ŚWIATŁO 1. Pojęcia ogólne Światło rodzaj energii elektromagnetycznej promienistej, powstającej przy zmianie układu cząsteczek materii emitującej energię, wskutek silnego rozgrzania reakcji chemicznych lub innych przyczyn, przenoszonej bez pośrednictwa substancji. Oświetlenie zorganizowane działanie źródeł światła, mające na celu umożliwienie widzenia przedmiotów bez zbytniego natężenia wzroku. Natężenie oświetlenia określa gęstość powierzchniową strumienia świetlnego podającego na pewną powierzchnię i mierzy się stosunkiem wielkości tego strumienia do wielkości oświetleniowej powierzchni. W zależności od nierównomiernego lub równomiernego rozprzestrzeniania się strumienia świetlnego. d E lub E, jednostką natężenia oświetlenia jest luks odpowiadający df F natężeniu oświetlenia panującemu na powierzchni 1m 2, na której rozprzestrzenia się strumień świetlny 1 lumena. Luminacja określa intensywność wrażenia wzrokowego, jest to stosunek światłości danej powierzchni do pozornego pola tej powierzchni, tj. do rzutu jej na płaszczyznę prostopadłą do kierunku wzroku. W zależności czy światłość jest nierównomierna, czy równomierna di L lub df cos L I F cos Schemat do określenia pojęcia luminacji Jednostką luminacji jest nit odpowiadający luminacji powierzchni 1m 2, na której światłość w kierunku prostopadłym do tej powierzchni równa się 1 kandeli. Jeśli pole F powierzchni świecącej równomiernie oświetla część płaszczyzny znajdującej się od niej w odległości r przekraczającej wymiary pola F, to natężenie oświetlenia E w punkcie P oświetleniowej płaszczyzny określa się ze wzoru: 1
E I cos 2 r Schemat oświetlenia punktu na płaszczyźnie Prawo rzutu kąta przestrzennego - natężenie oświetlenia w danym punkcie płaszczyzny oświetlanej przez powierzchnię świecącą równomiernie jest równe iloczynowi luminacji powierzchni świecącej i rzutu na płaszczyznę oświetlaną kąta przestrzennego, obejmującego z danego punktu powierzchnię świecącą. E Lcos 2. Charakterystyka światła dziennego Światło dzienne, część promieniowania słońca, jest najzdrowszym dla oczu rodzajem światła. Towarzyszą mu najbliższe rodzaje promieniowania: promienie ultrafioletowe o większej częstotliwości drgań, mikroorganizmy szkodliwe dla zdrowia ludzkiego promieniowanie podczerwone Człowiek przebywający we wnętrzu budynku oświeconym światłem dziennym ma poczucie łączności ze światem zewnętrznym światło dzienne stwarza: dobry nastrój i dobre samopoczucie. Ujemną cechą światła dziennego jest jego zmienność w zależności od czasu i warunków atmosferycznych, która powoduje konieczność ustalania wielkości otworów oświetleniowych według warunków niekorzystnych, tj. przy gorszym oświetleniu, co jest znowu nieekonomiczne. 2.1. Czynniki wpływające na oświetlenie dzienne budynku Oświetlenie dzienne w budynku zależy od: pora roku i dnia oraz naturalny, wynikający z warunków przyrodniczych, stan atmosfery (zachmurzenie, mgła) 2
orientację budynku, rodzaj, położenie i wielkość otworów oświetleniowych w stosunku do kształtu i wymiarów pomieszczenia, ich przepuszczalność światła (w tym również przeszkody na drodze tego światła), otoczenie budynku oraz, ze względu na światło odbite, fakturę i barwę powierzchni wnętrza, głównie sufitu, ścian i podłogi. Światło słoneczne dociera do ziemi częściowo jako światło bezpośrednie, kierunkowe oraz jako światło rozproszone przez atmosferę, tzw. światło nieboskłonu. Natężenie oświetlenia dziennego we wnętrzu budynku zależne jest od natężenia na otwartej przestrzeni oraz od wielkości i położenia otworów oświetleniowych. Natężenie we wnętrzu jest proporcjonalne do wielkości wycinka