RU EN
lrg rst sml

Авторизация

Запомнить

OS

35%Windows XP
34%Windows 7
8%Windows NT
6%Mac OS X
5%Linux
fig_8.pngfloors_1.png
Главная arrow Публикации arrow О методике расчета естественного освещения
О методике расчета естественного освещения Печать E-mail
Автор Бахарев Д.В. (выступление на дискуссии по инсоляции и ЕО в журнале «Светотехника» №№1-3 в 2006г.)   

В статье Н.И.Щепеткова справедливо отмечаются некоторые недостатки норм инсоляции и естественного освещения (ЕО) и методики расчета нормируемых показателей. Не будем касаться здесь вопросов инсоляции - рукопись специальной статьи, посвященной наболевшей проблеме ее обеспечения в российских жилищах, рассматривается сейчас редакцией, и, надеюсь, будет в ближайшее время опубликована (статья «О нормировании и расчете инсоляции» опубликована в «Светотехнике» №1 за 2006 г и помещена на сайте).

С эмпирической методикой расчета КЕО в СНиП впервые столкнулся 40 лет назад, будучи аспирантом лаборатории ЕО НИИСФ. Тогда в СНиП П-А.8-62 она выглядела следующим образом:

e = e_{\small {\cyr n}} + e_{\small {\cyr o}} + e_{\small {\cyr z}}

где: КЕО от неба e_{\small {\cyr n}} = e_{\small {\cyr n}}^{\small {\cyr r}} \tau_{\small 0} q (здесь и далее обозначения согласно СНиП), от противостоящего здания e_{\small {\cyr z}} = 0.1 e_{\small {\cyr z}}^{\small {\cyr r}} \tau_{\small 0}, и отраженная составляющая e_{\small {\cyr o}} = e_{\small {\cyr n}} \left( r_{\small 1}-1 \right). После подстановки e = \left( e_{\small {\cyr n}}^{\small {\cyr r}} q r_{\small 1} + 0.1 e_{\small {\cyr z}}^{\small {\cyr r}} \right) \tau_{\small 0}, и становилось очевидным, что корректно ([1] стр. 128)

e = \left( e_{\small {\cyr n}}^{\small {\cyr r}} q + K e_{\small {\cyr z}}^{\small {\cyr r}} \right) r_{\small 1} \tau_{\small 0}, (1)

где K = 0.1 - относительная яркость фасада противостоящего здания. В этом исправленном виде формулу из [1] перенесли в СНиП П-А.8-72, потом в СНиП П-4-79 и, в принципе, она поныне используется в СП 23-102-2003.

Далее согласно замечаниям [2], была введена интерполяция значений табл.2 [3], снижающая ошибки в определении коэффициента r_{\small 1}, которые у границ принятых в СНиП П-А.8-72 (табл.8) и СНиП П-4-79 (табл. 30) ступенчатых интервалов изменения B / h_{\small 1} достигали 80% (см. рис.4,а в [2]). В примечании табл.4 [3] для уровня пола появился множитель 0,8 к значениям r_{\small 1} на УРП, завышающим на 20-30% расчетные значения КЕО в жилых зданиях (см. рис.4,б в [2]). Из МГСН 2.06.99 он исчез, но в СП 23-102-2003 появилась, наконец, табл. В.5 специального коэффициента r_{\small 0} для уровня пола. Перечислять здесь все замеченные, исправленные и исправимые ошибки не имеет смысла, - как было показано в [4,5], эмпирическая методика СНиП принципиально противоречит теории светового поля и является неисправимо ошибочной.

Действительно, формальное математическое равенство (1) не выражает физической сущности явления. Согласно закону сохранения энергии отраженная составляющая КЕО в помещении есть функция поля прямой составляющей КЕО на всех отражающих поверхностях помещения, а не в расчетной точке. Поэтому методику (1) можно рассматривать только как форму табулирования эмпирических данных, создающую иллюзию расчета КЕО. Малую достоверность такого расчета отмечали и сами разработчики СНиП:

"Анализ большого количества экспериментальных данных показал, что
модельные испытания имеют серьезные погрешности, в некоторых случаях они приводят к грубым ошибкам в определении r_{\small 1}. Например, вследствие относительной близости горизонта в установке "искусственное небо" на верхнюю часть стен и потолок частично попадает прямой свет от "неба", в то время как в реальных условиях это исключено.

