Исследование эффективности и качества искусственного освещения

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

И КАЧЕСТВА ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу

«Безопасность жизнедеятельности» для студентов очного и заочного обучения всех направлений и специальностей

Томск 2009

УДК

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Безопасность жизнедеятельности» для студентов очного и заочного обучения всех направлений и специальностей. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. – 18 с.

Составители: доц., к.т.н. Ю.В. Волков, доц. М.В. Гуляев,

доц., к.т.н. М.Э. Гусельников

Рецензент: к.т.н. Ю.Ф. Свиридов

Методические рекомендации рассмотрены и рекомендованы методическим семинаром кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности

«___» ________ 2009 г.

Зав. кафедрой ЭБЖ, проф., д.х.н.                                     С.В. Романенко

Одобрено учебно-методической комиссией ЭЛТИ

Предс. метод. комиссии

доц., к.т.н.

В.И. Готман                               

                        «____»              2009 г.

Исследование эффективности и качества искусственного освещения

1.1. Цель работы

Цель работы – изучение количественных и качественных характеристик освещения, оценка влияния типа светильника и цветовой отделки интерьера помещения на освещенность и коэффициент использования светового потока.

1.2. Общие сведения

Около 80 % общего объема информации человек получает через зрительный аппарат. Качество получаемой информации во многом зависит от освещения: неудовлетворительное в количественном или качественном отношении освещение не только напрягает зрение, но и вызывает утомление организма в целом. Нерационально организованное освещение, кроме того, может явиться причиной травматизма: плохо освещенные опасные зоны, слепящие источники света и блики от них, резкие тени и пульсации освещенности ухудшают видимость и могут вызвать неадекватное восприятие наблюдаемого объекта. Поэтому рациональное освещение помещений и рабочих мест – одно из важнейших условий создания благоприятных и безопасных условий труда.

Организация освещения связана с получением, распределением и использованием световой энергии для обеспечения благоприятных условий видения предметов и объектов. Грамотно выполненное освещение влияет на настроение и самочувствие, повышает эффективность труда.

В зависимости от источника света освещение может быть трех видов: естественное, искусственное и совмещенное (смешанное).

1.3. Светотехнические характеристики освещения

При оптических измерениях

Для гигиенической оценки освещения необходимо учитывать неодинаковую чувствительность глаза к энергии различных длин волн. Человеческий глаз воспринимает электромагнитные колебания в диапазоне длин волн от 380 до 770 нм (1 нм = 10^-9 м), которые называются видимым излучением.

Основной световой единицей в системе СИ является кандела (кд) - сила света (I) в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540^.10¹² Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.  

Световой поток(F) – мощность оптического излучения, оцениваемая по производимому ею зрительному ощущению. За единицу светового потока принят люмен (лм) – световой поток, испускаемый точечным источником силой света I = 1 кд внутри телесного угла в 1 ср (1 лм = 1 кд ^. ср).

Освещенность (Е) – величина, равная отношению светового потока F, падающего на поверхность, к площади S этой поверхности:

,                                                                                    (1)

Единица измерения освещенности - люкс (лк) (1 лк = 1 лм/м²).

Яркость B – поверхностная плотность силы света I в заданном направлении. Яркость является характеристикой светящихся тел, она равна отношению силы света I в каком-либо направлении к площади S проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к этому направлению.

,                                                                        (2)

где: α – угол между направлением излучения и плоскостью, град.

Единицей измерения яркости является кд/м², это яркость такой плоской поверхности, которая в перпендикулярном направлении излучает силу света в 1 кд с площади 1 м².

1.4. Искусственное освещение

Искусственное освещение предусматривается в помещениях с недостатком естественного света, а также для освещения помещений в темное время суток.

По принципу организации искусственное освещение можно разделить на два вида: общее и комбинированное.

Общее освещение предназначено для освещения всего помещения, оно может быть равномерным или локализованным. Общее равномерное освещение создает условия для выполнения работ в любом месте освещаемого пространства. При общем локализованном освещении светильники размещают в соответствии с расположением оборудования, что позволяет создавать повышенную освещенность на рабочих местах.

Комбинированное освещение состоит из общего и местного. Его целесообразно устраивать при работах высокой точности, а также при необходимости создания в процессе работы определенной направленности светового потока. Местное освещение предназначено для освещения только рабочих поверхностей. Оно может быть стационарным и переносным.

Применение только местного освещения в производственных помещение запрещается, так как резкий контраст между ярко освещенными и неосвещенными местами утомляет зрение, замедляет скорость работы, нередко является причиной несчастных случаев.

