microbik.ru
1 2 ... 5 6



На правах рукописи

СОЛОВЬЁВ

Алексей Кириллович


НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ВЕРХНЕГО ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ

ТЕОРИИ СВЕТОВОГО ПОЛЯ

Специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование

воздуха, газоснабжение и освещение.

Автореферат диссертации

на соискание учёной степени

доктора технических наук

Москва - 2011

Работа выполнена на кафедре архитектуры гражданских и промышленных зданий

Московского государственного строительного университета

Официальные оппоненты: доктор архитектуры,профессор Н.И.Щепетков,

доктор технических наук профессор В.К. Савин

доктор технических наук профессор Ю.Б.Айзенберг


Ведущая организация - ОАО ЦНИИ промышленных зданий

Защита состоится « »_________ 2011г. в _______ часов на заседании диссертационного совета Д 007.001.01 при Научно исследовательском институте строительной физики РААСН, по адресу: Москва, 127238, Локомотивный проезд, д.21, светотехнический корпус; тел. (495)482-40-76, факс (495)482-40-60


С диссертацией можно ознакомиться в научно-методическом фонде НИИ строительной физики РААСН.

Автореферат разослан « » __________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 007.001.01 И.Л. Шубин.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В России к концу ХХ в. сложился огромный фонд производственных зданий, которые в настоящее время совсем не используются, используются частично или не по прямому назначению. При соответствующих экономических условиях, когда возникает необходимость в модернизации производства, такие здания реконструируются и перепрофилируются. Новое строительство ведется по качественно новым принципам, исключающим гигантоманию. Здания при этом должны быть экономичными как при строительстве, так и при эксплуатации. В связи с ростом стоимости энергии энергоэкономичность строящихся и реконструируемых зданий становится одним из показателей качества. При этом системы естественного освещения, являясь элементами связи внешней и внутренней среды, играют главную роль в энергетическом балансе здания.

В современных крупных промышленных зданиях системы верхнего естественного освещения являются практически единственным средством обеспечить доступ дневного света с необходимыми количественными и качественными параметрами по всей площади производственных помещений.

Настоящая работа посвящается проектированию систем верхнего естественного освещения производственных зданий и в основном тем аспектам, которые до настоящего времени не получили достаточного осмысления и внедрения в практику. Это учет на современном уровне светового климата при проектировании верхнего естественного освещения, применение теории светового поля к нормированию и проектированию верхнего естественного освещения зданий, оценка энергетической эффективности систем естественного освещения, выбор способа автоматического регулирования совмещенного освещения для оптимизации таких систем, применение новых инновационных технологий естественного освещения.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИИ

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

ЗАДАЧИ РАБОТЫ. В соответствии с поставленной целью было необходимо решить следующий комплекс задач:

- проанализировать существующие методы расчета естественной освещенности их точность и применимость для проектирования;

- разработать метод учета неравномерной яркости неба в расчетах естественного освещения зданий, основанный на среднестатистических условиях облачности, применимый для определения энергетической эффективности систем естественного освещения;

- уточнить методику учета отраженного света при верхнем естественном освещении;

- разработать инженерный метод расчета пространственных характеристик светового поля, применимый для проектирования естественного освещения зданий;

-разработать принципы отраслевого нормирования освещения по пространственным характеристикам светового поля;

-показать преимущества пространственных характеристик по сравнению с горизонтальной освещенностью, используемой в существующих методиках;

- выявить наиболее рациональные системы автоматического регулирования искусственного освещения с точки зрения их применения при проектировании совмещенного освещения зданий;

- усовершенствовать методику энергетической оценки систем естественного освещения и приспособить её к учету автоматически регулируемого совмещенного освещения зданий;

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

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

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

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ состоит в следующем:

- Разработан точный аналитический метод расчета КЕО, позволяющий использовать для получения исходных данных строительные чертежи.

