И.В. Ершов, А.П. Кудря, К.А. Тимолянов

И.В. Ершов, А.П. Кудря, К.А. Тимолянов

Осветительные установки

Учебное пособие

Ростов-на-Дону, 2017

1. Основные понятия и место дисциплины в комплексе светотехнических дисциплин.

Осветительная установка (ОУ) (lighting installation) – комплексное светотехническое устройство, предназначенное для искусственного и (или) естественного освещения и состоящее из источника оптического излучения, осветительного прибора или светопропускающего устройства, освещаемого объекта (или группы), приемника излучения и вспомогательных элементов, обеспечивающих работу ОУ (провода, кабели, ПРА, управляющие устройства, узлы крепления и средства обслуживания).

Осветительный прибор (lighting fixture) – устройство, содержащее источник света (ИС) и осветительную арматуру, предназначенное для освещения.

1.1 Основные светотехнические дисциплины:

СВЕТОТЕХНИКА

Фотометрия

Источники оптического излучения

Световые приборы

Осветительные установки - нормирование ОУ - светотехнические расчеты ОУ - электрическая часть ОУ

Проектирование и эксплуатация осветительных установок - промышленное освещение - архитектурное освещение - освещение общественных зданий - наружное освещение

ПРА и системы управления освещением

Виды и системы освещения

Согласно СП 52.13330.2011 (СНиП 23-05-95*) различают естественное и искусственное освещение.

Естественное освещение (daylighting) – освещение помещений светом неба (прямым или отраженным), проникающим через световые проемы в наружных ограждающих проемах.

ЕО подразделяется на: боковое, верхнее и комбинированное (боковое и верхнее).

Коэффициент естественной освещенности (КЕО) – отношение освещенности, создаваемой в заданной точке плоскости внутри помещения светом неба (непосредственным или отраженным), к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности, создаваемой светом полностью открытого небосвода.

Искусственное освещение (artificial lighting) подразделяется на:

Искусственное освещение

рабочее (task lighting)

охранное (security lighting)

аварийное (emergency lighting)

дежурное

эвакуационное

резервное

По системам различают общее и комбинированное искусственное освещение (ИО).

Общее освещение (general lighting) – освещение при котором светильники (luminaire) размещаются в верхней зоне помещения равномерно (общее равномерное) или применительно к расположению оборудования (общее локализованное).

Местное освещение – освещение, дополнительное к общему, создаваемое светильниками, концентрирующими световой поток непосредственно на рабочих местах.

Комбинированное ИО – искусственное освещение, при котором к общему ИО добавляется местное.

Совмещенное освещение – освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным.

Основные светотехнические величины.

Световой поток (luminous flux) – мощность световой энергии, испускаемой во всех направлениях:

Сила света (luminous intensity) – световой поток излучения, приходящийся на единицу телесного угла:

Освещенность (illuminance) – световой поток, приходящийся на единицу поверхности:

Яркость (luminance) – отношение силы света в данном направлении к площади проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению.

Классы светильников по светораспределению

Класс светильника по светораспределению	Доля светового потока, направляемого в нижнюю полусферу, от всего светового потока светильника, %
Обозначение	Наименование
П	Прямого света	≥ 80
Н	Преимущественно прямого света	60 - 80
Р	Рассеянного света	40 - 60
В	Преимущественно отраженного света	20 - 40
О	Отраженного света	≤ 20

Типы КСС светильников

Тип кривой силы света	Зона направлений максимальной силы света	Коэффициент формы кривой силы света
Обозначение	Наименование
К	Концентрированная	0°-15°	К _ф ≥ 3
Г	Глубокая	0°-30°; 180°-150°	2 ≤ К _ф < 3
Д	Косинусная	0°-35°; 180°-145°	1, 3 ≤ К_ф < 2
Л	Полуширокая	35°-55°; 145°-125°	1, 3 ≤ К_ф
Ш	Широкая	55°-85°; 125°-95°	1, 3 ≤ К_ф
М	Равномерная	0°-180°	К _ф ≤ 1, 3, при этом I_min > 0, 4 I_max
С	Синусная	70°-90°; 110°-90°	1, 3 < К _ф, при этом I₀ < 0, 7 I_max

К_ф - коэффициент формы кривой силы света;

I₀ - значение силы света в направлении оптической оси светильника (0°);

I_min, I_max - минимальное и максимальное значения силы света.

