Научные основы повышения энергоэффективности систем верхнего естественного освещения промышленных зданий с применением теории светового поля

В России к концу XX в. сложился огромный фонд производственных зданий, которые в настоящее время во многих случаях совсем не используются, используются частично или для других целей. Но много зданий используются также по своему прямому назначению. При соответствующих экономических условиях возникнет необходимость в модернизации производства. При этом большая роль отводится реконструкции и перепрофилированию таких зданий. Новое строительство ведётся по качественно новым принципам, исключающим гигантоманию. Здания при этом должны быть экономичными как при строительстве, так и при эксплуатации. В связи с ростом стоимости энергии энергоэкономичность вновь строящихся и реконструируемых зданий становится одним из основных показателей качества. При этом системы естественного освещения, являясь элементами связи внешней и внутренней среды, играют главную роль в энергетическом балансе здания.

В современных крупных промышленных зданиях системы верхнего естественного освещения являются практически единственным средством обеспечить доступ дневного света с необходимыми количественными и качественными параметрами по всей площади производственных помещений. Комфортность внутренней среды в производственных помещениях в значительной степени зависит от условий естественного освещения. Искусственное освещение является дополнительным средством создания световой среды. Оно вынужденно заменяет естественный свет в темное время суток и в период сумерек, а также может дополнять естественный свет, изменять направленность световых потоков, увеличивать в случае необходимости, величину светового вектора и т. п. Естественный свет характеризуется также благоприятным психофизиологическим воздействием на человека.

Рост стоимости электроэнергии делает естественное освещение существенным экономическим фактором. Однако экономика естественного освещения определяется не только экономией энергоресурсов. Исследования, проводившиеся в нашей стране, показали, что хороший естественный свет в большей степени стимулирует рост производительности труда, чем аналогичное по качеству и уровням искусственное освещение. Велика роль естественного света и при создании благоприятной психо-физиологической обстановки в помещении.

Системы верхнего естественного освещения играют значительную роль в архитектурном оформлении интерьеров. Эстетическое качество интерьеров и внешней архитектуры здания в некоторых случаях, как например, в случае шедового покрытия, полностью определяется этой системой верхнего естественного света. Также и другие типы фонарей верхнего естественного света играют существенную роль в архитектуре зданий, могут служить средством создания определенного архитектурного образа интерьера и экстерьера.

В то же время системы верхнего естественного освещения производственных зданий являются одними из наиболее уязвимых элементов архитектурно-конструктивного решения. Они в большей степени подвергаются воздействию наружного и внутреннего загрязнения. Светопроемы, особенно в кровле, являются источниками значительных теплопотерь и теплопоступлений в здание.

Форма светопроемов, их аэродинамические характеристики, играют значительную роль в распределении снеговых нагрузок на покрытие, влияют на скопление пыли и снега. Фонари могут быть наиболее слабым местом покрытия с точки зрения протечек, неконтролируемой инфильтрации воздуха и т. п.

Все эти факторы делают проектирование систем верхнего естественного освещения весьма сложной задачей, связанной с оптимизацией их формы, размеров и размещения в покрытии. Именно эти факторы в значительной степени зависят от проектировщика. Однако полного совершенства таких систем можно достичь только соединяя оптимальное проектирование с высоким качеством изготовления остекления, переплетов, несущих конструкций и их сборки на строительной площадке.

Настоящая работа посвящается вопросам проектирования систем верхнего естественного освещения производственных зданий как при реконструкции, так и при новом строительстве, и в частности — некоторым аспектам, которые до настоящего времени не получили достаточного осмысления и внедрения в практику. Это применение теории светового поля к нормированию и проектированию верхнего естественного освещения и влияние автоматического регулирования совмещенного освещения на выбор таких систем.

Цель диссертации.

Разработка методов расчёта и проектирования энергоэффективных систем верхнего естественного освещения промышленных зданий на основе теории светового поля, современных способов учёта светового климата и совместного использования естественного и искусственного света.

