Архив СА: Основы расчета и измерений дневного освещения внутри зданий. 1929

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Измерение и расчет дневного освещения в помещениях есть область, которая вообще довольно мало касается архитектора и техника освещения. Это и понятно: кто внимательно наблюдал чрезвычайно быстрые и сильные колебания дневного света, может, пожалуй, подумать, что расчет и экспериментальная обработка естественного освещения — вещь невозможная.

 

Ведь интенсивность дневного света при кажущемся равномерном покрытии неба меняется часто на 100% в течение нескольких минут и на много сотен процентов в несколько секунд в дни с солнечным светом и резко меняющейся облачностью.

 

Как возможно в таком случае вообще вести измерение освещения? И если это было бы невозможно, какое практическое значение могли бы иметь результаты для предварительного расчета, если вычисленный вывод может быть приложим только случайно, при определенном состоянии метеорологических условий.

 

Хотя известную степень неточности мы должны терпеть при всех наших измерениях и технических расчетах, но от сильных колебаний дневного света, при производстве измерений, можно себя оградить посредством особых приемов.

 

При практическом применении результатов измерения к расчетам нужно принять во внимание, что в первую голову речь идет о том, чтобы сравнить между собой различные архитектурные расположения в отношении дневного света.

 

Что же касается абсолютной величины силы освещения, которая, как сказано, подвергается быстрым переменам, то нужно заметить, что особенно благоприятные метеорологические условия заслуживают так же мало внимания, как крайне неблагоприятные. При первых освещение будет, конечно, лучше, чем расчетное, относящееся к известной средней силе интенсивности дневного света, при вторых — оно будет меньше, но, вероятно, только преходящим, пока улучшаются атмосферные условия.

 

В нижеследующем я ознакомлю с измерительными и расчетными методами естественного освещения и сообщу об опытах и методах расчета, которые были выработаны в осветительно-техническом отделении общества «Осрам».

 

Эти работы, проведение которых часто было очень трудным и требовало много времени, теперь доведены в известной степени до конца.

 

После краткого указания на некоторые предшествовавшие исследования я объясняю принцип выработанного нами метода. Во второй части я скажу о производстве измерений и их приложении, в третьей части будет речь о результатах этих измерений, поскольку они могут служить основой для предварительного расчета по указанному способу.

 

 

 

В то время как техники освещения работали почти исключительно над усовершенствованием искусственных источников света и исследованием достижимых с ними эффектов освещения, — гигиенисты, архитекторы и физики занялись изучением дневного освещения. Из ряда прежних работ можно указать:

 

Расчеты: первые расчеты дневного освещения дал Lambert в своем сочинении о фотометрии 1760 г. После него занимались этим вопросом Wiener, Mehmke, Mohrmann, Pfeier, Gruber Küster, а в новое время — Burchardt и Ondracek.

 

Опыты: экспериментальные работы производили: Weber, Dorna, Korff, Petersen, Walsh и Sedwick в Англии, Kimball и Higbie в Америке.

 

Самая обширная работа дана Weber'ом, который в Киле в 1907 г. предпринял массу измерений дневного освещения в городских школах.

 

Weber впервые пытался эмпирически определить затеняющее влияние противолежащих домовых фронтонов на силу освещения окон и построил разные измерители пространственных углов, чтобы просто и быстро вычислить величину видимого из определенного места свободного (чистого) участка неба.

 

 

 

1. Общие предпосылки

 

Исполнимость расчета дневного освещения предполагает некоторые упрощения. Освещение прямым солнечным светом представляет для расчета и измерения почти недоступный специальный случай, особенно при переменной облачности. Освещение при солнечном свете и без того гораздо сильнее, чем при покрытом небе, и менее интересно для предварительного расчета. Поэтому целесообразнее при всех расчетах дневного освещения исходить из равномерно покрытого неба с равномерно расположенным освещающим слоем, который снаружи облегает горизонтальную поверхность, как рассеянно-освещающий полушар.

 

2. Развитие методов расчета освещения

 

Развитие способов расчета для искусственного освещения шло по линии от примитивного правила (Faustregel — НК/м²) через методы точечного расчета силы освещения к простому методу светового потока, принципу эффективности. Также и при расчете дневного света подобный ход кажется подходящим.

 

Известные выводы о необходимых измерениях окон, об отношении площади окон к площади пола, об отношении высоты окон к глубине помещения и о наименьшем отстоянии противолежащих зданий давно знакомы архитекторам.

 

Методы точечного расчета распределения освещения теоретически очень ценны и необходимы для точного расчета, однако для практики большей частью слишком громоздки, чтобы служить архитектору для быстрой ориентировки.

 

3. Метод эффективности (Wirkungsgrad)*

____________

* Слово Wirkungsgrad может быть переведено как «коэффициент полезного действия», однако рекомендуется термин «эффективность».

 

Как и при искусственном освещении, этот метод, пользуясь эмпирически найденными факторами, дает возможность быстрого обзора наличной в помещении средней освещаемости, которую можно ожидать при заданных строительных условиях.

 

Этот метод разработан по почину инж. Bloch в техническом отделении общества «Осрам».

