employee
Voronezh, Russian Federation
employee
Voronezh, Russian Federation
student
Voronezh, Russian Federation
GRNTI 67.21 Инженерные изыскания в строительстве
Natural lighting systems make a significant contribution to the energy balance of the building. Changing its geometric and optical characteristics affects the illumination in the room and determines the operating costs associated with maintenance, heat and heat losses through translucent fences. The problem of comparison several systems of natural lighting of buildings is considered. For comparison, a complex criterion is proposed that takes into account optical, thermal, operational properties, as well as capital costs. The proposed criterion allows to remove irrelevant indicators for a particular building or add new ones according to customer requirements. The calculated dependences to determine the numerical values of the individual coefficients included in the complex criterion are given. The calculated dependences to determine the numerical values of the individual coefficients included in the complex criterion are presented. The algorithm and the method of application the proposed complex criterion for comparison of natural light systems are developed.
natural lighting system, energy balance of the building, natural light factor
Введение. Естественное освещение имеет важное гигиеническое значение для жизни и деятельности человека. Результаты исследований показывают, что правильно организованное освещение влияет не только на производительность труда, но и определяет психологический комфорт человека в помещении [1, 2].
Существует много систем естественного освещения (СЕО), различающихся конструктивными, функциональными и энергетическими параметрами. Помимо традиционных окон в зданиях могут применяться системы верхнего освещения в виде световых фонарей, которые позволяют увеличить равномерность естественного освещения и уменьшить потребление энергии [3]. Хорошими теплозащитными и оптическими свойствами обладает группа отражающих устройств в виде световых полок [4], но они требуют точного соответствия расположения отражающих элементов и планировочной структуры помещения.
Отдельно следует выделить относительно новую группу систем естественного освещения в виде полых трубчатых световодов, позволяющих передавать свет на расстояние нескольких этажей [5, 6].
У каждой из перечисленных систем естественного освещения есть свои достоинства и недостатки, а также ограничения по возможности применения в зданиях различного назначения [7]. Большое различие в оптических, эксплуатационных и теплозащитных свойствах существующих систем естественного освещения обусловливает актуальность задачи выбора их оптимальной конструкции применительно к конкретному зданию [8–11].
Много исследований посвящено оценке экономической эффективности применения дневного света, но при этом чаще всего учитываются энергетические характеристики, связанные с применением систем охлаждения или искусственного освещения здания [12–18].
Некоторые авторы сравнивают различные системы естественного освещения между собой [19–21], но полученные ими результаты представляют частные случаи решения задачи выбора оптимальной конструкции СЕО.
В результате проведенного обзора научных публикаций выявлено, что отсутствует методика сравнения различных СЕО, учитывающая их разнообразные характеристики (оптические, теплозащитные, эксплуатационные).
Описание предлагаемого критерия. Авторами предлагается комплексный критерий η для сравнения различных систем освещения, представленный произведением:
, (1)
где η1 – показатель оптических характеристик; η2 – показатель теплозащитных характеристик; η3 – показатель эксплуатационных характеристик; η4 – показатель капитальных затрат.
Структура комплексного критерия представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структура комплексного критерия для сравнения систем естественного освещения
Одной из основных характеристик является способность СЕО передавать дневной свет в помещение. Эта способность зависит от материала, расположения и конструктивных особенностей СЕО.
Показатель светопередающих характеристик η1, предлагается определять по формуле:
, (2)
где η1.1 – показатель светопропускной способности прозрачного материала; η1.2 – показатель передачи света на расстояние.
Показатель светопропускной способности прозрачного материала η1.1 зависит от типа стекол, их толщины, количества, характера поверхности (шероховатость, рубчатость, загрязненность). Значения показателя η1.1 можно определить по справочной или нормативной литературе, где он носит название коэффициент светопропускания.
Показатель передачи света на расстояние η1.2 предлагается оценивать по формуле:
, (3)
где Еint – естественная освещённость внутри помещения на выходе из светопередающего устройства, лк; Еext – естественная освещённость снаружи перед центром светопередающего ограждения, лк.
