THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG

THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG

Trong thiết kế chiếu sáng, vấn đề quan trọng nhất phải quan tâm là đáp ứng yêu cầu về độ rọi và hiệu quả của chiếu sáng đối với thị giác. Ngoài độ rọi, hiệu quả của chiếu sáng còn phụ thuộc quang thông, màu sắc ánh sáng, sự lựa chọn hợp lý các chao chụp đèn, sự bố trí chiếu sáng vừa đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật và mỹ quan hoàn cảnh. Thiết kế chiếu sáng phải đảm bảo các yêu cầu sau:

1. Không bị lóa mắt. Vì với cường độ ánh sáng mạnh sẽ làm cho mắt có cảm giác loá, thần kinh bị căng thẳng, thị giác sẽ mất chính xác.
2. Không lóa do phản xạ. Ở một số vật công tác có các tia phản xạ cũng khá mạnh và trực tiếp, do đó khi bố trí đèn phải chú ý tránh hiện tượng này.
3. Không có bóng tối. Bóng tối chỉ có một số trường hợp cần như trong rạp hát, diễn kịch v.v… Còn ở nơi sản xuất (phân xưởng) không nên có bóng tối mà phải sáng đều để có thể quan sát được toàn bộ phân xưởng. Để khử các bóng tối cục bộ, người ta thường dùng bóng mờ và treo cao đèn.
4. Phải có độ rọi đông đều. Phải có độ rọi đồng đều để khi quan sát từ nơi này qua nơi khác mắt không phải điều tiết quá nhiều, gây hiện tượng mỏi mắt.
5. Phải tạo được ánh sáng giống ánh sáng ban ngày. Điều này quyết định thị giác của ta đánh giá được chính xác hoặc sai lầm.

Những số liệu ban đầu

Muốn thiết kế chiếu sáng cần có các số liệu sau:

• Mặt bằng của xí nghiệp, của phân xưởng, vị trí các máy đặt trên mặt bằng phân xưởng.
• Mặt bằng và mặt cắt nhà xưởng, để xác định vị trí treo đèn.
• Những đặc điểm của quá trình công nghệ (làm việc chính xác, cần phân biệt màu sắc v.v..). Các tiêu chuẩn về độ rọi của các khu vực làm việc.
• Số liệu về nguồn điện, nguồn vật tư.

Bố trí đèn

Chiếu sáng cục bộ khá đơn giản và phải căn cứ vào hoàn cảnh cụ thể để quyết định. Dưới đây sẽ trình bày cách bố trí đèn cho chiếu sáng chung.

Chiếu sáng chung sẽ phải dùng nhiều đèn. Vấn đề đặt ra là phải xác định được vị trí hợp lý của các đèn và khoảng cách giữa đèn với trần nhà và mặt công tác. Hình dưới giới thiệu hai cách bố trí đèn trong chiếu sáng chung hay được sử dụng.

Phương án 1: Đèn đặt ở 4 góc của hình vuông (hình  a). Nếu bố trí như phương án này mà độ rọi đạt yêu cầu công nghệ thì công suấi chiếu sáng sẽ là nhỏ nhất.

Phương án 2: Các đèn đặt theo hình thoi (hình b).

Trong thực tế, việc bố trí đèn còn phụ thuộc và các xà ngang của xưởng, đường di chuyển của cần trục trong phân xưởng (nếu có). Quan hệ và độ treo cao của đèn so với mặt công tác có mấy số liệu gợi ý sau:

• Gọi khoảng cách từ đèn đến mặt công tác là H
• Gọi khoảng cách từ đèn đến trần là hc
• Độ cao của mặt công tác so với nền nhà là hlv
• Khoảng cách nhỏ nhất giữa các đèn là L

Người ta đã chứng minh được rằng:

Tỷ số L/hc không được vượt quá 5 hoặc 6.

Trị số tốt nhất là: L/hc = 1,4 ÷ 1,6.

Trị số L/H phụ thuộc vào các loại đèn và chao đèn, tham khảo ở các sổ tay.

Chú ý: khi L/hc > L/H sẽ có độ rọi không đều trên trần nhà, như vây sẽ không sử dụng hết được các tia khuếch tán từ trần xuông.

