Создание оптимальной световой среды

Освещение – это использование световой энергии Солнца и искусственных источников света для обеспечения зрительного восприятия окружающего мира.

Около 90% всей информации о внешнем мире человек получает зрительным путем, поэтому главной задачей производственного освещения является создание наилучших условий для видения.

В производственных помещениях предусматривается естественное, искусственное и совмещенное освещение. Помещения с постоянным пребыванием персонала должны иметь естественное освещение. При работе в темное время в производственных помещениях используют искусственное освещение. В случаях выполнения работ наивысшей точности применяют совмещенное освещение.

В свою очередь, естественное освещение в зависимости от расположения световых проемов (фонарей) может быть боковым, верхним и комбинированным. Искусственное освещение бывает общим (при равномерном освещении помещения, см. рис. 65,А), локализованным (при расположении источников света с учетом размещения рабочих мест), см. рис. 65,Б), комбинированным (сочетание общего и местного освещения, см. рис. 65,В). Помимо этого, выделяют аварийное освещение (включаемое при внезапном отключении рабочего освещения).

Рис. 65. Системы искусственного освещения: А – общее равномерное; Б – общее локализованное; В – комбинированное (общее и местное)

Аварийное освещение должно обеспечивать освещенность не менее 2 лк внутри здания.

В соответствии со строительными нормами и правилами СНиП 23–05–95* «Нормы проектирования. Естественное и искусственное освещение» освещение должно обеспечить: санитарные нормы освещенности на рабочих местах, равномерную яркость в поле зрения, отсутствие резких теней и блескости, постоянство освещенности по времени и правильность направления светового потока. Освещенность на рабочих местах и в производственных помещениях должна контролироваться не реже одного раза в год. Для измерения освещенности используется объективный люксметр. Принцип работы люксметра основан на измерении с помощью миллиамперметра тока от фотоэлемента, на который падает световой поток. Отклонение стрелки миллиамперметра пропорционально освещенности фотоэлемента. Миллиамперметр проградуирован в люксах.

Фактическая освещенность в производственном помещении должна быть больше
на 10–15% или строго равна нормативной освещенности. При несоблюдении требований к освещению развивается утомление зрения, понижается общая работоспособность и производительность труда, возрастает количество брака и опасность производственного травматизма. Низкая освещенность способствует развитию близорукости. Изменения освещенности вызывают частую переадаптацию, ведущую к развитию утомления зрения. Блескость вызывает ослепленность, утомление зрения и может привести к несчастным случаям.

В современных осветительных установках, предназначенных для освещения производственных помещений, в качестве источников света применяют лампы накаливания, галогенные и газоразрядные.

Рис. 66. Устройство лампы накаливания

Лампы накаливания. Свечение в этих лампах возникает в результате нагрева вольфрамовой нити до высокой температуры (рис. 66). Промышленность выпускает различные типы ламп накаливания: вакуумные (маркируются буквой В), газонаполненные (Г) (наполнитель – смесь аргона и азота), биспиральные (Б), с криптоновым наполнением (К). Лампы накаливания просты в изготовлении, удобны в эксплуатации, не требуют дополнительных устройств для включения в сеть. Недостатки этих ламп: малая световая отдача – от 7 до 20 лм/Вт при большой яркости нити накала; низкий КПД, равный 10–13%; срок службы – 1500 ч. Лампы дают непрерывный спектр, отличающийся от спектра дневного света преобладанием желтых и красных лучей, что в какой-то степени искажает восприятие человеком цветов окружающих предметов. В силу перечисленных недостатков лампы накаливания имеют ограниченное применение.

В частности, на производстве лампы накаливания применяют:

- для аварийного и эвакуационного освещения;

- в помещениях, для питания освещения которых допускается напряжение не более 42 В;

- в помещениях с кратковременным пребыванием людей;

- для местного освещения;

- в случаях, когда применение газоразрядных ламп невозможно по технологическим причинам (высокая температура воздуха, вибрация).

Галогенные лампы накаливания наряду с вольфрамовой нитью содержат в колбе пары того или иного галогена (например, йода), который повышает температуру накала нити и практически исключает испарение. Они имеют более продолжительный срок службы
(до 3000 ч) и более высокую светоотдачу (до 30 лм/Вт).