- использована теория светового поля для расчетов естественного освещения зданий;

- разработана методика нормирования освещения по пространственным характеристикам светового поля;

- разработан метод проектирования систем естественного освещения зданий с использованием пространственных характеристик светового поля;

- разработана система нормирования естественного освещения производственных зданий с учётом минимума энергозатрат на освещение;

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

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

- разработан новый метод учета светового климата при расчетах естественного освещения, приближающийся к реальным среднестатистическим условиям.

- даны предложения по учёту верхнерасположенных коммуникаций и загрязнения светопроемов при проектировании систем верхнего естественного освещения зданий.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ:

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

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

- результаты диссертации позволяют усовершенствовать нормирование верхнее

го естественного освещения зданий, которое приведет к экономии энергии на освещение при обеспечении комфорта внутренней среды;

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

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

- новый метод учёта неравномерной яркости небосвода с учетом статистических условий облачности дает возможность повысить точность расчета энергетических затрат на освещение и в некоторых регионах значительно упрощает расчеты и обеспечивает переход к территориальному нормированию естественного освещения зданий.

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

Основные положения диссертационной работы использованы при создании Строительных норм и правил СНИП П-4-79 / М – 83 (Изменения и дополнения для условий МНР), при написании учебника «Физика среды» (Гриф УМО) и при написании монографии «Справочная книга по светотехнике», раздел «Естественное освещение зданий».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на:

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

- 1-м международном симпозиуме Греческого национального комитета по освещению, г.Афины. Греция, 2004 г.

- семинаре ГОУ ВПО МГСУ в КВЦ Сокольники, г.Москва, 2007 г.

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

- научно-технических конференциях ГОУ ВПО МГСУ.

- заседаниях кафедры Архитектуры гражданских и промышленных зданий и кафедры Отопления и вентиляции ГОУ ВПО МГСУ.

ПУБЛИКАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ

По теме диссертации опубликовано более 100 работ, в том числе 21 публикация в журналах, рекомендуемых ВАК, а также 15 публикаций в зарубежных журналах и сборниках научных трудов.

В работа использован мировой опыт в области строительной светотехники, и в первую очередь труды таких крупных отечественных специалистов, как А.А.Гершун, Н.М.Гусев, В.В.Мешков, М.М.Епанешников, М.М.Гуторов, Д.Н.Лазарев, В.И.Петров, А.Е. Атаев, В.П.Будак, Н.Н.Киреев, Н.В.Оболенский, В.С.Федосихин, Х.Н.Нуретдинов, В.А.Земцов, Д.В.Бахарев, А,Н.Кондратенков, А.В.Спиридонов, а также таких крупных зарубежных ученых, как П.Мун, Д.Е.Спенсер, Р.Г.Гопкинсон, Дж.Лонгмор, Е.Нееман, Ю.Крохманн и др.

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

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы, включающего 175 источников. Основной текст работы изложен на 263 страницах, включая 88 рисунков и 43 таблицы.
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ГЛАВЕ I рассматриваются проблемы проектирования систем верхнего естественного света.

В первом разделе данной главы проведен анализ существующих методов проектирования естественного освещения зданий и поставлены задачи исследования. Методика сравнения различных вариантов систем естественного освещения зданий, разработанная НИИ строительной физики, косвенно признает, что существующие нормы освещения не являются оптимальными ни с экономической, ни с энергетической точки зрения. Для совершенствования расчетов необходимо установить, при каких значениях коэффициентов естественной освещенности (КЕО) для данных уровней искусственной освещенности имеет место минимум приведенных затрат, а также затрат условного топлива на устройство системы естественного освещения.

Другим важным аспектом проблемы является простота и степень точности учета реальных условий естественного освещения зданий в светотехнических расчетах.

В настоящее время существуют многочисленные программы для ЭВМ, которые позволяют рассчитывать параметры естественного освещения в помещениях и ситуациях любой сложности. Вопрос о неизбежности перехода на компьютерные технологии в научных исследованиях не является дискуссионным. Однако проектировщикам зданий, для которых расчеты и проектирование систем естественного освещения, особенно в производственных зданиях, являются одними из многих вопросов комплексного учета всех факторов, влияющих на условия внутренней среды, необходимо иметь оперативные инженерные методы расчета. Необходимо разработать такие методы, которые должны отражать физику явления, должны быть простыми и должны как можно точнее отражать действительное положение вещей.