nieboskłonu, który to wnętrze oświetla, czyli do wielkości kąta przestrzennego obejmującego ten wycinek. Im dalej znajduje się punkt oświetlany od otworu oświetleniowego, tym mniejszy jest ten kąt i mniejsze natężenie oświetlenia. Przy oświetleniu bocznym okno umieszczone nisko daje duże natężenie oświetlenia w jego pobliżu. Natężenie to w miarę oddalania się od okna gwałtownie maleje; im okno umieszczone jest wyżej, tym natężenie przy oknie jest mniejsze, natomiast wzrasta nieco w głębszej części pomieszczenia. Przy oświetleniu górnym świetlikami największą intensywnością oświetlenia, ale i największą nierównomiernością, odznacza się świetlik otwarty poziomy. Im wyżej umieszczony jest świetlik nad płaszczyzną oświetlaną, tym średnie natężenie oświetlenia maleje, lecz zwiększa się równocześnie równomierność oświetlenia. Wielkość otworów oświetleniowych powinna zapewniać właściwe oświetlenie wnętrza przy jednoczesnym uwzględnieniu wymagań izolacji cieplnej budynku. Przy projektowaniu oświetlenia należy uwzględniać przynajmniej dwa czynniki: wielkość otworów głębokość pomieszczenia 3. Określenie współczynnika oświetlenia dziennego Podstawowe pojęcia Szczegół przedmiotu - najmniejszy element oglądanego przedmiotu, którego kształt wymaga rozróżnienia Płaszczyzna pracy - płaszczyzna pozioma, pionowa lub pochyła, na której znajdują się najważniejsze szczegóły przedmiotów pracy wzrokowej i na której określa się i mierzy wskaźniki oświetlenia. 3
Umowna płaszczyzna pracy - płaszczyzna pozioma, do której odnosi się wartość współczynnika oświetlenia dziennego i równomierności oświetlenia jeżeli płaszczyzna pracy nie jest wyraźnie określona. W zależności od sposobu wykonywania czynności w projektowanym pomieszczeniu za umowną płaszczyznę pracy należy przyjmować: płaszczyznę poziomą na wysokości 0,85 m nad podłogą - gdy prace są wykonywane na stołach, obrabiarkach itp. urządzeniach, płaszczyznę na poziomie podłogi - gdy nie przewiduje się stanowisk dla wykonywania stałych czynności (np. w magazynach) oraz w salach wypoczynkowych, korytarzach, przedsionkach, na klatkach schodowych. Strefa robocza - część pomieszczenia przeznaczona do wykonywania czynności, dla której określa się wartość wielkości charakteryzującej oświetlenie. Światło dzienne przyjmowane do obliczeń - światło dzienne rozproszone, promieniowane przez nieboskłon o założonym lub znanym rozkładzie luminancji. Światło dzienne bezpośrednie w danym punkcie pomieszczenia - światło dzienne padające bezpośrednio z wycinka nieboskłonu widocznego z danego punktu przez otwór świetlny. Światło dzienne odbite w danym punkcie pomieszczenia - światło padające na dany punkt po odbiciu jednokrotnym lub wielokrotnym od powierzchni wewnątrz lub z zewnątrz pomieszczenia. Oświetlenie górne światłem dziennym - oświetlenie wnętrza przez świetliki umieszczone w przekryciu pomieszczenia. Oświetlenie boczne światłem dziennym - oświetlenie wnętrza przez oszklone otwory świetlne (np. okna) umieszczone w ścianach zewnętrznych pomieszczenia. Oświetlenie dzienne mieszane - oświetlenie wnętrza przez świetliki i okna łącznie. Współczynnik oświetlenia dziennego, w % - miara względnego natężenia oświetlenia dziennego w danym punkcie danej płaszczyzny, wyrażona stosunkiem natężenia oświetlenia w tym punkcie wnętrza do równocześnie występującego natężenia oświetlenia w otwartej przestrzeni na płaszczyźnie poziomej, pochodzącego od całkowitego, nie zasłoniętego nieboskłonu o założonym lub znanym rozkładzie luminancji. Składowa nieboskłonu (e n ) - składowa część współczynnika oświetlenia dziennego pochodząca od światła padającego bezpośrednio z nieboskłonu po przejściu przez oszklony otwór świetlny. 4