Детализированные типовые КСС и поля допусков.

Примерный порядок расчета электрического освещения.

1. На основе анализа вида зрительных работ производится выбор вида и системы освещения, а также нормируемых значений освещенности (минимальная или средняя освещенность, средняя яркость дорожных покрытий) и качественных характеристик освещения (показатели ослепленности и дискомфорта, цилиндрическая освещенность, коэффициент пульсации освещенности).

2. На основе анализа данных об особенностях технологического процесса, сведений об условиях среды в помещениях и наружных установках, отнесения помещений и зон наружных установок к определенному классу взрывоопасности и электроопасности производится выбор типа светильников и применяемых в них ламп.

3. Оформление дизайн-проекта ОУ.

4. Светотехнический расчет осветительных установок, целью которого является определение числа осветительных приборов, их размещение и потребляемая мощность ОУ.

5. Проверка рассчитанной осветительной установки на соответствие нормативным требованиям к качеству освещения.

6. Проектирование электрической осветительной сети: выбор напряжения и источников питания; выбор схемы питания осветительных установок: защита сетей и управление освещением.

7. Расчет электрической осветительной сети: расчет нагрузок; выбор сечений проводов; расчет сетей дистанционного управления.

8. Исполнение осветительных сетей: выбор способа монтажа электропроводок и светильников; выбор электромонтажных материалов и изделий.

9. Рассмотрение вопросов охраны труда на стадии проектирования осветительных установок.

10. Оформление проекта осветительной установки.

Нормирование освещенности.

Для каждого из существующих видов освещения (рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное) в международной практике существуют свои нормы освещенности и правила проектирования ОУ.

При рабочем освещении нормативные значения искусственной освещенности устанавливаются исходя из точности и сложности зрительной работы. Точность зрительной работы определяется угловым размером и контрастом с фоном объекта различения.

Объект различения (тест-объект) – деталь рассматриваемого предмета, которую требуется различать в процессе работы (элемент резьбового соединения, отрезок проволоки, риска инструмента, линия на чертеже и т.д.)

Контраст плоского объекта различения с фоном определяется выражением:

;

где L_o – яркость объекта различения, L_ф – яркость фона.

При равномерно-диффузном отражении яркость пропорциональна освещенности, откуда:

;

где ρ – коэффициенты отражения.

Сложность зрительной работы при одинаковой точности определяется её продолжительностью, степенью разрешения зрительной задачи (обнаружение или различение), количеством объектов различения в поле зрения, ограничением времени обнаружения, возрастом работающих.

В основе российских и североамериканских норм лежит видимость объекта различения – равнояркого круга на равноярком фоне. В нормативных документах развитых стран принята классификация зрительных работ по точности. Угловые размеры объектов наблюдения (в угловых минутах) группируют по их линейным размерам, принимая расстояние от объекта до глаза равным 0, 35 – 0, 5 м, что позволяет принимать линейный размер 0, 1 мм эквивалентным угловому размеру 1’.

По точности зрительные работы делят на 8 разрядов. Например 1 - разряд наивысшей точности (эквивалентный размер объектов различения менее 0, 15 мм при расстоянии от него до глаз наблюдателя 330 мм).

В случае если объекты различения имеют протяженность, их эквивалентный размер определяется с помощью графического метода (рис.).

Контраст объекта различения с фоном считается:

- малым при k < 0, 2 (яркость объекта и фона мало различаются),

- средним при 0, 2 ≤ k ≤ 0, 5 (яркость объекта и фона заметно различаются),

- большим при k > 0, 5 (яркость объекта и фона резко различаются).

