равна , магнитным — .

В диапазоне частот 300 МГц — 300 ГТц интенсивность ЭМП характеризуется поверхностной плотностью потока энергии (далее плотность потока энергии — ППЭ), энергетическая нагрузка представляет собой произведение плотности потока энергии поля на время его воздействия .

1.2. Предельно допустимые значения Е и Н в диапазоне частот 60 кГц — 300 МГц на рабочих местах персонала следует определять, исходя из допустимой энергетической нагрузки и времени воздействия по формулам

; ,

где и — предельно допустимые значения напряженности электрического, В/м, и магнитного, А/м. Поля;

Т—время воздействия, ч;

и — предельно допустимое значение энергетической нагрузки в течение рабочего дня, ) и ).

Максимальные значения , и , указаны в таблице

Предельно допустимые значения ППЭ ЭМП в диапазоне частот 300 МГц — 300 ГГц следует определять исходя из допустимой энергетической нагрузки и времени воздействия по формуле

,

где — предельно допустимое значение плотности потока энергии, ;

— предельно допустимая величина энергетической нагрузки, равная ;

К — коэффициент ослабления биологической эффективности, равный:

1 — для всех случаев воздействия, исключая облучение от вращающихся и сканирующих антенн;

10 — для случаев облучения от вращающихся и сканирующих антенн с частотой вращения или сканирования не более 1 Гц и скважностью не менее 50;

Т — время пребывания в зоне облучения за рабочую смену, ч.

Во всех случаях максимальное значение не должно превышать ”.

В схеме - I) - зона индукции (ЭМ поле еще не сформировалось, электрич. и магнитное поля действуют отдельно); II) - переходная между I и III зонами; III) - зона излучения (волновая зона - где ЭМ поле сформировано). Радиус зоны индукции зависит от длины волны излучения:



Для токов промышленных частот размер II уходит на несколько десятков км. Начиная со сверхвысоких частот, зона индукции становится маленькой, волновая зона становится большой (человек оказывается в волновой зоне), и оценка идет по единой характеристике J. J = векторное произведение E на H; J - плотность потока энергии (ППЭ для нормативных документов).

Скорость и распространения электромагнитных волн является одной из фундаментальных физических постоянных.

Здесь ? и ? – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ?₀ и ?₀ – электрическая и магнитная постоянные: ?₀ = 8,85419·10^–12 Ф/м, ?₀ = 1,25664·10^–6 Гн/м.

Соотношения между другими параметрами волны: со скоростью волны (v) и частотой(f) ? = f/v= 21000/3*10⁸=7*10^-5 м

Тогда радиусы зон определяются так:

R_II- промежуточная.

Таблица. Нормы облучения УВЧ и СВЧ

Пространство, в котором напряженность электриче­ского поля равна 5 кВ/м и больше, принято называть опасной зоной или зоной влияния. Приближенно можно считать, что эта зона лежит в пределах круга с центром в точке расположения ближайшей токоведущей части, находящейся под напряжением, и радиусом R == 20 м для электроустановок 400—500 кВ и R = 30 м для электроустановок 750 кВ. На пересечениях ли­ний электропередачи сверхвысокого (400—750 кВ) и ульт­равысокого (1150 кВ) напряжения с железными и автомо­бильными дорогами устанавливаются специальные знаки безопасности, ограничивающие зоны влияния этих воздушных линий.

Таким образом, очевидно персонал находится в волновой опасной зоне.

3.2 Методы защиты от электромагнитных полей

Экранирование — наиболее эффективный способ за­щиты. Электромагнитное поле ослабляется экраном вследствие создания в толще его поля противоположного направления. Степень ослабления электромагнитного по­ля зависит от глубины проникновения высокочастотного тока в толщу экрана. Чем больше магнитная проницае­мость экрана и выше частота экранируемого поля, тем меньше глубина проникновения и необходимая толщина экрана. Экранируют либо источник излучений, либо ра­бочее место. Экраны бывают отражающие и поглощающие.

Для защиты работающих от электромагнитных излу­чений применяют заземленные экраны, кожухи, защит­ные козырьки, устанавливаемые на пути излучения. Средства защиты (экраны, кожухи) из радиопоглоща-ющих материалов выполняют в виде тонких резиновых ковриков, гибких или жестких листов поролона, ферро­магнитных пластин.

Зная характеристики металла, можно рассчитать толщину экрана S, мм, обеспечивающую заданное ослабление электромагнитных полей на данном расстоянии:

где ? = 2nf — угловая частота переменного тока, рад/с;

? — магнитная проницаемость металла защитного экра­на, Г/м; ? — электрическая проводимость металла экрана (Ом • м)'¹; Э_х—эффективность экранирования на рабочем месте, определяемая из выражения

Э_х = Н_х,/ Н_хэ

где Нх и Нхэ — максимальные значения напряженности магнитной составляющей поля на расстоянии х, м от источника соответственно без экрана и с экраном, А/м.

Напряженность Н_х может быть определена из выра­жения

Н_х = ??a^{2 ?}_m / 4x²

где ? и а — число витков и радиус катушки, м; ? — сила тока в катушке, А; х — расстояние от источника (катуш­ки) до рабочего места, м; ?_m — коэффициент, определя­емый соотношением х/а (при х/а > 10 ?_m = 1).

Эффективным средством защиты от воздействия электромагнитных излучений является экранирование источников излучения и рабочего места с помощью экранов, погло­щающих или отражающих электро­магнитную энергию. Выбор конст-рукции экранов зависит от характе­ра технологического процесса, мощ­ности источника, диапазона волн.

Отражающие экраны используют в основном для защиты от паразит­ных излучений (утечки из цепей в линиях передачи СВЧ-волн, из ка­тодных выводов магнетронов и дру­гих), а также в тех случаях, когда электромагнитная энергия не явля­ется помехой для работы генера­торной установки или радиолока­ционной станции. В остальных слу­чаях, как правило, применяются по­глощающие экраны.

Для изготовления отражающих экранов используются материалы с высокой электропроводностью, на­пример металлы (в виде сплошных стенок) или хлопчатобумажные тка­ни с металлической основой. Сплош­ные металлические экраны наибо­лее эффективны и уже при толщине 0,01 мм обеспечивают ослабление электромагнитного поля примерно на 50 В/м² (в 100 000 раз).

Для изготовления поглощающих экранов применяются материалы с плохой электропроводностью. По­глощающие экраны изготавливают­ся в виде прессованных листов ре­зины специального состава с кони­ческими сплошными или полыми шипами, а также в виде пластин из пористой резины, наполненной кар­бонильным железом, с впрессован­ной металлической сеткой. Эти ма­териалы приклеиваются на каркас или на поверхность излучающего оборудования.

Вывод: для безопасной работы персонала в течении рабочего дня (8 часов), находящимся на данном расстоянии от объекта ЭМИ необходимо использование поглощающих экранов с эффективным поглощением ЭМП в 2.5 раза (с 0,25 до 0,1 В / м²).

Список литературы

1. Минин Б.А. СВЧ и безопасность человека. - М., 1974.

2. Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов / СВ. Белов, А,В. Ильницкая, А.Ф. Козьяков и др.; Под общей редакцией С.В. Белова. -М.: Высшая школа, 1999.

3. Санитарные нормы и правила при работе с источниками электромагнитных полей высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот.

4. СНиП 23-05-95.