Показатель передачи света на расстояние является аналогом коэффициента естественной освещенности, отличаясь от него местами расположения точек, в которых определяется освещенность. Так как конструкции СЕО достаточно разнообразны, то предлагается определить стационарные места расположения точек замера в соответствии со схемами, приведенными на рис. 2. Численные значения освещенности Еint и Еext могут быть определены путём моделирования или экспериментальной оценки систем естественного освещения [8].
Показатель теплозащитных характеристик η2 предлагается рассчитывать по формуле:
, (4)
где η2.1 – показатель теплопоступлений через СЕО в летний период; η2.2 – показатель теплопотерь через СЕО в зимний период.
|
а) |
б) |
 
|
|||||
|
|
|
|
|||||
|
г) |
д) |
||||||
|
|
|
||||||
Рис. 2. Схемы расположения точек замера Ent и Eext: а – для окна; б – для зенитного фонаря;
в – для шедового фонаря; г – для фонаря-надстройки
(Eext вычисляется как среднее арифметическое E1ext и E2ext ); д – для полого трубчатого световода
Учитывая разнообразие существующих СЕО, обладающих различными характеристиками и размерами, для определения коэффициентов η2.1 и η2.2 предлагается использовать алгоритм, приведенный на рис. 3. Для каждой из сравниваемых СЕО рассчитываются теплопоступления в теплый период года qТПГi, Вт/м2, и теплопотери в холодный период года qХПГi, Вт/м2. На данном этапе расчетов предполагается использование существующих методик расчета, учитывающих конструктивные особенности светопрозрачных ограждений и климатологические характеристики местности, для которой проводится расчет [20–23].
Из вычисленных значений qТПГ,i (рис. 3, а) и qХПГ,i (рис. 3, б) выбираются минимальные значения, используемые для получения безразмерных коэффициентов η2.1 и η2.2.
Коэффициент η2.1, учитывающий количество теплопоступлений от солнечной радиации, находится по формуле:
, (5)
где qТПГi, – удельное значение теплоты, поступающей через рассматриваемую СЕО от солнечной радиации, Вт/м2; – минимальное из сравниваемых вариантов удельное значение теплоты, поступающей через СЕО от солнечной радиации, Вт/м2.
|
а) |
б) |
|
|
|
Рис. 3. Алгоритм определения коэффициента, учитывающего теплопоступления через СЕО η2.1 (а)
и коэффициента, учитывающего теплопотери через СЕО η2.2 (б)
Соответственно, коэффициент η2.2, учитывающий потери теплоты через ограждающие конструкции, найдем по формуле:
(6)
где qХПГi, – удельное значение потерь теплоты через ограждающие конструкции рассматриваемой СЕО, Вт/м2; – минимальное из сравниваемых вариантов удельное значение потерь теплоты через ограждающие конструкции, Вт/м2.
Основной функцией сравниваемых СЕО является их способность создать достаточный уровень освещенности. В рассматриваемой комплексном критерии эту функцию предлагается учитывать с помощью показателя эксплуатационных характеристик η3, определяемого по формуле:
, (7)
где η3.1 – показатель, учитывающий снижение коэффициента естественной освещенности (КЕО) в процессе эксплуатации; η3.2 – показатель равномерности освещения.
Показатель η3.1, учитывающий снижение КЕО в процессе эксплуатации, найдем из зависимости:
, (8)
где 
– коэффициент запаса, учитывающий снижение освещенности в из-за загрязнения и старения светопрозрачных заполнений в световых проемах, а также снижение отражающих свойств поверхностей помещения; принимается по СП 52.13330.2011 «Естественное и искусственное освещение».
Показатель равномерности освещения η3.2 предлагается вычислять по формуле:
, (9)
где Еmin – наименьшая освещенность на рабочей плоскости помещения, лк; Еmax – наибольшая освещенность на рабочей плоскости помещения, лк.
Важным фактором при выборе СЕО являются затраты на их устройство Для определения показателя капитальных затрат η4 предлагается использовать алгоритм, аналогичный приведенному на рис. 3.
Вначале для сравниваемых систем естественного освещения рассчитываются удельные затраты на единицу коэффициента естественной освещенности Kуд, руб./ед. по формуле:
, (10)
где Ki – капитальные затраты на устройство системы естественного освещения, руб.; eрi – расчетное значение коэффициента естественной освещенности/
Из вычисленных значений Kуд выбирается минимальное значение , с использованием которого вычисляется показатель капитальных затрат
по формуле:
, (11)
где Куд,i – удельные затраты на устройство рассматриваемой СЕО, руб./ед.; – минимальные из сравниваемых удельные затраты на повышение естественной освещенности помещения, руб./ед.
