Загрузил gurievanatalia17

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ АРХИТЕКТУРНАЯ ФИЗИКА

Реклама
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
«АРХИТЕКТУРНАЯ ФИЗИКА»
Раздел 1. АРХИТЕКТУРНАЯ КЛИМАТОЛОГИЯ И ОСНОВЫ
АРХИТЕКТУРНОЙ ФИЗИКИ.
Тема № 1.1 Природно-географические факторы, формирующие
климатические и погодные условия местности
Климат – многолетний режим погоды. Воздействие климата на человека
проявляется только через конкретную погоду.
Климат
характеризуется
однотипными
показателями
метеорологических элементов над обширными территориями.
Особое место в науке о климате (климатологии) занимает архитектурная
климатология, которая изучает взаимодействие климата, архитектурнопланировочной структуры городов и архитектуры зданий.
К элементам климата, определяющим преобладающую погоду в
различные сезоны года, относятся следующие:
Ветер – перемещение воздуха, вызванное неравномерным
распределением атмосферного давления на земной поверхности. Движение
воздуха происходит в направлении от высокого давления к низкому. Чем
больше разность давления воздуха, тем больше скорость ветра.
Критериями измерения ветра являются скорость ветра, измеряемая в м\с,
и направление, обычно это горизонтальная составляющая воздушного потока.
Ветер записывается начальными буквами, соответствующими странам
света; для промежуточных румбов применяют сочетания начальных букв,
например: северо-запад (СЗ); юго-восток (ЮВ) и т.д.
Режим ветра в горных районах и в долинах рек определяется их
ориентацией, степенью закрытости их территории, формами рельефа.
Общая вытянутость Крымских гор с юго-запада на северо-восток
определяет в предгорьях Крыма большую повторяемость ветров
противоположных направлений: юго-западных и северо-восточных. В
Карпатах на открытых горных вершинах направление ветра согласуется с
общим западно-восточным переносом в свободной атмосфере, поэтому
повторяемость западных и смежных с ними ветров наибольшая (70-80%).
Средние годовые значения скорости ветра изменяются на территории от
3 до 6 м/с. Лес тормозит поступательное движение воздуха, поэтому на
равнинной части наименьшие средние скорости ветра отмечаются в Полесье.
Скорости ветра увеличиваются в лесостепной, степной зонах и особенно на
морских побережьях, а также на востоке страны. Повышенные скорости ветра
наблюдаются в горных районах Крыма и Карпат на Донецком кряже и
Приазовской возвышенности. Скорости ветра на берегах водохранилищ, а тем
более в открытой их части, на 20-50% больше, чем вдали от берега на
равнинной местности.
На ветровой режим влияют и городские условия: плотность застройки,
степень озеленения, особенности рельефа, пересеченность территории
Температура воздуха . Температура наружного воздуха на земле
изменяется в очень больших пределах. Знание температурных изменений
наружного воздуха в течение года позволяет при проектировании обоснованно
выбирать планировочное решение генерального плана и здания, объемную
композицию здания, конструкцию ограждений, системы отопления,
вентиляции и кондиционирования воздуха в помещении.
Различают
среднемесячную
температуру
воздуха,
которая
характеризует сезон; абсолютную температуру, наблюдаемую в заданной
зоне; среднюю максимальную и минимальную, характеризующую
положительную и отрицательную температуры за определенный период
суток; среднюю температуру – днем и ночью и т.д.
Важным фактором климата, позволяющим определить степень его
континентальности,
является
годовая
амплитуда
колебаний
А
среднемесячных температур воздуха, определяется как разность между
средней температурой воздуха самого теплого месяца и самого холодного.
Агод = t с.ж.м. – t с.х.м. ,
где t с.ж.м. – среднемесячная температура наиболее жаркого месяца года;
t с.х.м. – среднемесячная температура наиболее холодного месяца
года.
Значение амплитуды зависит от положения района относительно
океанов и морей. Для морских побережий характерны малые амплитуды
температуры. Внутрь континента они увеличиваются. Увеличение амплитуды
наблюдается в отрицательных формах рельефа ( долинах, низинах,
котловинах).
На западе амплитуда температуры воздуха за год составляет 22°С. К
востоку амплитуда увеличивается до 29°С, что свидетельствует об усилении
континентальности климата в этом направлении.
Влажность воздуха. Наличие влаги в атмосфере играет существенную
роль в формировании погоды и климата. Больше всего влаги содержится в
воздухе, поступающем со Средиземного моря и Атлантического океана.
Влагосодержание воздуха в 7-километровом слое составляет в среднем
за год 15 кг/м2 и изменяется от 9 зимой до 27 кг/м2 летом.
Влажность воздуха характеризуется показателями абсолютной и
относительной влажности воздуха.
Абсолютная влажность f
характеризуется количеством влаги ( в
3
граммах), содержащейся в 1 м
воздуха. Для расчетов, связанных с
конденсацией влаги, удобнее пользоваться величиной парциального давления
водяного пара, измеряемой мм. рт. ст. и называемой упругостью водяного пара
в воздухе e мм рт.ст. . Предельное значение упругости ( максимальная упругость
Е мм рт.ст.) соответствует максимально возможному насыщению воздуха
водяным паром f макс. Чем выше температура воздуха, тем больше будет
значение Е , т.е. тем больше предельное значение количества влаги f макс.
Упругость водяного пара изменяется в зависимости от физикогеографических условий местности, времени года и состояния погоды.
Годовые величины упругости водяного пара по Украине изменяются
незначительно. На большей части территории упругость водяного пара
составляет 8-9 гПа, в горных районах она меньше на 1-2 гПа, на побережьях
примерно на столько же больше. Упругость водяного пара возрастает от зимы
к лету в соответствии с ходом температуры.
Наименьшие значения ее отмечаются в январе-феврале. На большей
части территории упругость водяного пара в это время составляет 3,7-5,0 гПа
и более. Максимальные значения отмечаются в июле.
Относительная влажность воздуха представляет отношение упругости
водяного пара е к его максимальной упругости Е, соответствующей данной
температуре.
Относительная влажность характеризует интенсивность испарения
влаги телом человека, пребывающего в воздухе данной влажности.
Для человека нормальная влажность воздуха колеблется в пределах от
30 до 60%. При более высокой влажности воздуха отдача влаги с поверхности
кожи человека затрудняется; это сопровождается нарушением теплового
баланса и неприятными ощущениями. При пониженной влажности воздуха (
меньше 30%) наблюдается повышенное испарение влаги с кожи и слизистых
оболочек; появляется сухость во рту и горле.
При некоторой температуре воздуха максимальная упругость водяного
пара Е может стать равной е; в этом случае Х = 100%, т.е. воздух достигает
полного насыщения водяным паром. Эта температура называется точкой росы
и обозначается
τр. При понижении температуры ниже точки росы
образующееся в воздухе излишнее количество влаги будет конденсироваться,
т.е. превращаться в капельно-жидкое состояние. Подобное явление
наблюдается в природе в виде туманов ( в утренние часы) ,а также в зимнее
время при понижении температуры воздуха.
Температура точки росы имеет большое практическое значение для
оценки теплотехнического качества ограждения.
Солнечная радиация. Количество тепла, поступающего от солнечной
радиации, зависит от географической широты местности, состояния
атмосферы, расположения поверхности и ее ориентации по сторонам света.
Падающий на поверхность тепловой поток радиации выражается в ккал/(м 2
×ч).
Для определения прямой и рассеянной радиации используются
усредненные данные многолетних наблюдений метеостанций. Они
характеризуют наиболее вероятные поступления радиации с учетом
облачности и типичного состояния атмосферы над промышленным районом.
Весьма важным фактором, резко изменяющим показатели таких
составляющих климата, как солнечная радиация, являются загрязненность
атмосферы в результате выбросов промышленных предприятий.
Загрязненность воздуха измеряется количеством осажденной пыли (в
граммах) в течение месяца на горизонтальной поверхности площадью 100 м2 .
Наблюдения показывают, что в крупных городах о промышленных районах
солнечная радиация уменьшается на 20-40% и более по сравнению с
радиацией в пригородах.
Осадки, снежный покров. Общее количество осадков слагается из
количества дождя плюс количество воды, эквивалентное выпавшему снегу,
граду, мокрому снегу и т.п.
Данные о сумме осадков за год, максимальных осадков за месяц , а также
количестве дней в году со снежным покровом и средней из наибольших
декадных высот снежного покрова приводятся в ДБН и используются при
проектировании ливневой канализации на территории предприятий, а также
для расчета водоотводов с кровли промышленных зданий и других целей.
Важный раздел климатических исследований –климатическое
районирование. Оно заключается в выделении на территории отдельных
природных или административных объектов определенного количества
регионов, отличающихся особенностями пространственно- временного
распределения климатических элементов, интенсивностью погодных
процессов и явлений, их частотой и продолжительностью.
Тема № 1.2. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
НА ГРАДОСТРОИТЕЛЬНЫЕ ОБЪЕКТЫ
Ветер. Воздействие ветра на застройку и здания – одна из важнейших
характеристик среды в которой живет и работает человек. При планировке
новых городов, микрорайонов и промышленных предприятий, при выборе
защитных санитарных зон между промышленной и жилой частями города
следует обязательно учитывать ветровые характеристики района.
Один из важнейших аспектов использования ветра – аэрация городских
кварталов. Сущность этой задачи состоит в том, чтобы определить ветровой
климат местности, где строится город или микрорайон и наилучшим образом
использовать ветер для проветривания территории и уменьшения скорости
ветра с целью устранения теплового дискомфорта на улицах и интенсивного
охлаждения зданий.
Ветер, встречая на пути распространения здания или сооружения,
оказывает на них давление, которое с увеличением скорости ветра
повышается. При расположении здания на свободной территории с одной
(наветренной) стороны здания создается повышенное давление, а на другой
(подветренной) пониженное давление.
Ветровое
давление
пропорционально
аэродинамическому
коэффициенту(безразмерная величина), который показывает долю
скоростного напора, переходящего в давление, и определяется по формуле:
Р = k×ρυ²/2,
где Р – давление, кгс\м 2 ;
k – аэродинамический коэффициент;
ρυ²/2 – скоростной напор невозмущенного воздушного потока.
Аэродинамический коэффициент зависит от формы здания, его
геометрических параметров, степени защищенности и расположения здания
относительно направления ветра.
В результате разности давления воздуха, возникающей при воздействии
ветра на здание, происходит инфильтрация воздуха в помещение (особенно
через остекленные поверхности) и осуществляется его проветривание.
На теплопотери в зданиях существенно влияет выбор планировочной
застройки. Согласно строительным нормам и правилам, теплопотери из-за
ветра составляют в среднем 5% для ограждений, защищенных от ветра, и 10%
для зданий, расположенных на возвышенностях, на берегу моря или на
открытой местности. При большой скорости ветра в холодные зимние месяцы
теплопотери возрастают до30%.
Многолетние данные о ветровом режиме в той или иной местности,
которыми оценивается ее ветровой климат, принято изображать в виде «розы
ветров». В зависимости от длительности периода действия различают
годовую, сезонную и месячную розы ветров. Наряду с розами ветров,
характеризующими направление ветра, применяют розу ветров по
повторяемости ветров направлениям, а также скорости ветра.
Повторяемость ветров характеризуется вероятностью ветров того
или иного направления (обычно по 8 – румбовой шкале). Роза по скорости
строится на основе средних скоростей ветра за год, сезон, месяц в
произвольном масштабе. Схемы розы ветров по направлению, повторяемости
и скорости ветра приводятся на рис.1. эти данные используются при
планировке города и микрорайонов для защиты территории от вредного
воздействия промышленной зоны города, а также при расположении зданий
на отводимом под строительство участке.
Рис.1. Роза ветров и данные для ее построения: __ роза ветров по
повторяемости направления ветра,%; --- роза ветров по скорости, м/с
Температура воздуха. Температура воздуха является основным
климатическим элементом, который учитывается при строительстве городов,
путей сообщений, линий связи и электропередач и т.д.
В градостроительстве температура воздуха определяет тепловой режим
зданий и микроклимат города.
При планировке города необходимо учитывать разность температур на
пониженных и повышенных формах рельефа, различно ориентированных
склонах холмов, побережье водохранилищ, которая может достигать
нескольких градусов. Распределение температуры с высотой оказывает
влияние на чистоту воздуха в городе. При частых инверсиях уменьшается
турбулентность воздуха, что тормозит его восходящее движение. В результате
промышленные выбросы задерживаются в приземном слое и загрязняют
воздушный бассейн города.
Промышленные предприятия и жилые здания отдают тепло
городскому воздуху, а примеси, содержащиеся в воздухе, задерживают отдачу
этого тепла в более высокие слои. Поэтому температура воздуха в городе
выше, чем в его окрестностях. Чем больше город, тем больше в нем
источников тепла и загрязнения атмосферы, тем больше разность температур
воздуха между городом и его окрестностями.
При проектировании промышленных и жилых зданий необходимо
учитывать не только периодические колебания температуры, но и различные
аномальные ее отклонения, которые могут оказывать отрицательные
воздействия на состояние и сохранность строительных объектов.
Данные о температуре воздуха широко используются в жилищном
строительстве. От нее зависит выбор типа здания, определяется термическое
сопротивление и тепловая инерция его ограждающих конструкций,
планируется внутреннее устройство здания, системы отопления, вентиляции,
необходимость применения кондиционирующих установок.
В зависимости от периода года для технических и инженерных
расчетов требуются различные показатели термического режима. Для
холодного периода года рассчитываются средняя температура самых
холодных пятидневок, трехдневок, суток, зимняя вентиляционная
температура.
При планировке жилой части города, выборе места расположения
промышленных предприятий практическое значение имеет температурный
градиент, выражающийся в уменьшении температуры на каждые 100 м
высоты над землей на 1°.
Осадки, снежный покров. Перед проектированием здания или
планировкой района архитектор должен учитывать положительные и
отрицательные функции осадков.
Для того чтобы устранить отрицательное влияние осадков архитектору
необходимо:
при выборе ориентации зданий учитывать уклон местности;
нецелесообразно располагать здания на склонах, по которым стекает основная
масса дождевой или талой воды, если не предусмотрены специальные
подпорные стены, водоотводы и т.п. ;
располагать здания так , чтобы основные входы в него находились по
возможности на наветренной стороне здания, так как наибольшие сугробы
образуются на подветренной его стороне;
в снежных районах ориентировать здания продольной осью параллельно
направлению господствующих ветров в зимний период.
Солнечная радиация. Данные о солнечной радиации учитываются при
выборе расположения и ориентации зданий по сторонам света; при
обеспечении защиты помещений от холода (зимой) и перегрева (летом)
надлежащим образом выбранной планировкой, взаимным расположением
зданий и ориентацией светопроемов ; при расчете стен и покрытий зданий на
теплоустойчивость; при выборе архитектурной композиции; при
проектировании установок вентиляции.