 

Началом послужила экспериментальная работа американцев Higbie и Jounglove под заглавием «Дневное освещение через окна», помещенная в «Известиях инженерного общества», 1924.

 

Американская работа, однако, ограничивалась только измерением степени освещаемости и распределением освещения в помещении. Поэтому нужно было, выходя за эти пределы, получить опытные числа для величины вступающего в помещения через оконные отверстия светового потока и на этой базе разработать способ расчета.

 

Ниже я кратко объясняю принцип этого метода.

 

Через оконные отверстия вступает в помещение известное количество дневного света. Это есть световой поток Φ_o (рис. 1). Из этого потока только известная часть Φ_n падает как поток полезного света на рабочую площадь (горизонтальная плоскость на 1 м высоты над полом), остаток падает на стены и потолок и в незначительной доле отбрасывается оттуда снова на рабочую площадь.

 

 

Рис. 1

 

 

Отношение обоих потоков есть степень освещаемости, эффективность, которая обозначается через n.

 

Световой поток, падающий на плоскость или проходящий через нее, есть произведение силы освещения E освещенной плоскости (световой поток на единицу площади) и величины этой плоскости:

 

 

Итак, входящий через окно световой поток равен среднему вертикальному освещению в окне, умноженному на площадь окна:

 

 

причем, конечно, разумеется только площадь стекла в окне.

 

Поток полезного света на (горизонтальной) рабочей поверхности равен среднему горизонтальному освещению, умноженному на площадь пола (основания: Boden):

 

 

частное обоих выражений дает степень освещаемости

 

 

Решая уравнение по E_b, чтобы найти среднее горизонтальное освещение, получаем:

 

 

В этом уравнении содержится отношение площади окна к площади пола — фактор, известный архитекторам. 

 

Вертикальное освещение в окне

 

Для его определения исходной точкой возьмем горизонтальное освещение E_a снаружи на плоскости, освещаемой всем полушаром небесного свода.

 

В предположении равномерного светового слоя неба во всех направлениях вертикальное освещение снаружи, производимое только одной половиной небесного полушара, равно половине горизонтального освещения. Вертикальное освещение окна, противолежащего свободному горизонту, несколько меньше вертикального освещения снаружи, так как часть неба закрыта выступами стен оконного отверстия.

 

Вертикальное освещение окна, противолежащего зданию, понятно, гораздо меньше вертикального освещения снаружи, так как противолежащий фронт еще значительнее закрывает часть светящейся небесной поверхности (рис. 2).

 

 

Рис. 2

 

 

Оконный фактор

 

Отношение вертикального освещения в окне к горизонтальному освещению снаружи, при определенном отстоянии противного фронта, должно быть постоянным числом. Это число, оконный фактор f (< 0,5) можно определить измерением, что допускает расчет вертикального освещения в окне для данной величины горизонтального освещения E_a на основании простого отношения:

 

 

Подставляя это выражение в формулу для среднего горизонтального освещения в помещении, получаем:

 

 

Определив экспериментально величины степени и оконного фактора для всех типичных практических случаев, можем посредством этой формулы рассчитать среднее горизонтальное освещение в помещении при данном горизонтальном освещении снаружи.

 

Пример. 3 рис.

 

 

Рис. 3

 

 

Горизонтальное освещение снаружи примерно = 1000 люкс, тогда вертикальное освещение снаружи = 500 люкс, вертикальное освещение в окне, конечно, меньше; примем оконный фактор в 30%, тогда сила освещения = 1000 . 0,3 = 300 люкс. Если освещенное помещение имеет эффект в 40% и отношение площади окон к площади пола = 1:6, то среднее горизонтальное освещение таково:

 

 

Этот способ на первый взгляд имеет сходство с методом расчета освещения при так называемых частных дневного света (отношение средней силы освещения в комнате к горизонтальному освещению снаружи). Этот метод можно расширить, и тогда расчет силы освещения будет представлять две операции: 1) вычисление оконного освещения при данном горизонтальном освещении снаружи; 2) вычисление светового потока, поступающего через оконное отверстие при данном оконном освещении, созданного им среднего горизонтального освещения в комнате.

 

 

 

a) Приборы

 

Сильные колебания дневного света, вызываемые метеорологическими условиями, которые часто очень быстро сменяют друг друга, заставляют работать возможно быстрее.

 

Применявшиеся прежде тяжелые фотометры, построенные исключительно для лабораторий, не могут выполнить этого требования. Поэтому в последнее время стали строить переносные измерители освещения, и ими можно с успехом пользоваться, если они достаточно точны и обладают довольно большим объемом действия.

 

Этим требованиям удовлетворяет прибор Бехштейна, пущенный в продажу фирмой Schmidt и Haensch по инициативе Блоха, снабжен придатком для расширения объема зрения, который, кроме того, служит и для других целей и представляет большое удобство в обращении (рис. 4).

 

 

Рис. 4

 

 

Придаток имеет форму подзорной трубы и служит для наблюдения фотометрического поля; кроме того он содержит приспособления для ослабления, которые включаются в ход лучей исследуемого источника света; пользуясь им, можно измерять силы освещения до 100000 люкс, тогда как прибор без придатка хватает только на 500 люкс.