Khoảng cách 1 từ tường đến đèn nên lấy trong phạm vi:

I = (0,3 ÷ 0,5) L

Các phương pháp tính toán chiếu sáng

Phương pháp hệ số sử dụng

Phương pháp này dùng để tính toán chiếu sáng chung, không chú ý đến hệ số phản xạ của tường, của trần và của vật cản. Phương pháp này thường dùng để tính chiếu sáng cho các phân xưởng có diện tích lớn hớn 10m2, không thích dụng để tính chiếu sáng cục bộ và chiếu sáng ngoài trời. Tính theo phương pháp này sẽ dùng biểu thức sau: 

F = ESkZ/nksd

Trong đó:

• F – quang thông của mỗi đèn, lm
• E – độ rọi, lx;
• S – diện tích cần chiếu sáng, m2
• k – hệ số dự trữ
• n – số bóng đèn
• ksd – hệ số sử dụng của đèn, nó phụ thuộc vào loại đèn, kích thước và điêu kiện phản xạ của phòng

Trong bảng độ rọi tiêu chuẩn (TCVN 7114-2002) người ta quy định các độ rọi tối thiểu Emin chứ không quy định độ rọi trung hình Etb. Vì vậy khi tính toán phải đưa vào hệ số tính toán.

Z = Etb/Emm – Hệ số Z phụ thuộc loại đèn và tỷ số L/H,     thường lấy Z = 0,8 ÷ 1,4

Khi tra bảng để tìm hệ số sử dụng sẽ phải xác định trị số gọi là chỉ số của phòng:

φ = ab/H(a+b)

trong đó:

• a, b – chiều dài, rộng của phòng, m;
• H – khoảng cách từ đèn đến mặt công tác, m.

Như vậy, theo yêu cầu công nghệ, xác định được độ rọi tối thiểu, căn cứ công thức trên tìm được quang thông của một đèn. Căn cứ trị số quang thông để đi xác định công suất một đèn. Khi chọn công suất đèn tiêu chuẩn, người ta có thể cho phép quang thông chênh lệch từ -10% đến +20%.

Phương pháp tính từng điểm

Phương pháp này dùng để tính chiếu sáng cho các phân xưởng có yêu cầu quan trọng và khi tính không quan tâm đến hệ số phán xạ. Để đơn giản trong tính toán người ta coi đèn là một điểm sáng để áp dụng đưực định luật bình phương khoảng cách. Trong phương pháp này ta phải phân biệt để tính độ rọi cho ba trường hợp điển hình sau:

• Tính độ rọi trên mặt phẳng ngang Eng
• Tính độ rọi trên mặt phẳng đứng Eđ
• Tính độ rọi trên mặt phẳng nghiêng một góc θ, Engh

Theo định luật về bình phương khoảng cách, khi quang thông rọi theo phương thẳng góc với mặt phẳng S ta sẽ có độ rọi:

E = F/S = Iω/r2ω = I/r2

Nhưng nếu điểm mà ta đang xét có đường pháp tuyến không trùng với trục quang của nguồn điểm thì I phái thay bằng Iα 

Nguyên tắc chung bao giờ cũng phải quy tia về tia có phương vuông góc với mặt phẳng ta đang xét

Tính độ rọi của điểm A trên mặt phẳng ngang:

Eng = Iαcosα/r2

mà r2 = h2/cos2α , do đó ta có:

Eng = Iαcos3α/h2

 

Tính độ rọi của điểm A trên mặt phẳng đứng:

Eđ = Iαsinα/r2 = Iαsinα/(h2/cos2α) = Iαsinαcos3α/h2cosα

Eđ = (Iαcos3α/h2)tgα = Engtgα

 

Tính độ rọi tại điểm A trên mặt phẳng nghiêng

 

Engh = Iαcosϒ/r2 = Iαcosϒcos3α/h2 = Iαcos3α/h2 . cosϒ/cosα

mà cosϒ = cos(α – θ) = cosα.cosθ + sinα.sinθ

 

cosϒ/cosα = (cosα.cosθ + sinα.sinθ)/cosα = cosθ+tgα.sinθ

do đó ta có: 

Engh = Eng(cosθ+tgα.sinθ)

trong đó:

tgα= P/h

Sử dụng công thức trên ta phải biết Iα. Trong các sổ tay người ta đã cho sẵn các giá trị Ia ứng với các loại đèn khác nhau và đều tính với loại bóng đèn có 1000 lm. Trường hợp cụ thể đang tính toán nếu bóng đèn có giá trị quang thông khác 1000 Lm thì phải tính quy đổi theo biểu thức:

Eng = Iαcos3α/kh2 . Fđ/1000

trong đó:

• k – hệ số an toàn;
• Fđ – quang thông thực của đèn sẽ sử dụng.