Влажность воздуха. Влажность наружного воздуха оказывает влияние
на выбор конструкции ограждений, облицовки фасадов, систем отопления,
вентиляции и кондиционирования воздуха.
Одно из назначений проектируемого здания – защита людей и
находящегося в здании оборудования и инвентаря от неблагоприятных
воздействий природы. Это обеспечивается созданием в помещениях
внутреннего климата (микроклимата), качество которого должно
соответствовать совокупности технологических и гигиенических требований.
Регулируемый микроклимат в помещениях создается:
мерами
архитектурно-планировочного
или
строительного
проектирования. Имеется в виду не только защита от атмосферных
воздействий, но и наилучшее использование природных ресурсов энергии
(лучистой, ветра и др.), т.е. согласованность архитектуры и климата;
- применением искусственных способов климатизации помещений:
отопления, вентиляции и кондиционирования внутреннего воздуха. Эта задача
решается в тесном взаимодействии с выбираемыми характеристиками
ограждающих конструкций: стен, покрытия, пола и др.
Степень сопротивления ограждающих конструкций проникновению в
помещение холода, солнечного тепла, ветра определяет техникоэкономическую
эффективность
теплового
барьера,
создаваемого
конструктивными мерами . Хорошие в теплотехническом отношении решения
достигаются только при комплексном подходе к теплозащите и тепловому
комфорту помещений, гарантирующем минимальные годовые расходы
топлива на обогрев и электроэнергии на охлаждение зданий летом. С позиции
технологических и теплотехнических требований выгодны, например,
применение широких многоэтажных общественных и жилых зданий. Если
исходить из пропорциональной зависимости между теплопотерями
и
площадью ограждения, то можно считать, что расходы на отопление, а
следовательно, и охлаждение промышленного здания при компактной
застройке значительно уменьшаются.
В зависимости от климата решение генерального плана застройки
города и промышленных предприятий, а также выбор конструкции
ограждений (стен, покрытия, окон и др,) будет различным. Так, в районах с
низкой зимней температурой следует отдавать предпочтение блокировке
зданий,
компактным
планировочным
решениям
с
повышенным
коэффициентом застройки, широким многоэтажным зданиям с совмещенным
освещением.
В этих районах особое значение приобретают все средства теплозащиты
зданий; их расположение по отношению к господствующим ветрам,
аэродинамические характеристики зданий и их деталей, конструкции
ограждений, остекления, входов.
В южных районах целесообразно уменьшать коэффициент застройки,
увеличивать площадь зеленых насаждений и водоемов, обеспечивать
активную аэрацию улиц, внутриквартальных пространств, территории
промышленных предприятий.
Эффективность архитектурного и конструктивного решения застройки
города, промышленных и сельскохозяйственных предприятий во многом
предопределяется умением проектировщика:
- приспособить застройку и здания к особенностям климата и
топографии места строительства;
- обосновать выбираемые в проекте несущие и ограждающие
конструкции в отношении их долговечности и экономичности;
- предопределить наименьшие эксплуатационные расходы при
пользовании зданием и наименьшие расходы на отопление зимой охлаждение
летом.
Тема № 1.3 Основы архитектурно-строительной теплофизики
Одним из разделов архитектурно-строительной физики является
теплофизика.
Архитектурно-строительная теплофизика изучает процессы
передачи тепла, влаги и воздуха через ограждающие конструкции зданий и
сооружений.
Тепло – один из видов энергии, а влага и воздух представляют
разновидности вещества, поэтому физический механизм процессов переноса
тепла (энергии), влаги и воздуха (вещества) неодинаков.
Перенос тепла в твердых материалах возникает только при разности
температур Δt в различных его участках. При этом количество переносимого
тепла Q пропорционально разности температур.
Перенос массы влаги или воздуха зависит от структуры материала, в
котором протекает этот процесс.
Перемещение теплоты всегда происходит от более теплой среды к более
холодной. Процесс переноса теплоты из одной точки пространства в другую
за счет разности температуры называется теплопередачей и включает в себя
три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и
излучение.
Теплопроводность – это вид теплообмена между соприкасающимися
частицами материала или структурными элементами среды. Этот вид
передачи тепла характерен для ограждений из твердых материалов (бетон,
кирпич и др.).
Количество тепла Q, которое передается теплопроводностью, находится
по формуле:
Q1 = - λ grad t F τ,
ккал.
где
λ – коэффициент теплопроводности материала ограждения,
показывающий количество тепла, которое будет проходить через 1 м2 плоской
стенки толщиной в 1 м, из данного материала при разности температуры на ее
внутренней и наружной поверхностях, равной 1°С, ккал/(м ч °С );
grad t – градиент температуры в направлении, противоположном
тепловому потоку, °С;
F – площадь, м2;
τ – время передачи тепла в 1 ч ; знак минус указывает, что тепловой
поток всегда направлен в сторону понижения температур.
Коэффициент теплопроводности — одна из основных характеристик
строительных материалов.
При рассмотрении процесса перехода тепла через однородное
ограждение от внутреннего воздуха к наружному следует различать три
этапа: тепловосприятие
— теплопроницание через ограждение —
теплоотдача.
Коэффициент теплопроводности материалов зависит от:
– пористости (плотности) материала;
– структуры материала;
– влажности материала;
– вида взаимосвязи влаги с материалом;
– температуры;
– химико-минералогического состава материала.
Чем меньше пористость материала, образуемая относительно мелкими
порами, т.е. чем больше плотность материала, тем больше его коэффициент
теплопроводности.
Вода обладает высоким коэффициентом теплопроводности = 0,5 Вт/(м
·°С), поэтому увлажнение материалов и тем более образование в них льда ( =
2 Вт/(м ·°С)) увеличивает теплопроводность.
Коэффициент теплопроводности зависит от природы материала, его
химического состава и особенностей кристаллической структуры. В металлах
значительная часть тепла переносится потоком электронов.
Чем выше электропроводность металла, тем больше его
теплопроводность (медь, алюминий). Теплопроводность камневидных
материалов вызвана волнами тепловых упругих колебаний структуры. Чем
тяжелее атомы или атомные группы, образующие кристаллы в структуре
материала, и чем слабее они между собой связаны, тем меньше
теплопроводность материала.
Расчетные величины теплофизических показателей основных
строительных материалов приведены в строительных нормах и правилах.
Конвекция - перенос теплоты движущимися частицами вещества.
Конвекция имеет место только в жидких и газообразных веществах, а также
между жидкой или газообразной средой и поверхностью твердого тела.
Передача тепла конвекцией – это распространение тепла, которое
возникает в результате неравномерного нагревания отдельных поверхностей,
а также между соприкасающейся поверхностью конструкции с движущейся
газообразной (или жидкой) средой. Этот вид теплопередачи наблюдается,
например, в отапливаемых помещениях, в ограждающих конструкциях с
воздушными прослойками.
Конвекция имеет место на наружной и внутренней поверхностях
ограждений здания. При различных значениях температуры поверхности и
прилегающего к ней воздуха происходит переход теплоты в сторону меньшей
температуры. Тепловой поток, передаваемый конвекцией, зависит:
- от режима движения жидкости или газа, омывающих поверхность;
- от температуры, плотности и вязкости движущейся среды, от
шероховатости поверхности;
- от разности между температурами поверхности и омывающей ее среды.
Процесс теплообмена между поверхностью и газом (или жидкостью)
протекает по-разному в зависимости от природы возникновения движения
газа.
Различают естественную и вынужденную конвекцию. В первом случае
движение газа происходит за счет разности температуры поверхности и газа,
во втором - за счет внешних для данного процесса сил (работы вентиляторов,
ветра).
Количество тепла, передаваемого конвекцией, зависит от разности
температур Δt, скорости движения воздуха υ, площади F и времени передачи
τ, т.е.
Q2 = f ( Δ t; υ; F; τ).
Теплопередача излучением происходит через лучепрозрачную
воздушную среду между различно нагретыми поверхностями конструкций
ограждения или помещения. Этот вид теплообмена имеет большое значение
при воздействии на здание солнечной радиации, а также в цехах предприятий
(металлургических и т.п.), где производится плавка металла и изготовление
(или хранение) изделий из раскаленного металла.
Количество тепла Q3 , передаваемого излучением, является функцией
разности абсолютных температур Т1 – Т2 между излучающей и облучаемой
поверхностями, площади излучения F и времени передачи τ, т.е.:
Q3 = f ((Т1 – Т2) с; F; τ).
(3)
где
с – относительная излучательная способность поверхности
абсолютно черного тела, равная 4,96 ккал/(м2 ч °С).
Эта закономерность может относится не только к черным, но и к серым
телам (например, асфальту, красному кирпичу и др.)
Хотя рассмотренные виды теплового обмена в ограждающих
конструкциях и зданиях не существуют отдельно, а взаимосвязаны, тем не
менее в ограждениях из плотных материалов (например, бетона, кирпича и др.)
основным видом теплопередачи является теплопроводность, а в пустотных
ограждениях с воздушными прослойками (двойное остекление, слоистые
стены и покрытия) преобладает теплообмен конвекцией и излучением.
Тема № 1.4 Теплопередача в ограждающих конструкциях
Перенос тепла из одной среды с более высокой температурой в
другую с меньшей температурой через разделяющее ограждение называют
теплопередачей. Этот процесс включает:
1) теплообмен между поверхностью ограждения и прилегающей к
ней нагретой воздушной средой αв - тепловосприятие; такой теплообмен
происходит, например, в отапливаемых помещениях при соприкосновении
внутренней поверхности стены с внутренним воздухом;
2) теплообмен между поверхностью ограждения и прилегающей к
ней охлажденной воздушной средой αн; подобный теплообмен наблюдается
при соприкосновении наружной поверхности стены с наружным воздухом.
Зависимость теплообмена между воздушной средой помещения и
поверхностью ограждающей конструкции выражается формулой:
Q = α (tв - τв) Fτ,
(1)
где Q – количество тепла, ккал;
tв - τв – разность температур воздуха и поверхности
ограждения, °С;
F – площадь поверхности, м2;
τ – время, ч;
α – коэффициент теплообмена, ккал/(м2 ч °С).
Величину, обратную коэффициенту теплообмена R=1/α ,
называют сопротивлением теплообмену. Значение α зависит от
температурного режима внутренней поверхности ограждения и воздушной
среды, его размеров, характеристики воздухообмена в помещении.
Сопротивление теплообмену на наружной поверхности стены
зависит главным образом от скорости ветра: при повышении последней оно
уменьшается.
В общем случае тепловой поток Q , проходящий через сечение
теплофизически однородной ограждающей конструкции, вычисляется по
формуле:
Q = Δt / R,
(2)
где Δt – разность температур на поверхности ограждения, °С;
R – термическое сопротивление ограждения, (°С м2 ч) / ккал.
Термическое сопротивление однородной стены, а также
отдельного ее слоя находится по формуле :
R = δ / λ,
(3)
где δ – толщина стены (или слоя), м;
λ – коэффициент теплопроводности материала.
Выражая термическое сопротивление через тепловой поток Q и
разность температуры на противоположных поверхностях стены, имеем
R = (tв – tн) / Q,
(4
)
Принимая Q = 1 ккал/ (м2 ч °С), получим
R = τв - τн = Δt,
(5)
т.е. численное значение термического сопротивления стены равно
разности температур на ее внутренней и наружной поверхностях, при которой
через стену проходит тепловой поток, равный 1 ккал/(м2 ч).
Термическое сопротивление многослойной стены определяется по
формуле:
R = δ1/ λ1 + δ2/ λ2 + . . . + δп/ λп = R1 + R2 + . . . + Rn,(6)
где δ1; δ2; δп – толщина слоев стены, м;
λ1; λ2; λп – коэффициенты теплопроводности материалов
отдельных слоев стены;
R1, R2, Rn – термическое сопротивление слоев стены.
Общее сопротивление теплопередаче ограждения с учетом
тепловосприятия и теплообмена находится из выражения:
Rо = Rв + Σ δ/ λ + Rн,
(7)
где Rв – сопротивление теплообмену на внутренней поверхности
ограждения;
Rн - сопротивление теплообмену на наружной поверхности
ограждения.
Проходящий через однородную стену установившийся тепловой
поток не изменяет ни своей величины, ни направления. На различных участках
пути его движения тепловой поток определяется следующими уравнениями :
1) при переходе от внутренней среды к внутренней поверхности
стены
Q = (tв - τв)/ Rв;
(8)
2) при прохождении через толщу стены
Q = ( τв – τн)/ R;
3) при переходе
пространство
(9)
от наружной поверхности во внешнее
Q = ( τн - tн)/ Rн;
Из формул находим, что tв - τв = Q Rв;
(10)
τв – τн = Q R;
τн - tн=
Q Rн.
При суммировании этих значений получим tв - tн = Q (Rв + R +
Rн), откуда
Q =( tв - tн)/ (Rв + R + Rн) = ( tв - tн)/ Rо = К /( tв - tн), (11)
где Rо – сопротивление теплопередаче в м2 ч °С/ ккал;
К - коэффициент теплопередачи стены в ккал/ (м2 ч °С),
является величиной, обратной сопротивлению теплопередаче, т.е. К = 1/ Rо.
Распределение
температуры
в
слоистом
ограждении,
выполненном из материалов с различной теплопроводностью, может быть
представлено в виде ломаной линии, которая вычерчивается в масштабе
действительной толщины каждого слоя; при этом уклон этой линии
определяется из отношения :
Δt / δ = Q / λ,
(12)
Этот уклон будет тем круче, чем выше коэффициент
теплопроводности материала λ ( в пределах рассматриваемого слоя).
Теплозащитное
свойство
теплофизически
однородных
ограждающих конструкций при постоянном установившемся тепловом потоке
характеризуется требуемой величиной сопротивления Rотр , которое должно
быть равным или превышать нормируемое.
Численное значение находится из уравнения:
Rотр = ((tв - tн) / (tв - τв)) Rв n,
(13)
где n - коэффициент, зависящий от положения наружной
поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху.
Основной параметр гигиенического характера разность
температур между температурой воздуха в помещении и температурой
внутренней поверхности ограждения. Сопротивление теплопередаче
увеличивается при уменьшении этой разности. В отапливаемых помещениях
с повышенной влажностью воздуха температура на поверхности ограждений
и конструкций не должна превышать температуры точки росы, т.е.
температуры τр, при которой содержащийся в воздухе водяной пар имеет
относительную влажность 100% ( предел насыщения); в этом случае в
помещении не образуется конденсации влаги.
