Светлина и осветление. Количествени и качествени показатели на осветлението и поддържането им в оптимални граници

Някои предварителни бележки: Доколкото преобладаващите работни места са в помещения, настоящият материал е с акцент осветлението в тях. Важни за разбиране на следващите текстове са определенията за някои основни характеристики и показатели на светлината и осветлението, част от които са на популярен език.

• Естествено осветление: Осветление с източник слънцето.
• Изкуствено осветление: Осветление от специално конструирани светлоизточници. Изкуственото осветление може да бъде общо (за цялото помещение), локално (за зоната на зрителна работа) и комбинирано (общо + локално).
• Смесено осветление: Естествено + изкуствено.

Светлина:
– Визуално възприемана лъчиста енергия (най – простото определение), или;
– Лъчиста енергия, излъчена или отразена от предмети към очите ни, която ни позволява да виждаме, или;
– Eлектромагнитни вълни с дължина от около 400 nm до 700 nm

Фиг. 1. Видимата светлина като част от електромагнитния спектър

• Осветеност
• Количеството светлина, падащо върху осветената повърхност;
• Обозначава се с Е;
• Измерва се в лукс (lx).

Визуална представа за осветеност 1лукс дава следващата илюстрация – фиг.2. От нея се вижда, че един лукс е осветеността на квадратна повърхност с площ 1m2, върху която пада светлина от запалена свещ, намираща се на разстояние 1m.

Фиг. 2. Площ с осветеност 1 лукс

(Източник: Guidelines on Occupational Safety and Health for Lighting at Workplace, Department of Occupational Safety and Health, Malaysia, 2018).

Осветеността е основен количествен показател за проектиране и оценка на изкуственото осветлението на работното място.

• Яркост – количеството излъчвана или отразена светлина.  Яркостта е единствената светлотехническа величина, на която окото пряко реагира.

Обобщено: Яркостта зависи от свойствата на излъчващата / отразяващата повърхност, докато осветеността на дадена повърхност не зависи от нейното естество.

С опростен графичен модел основните светлотехническа величини и връзките между тях са показани на следващата фигура, включително попадаща върху окото излъчена и отразена светлина. На тази фигура се виждат и още две светлотехнически величини – светлинен поток и интензитет на светлината, които няма да разглеждаме подробно, тъй като те нямат пряко отношение към следващите части на материала.

Фиг. 3. Основни светлотехнически величини

(Източник: Introduction to Photometrics, https://www.alconlighting.com/blog/author/staffwriter/)

Основни зрително възприемани елементи:

• Размери на обекта;
• Яркост на обекта и фона;
• Работна повърхност: Част от повърхността на работното място, където се изпълнява зрителната задача.
• Непосредствена околна повърхност:  Ивица с широчина не по – малка 0.5 m около работната повърхност в зрителното поле.
• Зрителна задача: Характеризира се със съществените за виждане елементи от изпълняваната работа и нейната продължителност;
• Размери на обекта;
• Яркост на обекта;
• Контраст към задния фон;
• Времетраене на работата.

Както беше отбелязано по – горе, яркостта е единствената светлотехническа величина, на която човешкото око реагира пряко. Тя е в основата на повечето количествени и качествени показатели за оценка на осветлението. От практическа гледна точка, като водещ количествен показател за оценка осветлението на работното място се е наложила осветеността, която е в пряка пропорционална зависимост с яркостта (отразената светлина от работните повърхности и обектите в тях). Във всички коментирани в първата част на настоящия материал стандарти и нормативни актове, изискваната минимална осветеност е във функция на зрителната работа/задача, която се характеризира с посочените вече елементи от нея. В зависимост от тази работа се посочва и пространственото разположение на повърхността, за която се нормира посочената осветеност – в най-общия случай на пода или в хоризонтална равнина на височина 0.8 метра над пода. Следва да се отбележи, че нормативно посочените стойности за осветеността трябва да се адаптират за всеки конкретен случай, при който зрителната задача се изпълнява в наклонена спрямо хоризонта/пода равнина. При отчитане на  факта, че изпълняваните зрителни работи в различните икономически дейности до голяма степен са идентични, нормите за осветеност по правило са отнесени към тях. Най – обща представа за необходимата осветеност  дава следващата диаграма, с нелицензиран превод от автора, която е поместена в „Encyclopaedia of Occupational Health and Safety“ издание на Международната организация на труда и достъпна на интернет адрес: https://www.iloencyclopaedia.org/. Важно е да се отбележи, че посочените стойности за осветеността са препоръчителни и информативни и не следва да се приемат като част от нормативен акт.

Фиг.4. Препоръчана осветеност при различни дейности

Важно е също така да се знае, че посочената в нормативните актове осветеност е експлоатационна и тя трябва да е осигурена за целия жизнен цикъл на осветителната уредба, като се отчита неминуемото намаляване на светлинния добив на светлоизточниците, замърсяването на стените,  тавана и пода на помещенията, респективно на тяхната отражателна способност. Казаното налага проектната осветеност винаги да е по-висока от нормираната. По-високи нива на осветеност се налагат и поради промените в зрението, настъпващи с възрастта на работещите. Графично, този факт е показан на следващата диаграма.