Рис. 67. Принцип люминесцентной лампы

Газоразрядные лампы излучают свет в результате электрических разрядов в парах газа. На внутреннюю поверхность колбы нанесен слой светящегося вещества – люминофора, трансформирующего электрические разряды в видимый свет. Различают газоразрядные лампы низкого (люминесцентные) и высокого давления.

Люминесцентные лампы представляют собой разрядные источники света низкого давления, в которых ультрафиолетовое (УФ) излучение ртутного разряда преобразуется люминофором в видимое излучение (рис. 67). Колба лампы заполнена инертным газом – аргон-криптоновой смесью. В качестве люминофора, как правило, применяется галофосфат кальция, активированный сурьмой и марганцем. Подбирая состав люминофоров, можно создать излучение любого спектра.

Люминесцентные лампысоздают в производственных и других помещениях искусственный свет, приближающийся к естественному, более экономичны в сравнении с другими лампами и создают освещение, более благоприятное с гигиенической точки зрения.

К другим преимуществам люминесцентных ламп относятся больший срок службы
(12 000 ч) и высокая световая отдача, достигающая для ламп некоторых видов 75 лм/Вт, то есть они в 2,5–3 раза экономичнее ламп накаливания. Свечение происходит со всей поверхности трубки, а следовательно, яркость и слепящее действие люминесцентных ламп значительно ниже, чем у ламп накаливания. Низкая температура поверхности колбы (около 5°С) делает лампу относительно пожаробезопасной.

Несмотря на ряд преимуществ, люминесцентное освещение имеет и некоторые недостатки. К ним относятся: пульсация светового потока, вызывающая стробоскопический эффект (искажение зрительного восприятия объектов различения, когда вместо одного предмета видны изображения нескольких и искажается направление и скорость движения); дорогостоящая и относительно сложная схема включения, требующая регулирующих пусковых устройств (дросселей, стартеров); значительная отраженная блесткость; чувствительность к колебаниям температуры окружающей среды (оптимальная температура 20–25°С) – понижение и повышение температуры вызывает уменьшение светового потока.

В зависимости от состава люминофора и особенностей конструкции различают несколько типов люминесцентных ламп, с соответствующей маркировкой: ЛБ – лампы белого света, ЛД – лампы дневного света, ЛТБ – лампы тепло-белого света, ЛХБ – лампы холодного света, ЛДЦ – лампы дневного света правильной цветопередачи. Наиболее универсальны лампы ЛБ. Лампы ЛХБ, ЛД и особенно ЛДЦ применяются в случаях, когда выполняемая работа предполагает цветоразличение. Наиболее приближаются к солнечному свету по цветопередаче лампы ЛДЦ – лампы дневного света с улучшенной цветопередачей и ЛЕ – лампы естественного света. После марки на лампе указывается числовое значение потребляемой электрической мощности этой лампы в Вт, например ЛБ40, ЛДЦ80.

Уже к 2013 году США планируют полностью отказаться от ламп накаливания (их просто не будут производить и продавать) и перейти на энергосберегающие (компактные люминесцентные лампы – КЛЛ). Чуть позже это ждёт и остальные страны. «Переход на новые лампы позволит только в Москве снизить расход электроэнергии на 2,5 млрд. кВт/ч», – подсчитал Юлиан Айзенберг, доктор технических наук, профессор, главный редактор журнала «Светотехника». Он утверждает, что за час работы лампа накаливания 100 Вт использует 100 Вт электроэнергии, а энергосберегающая – 20 Вт и при этом даёт больше света. За срок службы она генерирует в 60–80 раз больше световой энергии, чем «лампочка Ильича». Не говоря уже о том, что за время службы одной КЛЛ перегорят 10 обычных. По данным
Ю. Айзенберга, мы существенно отстаём от остального мира: если сегодня в Китае на 100 жителей уже приходится 80 энергосберегающих ламп, а в Европе – 35–40, то на 100 россиян – всего 2–3 (статья из номера: АИФ № 21 от 20 мая 2009 г.).