Колебания температуры внутренней поверхности стен и покрытий
возникают в основном в результате изменения температуры наружного
воздуха. Свойство ограждения сохранять постоянство или ограничивать
колебания
температуры
на
внутренних поверхностях называют
теплоустойчивостью. Теплоустойчивость характеризует степень затухания
температурных колебаний в толще ограждения при прохождении через него
теплового потока и, следовательно, от теплоустойчивости зависит
постоянство температуры в помещении.
В районах с неустойчивой зимой, температура наружного воздуха
может значительно изменяться в течение нескольких суток; летом же
возможны большие колебания температуры наружного воздуха в течение
суток. Поэтому тепловое состояние помещений периодически изменяется.
В современном строительстве при применении легких ограждений
фактор теплоустойчивости приобрел особое значение.
В возводимых зданиях ограждения обычно имеют небольшую
толщину, поэтому колебания температуры не затухают в толще ограждения и
в значительной мере передаются с наружной поверхности на внутреннюю.
Число периодических тепловых волн, располагающихся в толще ограждения,
определяется безразмерной величиной D, называемой показателем тепловой
инерции ограждения. Ограждения, при одинаковом сопротивлении
теплопередаче, могут обладать различной тепловой инерцией, т.е. свойством
в различной мере воспринимать тепло при периодическом колебании
температуры наружного воздуха. Тепловая инерция, - мера интенсивности
затухания колебаний температуры внутри теплофизически однородной
конструкции
ограждения, представляет произведение термического
сопротивления на коэффициент теплоусвоения S, т.е.
D=RS
(14)
Коэффициент теплоусвоения S представляет собой изменение
теплового потока на поверхности ограждения при амплитуде колебания
температуры этой поверхности, равной 1°С. По своему физическому смыслу
этот коэффициент является коэффициентом теплообмена, при передаче через
ограждение периодических тепловых воздействий путем теплопроводности.
Коэффициент теплоусвоения ( как и любой другой коэффициент теплообмена)
выражается в ккал/ (м2 ч °С). Численное значение этого коэффициента зависит
от периода колебаний температуры. При теплофизических расчетах
ограждений, воспринимающих суточные колебания температуры наружного
воздуха, период принимается равным 24 часа.
Ограждающие конструкции считаются легкими при D ≤ 4; средней
массивности при 4 < D ≤ 7 ; массивными при D > 7.
На коэффициент теплоусвоения поверхности ограждения
решающее влияние оказывает материал, располагающийся в слое резких
колебаний, который непосредственно прилегает к наружной поверхности
ограждения. Можно считать, что слой резких колебаний ( который занимает
сравнительно небольшую часть общей толщины ограждения) определяет
характер распространения периодических тепловых воздействий, так как он
существенно влияет на усвоение тепла поверхностью ограждения. Опыт
показывает, что отделка внутренней поверхности стены слоем плотной
штукатурки делает стену более теплоустойчивой по сравнению со стеной без
плотного фактурного слоя.
Воздействие на ограждения тепловой радиации солнца летом
носит периодический характер. Однако, расположение конструктивных слоев
в ограждении, аналогичное рекомендуемому для зимних условий, может
привести к концу дня к большой аккумуляции тепла. В результате в вечерние
и ночные часы тепло, излучаемое поверхностями помещения, создаст в нем
тепловой дискомфорт. Поэтому в южных районах, где колебания температуры
наружного воздуха днем и ночью значительны, предпочтительно применять
светлую отделку (наружный фактурный слой) из плотных материалов с
высоким коэффициентом отражения. При этом, естественно, надо учитывать
и вероятность охлаждения ограждения в ночное время.
Тема № 1.5 Воздухопроницаемость и влажностный режим конструкций
Из-за разности давления холодного и теплого воздуха образуется
воздушный поток, т.е. перемещение холодного наружного воздуха через
ограждение в сторону помещения. Фильтрация холодного воздуха в
помещение через ограждения происходит постоянно через открытые поры
в материалах, через неплотности швов и стыков конструкций, через
неплотности оконных и дверных проемов. В помещении образуется
воздухообмен.
Разность давлений воздуха, возникающую из-за разности температур
наружного и внутреннего воздуха, называют тепловым напором.
Разность давлений воздуха, возникающую под действием ветра,
называют ветровым напором
В нижней части помещения (или нижних этажах здания) происходит
приток
наружного
холодного
воздуха
внутрь
помещения
—
инфильтрация, а в верхней части (или верхних этажах) — вытяжка теплого
воздуха из помещений наружу — эксфильтрация.
Положение нейтральной зоны зависит от расположения и площади
открытых приточных и вытяжных проемов. Зимой инфильтрация сильна при
больших перепадах внутренней и наружной температур, летом инфильтрация
возрастает при большом ветре. В помещении создается неорганизованный
воздухообмен, который ощущается в виде потоков холодного воздуха. При
незначительных объемах он удаляет излишнюю влагу из ограждения и
уменьшает влажность внутреннего воздуха. Повышенная инфильтрация
вызывает дискомфортные ощущения у людей и сильно охлаждает помещение.
Под воздухопроницаемостью наружных конструкций понимают
фильтрацию сквозь ограждения внутрь помещения холодного воздуха,
возникающую при разности давлений на противоположных поверхностях
конструкции.
Сопротивление воздухопроницанию Rи— это разность давлений
воздуха, при которой через ограждающие конструкции площадью 1 м2 за 1
час проникает 1 кг воздуха.
Сопротивление воздухопроницанию слоев ограждающих конструкций,
расположенных между наружной поверхностью конструкции (стены,
покрытия) и воздушной прослойкой, вентилируемой воздухом, не учитывают.
Сопротивление воздухопроницанию воздушных прослоек и слоев
ограждающих конструкций, выполняемых из сыпучих, рыхлых
и
волокнистых материалов, принимают равным нулю независимо от толщины
слоев.
Воздухопроницаемость ограждения зависит от наличия в материале
крупных пор, сообщающихся между собой, а так же влагосодержания. При
наличии жидкой влаги в капиллярах воздухопроницаемость при умеренной
разности давлений уменьшается. В многокомпонентных материалах,
например, шлакобетоне, из-за наличия микроскопических трещин в местах
контакта компонентов воздухопроницаемость выше.
Воздухопроницаемость ограждающих конструкций существенно
зависит от качества работ (например, заполнения швов кладки раствором), от
плотности поверхностных слоев. Для уменьшения воздухопроницаемости
слоистых стен применяют прокладки (картон, строительная бумага) под
наружным
слоемограждения, производят наружную штукатурку или
облицовку, выполняют расшивку швов кладки
В качестве константы воздухопроницаемости материалов можно
принять коэффициент воздухопроницаемости i, который показывает
количество воздуха (кг), проходящее через равномерно пористый материал
толщиной 1 м, сечением 1 м2 в течение 1 ч при разности давлений 1мм вод.ст.
Коэффициент воздухопроницаемости выражается в кг/(м ч мм вод.ст.) и
зависит от плотности и структуры материала.
Воздухопроницаемость ограждающих конструкций (стен и др.) в
основном определяется плотностью сопряжений между отдельными
элементами, т.е.герметичностью стыков.
При заданном коэффициенте воздухопроницаемости материала i
сопротивление воздухопроницанию Rи определяется по формуле :
Rи = δ / i ,
где δ – толщина слоя материала, м.
В современном строительстве многоэтажных жилых зданий
необходимое сопротивление стен воздухопроницанию устанавливается в
зависимости от расчетной разности давлений при совместном действии
теплового напора и ветра.
Для городской застройки характерно уменьшение ветрового давления у
поверхности земли и значительное повышение его в верхних этажах.
Окна и двери представляют наиболее слабые в физическом отношении
элементы здания. Для уменьшения воздухопроницаемости окон и дверей и
повышения их звукоизолирующей способности целесообразно в сопряжениях
между створными и глухими переплетами, а также в притворах дверей
предусматривать уплотняющие упругие прокладки.
Влажностный режим конструкций
Увеличение влагосодержания материалов и ограждений в
эксплуатируемых
зданиях
всегда
сопровождается
уменьшением
теплозащитных свойств ограждения и преждевременным их разрушением.
Отрицательное действие повышенной влажности ограждений сильнее всего
проявляется в отапливаемых зданиях с нормальным влажностным режимом.
В рационально спроектированных ограждениях наблюдается так
называемое установившееся содержание влаги, которое приближается к
воздушно-сухому состоянию материалов и незначительно изменяется в
разные сезоны года.
При длительном хранении материала или изделия в помещении с
постоянными температурой и относительной влажностью воздуха количество
влаги в материале остается постоянным (равномерным). Изменение
равновесного содержания влаги в материале или изделии в воздушной среде,
характеризующейся постоянной температурой, но при постоянно
возрастающей относительной влажности выражается изотермой сорбции.
Характер кривой изотермы сорбции зависит от природы и структуры
строительного материала.
Наибольшим сорбционным содержанием влаги ω = 30-35% обладают
такие пористокапиллярные материалы как древесина, древесноволокнистые
материалы, фибролит и т.п.
В легких бетонах максимальное сорбционное содержание влаги зависит
от свойств заполнителей и вяжущего; в среднем для этих материалов
сорбционное содержание влаги составляет 5-6%. Для ячеистых бетонов
сорбционное содержание влаги колеблется в пределах 10-15%.
В порах капилляров строительных материалов (таких как бетон, кирпич,
естественные камни и т.п.) всегда задерживается влага, удерживаемая силами
капиллярного давления и смачивания гидрофильных материалов. Эта влага
мигрирует внутри материала под действием давлений, превышающих
капиллярное. При естественной (или искусственной) сушке эта влага
испаряется с поверхностных слоев ограждения и изделия.
Содержание влаги в материале характеризуется весовой влажностью,
которая определяется из отношения:
ω = ((Рв – Рс) / Рс ) 100%,
где Рс – масса абсолютно сухого образца материала;
Рв – масса образца материала до высушивания.
При изменении температуры и влажности окружающего воздуха
соответственно изменяется и количество влаги, содержащейся в материале.
Увлажнение сухого материала, находящегося в воздушной среде при ее
постоянной относительной влажности, называют сорбцией. Десорбция –
уменьшение содержания влаги в материале, находящемся в воздушной среде.
Изменение влажностного состояния ограждения в эксплуатируемых зданиях
происходит вследствие смещения равновесия между испарением влаги,
способствующем сушке ограждения, и сорбционном и конденсационном
увлажнении материалов ограждения. Эти процессы неразрывно связаны с
температурно-влажностным состоянием окружающей среды. Их развитие
обычно совпадает со второй половиной холодного периода года.
Выпадение конденсата происходит на поверхностях, температура
которых ниже температуры точки росы, например, в стыках, углах, местах
расположения теплопроводных элементов. Образование конденсата можно
исключить снижением влажности воздуха средствами вентиляции, или
увеличением сопротивления теплопередаче ограждения или повышением
температуры воздуха в помещении.
В помещениях с высокой влажностью воздуха конденсация водяного
пара на внутренних поверхностях отдельных частей ограждения неизбежна; в
этих случаях необходимо предусматривать конструктивные меры: отвод воды
в канализационную сеть и недопущении ее проникновения в толщу
ограждений.
Ограждения представляют собой экран, который отделяет одну от
другой две воздушные среды, отличающиеся между собой не только
температурой, но и упругостью водяного пара. В зимний период разница
между этими двумя средами наибольшая. Так, перепад температур может
достигать 50* и более, а разность упругости водяного пара, содержащегося в
воздухе, более 10 мм рт.ст.
Вследствие разности парциальных давлений в воздушных средах,
разделяемых ограждением, возникает их диффузия из среды с большим
парциальным давлением в среду с меньшим. В зимний период в ограждении
происходит, с одной стороны, фильтрация воздуха из внешней среды во
внутреннюю, а с другой, диффузия водяного пара в противоположном
направлении – из помещения наружу, т.е. из среды более теплой и имеющей
большее влагосодержание в среду более холодную.
Диффузию водяного пара через слой материала иногда называют
паропроницанием материала, которое характеризуется коэффициентом
паропроницаемости.
Коэффициент паропроницаемости μ показывает количество пара (г),
диффундирующего за 1 ч через 1 м2 плоского слоя толщиной в 1 м при
разности парциальных давлений водяного пара на поверхностях слоя, равной
1 мм рт.ст.
Коэффициент паропроницаемости выражается в г/(м ч мм рт.ст.).
Коэффициенты паропроницаемости имеют большие значения для рыхлых и
пористых материалов и меньшие – для плотных.
При установившемся потоке водяного пара, диффундирующего через
ограждение, сопротивление паропроницанию какого-либо слоя ограждения
определяется по формуле:
Rп = δ / μ,
где δ – толщина слоя материала, м.
Общее сопротивление паропроницанию многослойного ограждения
определяется по формуле :
Rп = δ1 / μ 1 + δ2 / μ2 + δ3 / μ3 + . . . + δn / μn,
Раздел 2. АРХИТЕКТУРНАЯ СВЕТОТЕХНИКА
Тема № 2.1 Архитектурная светотехника. Основные понятия и
требования.
Из курса школьной физики известно, что всякое тело, обладающее
температурой выше абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство
энергию, которую называют лучистой энергией.
Мощнейшим источником лучистой энергии является солнце. Его
лучи переносят энергию на поверхность Земли. О количестве этой энергии
дает представление следующая цифра: на каждый 1 км 2 земной поверхности
в средней широте в полдень солнце посылает около 700 000 квт.
Наука, об использовании лучистой энергии оптической части
спектра в архитектуре, называется архитектурной светотехникой.
Энергия, переносимая излучением, обозначается Qe и измеряется в
джоулях (Дж).
Мощность излучения, т.е. энергия, излучаемая в 1 с, называется
лучистым потоком (Фе ). Определяется по формуле:
Фе 
dQe
,
dt
(1)
где – dt бесконечно малый промежуток времени, в течение которого
излучение является равномерным.
Единица измерения лучистого потока – ватт (Вт).
Оптическая часть электромагнитного спектра лучистой энергии
включает области:
- ультрафиолетового;
- видимого;
- инфракрасного излучения.
Ультрафиолетовое
–
это
излучение,
длины
волн
монохроматических составляющих которого меньше длин волн видимого
излучения и больше 1 нанометра ( единица измерения длины волны).
Различают ультрафиолетовые излучения с длинами волн от 100 до 400 нм.
Видимое излучение – это излучение, которое может
непосредственно вызывать зрительное ощущение. Нижняя граница
спектральной области видимого излучения лежит между 380 и 400 нм, а
верхняя между 760 и 780 нм..
Инфракрасное – это излучение, длины волн монохроматических
составляющих которого больше длин волн видимого излучения и меньше 1
мм.