В российских нормах заложена вероятность обнаружения объектов зрительной задачи равная 0, 7.

Рабочие поверхности, являющиеся фоном, на котором объект различения зрительно обнаруживается и опознается, классифицируются по коэффициенту отражения на три группы:

- темные (ρ < 0, 2),

- средние (0, 2 ≤ ρ ≤ 0, 4),

- светлые (ρ > 0, 4).

При нормировании ОУ следует учитывать следующие 2 положения:

- В помещениях с постоянным пребыванием людей освещенность должна быть выше 200 лк, при освещенности ниже 200 лк освещение воспринимается как сумеречное.

- Для опознания человеческого лица требуется освещенность выше 20 лк, поэтому в помещениях даже с временным пребыванием людей освещенность должна быть более 20 лк.

Нормируемые значения освещенности в люксах выбираются из следующего ряда [СНиП 23-05-95*]:

0, 2; 0, 3; 0, 5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 10; 15; 20; 30; 50; 75; 100; 150; 200; 300; 400; 500; 600; 750; 1000; 1250; 1500; 2000; 2500; 3000; 3500; 4000; 4500; 5000. Каждое последующее значение освещенности отличается от предыдущего на одну ступень.

Освещение помещения и рабочих мест, находящихся в нем может быть выполнено либо системой общего освещения, либо системой комбинированного освещения. В российских нормах принято раздельное нормирование общего и комбинированного освещения.

Согласно СНиП 23-05-95* общее освещение может быть равномерным и локализованным. При локализованном общем освещении светильники располагаются неравномерно с учетом расположения рабочих мест, при этом в зонах, где отсутствуют рабочие места (проходы) допускается освещенность до 25% от нормируемой (но не менее 75 лк). Локализованное освещение является более энергоэкономичным, современные международные стандарты рекомендуют повсеместное применение общего локализованного освещения, относя нормы освещенности только к рабочим местам.

Нормируемая освещенность для зрительных работ различной точности но зарубежным и отечественным нормам и международному стандарту ISO.

Характеристика зрительной работы	Наименьший размер объекта различения, угловые минуты	Россия (СНиП 23-05-95*)	CIIIA (IESNA/ANSI/ASHRAE)	Велико-британия (CIBS/ BSCP3)	Международ-ный стандарт (ISO 8995)
Наивысшей точности	Менее 1	1250-5000	3000-10000	1000-2000	Более 2000
Очень высокой точности	От 1 до 3	750-4000	3000-10000	750-2000	1000 2000
Высокой точности	Свыше 3 до 5	400-3000	1000-3000	500-2000	750-1500
Средней точности	Свыше 5 до 10	200-1500		300-1500	500-1000
Малой точности	Свыше 10 до 50	200-750		200-1000	300-750
Грубая зрительная работа, постоянное пребывание людей в помещении	-	200-400		200-750	200-500
Временное пребывание работающих в помещении	-	50 -150		100-500	100-200
Помещения, используемые для прохода работающих	-	50-75		50-300	50 -150
Инженерные коммуникации, рабочие места вне зданий	-	20-30		20-50	20-50

Коэффициент запаса

Нормируемые значения освещенности являются теми значениями, ниже которых освещенность не должна опускаться ни в какой момент эксплуатации осветительной установки. Для учета снижения освещенности и КЕО в процессе эксплуатации систем освещения вводится коэффициент запаса, введенный выше. К₃зависит от содержания пыли и состояния среды в помещениях, частоты чисток светильников или остекления светопроемов, сменности работ на предприятии (1, 2 ≤ К₃≤ 2).

Энергоэкономичность

Основными нормируемыми параметрами являются удельная мощность w (Вт/м²) и световая отдача источника света η _л(лм/Вт).

Требования к энергоэкономичности систем ИО заключается в том, что удельная установленная мощность ИО не должна превышать некоторого усредненного значения.