Всемирная организация здравоохранения, со ссылкой на министерства здравоохранения Канады и Великобритании, заявила, что энергосберегающие лампы вовсе не безопасны: в них содержится высокотоксичная ртуть, а радиационный фон и электромагнитное излучение равны тем, что возникают при свете ультрафиолета. В Европе, например, отработавшие своё энергосберегающие лампы собирают в специальные контейнеры для токсичных отходов.

Для производственных целей широко используются также ртутные лампы (РЛ) высокого давления, такие как ДРЛ – дуговые ртутные люминесцентные и ДРИ – дуговые ртутные лампы с излучающими добавками (иодида натрия, индия, теллурия).

Принцип действия лампы ДРЛ основан на преобразовании УФ излучения ртутного разряда высокого давления при помощи люминофора в видимое излучение. ДРЛ могут использоваться без люминофора, поскольку в спектре более 50% излучения составляет видимое излучение, около 40% – УФ. Однако это приводит к сильному искажению цвета предметов, особенно человеческой кожи, вследствие отсутствия излучения в оранжево-красной части спектра.

Недостатком ламп ДРЛ является присутствие в спектре некоторой доли УФ излучения, что может неблагоприятно сказаться на состоянии здоровья работающих. Качество цветопередачи ламп типа ДРЛ намного хуже, чем у ЛЛ. Световая отдача составляет 50–60 лм/Вт. Кроме того, лампы ДРЛ вызывают большую пульсацию светового потока (63–74%). На их зажигание влияет температура окружающей среды и снижение напряжения сети. Также стоит проблема утилизации этих ламп.

Основные области применения: наружное освещение, освещение промышленных предприятий высотой 3–5 м, не требующих высокого качества цветопередачи.

Ведутся разработки по созданию мощных ламп, дающих спектр, близкий к спектру естественного света. Такими источниками являются дуговая кварцевая лампа ДКсТ, выполненная из кварцевого стекла и наполненная ксеноном под большим давлением, и натриевые лампы (ДНаТ). Это лампы с цветопередачей, их мощность составляет 1–2 кВт. Такие лампы можно применять для освещения производственных помещений высотой более 10 м.

Для освещения помещений, как правило, следует предусматривать газоразрядные лампы низкого и высокого давления. В случае необходимости допускается использование ламп накаливания. Источники света выбирают с учетом рекомендаций СНиП. Для искусственного освещения нормируемый параметр – освещенность. СНиП устанавливают минимальные уровни освещенности рабочих поверхностей в зависимости от точности зрительной работы, контраста объекта и фона, яркости фона, системы освещения и типа используемых ламп.

При выборе источников искусственного освещения должны учитываться их электрические, светотехнические, конструктивные, эксплуатационные и экономические показатели.

Для освещения производственных помещений используются светильники, представляющие собой совокупность источника и арматуры.

Арматура служит для перераспределения светового потока, защиты работающих от ослепленности, а источника от загрязнения.

Основными характеристиками арматуры являются: кривая распределения силы света, защитный угол и коэффициент полезного действия.

В зависимости от светового потока, излучаемого светильником в нижнюю полусферу, различают светильники: прямого света (п), у которых световой поток, направленный в нижнюю сферу, составляет более 80%; преимущественно прямого света (Н) 60–80%; рассеянного света (Р) 40–60%; преимущественно отраженного света (В) 20–40%; отраженного света (О) менее 20%. На рис. 68 показаны некоторые виды светильников.

По форме кривой распределения силы света в вертикальной плоскости светильники разделяют на семь классов: Д, Л, Ш, М, С, Г, К (рис. 69).

Защитный угол светильника характеризует угол, который обеспечивает светильник для защиты работающих от ослепленности источником (рис. 70).

Рис. 68. Светильники: а – «Универсалы» (прямого света); б – типа ПУ-200; в – ПУ-100; г – типа ВЗГ (взрывобезопасный, газонаполненный); д – «Глубокоизлучатель» (прямого света); е – «Люцетта» (рассеянного света); ж – «Молочный шар» (рассеянного света); з – потолочный ПСХ; и – типа ОД (подвесной открытый дневного света со сплошными отражателями); к – типа ПВЛ (пылевлагозащитный, люминесцентный)	Рис. 69. Кривые распределения силы света светильника: К – концентрированная; Г – глубокая; Д – косинусная; Л – полуширокая; Ш – широкая; М – равномерная; С – синусная

Рис. 70. Защитный угол: а – создаваемый отражателем; б – создаваемый экранирующей решеткой

Расчет искусственного освещения производственного помещения ведется в следующей последовательности.

