2.4.1. Вимоги нормативних документів до систем виробничого освітлення
Зорові відчуття при впливі світла на очі людини викликають електромагнітні хвилі оптичного діапазону. Область видимих оптичних електромагнітних випромінювань розташована між областю ультрафіолетових та ІЧ-випромінювань.
Виробниче освітлення – це система заходів і пристроїв, що забезпечують сприятливу роботу зорового аналізатора людини та виключають шкідливий або небезпечний вплив світла на нього в процесі праці.
Освітлення у виробничих будинках і на відкритих площадках здійснюється природним і штучним світлом. При недостатності природного застосовують сполучене освітлення, при якому у світлий час доби використовується одночасно природне і штучне освітлення.
Нормуються всі види освітлення за характеристикою зорової роботи (ступеня її точності) відповідно до вимог СНиП ІІ-4-79 «Природне і штучне освітлення. Норми проектування», згідно з яким для створення нормальних умов роботи зорового аналізатора людини в процесі праці повинні виконуватися такі основні вимоги:
- освітленість на робочих місцях має відповідати характеру зорової роботи (забезпечення необхідної освітленості робочих поверхонь поліпшує умови бачення об’єктів, підвищує продуктивність праці);
- рівномірний розподіл яскравості на робочій поверхні (при нерівномірній яскравості в процесі роботи око змушене переадаптуватися, що веде до стомлення зорового аналізатора);
- відсутність різких тіней на робочих поверхнях (у полі зору людини різкі тіні спотворюють розміри й форми об’єктів розрізнення, що додатково втомлює зір, а тіні, що рухаються, можуть призвести до травм);
- відсутність блисткості й засліпленості (блисткість викликає порушення зорових функцій, а засліпленість – призводить до швидкого втомлення зорового аналізатора і зниження працездатності людини);
- сталість освітленості в часі (коливання освітленості викликає переадаптацію ока, призводить до значного втомлення);
- правильна передача кольору (спектральний склад штучних джерел світла повинен бути максимально наближений до спектра природного освітлення);
- забезпечення електро-, вибухо- і пожежонебезпечності;
- економічність.
2.4.2. Основні світлотехнічні величини
Світло, а отже і зорова інформація про навколишній світ, сприймана оком людини, передається по зоровому нерві в спеціальний відділ кори головного мозку, в якому формується суб’єктивний зоровий образ. У процесі праці людина через зоровий аналізатор сприймає виробничу обстановку, предмети праці, які називають об’єктами розрізнення.
Для того, щоб людина могла якісно виконувати зорову роботу, необхідні певні характеристики світлових приладів і системи освітлення, що повинні відповідати параметрам об’єкта розрізнення і конкретним умовам праці.
Основними світлотехнічними величинами, що кількісно характеризують вплив світлового випромінювання на око людини, є наступні:
Сила світла (I) − просторова щільність світлового потоку, що визначається відношенням світлового потоку (F) до тілесного кута (ω), в якому він поширюється. За одиницю сили світла прийнята кандела (кд). Кандела являє собою силу світла точкового джерела, що випускається в перпендикулярному напрямку з площі в 1/600000 м2 чорного тіла при температурі затвердіння платини Т = 2042 К і атмосферному тиску Р = 101,325 КПа.
Світловий потік (F) − це потік випромінювання, що оцінюється за його дією на очі людини. За одиницю світлового потоку прийнятий люмен (лм). Люмен відповідає світловому потоку, що випромінюється в одиничному тілесному куті точковим ізотропним джерелом із силою світла 1 кандела.
Освітленість (Е) − поверхнева щільність світлового потоку, перпендикулярного поверхні освітлення. Одиниця виміру − люкс (лк). За люкс прийнята освітленість поверхні площею 1 м2 світловим потоком 1 лм. Освітленість поверхні не залежить від її світлових властивостей. Якість виробничого освітлення прийнято характеризувати необхідною освітленістю робочих поверхонь і ділянок. Освітленість робочої зони вимірюють за допомогою приладів – люксметрів. Загальний вигляд люксметра Ю-116 наведений рис. 2.7.
Яскравість (В) − поверхнева щільність сили світла. Визначається як відношення сили світла (I) у даному напрямку до проекції поверхні, що освітлюється, на площу S, перпендикулярну до напрямку спостереження:
В = (I/S) ּ соѕ α,
де α – кут між паралеллю до поверхні й напрямку до ока. За одиницю яскравості прийнятий кд/м2.
Тло − поверхня, що безпосередньо прилягає до об’єкта розрізнення. Тло вважають світлим при ρ > 0,4, середнім при 0,4 ≥ ρ > 0,2 і темним при ρ < 0,2, де ρ – коефіцієнт відбиття поверхні.
Основними показниками, що визначають працездатність зорового аналізатора людини, є: контрастність; гострота зору; ймовірність розрізнення; час зорового сприйняття; поле зору; ступінь засліпленості.
