Свет в архитектуре

m = , (27)

где - средняя освещенность в Москве, клк/ч;

Еср- средняя освещенность в данном районе, клк/ч

и по этому коэффициенту производится светоклиматическое районирование территории государства.

Вся территория бывшего СССР согласно расчетам по данной методике была разделена на пять светоклиматических поясов (рис. 18). Для I пояса m = 1,2, для II - m = 1,1, для III - m = 1, для IV- m = 0,9 и для V- m = 0,8 [11].

Светоклиматическое районирование территории Украины

Однако это районирование имеет два недостатка. Во-первых, оно было осуществлено в шестидесятых годах, когда использовались устаревшие по отношению к настоящему времени данные и устаревшие технологии обработки данных. Во-вторых, территория государства огромная и невозможно было с достаточной степенью точности провести анализ и обработку данных по каждой союзной республике. Учитывая эти соображения, была высказана идея о повторном проведении светоклиматического районирования, но уже только для территории Украины и с использованием современных данных.

На основе предварительных исследований [9] было предположено, что Украина может иметь не два светоклиматических пояса, как заложено в существующих нормах (рис. 15), а четыре.

Проверка этого предположения осуществлялась по изложенной выше методике [6] с привлечением последних метеорологических данных.

Расчеты осуществлялись по двенадцати населенным пунктам (см. таблицу 7), для каждого из которых на 15-е число каждого месяца по соответствующим срокам дня: 6 ч 30 м; 9 ч 30 м; 12 ч 30 м; 15 ч 30 м; и 18 ч 30 м, определялась угловая высота солнцестояния h по формуле:

h = arcsin(sin sin + cos cos cost), град, (28)

где , , t - соответственно, широта населенного пункта, склонение Солнца и время суток в градусах.

В зависимости от угловой высоты солнцестояния по таблицам Шаронова В.В. [26], определялась освещенность при пасмурном (8-10 баллов, слоистые облака) небосводе Е_п.

Рис. 18. Карта светового климата (по состоянию на 1980 г.).

Поскольку на метеорологических станциях освещенность не измеряется, а измеряется интенсивность солнечной радиации, то освещенность при ясном (0-2 балла) небосводе Е_я и при средних условиях облачности (3-7 баллов) Е_пя определялась через световой эквивалент, выражающий ту освещенность, которая соответствует 1 Вт/м² солнечной радиации, на основании следующих выражений:

Е_я = С_п S_я + С_р D_я ; Е_пя = С_п S_пя + С_р D_пя , (29)

где С_п , С_р - световой эквивалент, соответственно, для прямой и рассеянной радиации, определяемый в зависимости от угловой высоты Солнца по таблицам Русина Н.П. [23], клк / кВт м^-2;

S_я , D_я - интенсивность, соответственно, прямой и рассеянной радиации при ясном небосводе, кВт / м²;

S_пя , D_пя - то же, при средних условиях облачности, кВт / м².

Суммарная горизонтальная освещенность Е с учетом вероятности общей облачности определялась по следующей формуле

Е = р_я Е_я + р_пя Е_пя + р_п Е_п, (30)

где р_я , р_п, р_пя - вероятность состояния небосвода по общей облачности, соответственно, при ясном и пасмурном небосводе и при средних условиях облачности.

Интенсивность солнечной радиации и вероятность облачности принимались для соответствующих населенных пунктов по данным Справочника по климату СССР [17, 18].

Для каждого пункта строились графики распределения итоговой освещенности Е в течение суток для каждого месяца. На рис. 19 в качестве примера представлены графики суммарной горизонтальной освещенности с учетом вероятности состояния небосвода по общей облачности для Покошичи Черниговской обл. за январь - июнь. На основе этих графиков по формуле (26) подсчитывался критерий светоклиматического районирования Е_ср:

Расчеты Е_ср осуществлялись для трех значений критической освещенности: 2,5; 5,0; 7,5 клк.

Коэффициент светового климата подсчитывался из выражения (27)

m = / Е_ср ,

где - критерий светоклиматического районирования для Покошичи Черниговской области.

Этот населенный пункт принят за базовый (т.е. m = 1) вследствие того, что он ближе всего находится к III светоклиматическому поясу по существующим нормам [11], для которого определены нормативные значения КЕО.

Рис. 19. Суммарная горизонтальная освещенность для Покошичи Черниговской обл. за январь - июнь.

Окончательные результаты расчетов приведены в таблице 7.

В результате проведенного анализа метеорологических данных выяснилось, что Украина имеет четыре светоклиматических пояса: І пояс - север и запад территории - m = 1; ІІ пояс - центральная и восточная части территории - m = 0,9; ІІІ пояс - южные области (за исключением Крыма) - m = 0,8; IV пояс - Крымский полуостров - m = 0,7.

Распределение светоклиматических поясов представлено на карте (рис. 20).