По функциональному назначению искусственное освещение подразделяют на рабочее, аварийное, эвакуационное и охранное.

Рабочее освещение обеспечивает нормируемые осветительные условия (освещенность, качество освещения) в помещениях и в местах производства работ вне зданий.

Аварийное освещение служит для продолжения работы при аварийном отключении рабочего освещения. Аварийное освещение в помещениях и на местах производства работ необходимо предусматривать, если отключение рабочего освещения и  связанное с этим нарушение обслуживания оборудования может привести к взрыву, пожару, длительному нарушению технологического процесса или работы объектов жизнеобеспечения. Наименьшая освещенность, создаваемая аварийным освещением, должна составлять 5 % освещенности, нормируемой для рабочего освещения, но не менее 2 лк внутри зданий и не менее 1 лк для территории предприятий.

Эвакуационное освещение следует предусматривать в местах, отведенных для прохода людей, в проходах и на лестницах, служащих для эвакуации людей в количестве более 50 человек. Это освещение должно обеспечивать на полу основных проходов (или на земле) и на ступенях лестниц освещенность не менее 0,5 лк в помещениях и 0,2 лк на открытой территории.

Охранное освещение предусматривается вдоль границ территории охраняемой в ночное время. Охранное освещение должно обеспечивать освещенность не менее 0,5 лк на уровне земли.

1.5 Источники искусственного освещения

В качестве источников искусственного освещения применяются лампы накаливания и газоразрядные лампы.

В лампах накаливания источником света является раскаленная вольфрамовая проволока. Эти лампы дают непрерывный спектр излучения с повышенной (по сравнению с естественным светом) интенсивностью в желто-красной области спектра. По конструкции лампы накаливания бывают вакуумные и газонаполненные, в том числе галогенные у которых температура проволоки может быть повышена, что увеличивает световую отдачу (отношение создаваемого лампой светового потока к потребляемой электрической мощности).

Общим недостатком ламп накаливания является сравнительно небольшой срок службы (менее 2000 часов) и малая световая отдача (8 – 20 лм/Вт). В промышленности они находят применение для организации местного освещения.

Наибольшее применение в промышленности находят газоразрядные лампы низкого и высокого давления. Газоразрядные лампы низкого давления называемые люминесцентными, конструктивно выполнены в виде стеклянной трубки, внутренняя поверхность которой покрыта люминофором. Трубка наполнена дозированным количеством ртути (30 – 80 мг) и смесью инертных газов под давлением около 400 Па. На противоположных концах внутри трубки размещаются электроды. При включении лампы в сеть между электродами возникает газовый разряд, сопровождающийся излучением преимущественно в ультрафиолетовой области спектра. Это излучение, в свою очередь, преобразуется люминофором в видимый световой поток. В зависимости от состава люминофора люминесцентные лампы обладают различной цветностью.

Основным недостатком люминесцентных ламп является повышенный коэффициент пульсации генерируемого ими излучения. Поэтому в последние годы появились газоразрядные лампы низкого давления со встроенным высокочастотным преобразователем. Газовый разряд в таких лампах (называемый вихревым) возбуждается на высоких частотах (десятки кГц) за счет чего обеспечиваются малые значения коэффициента пульсации генерируемого излучения.

К газоразрядным лампам высокого давления (0,03 – 0,08 МПа) относятся дуговые ртутные лампы (ДРЛ). В спектре излучения этих ламп преобладают составляющие зелено-голубой области спектра. В последнее время достаточно широко стали применять электродуговые ксеноновые лампы, обладающие очень высокой световой отдачей при малых габаритах. Однако они в настоящее время достаточно дорогостоящие и применяются преимущественно в фарах элитных автомобилей. Их использование внутри помещений запрещено.

Основными достоинствами, люминесцентных ламп является их долговечность (свыше 10000 часов), экономичность, малая себестоимость изготовления, благоприятный спектр излучения, обеспечивающий высокое качество цветопередачи, низкая температура поверхности. Светоотдача этих ламп превышает 30 лм/Вт, что в несколько раз превосходит светоотдачу ламп накаливания.

1.4. Нормирование искусственного освещения

Известны два подхода к нормированию освещенности рабочих поверхностей.

"Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03" определяет наименьшую освещенность рабочих поверхностей в производственных помещениях в зависимости от вида производимой деятельности, а СНиП 23-05-95 "Естественное и искусственное освещение" - в зависимости от характеристики зрительной работы, определяемой минимальным размером объекта различения, контрастом объекта с фоном и свойствами фона. В этом документе используются следующие основные понятия:

Объект различения – рассматриваемый предмет, отдельная его часть или дефект, которые следует контролировать в процессе работы.