Контрастність (К) об’єкта спостереження визначається як відношення різниці між яскравістю об’єкта розрізнення (Вп) і тла (Вф) до яскравості об’єкта розрізнення або тла:
Кпр = (Вф – Вп)/Вф або Кобр = (Вп – Вф)/Вп.
Контраст вважають великим (К > 0,5), якщо об’єкт і тло значно відрізняються за яскравістю; середнім (0,2 < К < 0,5), якщо різниця яскравості об’єкта розрізнення і тла досить помітна, і малим (К < 0,2), якщо різниця яскравості Вп і Вф ледь помітна.
Коефіцієнт відбиття – це відношення відбитого від поверхні світлового потоку до падаючого на неї світлового потоку Фпад, тобто
ρ = Фотр/Фпад.
При ρ > 0,4 тло вважають світлим, ρ = 0,2 ÷ 0,4 тло вважається середнім, а при ρ < 0,2 – темним.
Гострота зору – характеристика просторового порога зору, що визначається величиною, зворотною мінімальному розміру об’єкта розрізнення, при якій він помітний оком.
Розміри предмета виражають у кутових величинах, що пов’язані таким лінійним співвідношенням:
tg α = α /2 = h/2ℓ,
де α – кутовий розмір об’єкта розрізнення; h – його лінійний розмір; ℓ – відстань від очей до об’єкта.
Основними часовими характеристиками зорового аналізатора є латентний період зорової реакції; критична частота злиття миготінь; мінімальна тривалість сигналу, який викликає зорове відчуття; час адаптації.
Латентним періодом називають проміжок часу від моменту подачі сигналу до виникнення зорового відчуття людиною. Для більшості людей τлат = 160…240 мс.
Критична частота злиття миготінь – мінімальна частота сигналів, при якій виникає їх злите сприйняття. При нормальній яскравості fкр = 20…25 Гц.
При розробці системи виробничого освітлення необхідно обов’язково враховувати особливість процесу адаптації ока. При переході від високої яскравості до практичної темряви процес адаптації відбувається повільно і складає 60…90 хв. Зворотний процес відбувається швидше – 5…10 хв. У період процесу адаптації око працює зі зниженою працездатністю, тому необхідно уникати створення умов, що вимагають частої і «глибокої» переадаптації.
Поле зору людини, залежно від чіткості розрізнення деталей предметів, прийнято розбивати на три зони: центрального зору (~ 20), де деталі розрізняються чітко; ясного бачення (30…350), де при нерухомому оці можна пізнати предмет без розрізнення дрібних деталей; периферичного зору (75…900), де предмети тільки виявляються.
Імовірність розрізнення (видимість) – характеристика здатності ока сприймати об’єкт. Ця характеристика визначається числом граничних контрастів (Кпор – найменший помітний контраст) у контрасті об’єкта розрізнення з тлом:
V = К/Кпор.
Показник дискомфорту (М) – характеристика якості освітлення, що визначає ступінь додаткового напруження зорової роботи людини, викликаного наявністю різкої різниці яскравості одночасно видимих поверхонь в освітленому приміщенні.
Розглянуті характеристики працездатності ока взаємозв’язані й взаємозалежні.
Одним з основних факторів сприятливого функціонування зору є достатня яскравість або освітленість робочих поверхонь і їх ділянок. При незадовільних характеристиках освітленості виробниче освітлення може бути шкідливим чи небезпечним виробничим фактором.
При незадовільній освітленості погіршуються умови для здійснення зорових функцій і життєдіяльності організму: з’являються втомлення, очні хвороби, головні болі, що може бути непрямою причиною нещасних випадків. Погано освітлені небезпечні зони, прожектори і лампи, що засліплюють, відблиски від них, різкі тіні погіршують або можуть викликати втрату орієнтації працюючих.
2.4.3. Природне освітлення
Природне освітлення, створюване денним світлом (небозводом), найбільш благотворно діє на людину, не вимагає витрат енергії.
Природне освітлення у виробничих приміщеннях залежить:
- від кліматичних і сезонних умов, часу доби;
- від напрямку надходження світлового потоку. При цьому воно може бути бічним, верхнім або комбінованим.
Бічне освітлення здійснюється через вікна у стінах, верхнє – через верхні світлові прорізи, скляні ліхтарі. Сполучення бічного й верхнього освітлення називають комбінованим. Верхнє і комбіноване природне освітлення мають перевагу, тому що забезпечують більш рівномірне освітлення приміщень. Бічне освітлення створює значну нерівномірність в освітленні ділянок, розташованих поблизу вікон і вдалині від них.