Các công thức trên là để tính độ rọi trên một điểm đang xét với trường hợp có một đèn. Nếu có nhiều đèn thì quang thông của một đèn cần có để đáp ứng độ rọi yêu cầu E:

Flđ = 1000.Emink/μ∑E

trong đó:

• Flđ – quang thông một đèn cần có;
• Emin – độ rọi tối thiểu tại điểm đang xét;
• E – độ rọi tính toán ứng với hóng đèn cỏ 1000 lm (với mặt phẳng ngang thì E = Iαcos3α/h2 )
•  
• k – hệ số an toàn, tuỳ tình trạng bụi nhiều hoặc ít;
• μ – hệ số kể đến độ rọi của các đèn khác ảnh hưởng tới điểm đang xét nhưng chưa được
  tính trong ∑E (JLI thường lấy bằng 1,1 – 1,2);
• 1000 – hệ số quy đổi.

Phương pháp tính gần đúng.

Phương pháp này thích hợp để tính chiếu sáng cho các phòng nhỏ hoặc chỉ số phòng nhỏ hơn 0,5; yêu cầu tính toán không cần chính xác lắm. Phương pháp gần đúng này cũng có hai cách tính:

Cách tính thứ nhất

Phương pháp này khá thích dụng trong khi thiết kế và tính toán sơ bộ. Sử dụng phương pháp này chỉ cần xác định được công suất ánh sáng trên đơn vị diện tích ( W?m2) theo từng yêu cầu chiếu sáng khác nhau, sau đó nhân với diện tích cần chiếu sáng là được công suất tổng. Được công suất tổng rồi mới xác định số đèn, loại đèn và độ treo cao của đèn v.v… khi cần thiết thì kiểm tra lại tiêu chuẩn độ rọi theo phương pháp tính độ rọi từng điểm đã nêu ở trên:

Ptổng = pS, W

trong đó:

• p – công suất trên đơn vị mét vuông, W/m2
• S – diện tích cần chiếu sáng, m2.

Cách tính thứ hai

Cách tính này chủ yếu là dựa vào một bảng đã tính toán sẵn với công suất 10W một mét vuông. Khi thiết kế nếu lấy độ rọi phù hợp với độ rọi trong bảng đã tính sẵn thì không phải hiệu đính. Nếu khác nhau về độ rọi thì công suất phải hiệu đính theo biểu thức:

P = 10Emink/E, W/m2

trong đó:

• p – công suất, W/m2, tính theo độ rọi yêu cầu;
• Emin – độ rọi tối thiểu cần có đối với nơi tính toán chiếu sáng;
• E – độ rọi tra trong bảng tính sẵn với tiêu chuẩn 10 W/m2 với các bóng đèn khác nhau. Tham khảo trong sổ tay;
• k – hệ số an toàn.

Sau khi tính được p ta phải nhân với diện tích của phòng mà ta thiết kế để được công suất đặt Pđ. Từ trị số Pđ sẽ tìm lại công suất đèn tương ứng với công suất đã dự tính khi sử dụng bảng dưới. Sau đó mới tính số đèn, xác định cách bố trí đèn v.v… công suất đặt: Pđ = p . S:

Số lượng đèn:

N = Pđ/p’

Trong đó:

• p’ – công suất một đèn mà ta đã dự tính chọn khi sử dụng bảng

Phương pháp tính toán với đèn ống

Đền ống hay dùng để chiếu sáng chung, đèn ống có ưu điểm là công suất tiêu thụ ít nhưng có độ rọi cao, ánh sáng dịu mát. Đèn ông là một nguồn quang có kích thước chứ không phải là nguồn điểm, do đó trong tính toán đã phải chấp nhận một số giá thiết cần có, tuy vậy phương pháp tính dưới đây không gây sai số quá 5%

Người ta giới thiệu rằng nguồn quang song song với mặt phẳng ta khảo sát. Như vậy độ rọi lại điểm M xác định theo biểu thức:

E = I’αcos2α/2h . [Ir/(I2+r2) + arctg1/r]

Trong đó: 

• I’α – cường độ ánh sáng của một thước nguồn quang;
• r – cự ly từ nguồn quang tới điểm M;
• h – độ treo cao so với mặt công tác;
• α- góc giữa r và h;
• I – chiều dài của nguồn quang.