Składowa odbić wewnętrznych (c w ) - składowa część współczynnika oświetlenia dziennego pochodząca od światła odbitego od wewnętrznych powierzchni pomieszczenia. Składowa odbić zewnętrznych (e z ) - składowa część współczynnika oświetlenia dziennego pochodząca od światła odbitego od powierzchni zewnętrznych (np. przeciwległych budynków) i przechodzącego przez oszklony otwór świetlny. Współczynnik nieboskłonu (e n,o ), w %, w danym punkcie wnętrza - stosunek natężenia oświetlenia, pochodzącego od światła dziennego bezpośredniego przy nieboskłonie o stałej luminancji, bez uwzględnienia strat związanych z oszkleniem otworów świetlnych lub konstrukcją budynku, w danym punkcie wnętrza na płaszczyźnie poziomej do równoczesnego natężenia oświetlenia na zewnątrz budynku na płaszczyźnie poziomej, przy takiej samej luminancji nieboskłonu. Współczynnik nieboskłonu jest liczbowo równy składowej nieboskłonu o stałej luminancji przy przejściu światła przez niezabudowany otwór świetlny. Równomierność oświetlenia dziennego - stosunek wartości najmniejszej współczynnika oświetlenia dziennego do wartości największej współczynnika oświetlenia dziennego, występujących w strefie roboczej pomieszczenia. Najmniejsze dopuszczalne obliczeniowe natężenie oświetlenia w pomieszczeniu - obliczeniowe natężenie oświetlenia występujące w pomieszczeniu przy danym współczynniku oświetlenia dziennego, gdy natężenie oświetlenia na zewnątrz budynku na płaszczyźnie poziomej pochodzące od całej półkuli niebieskiej jest równe 5000 lx. 3.1 Punkty i linie pomiarowe Oświetlenie pomieszczeń światłem dziennym należy określać wartościami współczynnika oświetlenia dziennego w szeregu charakterystycznych punktów (co najmniej 5) położonych zazwyczaj na przecięciu dwóch płaszczyzn: pionowej płaszczyzny charakterystycznego przekroju pionowego pomieszczenia (np.: pośrodku pomieszczenia, w osi otworów świetlnych lub między mmi) i umownej, poziomej płaszczyzny pracy. W przypadkach uzasadnionych dopuszcza się dodatkowe wyznaczanie współczynnika oświetlenia dziennego na przecięciu umownej płaszczyzny pracy z innymi płaszczyznami pionowymi równoległymi do płaszczyzny charakterystycznego przekroju. W pomieszczeniach z wyraźnie określonymi płaszczyznami pracy (np.: w salach pokazów, w maszynowniach i in.) wartości współczynnika oświetlenia dziennego należy wyznaczać dodatkowo na tych płaszczyznach. 5
Najmniejszy i średni współczynnik oświetlenia dziennego. W pomieszczeniach z oświetleniem dziennym bocznym wartość najmniejszą współczynnika oświetlenia dziennego (emin) należy ustalać w strefie roboczej charakterystycznego przekroju pomieszczenia, pomijając pas przyokienny o szerokości 0,7 m licząc od wewnętrznej powierzchni ścian zewnętrznych budynku. W pomieszczeniach o oświetleniu dziennym górnym lub mieszanym wartość średnią współczynnika oświetlenia dziennego (eśr) należy ustalać w strefie roboczej charakterystycznego przekroju pomieszczenia. Wartości współczynnika należy ustalić wg wzoru: e lub e min e1 e 2 2 ek e3... 2 k 1 w którym: e 1, e 2, e 3. e k - wartości współczynnika oświetlenia dziennego w poszczególnych punktach leżących na prostych równoległych, z których skrajne należy przyjmować na liniach granicznych strefy roboczej pomieszczenia, k - liczba punktów. 