Светотехника, являясь частью строительной физики, тесно связана с архитектурой. Она решает и физико-технические вопросы (освещение зданий и помещений) и психофизиологические вопросы (видимость и восприятие зданий и их элементов).

Передача теплоты от одного тела другому, менее нагретому, происходит вследствие теплопроводности этих тел или окружающей их среды, путем конвекции (при жидкой или газообразной среде), либо излучением (при газообразной и безвоздушной среде). Энергия, передаваемая излучением, называется лучистой энергией. Примером источника лучистой энергии является Солнце. Физическая природа лучистой энергии - электромагнитные колебания.

Излучение характеризуется спектральным составом и мощностью. Спектральный состав излучения определяется длиной волны излучения. Длины волн лучистой энергии колеблются в очень широких пределах - от тысячных долей миллимикрона до сотен километров.

Светотехника изучает только незначительную область излучений, вызывающих ощущение света и лежащих в пределах от 0,40 до 0,76 мкм. Каждое монохроматическое, т. е. соответствующее определенной волне, излучение, лежащее в пределах видимого спектра, вызывает ощущение цвета от фиолетового до красного. Мощность лучистой энергии определяется количеством этой энергии, посылаемой в единицу времени, и измеряется в ваттах. Мощность лучистой энергии, оцениваемой по световому ощущению, которое она производит, называется световым потоком F (в лм).

Освещенностью Е поверхности называется отношение падающего светового потока к площади освещаемой поверхности:

Единицей измерения освещенности служит люкс (лк), равный световому потоку в 1 лм, равномерно распределенному по площади в 1 м².

При падении светового потока на освещаемое тело часть потока отражается, часть проходит сквозь тело и часть потока поглощается телом. Каждое тело имеет коэффициенты отражения р, пропускания т и поглощения а, которые характеризуются отношением соответствующей части светового потока к падающему световому потоку.

Для архитектора наибольший интерес представляют явления отражения и пропускания света, так как светопропускающие (светопроз-рачные) материалы используют в ограждающих конструкциях (окна, фонари, витражи и т. д.), а отражения внутренних поверхностей помещения в значительной степени обусловливают интенсивность освещенности в помещении.

Различают три основных вида отражения и пропускания света: направленное, направленно-рассеянное и диффузное (рис. 32, 33).

Направленное отражение получается от гладких, полированных поверхностей. Характерным примером на правленного отражения служит зеркало.

Направленно-рассеянное отражение характеризуется тем, что отраженный световой поток рассеивается по разным направлениям. Если рассеивание света происходит по всем направлениям равномерно, такое отражение называется диффузным. Примером диффузного отражения может служить оштукатуренная поверхность, которая со всех сторон кажется одинаково яркой.

К материалам, обладающим направленным пропусканием, относится обычное стекло. Диффузное пропускание характерно для матового стекла.

Для архитектора, определяющего в проекте образ своего будущего здания,' важно знать о зрительных иллюзиях. Иллюзии могут быть вызваны внешними причинами или зависеть от физиологических особенностей человеческого глаза. Например, иллюзии, получаемые вследствие отражения света в зеркалах или преломления света в призмах и линзах, вызываются внешними причинами.

Широко применялся в архитектуре классицизма прием иллюзорного расширения внутреннего пространства помещений с помощью больших зеркал (например, в Версальском дворце). К иллюзиям, зависящим от физиологии глаза, относятся явления иррадиации и дифракции. Эффект иррадиации проявляется в том, что светлые предметы кажутся нам большими по сравнению с равными им, но темными предметами. Примером иррадиации может служить накаленная нить в электролампе; в накаленном состоянии она кажется во много раз толще ненакаленной.

Дифракция света проявляется в отклонении световых лучей от прямолинейного распространения при встрече с преградой («загибание» лучей света). Примером использования архитектором дифракции может служить «парящий» купол собора св. Софии в Константинополе. Эффект парения был достигнут умелым подбором размеров окон и простенков в основании купола. Существуют и другие иллюзии, связанные с физиологией зрения и имеющие практическое значение в строительстве (рис. 34).

Законы зрительного восприятия зданий умело использовали древнегреческие архитекторы, применяя специальные строительные приемы, или коррекции, которые получили название курватур.

