RU EN
lrg rst sml

Авторизация

Запомнить

OS

35%Windows XP
34%Windows 7
8%Windows NT
6%Mac OS X
5%Linux
fig_7.pngfloors_1.png

Экспорт новостей

 
О светопропускании окон Печать E-mail
Автор Бахарев Д.В., Зимнович И.А. О светопропускании окон // Светотехника. 2007. №5. с.5-9   

По эмпирической методике СП 23-102-2003 расчетное значение КЕО при боковом освещении:

e^{\small{\cyr b}}_{\small{\cyr r}}=\left( \sum_{i=1}^{L}\varepsilon_{\small{\cyr{b}i}}q_{\small i} + \sum_{j=1}^{M}\varepsilon_{\small{\cyr{ZD}j}}b_{\cyr{F}\small{j}}k_{\small \cyr{ZD}j} \right)r_{\small 0}\tau_{\small 0} / K_{\small \cyr z}, (1)

где общий коэффициент светопропускания проема \tau_{\small 0}=\tau_{\small 1}\tau_{\small 2}\tau_{\small 4}, (2)

представляет собою постоянный множитель, не зависящий от положения расчетной точки в помещение и источников света за окном. Коэффициенты \tau_{\small 1}, \tau_{\small 2} и \tau_{\small 3}, учитывающие потери света в остеклении, переплетах и солнцезащитных устройствах (балконах и лоджиях), принимаются взаимно независимыми (табл. В.7 и В.8 СП) и определяются измерениями, видимо, в интегрирующей фотометрической установке [1] и, быть может, в моделях и в натурных условиях. Обоснование значений \tau_{\small 2}, перенесенных в СП из СНиП П-А.8-72 и СНиП П-4-79, и \tau_{\small 4} обнаружить в литературе не удалось.

В современной теории светового поля окно рассматривается как оптическая система, проецирующая на поверхности помещения размытое оптическое изображение светящих объектов внешней среды (ОВС). В отличие от четких линзовых изображений, размытое изображение ОВС воспроизводит также форму проецирующего проема [2] и всех элементов его заполнения, расположенных между входной и выходной диафрагмами проецирующей системы. Оптическая теория светового поля покоится на законах классической геометрической оптики, которые не могут быть опровергнуты никаким последующем углублением знаний. Вытекающие из них следствия не нуждаются в экспериментальном обосновании. Они подтверждены многовековой практикой проектирования и эксплуатации всех существующих на планете оптических устройств [3] и нашим повседневным зрительным опытом. Проанализируем, в какой мере согласуются с классической теорией выраженные в формуле (1) эмпирические представления о светопропускании окон.

Рассмотрим простейший случай светящих ОВС в виде диффузно отражающих поверхностей протяженной квадратной уличной полости, освещаемой облачным небом МКО (схема №1 СП). Пусть изображение ОВС проецируется на поверхности помещения так же предельно простой оптической системой, состоящей из прямоугольного проема в стене толщиною \delta, в который вставлена оконная коробка с горизонтальным импостом, фрамугой и створками двойного раздельного переплета (рис.2). Параметры улицы и помещений приняты по аналогии с [4]; коэффициент отражения оконных откосов и элементов оконного заполнения - 0,7. Расчеты и визуализация световых полей, иллюстрирующих теоретические положения, выполнены программой Radiance 3.7.2, моделирующей методом Монте-Карло стохастический лучевой перенос света [5].

Светопропускание окна, прежде всего, определяется формой, размерами и коэффициентом отражения боковых поверхностей проема. Очевидно, что при \delta = 0 коэффициент пропускания падающего на проем светового потока \tau_{\small{\cyr pr}} = 1 (см. рис.1,1). При \delta > 0 (рис.1, 2-3) \tau_{\small{\cyr pr}} снижается за счет уменьшения апертуры проема и поглощения света в многократных отражениях как от его боковой поверхности, так от поверхностей ОВС и помещения. Поэтому \tau_{\small{\cyr pr}} не является однозначной величиной, определяемой только параметрами проема. Эта сложнейшая многопараметрическая функция координат рассматриваемой точки помещения зависит от формы, положения и яркости ОВС, освещенности их размытого изображения на поверхностях помещения и светотехнических параметров поверхностей. В каждом конкретной градостроительной ситуации она приобретает индивидуальный, неповторимый характер. В формуле (1), использующей для расчета прямой составляющей КЕО метод А.М. Данилюка, явно учитывается только \tau_{\small{\cyr pr}} в расчетной точке. Закономерности пропускания света в помещение в целом остаются скрытыми в эмпирических коэффициентах (1). Для их выявления требуются специальные исследования, поэтому ограничимся здесь только иллюстрацией зависимости функции пропускания проема от толщины стены.