1. Выбор типа источников света. В зависимости от конкретных условий в производственном помещении (температура воздуха, особенности технологического процесса и его требований к освещению), а также светотехнических, электрических и других характеристик источников выбирается нужный тип источников света.

2. Выбор системы освещения. При однородных рабочих местах, равномерном размещении оборудования в помещении принимается общее освещение. Если оборудование громоздкое, рабочие места с разными требованиями к освещению расположены неравномерно, то используется локализованная система освещения. При высокой точности выполняемых работ, наличии требования к направленности освещения применяется комбинированная система (сочетание общего и местного освещения).

Рис. 71. Схемы размещения светильников: а – равномерное; б – шахматное; в – прямоугольное; г – рядами; д – параметры размещения светильника: Н – высота помещения; h – расчетная высота; hp – высота рабочей поверхности над полом; hc – расстояние светильника от перекрытия

3. Выбор типа светильника. С учетом потребного распределения силы света, загрязненности воздуха, пожаровзрывоопасности воздуха в помещении подбирается арматура.

4. Размещение светильников в помещении. Светильники с лампами накаливания можно располагать на потолочном перекрытии в шахматном порядке, по вершинам квадратных полей, рядами. Светильники с люминесцентными лампами располагают рядами. Схемы размещения светильников приведены на рис. 71. При выборе схемы размещения светильников необходимо учитывать энергетические, экономические, светотехнические характеристики схем размещения. Так, высота подвеса h и расстояние между светильниками l связаны с экономическим показателем схемы размещения λ _Э зависимостью λ _Э = l/h. С помощью справочных таблиц выбирается целесообразная схема размещения светильников.

На основании принятой схемы размещения светильников определяется их потребное количество.

5. Определение потребной освещенности рабочих мест. Нормирование освещенности производится в соответствии со СНиП 23–05–95*, как это было изложено выше.

6. Расчет характеристик источника света. Для расчета общего равномерного освещения применяется метод коэффициента использования светового потока, а расчет освещенности общего локализованного и местного освещения производится с помощью точечного метода.

При расчете требуемого светового потока источников света F методом коэффициента использования применяется формула

,

где Е_Н – нормативная освещенность, лк; S – освещаемая площадь, м²; Z – коэффициент допустимой неравномерности освещенности в пространстве: Z = E_ср/E _min ≈ 1,1–1,5;
К – коэффициент запаса, учитывающий ухудшение характеристик источников при
эксплуатации; N – число светильников; η– коэффициент использования светового потока.

Коэффициент использования определяется по индексу помещения i_n и коэффициентам отражения потока, стен и пола по специальной таблице.

Индекс помещения рассчитывается по формуле

_,

где а и b – длина и ширина помещения; h – высота подвеса светильников.

Рис. 72. К расчету освещенности точечным методом

В расчете освещенности точечным методом используется формула

_,

где – нормативная сила света на данную точку поверхности, кд;
r – расстояние от источника до точки поверхности, м; α – угол, образованный нормалью к освещаемой поверхности и падающим на поверхности лучом (рис. 72).

Для ориентировочного расчета мощности потребного источника используется метод удельных мощностей. Мощность источника определяется по формуле

_,

где Р – потребная удельная мощность осветительных приборов на единицу освещаемой поверхности, Вт/м²;

S – площадь освещаемой поверхности, м²;

N – принятое число светильников.

После определения характеристики потребного источника освещения подбирается стандартный источник. Его характеристика может иметь отклонения в пределах от –10% до +20% от расчетной.

Естественное освещение создается солнечным светом через световые проемы. Для определения потребных площадей световых проемов используются зависимости:

– для бокового освещения (площадь окон)

_,

– для верхнего освещения (площадь световых фонарей)

,

где S_п – площадь пола, м; е_н – нормативное значение КЕО; h_о, h_ф – световая характеристика соответственно окон и фонарей; К – коэффициент учета затенения окон противоположными зданиями; r ₁, r ₂ – коэффициенты, учитывающие повышение КЕО при боковом и верхнем освещении благодаря свету, отраженному от поверхностей помещения; τ₀ – общий коэффициент светопропускания светопроемов.