 

b) Условия для опытов

 

Производство измерения дневного освещения предполагает хотя приблизительную постоянность метеорологических условий.

 

Не имеет смысла производить измерения при солнце, когда проходящие белые облака действуют как рефлекторы с постоянно меняющегося места.

 

И при пасмурной погоде, при сильной облачности, нельзя получить полезные результаты.

 

Самая лучшая погода — это возможно равномерно покрытое небо с приблизительно равномерным освещенным слоем.

 

c) Производство опыта

 

Даже при равномерно покрытом небе интенсивность света подвержена колебаниям, впрочем, безвредным для производства измерений.

 

При наличии равномерности слоя рассеянного небесного освещения во всех направлениях сила освещения в каждой точке комнаты пропорциональна силе горизонтального освещения снаружи. Многочисленные измерения это подтвердили. С другой стороны, вертикальное освещение в окне пропорционально горизонтальному освещению снаружи. Таким образом, каждое измерение освещения в комнате можно поставить в отношение к вертикальному освещению в окне и получить сравнимые результаты.

 

Для измерения освещенности в комнате можно пользоваться или двумя фотометрами, из которых один служит для измерения освещения исследуемого места, а другим одновременно производят измерение вертикального освещения в окне.

 

Но можно работать и одним прибором, которым контролируют вертикальное освещение в окне до и после измерения освещения в комнате.

 

При достаточной опытности наблюдателя можно при измерителе Бехштейна производить измерения так быстро, что время, протекающее между обоими измерениями оконного освещения, очень кратко.

 

Тогда можно просто установить отношение между силой освещения внутри и средней силой освещения в окне.

 

В сравнении с прежде употреблявшимся веберовским фотометром преимущество этого способа заключается в том, что измерение освещения внутри и средней силой освещения в окне, относится не к одному световому потоку от маленького кусочка небесной поверхности, а ко всему световому потоку, проникающему внутрь от всей противолежащей окну небесной поверхности.

 

Для удобства сравнения освещенности полезно свести все величины горизонтального освещения на одну определенную величину горизонтального освещения в окне, напр. на 1000 люкс.

 

Последующие примеры на рис. 5 пересчитаны в этом виде.

 

 

Рис. 5

 

 

Исчисление оконного фактора производится одновременным измерением горизонтального освещения снаружи (например на крыше высокого здания) и вертикального освещения в окнах разных этажей. Здесь, понятно, требуются два наблюдателя.

 

Таким образом, фотометрирование помещения и измерение оконного фактора являются раздельными процессами, протекающими независимо друг от друга.

 

 

 

1. Освещенность внутри с вертикальн. окнами

 

a) Степень освещения при дневном свете

 

Средние числа для среднего горизонтального освещения внутри с вертикальными окнами лежат между 100—500 люкс вблизи окна.

 

Эта сила равняется часто 1000 люкс и выше.

 

Если мы эти высокие числа освещения не ощущаем как таковые, то это основано на физиологии и чрезвычайной приспособленности сетчатой оболочки, а потом, главным образом, объясняется рассеянным характером дневного света (исключая, напр., прямой солнечный свет), устраняющим ослепление.

 

b) Впадение света и распределение его внутри

 

Действие светового источника, направление и распределение впадающего светового потока при дневном освещении совершенно различно, чем при искусственном освещении.

 

В последнем случае источник света находится в середине комнаты. Он висит большей частью вблизи потолка и посылает свет кругом во все помещение.

 

Значительная часть света часто уходит наверх и на стены, и участие отраженного оттуда света часто очень значительно.

 

При дневном освещении источник света лежит вне.

 

Свет падает через окно, идя большей частью косо сверху на горизонтальную поверхность, и притом преимущественно на ближайший к окну участок плоскости; меньшая часть рефлектируется на передние части стен, и относительно мало света доходит до потолка и задней стены и отражается оттуда.

 

2. Равномерность дневного освещения

 

При взгляде на распределение освещения внутри при дневном свете бросается в глаза чрезвычайно неудовлетворительная равномерность.

 

Горизонтальная освещенность у окна очень высока, но быстро падает к средине помещения.

 

Минимальное освещение у задней стены равняется уже только дроби максимальной освещенности у окна, и совсем нередки отношения 1:100 и более.

 

При искусственном освещении такая неравномерность наблюдается только у фонарей на улице и притом при высоком подвешивании и больших расстояниях фонарей.

 

Напротив, внутри помещений равномерность заключена в границах 1:1,3 и самое большое 1:8.

 

Несмотря на дурную равномерность дневного освещения внутри, глаз не замечает большой разницы между максимумом и минимумом освещения и не оценивает ее правильно.

 

Освещение ощущается более равномерным, чем в действительности, потому, что глаз при большой яркости дневного света очень нечувствителен к восприятию различной освещенности. Равномерность освещения зависит от целого ряда факторов.

 

Я ограничусь изложением типичных случаев.