Фиг.5. Загуба на остротата на зрение с възрастта

Съвременните норми за осветление отчитат и възможността за адаптация на окото при промяна яркостта / осветеността на обектите в зрителния обхват. Тази възможност е толкова по – голяма, колкото разликите между нормираната (средната осветеност за една действаща уредба) / и минималната е по – малка, тъй като големите разлики могат да доведат до претоварване на зрението. Същото се отнася и до разликите между осветеностите в работния обсег и тези в непосредствената околна среда, които не трябва да надвишават разликите между две съседни степени от стандартната скала на осветеностите. Тези зависимости между осветеностите са показани в следващата таблица, в която е показан и минималният коефициент на равномерност. Този коефициент се определя по формулата:

Кравн. = Еmin. / Em, където:
Кравн. е коефициент на равномерност;
Emin. e минималната осветеност (lx);
ŸЕm е нормената осветеност (lx).

Нормална адаптация на окото е възможна при  Кравн. по-голям или = 0,7 в работния обсег, или по-голям или = 0,5  в непосредствената околна среда, при разлика на нормените осветености в двете зони, не по-голяма от една степен по скалата на осветеност.*
*Скала на осветеност:20 –30 –50 –75 –100 –150 –200 –300 –500 –750 –1000 –1500 –2000 –3000 –5000 lx.

Разгледаният качествен показател „Равномерност на осветлението“ е изцяло производен на водещия количествен показател „Осветеност.“  Останалите показатели за качество обаче са свързани с конфигурацията на осветителната уредба, разположението на работната зона спрямо осветителните тела и светлите отвори в стените и тавана, светлотехническите характеристики на светлоизточниците, работните помещения и работната мебел.

Нормативните актове с предмет осветление, издадени през последните години, например  Наредба № РД-02-20-3 от 21 декември 2015 г. за проектиране, изпълнение и поддържане на сгради за обществено обслужване в областта на образованието и науката, здравеопазването, културата и изкуствата въвеждат  наложилите се съвременни показатели за качество. Тази наредба определя обобщената степен на яркостен дискомфорт UGR и индексът за цветопредаване Rа.  като такива показатели.

Яркостният дискомфорт зависи от степента на заслепяване, при това  най -много  от наличието / отсъствието на светлозточник в посоката на погледа и количеството отразена светлина, попаднала в окото,  както е показано на фиг. 6.

Прекалено високи светлинни яркости и контрасти в зрителното поле водят  до снижаване на работоспособността.

Фиг.6. Заслепяване от светлоизточник в посоката на погледа (1) и от отразена светлина (2)

(Източник: Introduction to Photometrics, https://www.alconlighting.com/blog/author/staffwriter/)

Индексът за цветопредаване Rа. информира за  степента на възпроизвеждане на цвета, т.е. дава информация доколко даден източник на светлина, позволява  наблюдението на цветове. Този индекс не отчита едно друго качество на светлината, излъчвана от конкретен светлоизточник  – нейния цвят.

“Цветът на светлината” на  един светлоизточник се определя от неговата цветова температура – една удобна за практиката характеристика на източниците на светлина, която се свързва  с възприемания цвят на самата светлина. Този цвят може да бъде описан чрез температурата на идеализирания модел на абсолютно черно тяло(АЧТ), което поглъща всяко електромагнитно излъчване, попаднало върху него (нито отразява, нито пропуска светлина). АЧТ изглежда черно когато е студено, но при нагряване свети като метал, променяйки цвета си в зависимост от степента на нагряване (концепцията за цветова температура, по стара терминология „цветна температура“) Следващата фигура визуализира връзката между цветова температура и цвят на светлината.

Фиг. 7. Цвят на светлината, в зависимост от цветовата температура на източника на светлина

(Източник: https://praktis.bg/news/7-saveta-za-osvetlenieto-na-doma.html)

Изборът на светлинен цвят е въпрос на психология, естетика и търсене на естественост. Подбирането зависи от нивото на интензивността на осветлението, тоналността на помещението и разположените в него мебели, от външния климат и предназначението. В по-топлите климатични зони се предпочита по-висока цветова температура, при студения климат – съответно по-ниска. Съществува връзка между осветеност, цветова температура и възприятие от човек (приятно – неприятно). Нидерландският  физик Кройткоф  (Arie Andries Kruithof)  е разработил  диаграма (фиг. 8) на така наречената зона на комфорт – централната зона. Извън  тази зона осветлението изкривява цветовете в червеникави, или синкави нюанси. Според наложилата се в момента концепция, основното осветление трябва да е с високи нива на осветеност, с хладен тон.  То активира индивида, настройва за работа и помага за концентрация. Мекото, топло  осветление, с по – ниски нива на осветеност спомага за лесна комуникация и разпускане след интензивна работа, или в края на деня, преди лягане. Тази концепция е развита в системите за биодинамично осветление, които ще разгледаме по – късно.