Следует отметить, что все показатели, входящие в состав комплексного критерия (формула (1)) являются безразмерными, их значение не превышает единицу. Такая структура критерия позволяет убирать несущественные для конкретного здания показатели или добавлять новые, в соответствии с требованиями заказчика.
Алгоритм применения комплексного критерия сравнения. Предлагаемый комплексный критерий может быть использован при выборе систем естественного освещения как при новом проектировании, так и при реконструкции с целью увеличения освещенности помещения. Практическое применение комплексного критерия может быть реализовано на основе алгоритма, приведенного на рис. 4.
Рис. 4. Алгоритм выбора системы естественного освещения на основе комплексного критерия
На начальном этапе должны быть сформированы исходные данные, необходимые для разработки конструктивных решений систем естественного освещения: геометрические размеры и назначение помещения, географические координаты района строительства.
При формировании сравниваемых вариантов важным условием является возможность интегрирования СЕО в объемно-планировочную структуру здания, а также должны учитываться конструктивные особенности наружных ограждений. В результате формирования возможных вариантов СЕО должны быть определены их геометрические и конструктивные характеристики и подобраны материалы.
Далее производится расчет коэффициента естественной освещенности для сравниваемых вариантов соответствии с утвержденными методиками свода правил СП 52.13330.2011 или другими авторскими методиками [5, 21]. Для дальнейшего сравнения выбираются такие конструкции систем естественного освещения, которые обеспечивают естественную освещенность не менее нормируемого значения. В случае, если таких вариантов не оказалось, то нужно скорректировать размеры разработанных СЕО или рассмотреть другие варианты.
Далее проводятся вычисления комплексного показателя по формулам (1)–(11) и на основе сравнения полученных значений выбирается конструкция системы естественного освещения.
Выводы. Предложенный комплексный критерий позволяет учитывать при сравнении разные характеристики систем естественного освещения. Безразмерная форма критерия позволяет добавлять или убирать некоторые из показателей. Например, вместо показателя, учитывающего капитальные затраты, можно ввести показатель, учитывающий приведенные затраты. Это целесообразно в случае, когда предполагается значительная разница в затратах на эксплуатационное обслуживание сравниваемых вариантов систем естественного освещения.
Достоинством предлагаемого комплексного критерия является возможность использования при вычислении входящих в него показателей различных методик расчетов, учитывающих конструктивные особенности светопередающих устройств. Возможно также использование результатов расчетов отдельных характеристик, полученных другими авторами, что позволит сократить трудоёмкость вычисления критерия сравнения.
1. Kowalkowska N.O. Energy and sanitary-hygienic significance of natural lighting of working area. Technosphere safety: proceedings of the second inter-University scientific and technical conference with international participation (Omsk, April 28, 2015), Omsk: publishing house of the OSTU, 2015. pp. 90-92.2. Gou Z., Lau S., Qian F. Comparison of mood and task performance in naturally-lit and artificially-lit environments // Indoor and built environment. 2015. Vol. 24. Issue 1. Rr. 27-36.
2. Gou Z., Lau S., Qian F. Comparison of mood and task performance in naturally-lit and artificially-lit environments // Indoor and built environment. 2015. Vol. 24. Issue 1. Rr. 27-36.
3. Djenadic D. M., Manic M. T., Riznic D.T. The impact of clerestory lights on energy efficiency of buildings // Thermal science. 2015. Vol. 19. Issue 3. Pp. 893-904.
4. Kontadakis A., Tsangrassoulis A., Doulos L. An active sunlight redirection system for daylight enhancement beyond the perimeter zone // Uilding and environment. 2017. Vol. 113. Pp. 267-279.
5. Stetsky S.V. Light tubes as a factor of light environment quality increase in high-rise buildings. Scientific review, 2016, no. 15, pp. 59-64.
6. Ovcharov A.T., Selyanin Yu.N. Solatube technology: perspectives in architecture and con-struction in Russia. Lighting engineering, 2016, no. 1, pp. 36-41.
