Проектирование систем освещения — задача комплексная: она требует учёта нормативных требований, эргономики, эстетики, энергоэффективности и экономической целесообразности. Решение задачи начинается с расчёта освещённости — ключевой характеристики, определяющей, насколько комфортно и безопасно будет находиться в помещении.
В этой статье сравним два подхода к таким расчётам: традиционный ручной метод и автоматизированный в DIALux, изучив их теоретические основы, алгоритмы расчёта, достоинства и недостатки.
Теоретические основы расчёта освещённости
Освещённость E определяется как отношение светового потока F, падающего перпендикулярно на поверхность, к площади S этой поверхности: E=F/S (лк)
Однако на практике просто разделить люмены на квадратные метры недостаточно. Необходим учёт:
-
Коэффициента использования (CU), отражающего, какая доля светового потока одной лампы достигает рабочей плоскости с учётом геометрии и отражений.
-
Коэффициента запаса (LLF, Light Loss Factor), учитывающего снижение светового потока из-за загрязнения светильников, старения ламп, запыления потолков и стен.
-
Коэффициента неравномерности, характеризующего разброс освещённости между самой яркой и самой тёмной точками помещения.
-
Отражающей способности поверхностей — стены, потолки и пол не являются идеальными зеркалами: часть света поглощается, часть рассеивается.
В методе коэффициента использования рассчитывают требуемый суммарный световой поток как произведение нормируемой освещённости на площадь и коэффициент запаса, делённое на долю потока, доходящую до рабочей поверхности, то есть на коэффициент использования, а также учитывают коэффициент неравномерности и КПД светильника; именно поэтому его в зарубежной литературе часто называют «люмен-методом», поскольку оперируют световыми потоками в люменах как основной расчётной величиной.
«Зонально-полостной» подход сводит задачу к балансу светового потока между «полостями» помещения (потолочная, комнатная, напольная), откуда берется коэффициент использования и по формуле на потоки определяется средняя освещенность. Этим он тождественен методу коэффициента использования.
В нормативах (СНиП, EN 12464) установлены минимальные уровни освещённости для различных помещений: офисы требуют 300–500 лк, производственные цеха — 200–1000 лк в зависимости от точности работ, торговые залы — 200–300 лк. Важны также требования по ослепляющему эффекту и цветопередаче, для чего вводят понятия индекса цветопередачи (CRI) и коэффициента блескости (UGR).
Ручной расчёт освещённости: метод коэффициента использования
Ручной расчёт базируется на эмпирических формулах и табличных данных производителя. Процедура включает следующие этапы.
1. Определение параметров помещения
Сначала рассчитывают коэффициент помещения (Кп), зависящий от отношений высоты подвеса светильников, длины и ширины комнаты. Кп используется для подбора значения CU в таблицах.
Расчёт светового потока и количества светильников. С учётом требуемого уровня освещённости Eтреб, площади S, номинального светового потока одной лампы лампы, коэффициента использования и коэффициента запаса LLF применяют формулу: N=(Eтреб х S)/(КПДлампы х LLF)
Значения коэффициента использования и LLF получают из каталогов: коэффициент использования равен 0,4–0,7 в зависимости от конфигурации светильника и высоты подвеса, LLF = 0,7–0,9 с учётом загрязнения.
2. Проверка неравномерности
После первичного расчёта инженеры оценивают, насколько равномерно распределён свет, моделируя сетку точек и корректируя расположение приборов вручную.
Преимущества ручного метода:
-
Простота и прозрачность: все параметры видны и легко меняются.
-
Независимость от ПО и лицензий: можно провести расчёт на месте, без компьютера.
-
Быстрая предварительная оценка, пригодная для выбора примерного типа светильников и оценки бюджета.
Ограничения:
-
Грубые приближения: таблицы CU и LLF не учитывают сложные архитектурные формы и разноцветные поверхности.
-
Упрощённая геометрия: отклонения от плоского потолка, выступы и колонны в помещении требуют дополнительных эмпирических поправок.
-
Повышенный запас: для компенсации неопределённостей часто закладывают избыточное число светильников, что ведёт к перерасходу энергии и бюджета.
Автоматизированный расчёт в DIALux
DIALux — специализированное программное решение, способное моделировать распространение света с учётом полной трёхмерной геометрии и свойств материалов. Набор функций включает:
- Создание 3D-модели. Инженер задаёт точные размеры помещения, положение стен, окон, дверей, выступов и колонн. Внутри указываются материалы поверхностей: их коэффициенты отражения и рассеяния.
- Импорт фотометрических файлов. Светильники выбираются из библиотек производителей или загружаются в формате IES/ELF с реальными диаграммами светораспределения и данными о потере потока.