Фон – поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения, на которой он рассматривается. Фон считается: светлым при коэффициенте отражения ρ светового потока поверхностью более 0,4; средне светлым при коэффициенте отражения от 0,2 до 0,4; темным при коэффициенте отражение менее 0,2.

Контраст объекта различения с фоном (К) определяется отношением абсолютной величины разности яркостей объекта В₀ и фона В_ф к наибольшей из этих двух яркостей.

                                              (3)

Контраст считается большим при значениях К более 0,5, средним – при значениях К от 0,2 до 0,5; малым – при значениях К менее 0,2.

В соответствии со СНиП 23-05-95 все виды работ в зависимости от размера объекта различения делятся на восемь разрядов (I - VIII), которые в свою очередь в зависимости от фона и контраста объекта с фоном делятся на четыре подразряда (а, б, в, г). Допустимые значения наименьшей освещенности рабочих поверхностей в производственных помещениях в соответствии со СНиП 23-05-95 приведены в Приложении 1. (В зарубежных нормах размер объекта, различения часто указывают в угловых минутах).

Еще одним важным параметром, характеризующим качество освещения, является коэффициент пульсации освещенности К_п:

,                                                      (4)

где:

Е_max – максимальное значение пульсирующей освещенности на

рабочей поверхности;

Е_min – минимальное значение пульсирующей освещенности;

Е_ср – среднее значение освещенности.

Пульсации освещенности возникают из-за питания источников света переменным напряжением. Особо большие значения они имеют при использовании малоинерционных источников света, которыми являются люминесцентные лампы. Пульсации освещенности на рабочей поверхности не только утомляют зрение, но и могут вызывать неадекватное восприятие наблюдаемого объекта за счет появления стробоскопического эффекта. Стробоскопический эффект – кажущееся изменение или прекращение движения объекта, освещаемого светом, периодически изменяющимся с определенной частотой. Например, если вращающийся белый диск с черным сектором освещать пульсирующим световым потоком (вспышками), то сектор будет казаться: неподвижным при частоте f_всп = f_вращ, медленно вращающимся в обратную сторону при f_всп > f_вращ, медленно вращающимся в ту же сторону при f_всп < f_вращ, где f_всп и f_вращ – соответственно частоты вспышки и вращения диска. Пульсации освещенности вращающихся объектов могут вызывать видимость их неподвижности и быть причиной травматизма.

Значение К_п меняется от нескольких процентов (для ламп накаливания) до нескольких десятков процентов (для люминесцентных ламп). Малое значение К_п для ламп накаливания объясняется большой тепловой инерцией нити накала, препятствующей заметному уменьшению светового потока F_лн ламп в момент перехода мгновенного значения переменного напряжения сети через 0 (Рис.1). В то же время, газоразрядные лампы обладают малой инерцией и меняют свой световой поток F_лл почти пропорционально амплитуде сетевого напряжения (Рис.1).

Рис. 1. Зависимости напряжения электропитания, светового потока лампы накаливания (ЛН) и люминесцентной лампы (ЛЛ) от времени t

Для уменьшения коэффициента пульсации освещенности К_п люминесцентные лампы включают в разные фазы трехфазной электрической сети. Это хорошо поясняет нижняя кривая на рис. 2, где показан характер изменения во времени светового потока (и связанной с ним освещенности) создаваемого тремя люминесцентными лампами, включенными в фазу А (F_лл) и в три различные фазы сети (3F_лл). В последнем случае за счет сдвига фаз на 1/3 периода провалы в световом потоке каждой из ламп компенсируются световыми потоками двух других ламп, так что пульсации суммарного светового потока существенно уменьшаются. При этом среднее значение освещенности, создаваемой лампами, остается неизменным и не зависит от способа их включения.

Рис. 2. Зависимости напряжения электропитания и световых потоков люминесцентных ламп, включенных в одну (F_лл) и в три  (3F_лл) фазы сети электропитания от времени t

В соответствии со СНиП 23-05-95 коэффициент пульсации освещенности К_п,, нормируется в зависимости от разряда зрительных работ. Значения этого коэффициента приведены в Приложении 2.