Более точное решение задачи может быть найдено на основе построения и исследования математической модели бокового естественного освещения [6, стр.4]." Далее в [6] приводился алгоритм решения системы алгебраических уравнений освещенности методом итераций и сообщалось, что "по результатам расчета на ЭВМ была составлена таблица значений r_{\small 1} для помещений с боковым освещением,… которая была включена в СНиП П-А.8-72… , а затем в СНиП П-4-79…(стр.6)."

Приведенное в [2, рис.1-3] сопоставление значений r_{\small 1} из табл.30 СНиП и соответствующих им значений КЕО с нашими расчетами на ЭВМ показало, что неупорядоченные значения табл.30 не могли быть получены на ЭВМ. Такие значения ЭВМ дает только при обращении к функции псевдослучайных чисел. Здесь желаемое выдавалось за действительное. Об этом свидетельствует и дальнейшее развитие методики СНиП, где "результаты расчета на ЭВМ" больше не упоминаются. Действительные теоретические значения r_{\small 1}, полученные численным решением системы интегральных уравнений освещенности на ЭВМ, приводятся в [2, 7].

Экскурс в историю развития методики расчета СНиП понадобился в связи с ее искажением в [8]. Методика СНиП, содержавшая отмеченные выше грубые ошибки, никогда не давала верных значений КЕО как в малоэтажной уличной, так и в любой другой застройке.

Под искусственным небом радиусом 4,5 м модели зданий с помещениями в пригодном для измерений масштабе не помещаются. Эмпирические коэффициенты СП 23-102-2003 были получены, видимо, "разномасштабным моделированием" [9]. Модель помещения, скажем, в 1/10 натуральной величины затенялась фасадом противостоящего здания в 1/30 натуры. В [9] это нарушение основного принципа моделирования - геометрического подобия модели натуре - представляется как "повышение эффективности экспериментальных исследований естественного освещения с учетом экранирующей застройки".

Нарушение подобия повышает не эффективность, а ошибочность эксперимента, что, собственно, и демонстрируется в [9]. Поле КЕО в помещении есть адекватное оптическое изображение объектов внешней среды (ОВС) [4, 5], поэтому их любое изменение меняет это поле. На рис.1 дано сравнение полей КЕО в натуральной (а) и разномасштабной (б) компьютерных моделях зданий, образующих бесконечную уличную среду. Расчет и визуализация полей выполнены эталонным модулем DOMICILE, разработанным в соавторстве с Л.Н.Орловой для отладки нашего программного комплекса LARA, предназначенного для расчета инсоляции и ЕО в застройке любой конфигурации.

Image
Рис.1. Сравнение результатов расчета КЕО в натуральной (а) и разномасштабной (б) моделях помещения в уличной застройке.
В разномасштабной модели натуральные помещения размером 5,6х3,2х2,5 м выходят проемом (1,45х2,00 м) в уменьшенную в 2,8 раза уличную полость, т.е. в натуре улицу обрамляют 9-этажные, а в модели 3-этажные здания. При одинаковых значениях коэффициентов отражения ОВС (земли - 0,2; фасадов - 0,4) распределения яркости на их поверхностях одинаковы. Как видно на рис.1, распределения КЕО в разномасштабной модели существенно отличаются от натуры. Расхождения порождаются несовпадением проецируемых проемом на поверхности помещения натурных и модельных контуров A и B ОВС и разной степенью их размыва. Натурное изображение является более четким, поскольку размыв изображения обратно пропорционален удалению ОВС от окна.

В зависимости от вертикального положения помещения ошибки в эмпирическом определении КЕО в данной модели колеблются от -14% до 41%. Аналогичный характер будут иметь ошибки при смещении помещения от оси здания конечной длины. Построение в [9] модели здания по принципу светотехническое подобия не устраняет этих ошибок, поскольку приводит к изменению пропорций и, следовательно, яркости ОВС.