- Расстановка светильников. Модуль размещения позволяет экспериментировать с разными схемами — равномерной сеткой, групповым размещением, направленным светом для акцентного освещения.
- Расчёт освещённости и визуализация. Программа вычисляет освещённость в произвольных точках и строит цветовые карты (false color), отражающие градиенты и локальные перепады. Одновременно оцениваются коэффициент неравномерности, слепимость (UGR), уровень автоматизируемых сценариев (комбинации дневного и искусственного света).
- Анализ результатов. DIALux генерирует подробный отчёт с табличными данными по каждой световой точке, уделяет внимание энергоэффективности (кВт·ч/год), затратам на обслуживание и влияет на выбор источников с наилучшим CRI и световой отдачей.
Внутри старых версий DIALux применялся следующий подход: сцена разбивается на поверхности, и программа итеративно рассчитывает энергообмен между ними, чтобы получить вклад многократных отражений и итоговую освещённость и яркость поверхностей. Визуализация делалась через встроенный трассировщик изображений, а численные результаты опирались на фотометрию кривых силы света (КСС) и геометрию сцены, без использования «люмен-метода» как вычислительного ядра.
В DIALux evo разработчики заменили ядро на «photon shooter», по сути вариант методик трассировки лучей/фотонов для ускоренного учёта сложных межотражений и раздельного пересчёта групп управления. Это позволило корректнее и быстрее обрабатывать большие и сложные сцены и оперативно менять световые сцены без полного пересчёта.
Расчёт средней и точечной освещённости базируется на точечном методе с интегрированием кривых силы света и учётом межотражений ядром, тогда как «люмен-метод» и «зонально-полостной» метод остаются инструментами ручной оценки числа светильников, но не являются внутренним алгоритмом DIALux.
Сравнение с ручным точным методом расчета
Ручной точечный метод — это пошаговый расчет освещенности в конкретных точках по фотометрии светильников и геометрии сцены. Этот метод суммирует вклады каждого светильника в выбранной точке, учитывает углы падения и расстояния, может добавлять отраженную составляющую, и потому подходит для оценки минимумов, равномерности и освещенности на горизонтальных, вертикальных и наклонных плоскостях.
Такой подход позволяет точно проверять минимальную освещенность и равномерность, учитывать затенения, оценивать освещенность на вертикальных и наклонных плоскостях, что особенно важно при узкой оптике, локализованном и наружном освещении.
Точечный ручной метод и точечный метод в DIALux вычисляют одну и ту же физику освещенности из КСС и геометрии, но DIALux делает это быстрее, детальнее и с учетом межотражений и материалов и автоматизацией отчётов, тогда как ручной расчет ограничен упрощениями и трудозатратами.
Оба подхода берут фотометрические данные светильника и геометрию сцены, чтобы найти освещенность в конкретной точке как сумму вкладов всех источников. По сути это один и тот же «point-by-point» расчет, который даёт локальные значения, минимумы и равномерность, в отличие от люмен-метода со средними значениями. При одинаковых исходных данных точечные результаты сопоставимы, что подтверждается сравнительными обзорами и практикой расчётов.
Вручную обычно считают по ограниченному набору точек и с усеченной геометрией, игнорируя мебель, частично отражения и сложные КСС, поскольку полнота учета резко повышает трудоемкость и риск ошибок. Из-за этого ручной метод чаще служит для проверок «порядка величин» или локальных узлов.
В ручном точечном расчёте чаще всего ошибаются из-за упрощений сцены и исходных данных. Снизить погрешности помогает тщательная проверка фотометрии, учет межотражений, достаточная плотность расчетных точек и кросс-проверка с программным моделированием.
DIALux автоматически интегрирует КСС, учитывает межотражения и материалы, позволяет задавать плотные расчетные сетки, вертикальные/наклонные плоскости, и сразу выдает карты изолиний, равномерности и UGR, что существенно ускоряет подбор компоновки и выявление «провалов» освещенности.
Кроме того, в DIALux evo расчетный движок оптимизирован под пересчет групп управления и сценариев освещения без полного перерасчета, что снижает время итераций и повышает воспроизводимость сравнения вариантов.
Оценка дискомфортной блескости выполняется по унифицированной методике CIE UGR по таблицам и позициям наблюдателя, что отражено в справочных материалах DIALux.
Преимущества и недостатки компьютерных расчетов освещенности
Преимущества DIALux:
-
Физическая точность. Учитываются многократные отражения, прозрачность и оптические свойства материалов.