Задачи работы. В соответствии с поставленной целью было необходимо решить следующий комплекс задач:

— проанализировать существующие методы расчёта естественной освещенности, их точность и применимость для проектирования;

— разработать метод учёта неравномерной яркости неба в расчётах естественного освещения зданий, основанный на среднестатистических условиях облачности, применимый для определения энергетической эффективности систем естественного освещения;

— уточнить методику учёта отраженного света при верхнем естественном освещенииразработать инженерный метод расчёта пространственных характеристик светового поля, применимый для проектирования естественного освещения зданий;

— разработать принципы отраслевого нормирования освещения по пространственным характеристикам светового поляпоказать преимущества пространственных характеристик по сравнению с горизонтальной освещенностью, используемой в существующих методикахвыявить наиболее рациональные системы автоматического регулирования искусственного освещения с точки зрения их применения при проектировании совмещенного освещения зданийусовершенствовать методику энергетической оценки систем естественного освещения и приспособить её к учёту автоматически регулируемого совмещенного освещения зданий;

— определить параметры систем естественного света, при которых автоматическое регулирование является наиболее эффективным;

— определить область эффективного применения инновационных систем естественного освещения с помощью полых трубчатых световодов, разработать методику расчёта КЕО для таких систем и показать на примерах эффективность таких устройств.

Актуальность работы заключается в том, что она решает одну из важнейших народнохозяйственных задач — задачу повышения энергетической эффективности промышленных зданий при создании систем освещения, обеспечивающих комфортную внутреннюю среду, условия для повышения производительности труда, экономию энергоресурсов и денежных затрат на устройство и эксплуатацию таких систем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— Разработан точный аналитический метод расчёта КЕО, позволяющий использовать для получения исходных данных строительные чертежи;

— использована теория светового поля для расчётов естественного освещения зданий;

— разработана методика нормирования освещения по пространственным характеристикам светового поля;

— разработан метод проектирования систем естественного освещения зданий с использованием пространственных характеристик светового поляразработана система нормирования естественного освещения производственных зданий с учётом минимума энергозатрат на освещение;

— предложены новые способы определения параметров систем верхнего естественного освещения при совмещенном и автоматически регулируемом освещении;

— разработан новый метод учёта светового климата при расчётах естественного освещения, приближающийся к реальным среднестатистическим условиям;

— предложен метод проектирования естественного освещения зданий с применением световодов, получена оценка таких систем с точки зрения экономии энергозатрат при эксплуатации зданий.

Практическая ценность работы:

— использование пространственных характеристик светового поля при проектировании естественного освещения зданий даёт возможность повысить качество естественного освещения и повысить энергетическую эффективность систем естественного света;

— методы расчёта и проектирования систем верхнего естественного освещения, новые и усовершенствованные в результате настоящей работы, доведены до возможности использования в инженерной практике;

— результаты диссертации позволяют усовершенствовать нормирование верхнего естественного освещения зданий, которое приведёт к экономии энергии на освещение при обеспечении комфорта внутренней среды;

Полученные в диссертации оптимальные соотношения между величинами искусственной освещенности и КЕО позволяют выбрать энергоэффективные системы верхнего естественного света при автоматически регулируемом совмещенном освещении;

— методика расчёта КЕО при использовании полых трубчатых световодов и методика определения их энергетической эффективности позволяют прогнозировать применение этих инновационных систем естественного освещения;

— новый метод учёта неравномерной яркости небосвода с учётом статистических условий облачности даёт возможность повысить точность расчёта энергетических затрат на освещение и в некоторых регионах значительно упрощает расчёты и обеспечивает переход к территориальному нормированию естественного освещения зданий.

Объектом исследования являются производственные здания с системами верхнего естественного освещения.

Предметом исследования являются методы расчета естественного освещения зданий, в том числе и с использованием пространственных характеристик светового поля, а также определение архитектурно-строительных решений систем верхнего естественного освещения, обеспечивающих минимум энергозатрат при их эксплуатации, как при обычных, так и при автоматически регулируемых системах освещения зданий.