Image
Рис.1. Построение рисунка размытых изображений неба, фасада и земли (а), структурированные изображения помещения на 1 этаже в 5-этажной застройке улицы (б), графики КЕО и функции относительного светопропускания проема на полу помещения (в) при толщине наружной стены 0,01см (1), 40см (2) и 80см (3).
Примем при \delta = 0 на j-той поверхности помещения функцию пропускания проема \tau_{\small 0,{\cyr pr},j}\left(x_j, y_j \right) = 1. Тогда пропускание при \delta > 0 выразится отношением результирующих КЕО при \delta > 0 к КЕО при \delta = 0. Результирующее поле учитывает освещенность размытого изображения боковой поверхности проема и, следовательно, потери света в результате многократных отражений.

Как видно на рис. 1(а, в), структура функции пропускания повторяет рисунок проецируемого проемом изображения ОВС. Ее зависимость от формы помещения определяется пересечениями A-D плоскостей рисунка с поверхностями помещения. Пропускание изображений ОВС проемом является направленным и пропорциональным его апертурам (см.[2, рис.2]). Точки A минимумов пропускания соответствуют нулям апертур и определяются только отраженной составляющей КЕО. Характер возрастания функций \tau_{\small \delta,{\cyr pr},j} от минимумов у окна до максимальных значений в параксиальной области EF изображения зависит от апертурного смещения размытых контуров ОВС относительно их положения при \delta = 0 и соотношения градиентов полей КЕО в зонах изображения. Поэтому с возрастанием апертуры до границ B чистого изображения неба пропускание быстро увеличивается, а далее, до границ C размытого изображения парапета, остается почти постоянным. Следующий скачек \tau_{\small \delta,{\cyr pr},j} до границы D зоны чистого изображения фасада при \delta = 0 порождается резким уменьшением градиента КЕО в этой зоне, после чего \tau_{\small \delta,{\cyr pr},j} асимптотически приближается к максимуму в параксиальной области изображения.

Image
Рис.2. Построение рисунка размытых изображений ОВС и оконного переплета (а), синтезированные Radiance изображения помещения на 1, 3 и 5 этажах (б) и расчетная схема оконного заполнения (в).
Если используемый в эмпирической методике НИИСФ графический метод А.М.Данилюка приближенно (без отраженной составляющей от оконных откосов) учитывает направленное в расчетную точку пропускание проема, то игнорирующий оптическую природу поля КЕО чисто эмпирический коэффициент \tau_{\small 0} (2) должен неизбежно порождать неопределенные погрешности в оценке светопропускания переплетов и других элементов здания.

Действительно, после установки в проем (рис.2, а) коробки с оконным переплетом (рис.2, в) на поверхностях помещения возникает их размытое изображение. На синтезированном Radiance рис.2,б особенно отчетливо видны изображения импоста BC и фрамуги CD, которые проецируются лучами, исходящими от самого яркого ОВС - неба. Изображения, проецируемые свечением фасада, менее заметны, а темной землей - вообще трудно различимы. Видимость изображения элементов переплета определяется их яркостным контрастом с изображением ОВС. Изменение положения проецирующей системы помещения относительно ОВС приводит к соответствующему смещению изображений ОВС и переплета по поверхностям помещения. Поведение функция пропускания переплета \tau_{\small 2,j}\left(x_j, y_j \right), равной отношению результирующих КЕО при установленной коробке и незаполненном проеме, аналогично рассмотренному выше пропусканию проема.

Image
Рис.3. Графики результирующих КЕО на полу при отсутствии (1) и наличии (2) оконного заполнения (а), функции пропускания переплета (б) и структурированные изображения помещений на 1, 3 и 5 этажах.
Как видно на рис.3, абсолютный минимум \tau_{\small 2,j}\left(x_j, y_j \right) соответствует нулю апертуры, образованной створкой переплета и подоконником. Далее пропускание почти экспоненциально возрастает до границы A чистого изображения неба, проецируемого апертурой створки. После этого \tau_{\small 2,j}\left(x_j, y_j \right) снижается до второго минимума BC в изображении импоста и вновь на границе D изображения неба, проецируемого уже апертурой фрамуги, возвращается на "экспоненту". На 5-ом этаже эти изображения проецируются на заднюю стену помещения, поэтому на полу функция пропускания имеет гладкий характер и в глубоких помещениях вдали от окна напоминает \tau_{\small 2} = 0.65 (см. табл. В.7 СП). Однако в общем случае рассчитывать на такие совпадения не приходится. Направленное пропускание всегда имеет индивидуальный характер, определяемый случайной комбинацией конфигураций и яркостей светящих ОВС и переплета.