Установленная мощность ИО зависит от световой отдачи источника света, КПД осветительного прибора, коэффициентов отражения от поверхностей, а также от габаритов помещения, характеризуемых индексом помещения:

;

Прямое слепящее действие.

В случае если в поле зрения находятся блеские источники света, они могут оказывать слепящее действие, снижая функции зрения, зрительную работоспособность, производительность труда, а также вызывая рост зрительного утомления.

Критерием оценки слепящего действия ОУ является показатель ослепленности:

;

где – коэффициент ослепленности.

V₁ – видимость объекта при наличии блеских источников в поле зрения

V₂ – видимость объекта при отсутствии блеских источников в поле зрения

k_пор.с – пороговый контраст при наличии блеских источников в поле зрения

Показатель ослепленности регламентируется нормами (СНиП 23-05-95* первая таблица) в зависимости от точности зрительной работы (более точным работам соответствуют меньшие значения P), при этом 10 ≤ P ≤ 40.

В международных стандартах для регламентации прямого слепящего действия в производственных, общественных и жилых помещениях используется обобщенный показатель дискомфорта UGR (unified glare rating). Он учитывает прямое слепящее действие от всех светильников на рабочем месте. Таблицы UGR, используемые для оценки слепящего действия предоставляются производителями светильников.

Отраженная блескость.

Направленно-рассеянное, зеркальное или смешанное отражение ярких частей осветительных приборов от поверхностей приводит к возникновению отраженной блескости, снижающей контраст объекта с фоном. Для характеристики этого явления Международной комиссией по освещению (МКО) был введен коэффициент передачи контраста CRF (contrast rendering factor). CRF определен как отношение контраста объекта различения в реальных условиях к его контрасту при освещении равнояркой полусферой. CRF может принимать значения больше или меньше 1, то есть контраст может как уменьшаться, так и увеличиваться. Повышение контраста объекта происходит за счет образования собственных теней на объекте или за счет образования изображения излучателя, отраженного или направленно-рассеянного в объекте различения.

Пульсация светового потока.

Является важной характеристикой качества освещения. Неблагоприятно влияет на биоэлектрическую активность мозга, вызывает повышенную утомляемость.

В качестве количественной характеристики в российских нормах принят коэффициент пульсации:

где E_max, E_min – максимальное и минимальное значение освещенности за период колебаний

- среднее значение освещенности за период колебаний T.

Нормируемые значения коэффициента пульсации приведены в СНиП 23-05-95* в первой же таблице.

Освещенность

Для помещения каждой группы нормируется минимальная (средняя) освещенность на рабочей поверхности. Нормативные значения приводятся в СНиП 23-05-95* в табл.2.

Сравнение требований норм освещенности (лк) в общественных зданиях по различным документам

Требования к зрительной задаче	СНиП 23-05-95*, 2003 г. Россия	Стандарт МКО СIE 008/Е-2001; Европейский стандарт EN 12464-1: 2002	ANSI/IES, США
Очень высокие	600*
Высокие	400*
Средние
Низкие
Ориентировка в пространстве интерьера	50-75-100	100-150
Ориентировка в зонах передвижения	20-30	20- 30 - 50

*Для комбинированного освещения.

Цилиндрическая освещенность

В ряде помещений общественных зданий 2 группы (торговые залы магазинов, выставочные залы) а также в помещениях 3 группы условия освещения оцениваются по светлоте окружающего пространства, вызывающего ощущение насыщенности помещения светом. Для характеристики насыщенности светом используют цилиндрическую освещенность. Цилиндрическая освещенность определена как отношение светового потока, падающего на боковую поверхность элементарно малого вертикального цилиндра, к площади этой поверхности:

Шкала цилиндрической освещенности СНиП 23-05-95*

Требования к насыщенности помещений светом	Цилиндрическая освещенность, лк
Очень высокие (зрительные залы, фойе уникальных общественных зданий)
Высокие (зрительные, концертные залы)
Нормальные (клубы, кинотеатры)
Низкие (фойе театров)