Методы исследования.

В работе использован комплекс методов, включающий анализ проведенных ранее исследований, антитезис, включающий недостатки и неисследованные аспекты, и синтез в виде новых методов и предложений. Методы включают натурные, экспериментальные и теоретические исследования, в том числе компьютерное моделирование и методы математической статистики.

На защиту выносятся:

1. Совершенствование учета верхнерасположенных технологических коммуникаций при расчетах естественного освещения зданий.

2. Совершенствование учета загрязнения светопроемов верхнего света.

3. Классификация методов интеграции естественного и искусственного света в производственных зданиях системами верхних светопроемов.

1. Новый аналитический метод расчета КЕО, применимый для проектирования светопроемов в зданиях.

2. Новая система учета неравномерной яркости неба в расчетах КЕО при расчетах энергэффективности систем естественного освещения зданий.

3. Методика применения светового поля при проектировании естественного освещения зданий (предлагается впервые).

4. Методика определения требуемых значений пространственных характеристик светового поля для различных зрительных работ (предлагается впервые).

5. Точные математические и инженерные методы расчета пространственных характеристик светового поля при естественном освещении зданий (предлагаются впервые).

6. Рациональные системы естественного освещения и требуемые значения КЕО в зависимости от уровней искусственной освещенности при автоматическом регулировании (предлагается впервые).

7. Методика определения энергоэффективности систем верхних светопроевов по минимуму затрат энергии на освещение и на восполнение теплопотерь и ликвидацию теплопоступлений через светопроемы верхнего естественного света в зданиях.

8. Методика расчета КЕО при использовании полых трубчатых световодов, а также их энергетической эффективности (предлагается впервые).

Реализация научных исследований.

Исследования проводились в течение последних 40 лет, в том числе в рамках государственных программ, действовавших в период до 1990 г. Результаты работы внедрены в системах совмещенного освещения метизных цехов Череповецкого и Магнитогорского сталепрокатных заводов, в отделении спирализации Майли-Сайского электролампового завода, в цехах Московской обувной фабрики «Парижская комунна», а также в рабочих помещениях Проектного института «Кавказкурортпроект) г. Пятигорск.

Основные положения диссертационной работы использованы при создании Строительных норм и правил СНИП П-4−79 / М — 83 (Изменения и дополнения для условий МНР), при написании учебника «Физика среды» (гриф УМО), при написании монографии «Справочная книга по светотехнике», раздел «Естественное освещение зданий», а также при создании актуализированной редакции СНиП 23−05−95 «Естественное и искусственное освещение зданий».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

— На международных научно-технических конференциях «Строительство с оптимизированным энергетическим потенциалом», г. Ченстохов. Польша, 2003 и 2004 г.г.

— На 1-м международном симпозиуме Греческого Национального Комитета по Освещению, г. Афины. Греция, 2004 г.

— На семинаре ГОУ ВПО МГСУ в КВЦ Сокольники, г. Москва.

— На международной конференции «Энергосбережение в городской среде». Париж, ноябрь 2008 г.

— На международных русско-французских семинарах по энергоэффективности в посольстве Франции в РФ «» 2009 и 2010 г. г.

— На научных конференциях ГОУ ВПО МГСУ.

— На научных чтениях, посвященных памяти академика Г. Л. Осипова в МГСУ и НИИСФ в 2009 и 2010 г.г.

— На заседании кафедры Архитектуры гражданских и промышленных зданий ГОУ ВПО МГСУ.

Работа основана на обобщении мирового опыта в области строительной светотехники, и в первую очередь трудов таких крупных отечественных специалистов, как А. А. Гершун, Н. М. Гусев, В. В. Мешков, М. М. Епанешников, А. Е. Атаев, В. П. Будак, Н. Н. Киреев, Н. В. Оболенский, В. С. Федосихин, Х. Н. Нуретдинов, А. Н. Кондратенков, А. В. Спиридонов, В. А. Земцов, Д. В. Бахарев, а также таких крупных зарубежных ученых, как П. Мун, Д. Е. Спенсер, Р. Гопкинсон, Дж. Лонгмор, Е. Нееман, Ю. Крохманн и др.