Нормування природного освітлення
Оскільки природне освітлення постійно змінюється протягом дня залежно від погоди й інших факторів, то для його нормування, згідно із СНиП ІІ-4-79, прийнятий коефіцієнт природної освітленості (КПО). Він виражається у відсотках і визначається відношенням освітленості у певній точці приміщення Ев (лк) до одночасної зовнішньої освітленості горизонтальної поверхні розсіяного світла небозводу Ен (лк).
ен = КПО = (Ев/Ен) · 100, %.
КПО вказує, яка частина зовнішнього дифузійного світла небозводу (у відсотках) забезпечує освітлення у визначеній точці всередині приміщення. При цьому, внутрішня освітленість (Ев) повинна вимірюватися в наступних точках виробничого приміщення (рис. 2.8).
КЕО нормується залежно від характеру зорової роботи, розташування світлових прорізів у приміщенні й номера світлового пояса, в якому розташоване приміщення. Територія СНД умовно розділена на п’ять світлових поясів (географічних районів), розташованих з півночі на південь.
У діючому СНиП ІІ-4-79 нормативні значення КПО наведені для ІІІ-го (середнього) світлового пояса, тому для приміщень, розташованих в І, ІІ, ІV і V світлових поясах КЕОі (ен.фі) визначається із залученням наступної формули:
ен.ф I,ІІ,ІV,V = енІІІ · m · c,
де m – коефіцієнт світлового клімату, що приймається за СНиП залежно від географічного району в якому розташовується підприємство.
Залежно від номера світлового пояса величина коефіцієнту світлового клімату приймає дискретні значення в діапазоні m = 0,8…1,2; с – коефіцієнт сонячного клімату, що визначається залежно від типу світлового прорізу і орієнтації його відносно сторін горизонту (с = 0,6…1,0). Алгоритм визначення КПО наведений на рис. 2.9.
Для забезпечення нормованої величини КПО необхідно реалізувати відповідну площу світлових прорізів (вікон) у приміщенні. На практиці світлотехнічний розрахунок зводиться до визначення площі та конструкції світлових прорізів відповідно до нормативів, передбачених ДСН.
Сумарна площа світлових прорізів (S), що необхідна для забезпечення потрібного бічного освітлення, розраховується за наступною формулою:
S = Sп · ен.ф · ηпро · kбуд · kз / (100 · τпро · у1),
де Sп – площа приміщення; ен.ф – нормативне значення КПО, з урахуванням значень коефіцієнтів mi і ci; ηпро – світлова характеристика віконних прорізів; kбуд – коефіцієнт, що враховує затінення вікон; kз – коефіцієнт запасу, що залежить від запилення приміщення, розташування вікон і періодичності їх очищення; τоб – загальний коефіцієнт пропускання світла; у1 – коефіцієнт, що враховує світло, відбите сусідніми конструкціями.
У тому разі, якщо недостатнє за нормами природне освітлення доповнюється штучним, то така система освітлення називається сполученою. Сполучене освітлення, як і природне, також нормується за допомогою визначення КПО.
Сполучене освітлення застосовують у виробничих приміщеннях, де виконуються зорові роботи високої точності, а також у приміщеннях, що характеризуються великою шириною.
2.4.4. Штучне освітлення
Класифікація систем штучного освітлення
За функціональним призначенням штучне освітлення підрозділяється на такі типи: робоче, аварійне, евакуаційне, охоронне.
Робоче освітлення створює необхідні умови для нормальної трудової діяльності людини.
Аварійне освітлення включають при виході з ладу робочого освітлення. Світильники аварійного освітлення живляться від автономного джерела й повинні забезпечувати освітленість не менше 5 % величини робочого освітлення, але не менше 2 лк на робочих поверхнях і не менше 1 лк на території підприємства. Аварійне освітлення передбачається на підприємствах, де зупинка технологічних процесів може призвести до людських жертв або значних економічних втрат.
Охоронне освітлення передбачається для території підприємств, а також включається в неробочий час для освітлення приміщень. З цією метою використовується частина світильників робочого або аварійного освітлення.
Евакуаційне освітлення призначене для евакуації людей і матеріальних цінностей під час виникнення небезпеки. Воно передбачається у виробничих приміщеннях з кількістю працюючих більше 50 чол., а також у приміщеннях цивільних і допоміжних будинків підприємств, якщо в них одночасно знаходиться більше 100 чоловік. Така система повинна забезпечувати освітленість на полу основних переходів не менше, ніж 0,5 лк, а на відкритих територіях – не менше 0,2 лк.
За розміщенням джерел світла штучне освітлення підрозділяється на загальне, місцеве й комбіноване.
При загальному освітленні світильники розташовують у верхній зоні приміщення. Загальне освітлення, у свою чергу, підрозділяється на рівномірне, коли світильники розташовані на однаковій відстані один від одного у верхній частині приміщення, і локальне, коли щільність розміщення світильників неоднакова й відповідає розташуванню устаткування в приміщенні.
