bai-tap-lon-ki-thuat-chieu-sang-TKCS cho tầng 8-A10 ĐHCN Hà Nội

Bài tập lớn thiết kế chiếu sáng tầng 8-A10 ĐHCN Hà Nội

LỜI NÓI ĐẦU

Chiếu sáng có vai trò hết sức quan trọng trong việc đảm bảo điều kiện tiệnnghi làm việc và sinh hoạt của con người, nâng cao giá trị thẩm mỹ cho các công trình

Thiết kế chiếu sáng là một ứng dụng công nghệ chiếu sáng cho một không gian của con người Giống như việc thiết kế trong kiến trúc, trong kĩ thuật và những thiết kế khác , thiết kế chiếu sáng dựa vào tổ hợp các nguyên tắc khoa học đặc trưng, những tiêu chuẩn và quy ước đã thiết lập và một số các tham số

về thẩm mĩ học, văn hóa và con người được xem xét một cách hài hòa

Trong vài thập kỉ trở lại đây, các sản phẩm chiếu sáng đã trở nên tinh vi và

đa dạng hơn nhiều Theo ước tính tiêu thụ năng lượng của việc chiếu sáng chiếm khoảng 20-45% tổng tiêu thụ năng lượng của một tòa nhà thương mại và khoảng 3-10% trong tổng tiêu thụ năng lượng của một nhà máy công nghiệp Hầu hết những người sử dụng trong công nghiệp và thương mại đều nhận thức được vấn đề tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống chiếu sáng Thông thường

có thể tiến hành tiết kiệm năng lượng một cách đáng kể chỉ với vốn đầu tư ít và một chút kinh nghiệm Tuy nhiên trong một số trường hợp, cần phải xem xét việc sửa đổi thiết kế hệ thống chiếu sáng để đạt được mục tiêu tiết kiệm như mong đợi Do đó, để có thể đáp ứng được nhu cầu thiết kế chiếu sáng, các kĩ sư cần nắm vững các kiến thức cũng như biết sử dụng các phần mềm hỗ trợ để có thể hoàn thành công việc hiệu quả Trên cơ sở đó đó nhóm chúng em xin phép

trình bày bài tập của mình với đề tài: “Thiết kế chiếu sáng cho tầng 8-Nhà A10 ĐH Công nghiệp Hà Nội” cùng với sự hỗ trợ của phần mềm Dialux Evo

Do chưa có nhiều kinh nghiệm nên bài tập lớn còn nhiều thiếu sót, nhóm chúng

em rất mong nhận được sự nhận xét và chỉ bảo của các thầy cô để hoàn thiện bàitập, đồng thời có được những kiến thức và kinh nghiệm cho công việc sau này

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG I: KIẾN THỨC CHUNGI.I Ánh sáng và mắt người

1 Ánh sáng

a Khái niệm về ánh sáng

Ánh sáng là một bức xạ (sóng) điện từ nằm trong dải quang học mà mắt người

có thể cảm nhận được Và sóng điện từ nằm trong dải λ= 380 nm đến 780 nm gọi là ánh sáng nhìn thấy hay đơn giản là ánh sáng

Bảng: Phân loại sóng ánh sáng theo bước sóng

(10-380) nm Tia cực tím (UV) hay tia tử ngoại

Ứng với mỗi bước sóng ánh sáng trong ánh sáng nhìn thấy (λ= 380-780 nm)

có một màu sắc ánh sáng khác nhau từ tím đến đỏ Tập hợp các màu sắc trong

dải bước sóng ánh sáng gọi là phổ ánh sáng.

Hình 1: Giới hạn phổ ánh sáng của ánh sáng nhìn thấy

b Các đại lượng đo ánh sáng

- Quang thông: Là đại lượng đặc trưng cho khả năng phát sáng của một

nguồn sáng mạnh hay yếu trong không gian xung quanh nó

- Cường độ ánh áng: Là đại lượng biểu thị mật độ phân bố quang thông

của một số nguồn sáng theo một hướng nhất định

Hình 2: Cường độ ánh sáng theo hướng Ox

I=lim

dΩ→ 0

dF

dΩ , candela (cd)

Trong đó: F là quang thông ( lm)

Ω là góc khối Giá trị cực đại là 4π

Góc khối là góc không gian mà qua nó ta nhìn diện tích S trên mặt cầu từ tâm

O của cầu

Hình 3: Biễu diễn khái niệm góc khối

Góc khối Ω được định nghĩa là góc không gian đo bằng tỉ số giữa diện tích S trên mặt cầu với bình phương bán kính của mặt cầu đó:

Hình 5: Cách xác định độ rọi điểm

E a= I cosα

r2 =I¿ ¿ ¿

- Độ chói là đại lượng đặc trưng cho khả năng bức xạ của một nguồn sáng hay

bề mặt phản xạ gây nên cảm giác chói sáng đối với mắt người

L=dS cos β dI ( cd/m2)

Hình 6: Độ chói khi nhìn bề mặt phát sáng

2 Mắt người

a Cấu tạo của mắt người

Mắt có dạng hình cầu đường kính 2,4cm nặng khoảng 7 gam Hình dưới là ảnh cấu tạo của mắt người

Hình 7: Cấu tạo mắt người

Giác mạc và thất là thủy tinh thể tạo nên một hệ thống quang học, cho phép hình ảnh được hiện lên trên võng mạc Võng mạc bao gồm rất nhiều tế bào thần kinh thị giác Trong đó có 2 loại tế bào cảm nhận ánh sáng cơ bản là:

 Tế bào hình nón gồm khoảng 7 triệu tế bào, chủ yếu nằm ở vùng giữa

võng mạc và được kích thích bằng mức chiếu sáng cao, còn gọi là thị giác ngày,đảm bảo nhận biết màu sắc của ánh sáng

 Tế bào hình que nhiều hơn tế bào hình nón( khoảng 130 triệu tế bào) và

bao phủ vùng còn lại của võng mạc, tuy nhiên vẫn có lẫn một số tế bào hình nón Chúng được kích thích bằng mức chiếu sáng thấp, còn gọi là thị giác ban đêm và chỉ nhận biết được màu đen trắng Không có một ranh giới rõ rệt đối vớihai loại tế bào này Chúng hoạt động nhiều hay ít phụ thuộc vào mức chiếu sáng, nhất là trong miền trung gian giữa thị giác ngày và thị giác đêm

Hình 8: Cấu tạo của võng mạc

Tế bào thần kinh thị giác thực chất là các tế bào quang điện, liên hệ với bộ não người dưới dạng luồng tín hiệu thần kinh ăn nhịp với ánh sáng kích thích vào

nó, nhạy cảm màu đi từ màu tím đến màu đỏ của ánh sáng nhìn thấy

b Độ nhạy của mắt người với ánh sáng

Độ nhạy của mắt đối với ánh sáng phụ thuộc vào bước sóng ( màu) của ánh sáng Các tế bào hình nón chỉ cảm nhận được các tia sáng có bước sóng nằm trong khoảng (380-780) nm, ở bước sóng 380 nm chúng bắt đầucảm nhận được và đến bước sóng 780 nm chúng mất nhạy cảm

Hình 9: Đường cong độ nhạy của mắt người đối với ánh sáng ban ngày

Từ đường cong cho ta thấy:

 Ứng với ánh sáng có bước sóng (màu sắc) khác nhau, đội nhạy của mắt người sẽ khác nhau

 Độ nhạy cực đại ứng với ánh sáng vàng-lục có bước sóng 555 nm

Hình 10 : Thị giác ngày và đêm của mắt

Vào ban đêm hoặc lúc hoàng hôn, mắt nhìn rõ nhất ánh sáng màu lục có bước sóng λ = 510 nm Trên hình 10 là đường cong độ nhạy tương đối với V(λ) Khi chuyển từ thị giác đêm ( tế bào hình que) sang thị giác ngày ( tế bào hình nón) hoặc ngược lại, cảm giác sáng không xảy ra tức thời mà phải có một thời gian gọi là thời gian thích ứng Sự thích ứng và đặc điểm độ nhạy cảm của mắt đối với ánh sáng có các bước sóng khác nhau đóng vai trò quan trọng trong kĩ thuật chiếu sáng

I.2 Nguồn sáng

1 Khái niệm

Nguồn sáng là gì? Những vật mà tự nó phát ra ánh sáng thì gọi là nguồn sáng

Ví dụ: Bếp lửa, mặt trời, các ngôi sao, bóng đèn vv

2 Phân loại nguồn sáng

 Theo hình thức phát sáng:

- Nguồn sáng tự nhiên bao gồm: Mặt trời, Mặt Trăng, các vì sao,

- Nguồn sáng nhân tạo gồm các loại đèn điện được con người tạo ra, chúngbiến đổi điện năng thành ánh sáng

 Theo kích thước nguồn sáng:

- Nguồn sáng điểm: Là nguồn sáng có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với khoảng cách từ nguồn sáng đến mặt làm việc ( thường là có kích thước nhỏ hơn

so với 0.2 khoảng cách) Đèn sợi đốt, compact và các đèn phóng điện có thể xem là nguồn sáng điểm