Автор с особой признательностью хранит память о своих учителях покойных проф. В. М. Предтеченском, проф. Н. М. Гусеве и проф. Ю. Крохманне (ФРГ), имевших основные заслуги в становлении автора как научного работника.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ВЫВОДЫ.

1. Исследования показали, что классические математические выражения, полученные американскими учеными П. Муном и Д. Спенсер для определения естественной освещенности в помещениях с прямоугольными светопроемами, создают трудности для ввода данных со строительных чертежей (планов и разрезов). Поэтому были получены точные выражения для определения естественной освещенности, позволяющие для ввода данных пользоваться такими чертежами. Разработанные формулы позволяют вести точный расчет прямой составляющей КЕО при любом конхоидальном распределении яркости по небосводу.

2. Методика определения перехода от ясного неба к пасмурному через соотношение суммарной и диффузной горизонтальной освещенности позволяет включить в систему учёта светового климата среднестатистическое распределение яркости в конкретном районе строительства. Методика учета распределения яркости среднестатистического неба применима для расчетов времени использования естественного света при определении энергетической эффективности систем естественного освещения зданий. Однако полученные данные позволяют сделать предположение, что при достаточном обосновании в некоторых климатических районах возможно и при сравнительных расчетах КЕО отойти от допущения о пасмурном небе МКО и возвратиться к равнояркому небу, особенно для систем верхнего естественного света. Расчеты, проведенные для светового климата Москвы, показывают, что это не снизит точность расчетов, но значительно упростят их, приблизит результаты к действительности и увеличит градостроительные и архитектурные возможности проектировщиков.

3. Предложен и научно обоснован переход к проектированию естественного освещения зданий по пространственным характеристикам светового поля. С этой целью в диссертации разработаны точные формулы для расчета пространственных характеристик светового поля при естественном освещении от светопроемов прямоугольной формы при конхоидальном распределении яркости по небосводу. Они позволили путем их анализа прийти к выводу о том, что величины средней сферической и средней полусферической освещенности, а также величину модуля светового вектора, его угловой высоты и азимута можно рассчитывать приближенно инженерными методами с использованием графиков А. М. Данилюка. Это очень упрощает проектирование, делает его доступным для оперативной оценки проектных решений инженерами-строителями и архитекторами.

Для того чтобы учитывать влияние отраженного света от внутренних поверхностей помещения можно использовать ту же методику, что и при расчетах КЕО по СНиП при верхнем освещении. Для этого предложена таблица значений коэффициента г, учитывающего отраженный свет. При этом в отличие от таблицы СНиП, где даются значения г для всего помещения, значения г приводятся для расчетных точек помещения. Это позволяет учитывать значительное увеличение доли отраженного света вблизи стен. Значения коэффициентов г должны уточняться в дальнейших исследованиях.

4. Традиционное представление относительных величин пространственных характеристик светового поля (КЕСО, КЕПО, КЕЦО) неприменимо в проектировании естественного освещения. Единицы, предлагаемые автором — условные КЕСО, КЕПО, КЕЦО, являющиеся отношениями пространственных характеристик к наружной горизонтальной освещенности под открытым небом, позволяют связать эти единицы с относительной величиной модуля светового вектора и с КЕО в единую систему, удобную для проектирования. Кроме того, это позволяет использовать данные по световому климату различных районов строительства для определения энергетической эффективности систем естественного света, запроектированных по пространственным характеристикам светового поля.