По этой же причине нельзя использовать светотехническое подобие для сведения конфигураций реальной застройки к схеме №1, как это предписывает раздел В.2 СП 23-102-2003. Как видно на рис.2, участок ABCD перпендикулярного окну фасада 30-метрового корпуса 1, замыкающий телесный угол C'ABCD, можно заменить параллельной окну "условной затеняющей плоскостью", однако ее светимость, эквивалентную светимости участка ABCD, невозможно определить из схемы №1, которая не учитывает влияния остальных ОВС на яркость фасада 1. На схемах СП 23-102-2003 здание, в котором находится расчетное помещение, вообще отсутствует. На рис.2 видно, что изменение только высоты корпусов 3-6 полностью меняет поле яркости в застройке. По методике СП 23-102-2003 это не приводит к соответствующему изменению яркости "условных затеняющих плоскостей" и, следовательно, дает заведомо ошибочную оценку КЕО в помещении.

Image
Рис.2. Поля яркости первого отражения при высоте корпусов: а) 30м; б) корпусов 3, 6 - 10м и корпусов 4, 5 - 15м.
В век компьютерного синтеза фотоизображений примитивное экспериментирование под искусственным небом не представляет научного интереса. Проблема разработки практических методов расчета ЕО уже давно вышла за пределы науки и превратилась в организационно-кадровую проблему. Здесь затронутые Н.И.Щепетковым вопросы непосредственно смыкаются со статьей А.А.Коробко "Методологические проблемы светотехнического проектирования ОУ" (см. Светотехника, 2004, №1). Дискуссия по поставленным в ней вопросам о нецелесообразности дальнейшей разработки и публикации ручных методов расчета ОУ и замене исторически сложившейся светотехнической терминологии компьютерным сленгом не состоялась по очевидной причине - эти вопросы не являются дискуссионными.

Архитектурно-строительное проектирование уже давно перешло на компьютерные технологии. В ННГАСУ, например, свыше 75% студентов выполняют проекты в программах "Компас", ArchiCAD, AutoCAD и др. На этом фоне рутинная ручная методика расчет ЕО в СП 23-102-2003, предписываемая проектировщикам в обязательном порядке, воспринимается как анахронизм.

Список литературы.

  1. Бахарев Д.В. Методы расчета и нормирования солнечной радиации в градостроительстве. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: НИИСФ. 1968. 218с.
  2. Бахарев Д.В. Об учете отраженной составляющей в приближенных расчетах естественного освещения помещений // Светотехника. 1995. №3. С.14-20.
  3. Земцов В.А. Методика расчета естественного освещения помещений. Нормирование и стандартизация в строительстве. Информационный бюллетень. 1996. №5-6. С.3-15.
  4. Бахарев Д.В. Естественное световое поле в помещении как оптическое изображение внешней среды // Светотехника. 1992. №4. С.11-14.
  5. Бахарев Д.В. Оптический метод расчета естественного освещения // Светотехника. 1996. №7. С.28-32.
  6. Киреев Н.Н. Развитие теоретических методов определения отраженной составляющей естественного освещения помещений // Светотехника. 1982. №2. С.4-7.
  7. Бахарев Д.В., Орлова Л.Н. Таблицы функций r1 для учета отраженной составляющей естественной освещенности помещений // Светотехника. 1995. №9 с.18-19.
  8. Гагарин В.Г., Земцов В.А., О разработанном "Своде правил по естественному освещению жилых и общественных зданий" // Светотехника. 2005. №1. С.48-58.
  9. Земцов В.А., Савельев О.Л. Повышение эффективности экспериментальных исследований естественного освещения с учетом экранирующей застройки. Сборник трудов НИИСФ. Повышение качества освещения зданий. М. 1987. С.9-13.

Обсудить новость в форуме. (1 сообщений)

 
« О визуализации спектральной модели безоблачного неба и солнца   О достоверности расчета ЕО по методике СП 23-102-2003 »