Прямое слепящее действие

В России в качестве количественного критерия слепящего действия принят показатель дискомфорта. Для одиночного источника:

где L_c – яркость блеского источника,

ω – телесный угол в пределах которого находится блеский источник

L_ад – яркость адаптации

p – индекс позиции блеского источника относительно линии зрения по Лекишу-Гату, учитывающий положение светильника в поле зрения

Показатель дискомфорта от совокупности источников:

В стандарте МКО слепящее действие ОУ промышленных и общественных зданий оценивается по величине UGR:

Энергоэффективность

В нормах основным критерием оценки энергоэффективности выбрана удельная установленная мощность.

Максимально допустимые удельные установленные мощности искусственного освещения в помещениях общественных зданий (СНиП 23-05-95*)

Освещенность на рабочей поверхности, лк	Индекс помещения	Максимально допустимая удельная установленная мощность, Вт/м², не более

	0, 6
0, 8
1, 25
2, 0
3 и более
	0, 6
0, 8
1, 25
2, 0
3 и более
	0, 6
0, 8
1, 25
2, 0
3 и более
	0, 6-1, 25
1, 25-3, 0
Более 3
	0, 6-1, 25
1, 25-3, 0
Более 3
	0, 6-1, 25
1, 25-3, 0
Более 3
Примечание - Значения в таблице 9 приведены с учетом потребления мощности пускорегулирующих устройств, а также устройств управления освещением.

При проектировании ОУ общественных зданий существуют показатели, соблюдение которых носит рекомендательный характер (требования к спектральному составу ИС, моделирующий эффект, динамика освещения)

Моделирующий эффект

Говоря о моделирующем эффекте имеют в виду тенеобразующие свойства, которые зависят от соотношения прямой и диффузной составляющей светового потока, падающих на рельефный объект и ближайшие участки фона. Для оценки качества моделирующего эффекта используют отношение горизонтальной освещенности к цилиндрической. Рекомендуемые значения:

Жилые здания

В жилых комнатах нормируется средняя освещенность при совместном действии всех светильников (кроме настольных), установленных в помещении. Количественное значение освещенности соответствует последнему разряду зрительных работ средней точности, установленному для общественных зданий.

Упрощенные методы расчета

К упрощенным относятся методы, в которых подразумевается ряд ограничений и упрощений:

- использование точечной модели источника света;

- диффузный характер отражения света от окружающих поверхностей;

- равномерность распределения света по отражающей поверхности;

- отсутствие затеняющих и экранирующих элементов.

Все упрощенные методы расчета основаны на двух соотношениях, в которых освещенность связана с характеристиками светильника:

где r – радиус-вектор, проведенный из освещаемой точки к точечному источнику, n – нормаль к освещаемой поверхности в искомой точке.

Первая формула определяет среднюю освещенность, вторая формула является следствием первой и определяет освещенность конкретной точки на поверхности.

Метод, основанный на использовании первой формулы, называется методом коэффициента использования светового потока. Метод, использующий вторую формулу, называется точечным методом.

Точечный метод предназначен для нахождения освещенности в расчетной точке, и служит для расчета освещения произвольно расположенных поверхностей при любом распределении освещенности, при этом отраженная составляющая освещенности учитывается приближенно. ТМ предназначен для расчета общего локализованного освещения и общего равномерного освещения при наличии затенений. ТМ также расcчитывают открытые пространства и местное освещение.

Метод коэффициента использования предназначен для расчета общего равномерного освещения без значительных затеняющих элементов. МКИ учитывается как прямой, так и отраженный свет. МКИ дает среднее значение освещенности, переход к минимальной освещенности производится приближенно.

Источники питания

Питание электрического освещения как правило производится от общих для силовых и осветительных нагрузок трансформаторов с низшим напряжением 400/230 В. Питание ОУ промышленных предприятий допускается выполнять от силовых трансформаторов с низшим напряжением 690/400 В при заземленной нейтрали.