Естественное освещение

Под естественным (дневным) светом в светотехнике понимают свет, создаваемый солнечным и небесным излучением. Земная атмосфера рассеивает часть лучистой энергии и создает небесное излучение, обусловливающее диффузный свет неба. Поэтому освещенность любой точки на поверхности земли создается прямым солнечным светом и диффузным светом небосвода. Диффузный свет смягчает резкие контрасты светотени предметов, освещенных прямыми солнечными лучами. Когда небо полностью покрывается облаками, тени исчезают, предметы освещаются лишь равномерным диффузным светом небосвода.

Условия естественного освещения весьма переменчивы. Они зависят от высоты стояния солнца, прозрачности атмосферы, облачности, характера покрова земли. Например, прозрачность атмосферы над большим городом на 25...30% меньше, чем над сельской местностью. Облака, уменьшая прямой солнечный свет, увеличивают диффузную освещенность. Наибольшую яркость небосводу дают освещенные солнцем облака. Отраженный от земного покрова свет также сильно влияет на освещенность. Особенно высок коэффициент отражения земной поверхности, покрытой снегом. Снег отражает почти 90% лучистой энергии Солнца.

Средние условия освещенности называются световым климатом местности. Непостоянство естественного освещения вызвало необходимость ввести понятие, называемое коэффициентом естественной освещенности (КЕО), который представляет собой отношение освещенности в данной точке помещения к одновременной наружной освещенности горизонтальной площадки, освещаемой полным небосводом при диффузном характере освещения. КЕО показывает, какую долю от одновременной освещенности горизонтальной площадки, освещенной всем небосводом, составляет освещенность в данной точке помещения. Пользуясь КЕО, можно определить величину освещенности в любой точке помещения.

Для определения освещенности пользуются графическим способом, применяя графики Данилюка, и аналитическим, по формулам и методике, приведенным в СНиПе. Значение КЕО для различных помещещений нормируется. Так, помещения конструкторских и чертежных бюро должны иметь КЕО не ниже 2%, классы и аудитории - не ниже 1,5%, жилые помещения - не ниже 0,5%, вестибюли - не ниже 0,25%.

По степени освещенности все помещения можно разделить на три группы:

• помещения с хорошей и равномерной освещенностью по всей площади (производственные, учебные, спортивные и другие помещения);
• помещения с неравномерным освещением (музейные и выставочные залы);
• помещения, где допускается большая неравномерность освещения (жилые и конторские помещения). 

Иногда пользуются так называемыми геометрическими нормами освещенности, в которых устанавливаются отношения площади светопроемов к площади пола помещения. Так, для жилых комнат это отношение должно быть равно 1:7. Этими нормами можно пользоваться лишь для помещений той группы, где допускается большая неравномерность освещения - жилые комнаты, конторы, так как геометрические нормы не учитывают ни световой климат, ни условия освещения (наличие и качество оконных переплетов), ни влияние отраженного света, ни других условий, которые определяют действительный световой режим в помещении.

Особенно высокие требования к естественной освещенности предъявляются в помещениях музеев и картинных галерей. Эти требования в значительной степени определяют общие проектные решения музеев и выставочных залов (рис. 36).

Искусственное освещение

В настоящее время часто отдается предпочтение искусственному освещению, обладающему рядом преимуществ по сравнению с естественным освещением. Это прежде всего постоянство освещения, независимо от погоды, возможность быстрого его регулирования. Тем не менее архитектор должен помнить, что переменчивость и динамичность естественного освещения создают более живую связь с окружающей природой; по спектральному составу искусственный свет, хотя и приближается к естественному, но еще не стал идентичным; стоимость искусственного освещения значительна, а требования к эксплуатации высоки.

Между естественным и искусственным освещением не может быть соперничества. Оба способа освещения должны дополнять друг друга и создавать оптимальные светотехнические условия в помещениях. По светораспределению осветительные приборы подразделяются на 5 основных типов (см. табл. 1).

Световая архитектура

Естественное и искусственное освещение создают необходимый световой климат в помещениях. Но еще в глубокой древности зодчие использовали свет и как формообразующий фактор, как элемент художественного воздействия архитектуры на человека. Анализ светового решения памятников архитектуры указывает на сознательное использование света в общей архитектурной композиции.