Следующим аспектом, который нуждается в специальном исследовании, является учет пространственного распределения направленной и рассеянной составляющих светового поля. Их соотношение обуславливает тенеобразование, которое влияет на зрительное восприятие материала, рельефа, фактуры поверхности объекта. Если в области проектирования искусственного освещения использование пространственных характеристик особых препятствий не имеет, то в области проектирования естественного освещения этот процесс осложняется непостоянством количественных и качественных параметров наружной освещенности, стабильностью расположения светопроемов, создающих определенную направленность световых потоков и связывающих тем самым гибкость расстановки технологического оборудования. Отсюда вытекают задачи применения теории светового поля при проектировании естественного освещения зданий.

Совмещенное освещение промышленных зданий является реальностью как в России, так и в других странах. Нормы КЕО в нормативных документах для совмещенного освещения сознательно занижены. Снижение площади остекления при этом позволяет уменьшить теплопотери зимой и теплопоступления летом, что может быть целесообразным в северных и южных районах. Это ставит задачи энергетической оценки этих норм.

В настоящее время в мире широко применяется автоматически регулируемое совмещенное освещение. Школа МИСИ-МГСУ занимается этим вопросом с 1968 г. В западном мире разработаны и применяются различные, весьма совершенные типы фотоавтоматов, регулирующих совмещенное освещение. Однако никто не ответил на вопрос, какими должны быть здания при автоматическом регулировании освещения, как должен распределяться естественный свет по площади помещения, какими должны быть светопроемы и как они должны размещаться в ограждающих конструкциях. Поэтому вопросы выбора параметров зданий, светопроемов и их размещения также являются предметом настоящего исследования.

Рассмотренные проблемы позволили сформулировать задачи диссертационной работы.

Во втором разделе главы рассмотрены современные типы производственных зданий и особенности их систем освещения. Анализ структуры энергетических затрат в промышленности позволяет констатировать, что основная их часть приходится на производство и только 30% затрат - на обеспечение требуемых параметров внутренней среды. Если в промышленности по добыче и первичной переработке сырья эта величина не является существенной, то в высокотехнологичных отраслях, таких как машиностроение, эта величина в значительной степени влияет на стоимость продукции. Наиболее широкое применение в России нашли одноэтажные производственные здания. Они составляют около 75% всех производственных площадей в стране. Такие здания создают возможность равномерного освещения рабочих мест естественным светом путем устройства фонарей в покрытии. Оценивается эффективность различных систем верхнего естественного света, их область применения в различных климатических районах, направленность световых потоков, равномерность светораспределения.

Анализируется опыт применения искусственного освещения в производственных зданиях. Отмечается, что вопросы влияния размещения технологических коммуникаций на естественное освещение в промышленных зданиях практически не разработаны. Иерархия коммуникаций является основой для упорядочения путей их прокладки, особенно в связи с системами верхнего естественного освещения. Рассматриваются различные формы кровли: уклонные, плоские, шедовые покрытия, покрытия с фонарями – надстройками, а также другие формы покрытий и их влияние на прокладку верхних коммуникаций. Необходимо разработать пути главных и второстепенных коммуникаций, чтобы избежать конфликта с направлением и расположением светопроемов, обеспечив минимальное затенение коммуникациями рабочей поверхности.

Рекомендации по учету верхнерасположенных коммуникаций в расчетах и проектировании естественного освещения предложены в диссертации и могут быть включены в свод правил по проектированию.