Различают инфракрасные излучения с длинами волн от 780 нм до 1 мм.
Различают монохроматическое и сложное видимое излучение.
Монохроматическое излучение характеризуется очень узкой
областью частоты (или длин волн), и может быть охарактеризовано одним
значением частоты (или длины волны).
Сложное
излучение
характеризуется
совокупностью
монохроматических излучений разных частот. Пример сложного излучения –
дневной свет.
Под спектром излучения понимают распределение в пространстве
сложного излучения в результате его разложения на монохроматические
составляющие и сам состав сложного излучения.
Действуя на глаз, излучения, имеющие разную длину волны,
вызывают ощущения того или иного цвета.
Средний человеческий глаз наиболее чувствителен к желто-зеленым
излучениям с длиной волны λ=555 нм. В условиях сумеречного освещения
глаз человека наиболее чувствителен к зелено-голубым излучениям с длиной
волны λ=510 нм.
Относительная спектральная световая эффективность
(относительная видность однородных излучений) равна отношению
спектральной чувствительности среднего человеческого глаза для данного
монохроматического
излучения
к
наибольшей
спектральной
чувствительности глаза.
Относительная спектральная световая эффективность позволяет
оценивать световое ощущение, вызываемое каким-либо монохроматическим
лучистым потоком.
Величина, образующаяся от лучистого потока при оценке излучения
по его действию на селективный приемник, спектральная чувствительность
которого определяется нормализованной функцией относительной
спектральной световой эффективности излучения, называется световым
потоком Фv .
Световой поток представляет количественную характеристику
лучистого потока, выражающую его способность производить световое
ощущение, оцениваемое по относительной видности.
За единицу светового потока принят 1 люмен (лм).
Люмен – световой поток, излучаемый в единичном телесном угле
(стерадиане) равномерным точечным источником света силой в 1 канделу.
Единица его измерения – люмен, т.е. световой поток, излучаемый в
единичном телесном угле, измеряемом в стерадианах, равномерным точечным
источником света силой в 1 кд (канделу).
(Телесный угол – часть пространства, ограниченная некоторой
конической поверхностью. Ед. изм. ту – стерадиан).
При решении ряда практических задач, связанных с оценкой
продолжительности использования естественного света в помещениях,
необходимо учитывать время действия светового потока, т.е. световую
энергию Qv , которая представляет собой произведение светового потока Фv .на
длительность освещения t .
Единица измерения световой энергии – люмен в секунду (лм •с).
В связи с тем, что применяемые на практике источники света
распределяют световой поток в пространстве неравномерно, то для оценки
светового действия источника в каком –либо направлении пользуются
понятием силы света.
Силой света источника в некотором направлении называют
пространственную плотность светового потока, равную отношению светового
потока Фv к величине телесного угла Ω, в котором равномерно распределяется
излучение.
Единица силы света – кандела.
При оценке качества световой среды в интерьере решающее
значение имеет яркость свечения источника света и освещаемых ими
поверхностей.
Яркость
- световая величина, которая непосредственно
воспринимается глазом. Согласно принятой в светотехнике терминологии
яркость определяется как поверхностная плотность силы света в заданном
направлении. Она равна отношению силы света к площади проекции
светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную тому же
направлению.
Единица яркости – кандела на квадратный метр ( кд/м2 ).
Яркость светящейся поверхности является различной в разныъх
направлениях, поэтому яркость, подобно силе света, характеризуется
значением и направлением.
Поверхности, обладающие одинаковой яркостью по всем
направлениям, называются равнояркими излучателями. К ним относятся,
например, оштукатуренные поверхности потолка и стен, осветительный
прибор в виде шара из молочного стекла и т.д.
Поверхностную плотность излучаемого такой поверхностью
светового потока называют светимостью. Она равна отношению светового
потока, излучаемого элементом поверхности, который содержит
рассматриваемую точку, к площади этого элемента.
Единица измерения светимости – люмен на квадратный метр (лм/м2).
По характеру распределения световых потоков, отраженных
поверхностью или пропущенных телом, различают следующие основные их
виды:
1. рассеянное (диффузное) отражение от оштукатуренной
поверхности потолка и стен или пропускание света молочным
стеклом (рис.1,а,б);
2. направленное отражение или пропускание, например, при
отражении света от зеркал и от полированных поверхностей
металла, дерева или пропускание через оконное стекло
(рис.2,а);
3. направленно-рассеянное
отражение
или
пропускание,
например отражение света от поверхностей, окрашенных
краской, или пропускание света матированным стеклом
(рис.2,б).
Рис. 1. Диффузное отражение (а) и диффузное пропускание (б) света
Рис. 2. Виды отражения света зеркальными (а) и блестящими (б)
поверхностями
Для оценки освещения пользуются понятием освещенности.
Освещенность (в точке поверхности) представляет собой
отношение светового потока Фv, падающего на элемент поверхности,
содержащий данную точку, к площади этого элемента А.
Единица освещенности – люкс. Люкс – это освещенность, которая
создается световым потоком в 1 лм, равномерно распределенным на
поверхности площадью в 1 м2 .
При падении светового потока Фi на какое –либо тело, часть этого
потока отражается от него (Фρ ), часть проходит через тело (Фτ ) и, часть
поглощается телом (Фά ).
На основании закона сохранения энергии имеем:
Фi = Фρ + Фτ + Фά ,
(2)
Разделив обе части этого равенства на Фi , получим:
1=ρ+τ+ά
(3),
где ρ – коэффициент отражения тела;
τ - коэффициент пропускания тела;
ά – коэффициент поглощения тела.
Тема № 2.2 Моделирование естественного освещения
Поток излучения солнца, падающий на землю, претерпевает изменения
вследствие его отражения и поглощения атмосферой и подстилающим слоем
земной поверхности.
Естественное освещение обладает по сравнению с искусственным
той особенностью, что оно изменяется в течение года, сезона, дня как по
уровню освещенности, так и по спектральному составу.
По интенсивности и времени действия естественное освещение
делится на дневное, сумеречное и ночное. Каждое из этих видов естественного
освещения характеризуется:
- различными уровнями освещенности;
- разным соотношением между солнечным и рассеянным светом;
- разным распределением яркости;
- различным спектральным составом света;
- динамичностью освещения.
Действие естественного освещения на человека можно подразделить
на три вида:
- психофизиологическое, которое определяется возникновением
зрительных образов;
морфофункциональное, не связанное с возникновением
зрительных образов. Действует через кожу, оказывает витаминообразующее
действие, улучшает обмен, закаливает организм.
- бактерицидное действие света проявляется в разрушении живых
тканей, умервщлении микроорганизмов, опасных для здоровья человека
бактерий.
Критерием оценки переменного естественного освещения служит
коэффициент естественной освещенности (КЕО)
Коэффициент естественной освещенности есть выраженное в
процентах отношение освещенности Ем в конкретной исследуемой точке
помещения к одновременной освещенности Ен наружной точки,
расположенной на горизонтальной плоскости, освещенной рассеянным светом
небосвода.
КЕО выражается в процентах. Участие прямого солнечного света в
создании Ем и Ен исключается. Значение КЕО находится из выражения
ем = Ем/Ен 100
(1)
Коэффициент естественной освещенности зависит от количества
стекол в переплете, размеров, формы и расположения световых проемов,
светопропускания остекления, взаимного расположения зданий, светлоты
окраски внутренних поверхностей помещений, наличия солнцезащитных
устройств (жалюзи, козырьков и др.) и других факторов.
Наряду с КЕО в расчетах естественного освещения применяется
геометрический коэффициент естественной освещенности ε, который
представляет собой отношение освещенности, создаваемой в некоторой точке
заданной плоскости внутри помещения светом, прошедшим через
незастекленный световой проем, от равномерно яркого неба
ЕМ к
одновременному значению наружной горизонтальной освещенности под
открытым полностью небосводом ЕН (рис. 1).
Участие прямого солнечного света в создании ЕМи ЕН
исключается.
Рис. 1. Схема к определению геометрического коэффициента
естественной освещенности
Суммарное значение КЕО в той или иной точке помещения
определяется:
- долей естественного освещения, обусловленной светом неба;
- долей КЕО, обусловленной отражением света наружными
поверхностями стен и землей;
- долей КЕО, обусловленной отражением света от внутренних
поверхностей помещения.
В основу моделирования естественного освещения зданий положены
два закона.
Первый закон – проекции телесного угла. Он говорит, что
освещенность Ем в какой либо точке поверхности помещения, создаваемая
равномерно светящейся поверхностью неба, прямо пропорциональна яркости
неба и площади проекции на освещаемую поверхность телесного угла, под
которым из данной точки виден участок неба (рис. 2 ).
Рис. 2. Схемы к закону проекции телесного угла
Практическое значение этого закона очень велико; пользуясь им,
можно определить относительную световую активность различных
светопроемов и сравнивать освещенности, создаваемые одним и тем же
светопроемом, расположенным различно относительно рабочей плоскости (
рис. 3 ).
Рис.
3.Определение
относительной
световой
активности
светопроемов с помощью закона проекции телесного угла при расположении
точки на горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскости
На основе этого закона разработаны графические способы расчета
естественного освещения (в частности, графики Данилюка), получившие
широкое распространение в нашей проектной практике.
Второй закон – закон светотехнического подобия. Сущность этого
закона отражена на рис.4.
Освещенность в точке М помещения создается через окна,
обладающие яркостью L1;
L2. Различная яркость может создаваться,
например, применением различных сортов стекла (оконного, листового,
контрастного, матированного и др.). Однако при различных размерах окон (I
и II) освещенность в точке М создается одним и тем же телесным углом,
вершина которого совпадает с точкой М.
Рис. 4. Схема к закону светотехнического подобия
Из закона проекции телесного угла следует, что освещенность в
точке М остается постоянной при условии, если L1=L2=Ln=const.
Следовательно, освещенность в какой-либо точке помещения зависит не от
абсолютных, а от относительных размеров помещения.
Большое практическое значение этого закона заключается прежде
всего в том, что он позволяет решать задачи естественного освещения,
пользуясь методом моделирования, т.е. оценивать условия освещения
помещений на моделях. Для этого модели изготовляются в масштабе не менее
чем в 1/20. При этом тщательно соблюдаются геометрические и
светотехнические параметры интерьера.
На основании этого закона создаются экспериментальные установки
называемые искусственным небом. Они применяются для проведения
архитектурных и светотехнических исследований над моделями зданий,
сооружений, интерьеров и фрагментов архитектурных деталей.
Основными характеристиками, которые определяют излучательную
способность солнца, являются солнечные постоянные: световая и тепловая.
Световая солнечная постоянная представляет собой освещенность
плоскости, расположенной перпендикулярно лучам солнца и удаленной от
солнца на расстояние, равное астрономической единице. Приближенное
значение солнечной световой постоянной на границе атмосферы 135000 –
137000 лк. Соответствующая этой освещенности средняя яркость солнца
составляет 2·109 кд/м2 .
Тепловая солнечная постоянная показывает количество лучистой
энергии, падающей на поверхность, перпендикулярную направлению лучей, в
течение 1 мин при расстоянии этой поверхности от солнца, равном одной
астрономической единице. Численное значение тепловой солнечной
постоянной по европейской шкале принимается равным 1,895 кал/см 2 ·мин.
Тема № 2.3 Нормирование и расчет естественного освещения
помещений
Важнейшими показателями естественного освещения являются
уровень освещенности и качество освещения.
Необходимый уровень освещенности в рабочих помещениях
определяется характером и точностью производимой зрительной работы. В
помещениях общественного назначения (фойе, зрительных залах, вокзалах и
т.п.) уровень освещенности определяется в основном эстетическими и
психологическими требованиями.
Качество естественного освещения характеризуется такими
показателями, как:
- распределение яркости в окружающем человека пространстве,
- неравномерность освещения,
- направление и тенеобразующие свойства света,
- спектральный состав света.
Эти показатели световой микросреды в помещениях имеют
решающее значение как при оценке условий зрительной работы на рабочих
местах, так и при восприятии интерьера.
При проектировании здания архитектор выбирает систему
естественного освещения, тип и форму окон и фонарей, их конструкцию,
отделку помещения. На основе этих исходных данных определяются размеры
окон и фонарей, которые обеспечивают необходимый уровень освещенности.
При выбранных исходных данных расчет естественного освещения
сводится к определению значений к.е.о (коэффициента естественной
освещенности) в ряде точек, находящихся на рабочей плоскости по
характерным разрезам помещения, и к построению кривых, характеризующих
распределение света в помещении.
Рабочей плоскостью для большинства помещений служит
горизонтальная плоскость. Однако для некоторых помещений значения к.е.о.
рассчитывают на вертикальных и наклонных поверхностях.
Характерным разрезом помещения обычно служит разрез,
проходящий посередине помещения (обычно по оси светопроемов). В случаях,
когда требуется построить на плане помещения изолюксы (т.е. кривые равной
освещенности), количество разрезов увеличивается.
Значение к.е.о. в какой - либо точке помещения определяется по
формуле:
е = ен + ео +езд ,
(1)
где ен – к.е.о., создаваемый прямым диффузным светом от участка неба,
видимого из крайней точки через проемы, с учетом светопотерь при
прохождении светового потока через остекленный проем;
ео - к.е.о., создаваемый отраженным светом от внутренних
поверхностей помещения: потолка, стен, пола.
езд к.е.о., создаваемый отраженным светом от противостоящих
зданий.
Значение ен определяется по формуле
ен = ε q τо ,
где ε – коэффициент неба, который определяется при условии равнояркости
неба и без учета светопотерь и отраженного света;
q – коэффициент, учитывающий неравномерную яркость неба;
τо – общий коэффициент светопропускания светопроема.
Расчеты естественного освещения в помещениях проводят для
определения достаточности выбираемых при проектировании размеров и
расположения светопроемов, а также с целью контроля выполнения
требований норм естественного освещения.
Расчеты естественного освещения помещений могут быть:
- предварительными (приближенными), которые применяются на
стадии разработки проектного задания;
- проверочными (точными), применяемыми на стадии разработки
технического и рабочего проектов.
При архитектурном проектировании производственных и
общественных зданий возникает необходимость создать равномерное (в цехах
с поточным непрерывным производством), или неравномерное освещение
помещения (спортивные залы, картинные галереи). В этих случаях на стадии
технического проекта необходимо рассчитать значение к.е.о. по характерным
разрезам помещения, построить кривую освещенности и определить
неравномерность освещения, обеспечивающую наилучшую видимость
рабочей поверхности, на которой сосредотачивается внимание человека.