Image
Рис.4. Построение рисунка размытых изображений ОВС (включая балкон выносом 0,8м) и изображения помещения под балконом на 1, 3 и 5 этажах здания в уличной застройке.
То же самое можно сказать о коэффициенте \tau_{\small 4}, учитывающим пропускание солнцезащитных устройств. На рис.4 и 5 показаны изображения помещения с балконом выносом 0,8 м и шириною 3 м. Коэффициенты отражения верхней и нижней его поверхности приняты, соответственно, равными 0,5 и 0,7. Яркость и оптическое изображение балкона зависят от прозрачности его ограждения. В приведенном примере ограждение при расчете и визуализации помещения не учитывалось.

Image
Рис.5. Графики результирующих КЕО на полу при отсутствии (1) и наличии (2) балкона, функции пропускания балкона и структурированные изображения помещений под балконом на 1, 3 и 5 этажах.
Балконы следует рассматривать как ОВС, ограничивающие проецируемые изображения неба сверху, а земли - снизу. В зоне AC чистого изображения неба функция \tau_{\small 4,j}\left(x_j, y_j \right) экспоненциально возрастает. Далее в зоне CD размытого контура парапета ее рост в зависимости от вертикального положения проецирующей ОВС оптической системы помещения прекращается (1 этаж) или замедляется (3 этаж). Градиентный скачек \tau_{\small 4,j}\left(x_j, y_j \right) смещается к окну пропорционально выносу затеняющего балкона. Потери света в зоне AB размытого изображения балкона зависят также от разности яркостей экранируемого им участка неба и нижней поверхности балконной плиты. Приведенные в табл. В.8 СП значения \tau_{\small 4} = 0,9 - 0,85 при выносе балкона 1,2 - 1,5 м, видимо, сильно завышены. В центре помещения глубиною 5,6 м \tau_{\small 4} = 0,8 уже при выносе балкона 0,8 м. При выносе в 1,6 м, когда балкон почти полностью закрывает размытый контур парапета (см. рис.4), в задней половине помещения \tau_{\small 4} снижается до 0,65-0,75. Вариации выноса балкона хорошо иллюстрируют закономерности образования в передней половине помещения контурных равноградиентных полок CD на графиках \tau_{\small 4,j}\left(x_j, y_j \right) (рис.5) и \tau_{\small \delta,{\cyr pr},j} (см. рис.1).

Коэффициент пропускания оконного стекла \tau_{\small 1} = 0,9, оказался единственной эмпирической величиной СП, более или менее согласующейся с теорией. Как видно на рис.6, в достаточно глубоких помещениях в удалении от окна он примерно соответствует функциям направленного пропускания двойного остекления, рассчитанным программой Radiance по формулам Френеля с учетом поляризации света [5].

Image
Рис.6. Графики результирующих КЕО на полу при отсутствии (1) и наличии (2) двойного оконного стекла и функции пропускания остекления в помещении на 1, 3 и 5 этажах.
Представление по аналогии с изотропным листовым стеклом общего пропускания анизотропных, сложных по строению конструкций переплетов и балконов, затеняющее и рефлекторное взаимодействие которых зависит от параметров ОВС и помещения, в виде произведения

\tau_{\small 0,j}\left(x_j, y_j \right) = \tau_{\small 1,j}\left(x_j, y_j \right) \tau_{\small 2,j}\left(x_j, y_j \right) \tau_{\small 4,j}\left(x_j, y_j \right)

противоречит оптической теории поля и ее основному, интегральному уравнению освещенности. На рис.7, а дано сравнение графиков 1 \tau_{\small 0,j}\left(x_j, y_j \right) на полу помещения как отношения результирующих КЕО при остекленном переплете и балконе и при незаполненном проеме и графиков 2 произведения приведенных на рис.3, 5 и 6 независимых функций пропускания переплета, балкона и стекла. Их относительные к графикам 1 расхождения (рис.7,б) вблизи окна достигают 30-80%. Однако, в удаленной от окна половине достаточно глубоких помещений формула (2) в расчетных точках, где нормируется КЕО, дает ошибки порядка ±10%, т.е. меньше допустимой погрешности измерений.