На освещенность рабочих поверхностей в производственном помещении влияют отражение и поглощение света стенами, потолком и другими поверхностями, расстояние от светильника до рабочей поверхности, состояние излучающей поверхности светильника, наличие рассеивателя света и т.д. Вследствие этого полезно используется лишь часть светового потока излучаемого источником света.

1.5. Коэффициент использования осветительной установки

Расчет искусственного освещения предусматривает: выбор типа источника света, системы освещения и светильника, проведение светотехнических расчетов, распределение светильников и определение потребляемой системой освещения мощности. Величина, характеризующая эффективность использования источников света, называется коэффициентом использования светового потока или коэффициентом использования осветительной установки (η) и определяется как отношение фактического светового потока (F_факт) к суммарному световому потоку (F_ламп) используемых источников света, определенному по их номинальной мощности в соответствии с нормативной документацией:

,                                                                               (5)

Значение фактического светового потока F_факт можно определить по результатам измерений в помещении средней освещенности Е_ср по формуле:

,                                                                        (6)

где S – площадь помещения, м²,

При проектировании освещения для оценки светового потока F_факт, используется формула:

,                                                               (7)

где: Е – нормируемая освещенность, лм (Приложение №1),

К₃ – коэффициент запаса, учитывающий старение ламп, запыление и загрязнение светильников, (обычно К₃ = 1,3 для ламп накаливания и 1,5 для люминесцентных ламп),

Z – коэффициент неравномерности освещения (обычно Z = 1,1 – 1,2).

2 Содержание работы

В ходе работы необходимо измерить освещенность, создаваемую различными источниками света и сравнить с нормируемыми значениями. По измеренным значениям освещенности определить коэффициент использования осветительной установки. Измерить и сравнить коэффициенты пульсаций освещенности создаваемых различными источниками света, оценить зависимость коэффициента пульсаций освещенности от способа подключения ламп к фазам трехфазной сети.

2.1 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из макета производственного помещения оборудованного различными источниками искусственного освещения, и люксметра-пульсаметра для измерения значений освещенности и коэффициента её пульсаций. Макет и люксметр-пульсаметр устанавливаются на стол лабораторный.

Внешний вид макета представлен на рис.3. Макет имеет каркас 1 из алюминиевого профиля, пол 2, потолок 3, боковые стенки 4, заднюю и переднюю стенки 5. Задняя и боковые стенки являются съемными и могут устанавливаться любой из двух сторон внутрь макета помещения, фиксируясь в проемах каркаса с помощью магнитных защелок. Одна сторона стенок окрашена в светлые тона, другая в темные тона, при этом нижняя окрашенная половина стенки темнее верхней. Передняя стенка 5 жестко вмонтирована в каркас и выполнена из тонированного прозрачного стекла. В передней нижней части каркаса 1 предусмотрено окно для установки измерительной головки 6 люксметра-пульсаметра 7 внутрь каркаса. На уровне пола 2 размещен вентилятор 8 для наблюдения стробоскопического эффекта и охлаждения ламп в процессе работы. На потолке 3 размещены 7 патронов, в которых установлены две лампы накаливания 9, три люминесцентные лампы 10 типа КЛ9, галогенная лампа 11 и люминесцентная лампа 12 типа СКЛЭН с высокочастотным преобразователем. Вертикальная проекция ламп отмечена на полу 2 цифрами, соответствующими номерам ламп на лицевой панели макета.

Включение электропитания установки производится автоматом защиты, находящиеся на задней панели каркаса, и регистрируется сигнальной лампой, расположенной на передней панели каркаса.

На передней панели каркаса (рис.3) расположены органы управления и контроля, в том числе:

-   лампа индикации включения напряжения сети;

-   переключатель для включения вентилятора;

-   ручка регулирования частоты вращения вентилятора;

-   переключатели (1-7) для включения ламп.

Электропитание ламп, накаливания и люминесцентных ламп осуществляется от разных фаз. Схема позволяет включать отдельно каждую лампу с помощью соответствующих переключателей, расположенных на передней панели каркаса (рис.3).

На задней панели каркаса расположен автомат защиты сети и сдвоенная розетка с напряжением 220В для подключения измерительных приборов.