- Nguồn sáng đường là nguồn sáng mà chiều dài của nó đáng kể so với khoảng cách chiếu sáng Ví dụ: Đèn huỳnh quang ống, các băng sáng, bóng đèn

 Nguồn sáng phổ liên tục ( hay nguồn ánh sáng trắng ) là nguồn sáng phát

ra ánh sáng pha trộn liên tục tất cả các màu sắc có bước sóng năm trong dải từ

λ = 380-780 nm

 Nguốn sáng phổ vạch là nguồn sáng phát ra ánh sáng có phổ không liên tục (không đầy đủ màu trong dải bước sóng ánh sáng nhìn thấy)

I.3 Bộ đèn

1 Khái niệm về đèn điện

Đèn điện là nguồn sáng nhân tạo có thể biến đổi điện năng thành quang năng Dưới đây là sơ đồ phân loại các loại đèn điện theo nguyên lí hoạt động

Hình 11: Phân loại các loại đèn theo nguyên lí hoạt động

2 Các thông số kĩ thuật của đèn điện

a Hiệu suất phát quang (lm/W)

Là tỉ số giữa quang thông (F) với công suất tiêu thụ (P) của nguồn sáng

H =F P

Tỉ số này dùng để đánh giá quá trình biến đổi điện năng thành quang năng của một nguồn sáng Hiệu suất càng cao thì đèn càng tiết kiệm điện và ngược lại

b Tuổi thọ D (h)

- Đối với đèn LED và đèn sợi đốt: Tuổi thọ làm việc tính bằng (h) từ lúc đưa một bóng đèn vào sử dụng đến khi 1 tỉ lệ nhất định số bóng đèn bị cháy (40-50%)

- Đối với các đèn phóng điện: Tuổi thọ bóng đèn tính bằng giờ (h) từ lúc bắt đầuđưa bóng đèn vào sử dụng cho đến khi quang thông của đèn suy giảm đi 1 tỉ lệ nhất định ( 20-30%)

Tuổi thọ của đèn phụ thuộc vào:

 Dao động trị số và dạng sóng điện áp nguồn

 Môi trường làm việc

 Nguồn sáng có T ≤ 3500 ˚K cho ta ánh sáng ấm

 Nguồn sáng có 3500 ˚K ˂ T ˂ 5000 ˚K cho ta ánh sáng trung tính

 Khi nguồn sáng T ≥ 5000 ˚K cho ta ánh sáng lạnh

Trong thiết kế chiếu sáng nhiệt độ màu như 1 tiêu chuẩn để lựa chọn nguồn sáng phù hợp với độ rọi yêu cầu nhằm đạt được môi trường ánh sáng tiện nghi

Ta có biểu đồ Kruithof

Hình 12: Biểu đồ Kruithof

d Chỉ số truyền đạt màu CRI

Là đại lượng đánh giá mức độ trung thực về màu sắc của vật được chiếu sáng bằng nguồn sáng ấy so với trường hợp được chiếu sáng bằng nguồn sáng chuẩn CRI của một nguốn sáng càng cao thì chất lượng ánh sáng của nguồn

1A CRI> 90 Rất cao hoàn màu chính xác, ví

dụ việc kiểm tra in màu

1B 80 < CRI < 90 Cao

Bất kỳ nơi nào cần đánh giá màu chính xác hoặc cần có sự hoàn màu tốt vì

lý do thể hiện, ví dụ chiếu sáng trưng bày

2 60 < CRI < 80 Trung bình

Bất kỳ nơi nào cần sự hoàn màu tương đối

Bảng: Phân loại nhóm hoàn màu và phạm vi ứng dụng (TCVN 7114:2002)

3 Một số loại đèn thông dụng

a Đèn sợi đốt

 Cấu tạo: Đèn sợi đốt được cấu tạo như hình 13 Dây tóc được làm từ dây Vonfram Bầu đèn được làm từ thủy tinh chịu nhiệt, bầu đèn được hút chân không hoặc bổ sung khí trơ, ngoài ra có thể bổ sung Halogen Đui đèn có nhiệm

vụ kết nối nguồn điện cấp cho dây tóc

Hình 13: Cấu tạo bóng sợi đốt

 Nguyên lí làm việc: Khi đặt điện áp vào 2 đầu dây tóc, sẽ có dòng điện

chạy qua dây tóc làm cho nó bị đốt nóng phát ra cá bức xạ phần lớn trong miền hông ngoại Khi nhiệt độ tăng đến 900 ˚C thì phổ của các bức xạ x bắt đầu dịch chuyển sang miền ánh sáng nhìn thấy Sau đó đèn làm việc ổn định tại nhiệt độ 2500-2700 ˚C Điện năng cấp cho bóng sợi đốt 10% chuyển thành sánh sáng còn lại 90% chuyển thành nhiệt và hồng ngoại