 

a) Сила освещения и (reducirte) приведенный пространственный угол

 

Непосредственно даваемая рассеянным дневным светом сила освещения в данной точке пропорциональна произведению пространственного угла видимой из этой точки небесной плоскости и косинуса среднего угла впадения.

 

Это произведение прежние авторы (Вебер) называют редуцированным (уменьшенным) пространственным углом.

 

К освещению, производимому прямым небесным светом, присоединяется освещение через отраженный световой поток, который, однако, в сравнении с ним большей частью очень незначителен. Отсюда вытекает, что освещение у задней стены тем больше, чем больше у нее видно небесного свода.

 

Максимальное освещение в непосредственной близости окна само по себе очень высоко, потому что в этом месте не только угол (Raumwinkel) видимого куска неба больше, но и угол впадения очень велик.

 

b) Высота окна и глубина комнаты

 

Редуцированный угол помещения в точке минимального освещения и сила освещения тем более, чем выше высота окон в сравнении с глубиной (см. рис. 6).

 

 

Рис. 6

 

 

c) Высота противного фронта

 

С увеличением высоты противного фронта освещаемость уменьшается быстрее, чем максимальное освещение вблизи окна, потому что в данном случае световой поток падает с неба почти отвесно (см. рис. 7).

 

 

Рис. 7

 

 

При увеличении высоты противного фронта световой поток в этой части уменьшается не так значительно; напротив, освещаемость точек у задней стены производится световым потоком, падающим с неба под углом в 30°, и эта часть небесного свода закрывается повышением противолежащего фронта домов.

 

Таким образом, равномерность делается хуже с уменьшением оконного фактора.

 

d) Высота оконного отверстия

 

Высота оконного отверстия над полом имеет большое влияние на равномерность освещения (см. рис. 7). Чем ближе к потолку (при одинаковой высоте окна) лежит подоконник, тем равномернее распределение света.

 

Если двигать окно кверху, то редуцированный угол для точек у окна будет меньше, а для точек у задней стены больше (см. рис. 8).

 

 

Рис. 8

 

 

Была исследована освещаемость однооконной комнаты при закрытии последовательно различных частей окна. При покрытии верхней половины нижняя действовала как источник света, тогда спереди было много света, а назади — мало (случай 1). Во 2-м случае закрывалась нижняя часть окна, свет проходил чрез верхнюю половину.

 

Тогда освещаемость вблизи окна гораздо меньше, но значительно выше для точек с минимальной освещаемостью. Равномерность стала лучше.

 

Опыт показывает, какие части окна светоактивнее для различных частей помещения: нижняя часть окна освещает точки вблизи окна, верхняя — точки вблизи задней стены (см. рис. 9, на котором результаты опыта нанесены в виде кривых).

 

 

Рис. 9

 

 

Чем выше лежит световое отверстие над полом, тем площе идет кривая освещения между срединой окна и задней стеной и тем выше минимальная освещенность.

 

Из этого видна важность верхней площади окна для минимального освещения, и неразумно именно эту часть употреблять для развешивания занавесей и пр., которые и в поднятом состоянии закрывают значительную часть верхней поверхности окна.

 

e) Занавеси

 

При употреблении занавесей или светорассеивающих стекол (см. рис. 10) световой поток, который в других случаях падает преимущественно на пол, в большой степени отбрасывается на заднюю стену и потолок и оттуда снова отражается, благодаря чему достигается более равномерное распределение света.

 

 

Рис. 10

 

 

Измерение распределения света в комнате с занавесями и без них (см. рис. 11) доказало улучшение распределения от 1:28 на 1:12. Понижение степени эффекта и средней силы освещенности при этом неважно, ибо занавеси большей частью употребляются только при солнечном свете, при коем вступающий световой поток и без того более чем достаточен.

 

 

Рис. 11

 

 

f) Окраска стен

 

Чем меньше точка в комнате получает прямого света с неба, тем больше участие отраженного от потолка и стен светового потока.

 

В точках, не получающих вообще прямого света, освещение производится исключительно отраженным светом, исходящим от противоположного фронта и стен. Количество отраженного светового потока, конечно, будет тем больше, чем лучше способность отражения стен и потолка. Чем светлее окраска, тем сильнее освещенность точек, лежащих у задней стены, — тогда как их максимальная освещенность вблизи окна от этого не зависит.

 

Равномерность освещения возрастает с увеличением способности отражения. Измерение освещения двух комнат приблизительно одинакового размера и одинаковой площади окон (см. рис. 12) дало для черной окраски потолка и стен равномерность 1:336, а другая комната, с светлосерыми стенами и белым потолком и фризом — 1:71, т. е. более чем в 4 раза лучше.

 

 

3. Эффективность (Wirkungsgrad)

 

a) Степень эффекта (эффективность)

 

Многочисленные измерения освещенности канцелярских школьных фабричных помещений показали, что степень эффекта (эффективность) дневного освещения в помещениях с вертикальными окнами лежит между 30—50% и в среднем равна 40%.

 

Это число как раз равно эффективности при искусственном освещении.