3.2. Składowe współczynnika oświetlenia dziennego Współczynnik oświetlenia dziennego, który obrazuje natężenie względne oświetlenia wnętrza (w stosunku do natężenia zewnętrznego), jest sumą trzech składowych: składowej nieboskłonu e n, pochodzącej od światła padającego bezpośrednio z nieboskłonu po przejściu przez oszklony otwór oświetleniowy, składowej odbić wewnętrznych e w pochodzącej od światła odbitego wielokrotnie od wewnętrznych powierzchni w pomieszczeniu, składowej odbić zewnętrznych e z, pochodzącej od światła odbitego od powierzchni zewnętrznych (np. od przeciwległych budynków) i przechodzącego przez oszklony otwór świetlny. e e n e Podstawą metod obliczania współczynnika oświetlenia dziennego jest określenie tzw. współczynnika nieboskłonu e n, wartości teoretycznej, którą można obliczyć lub określić graficznie z geometrycznych parametrów pomieszczenia. Odpowiadałby ona wartości składowej nieboskłonu przy świetle padającym przez pusty nieoszklony otwór oświetleniowy, tzn. bez uwzględniania strat światła powstałych przez zabudowę otworu oświetleniowego i bez światła odbitego. Czynniki te uwzględnia w e z 6
się w dalszym toku obliczania, stosując do wartości e n,o odpowiednie współczynniki obliczeniowe. w którym: e n e n, o x xq e n,o - współczynnik nieboskłonu obliczany jedną z powszechnie stosowanych metod np. Daniluka, Wienera itp., 3 q (1 2sin) - współczynnik uwzględniający nierównomierny rozkład luminancji 7 wzdłuż południka, związany z wysokością kątową (φ) środka pionowego przekroju otworu świetlnego obserwowanego z punktu pomiarowego o 1x 2 x 3x 4 o - ogólny współczynnik przepuszczania światła przez oszklony otwór świetlny z uwzględnieniem zaciemnienia konstrukcjami nośnymi (kratownice, belki, łuki), stanowiący iloczyn współczynników przepuszczania τ 1 - współczynnik przepuszczania światła przez oszklenie bez zanieczyszczeń τ 2 - współczynnik przepuszczania światła przez oprawy bez oszklenia, τ 3 - współczynnik przepuszczania światła przez warstwę brudu na szkle, τ 4 współczynnik przepuszczania światła uwzględniający zaciemnienie konstrukcjami nośnymi (przy oświetleniu górnym). Składowa odbić wewnętrznych i zewnętrznych Światło odbite zwiększa ogólne natężenie oświetlenia i umożliwia oświetlenie tych części pomieszczeń, do których nie dociera bezpośrednie światło nieboskłonu. Należy starać się możliwie zwiększyć odbicie światła przez stosowanie odpowiedniej faktury i barwy, przede wszystkim ścian i sufitów, a nawet podłóg i sprzętów. Dokładne określenie wpływu światła odbitego od wewnętrznych powierzchni pomieszczenia jest bardzo trudne z powodu wielokrotności tego odbicia, toteż przy projektowaniu stosuje się sposoby przybliżone, ustalane najczęściej empirycznie. Ogólnie można przyjąć, że składowa współczynnika oświetlenia dziennego od światła odbitego od powierzchni wewnętrznych wynosi: przy oświetleniu bocznym e w ( en, l ) min xk b przy oświetleniu górnym przy oświetleniu mieszanym e ) śrxk w ( en, g g 7
e ) śrxk, w (( en, l )min xkb *( en, g g w którym ( en,l )min - najmniejsza wartość składowej nieboskłonu pochodzącej od światła bocznego, w przekroju charakterystycznym (, śr - -średnia wartość składowej nieboskłonu e n g ) K b i K g - współczynniki (tabl. 4 i 5 PN-71/B-02380) uwzględniające wpływ odbić wewnętrznych, zależne od średniego ważonego współczynnika gśr odbicia ścian, sufitu i podłogi. Oblicza się według wzoru (7) PN-71/B-02380. Składowa odbić zewnętrznych w dowolnym punkcie pomieszczenia jest wyznaczana ze wzoru: e z 0,1 e n, b x o e n, b - wartość współczynnika nieboskłonu, jaką zapewniałoby w danym punkcie promieniowanie wycinka nieboskłonu zasłoniętego budynkami przeciwległymi, o - współczynnik przepuszczania światła, przyjmuje się według tabl.2 PN-71/B-02380. Oświetlenie dzienne mieszane. Przy oświetleniu dziennym mieszanym obliczeniową wartość współczynnika oświetlenia dziennego należy obliczać dodając wartości współczynników obliczonych dla oświetlenia bocznego i górnego. 