 Đặc điểm:

 Ưu điểm:

+ Cấu tạo đơn giản, kích thước nhỏ gọn, nối trực tiếp với nguồn điện,

không đòi hỏi thiết bị đi kèm, giá thành rẻ

+ Dễ dàng điều chỉnh quang thông bằng việc thay đổi điệp áp đặt vào đèn,

bật sáng tức thời , cos ∅=1 và tuổi thọ hầu như không phụ thuộc vào điều kiện bật tắt

+ Chỉ số truyền đạt màu tốt CRI gần bằng 100

+ Giống ánh sáng ban ngày, tạo cảm giác ấm cúng

 Nhược điểm:

+ Hiệu suất phát quang thấp ( H= 10-20 lm/W)

+ Quang thông, tuổi thọ thấp và phụ thuộc lớn vào điện áp nguồn cấp + Khi làm việc tỏa nhiệt lớn gây nóng bức vào mùa hè

b.Đèn huỳnh quang

 Cấu tạo: Ông thủy tinh có khả năng chắn tia tử ngoại, thành ống chó phủ

chất huỳnh quang, trong ống bổ sung 1 lượng khí trơ và vài giọt thủy ngân, ở hai đầu ống gắn điện cực

Hình 14: Cấu tạo bóng huỳnh quang.

 Nguyên lí hoạt động: Khi đặt điện áp đủ lớn lên hai điện cực ơ 2 đầu

ống , dước tác dụng của điện trường sợi đốt dẫn điện, phát nóng và phát xạ điện

tử còn thủy ngân hóa hơi, tiếp sau là hiện tượng ion hóa chất khí Các tia điện tửphát ra sẽ kích thích các nguyên tử thủy ngần tạo ra các tia bức xa sơ cấp, có λ≈ 253,7nm Tia này đập vào lớp bột huỳnh quang ở bề mặt tạo thành ánh sángnhìn thấy

 Đặc điểm:

 Ưu điểm:

+ Có tuổi thọ (8000-12000) và hiệu suất phát quang (60-85 lm/W) cao + Chỉ số hoàn màu tốt, CRI có thể đạt 90

+ Đa dạng về hình dáng, kích thước, gam màu ánh sáng.

+ Phát sinh nhiệt lượng không lớn, tạo cảm giác mát dịu và thư giãn.

 Nhược điểm:

+ Đòi hỏi thiết bị đi kèm, hệ số cos ∅thấp

+ Giá thành tương đối cao

+ Đèn huỳnh quang ống có kích thước lớn sẽ khó kiểm soát và phân bố ánh

sáng

+ Nhạy cảm với môi trường, khó khởi động khi nhiệt độ thấp ( nhiệt đội tối

ưu ở 25˚C

+ Bật không sáng ngay ( vì cần thời gian phóng điện)

+ Tuổi thọ phụ thuộc vào số lần bật tắt và sự ổn định điện áp

+ Khó điều chỉnh quang thông đèn, đèn huỳnh quang tạo ra hiệu ứng nhấp

nháy sáng tối Hiện tượng này sẽ gây mỏi mắt

c.Đèn phóng điện cường độ cao

Đèn phóng điện cường độ cao (HDI) gồm: thủy ngân cao áp, Metal-Halide

và Sodium

 Cấu tạo: Thường gồm ống phóng đện hồ quang nhỏ hình trụ được chế

tạo bằng chất trong suốt hoặc trong mờ có khả năng chịu nhiệt cao (thạch anh hay gốm sứ) Trong ống người ta bơm vào hơi thủy ngân, muối kim loại hay các khí khác để tạo ra hiện tượng phóng điện hồ quang trong chấtkhí Ống phóng điện và một số chi tiết khác được đặt trong một vỏ thủy tinh tính chịu nhiệt gọi là vỏ bóng đèn

 Nguyên lí hoạt động: Gồm 3 bước:

 Đặc điểm cơ bản của đèn HID:

- Ưu điểm:

+ Hiệu suất phát quang, tuổi thọ và độ bền cơ học cao.