Различают к.е.о. в точках характерных разрезов помещения
выполняется по формулам:
- при освещении через окна (боковое освещение)
еб =( εб q + Rkо )τо r1 ,
- при освещении через фонари(верхнее освещение)
ев = [εв + εср (r2kф - 1 )]τо ,
- при освещении через окна и фонари (комбинированное
освещение)
ек = еб + ев,
где εб, εв - геометрический коэффициент естественной освещенности
соответственно бокового и верхнего освещения, определяемый из выражения
0,01n1n2, в котором n1 – количество лучей ( по графику I), проходящих от неба
через световые проемы в расчетную точку на поперечном разрезе помещения
(рис. 1, а), а n2 – количество лучей (по графику II), проходящих от неба через
световые проемы в расчетную точку помещения ( рис. 1, б);
εср – средний геометрический коэффициент естественной
освещенности;
εср = 1/100N ( (n3n2)1 + (n3n2)2 + (n3n2)3 +…+ (n3n2)N ),
где
N – количество точек, в которых определяется к.е.о.;
q – коэффициент, учитывающий неравномерность яркости
облачного неба;
R – коэффициент, учитывающий свет, отраженный от
противостоящего здания;
kо - - коэффициент, учитывающий относительную яркость
противостоящего здания;
τо - - общий коэффициент светопропускания
r1 – коэффициент, учитывающий повышение к.е.о. при боковом
освещении благодаря свету, отраженному от внутренних поверхностей
помещения
r2 - коэффициент, учитывающий повышение к.е.о. при верхнем
освещении благодаря свету, отраженному от внутренних поверхностей
помещения
kф – коэффициент, учитывающий тип фонаря.
Рис.1. Графики Данилюка и их применение при боковом освещении
а – график I, накладывается на поперечный разрез помещения для
определения еI ;
б – график II, накладывается на план помещения для определения е II.
Для расчета к.е.о. в какой-либо точке помещения применяются
графики Данилюка. Эти графики применяются при условии равнояркого неба,
отсутствия затенения от противостоящих зданий и от остекления в
светопроемах, а также в предположении, что отраженный свет от внутренних
поверхностей помещения отсутствует (рис. 2.)
Рис. 2. К расчету к.е.о. в помещении с боковым освещением
а – график I Данилюка последовательно вкладывается полюсом на
точки поперечного разреза и определяются значения е I для каждой точки;
б – график II Данилюка последовательно накладывается полюсом на
точки плана и определяются значения е II для каждой точки.
На основе результатов расчетов наружной освещенности,
проведенных для наиболее крупных городов и промышленных районов
построена карта светоклиматического районирования. Критерием при ее
составлении было принято среднее за год количество наружного диффузного
освещения на горизонтальной поверхности в течение 1 ч за период
использования в помещении естественного света, т.е.
Еср = (Σгод (Е-Екр)) / Σгод Т,
где Еср – средняя освещенность – критерий районирования, лк
Е – наружная освещенность горизонтальной поверхности, лк
Екр – критическая наружная освещенность
Т- продолжительность использования естественного освещения,
определяемая разностью времени наступления критической освещенности
утром и вечером, ч.
Критической
наружной
освещенностью
называется
освещенность, наблюдаемая в моменты выключения (утром) и включения
(вечером) искусственного освещения в помещении, т.е.
Екр = Еи/е,
где Еи – освещенность при искусственном освещении помещения
е – нормированное значение к.е.о.
Тема № 2.4 Искусственное освещение. Источники света и осветительные
приборы.
Различают два периода в истории развития средств освещения:
доэлектрическимй и электрический, началом которого было применение
электрических ламп П.Н.Яблочкова и А.Н.Лодыгина.
Доэлектрические источники света имели примитивную технику
устройства (фитиль, плавающий в глиняном сосуде, наполненном жиром,
свеча, керосиновая лампа, газовая горелка и др.), малую мощность и
однообразный спектр излучения. Все это весьма ограничивало их
архитектурную роль.
Большое внимание архитекторы уделяли форме и художественной
отделке люстр. О высокой культуре проектирования осветительных приборов
(люстр, бра, торшеров) говорит их умение выявлять светом пространство,
усиливать тонкую пластическую и цветовую отделку интерьеров.
Освещенность помещений усиливалась при применении люстр из лепного
венецианского стекла или граненого хрусталя. В сочетании с зеркальной
отделкой стен люстры хорошо освещали верхнюю и нижнюю зоны залов и
создавали иллюзию большой насыщенности пространства светом
На смену свечам пришли керосиновые лампы, имеющие горелку,
сосуд для керосина, стекло и абажур. Керосиновые лампы изготовлялись
подвесными, в виде бра и настольными.
Наряду с керосиновыми лампами были изобретены газовые
горелки с калильной сеткой, которые нашли применение для улиц и площадей
городов.
Революционный скачок в технике освещения произошел во второй
половине 19 в., когда на улицах Мадрида, Парижа и Петербурга зажглись
первые электрические лампочки по названием «русский свет». Изобретателем
первой электрической лампочки был П.Н.Яблочков.
Электрическим источником свечения в лампах накаливания
служит спираль из вольфрамовой тугоплавкой проволоки, нагретая до
высокой температуры
Лампы накаливания имеют следующие параметры:
- номинальное напряжение в сети, при котором лампа работает,
выражается в вольтах (В); расчетное напряжение отличается от номинального
для некоторых ламп накаливания ( напр. автомобильных);
- мощность лампы при включении ее в номинальное (рабочее)
напряжение, выражается в ваттах (Вт);
- световая отдача – основная характеристика экономичности
лампы – выражается отношением светового потока, выраженного в люменах
(лм), к мощности лампы. Световая отдача ламп накаливания повышается с
увеличением мощности ламп;
- удельная мощность лампы – величина, пропорциональная
обратной величине ее световой отдачи, - выражается в ваттах на канделу
(Вт/кд);
- световой центр – геометрический центр светящейся части тела
накала ламп;
- цветность излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью в
бесцветной колбе определяется температурой тела накала.
Геометрическими параметрами ламп накаливания являются:
диаметр колбы D, полная длина лампы Lл, высота светового центра H.
Срок службы ламп накаливания определяется в основном
распылением вольфрамовой спирали под воздействием высокой температуры.
Уменьшение светового потока лампы в процессе горения вызвано
уменьшением диаметра проволоки, а также оседанием продуктов распыления
на стенках колбы, что уменьшает прозрачность колбы.
К числу наиболее распространенных ламп накаливания относятся:
- нормальные лампы (газополные и вакуумные),
- лампы с отражающим и диффузным покрытием колбы,
- цветные ,
-галогенные лампы с йодно-волфрамовым циклом
Преимущество галогенных ламп заключается в их повышенной
световой активности и более длительном сроке службы.
В результате дальнейших поисков были созданы принципиально
новые, более эффективные электрические источники света, получившие
название газоразрядных. В этих источниках света используется излучение
газов или паров металла, возникающее под действием проходящего через них
электрического тока (электрический разряд в газах или газовый разряд).
Газоразрядная лампа представляет собой стеклянную или
кварцевую колбу разной формы, в которую геометрически впаяны два
металлических электрода, между которыми при прохождении электрического
тока происходит разряд. Внутреннее пространство колбы после удаления
воздуха наполняют инертным газом или небольшим количеством металла,
пары которого обладают высокой упругостью(ртуть, натрий, кадмий и т.д.).
Газоразрядные лампы, в отличие от ламп накаливания, обладают
не непрерывным, а линейчатым спектром излучения, характерным для пара
или газа, наполняющего колбу. При общем освещении помещений
линейчатый спектр газоразрядных ламп приводит к искажению цвета
освещаемых предметов.
Некоторые тела обладают способностью светиться без их
нагревания. Это явление называется люминесценцией.
Под люминесценцией понимают избыток свечения вещества в
данной области спектра (называемого люминофором) над температурным
излучением тела, если оно (излучение) обладает длительностью
послесвечения более чем на 10-10 с.
Именно на этой основе были созданы люминесцентные лампы.
В широко используемых в настоящее время люминесцентных
лампах используется три вида люминесценции:
- электролюминесценция газового разряда в парах ртути (или
аргона);
- хемилюминесценция (свечение, создаваемое химическими
реакциями).
- фотолюминесценция (свечение, создаваемое облучением
вещества ультрафиолетовыми лучами);
(При разряде в полости трубки образуется мощный поток
невидимой ультрафиолетовой радиации, который затем преобразуется в
видимый свет посредством люминографов, нанесенных на внутреннюю
поверхность колбы. Люминографы – кристаллические порошки: силикат
цинка, вольфрамиты кальция и магния и т.п. Разные люминографы излучают
световой поток различной длины волн.)
Люминесцентные лампы обладают высокой световой отдачей (6070 лм/вт) и длительным сроком службы (15 000 ч и более). Большим
достоинством этих ламп является возможность получать свет любого
спектрального состава и в том числе спектра естественного света.
Выпускают лампы: 1) дневного света, 2) белого света, 3)лампы
теплого белого света, 4) лампы холодного белого света.
Оптимальная температура окружающей среды для работы
люминесцентных ламп – 20-25°С. При изменении температуры изменяется
тепловой баланс лампы, а ее эффективность уменьшается.
Изобретение и массовое производство люминесцентных ламп
значительно расширило возможности использования света в архитектуре.
Этому способствовали высокая световая отдача, длительный срок службы
малая яркость, возможность имитации дневного освещения.
К числу люминесцентных ламп, предназначенных для
ультрафиолетового излучения относятся эритемная лампа и бактерицидная
лампа. Они работают при температуре 5 - 50°С. Лампы этого типа находят
применение для облучения промышленных и сельскохозяйственных зданий в
медицине.
К числу газоразрядных источников света относятся лампы с
разрядом в парах ртути. В зависимости от давления паров ртути ртутные
лампы могут быть низкого давления (бактерицидные, ртутные лампы в
кварцевых трубках); высокого и сверхвысокого давления.
К ртутным лампам высокого давления относятся лампы типа ПРК
(ртутно-кварцевая) и ИГАР (интенсивного горения арго-ртутная). Лампы ПРК
излучают видимый свет (зеленоватого оттенка) и одновременно являются
мощным источником ультрафиолетового излучения.
Бактерицидные лампы используют для закаливания организма
человека, санации воздуха в помещениях, стерилизации воды, пищевых
продуктов. Источник излучения этих ламп – электрический разряд в парах
ртути и аргона. Их мощность от 15 до 60 Вт.
Широкое применение нашли металлогалоидные лампы высокого
давления с иодидами. Эти лампы предназначаются для освещения открытых
площадей, карьеров и промышленных предприятий.
При решении задач функциональных и архитектурного освещения
городов часто применяют газоразрядные натриевые лампы, обладающие
очень высокой световой отдачей и излучающие свет желто-оранжевого цвета.
Лампы имеют разрядную трубку разной формы, помещенную в
цилиндрическую колбу –рубашку.
К газоразрядным относятся дуговые ксеноновые лампы,
обладающие весьма большой мощностью. Ксеноновые лампы обладают
высокой яркостью и хорошей цветопередачей. Благодаря большой мощности
и высокой яркости ксеноновые лампы целесообразно использовать для
освещения больших площадей в городах, на выставках и т.п. Эти лампы
обычно устанавливают на высоких опорах (высотой 30-60 м) и применяют в
сочетании со специальными оптическими устройствами. Недостаток
ксеноновых ламп - пульсация светового потока.
Осветительные приборы разделяются на 2 группы: приборы
ближнего действия – светильники и приборы дальнего действия –
прожекторы.
Основной составляющей светильника является его оптическая
часть, которая обеспечивает требуемое светораспределение и защиту глаз от
чрезмерной яркости источника света. Вместе с тем оптическая часть
осветительного прибора определяет его коэффициент полезного действия.
Коэффициент полезного действия светильника
ŋ = Фсв / Фл,
определяется отношением светового потока светильника Фсв к световому
потоку источника света Фл. Значение к.п.д. характеризует экономичность
светильника.
Светильники могут быть мобильными, не связанными с
конструкцией здания, и стационарными (встроенными), конструкции которых
неотделимы от общего архитектурного решения интерьера.
Осветительные приборы и устройства классифицируются по
признаку светораспределения.
Осветительные установки могут создавать:
- векториальное освещение, при котором свет, достигающий
рабочую поверхность или освещаемый объект, имеет четко выраженную
направленность светового потока;
- скалярное, диффузное освещение, при котором световые потоки
равномерно освещают объект наблюдения, - бестеневое освещение.
Светильники делятся на следующие группы: 1) открытые, 2)
защищенные, 3)пыленепроницаемые, 4) взрывозащищенные.
Для освещения больших открытых пространств – открытых
стадионов, аэродромов и др., а также для освещения архитектурных ансамблей
и зданий широко применяются прожекторы.
Основной
характеристикой
прожектора
является
его
максимальная сила света. Ею определяется дальность действия, т.е.
расстояние, на котором прожектор может обеспечить заданный уровень
освещенности.
Значение максимальной силы света при одной и той же мощности
и напряжении зависит от ширины светового пучка, который представляет
собой конус с вершиной в точке расположения тела накала источника.
Экономичность прожектора характеризуется к.п.д., который
определяется из соотношения светового потока, излучаемого прожектором в
пределах полезного угла рассеяния, к световому потоку источника света
Тема № 2.5 Нормирование и расчет искусственного освещения.
При расчете осветительной установки возможны две задачи :
- первая связана с определением необходимой мощности источников
света в соответствии с нормированной для проектируемого помещения
освещенностью;
- вторая имеет в виду определение освещенности и яркости и ее
распределение в интерьере.
В общем случае решение этих задач требует расчета распределения
прямых и отраженных световых потоков, падающих от осветительных
приборов и устройств на внутренние поверхности интерьера – потолок, стены,
пол. Таким образом, освещенность Ес в любой точке внутренних поверхностей
определяется как сумма двух слагаемых:
Еср = Ерпр + Еор,
где Ерпр – пряма компонента освещенности;
Еор – отраженная компонента освещенности.
Отраженная компонента, создаваемая многократно отраженными
световыми потоками, обычно распределяется в пространстве интерьера
равномерно и характеризует пространственную диффузную освещенность.
Распределение освещенности, создаваемое прямой компонентой,
может быть неравномерным, поскольку оно зависит от характера
светораспределения светильника и от его расположения в пространстве
интерьера.
Расчет освещенности на горизонтальной поверхности от точечного
источника света производится по формуле
Ег =
Ia
cos2α,
H2p
где Ia – сила света светильника по направлению к точке, в которой
определяется
освещенность; для этого пользуются кривой распределения силы света
светильника;
Hp – расчетная высота подвеса светильника над уровнем горизонтальной
плоскости;
α – угол между направлением силы света к расчетной точке и оптической
осью светильника.