 

b) Зависимость степени эффекта от различных факторов

 

Степень эффекта меняется далеко не в таких широких границах, как равномерность. Это происходит оттого, что среднее горизонтальное освещение прежде всего обусловливается высокими числами силы освещения вблизи окна, в сравнении с которыми разница с плохо освещенными участками у задней стены имеет мало значения.

 

Стенная окраска. Возьмем две равных комнаты: одну со светлыми, другую с темными стенами (рис. 12). Тогда среднее освещение и с ним степень эффекта во 2-м случае хотя будет меньше, чем в первом, но разница не будет велика. Отраженный свет, количество которого зависит от отражательной способности стен, дает чувствительное прибавление освещения только для точек, далее расположенных от окна, но эти значения сами по себе невелики и только незначительно влияют на общую среднюю величину.

 

 

Рис. 12

 

 

Высота положения окон. Чем выше оконное отверстие помещено от пола, тем более повышается минимальное освещение, и притом за счет максимального.

 

Так как понижение последнего чувствительнее, чем увеличение минимального, то средняя сила освещения, а с нею и степень эффекта уменьшаются.

 

Занавеси. Употребление занавесей и светорассеивающих стекол, конечно, понижает среднюю силу освещения, а с ней и степень эффекта, так как более или менее значительная часть светового потока теряется поглощением (ср. прим. из рис. 11).

 

4. Среднее и минимальное освещение

 

Среднее горизонтальное освещение в помещении очень хорошо характеризуется силою освещения рабочих мест, лежащих приблизительно в средине между окнами и задней стеной (рис. 13).

 

 

Рис. 13

 

 

Однако, как и при установках искусственного освещения, одно указание средней горизонтальной освещенности еще недостаточно; для характеристики качества освещения нужно принять во внимание еще равномерность при дневном освещении. Это особенно важно, так как разница между максимумом и минимумом освещения чрезвычайно велика.

 

Показания одного минимума освещенности также недостаточно, ибо, как видно на рис. 13, две комнаты с одинаковым минимальным освещением могут все-таки иметь различное распределение освещения и, следовательно, различную среднюю силу освещения.

 

Точно так же можно себе представить две комнаты с одинаковым средним освещением, но с различным минимальным освещением.

 

Будет целесообразно относить минимальное освещение к максимальному горизонтальному освещению и число этого отношения принимать во внимание наряду с показанием среднего горизонтального освещения для характеристик световых условий данного помещения.

 

При указанных измерениях оказалось, что минимальное освещение вообще равнялось 3—15% среднего горизонтального освещения.

 

Величина этого освещения зависит от многих и притом тех же условий, как и равномерность, а прежде всего от величины оконного фактора, высоты окна, глубины комнаты и частного площади окна и площади пола и окраски стен.

 

Вследствие этой сложности зависимости многих факторов, из которых часто некоторые являются функцией других, нелегко установить отношение между E_min, E_max и названными величинами посредством измерений в помещениях.

 

Может быть, здесь помогут опыты с моделями, при которых можно варьировать влияние разных переменных по желанию и раздельно.

 

5. Оконный фактор

 

Средняя освещенность помещения зависит прежде всего от светового потока, проникающего через окна, другими словами — от оконного фактора.

 

На практике является задача определить величину оконного фактора, в особенности в связи с высотою и расстоянием от противного фронта.

 

a) Распределение освещения в площади окна

 

Является вопрос, имеет ли вертикальное освещение в окне во всех точках площади окна одинаковую силу или здесь есть существенные различия.

 

Произведенные измерения показали, что вертикальное освещение только близ верхнего оконного края несколько слабее, т. к. здесь обрез окна заслоняет некоторую часть небесной плоскости. Но, учитывая достижимую вообще при измерениях дневного света точность, это можно игнорировать и распределение света в окне на практике можно считать равномерным.

 

Достаточно тогда произвести измерение вертикального освещения в средине окна.

 

b) Величина оконного фактора

 

На рис. 14 оконный фактор изображен в зависимости от отношения высоты противного фактора к ширине улицы. Результаты измерения (вытянутая кривая) при последующем испытании дали значения, совпадающие с числами, полученными из формулы, которую вывел Бурхард для вертикального освещения домового фронта.

 

 

Рис. 14

 

 

Теоретическая кривая лежит несколько ниже добытой экспериментально, ибо она имеет в виду только прямой небесный свет, игнорируя световой поток, отраженный стенами зданий и поверхностью улицы (см. рис. 15). Такие же кривые нужно было бы вычислить для дворов различной величины, ибо там световые условия еще хуже, чем на просторной улице.

 

 

Рис. 15

 

 

Пока можно пользоваться формулами Бурхарда и составленным им измерительным листом освещения для определения оконного фактора во дворах.

 

6. Горизонтальное освещение снаружи

 

Исходным пунктом для вычисления дневного освещения внутри является интенсивность дневного света снаружи, зависящая от ясности неба, которая в свою очередь есть функция высоты солнца и степени облачности.

 

В противоположность прежним методам, при которых сила освещения в комнате относилась большей частью к светящей поверхности противолежащего участка неба, при описанном способе было избрано как относительная величина горизонтальное освещение снаружи.