Анализ опыта учета загрязнения светопроемов как в нашей стране, так и за рубежом, показал, что наши нормы недостаточно учитывают использование светопроемов для аэрации. На рис.1 приведены результаты исследования загрязнения зенитных куполов из оргстекла в цехе железопроволочного производства Череповецкого сталепрокатного завода, проведенного автором. Было установлено, что глухие фонари загрязняются изнутри в 1.8 – 2.0 раза меньше, чем открывающиеся (см. рис.1), работающие на вытяжку, и в 1.4 – 1.6 раза меньше, чем такие же фонари, работающие на приток.




График зависимости светопропускания остекления зенитных фонарей от продолжительности эксплуатации
τ – коэффициент светопропускаиия до эксплуатации;

τ3то же, с учетом загрязнения;

1 – глухой фонарь;

2 – открывающийся фонарь

Рис.1

Результаты исследований загрязнения зенитных точечных фонарей из органического стекла на Череповецком сталепрокатном заводе


В СНиП 23-05-95 запыленность территории не учитывается. Так, даже для жилых зданий не имеет значения, где располагаются эти здания, в зеленой зоне, на центральных магистралях или в промышленных районах. Этот недостаток при использовании результатов ранее проводившихся исследований может быть легко устранен.

В диссертации в табличной форме приведены значения полученных путем натурных измерений в действующих цехах Магнитогорского метизно-металлургического завода коэффициентов запаса Кз для остекления. В той же таблице приведены значения Кз по СНиП 23-05-95, по DIN 5034 (Нормы ФРГ) и по NBN.L 13-002 (Нормы Бельгии).

Расчетное значение Кз в СНиП 23-05-95 значительно занижено по сравнению с зарубежными нормами и по сравнению с результатами наших измерений. Если же сравнивать натурные измерения со значениями, приведенными в нормах ФРГ и нормах Бельгии, то можно отметить, что эти нормы ближе к действительности. Предложенные коэффициенты Кз могут быть включены в нормы.

Опыт совместного применения систем естественного и искусственного света отражен в различных концепциях совмещенного освещения, которые рассмотрены в диссертационной работе. В настоящее время девизом интеграции естественного и искусственного света на Западе является максимальное использование естественного света и минимальное использование электрического света при обеспечении требуемых условий по количественным и качественным характеристикам освещения. Максимальное использование естественного света не может обеспечить минимума энергетических затрат, т.к. при этом неизбежно возрастут энергозатраты на восполнение теплопотерь и ликвидацию дополнительных теплопоступлений через светопроемы. Поэтому только оптимизация проектирования позволит добиться рационального совмещенного освещения.

Зрительный комфорт является одним из наиболее важных критериев в проектировании естественного освещения зданий. При наличии блесткости, создающей ослепленность, его достичь нельзя. Источники дневного освещения – прямой солнечный свет и яркие участки неба, видимые через светопроем, - могут быть источниками ослепленности.

Для создания единой концепции проектирования систем верхнего естественного света необходима классификация методов интеграции естественного и искусственного света в зданиях.

Исходя из анализа ранее производившихся попыток такой классификации, автором предложена своя классификация методов интеграции естественного и искусственного освещения в зданиях с фонарями верхнего света. Она приведена в табличной форме в диссертации.

Так как в случае зданий с верхним естественным освещением интеграция естественного и искусственного света в значительной степени зависит от светораспределения системы естественного освещения, то в предлагаемой классификации системы разделены на два типа – с равномерным распределением естественного света по всему помещению, и с неравномерным распределением естественного света. Следует отметить, что согласно действующим Нормам равномерность нормируется и должна составлять для производственных зданий не более 3:1. Для совмещенного освещения равномерность естественного света не оговорена. Можно считать, что она компенсируется искусственным освещением. В классификации учитываются и другие качественные характеристики освещения.

В классификационной таблице рассматриваются возможные преимущества того или иного вида совмещенного освещения. Однако основным преимуществом всех видов совмещенного освещения является расширение возможностей архитекторов и строителей при проектировании промышленных зданий, освобождение их от жестких рамок, в которые их ставят Нормы проектирования естественного освещения, без ухудшения внутренней световой среды и условий зрительной работы.


следующая страница >>