Если освещаемая поверхность вертикальная, то ее освещенность от
точечного источника света определяется из выражения
Ев =
р
Hp
Ег,
где
Ев – вертикальная освещенность;
р и Hp - геометрические параметры (рис.1).
Если плоскость падения луча перпендикулярна вертикальной
плоскости, то р = d .
Расчет освещенности от светящей линии (рис.2) для точки, в
которой определяется освещенность:
Ем =
Iγ
cos2γ f(φ) ,
2Hp
где f(φ) – функция, зависящая от светораспределения светильника:
f(φ) =
φ+
sin2 φ
2
Iγ – сила света с единицы длины светящей линии в поперечной
плоскости;
φ – угол, под которым видна светящая линия из расчетной точки М;
Hp– высота расположения светящей линии над освещаемой
горизонтальной плоскостью.
рис. 1. Схемы к расчету освещенности на горизонтальной поверхности
рис. 2. Схема к расчету освещенности от светящейся линии.
Значения функции f(φ) для наиболее широко распространенных
открытых светильников и светильников, перекрытых молочным стеклом,
могут определяться по формуле или с помощью рис.3
рис.3.Значения f(φ), соответствующие светораспределению при
применении
светильников открытых или защищенных молочным стеклом.
Расчет освещенности от светящих поверхностей равномерной
яркости производится по формуле
ЕМ = L σ,
где L – яркость светящей поверхности, кД/м2;
σ – проекция вектора телесного угла, под которым видна светящая
поверхность из расчетной точки, на направление нормали к расчетной
плоскости, м2.
Используя понятие коэффициента освещенности, формулу можно
преобразовать следующим образом:
еМ = ЕМ / Е2π ,
и так как Е2π = π L, то еМ = σ / π .
Световой поток, падающий на расчетную плоскость, создается в
результате взаимодействия прямого света от светящих элементов и
суммарного отраженного потока, образующегося в результате
многократных отражений от потолка, стен и пола.
Яркость поверхности фасада определяется по формуле
L = 0.318 E rя ,
где E – освещенность поверхности, лк;
rя – коэффициент яркости, равный отношению яркости в данном
направлении к яркости при тех же условиях диффузной поверхности,
идеально рассеивающей свет, имеющей коэффициент отражения,
равный единице.
Если облицовка фасада шероховатая (штукатурка, естественный
камень, бетон), то яркость определяется по формуле
L = 0.318 E ρ,
где ρ – коэффициент отражения поверхности.
Освещенный одним прибором участок стены обладает
неравномерной яркостью – более высокая яркость наблюдается в центре
участка и меньшая – по его краям. При расположении прибора под углом к
стене максимальная яркость наблюдается примерно на высоте, равной 1/3
большой оси эллипса. Неравномерность освещения можно определять,
пользуясь законом квадрата расстояний, как от точечного источника света.
Для равномерного освещения поверхности стены необходимо
применять прибор с широким светораспределением или несколько приборов
с расчетом, чтобы освещенные пятна, создаваемые приборами, перекрывали
друг друга. Приборы с узким светораспределением целесообразно применять
для локального освещения удаленных от прибора архитектурных деталей.
Ограничение ослепленности при применении осветительных
приборов обеспечивается их надлежащим расположением, направлением
световых пучков и применением экранируемых решеток
Нормы искусственного освещения.
Существуют две системы искусственного освещения:
- общее, равномерное или локализованное, и
- комбинированное, когда общее освещение дополняется местным –
на рабочих местах.
Освещение помещений и открытых пространств подразделяется на
рабочее и аварийное. Аварийное освещение предусматривается для эвакуации
людей или продолжения работы при внезапном отсутствии рабочего
освещения, или недостаточности естественного света.
При проектировании осветительных установок должны применяться
коэффициенты запаса, учитывающие снижение освещенности в процессе
эксплуатации и соответствующие сроки очистки светильников;
Значения коэффициентов запаса определяют в зависимости от
характера воздушной среды помещений (по содержанию пыли) и
применяемого типа источника света; при применении газоразрядных ламп эти
значения колеблются от 1,6 – 1,8 для общественных зданий до 2 – 1,8 для
производственных зданий.
Нормы искусственного освещения установлены, исходя из
требований хорошей видимости объектов различения, поэтому они учитывают
размер объекта различения, его контраст с фоном, а также светлоту фона.
Под объектом различения подразумевают часть рассматриваемого
предмета (например, нить ткани, трещину, риску и т. д.), которую необходимо
различить в процессе работы.
В общем случае при объемных объектах различения их размеры и
контраст оценивают эквивалентными значениями углового размера и
яркостного контраста с учетом неравномерности распределения светового
потока по поверхности объекта различения и фона.
При проектировании осветительной установки в производственных
помещениях наряду с уровнем освещенности необходимо соблюдать
следующие требования:
 при комбинированной системе освещения освещенность от
общего освещения должна составлять не менее 1/10 норм
комбинированного освещения;
 абсолютное значение общего освещения должно быть не
менее 200лк – при газоразрядных источниках света и 100лк
– при лампах накаливания;
 слепящий эффект при системах общего и комбинированного
освещения должен быть устранен или ограничен; критерием
оценки слепящего эффекта светильников служит показатель
ослепленности, который определяют по формуле
Рос = (Sос – 1 ) 1000 ,
где Sос – отношение видимости объекта наблюдения при экранировании
близких источников света V1 и при наличии их в поле зрения V2 , т.е.
Soc = V1 / V2 .
Помещения общественных зданий по условиям зрительной работы
подразделяются на две группы:
группа I – помещения, в которых выполняются работы различной
точности;
группа II – помещения, в которых преобладают архитектурно –
художественные требования к освещению, восприятию пространства,
пластики, цвета.
К ним относятся зрительные залы театров, концертные залы, фойе,
станции метрополитена, демонстрационные залы и т.п. В этих помещениях
решающее значение имеет достаточная насыщенность их светом.
Насыщенность помещения светом оценивают по цилиндрической
освещенности, под которой понимают плотность светового потока на
образующих вертикально расположенного цилиндра, радиус и высота
которого стремятся к нулю.
Неправильные приемы освещения (светильники и их расположение
в пространстве интерьера) приводят к зрительному дискомфорту, т.е.
ощущению неудобства или напряженности. Это ощущение возникает при
попадании в поле зрения человека светящих пятен с яркостью, значительно
превышающей яркость поля адаптации. Критерием, оценивающим явление
зрительного дискомфорта, служит показатель дискомфорта М, который
зависит от расположения дискомфортного пятна относительно линии
наблюдения
Раздел 3. АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКУСТИКА
Тема № 3.1 Роль и значение архитектурно-строительной акустики.
Звуковые колебания.
Звук, как и свет, оценивается физически (приборами) и
физиологически (ощущением).
Звук как физическое явление представляет собой волновое
колебание упругой среды и определяется ощущением, воспринимаемым
органом слуха при воздействии звуковых волн.
Любое нарушение стационарного состояния сплошной твердой,
жидкой или газообразной среды в какой-либо точке пространства приводит к
появлению волн, распространяющихся от этой точки.
Область пространства, в которой распространяются звуковые
волны, называются звуковым полем. Изменение физического состояния
среды в звуковом поле при распространении волн характеризуется двумя
параметрами:
1) звуковым давлением P (Па), т.е. разностью между
мгновенным значением полного давления и средним давлением ( при
отсутствии звукового поля);
2) колебательной скоростью частиц воздуха υ (м/с), т.е.
мгновенным значением скорости колебательного движения частиц среды при
распространении в ней звуковой волны.
Возникшие от источника звуковые волны распространяются от него
по всем направлениям со скоростью S , которая зависит от характера среды
и вида распространяющейся в ней волны. Скорость распространения звука в
воздухе при температуре 20% (обычная температура в жилых и общественных
зданиях) составляет 340 м/с. Скорость звука S нельзя смешивать с
колебательной скоростью частиц υ – переменной величиной, которая зависит
от частоты колебаний частиц и от величины звукового давления.
Длиной звуковой волны называют расстояние (м), измеренное вдоль
распространения звуковой волны между двумя ближайшими точками
звукового поля, в которых фаза колебания частиц среды одинакова.
Частотой звука называют число колебаний в секунду (Гц).
Распространение звуковых волн сопровождается переносом
звуковой энергии в соответствующем направлении.
Интенсивностью звука называют мощность на единицу площади,
передаваемую в направлении распространения звуковых волн (Вт/м2).
Источники звука характеризуются звуковой мощностью и
направленностью излучения.
Звуковой мощностью источника Р называют общее количество
звуковой энергии, излучаемое источником звука в окружающее пространство
за единицу времени (Вт).
Величина звукового давления, сила звука, а также звуковая
мощность источников звука изменяются в очень больших пределах. Учитывая
трудности, связанные с использованием абсолютных значений этих величин в
технической акустике, принято их оценивать в относительных
логарифмических единицах – децибелах.
Спектр звука может быть линейчатым и сплошным. При
сплошном спектре источника звука вводится понятие уровня спектра В,
который представляет собой уровень силы звука в полосе частот, равный 1 Гц.
Звуки, в которых уровень спектра В постоянен при всех частотах, называют
шумом.
Из математического анализа следует, что любое звуковое колебание
может быть разложено на чистые тона (теорема Фурье).
Чистым тоном называются звуки, у которых колебания давления
являются гармоническими, т.е. выражаются в виде синусоидальной функции
времени.
Диффузность звукового поля.
Звуковые волны, многократно отражаясь от поверхностей
помещения, образуют сложное звуковое поле. Диффузное звуковое поле –
основная предпосылка для хорошей акустики помещения.
Такое помещение характеризуется тем, что во всех точках поля
усредненные во времени уровень звукового давления и поток звуковой энергии,
приходящий к слушателю по любому направлению, являются постоянными.
Подобное звуковое поле является идеальным случаем. Степень приближения
к идеальному диффузному полю в закрытых помещениях является одним из
критериев положительной оценки их акустического качества.
Звуковые волны несут с собой механическую энергию, получаемую
ими от источника звука. При встрече с поверхностью звуковые волны
частично от нее отражаются, теряя при этом часть несомой энергии. Этот
процесс, характеризующийся поглощением поверхностью звуковой энергии,
называют звукопоглощением. Способность поверхности поглощать
различное количество звуковой энергии зависит от структуры материала и от
конструкции отделочного слоя и оценивается коэффициентом поглощения.
Коэффициент звукопоглощения α - отношение энергии,
поглощенной поверхностью, к энергии, падающей на поверхность.
Ухо человека обладает способностью слышать звуки в весьма
большом
диапазоне
изменений
звукового
давления,
а
также
дифференцировать их по частотам и интенсивности. Однако ухо обладает
различной чувствительностью к звукам разной частоты и уровня.
Основными физиологическими критериями оценки звука служат
высота звука и его громкость.
Высота звука – качество слухового ощущения, которое определяет
положение звука в музыкальном ряде.
Субъективное
качество
слухового
ощущения
называется
громкостью.
Громкость звука зависит от звукового давления, частоты и формы
звуковой волны, а также от длительности действия звука и условий его
восприятия. Ухо человека способно воспринять в виде звука лишь
определенную по частоте и интенсивность область звуковых колебаний. Эта
область лежит в пределах от 20 до 20 000Гц по частоте.
Для количественной оценки громкости применяется метод
субъективного сравнения измеряемого звука с эталонным звуком
определенной частоты. Изменяя уровень эталонного звука, можно добиться
того, что эталонный и измеряемый звуки будут ухом восприниматься
равногромкими. Согласно Международному соглашению за эталонный звук
принят синусоидальный тон с частотой колебания 1000 Гц в форме плоской
волны; при этом слушатель должен быть обращен лицом к источнику
эталонного тона.
Измеряемая таким образом величина называется уровнем громкости.
Единица уровня громкости – фон.
Единица громкости – сон. Громкостью, равной 1 сону, обладает звук
с уровнем громкости, равным 40 фонам.
Под шумом в широком смысле слова понимают звуки, нарушающие
тишину и мешающие восприятию звуковых сигналов. Действие шума на
человека может быть разным в зависимости от его уровня, спектрального
состава и длительности действия.
В строительстве применяют следующие основные способы борьбы с
шумом :
-планировочные;
- изоляция воздушного шума;
- экранирование;
- звукопоглощение;
- виброизоляция;
- вибропоглощение
- виброгашение.
Планировочные мероприятии заключаются в том, что источники
шума группируются и располагаются в месте, максимально удаленном от
помещений, где необходимо уменьшить шум.
Изоляция воздушного шума эффективно применяется там, где есть
возможность использовать сплошные ограждения без проемов и щелей.
Экранирование заключается в том, что между источником шума и
зоной, где необходимо снижений шума, помещают какой-либо объект,
препятствующий прохождению звука по прямой линии и тем самым
создающий «звуковую тень».
Снижение шума звукопоглощением достигается тем, что
поверхности, отражающие звук, закрываются поглощающими материалами
или конструкциями.
Виброизоляция применяется там, где на строительные конструкции
устанавливается какое-либо оборудование, создающее во время работы
механические колебания. Виброизоляция осуществляется путем размещения
между колеблющимся объектом и строительной конструкций упругих
элементов – амортизаторов, в виде пружин, мягких прокладок или их
комбинаций.
Тема № 3.2 Реверберация звука и расчет времени реверберации.
Основной характеристикой архитектурной акустики при
проектировании зрительных, концертных залов, лекционных аудиторий
является процесс реверберации.
Наблюдая звук в помещении после прекращения звучания
источника, следует отметить, что он исчезает не сразу, а постепенно. Звуковые
волны приходят к слушателю, многократно отражаясь от стен, пола, потолка
и находящихся в помещении предметов. При каждом отражении теряется
часть звуковой энергии, и это сопровождается спадом уровня звукового
давления в помещении.
Процесс постепенного замирания звука в помещении после
прекращения действия источника звучания называют реверберацией.
Реверберационный динамический процесс в помещениях физически
представляет собой первоначально процесс постепенного нарастания силы
звука в какой либо точке помещения в результате суммирования звука
прямого сигнала, первых и последующих отражений. При этом процесс
нарастания энергии звука вследствие многократных отражений от внутренних
поверхностей постепенно замедляется. Чем выше порядок отражений, тем
меньше доля энергии, которую данное отражение вносит в полную звуковую
энергию, устанавливающуюся в конечном итоге в помещении.
Объясняется это следующим:
1) потерями звуковой энергии при каждом отражении вследствие
поглощения энергии внутренними поверхностями помещения,
2) увеличением общего пути, проходимого звуковой волной от
источника до слушателя.
Определенное значение при этом имеет явление интерференции
звуковых волн, поскольку от соотношения фаз колебаний зависит
результативная плотность звуковой энергии в помещении.