 

Желая установить какие-нибудь нормы для дневного освещения в зданиях, будет полезно составить себе картину имеющейся в течение года силы дневного света, с которой мы имеем дело в наших широтах.

 

a) Течение дня и года

 

Ежедневный и годовой ход среднего горизонтального освещения снаружи представлен на рис. 16.

 

 

Рис. 16

 

 

Числа выведены из кривой, которую нашел проф. Кюль в Метеорологической обсерватории в Потсдаме для связи горизонтального внешнего освещения и высоты солнца.

 

b) Характеристика годичного освещения

 

Далее интересно знать, с какою частотою являются различные числа силы освещения снаружи и как они группируются в течение целого года.

 

Сколько темных и светлых часов мы имеем?

 

Какие при светлых часах преобладают: с низкими силами освещения или с высокими?

 

Чтобы составить об этом суждение, внесем в прямоугольную систему координат (рис. 17) в качестве абсцисс часы всего года и в качестве ординат относящиеся к ним числа силы освещения, и притом в порядке их величины.

 

 

Рис. 17

 

 

Тогда мы получим кривую, которая с точки наивысшей встречающейся силы освещения сначала быстро, а потом все медленнее падает вниз и оканчивается при абсциссе в 5000 часов.

 

Кривая показывает, что относительно малое число часов имеет высокая сила освещения, и что, напротив, чаще встречаются часы с низкими силами освещения.

 

Из светлых часов некоторый процент имеет слишком ничтожную силу освещения, так что нельзя обойтись в эти часы без искусственного света. Сколько таких часов? Если, например, требуется средняя сила освещения внутри в 30 люкс, при оконном факторе 0,25, при степени эффекта 0,4 и при отношении площади окна к площади пола в 1:10, то получим требуемое горизонтальное освещение снаружи в

 

 

Это освещение снаружи не достигает 24% светлых часов, и в это время дневной свет должен заменяться или добавляться искусственным.

 

c) Нормальная величина горизонтального освещения снаружи

 

Изберем ли мы это число в 3000 люкс снаружи как исходную точку для вычислений при проектировании дневного освещения или другую величину, об этом должно быть еще соглашение.

 

Бурхард, напр., исходит при среднем наружном освещении из 10000 люкс, как нормальной цифры, и требует вертикальное освещение окна в 1000 люкс, чтобы помещение получило достаточный приток света.

 

Это будет соответствовать оконному фактору 0,1.

 

В приведенном расчете оконное освещение будет

 

 

т. е. величина сходна с требуемой Бурхардом.

 

d) Включение искусственного освещения

 

Практическое значение для освещения имеет вопрос, в какое время дня мы должны в наших рабочих помещениях при наличии известных условий включить искусственное освещение.

 

Например, канцелярия находится в первом этаже дома, которому противолежит улица в 19 м шириной и домовый фасад в 27 м высоты. Средина окна лежит на 7 м выше уровня улицы, комната имеет площадь в 23,5 кв. м и 2 окна с площадью стекол в общем 3,6 кв. м. Среднее горизонтальное освещение на письменных столах должно иметь по крайней мере 25 люкс, чтобы дать достаточно света для работы. В какое время 15 ноября должно включить искусственное освещение?

 

Для определения оконного фактора вычислим частное:

 

 

Из рис. 16 мы заключаем, что это горизонтальное освещение снаружи в середине ноября при средней яркости дневного света бывает в 3 ч. 20 м. дня.

 

Итак, в это время нужно включать искусственное освещение. Вышеизложенное имело целью дать понятие о характерных свойствах естественного освещения внутренних помещений и показать, что расчет дневного освещения по способу эффективности дает архитектору в руки простое средство для приближенного определения ожидаемого среднего освещения без сложных вычислений.

 

Конечно, описанный способ нуждается еще в дополнении и углублении новыми экспериментальными данными и в приложении теоретических методов расчета, выработанных другими авторами.

 

Особенно нужно указать на работы Бурхарда в Гамбурге, который разработал целый ряд важных для архитектора вопросов дневного освещения с точки зрения современной техники освещения.

 

Инж. Фрюлинг

 

 

---

 

 

 

Решения задач по планировке городов и архитектуре отдельных сооружений лишь тогда могут быть социально-экономически обоснованы, когда они базируются на твердой научно-технической основе. Указанные задачи связаны с вопросами светового хозяйства, являющегося одним из крупнейших разрядов всего энергетического хозяйства нашего Союза. Для рационального ведения светового хозяйства, включающего в себя и область естественного освещения помещений, нужно знать наши естественные ресурсы, т. е. условия естественного освещения под открытым небом для разных местностей Союза ССР*. В настоящее время исходных метеорологических данных еще далеко недостаточно, что вынуждает пользоваться приближенными методами расчета естественного освещения внутри и между сооружений.

____________

* Работа по этому вопросу ведется Подкомиссией по естественному освещению Л. О. ЦЭС совместно с Постоянной актинометрической комиссией Г.Г.О.