Данная карта не претендует на исчерпывающую полноту, так как здесь не отражено своеобразие светового климата горных территорий, на который оказывают влияние специфические климатические характеристики и закрытость горизонта. Также не учтены параметры светового климата зон крупных городов и промышленных регионов (например, Донбасс). Поэтому данные исследования требуют своего развития. И, прежде всего, развитие должно осуществляться в направлении разработки методов измерения непосредственно освещенности на метеорологических станциях Украины, как это делается во многих других государствах. Однако, уже в этом виде разработанное светоклиматическое районирование территории Украины можно включать в новые нормы по естественному освещению зданий, которые к сожалению, до настоящего времени не разработаны.

Распределение яркости по небосводу

Что такое небесный свод? В Древней Греции и Древнем Риме видимый небесный купол считали твердым сводом, закрывающим Землю сверху. По Клавдию Птолемею (ІІ в.н.э.) небосвод представляет собой семь кристаллических сфер, по которым вращаются светила: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн. Позднее, в средние века, ученые схоласты спорили, из чего «сделан небосвод: из стекла, хрусталя или драгоценных камней синего цвета, например сапфира?

Правильное объяснение того, что же представляет собою небесный свод, дал в XV в. Леонардо да Винчи. В книге «О живописи» он писал: «Синева неба происходит благодаря толще освещенных частиц воздуха, которая расположена между Землей и находящейся наверху чернотой». Таким образом, вся толща атмосферы, освещенная солнечными лучами, и создает впечатление светлого купола небосвода. Однако и во времена Леонардо да Винчи и даже столетие спустя ученым, таким как Джордано Бруно, Джулио Ванини, все еще приходилось бороться с догматами церкви и религиозными представлениями о Вселенной, разбивая представление о небе, как о «кристалле», т.е. чем-то твердом. Об этом свидетельствуют стихи Джордано Бруно:

Кристалл небес мне не преграда боле,

Разрушивши его, подъемлюсь в бесконечность.

Таблица 7. Светоклиматические показатели ряда населенных пунктов Украины

Рис. 20. Карта светового климата Украины (по данным метеорологических станций на 1990 год)

Окружающий нас воздух - совершенно бесцветный газ. Даже не очень чистый воздух приземного слоя атмосферы в городах оказывается необыкновенно прозрачным в сравнении с самой прозрачной жидкостью или с самым прозрачным оптическим стеклом. Если смотреть через слой воздуха толщиной в несколько метров, то мы не видим его совсем. Если толщина слоя достигает несколько километров, мы видим воздушную дымку, которая затягивает удаленные предметы. Вся же атмосфера в целом создает светлый голубой купол небосвода. И происходит это благодаря ее огромной толще.

В атмосфере всегда происходит одновременно как молекулярное, так и аэрозольное рассеяние. Аэрозольное рассеяние, являясь по характеру нейтральным, как уже отмечалось, накладывается на молекулярное и уменьшает степень синевы неба, одновременно увеличивая его яркость. Цвет неба и его яркость в любом направлении определяются: цвет - спектральным составом, яркость - общей интенсивностью рассеянного света, идущего из этого направления и создаваемого всеми молекулами и крупными частицами, «сидящими» на луче зрения в данном направлении.

Наибольшей синевой ясное небо характеризуется в околозенитной области, где в рассеянии участвует минимальная толща воздуха, и, кроме того, в этом направлении воздух более чистый. Поэтому рассеяние наиболее близко к молекулярному. С удалением от зенита увеличивается толща воздуха, участвующая в рассеянии, а соответственно число крупных частиц на луче зрения, и рассеяние становится все более интенсивным. А при рассеянии в большой толще воздуха возрастает роль многократного рассеяния, которое по характеру, как и аэрозольное, близко к нейтральному. Все это приводит к тому, что при увеличивающейся яркости голубизна неба уменьшается и на горизонте небо становится совершенно белесым. Все, по-видимому, замечали, что с увеличением замутнения атмосферы голубизна неба уменьшается во всех направлениях, а яркость увеличивается: это аэрозольное рассеяние «съедает» синеву неба, делая его белесым и ярким.

Цвет неба и его яркость изменяются при поднятии над земной поверхностью. Чем выше мы поднимаемся, тем тоньше слой воздуха над точкой наблюдения, тем синее небо и тем меньше его яркость. Уже на вершинах гор высотою 4 - 5 км альпинисты любуются сине-голубым небом. Пассажиры мощных самолетов, совершающих рейсы на высоте 10 км, видят небо насыщенного синего цвета, стратонавты, поднимающиеся на стратостатах на высоту более 20 км, наблюдают темно-синий цвет неба. На высотах полета космических кораблей (более 100 км) небо выглядит совершенно черным, т.е. с нулевой яркостью.