Qua hình trên ta có thể suy luận rằng: muốn tính độ rọi tại điểm M’ ta phải tính độ rọi với chiều dài của đèn là A’C, sau đó trừ đi độ rọi ứng với nguồn quang có độ rọi là A’A, nghĩa là:

EM’ = EA’C – EA’A

Trường hợp muốn tính độ rọi lại điểm M’ ta sc dùng phương pháp tương tự.

EM’ = EAB – EBC

Qua biểu thức trên ta nhận thấy độ rọi là hàm số của P/h và 1/h . Người ta vẽ được đồ thị biểu diễn quan hệ giữa:

cos2α/2 . [1/(l2+r2) + arctg1/r] = f (P/H , 1/h)

Trị số I’α là cường độ ánh sáng của nguồn quang có quang thông là F. Do đó phải quy đổi về nguồn có quang thông là 1000 /m

I’α = F/1000 . Iα

 

trong đó:

• Ia – cường độ ánh sáng ứng với nguồn có quang thông 1000 lm
• F – quang thông thực tế trôn đơn vị dài của nguồn sáng.

Như vậy ta có:

E = F/1000h . Iαf(1/h , P/h) = F/1000h . ε

Trong đó:

• ε – độ rọi tương đối trên đơn vị dài của một nguồn sáng dài lm có quang thông 1000 Lm treo ở độ cao 1 mn.

Tóm lại chỉ cần tính P/h, 1/h tra được ε là tính được độ rọi E cần thiết

Quan hệ 1/h = f(P/h) cho trên hình

 

Phương pháp tính gần đúng đối với đèn ống

Ở phương pháp này người ta đã tính sẵn đối với một phòng được chiếu sáng bởi hai đèn ống 30 W(30 . 2 = 60W) có độ rọi định mức Eđm = 100 lx. Dùng đèn 60/220 V có quang thông 1230 Ix. Trong tính toán người la đã chấp nhận quy định sau:

• Phòng goi là rông, khi a/Ho ≥ 4
• Phòng goi là vừa, khi a/Ho = 2
• Phòng goi là hẹp, khi a/Ho ≤ 1.
• Hệ số phản xạ của trần màu thẫm:                             ρtr = 0,7;
• Hệ số phản xạ của trần màu trung bình:                   ρtr = 0,5;
• Hệ số phản xạ của tường màu thẫm:                            ρtr = 0,5;
• Hệ số phản xạ của tường màu trung bình:                  ρtr = 0,3;
• Hệ số an toàn k:
  • Khi phôi quang trực xạ                                            k = 1,3
  • Khi phôi quang phản xạ                                           k = 1,5
  • Khi chủ yếu là dùng phối quang trực xạ           k = 1,4
• Trị số a là chiều rộng, H0 là chiều cao của phòng.

Khi dùng loại đèn ống có trị số độ rọi khác với Eđm là 100 lx thì công suất tổng của các đèn cần thiết kế sẽ tính theo tỷ lệ:

P/Pđèn = 1,25 . (2460/S0)/(Fđèn/S) . E/Eđm

trong đó:

• 1,25 – hệ số xét tới công suất tổn hao trên cuộn cản;
• Pđèn – công suất của đèn dùng trong thiết kế;
• Fđèn – quang thông của một đèn dùng trong thiết kế
• S – diện tích được chiếu sáng;
• E – độ rọi tối thiểu;
• S0 – diện tích được chiếu sáng bởi một đèn ông có Eđm = 100 công suất mỗi đèn 30 w, quang thông 2 . 1230 = 2460 lm. Trị số So có thể tra ở bảng dưới.

Số đèn được xác định theo biểu thức: n = P/1,25.p’

trong đó:

• p’ – công suất mỗi đèn ống.

Trích: Hệ thống cung cấp điện của xí nghiệp công nghiệp đô thị và nhà cao tầng