 

Для того чтобы охарактеризовать условия естественного освещения некоторого места внутри помещения, следует сравнить их с условиями освещения горизонтальной площадки, освещаемой всем небосводом. В качестве относительной характеристики принимается коэффициент освещенности, под которым понимается отношение получающейся на данном месте освещенности к горизонтальной освещенности, имеющейся в тот же момент времени на совершенно открытом месте**. Так как характер распределения яркости по небу меняется, то величина коэффициента освещенности не остается строго постоянной, а колеблется в некоторых пределах. Коэффициент освещенности является наиболее удобным и надежным объектом для регламентирования в том случае, если на методы его нахождения наложить ряд условий, гарантирующих однозначность получаемого результата.

____________

** Под освещенностью понимается количество световой энергии, падающей в единицу времени на единицу площади.

 

Для определения величины коэффициента освещенности, создаваемого прямым светом от световых отверстий, служат построенные на основании формул теоретической фотометрии мною, совместно с М. М. Гуревич, измерительные диаграммы***. Техника подсчета при их помощи коэффициента освещенности очень проста. Диаграмма, изготовленная на прозрачном материале, накладывается на построенный в соответствующем масштабе чертеж помещения. Число ее участков, приходящихся на световые отверстия, характеризует величину коэффициента освещенности. Цена одной клетки, в том предположении, что потери света в застеклении нет, есть 0,05%. Таким образом, помножив получившееся число клеток на 0,05 и на величину пропускания светового отверстия, получаем коэффициент освещенности в процентах. Погрешность может проистекать только из-за ошибки при подсчете количества участков. Она меньше, чем при расчете по другим распространенным методам (например Наиер'а). Из всех применений диаграмм отмечу только нахождение коэффициента освещенности на горизонтальной плоскости от горизонтальных и вертикальных световых отверстий****.

____________

*** См. А. А. Гершун «Расчет естественного освещения — «Труды Государственного оптического института». 1929 г. (в печати).

**** Наклонное световое отверстие можно рассматривать как совокупность горизонтальных и вертикальных световых отверстий.

 

Остановимся на диаграмме первого типа (//), служащей для нахождения коэффициента освещенности от горизонтальных световых отверстий. Диаграмма, изображенная в уменьшенном виде на чертеже 1, совмещается с планом помещения, на который нанесены проекции световых отверстий. План берется в таком масштабе, чтобы расстоянию от точки, в которой мы хотим найти коэффициент освещенности (обычно на высоте одного метра от пола), до плоскости световых отверстий соответствовал отрезок, помеченный на диаграмме. Совместив центр диаграммы со следом той точки, условия освещения которой нас интересуют, нужно подсчитать число клеток диаграммы, приходящихся на световые отверстия. Оно будет характеризовать величину коэффициента освещенности.

 

 

Черт. 1

 

 

Диаграмма второго типа (⊥), изображенная в уменьшенном виде на чертеже 2, служит для нахождения коэффициента горизонтальной освещенности, создаваемого вертикальными световыми отверстиями. Диаграмма совмещается с видом на стену, заключающую световые отверстия. Чертеж должен быть построен в таком масштабе, чтобы расстоянию от точки, в которой мы хотим найти коэффициент освещенности, до плоскости световых отверстий соответствовал бы отрезок, указанный на диаграмме. Измерительная диаграмма накладывается таким образом, чтобы ее центр симметрии (жирная точка) совпал со следом интересующей нас точки и чтобы нижний край диаграммы соответствовал горизонтальному направлению. По количеству участков диаграммы, приходящихся на световые отверстия, мы находим коэффициент освещенности, вычисленный в том предположении, что потерь света в окнах нет и что через них видно только небо. Учет потерь света в застеклении производится дополнительно.

 

 

Черт. 2

 

 

Применение измерительной диаграммы иллюстрируется чертежом 3. На нем в развернутом виде изображены горизонтальная рабочая плоскость, освещенность которой нас интересует, и боковая стена с окнами. Точка p есть след точки P, в которой мы хотим найти коэффициент освещенности. Чертеж помещения построен в таком масштабе, что расстояние Pp соответствует масштабу примененной измерительной диаграммы. На чертеже 3 показана картина, получающаяся при совмещении точки p с центром симметрии диаграммы. Произведя примерный подсчет числа участков, находим, что на левое окно их приходится около 75, а на правое около 45. Следовательно левый проем создает коэффициент освещенности, равный 75 × 0,05% = 3,75%, а правый — 45 × 0,05% = 2,25%.

 

 

Черт. 3

 

 

Из чертежа видно, что диаграмма представляет большое удобство для лиц, проектирующих естественное освещение. Пользуясь диаграммой, легко судить в процессе проектирования о влиянии величины и положения окон на коэффициент освещенности, что дает возможность сознательного проектирования. Следует отметить то неудобство, что масштаб чертежа зависит от положения точки, в которой мы хотим найти коэффициент освещенности. Этот недостаток совершенно устраняется при пользовании проекционным прибором, позволяющим оптически совмещать диаграмму в любом масштабе с чертежом. Можно иметь также набор измерительных диаграмм в разных масштабах. Опыт применения диаграмм показал, что и при пользовании диаграммами в одном масштабе расчет идет много скорее и проще, чем вычисление по аналитическим формулам. Кроме того, как перечерчивание, так и сам подсчет могут быть поручены лицу низкой квалификации.