Фиг. 8.  Диаграма на Кройткоф

(Източник: https://en.wikipedia.org/wiki/Kruithof_curve)

Индексът за цветопредаване Rа., който информира за  степента на възпроизвеждане на цвета е число в диапазона между 0 и 100.  Индекс Ra = 0  е за монохроматична светлина, т.е. от един цвят. С такъв източник на светлина, не е възможно да се разпознае цвета на осветявания обект. Индекс Ra = 100 е за дневна / слънчева светлина. При тази светлина цветовете на наблюдаваните обекти се възприемат най-естествено. Възпроизвеждането на цвета при осветление от светлоизточници с различен индекс на цветопредаване  е  показано в примера по-долу –  фиг. 9.

Съвременните  норми за зоните, в които постоянно пребивават хора, според БДС EN 12464-1 и  Наредба № РД-02-20-3 от 21 декември 2015 г. за проектиране, изпълнение и поддържане на сгради за обществено обслужване в областта на образованието и науката, здравеопазването, културата и изкуствата изискват индекс за цветопредаване – Rа, като правило не по-малък  от 80 за повечето работни места на закрито.

Фиг. 9. Възпроизвеждане на цвета при осветление от светлоизточници с различен индекс на цветопредаване

(Източник: https://lumega.eu/blog/a-world-of-lighting-what-is-color-rendering)

В практиката, въпросите, свързани с цветовите показатели на светлоизточниците много често се свеждат до закупуване на лампи с желани цветова температура и индекс на цветопредаване. В тази връзка  е важно да се знае, че тези показатели са посочени върху опаковката на лампите и / или са маркирани върху самото тяло със специален запис, както е показано на фиг. 10.

Фиг.10.  Пример – Маркировка върху корпуса на луминисцентна лампа / тръба

(Източник:  https://neonkaraoke.ru/bg/uslugi/lyuminescentnye-svetilniki-svetilniki-s-lyuminescentnymi/)

Последните три цифри от записа върху тялото на лампата са код за индекс на цветопредаване и цветова температура. Първата цифра указва индекса Ra. Цифрата 9 съответства на високо ниво на цветопредаване Ra = 90-100, стойност 8, показана в примера означава, че Ra е в диапазона 80-89 и т.н за по – малките цифри. Числото от последните две цифри носи информация за цветовата температура.  За да се определи тя, това число  се умножава по 100. За примера цветовата температура е 4000 К.

На пазара може да се срещнат и лампи с различна от разгледаната маркировка, например произвежданите в миналото луминисцентни лампи от завод “Светлина” гр. Сливен.  Ако попаднем на тях, препоръчваме да се поиска каталожни данни от търговеца, който ги предлага. Възможно е да намерим тези данни и в Интернет, За улеснение на читателите в следващата таблица предлагаме информация за широко използваните луминисцентни лампи, а снимките след нея са примери за различни начини на маркировка за конкретни лампи.

Таблица 1. Параметри, маркировка и приложение на някои видове луминисцентни лампи.

(Източник: https://electroexp.com/tipy-i-xarakteristiki-lyuminescentnyx-lamp-osveshheniya.html)

* Няма данни за индекса на цветопредаване на произвежданите в завод “Светлина” Сливен луминисцентни лампи

Снимки на опаковка и маркировка върху тялото на конкретни лампи:

Следваща част 3:  Експлоатацията на осветителни уредби 

Заслепяването може да се премахне или ограничи, като лампите по някакъв начин се засенчат, или се разположат извън посоката на погледа, а прозорците се затъмнят с щори / пердета. БДС EN 12464 въвежда понятието ограничаващ ъгъл на екраниране: Това е ъгълът между хоризонталната равнина през повърхността на излъчване на осветителното тяло и посоката на погледа, под стойността на който лампата или лампите не се виждат. Илюстрацията по – долу показва  директно попадащ в окото светлинен поток, падащ под различен ъгъл спрямо хоризонталната зрителна ос/хоризонталната равнина през повърхността на излъчване на осветителното тяло. За да се ограничи заслепяването лампата / лампите не бива да се виждат под ъгъл, по малък от ограничаващия ъгъл на екраниране. Съотношението между яркост на лампата и ограничаващ ъгъл на екраниране е показано в следващата таблица.

БДС EN 12464 -1 – минимален ограничаващ ъгъл на екраниране, в зависимост от яркостта на лампата / лампите. Под този ъгъл погледът не трябва да среща лампа / лампи

БДС EN 12464 -1 – минимален ограничаващ ъгъл на екраниране, в зависимост от яркостта на лампата / лампите. Под този ъгъл погледът не трябва да среща лампа / лампи 

От таблицата се вижда, че колкото яркостта на лампата е по – голяма, толкова ограничаващият ъгъл на екраниране е по – голям.