4. Podsumowanie Zasadnicze wymagania normy, tj. przestrzeganie wymaganych wartości e min dla oświetlenia bocznego oraz wartości e śr i określonej równomierności dla oświetlenia górnego lub mieszanego, powinny być spełnione zawsze. Warunki te nie zawsze jednak są wystarczające i w zależności od przeznaczenia pomieszczenia powinny być nieraz uzupełniane rozpoznaniem bardziej szczegółowym. (opracownie D.Przybył na podstawie Fizyki Budowli) O wrażeniu kolorystycznym oglądanego otoczenia decyduje między innymi rodzaj bieli, które wysyła źródło światła. Jest to tak zwana temperatura barwowa. Światło dzienne, w zależności od położenia słońca, stopnia zachmurzenia posiada barwę od niebieskiej do pomarańczowej. Źródła światła, oprawy oświetleniowe charakteryzują się pewnymi wartościami, na podstawie których dokonuje się pomiarów światła. Wartości te określają także efekty związane z oświetlaniem, które związane są z zastosowaniem określonych opraw czy źródeł światła. 8
Podstawowe wielkości oświetleniowe strumień świetlny wyrażany w lumenach [lm] - określa całkowitą moc światła emitowanego z danego źródła; światłość I wyrażana jest w kandelach [cd] - ilość światła wysyłana w konkretnym kierunku; natężenie oświetlenia E wyrażane w luksach [lx] - ilość światła, które wysłane z oprawy dociera do powierzchni pracy; luminacja L wyrażana jest w [cd/m2] - ilość światła wysyłana z określonej powierzchni. temperatura barwowa O wrażeniu kolorystycznym oglądanego otoczenia decyduje między innymi rodzaj bieli, jaki wysyłany jest ze źródła światła. Parametr ten nazywany jest temperaturą barwową. Światło, które dociera do nas w zależności od położenia słońca, stopnia zachmurzenia posiada różną barwę - od niebieskiego przy pełnym zachmurzeniu do pomarańczowego przy zachodzie słońca. Temperaturę barową określa się w stopniach Kelwina (K). Przy zachmurzonym niebie temperatura barwowa światła wynosi od 3800 K o wschodzie i zachodzie słońca do 25000 K w południe. temperatura barwowa [K] 2500 rodzaj światła światło bardzo ciepłe, podobne do żarówkowego 3000 światło podobne do halogenowego 4000 światło białe, stymulujące 5000 światło białe, chłodne 6500 światło dzienne Minimalne natężenie oświetlenia w zależności od rodzaju czynności lub pomieszczenia Najmniejsze dopuszczalne średnie natężenie oświetlenia (lx) Rodzaj czynności lub pomieszczenia 10 Ogólna orientacja w pomieszczeniach 20 50 100 200 300 Orientacja w pomieszczeniach z rozpoznaniem cech średniej wielkości - piwnice, strychy Krótkotrwałe przebywanie połączone z wykonywaniem prostych czynności - korytarze schody Praca nieciągła i czynności dorywcze przy bardzo ograniczonych wymaganiach wzrokowych - hole wejściowe, pomieszczenia sanitarne Praca przy ograniczonych wymaganiach wzrokowych - jadalnie, bufety, sale gimnastyczne, portiernie Praca przy przeciętnych wymaganiach wzrokowych - średnio dokładne prace manualne, łatwe prace biurowe 500 Praca przy dużych wymaganiach wzrokowych 750 Długotrwała i wytężona praca wzrokowa 1 000 Długotrwała i wyjątkowo wytężona praca wzrokowa Widmo fal elektromagnetycznych 9
Wszystkie fale można uszeregować wg częstotliwości. Taką klasyfikację fal nazywamy widmem fal elektromagnetycznych. Widmo fal elektromagnetycznych nie ma granicy ani górnej ani dolnej. Fale elektromagnetyczne poruszają się z prędkością światła i zależnie od długości fali przejawiają się jako (od fal najdłuższych do najkrótszych): fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie X, promieniowanie gamma. 10