Наступает момент, когда приход очередных отражений практически
не влияет на общую интенсивность звука, которая сохраняется постоянной.
Если в этот момент прекращается действие источника звука, то начинается
процесс постепенного затухания звука в помещении. Сначала исчезает прямая
энергия звукового сигнала, затем энергия последующих отражений до
момента, когда звуковая энергия достигает порога слышимости.
В отличие от закрытых помещений, в открытых театрах и
аудиториях при отсутствии вокруг каких-либо отражающих звуки
поверхностей, до слушателей доходят только прямые звуки. Поэтому звуковая
энергия, достигая полной величины, мгновенно воспринимается слушателями
и исчезает сразу же после того, как источник звука прекратит свое действие.
Количественной оценкой реверберации служит скорость падения
уровня силы звука vs, измеряемая в дБ/с.
При достаточной диффузности звукового поля скорость падения
уровня силы звука при данной частоте можно считать постоянной и
одинаковой во всех точках помещения, не зависящей от положения источника
звука и от времени. Однако скорость падения уровня силы звука различна для
звуков разной частоты.
Скорость падения уровня силы звука характеризует гулкость
помещения: она бывает большой в помещениях, отделанных материалами,
обладающими высоким звукопоглощением, и малой – в помещениях,
ограниченных поверхностями, обладающими низкими коэффициентами
звукопоглощения.
Вместо скорости падения уровня силы звука обычно применяют
время реверберации Т, т.е. время, в течение которого уровень звукового
давления падает на 60 дБ. Эта величина падения уровня звукового давления
условна.
Таким образом, процесс формирования звука можно разделить на
три этапа:
- первый этап характеризуется относительно быстрым нарастанием
звуковой энергии вследствие многократных отражений;
- второй этап – это период так называемого динамического
равновесия, который устанавливается между акустической мощностью
(звуковая энергия, излучаемая в течение 1 с) и звуковой энергией,
ежесекундно
теряемой
вследствие
звукопоглощения
внутренними
поверхностями и воздухом помещения;
- третий этап характеризуется постепенным спадом звуковой
энергии; этот процесс затухания звуковой энергии (или уровня звукового
давления), наблюдаемый после прекращения звучания источника, называют
реверберационным, а время затухания - временем реверберации.
Средний уровень звукового давления в залах составляет около 60 дБ.
Поэтому оказалось удобным ввести понятие стандартного времени
реверберации, под которым понимают время, необходимое для того, чтобы
плотность звуковой энергии стандартного тона частотой 500 Гц уменьшилась
в процессе ее свободного затухания до одной миллионной доли начального
значения. Но при изменении плотности звуковой энергии в 1 млн. раз уровень
звукового давления увеличивается на 60 дБ.
Следовательно, время стандартной реверберации можно
определять как время, в течение которого уровень звукового давления
стандартного тона ( частотой 500 Гц) уменьшается на 60 дБ.
Полученное эмпирическим путем уравнение реверберации имеет
вид:
Т = 0,164 (V / ΣαnSn ),
(1)
Т.е. при диффузном звуковом поле время реверберации
пропорционально объему помещения V, м3, и обратно пропорционально его
суммарному звукопоглощению ΣαnSn .
Суммарное звукопоглощение – это сумма произведений
коэффициентов звукопоглощения на соответствующую площадь отделочных
материалов ( или конструкций) в м2, т.е.
ΣαnSn = α1S1 + α2S2 + …. + αnSn .
(2)
Пользование этой формулой дает достаточно точные результаты
только в случаях, когда средний коэффициент звукопоглощения в помещении
αср = ΣαnSn / ΣSn не превышает 0,25 и звукопоглощающие материалы
равномерно распределяются по поверхностям помещения. В общем случае
расчет времени реверберации помещения Т на данной частоте проводится по
формуле Эйринга :
Т = 0,163 (V / Sобщ φ(αср) ).
(3)
Где V – объем помещения, м3,
Sобщ – общая площадь внутренних поверхностей помещения, м3.
φ(αср) = - ln (1 - αср ) – функция среднего коэффициента
звукопоглощения, значения которого приводятся в справочных данных.
Средний коэффициент звукового поглощения зависит от
локальных коэффициентов поглощения материалов и конструкций отделки
интерьера, которые обладают способностью по разному поглощать звуки
разной частоты. Поэтому время реверберации также зависит от частоты
звуковых колебаний.
Доказано, что для каждого помещения в зависимости от его
назначения и объема существует оптимальная средняя скорость затухания
звуковых волн, соответствующая оптимальному для данных уровней времени
реверберации. Поэтому оптимальное время реверберации для помещений
разного назначения в зависимости от их объема устанавливается на основе
многократных сопоставлений численных значений этого критерия с
субъективной оценкой качества звучания в условиях, соответствующих
измеренным значениям критерия.
Концепция оптимального времени реверберации предполагает
возможность разделения общей длительности остаточного звучания на две
качественно неравноценные части, из которых:
- первая – начальная (от момента прекращения звука до некоторого
выбранного момента времени) имеет положительное значение, способствуя
повышению громкости звука ( а следовательно, разборчивости) и обогащению
качества звучания; эта энергия была названа полезной;
- вторая – более поздняя часть (от выбранного момента времени до
конца реверберационного процесса) является бесполезной либо оказывает
отрицательное действие, если ее уровни сравнимы с уровнями прямого звука.
В последнем случае, когда время реверберации превышает оптимальное,
создается ощутимая помеха восприятию звука, создаваемого источником.
При оптимальном времени реверберации достигается наиболее
полное использование начальной части остаточного звучания и не создаются
реверберационные помехи восприятию звучания.
Оптимальное время реверберации зависит не только от назначения и
объема помещения, но и от частоты колебания.
Тема № 3.3 Основы геометрической акустики. Эхо.
Время реверберации является необходимым, но иногда
недостаточным критерием оценки качества звучания. В больших помещениях
качество звучания оценивается не только временем реверберации, но и
структурой ранних отражений, которая в большей степени определяется
формой и пластической отделкой интерьера.
Исследованиями установлено, что структура ранних отражений
оказывает существенное влияние на качество музыки и на разборчивость речи.
Поэтому способы использования ранних отражений в концертных залах и в
аудиториях не могут быть идентичными. Необходимая структура ранних
отражений в залах обеспечивается различного вида звукоотражательными
экранами и пластикой отделки интерьера, которые расположены на пути
распространения звуковых волн. От них отраженная звуковая энергия через
обусловленные интервалы времени после одного или нескольких отражений
доходит до зрителя.
Анализ ранних отражений основан на применении способов
геометрической акустики. Сущность их связана с понятием фронта звуковой
волны и метода звукового луча. Фронт движущейся в пространстве волны
представляет собой непрерывную поверхность, все точки которой в данный
момент времени имеют одинаковую фазу колебания. Направление
распространения волны перпендикулярно фронту волны во всех его точках.
Различают звуковые отражения : а) направленные; б) рассеянные.
Характер отражения зависит от размеров и фактуры отражающей
поверхности. При малой глубине фактуры отделочного слоя и больших
размерах архитектурных членений потолка и стен (по сравнению с длиной
волны) звуковые лучи отражаются направленно, подобно закону отражения
света от зеркальной плоскости. Согласно которому: а) угол падения равен углу
отражения; б) падающий и отраженный звуковые лучи лежат в одной
плоскости, перпендикулярной отражающей поверхности.
Рассеянные отражения возникают в тех случаях, когда:
- размеры архитектурных членений мало отличаются от длин
звуковых волн;
- при чередовании поверхностей, обладающих различной
способностью поглощать звуки разных частот.
Если принять, что источник звука излучает в помещение короткий
импульс, то можно в наглядном виде, пользуясь законом зеркального
отражения звука, проследить за структурным формированием отражений.
Наблюдая при этом время и амплитуду звуковых колебаний, определяющих
интенсивность (силу) звука. Результаты исследований показывают, что
верхние зоны стен (выше границы расположения источника звука) обычно
являются поверхностями, от которых к зрителю звуковая энергия приходит
после многократных отражений. Это энергия, формирующая не начальную, а
завершающую часть процесса реверберации. Эта часть реверберационного
процесса определяет степень гулкости помещения и является важным
критерием оценки качества звучания.
Допустимость применения лучевых отражений зависит от длины
звуковой волны, размеров отражающей поверхности и ее расположения
относительно источника звука и слушателя. При этом должны соблюдаться
следующие требования:
- наименьшая сторона отражателя должна быть в 1,5 раза больше
длины звуковой волны с частотой 300-400 Гц;
- точки отражения поверхности должны быть удалены от краев
отражающего экрана не менее чем на половину волны с частотой 300-400 Гц.
Построение отраженных звуковых лучей от плоских, а также от
вогнутых и выпуклых криволинейных поверхностей приведено на рис. 1.
Рис. 1. Схемы построения отраженных звуковых лучей помещения
а- схема допустимости лучевых отражений; б, в, г – способы построения
отраженных звуковых лучей от плоских и криволинейных поверхностей
При построении отраженных звуковых лучей от вогнутых
поверхностей (сводов, куполов, ниш) отраженные лучи сходятся в точке,
образуя так называемый фокус. Устранение этого грубого акустического
недостатка при проектировании залов обеспечивается выбором надлежащего
радиуса кривизны r , при котором фокус не образуется в зоне расположения
мест зрителей.
Место расположения фокуса (рис. 2), образуемого звуковыми
лучами от вогнутых криволинейных поверхностей, определяется по формуле:
Х =
dr
2d- r
где Х – расстояние фокуса от вогнутой поверхности, м;
d – расстояние источника звука до вогнутой поверхности, м;
r – радиус кривизны поверхности.
Рис. 2. Определение места нахождения фокусов при отражателях с
разными радиусами кривизны
а- при расположении источника звука вблизи отражающей
поверхности; б – при расположении источника звука на расстоянии, меньшем
половины радиуса (левая часть рисунка), и на расстоянии, равном половине
радиуса (правая часть рисунка); в – при расположении источника звука вблизи
центра кривизны
Для устранения фокусов в зоне расположения зрителей в
помещениях со сводчатыми или купольными перекрытиями необходимо
радиус кривизны перекрытий выбирать в пределах от полуторной до двойной
высоты помещения.
Наше ухо может четко различать импульсы прямого и отраженного
звуков только при определенном (критическом) интервале по времени их
прихода к слушателю. В зависимости от интервала времени прихода
отраженных звуков последние могут или усиливать прямой звук и,
следовательно, улучшать слышимость, или создавать эхо и помехи, резко
ухудшающие слышимость.
Важным критерием архитектурной акустики является четкость
реверберирующего сигнала. Численное значение этого критерия зависит от
выбора критического интервала, определяющего длительность полезной части
процесса затухания звука в помещении. Критический интервал зависит от вида
звучания, его можно принимать равным:
- для аудиторий – 50 миллисекунд (1/20 с);
- для концертных залов и оперных театров – 100 миллисекунд.
На величину критического интервала оказывают также влияние сила
отраженного звука, его направление и тембр. Если сила отраженного звука
существенно отличается от силы прямого звука, то величина критического
интервала возрастает.
При превышении критического интервала времени отраженный звук
воспринимается ухом как эхо, в этом случае между ощущением прямого и
отраженного звука образуется пауза.
В закрытых помещениях эхо образуется при отражении звуков от
поверхности потолка и стен, в помещениях больших размеров оно возникает
в случаях, когда применяется отделка с высокими коэффициентами звукового
отражения. Эхо – грубый акустический недостаток зала. При проектировании
для устранения возможности образования эха предусматривают следующие
меры:
- устройство скошенных потолка и стен в части зала, прилегающей к
эстраде или сцене;
- применение подвесных звукоотражающих экранов, расположенных
над эстрадой или вблизи ее.
Образование эха от задней стены устраняется в зрительном зале с
круто поднимающимися партером и амфитеатром.
Особый вид эха – «порхающее эхо» - образуется в помещении с
параллельными боковыми стенами, отделенными плотными материалами
(мрамор и др.). резкий отрывистый сигнал, возникающий в какой-либо точке
помещения, порождает последовательно серию отзвуков, приходящих в эту
точку через определенный интервал времени.
При выборе формы зала и расположения в нем звукоотражающих
поверхностей необходимо внимательно анализировать порядок (структуру)
первых и последующих отражений от поверхностей, встречающихся на пути
распространения звука от источника к зрителям.
Тема № 3.4 Звукопоглощающие материалы и конструкции
Звукопоглощающие материалы и конструкции – важный фактор в
формировании звуковой среды в помещениях: они оказывают большое
влияние на качество звучания в зрительных залах и являются эффективным
средством борьбы с шумом.
Применяемые в практике отделочные материалы и конструкции
обладают различной способностью поглощать звуки разной частоты.
Существуют поглотители с интенсивным звуковым поглощением в широком
диапазоне частот (широкополосные) и, наоборот, с интенсивным
поглощением в узком диапазоне частот (узкополосные). В практике не
существует универсального вида звукопоглощающих материалов и
конструкций, которые обладают одинаковым звукопоглощением во всем
диапазоне частот звуковых колебаний.
По механизму поглощения звуковой энергии звукопоглощающие
материалы и конструкции разделяются на: пористые, интенсивно
поглощающие звуки высоких частот; колебательные панели, обладающие
наибольшим звуковым поглощением в диапазоне низких частот; конструкции
с перфорированным слоем, звукопоглощающие свойства которых
предопределяются расчетом и проектированием.
Основными показателями, характеризующими звукопоглощающий
материал, являются коэффициент звукопоглощения и сопротивление
продуванию потоком воздуха.
Коэффициент звукопоглощения (КЗП) позволяет определить
эффективность звукопоглощающих свойств материала или конструкций;
сопротивление продуванию потоком воздуха позволяет косвенно оценить
структуру материала и его пористость.
Величина КЗП зависит от угла, под которым звуковая энергия падает
на образец. В зависимости от этого различают КЗП для нормального и
наклонного падения звуковых волн на образец под любыми равновероятными
углами.
Коэффициент звукопоглощения пористых материалов зависит от
характера их пористости. Падая на пористые поверхности, звуковая энергия
частично превращается в другие виды энергии и в конечном счете в тепловую.
Степень поглощения звука в пористых материалах зависит от сопротивления
пор прохождению постоянного потока воздуха через материалы. При
увеличении толщины пористые материалы могут поглощать до 90%
падающей на них энергии при высокочастотных звуковых колебаниях.
Поглощение звуковой энергии пористыми материалами обусловлено
внутренним трением при деформации скелета материала, который может быть
жестким и упругим, а также вязким трением при движении воздуха в
капиллярах.