Световое решение интерьеров Пантеона в Риме, собора св. Софии в Константинополе, древних русских церквей; световые эффекты барокко - все это исторические примеры использования света в архитектуре. Но не только в интерьере используется свет как элемент архитектурной композиции. Большой или маленький город нельзя представить себе без вечернего освещения. Оно не только обеспечивает выполнение жизненных функций города (движение пешеходов, транспорта и др.), но и служит художественным целям.

Все это позволило ввести понятие световой архитектуры. Световая архитектура стоит в ряду таких понятий, как каменная или деревянная архитектура, ибо свет используется как один из материалов, создающих архитектурные формы. Световую архитектуру решают, учитывая два вида освещения: прямое и рассеянное, когда между источником света и освещаемым предметом находится преграда, рассеивающая прямые лучи (облачность небосвода, специальные осветительные приборы). Для южных стран определяющим типом является прямой солнечный свет, для северных - диффузный свет небосвода.

До последнего времени считалось, что диффузный свет не обладает большими возможностями для формообразования. Но анализ памятников древнерусской архитектуры выявил богатые возможности рассеянного света в архитектурном формообразовании, особенно при горизонтальных членениях и при различного типа врезках, а также для выявления силуэта здания. Свет может создать свой ритм, свое пространство, может «выявить» архитектуру или «разрушить» ее.

Большое значение имеет световая архитектура при решении панорамы ночного города. Используя различные средства - заливающий или проходящий свет, контурное освещение, различные приемы рекламного и праздничного освещения- можно выделить отдельные участки города (магистрали, площади, ансамбли), придать зданиям новый облик, отличающийся от дневного вида, и тем самым содействовать более полному раскрытию архитектурных замыслов.

Радиация и инсоляция

С солнечным светом связаны и понятия радиации и инсоляции. Солнце постоянно излучает в пространство лучистую энергию. На поверхность Земли попадает ничтожная часть этого энергетического потока, тем не менее он превышает в 25 000 раз суммарную мощность всех энергетических установок нашей планеты. Мощность солнечного излучения, достигшего поверхности Земли, называется радиацией.

Спектр солнечной радиации состоит из ультрафиолетовых лучей (около 1%), видимых лучей, которые нам светят (около 45%), и инфракрасных лучей, которые нас греют (около 54%). Таким образом, тепловой эффект от облучения солнечными лучами зданий весьма значителен и не может остаться без внимания архитекторов. Уже есть практические шаги по использованию солнечного тепла на отопление зданий. Радиация зависит от географической широты, времени года, состояния атмосферы, времени дня.

Облучение какой-либо поверхности прямыми солнечными лучами называется инсоляцией. Инсоляция территории или помещения измеряется продолжительностью в часах, площадью облучения и глубиной проникновения солнечных лучей в помещение. Инсоляция и радиация могут оказывать как положительное, так и отрицательное действие. Положительное действие инсоляции определяется, в первую очередь, бактерицидными свойствами солнечных лучей, а также тепловым воздействием.

Отрицательное действие инсоляции и радиации сказывается прежде всего на перегреве помещений. Средством против перегрева служат покраска или облицовка ограждающих конструкций в светлые тона. Темные поверхности, независимо от материала конструкции, абсорбируют значительно больше лучистой энергии, чем светлые. Так, побеленная стена имеет коэффициент поглощения 40, кровельный толь - 90. Условия инсоляции помещений определяются планировкой участка (затенение здания другим зданием), ориентацией здания по сторонам света, внутренней планировкой и пластическим решением фасада (наличие балконов, лоджий и т. д.).

Наиболее продолжительная инсоляция помещений обеспечивается ориентацией светопроемов на юг. Для улучшения инсоляции в северных районах выгодно делать скошенные откосы оконных проемов и предусматривать эркеры. Средством борьбы с инсоляцией в южных районах служат кроме правильно выбранной ориентации различные солнцезащитные устройства в виде козырьков, горизонтальных и вертикальных экранов, решеток, жалюзи и т. д., а также заполнение оконных проемов светорассеивающим стеклом, стеклоблоками и др. Радиация и инсоляция сильно влияют на температурный и световой режим помещений, на их комфортность.