Люксметр-пульсаметр содержит корпус 1 (рис.4), на лицевой панели которого расположен стрелочный индикатор 2, переключатель режима измерения 3 (освещенности Е / коэффициент пульсации К_п), переключатель диапазона измерения 4 и переключатель включения напряжения сети со встроенным индикатором 5. На задней стенке корпуса 1 закреплен сетевой шнур 6 и держатель предохранителя 7. В качестве приемника светового потока используется измерительная головка 8 с насадками 9. При выключенном электропитании прибор работает как люксметр (Ю-116) и позволяет измерять освещенность в диапазоне от 5 до 100000 лк. Выбор диапазона определяется насадками. В положении 100 переключателя диапазона измерения 4 с насадками К и М измеряется освещенность до 1000 лк, с насадками К и Р - до 10000 лк и с насадками К и Т до 100000 лк. В положении 30 переключателя диапазона измерения с этими же насадками измеряется освещенность до 300 лк, до 3000 лк, до 300000 лк, соответственно.

При включении питания прибор позволяет измерять коэффициент пульсации освещенности в диапазоне от 0 до 30% или от 0 до 100% в зависимости от положения переключателя диапазона измерения. Следует обратить внимание на то, чтобы измерение коэффициента пульсации производилось при тех же насадках, что и измерение освещенности.

2.2. Требования безопасности при выполнении лабораторной работы

2.2.1. К работе допускаются студенты, ознакомленные с устройством лабораторной установки, принципом действия и мерами безопасности при проведении лабораторной работы.

2.2.2. Для предотвращения перегрева установки при длительной работе ламп необходимо включить вентилятор.

2.2.3. После проведения лабораторной работы отключить электропитание стенда и люксметра-пульсаметра.

2.3. Порядок проведения лабораторной работы

2.3.1. Установить стенки макета производственного помещения таким образом, чтобы стороны, окрашенные в темные тона, были обращены внутрь помещения.

2.3.2. Включить установку с помощью автомата защиты, находящемся на задней панели каркаса.

2.3.3. Включить лампы (выбор ламп производится по заданию преподавателя).

2.3.4. Произвести измерение освещенности с помощью люксметра-пульсометра не менее чем в пяти точках макета производственного помещения (в центре и углах пола), определить среднее значение освещенности Е_ср.

2.3.5. Установить стенки макета производственного помещения таким образом, чтобы стороны, окрашенные в светлые тона были обращены внутрь помещения.

2.3.6. Произвести измерение освещенности не менее чем в пяти точках макета производственного помещения, определить среднее значение освещенности.

2.3.7. Сравнить полученные в результате измерений по п.п. 2.3.4 и 2.3.6 значения освещенности с допустимыми значениями освещенности, приведенными в Приложении 1 (разряд зрительных работ принять по указанию преподавателя).

2.3.8. По результатам измерений освещенности для варианта с темной и светлой окраской стен вычислить значение фактического светового потока

F_факт по формуле (6):

,                                                                        (8)

где;  Е_ср – среднее значение освещенности;

S – площадь макета помещения, м².

2.3.9. Вычислить коэффициент использования осветительной установки η для варианта с тёмной и светлой окраской стен по формуле (5). Суммарный световой поток F_ламп выбрать по номинальной мощности для каждого типа ламп по таблице №1.

Таблица №1

Световой поток различных источников света

* После минимальной продолжительности горения (2000 часов)

2.3.10. Повторить измерения для другого типа ламп.

2.3.11. Сравнить значения коэффициентов использования осветительных установок, полученные для случаев с использованием различных источников света и различной окраской стен.

2.3.12. С помощью люксметра-пульсаметра измерить коэффициент пульсации освещенности при включении одной лампы накаливания, а затем при включении одной люминесцентной лампы типа КЛ9. Сравнить полученные значения.

2.3.13. Измерить и сравнить между собой коэффициенты пульсации освещенности при включении одной люминесцентной лампы, затем двух и трех люминесцентных ламп типа КЛ9. (Следует учесть, что люминесцентные лампы включены в три различные фазы трехфазной сети, поэтому измерительную головку люксметра-пульсаметра необходимо располагать в геометрическом центре системы включенных ламп).

2.3.14. Включить люминесцентную лампу типа КЛ9 в центре установки и вентилятор. Вращая ручку «Частота», регулирующую скорость вращения лопастей вентилятора, подобрать такую частоту, при которой возникает стробоскопический эффект (лопасти кажутся неподвижными).

2.3.15. Выключить стенд. Составить отчет о работе.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Денисенко Г.Ф. Охрана труда. - М.г Высшая школа, 1985. 319 с.

2. Кельберт Д.Л. Охрана труда в текстильной промышленности. - М.: -Легпромбытиздат, 1990. - 304 с.

3. Фильев В.И. Регулирование условий труда на предприятиях РФ. - М.: Интел-Синтез, 1996. - 131 с.

4. СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение. - М.: Стройиздат, 1996.

Приложение №1