7. Malysheva A.N., Kononova M.S., Vorob’eva Y.A. Analysis of applicability of various natural lighting systems for civil design buildings. Housing and utilities infrastructure, 2018, no. 2(5), pp. 9-17.
8. Spacek A.D., Neto J.M., Bilessimo L.D. Proposal for an Experimental Methodology for Evaluation of Natural Lighting Systems Applied in Buildings // Energies. 2017. Vol. 10. Issue 7. Article number 1014.
9. Zambrano P., Prado L. Simulation of Natural lighting in offices: comparison of light levels according to season, orientation, color and time: Implications for visual efficiency // Estoa-revista de la facultad de arquitectura y urbanismo de la universidad de cuenca. 2016. Vol. 5. Issue 8. Rr. 37-50.
10. Ers P.F. Kazanasmaz T. Calculated comparison of modern systems of natural lighting in order to improve the level and uniformity of illumination. Lighting engineering, 2015, no.1, pp. 28-35.
11. Lewis A. The mathematisation of daylighting: a history of British architects' use of the daylight factor // Journal of architecture. 2017. Vol. 22. Issue7. Pp. 1155-1177.
12. Krarti M., Erickson P.M., Hillman T.C. A simplified method to estimate energy savings of artificial lighting use from daylighting // Building and environment. 2005. Vol. 40. Issue 6. Pp. 747-754.
13. Lam J.C., Li D. An analysis of daylighting and solar heat for cooling-dominated office buildings // Solar energy. 1999. Vol. 65. Issue 4. Pp. 251-262.
14. Shishegar N., Boubekri M. Quantifying electrical energy savings in offices through in-stalling daylight responsive control systems in hot climates // Energy and buildings. 2017. Vol.153. Pp. 87-98.
15. Korzhneva T.G., Ushakov V.Y., Ovcharov A.T. Aylight resourses accounting of energy cost optimization. Bulletin of Tomsk state University of architecture and construction, 2013, no. 3, pp. 156-164.
16. Nemri A., Krarti M. Analysis of electrical energy savings from daylighting through skylights // International Solar Energy Conference: collection of reports(Orlando 2017, Aug 08-09). 2006. Rr. 51-57.
17. Al-Ashwal N.T., Hassan A.S. The Integration of Daylighting with Artificial Lighting to Enhance Building Energy Performance // Proceedings of the international conference of global network for innovative technology and awam international conference in civil engineering (IGNITE-AICCE'17): Sustainable technology and practice for infrastructure and community resilience : AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1892. Article number UNSP 160010-1.
18. Demina A.V., Redina E.V. Sravnitel'nyy analiz estestvennogo i iskusstvennogo osvescheniya v zhilom sektore // Ekologiya, okruzhayuschaya sreda i zdorov'e cheloveka: XXI vek: sbornik statey po materialam II mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. (Krasnoyarsk, 12-15 noyabrya 2016 g.), Krasnoyarsk: Izd-vo KGAU, 2016. S. 261-265.
19. 19. Soloviev A.K., Tusnina O.A. Comparative thermotechnical calculation of systems of upper natural illumination (zenith lanterns and hollow tubular light guides). Magazine of Civil Engineering, 2014, no. 2(46), pp. 24-35.
20. Korzhneva T.G., Ushakov V.Ya., Ovcharov A.T. Analiz teplopoter' pomescheniy cherez sistemy estestvennogo osvescheniya // Izvestiya Tomskogo politehnicheskogo universiteta. 2013. T. 322. № 4. S. 56-60.
21. Palagin A.V., Sterkhov A.I., Korepanov E.V. Comparison of the systems of natural lighting of buildings by functional-energy factors. Intellectual systems in production, 2014, no. 2 (24), pp. 191-194.
22. 22. Kononova M.S., Sorochenkova E.Yu., Smirnova N.N. Estimation of potential energy savings for heating of buildings due to heat input from solar radiation. Science Magazine. Engineering systems and facilities, 2016, no. 1(22), pp. 35-41.
23. Park J.J., Kim Y., Chung K. Infiltration and Heating Load Analysis of an Apartment with Respect to Window Type, Window Location, and Lock Operation // Ashrae transactions. 2017. Vol. 123. Rr. 201-214.