Согласно закону проекции телесного угла, освещенность в данной точке помещения прямопропорциональна не только проекции телесного угла светопроема, но и яркости видимого из этой точки участка небосвода. А.М. Данилюк при этом делал допущение о том, что яркость во всех точках небосвода одинакова. Однако, это далеко не так. Поэтому знание распределения яркости по небосводу способствует повышению точности определения освещенности в помещении, оптимальной ориентации здания по сторонам горизонта и площади светопроемов. От распределения яркости зависит также и величина наружной освещенности.

Международной комиссией по освещению (МКО) стандартизировано два состояния небосвода: пасмурное и ясное.

Основным допущением в расчетах КЕО, принятым в настоящее время нормами большинства стран является облачное небо при облачности 8 - 10 баллов. Распределение яркости по такому небу базируется на основе исследований, проведенных английскими учеными Пэрри Муном и Домина Спенсером путем сканированного измерения яркости небосвода. Статистическая обработка многочисленных данных эксперимента выявила довольно-таки простую зависимость отношения яркости данного участка небосвода L, видимого из данной точки под углом , к ярости неба в зените L_z от величины угловой высоты данного участка

. (31)

:

Рис. 21. Схема к расчету распределения яркости по пасмурному небосводу

Такое распределение яркости (рис. 21) имеет место только по меридиану небосвода. По кругу горизонта под одним и тем же углом к нему яркость считается постоянной.

Если яркость в зените принять за единицу, то яркость у горизонта ( = 0) согласно формуле 31 будет равна 1/3. Следовательно, максимальная яркость пасмурного неба наблюдается в зените, минимальная - у горизонта. С точки зрения вышеописанных физических явлений это вполне понятно, т.к. здесь имеет место только лишь аэрозольное рассеяние, а толща атмосферы в зенитном направлении гораздо меньше толщи у горизонта.

Для районов с устойчивым снежным покровом (более 6 месяцев в году) принята следующая формула

. (32)

Распределение яркости по ясному небу определяется абсолютной индикатрисой рассеяния света - угловое распределение яркости рассеянного света, изображенное в виде полярной диаграммы.

Полная яркость неба L в любом направлении складывается из трех компонент

L = L₁ + L₂ + L₀;

где L₁ - яркость за счет первичного рассеяния;

L₂ - яркость за счет многократного рассеяния;

L₀ - яркость, создаваемая светом, отраженным от земной поверхности.

Каково же соотношение этих компонент?

Рис. 22. Распределение яркости ясного неба в вертикале Солнца

При высокой прозрачности атмосферы и малом альбедо (отражательная способность земной поверхности) основную роль в создании яркости неба играет рассеяние первого порядка. При коэффициенте прозрачности атмосферы более 0,85 вклад вторичного рассеяния в яркость неба в видимой области спектра вдали от горизонта составляет всего несколько процентов.

При увеличении мутности атмосферы существенно возрастает роль многократного рассеяния. При коэффициенте прозрачности 0,6 - 0,7 вклад вторичного рассеяния уже превышает 50 %

Заметную роль в увеличении яркости неба начинает играть свет, отраженный от земной поверхности, если ее альбедо велико, например, в случае, когда она покрыта снегом.

Основной максимум яркости ясного неба всегда наблюдается около Солнца (рис. 22). Это так называемый околосолнечный ореол. Он представляет собой довольно яркое, белесого цвета кольцо на безоблачном небе вокруг Солнца. Угловая ширина кольца до 10 - 12^о. Голубое небо начинается за пределами ореола.

Второй максимум яркости небосвода - пригоризонтный. Он обусловлен увеличением толщи атмосферы, участвующей в рассеянии при приближении к горизонту. Минимум яркости неба находится в солнечном зените. Эта точка лежит в вертикале Солнца (вертикальная плоскость, проходящая через Солнце, зенит места наблюдения и наблюдателя) на угловом расстоянии от него 90^о, когда Солнце на горизонте, и на несколько меньшем расстоянии при поднятии Солнца.

Распределение яркости ясного неба разработано словацким ученым Робертом Киттлером (рис. 23)

, (33)

где L - яркость рассматриваемого участка, кд/м²;

L_z - яркость в зените купола небосвода, кд/м²;

Z - зенитное расстояние рассматриваемого участка небосвода, град;

Z₀ - зенитное расстояние Солнца, град;

- угол между Солнцем и рассматриваемой точкой на полусфере, град;

b, c и d - эмпирические параметры, определяющие форму индикатрисы рассеяния и зависящие от прозрачности атмосферы р.

Рис. 23. Схема к расчету распределения яркости по ясному небосводу

При прозрачности атмосферы р = 0,7 (при незначительном ее загрязнении): b = 0,91; c = 10; d = 0,45.

В крупных промышленных городах прозрачность атмосферы понижена и составляет р = 0,6. Научно-исследовательский институт строительной физики (Москва) уточнил параметры, входящие в формулу (33):b = 0,856; c = 16; d = 0,3.

Размещено на Allbest.ru