В основе расчета КЕО лежит зависимость его от прямого света небосвода и света, отраженного от поверхностей зданий и помещений. Так, при боковом освещении

,

где , E_зд – геометрические коэффициенты освещенности от небосвода и противоположного здания; q – коэффициент учета неравномерной яркости небосвода; К – коэффициент учета относительной яркости противостоящего здания; – коэффициент светопропускания световых проемов; r ₁ – коэффициент учета роста КЕО за счет отражения света от поверхностей помещения.

Рис. 73. К определению числа участков небосвода видимых по высоте светового проема (а) и по его ширине (б)

Геометрические коэффициенты освещенности определяются графически по методу Данилюка путем подсчета числа участников (секторов) небосвода, видимых в светопроеме в вертикальной и горизонтальной плоскости n ₁, n ₂ (рис. 73).

КЕО определяется для характерных точек помещения. При одностороннем боковом освещении принимается точка, расположенная на расстоянии 1 м от стены, наиболее удаленной от световых проемов. При двустороннем боковом освещении определяется КЕО в точке посредине помещения.

Кроме того, применяются аварийное, эвакуационное, охранное, сигнальное освещение, а также специальное, например эритемное для помещений в районах Крайнего Севера.

Цветовое оформление оборудования и производственного помещения. В производственной среде цвет используется как средство информации и ориентации, как фактор психологического комфорта и как композиционное средство. Цвет оказывает влияние на работоспособность человека, на утомление, ориентировку, реакцию. Холодные цвета (голубой, зеленый, желтый) действуют успокаивающе на человека, теплые цвета (красный, оранжевый) действуют возбуждающе. Темные цвета оказывают угнетающее действие на психику.

При выборе цвета, цветовом оформлении интерьера нужно руководствоваться указаниями по рациональной цветовой отделке поверхностей производственных помещений и технологического оборудования ГОСТ Р 12.4.026–2001.

Цветовое решение интерьера характеризуется цветовой гаммой, цветовым контрастом, количеством цвета и коэффициентами отражения.

Цветовая гамма – это совокупность цветов, принятая для цветового решения интерьера.

Она может быть теплой, холодной и нейтральной. Для литейных, кузнечных, термических цехов целесообразна холодная цветовая гамма.

Цветовой контраст – это мера различия цветов по их яркости и цветовому тону.

Цветовой контраст может быть большим, средним и малым.

Количество цвета – это степень цветового ощущения, зависящая от цветового тона, насыщенности цвета объекта и фона, от соотношения их яркостей и угловых размеров.

При выборе цветового решения интерьеров нужно учитывать категорию работы, ее точность, санитарно-гигиенические условия. Значительная роль в интерьере принадлежит выбору коэффициентов отражения (Р) поверхностей.

Потолки помещений окрашиваются в белый цвет или близкие к белому цвету. В светлые тона окрашиваются фермы, перекрытия. Нижняя часть стен окрашивается в спокойные тона (светло-зеленый, светло-синий). Металлорежущие станки окрашиваются в светло-зеленый цвет, литейное оборудование – в бежевый, термическое – в серебристый, транспортные механизмы – в зеленый.

Согласно ГОСТ Р 12.4.026–2001 «Цвета сигнальные, знаки безопасности и разметка сигнальная. Назначения и правила применения. Общие технические требования и характеристики. Методы и испытания», красный цвет используется для предупреждения о явной опасности, запрещении, желтый предупреждает об опасности, обращает внимание, зеленый цвет означает предписание, безопасность, синий – информацию.

В желтый цвет окрашиваются тележки, электрокары, подъемные механизмы – желтыми полосами на черном фоне, противопожарное оборудование – в красный цвет. В различные цвета окрашиваются трубопроводы, баллоны: воздуховоды – в голубой, водопроводы для технической воды – в черный, маслопроводы – в коричневый, баллоны для кислорода – в голубой, баллоны для углекислого газа – в черный.