-
Гибкая визуализация. Помогает оценить не только количественные, но и качественные аспекты — ощущения яркости, блики, тени.
-
Оптимизация энергопотребления. Модуль энергоанализа позволяет подбирать светильники и сценарии управления освещением для минимизации затрат.
-
Удобство взаимодействия. Прямой экспорт отчётов, 3D-визуализации и интеграция с BIM-проектами.
Ограничения:
-
Точность исходных данных. Неправильно заданные коэффициенты отражения или устаревшие IES-файлы снижают надёжность расчёта.
-
Время на моделирование. Детальная 3D-модель и визуализация занимают время и требуют навыков работы с ПО.
-
Необходимость валидации. Результаты требуют проверки инженерным опытом и сравнением с нормативами.
Подробно смотрите здесь: Программа Dialux для расчёта и проектирования освещения
Практический пример: офисное пространство
Рассмотрим расчёт освещённости классического офиса размером 10 м на 6 м при высоте потолка 3 м. Стены и потолок окрашены в белый цвет (коэффициент отражения 80%), пол устлан ковролином (30%).
Задача: обеспечить 500 лк на рабочей поверхности стола.
Ручной расчёт даёт: N = 15 панелей LED по 40 Вт и 4000 лм, при коэффициенте использовании = 0,6 и LLF = 0,8. Неравномерность по методике — около 0,6, что выше рекомендуемых 0,4.
Чтобы уменьшить неравномерность, вручную добавляют ещё 2–3 светильника.
DIALux-модель выявляет, что достаточно 12 панелей: расчёт отражений даёт неравномерность 0,35, карты false color показывают плавные переходы от 450 до 520 лк.
Программа также сигнализирует о потенциальном слепящем эффекте у окна и предлагает заменить одну панель на регулируемый наклонный светильник или добавить жалюзи. Энергопотребление по сценарию 8 ч в сутки — 1400 кВт·ч/год при ручном методе и 1120 кВт·ч/год при оптимизации DIALux.
Сравнительный анализ
| Параметр | Ручной расчёт | DIALux |
|---|---|---|
| Точность | ±20–30% из-за приближений | ±5–10% при корректных данных |
| Учёт геометрии | Упрощённые формы, прямые углы | Любая сложность 3D-модели |
| Отражения | Только через CU из таблиц | Многократные отражения по физическим законам |
| Неравномерность | Высокая, требует запаса | Контроль через цветовые карты |
| Время подготовки | 10–20 мин — быстро | 1–2 ч — моделирование + отладка |
| Навыки проектировщика | Базовые инженерные знания | Владение ПО, понимание фотометрии |
| Энергоэксплуатация | Оценочная, без вариантов сценариев | Подробный анализ и настройка светодинамики |
| Стоимость | Минимальная — требуется калькулятор | Затраты на ПО и обучение |
Научные исследования
В научной литературе есть работы, где сравнивают DIALux, Relux и AGi32 с аналитическими эталонами и ручными расчетами, и общий вывод одинаковый: если аккуратно задать коэффициент обслуживания и коэффициент использования, средняя освещенность совпадает до единиц процентов, однако картина распределения света, равномерность и значения UGR заметно зависят от того, как программа учитывает отражения, геометрию и как работает авторазмещение светильников.
Например, в исследовании Shikder и соавторов сравнивались результаты на тестовых задачах CIE: средние уровни были практически идентичны, но различия проявлялись в том, как разные пакеты раскладывают приборы и как реагируют на потолочные сетки и ограничения шага, чего ручной метод расчета коэффициента использования светового потока в принципе не описывает.
Технический отчет CIBSE делает сходный акцент: при корректных исходных данных современное ПО совпадает с ручными методами по средним значениям, но лучше подходит для оценки равномерности, изолиний и дискомфортной блескости, где влияние моделей поверхностей и геометрии критично.
Выводы и рекомендации
Ручной расчёт освещения остаётся полезным этапом для первичной оценки, быстрой проверки вариантов и получения порядка величин без ресурсов и лицензий. Он незаменим для полевых условий и при отсутствии доступа к программному обеспечению.
Расчёты в DIALux — промышленный стандарт для ответственных объектов: складов, фабрик, офисных центров, медицинских учреждений и архитектурных проектов. Они позволяют получить более точные данные, оптимизировать расходы на электроэнергию и обеспечивать комфортное световое окружение.
Идеальный проект начинается с ручной прикидки для грубой оценки количества и типа светильников, после чего завершён и детализирован через DIALux для учёта всех архитектурных, оптических и эргономических нюансов. Такой комбинированный подход сочетает скорость и доступность традиционных методов с точностью и визуальной наглядностью цифрового моделирования.