При місцевому освітленні світильники розміщують безпосередньо над робочою поверхнею. При недостатньому рівні загального освітлення, місцева освітленість робочого місця й навколишнього простору значно відрізняються, що створює несприятливі умови праці й підвищує небезпеку травматизму. Тому на підприємствах використання тільки місцевого освітлення заборонено.
Поєднання системи місцевого й загального освітлення називається комбінованим освітленням.
Нормування штучної освітленості
Нормування штучної освітленості виконують в такий спосіб. Визначають точність виконуваної зорової роботи (за найменшим розміром об’єкта розрізнення); за цією характеристикою визначають розряд і підрозряд зорових робіт з урахуванням характеристик тла й контрасту об’єкта розрізнення з тлом. Сукупність цих характеристик дозволяє визначити величину нормативної освітленості (Ен).
Алгоритм визначення нормованої штучної освітленості наведений на рис. 2.10.
Розрахунок системи штучного освітлення
Розрахунок системи штучного освітлення зводиться до вибору системи освітлення, визначення типу й необхідної кількості світлових приладів (ламп) та світильників.
Розрахунок освітлювальної установки може бути виконаний різними способами, що базуються на двох основних методах: світлового потоку (коефіцієнта використання світлового потоку) і точкового.
Метод світлового потоку (коефіцієнта використання) застосовують для розрахунку системи загального рівномірного освітлення. Він дає змогу визначити світловий потік джерел світла, необхідний для створення нормованого освітлення горизонтальної площі (S), з урахуванням прямого й відбитого потоків світла.
Необхідний світловий потік Фр визначають за формулою:
Фр = Ен ·К· S ·Z / (N · η · ν),
де Ен – нормативна освітленість, лк (за СНиП ІІ-4-79); К = 1,2…2,0 – коефіцієнт запасу, що враховує запиленість приміщення (і, як наслідок – світильників) і зниження світлового потоку світлових приладів у процесі їх експлуатації; S – площа, що освітлюється, м2; Z = 1,0…1,15 – коефіцієнт, що характеризує нерівномірність освітлення; N – прийнята кількість світильників; ν = 0,8 – коефіцієнт затінення (для приміщень з фіксованим розташуванням працюючих); η – коефіцієнт використання світлового потоку світильників на розрахунковій площі. Величину цього коефіцієнта визначають залежно від типу світильника, коефіцієнтів відбиття полу, стін, стелі й індексу приміщення:
ί = А · В/h(А + В),
де А та В – розміри приміщення в плані; h – висота підвісу світильників над робочою поверхнею, м.
Обчислений світловий потік (Фр) світильника порівнюють із світловими потоками існуючих світлових приладів (Ффакт) і приймають значення, найближче до розрахункової величини. При цьому допустиме відхилення Ффакт від Фр повинне складати не більше (–10…+ 20 %). У результаті цього етапу розрахунку системи освітлення здійснюють і вибір світлових приладів (ламп).
Різновидом розглянутого методу є метод питомої потужності. Його застосовують тільки для орієнтовних розрахунків при різних системах освітлення. Метод дає змогу визначити необхідну потужність лампи Рл, (Вт), що буде використовуватися в системі освітлення, для створення нормованого освітлення.
Рл = r · S/N,
де: r – питома потужність прийнятої лампи, Вт/м2. Цей параметр знаходять за спеціальними таблицями залежно від нормованої освітленості, площі приміщення, висоти підвісу, типу світильника і коефіцієнта запасу; S – площа приміщення, м2; N – кількість ламп у системі освітлення.
Точковий метод найбільш прийнятний для розрахунку мінімальної освітленості. Його використовують для розрахунку локалізованої, місцевої і загальної рівномірної систем освітлення, коли урахування відбитого світла не потрібно, а треба визначити освітленість похилих поверхонь або зробити аналіз розподілу освітленості по площі виробничого приміщення чи робочих місць.
Освітленість горизонтальної площадки в точці А (ЕА, лк) дорівнює
ЕА = IА· cosα / r2,
де: IА – сила світла в напрямку до точки А, кд (значення IА знаходять за кривими світлорозподілу конкретного світильника); α – кут між нормаллю до робочої поверхні і напрямку вектора сили світла в точці А; r – відстань від світильника до точки А.
Для зручності розрахунків формулу видозмінюють у такий спосіб. Приймають r = h · cosα (де h – розрахункова висота підвісу світильника, м) і вводять коефіцієнт запасу k. Таким чином:
ЕА = I А · cos3α / k · h2.
При розрахунках систем освітлення, що утворені декількома світильниками, підраховують освітленість у необхідній точці приміщення від кожного з них, а кінцеві результати зіставляють. У такий спосіб забезпечується вирішення поставленої задачі – аналіз розподілу освітленості по площі виробничого приміщення.