Самостоятельные осветительные трансформаторы применяются в следующих случаях:

- когда силовые нагрузки не позволяют обеспечить требуемое качество освещения;

- при большой мощности осветительной нагрузки;

- когда напряжение силовой нагрузки составляет более 380/220 В а для освещения используются СП со стандартным напряжением 220 В;

- для наружного освещения в больших городах и на крупных промышленных предприятиях;

- в крупных общественных зданиях при примерном равенстве силовых и осветительных нагрузок.

Источниками питания ОУ общественных и жилых зданий обычно являются городские одно- и двухтрансформаторные подстанции. В крупных городах преобладают двухтрансформаторные подстанции с двухсекционным щитом низшего напряжения. ТП могут быть отдельно стоящими, пристроенными или встроенными в здание.

При необходимости в качестве независимого автономного источника питания аварийного освещения могут использоваться аккумуляторные батареи напряжение 220 и 40 В, а в некоторых случаях – дизель-генераторные установки.

Схемы питания ОУ

Сети внутреннего и наружного освещения разделяются на питающие, распределительные и групповые. К питающим сетям относятся линии от распределительного устройства ТП или ответвления от воздушных ЛЭП до ВУ, ВРУ, ГРЩ. К распределительным сетям относятся линии от ВУ. ВРУ, ГРЩ до распределительных пунктов, групповых щитков и пунктов питания НО. К групповым сетям — линии от групповых щитков (пунктов питания НО) до светильников, штепсельных розеток и других электроприемников.

Питающие сети для ОУ и силового электрооборудования рекомендуется выполнять, как правило, раздельными. В начале каждой питающий линии устанавливаются аппараты защиты и отключения. В начале групповой линии обязателен аппарат защиты на всех фазных проводниках (предохранитель или автоматический выключатель), а отключающий аппарат можно не устанавливать при наличии таких аппаратов по длине линии или когда управление освещением осуществляется аппаратами, установленными в линиях питающей сети. Линии питающей сети рабочего освещения, освещения безопасности и эвакуационного освещения должны иметь в распределительных устройствах, от которых эти линии отходят, самостоятельные аппараты защиты и управления для каждой линии. Допускается устанавливать общий аппарат управления для нескольких линий одного вида освещения или установок, отходящих от распределительного устройства.

При питании внутреннего освещения от встроенных и пристроенных ТП или КТП вблизи них устанавливается магистральные щитки с автоматическими выключателями от которых питаются групповые щитки. Причем, если одной линией питается четыре и более групповых щитков на вводе в каждый щиток рекомендуется устанавливать отключающий аппарат.

Расчет осветительной сети

Выбор токов аппарата защиты

При превышении максимального длительно допустимого тока в сети должен срабатывать аппарат защиты, который размыкает цепь. Обычно ток автомата защиты выбирается таким образом, чтобы соблюдалось условие:

где I_З – номинальный ток аппарата защиты.

В случае короткого замыкания автомат защиты должен обеспечивать отключение аварийного участка с максимальной скоростью, что обычно достигается при условии:

где k принимает значения от 3 до 6.

Содержание технического проекта внутреннего и внешнего освещения.

В состав технического проекта осветительной установки внутреннего освещения необходимо включить следующие материалы:

1) пояснительная записка с подробными расчетами и необходимыми комментариями по светотехническому и электротехническому расчетам;

2) таблицы с основными светотехническими и электротехническими показателями;

3) план-схема внутренней питающей сети.

В таблицах основных технических показателей содержаться следующие графы:

- наименование объекта;

- освещаемая площадь в м²;

- преимущественная (нормируемая) освещенность участков объекта, в лк;

- расчетная освещенность участков объекта, в лк;

- преимущественный тип осветительных приборов общего освещения;

- удельная мощность общего освещения, Вт/м²;

- количество светоточек;

- преимущественный вид проводки групповой сети.