Пористые поглотители звука изготовляются в виде жестких плит
(сплошных или перфорированных), которые «примораживаются» к стене или
потолку или крепятся по каркасу на некотором расстоянии от них ( обычно 50100 мм). В этом случае коэффициент звукопоглощения плит в диапазоне
низких частот значительно увеличивается. К группе пористых жестких
сплошных поглотителей относятся, например, пемзолит, акмигрант и др.
Пемзолит изготовляется из пемзовой и каолиновой крошки, связанной
цементным раствором. Плотность пемзолитовых плит 1000-1200 кг/м3,
толщина 30 мм.
Пористые плиты с упругим скелетом изготовляются из древесного
волокна, гранул минерального волокна, синтетического волокна и др.
К пористым поглотителям относятся:
- маты, изготовляемые из стеклянного и минерального волокна,
обернутые с двух сторон специальной бумагой и прошитые нитками,
плотность матов 50-100 кг/м3
- мягкие плиты из минерального волокна на синтетических вяжущих,
их плотность 200-300 кг/м3
- синтетические пористые материалы, отличающиеся малой
плотностью и высоким звукопоглощением при сквозных капиллярах.
Второй разновидностью звукопоглощающих конструкций являются
резонирующие, колеблющиеся под воздействием звуковых волн, панели.
Конструкции таких панелей состоят из плотного гибкого листа, шарнирно
закрепленного на деревянном или металлическом каркасе с воздушной
прослойкой между листом и стеной (или потолком). Гибкий лист из плотного
материала в этой конструкции действует как масса, а воздушная прослойка за
ней - как пружина.
Максимальное звукопоглощение таких конструкций наблюдается на
резонансной частоте fо, которая смещается в область достаточно низких
частот ( до 300 Гц). В диапазоне частот, превышающих резонансную частоту
fо , звукопоглощение конструкций значительно уменьшается вследствие
повышения сопротивления листа.
Значение резонансной частоты панелей зависит от собственной
жесткости панели, которая в большей степени определяется способом
сопряжения панелей со стеной (или перекрытием), и от массы панели.
Для повышения коэффициента звукопоглощения, воздушную
прослойку заполняют матом из минерального волокна, обернутого в
мешковину, или вводят упругие прокладки по периметру сопряжения листа с
каркасом.
По сравнению с пористыми поглотителями резонирующие панели
имеют такие преимущества, как долговечность, гигиеничность и устойчивость
против механических воздействий.
Звукопоглощающие
конструкции
с
перфорированным
облицовочным слоем обычно состоят из следующих элементов:
- перфорированного листа из плотного облицовочного материала
(стального, алюминиевого, пластмассового и др.)
- защитного (фрикционного) слоя, расположенного с внутренней
стороны перфорированного листа ; его назначение состоит в увеличении
потери звуковой энергии в конструкции;
- пористого поглотителя звука; он располагается в воздушной
прослойке между листом и стеной ( или покрытием)
- каркаса, на котором крепятся изготовленные панели или кассеты.
Перфорированные листы в таких конструкциях должны обладать
определенной степенью перфорации. Изменяя диаметр отверстий, расстояние
между ними, материал поглотителя и толщину воздушной прослойки, можно
проектировать конструкции с заданной частотной характеристикой звукового
поглощения.
Разновидностью резонансных поглотителей являются подвесные
объемные поглотители конусообразной, кубообразной и других форм.
Поглотители этого вида называются дифракционными. Они состоят из
перфорированного кожуха, изготовленного из тонких листов фольги, жести,
латуни и др. С внутренней стороны кожуха располагается легкий поглотитель
звука толщиной 10-25 мм. Благодаря дифракции звуковых волн, обтекающих
кожух, такие поглотители обладают достаточно высоким звукопоглощением.
Поглотители дифракционного типа удобны в тех случаях, когда требуется
поглощать шум в местах его образования.
Тема № 3.5 Основы акустического проектирования концертных
залов.
Концертные и зрительные залы по акустическим критериям
классифицируются на следующие категории:
1) залы с естественным (натуральным) звучанием музыки, пения,
речи; В этих залах слушатель воспринимает звуки, идущие непосредственно
от исполнителей и инструментов. Качество звучания в таких залах
определяется в основном акустическими свойствами зала;
2) залы, в которых музыку, пение и речь зритель слышит только с
помощью звуковоспроизводящей электроакустической аппаратуры;
3) залы, в которых наряду с естественным звучанием
предусматриваются средства для усиления звука.
Качество звучания в залах оценивается следующими показателями:
-естественностью (полнотой) звука, которая ощущается при
сравнении качества звучания музыки в помещении и в открытых амфитеатрах;
-ясностью звучания, под которой понимается отчетливая
последовательность чередования звуков, а также выразительность и
постоянство их тембра;
-равновесием звучания всех групп инструментов, которое должно
ощущаться на всех местах зрительного зала.
Все перечисленные показатели качества звука зависят от
архитектурного решения зала (его размеров, формы), а также отделочных
материалов и конструкций.
Важная роль в формировании качества звучания принадлежит
структуре первых отражений; это значит, что существуют определенные
расстояния между источником звука и отражающими поверхностями,
которые обеспечивают эту структуру.
Опыт эксплуатации концертных залов показывает следующее:
- минимальная высота залов, при которой создается хорошее
звучание, составляет 9м;
- рекомендуемое соотношение длины зала к его высоте от 3:1 до
2,5:1;
- минимальные размеры зала от 27 до 23 м кв.
Исследования показали, что на качество звучания музыки в залах
большое влияние оказывает начальный участок реверберационного процесса.
По данным этих исследований можно сделать вывод, что оптимальное
звучание музыки наблюдается в тех случаях, когда первое интенсивное
отражение приходит к зрителям через 20-30 миллисекунд после прямого звука.
Можно утверждать, что структура первых звуковых отражений
существенно влияет на объемность (стереофоничность) звучания, а
завершающий участок реверберационного процесса определяет время
реверберации зала.
В архитектурном отношении пространство зала делится на два
акустически связанных объема.
Первый объем представляет собой гигантских размеров рупор –
эстраду. В этом объеме формируются пластические средства, обеспечиваются
заданные направления прямых звуковых сигналов и их первые отражения.
Второй объем – зона, занятая местами для зрителей; форма и
архитектурное решение этого объема должны способствовать формированию
равномерного звукового поля и обеспечивать оптимальное время
реверберации.
Акустическое проектирование концертных залов следует начинать
с изучения звуковой и вибрационной составляющих среды, как на участке,
строительства, так и на прилегающей территории. Определяются источники
интенсивных шумов и вибраций – линии метрополитена, автомагистраль и др.
Планировочные и архитектурно – конструктивные меры по
снижению внешнего шума и вибраций имеют решающее значение, от
которого непосредственно зависит качество акустики зрительного зала.
Существенное влияние на качество звучания в зрительном зале
оказывает шум, возникающий при работе санитарно – технического
оборудования (кондиционеров, вентиляционных установок и др.). Передача
этого шума по воздуховодам может резко искажать спектральную
характеристику звучания музыки и пения. Поэтому в процессе
проектирования помещений для санитарно – технического оборудования
концертных залов необходимо их или удалять от зрительного зала, или
применять эффективные средства шумоглушения (глушители, отделку
вентиляционных камер звукопоглощающими материалами и др.).
При акустическом проектировании концертных залов большое
значение имеет расположение в пространстве интерьера звукопоглощающих
материалов и конструкций, общее звуковое поглощение которых выбирается
для обеспечения необходимого времени реверберации.
Звукопоглощающие материалы целесообразно распределять в
верхней зоне боковых стен и на поверхности задней (торцовой) стены зала в
виде панелей, чередующихся со звукоотражающими поверхностями. Это
способствует одновременному рассеиванию падающей на стены звуковой
энергии.
Диффузность звукового поля в зале можно повысить, если
применять крупноразмерные архитектурные членения стен и потолка
(кессонами, ребрами, пилястрами, колоннами, ложами и др.), а также
специальные акустические элементы сферической, конусовидной и др. форм.
Естественность и полнота звучания в зале зависят от частотных
характеристик применяемых отделочных материалов и конструкций,
контролируемых расчетом времени реверберации по крайней мере для трех
частот. Опыт показывает, что материалом, который обеспечивает хорошее
качество звучания, является дерево. Деревянная отделка стен и потолка может
быть в виде обшивки тонкими досками, панелями и решетками.
Размеры конструкций и сопряжения между элементами и несущими
конструкциями выбираются в результате экспериментальных исследований,
проводимых в целях изучения частотных характеристик намеченной отделки.
Залы универсального (многоцелевого) назначения бывают
вместимостью в несколько тысяч человек и требуют искусственного усиления
звука с помощью электроакустических систем. В этих случаях распределение
звуковой энергии в помещении и уровни звукового давления в разных местах
зала зависят не только от акустических характеристик помещения, но и от
системы звукоусиления, мощности, расположения и направленности
усилителей
звука.
При больших размерах зала возрастает среднее время свободного
пробега звука между двумя последовательными отражениями. При этом
первые отражения звука с относительно высокими уровнями звукового
давления могут приходить к слушателям со значительным запаздыванием,
образуя эхо. В таких залах качество восприятия музыки и речи в большей
степени определяется не только временем реверберации, но и структурой
первых отражений, их временем запаздывания и уровнем интенсивности
звука.
В залах универсального назначения среднее значение оптимального
времени реверберации не может служить критерием оценки акустического
качества зала. Оптимум реверберации и частотная характеристика
реверберации в таких залах существенно изменяются при переходе от речи к
музыке различного характера (оперной, симфонической, джазовой и т.д.).
При акустическом проектировании залов универсального
назначения рекомендуется выполнять следующие требования:
- форма и акустическая отделка зала должны допускать возможность
скрытого от зрителей расположения систем звукоусиления в местах,
способствующих созданию в зале диффузного звукового поля;
- для нормальной работы системы звукоусиления необходимо
обеспечить в зале не только диффузное звуковое поле, но и достаточную
заглушенность помещения. Это обеспечивается применением отделки
интерьера с широкополостной частотной характеристикой звукопоглощения,
при которой имеет место плавный спад кривой затухания реверберации.
Эстраду в универсальных залах рекомендуется устраивать в виде
рупорообразной акустической раковины со ступенчатым полом. Профиль и
пластическая отделка раковины должны обеспечивать не только интенсивные
первые отражения звуковых волн к зрителям, но и благоприятные условия
работы оркестрантов (необходимость хорошо слышать друг друга).
Архитектурно-строительное
решение
залов универсального
назначения (размеры, форма и внутренняя отделка) может обеспечить
хорошую акустику для всех жанров выступлений только при возможности
изменять объем, или количество звукового поглощения в зале. Изменение
объема зала может быть обеспечено уменьшением его с помощью подвесного
потолка, а также изоляцией верхнего яруса или другой части зала подъемными
стенками, обладающими необходимой звукоизолирующей способностью.
Изменение количества звукового поглощения реализуется
применением вращающихся панелей, внутренняя и наружная поверхности
которых обладают различной способностью поглощать звуки разной частоты.
К подобным решениям относятся многослойные конструкции с
выдвигающимся щитом, экранизирующим или открывающим слой
поглотителя звука.
Другой способ акустической настройки зала – создание
электроакустических средств оперативного управления акустикой, которое
обеспечивает оптимальные условия слушания при выступлениях разного
жанра. Эта задача решается с применением системы электроакустической
аппаратуры, получившей название амбиофонической. Такая система дает
возможность не только регулировать время реверберации и ее частотные
характеристики, но и корректировать локальные характеристики звука, его
диффузность и четкость.
Амбиофонические установки дифференцируются на две основные
системы:
- систему звукоусиления в зале, в которую входят микрофоны,
устанавливаемые на сцене, микрофон-ревербератор и распределительная
система громкоговорителей;
- систему звуковоспроизведения, в которую входят магнитофоны,
амбиофон-ревербератор и распределительная система громкоговорителей в
зале и на сцене.
Современные
концертные
залы
и
театры
оснащаются
высококачественной звукотехнической аппаратурой. В архитектурном
отношении громкоговорители представляют собой элемент интерьера и
поэтому их надо вписывать в архитектуру зала. Предпочтение при этом
следует отдавать встроенным (скрытым) решениям громкоговорителей. Это
особо важно в тех случаях когда их приходится располагать вблизи зрителей
(на балконах, в амфитеатрах, ложах).
Наряду со зрительным залом громкоговорители рекомендуется
устанавливать на сценах, особенно тогда, когда сценическая площадка имеет
большие размеры. Кроме того целесообразно 1)применять жесткие декорации,
расположенные сзади актера и обладающие высокой отражательной
способностью; 2) придавать сцене уклон в пределах 6-10º; 3) обеспечивать
беспрепятственную видимость сцены выбором соответствующего профиля
пола в партере, амфитеатре и ярусах с учетом соблюдения нормируемого
превышения лучей зрения.
В залах универсального назначения, используемых для
демонстрации кинофильмов, зритель не слышит естественного голоса
исполнителей. Источником звука в
этих случаях служит система
громкоговорителей. Их правильное расположение обеспечивает совпадение
слухового и зрительного образов. Опыт показывает, что относительно лучшее
восприятие обеспечивается при расположении громкоговорителей в верхней
части эстрады.
В залах большой вместимости целесообразно применять
комбинированную систему распределения громкоговорителей в зале. Обычно
в верхней части порталов располагаются мощные громкоговорители для
сосредоточенной системы звукоусиления (централизованная система), угол
поворота и диаграмма направленности которых определяются при настройке
всей системы. Наряду с этим в спинке кресел монтируются маломощные
громкоговорители (рассредоточенная система звукоусиления).
При акустической настройке всей системы подбираются
соотношения уровней громкости направленного и рассеянного звуков так,
чтобы обеспечить преимущественное направление прихода прямого звука со
стороны эстрады (или экрана).
При длине зала, превышающей 25м, обеспечения высокого качества
звучания обычно применяется система задержки звукового сигнала
(амбиофоническая система), обеспечивающая возможность электронным
путем изменять время реверберации в больших пределах.
Число громкоговорителей в залах зависит от назначения помещения
и его размеров. Уровень громкости в какой-либо точке пространства
интерьера зависит от мощности громкоговорителя и его коэффициента
полезного действия.
Качество звучания зависит в основном от габаритов звукового
агрегата. При этом мощные крупногабаритные двухполосные агрегаты
целесообразно располагать в пределах сцены или эстрады. В зрительном зале
предпочтительно применять звуковые колонки и небольшие двухполосные
агрегаты.
Места установки агрегатов, а также приемы их встраивания в
архитектуру интерьера выбираются архитектором при согласовании с
электроакустиком для каждого зрительного зала с учетом конкретных
условий.
Составил:
доц. каф. Строительства и архитектуры Е.В. Гречишкина
Скачать