 

Желание сделать статью краткой заставляет опустить целый ряд вопросов, как, например, об учете ориентации здания, влияния толщины стены и противолежащих зданий, применения диаграмм для нахождения вертикальных освещенностей и освещенностей между зданиями*.

____________

* По вопросам, касающимся применения измерительных диаграмм прошу обращаться ко мне по адресу Научно-исследовательского кабинета современной архитектуры при Институте гражданских инженеров (Ленинград, 2-я Красноармейская, 4).

 

При помощи этого метода был произведен ряд расчетов естественного освещения строящихся фабрично-заводских корпусов и ряд контрольных расчетов для помещений учебных заведений, правила естественного освещения которых мною выработаны и утверждены Л.О.ЦЭС. Результат работ доложен в Л.О.ЦЭС, Русском техническом обществе, Ленинградском о-ве архитекторов и в Институте гражданских инженеров.

 

 

---

 

 

 

Вопрос естественного освещения внутренних помещений, за исключением фабрично-заводских, при этажной застройке до сих пор не подвергался никаким сомнениям и решался единственно возможным способом: размещения световой площади в боковой наружной стене. Если характер помещения требовал бо́льшего освещения — площадь окон увеличивалась, и наоборот.

 

Само же распределение световых отверстий придерживалось традиционных приемов, наследованных от кирпичной стены.

 

Последнее время поправка на возможности железо-бетона дала нам горизонтально-бесконечные световые щели, но вопроса о рациональном расположении световых поверхностей не поставила и не разрешила.

 

Опираясь на те же возможности железо-бетона, на утерю наружной стеной ее конструктивных функций, рассматривая ее как прозрачный или непрозрачный теплоизолирующий элемент здания, мною поставлен вопрос о рациональном распределении световых поверхностей сообразно с нуждами того или иного внутреннего объема. Стремление достигнуть того же светового эффекта меньшей световой площадью, рационально расположенной, ставит вопрос несколько шире: не только рациональность, но и экономика естественного освещения.

 

Работу световой поверхности — окна — в общем случае можно разделить на две части: на работу освещения и на предоставление зрительной связи с внешним пространством. Работа освещения делится в свою очередь на две части: освещение глубины комнаты и освещение передней части ее.

 

Для освещения глубины комнаты, при условии равномерного освещения, требуется большая площадь световой поверхности, расположенной максимально близко к потолку, для освещения рабочих мест — вблизи наружной стены требуется сравнительно меньшая световая площадь, расположенная ниже; она же служит и для зрительной связи с внешним пространством — улицей, двором.

 

Исходя из этих простых соображений дифференциации работы световых площадей, мы можем, пользуясь методами определения освещенности помещений, — из них метод русского физика Андрея Александровича Гершуна наиболее простой и точный, — точно определить площадь, конфигурацию и размещение световых проемов на поверхности стены сообразно характеру освещаемого помещения. В этом направлении мною ставятся исследования, опыты, наблюдения, производятся расчеты, имеющие целью дать точное математическое обоснование, методы расчета и проектирования рационального освещения внутренних помещений, а также дать нормативный материал, построенный не только на геометрической зависимости площади освещения от площади пола, но учитывающий все входящие в этот сложный вопрос факторы.

 

Как на частном случае применения этого метода, позволю себе остановиться на шахматном ритме расположения окон, предложенном мною в конкурсном проекте дома Центросоюза в Москве. Мебель располагается в закономерной связи с распределением окон, часть столов, перпендикулярная к наружной стене, освещена слева нижним рядом окон, другая часть столов расположена под прямым углом к предыдущим и пользуется освещением верхнего ряда окон.

 

 

 

 

Тот же шахматный порядок, но усложненного ритма предложен при решении освещения глубокого операционного зала районного почтамта в Ленинграде. Благодаря большой глубине зала верхний ряд окон имеет бо́льшую площадь остекления, чем нижний.

 

Примененный мною шахматный ритм расположения оконных проемов позволил разрешить в этом частном случае и проблему дифференциации конструктивных и неконструктивных элементов наружной стены и сообщения характера «заполнения» не несущим элементам стены.

 

Вопрос этот находил до сих пор чистое, бесспорное решение только в применении сплошного застекления конструктивного каркаса.

 

При шахматном ритме глаз наблюдателя сразу оценивает непрозрачную часть заполнения, расположенную над окном как именно заполнение, а не как несущую конструкцию, и то же самое, само собой разумеется, и для заполнения под оконным проемом.

 

Конструктивный скелет помещается между окнами.

 

В заключение своего небольшого сообщения должен указать, что работа над изучением и рационализацией естественного освещения не должна ограничиться рамками многоэтажного сооружения с его вынужденным освещением в боковых наружных стенах.

 

Полагая, что идеальным освещением внутреннего объема является освещение сверху, необходимо критически подойти в этом смысле и к этажности сооружений.

 

 

---

 

→ Перейти в содержание всех выпусков журнала «Современная архитектура»