5. Методика определения требуемых значений пространственных характеристик светового поля, а также контрастности освещения и направления светового вектора, предложенная автором, позволяет перейти к нормированию естественного освещения по пространственным характеристикам. Это дает возможность снизить требуемые уровни горизонтальной освещенности при улучшении видимости объектов различения. Следовательно, это позволяет значительно экономить энергию на осветительные цели. Кроме того, в дальнейшем это позволит перейти от двойного нормирования естественного освещения для бокового и верхнего освещения к единому нормированию.

6. Предложенный метод проектирования системы естественного освещения зданий с верхним и комбинированным освещением, рассмотренный на конкретном примере, принятом к внедрению в проектном институте «Гипронииэлектро» является шагом в направлении использования теории светового поля для проектирования систем естественного освещения зданий. Совершенствование метода, его упрощение позволят в дальнейшем более широко применять его в практике проектирования.

7. Экономия энергии за счет использования верхнего естественного освещения зданий достигается в основном за счет экономии электроэнергии на искусственное освещение путем устройства фонарей естественного света в покрытии. В то же время через остекление происходят повышенные потери тепла зимой и значительные теплопоступления летом. Это требует дополнительных расходов энергии на отопление, вентиляцию и охлаждение. Для сравнения различных систем верхнего естественного освещения хорошо подходит методика НИИСФ. Эта методика была дополнена автором формализацией расчета времени использования естественного света, которая позволяет с достаточной степенью точности вести расчеты с помощью ЭВМ и оценивать большое количество вариантов. Для этой цели была разработана программа ZATEN.

8. Проверка энергоэффективности Норм естественного освещения показала, что, например, для г. Архангельска энергетически оптимальными могут считаться КЕО только для разрядов зрительных работ 16, Пб, и Illa. Для остальных разрядов и подразрядов с точки зрения энергоэффективности нормируемые значения КЕО должны быть уменьшены, причем в некоторых случаях — более, чем в 2 раза. Эти значения рассчитаны и приведены в таблице. Эта же методика позволяет провести такое нормирование и для других светоклиматических районов.

9. Разработанная в диссертации методика определения энергозатрат при автоматическом регулировании дополнительного искусственного освещения позволяет определить для любых климатических условий, при каких соотношениях значений нормируемой искусственной освещенности и КЕО автоматическое регулирование будет наиболее эффективным. Расчеты показали, что во всех районах, независимо от климатических условий максимум экономии достигается при постоянном соотношении / е = 238. Эта величина может несколько уточняться в дальнейшем, но главный вывод заключается в том, что такое постоянное соотношение существует. Это позволяет соответствующим образом проектировать систему светопроемов верхнего света в зависимости от вида зрительной работы в здании.

10. В диссертации рассмотрены примеры проектирования систем естественного освещения зданий, которые показали, что при наличии АРСО можно отказаться от нормативного принципа равномерности распределения естественного света в помещениях с верхними светопроемами. При этом системы с неравномерным светораспределением могут оказаться более экономичными в том числе и с точки зрения экономии энергии на освещение. В рассмотренном примере эта экономия составляет 14%.

11. Предложенный автором метод расчета КЕО от световодов позволяет определять необходимое количество этих устройств для освещения помещений. При этом КЕО учитывает как диффузный свет неба, так и прямой солнечный свет. Поэтому в расчетах времени использования естественного света необходимо использовать данные о ходе не диффузной, а суммарной наружной естественной освещенности. Расчеты показали, что наибольшую эффективность дают световоды в сочетании с плавным АРСО. В рассмотренном примере экономия энергии только на электроосвещение составляет в июне и июле 59 — 58%, в марте и сентябре — соответственно 36 и 31%. В декабре и январе эта экономия минимальна — 4.7 -3.5%. Но главным достоинством является то, что в помещения, в которых не могут быть устроены обычные системы естественного света, будет доставляться естественный свет со всеми его основными преимуществами.

В заключение следует подчеркнуть, что данная диссертация открывает новое поле деятельности для молодых ученых по совершенствованию нормирования, расчета и проектирования естественного света в зданиях с системами верхнего естественного света.