+ Đa dạng về hình dáng, kích thước và gam màu sáng

+ Một số đèn có CRI tương đối cao như Metal-Halide (CRI=60-90) và

sodium cao áp ( có thể đạt CRI=70)

- Nhược điểm:

+ Đòi hỏi thiết bị đi kèm, chi phí ban đầu lớn

+ Tạo ra hiệu ứng nhấp nháy gây mỏi mắt tương tự bóng đền huỳnh quang + Thời gian khởi động lâu do phải đốt nóng điện cực Sau khi tắt cũng cần

thời gian để khởi động lại

+ Quang thông giảm nhiều nếu điện áp đặt vào bộ đèn giảm

+ Khi đèn đang làm việc, hiện tượng phóng điện hồ quang đang diễn ra nếu

có một sự cố đều có thể gây nổ ống phóng điện

d.Đèn LED

Ngoài ứng dụng rộng rãi trong trang trí, quảng cáo, biển báo, tín hiệu Nhữngnăm gần đây do sự phát triển không ngừng của công nghệ đèn LED siêu sáng tích hợp tạo ra bộ đèn có công suất lờn từ vài wat đến vài trăm wat có thể ứng dụng để chiếu sáng trong nhà và ngoài trời Cấu tạo và nguyên lí của đèn LED được trình bày như hình dưới

Bộ đèn là Hình 15: Cấu tạo và nguyên lí phát quang của LED.

Phần chủ yếu của 1 LED là tinh thể bán dẫn InGaN tạo nên chuyển tiếp P-N Khi đặt điện áp nhỏ lên chuyển tiếp sẽ tạo nên các điện tích di động chạy qua chuyển tiếp và biến đổi năng lượng dư thành ánh sáng Năng lượng giải phóng

do sự tái hợp điện tử lỗ trống gần chuyển tiếp sẽ làm phát sinh các photon Bước sóng bức xạ, nghĩa là màu của LED phụ thuộc vào vật liệu của lớp chuyểntiếp này.Quang thông do LED phát ra chỉ nằm trong dải hẹp Để mở rộng phổ màu của LED thành ánh sáng trắng thực hiện:

- Sử dụng phốt pho hấp thụ ánh sáng xanh và hồi phát ánh sáng trắng

- Bố trí một số LED đỏ, da trời và xanh lá cây gần nhau

4 Thiết bị mồi đèn

Đối với các loại đèn phóng điện vì dây tóc đèn phóng điện dùng hiệu ứng hồ quang điện nên nó cần đến phần tử gọi là chấn lưu để ốn định dòng điện và trợ giúp cho việc phát sáng Chấn lưu có 3 công dụng chính:

- Làm tăng hiệu điện thế khi đèn khởi động

- Sau đó giữ ổn định điện áp ổn định ở trị số điện áp làm việc của đèn.

- Hạn chế dòng điện để tránh đèn bị hỏng bởi khi hồ quang xuất hiện thì

tổng trở của đèn sẽ giảm

Có 2 loại chấn lưu cơ bản là : chấn lưu sắt từ và chấn lưu điện tử

Chấn lưu sắt từ là cuộn dây quấn trên lõi thép kĩ thuật điện còn chấn lưu điện tử

là bộ biển đổi tần số từ 50Hz lên 20-40 kHz

5 Bộ đèn

a Khái niệm

một đơn vị phát sáng hoàn chỉnh, bao gồm một hoặc nhiều đèn cùng với các bộ phận: quang, cơ và điện

Hình 16: Ví dụ cấu tạo bộ đèn chiếu sáng đường

- Bộ phận quang của đèn đảm bảo sự phân bố ánh sáng trong không gian

theo mục đích và yêu cầu sử dụng góp phần nâng cao hiệu quả chiếu

sáng Ngoài ra bộ phận quang còn có nhiệm vụ hạn chế chói lóa của đèn nhằm đảm bảo tiện nghi nhìn tốt nhất

- Bộ phận cơ của đèn có chức năng định vụ và bảo vệ đèn chống lại các

ảnh hưởng từ môi trường sử dụng như: chống nước, chống bụi, chống va đập cơ khí, chống nổ

- Bộ phận điện của đèn gồm đui đèn, thiết bị mồi đèn, cùng các cầu đấu để

kết nối bóng và thiết bị mồi đèn với nguồn điện

c Thông số kĩ thuật cơ bản của bộ đèn

- Biểu đồ phân bố cường độ ánh sáng ( hay đường cong trắc quang) là đại

lượng quang học quan trọng nhất của bộ đèn, nhờ biểu đồ này ta xác địnhđược cường độ ánh sáng I theo 1 hướng nào đó, từ đó xác định được độ rọi, độ chói và xác định được sự phân bố ánh sáng của bộ đèn trong không gian