Image
Рис.7. Изображения помещений (в) и функции общего пропускания при остекленном переплете и балконе (1), графики произведения независимых функций пропускания стекла, переплета и балкона (2) (а) и погрешности произведений (б) на 1, 3 и 5 этажах здания.
Ошибки эмпирической оценки светопропускания определяются положением расчетных точек в зонах проецируемых проемом изображений ОВС и конструктивных элементов окна и, следовательно, зависят от глубины помещения и положения в нем контурных зон изображений. В помещениях, глубина которых превышает 3 высоты светопроема, расчетные точки обычно попадают в зону чистого изображения фасада, где \tau_{\small 0,j}\left(x_j, y_j \right) близко к \tau_{\small 0} . Значительные расхождения здесь могут возникнуть при наличии простенков, вертикальных импостов окна и в изображениях просветов неба между противостоящими зданиями. В жилых помещениях глубиною в 2-3 высоты окна (кухни, спальные комнаты и т.п.), где расчетные точки попадают в контурные зоны изображений ОВС, \tau_{\small 0} неизбежно дает значительные ошибки в оценке КЕО.

Приведенные выше графики и изображения, по существу, является результатом строгого статистического эксперимента. По точности, информативности и визуально наблюдаемой достоверности они значительно превосходит грубые модельные и натурные измерения, обычно выполняемые в ограниченном количестве точек. Видимо, поэтому направленный характер пропускания, т.е. создание оптическими системами окон изображений ОВС на поверхностях помещений, не был обнаружен опытным путем. За рубежом от подобных эмпирических методов исследования и расчета КЕО давно отказались. В России с 1 января 2000 года ГОСТ 26602.4-99 в обязательном порядке предписывает определять общий коэффициент пропускания оконных заполнений в испытательной установке от "источника диффузного света типа А (искусственного небосвода отраженного света, окрашенного белой диффузно отражающей краской) по ГОСТ 7721" [1,стр.2].

Image
Рис.8. Установка для определения общего коэффициента пропускания света (Рис.А.1 Приложения А (обязательного) к ГОСТ 26602.4- 99).
Приведенная в [1] схема испытательной установки (рис.8) напоминает 9-метровый искусственный небосвод НИИСФ, замкнутый снизу "светомерной" полусферой меньшего диаметра. В ее перекрытии сделано отверстие с опорной сеткой, на которую укладывается испытуемый оконный блок, почему-то направленный в зенитную область небосвода. Размеры и детали установки не указываются. Ее схема принципиально отличается от светотехнических схем реальных светящих ОВС и помещений (рис.2-5). Поэтому пригодность измеренных в такой установке коэффициентов пропускания вертикальных оконных и дверных блоков для расчета КЕО и даже для их сравнительной оценки вызывает сомнения и нуждается в достаточно убедительном обосновании.

Введение в методику расчета КЕО по аналогии с пропусканием стекла приближенных коэффициентов пропускания переплетов было естественным в начале прошлого века, когда отсутствовала вычислительная техника, позволяющая непосредственно и точно учитывать их влияние на поле КЕО. В настоящее время возводить громоздкие установки для примитивных и дорогостоящих натурных и модельных измерений, которые заведомо не могут дать новых научных результатов, экономически нецелесообразно. Фундаментальная наука о свете - от классической геометрической оптики до квантовой электродинамики - располагает всем необходимым для успешного расчетно-теоретического решения любых прикладных задач естественного освещения на базе современных компьютерных технологий. Как было продемонстрировано выше, проблема заключается только в знании, желании и умении использовать эти возможности.

В заключение авторы выражают благодарность ведущему научному сотруднику компании Silicon Graphics Грегори Уорду Ларсену за создание замечательного инструмента для статистического исследования световых полей - программы Radiance, и за личную помощь, оказанную в ее освоении.

Список литературы.

  1. ГОСТ 26602.4-99. БЛОКИ ОКОННЫЕ И ДВЕРНЫЕ. Метод определения общего коэффициента пропускания света.
  2. Бахарев Д.В. Геометрия размытого оптического изображения // Светотехника. 1993. № 8. с.10 - 13.
  3. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Л.: "Машиностроение". 1969. с.670.
  4. Зимнович И.А. Выступление в дискуссия по инсоляции и ЕО // Светотехника. 2006. №3. с.64 - 65.
  5. Ward Larson, G., R. Shakespeare. 1998. Rendering with Radiance: The Art and Science of Lighting Visualization. San Francisco, CA: Morgan Kaufman Publishers. 1998. p.644.

Обсудить новость в форуме. (1 сообщений)

 
« О достоверности расчета ЕО по методике СП 23-102-2003   О нормировании и расчете инсоляции »