TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM 0199 HUTECH University NGUYEN CAO TRÍ
Trang 2CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS ĐINH HỒNG BÁCH „5
2 ——
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Cơng nghệ TP HCM
ngày2 ltháng 3năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, bọc hàm, học vị của Hội đơng châm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 TS Võ Hồng Duy Chủ tịch 2 TS Nguyễn Hùng Phản bién 1
3 TS Duong Thanh Long Phan bién 2
4 TS Đặng Xuân Kiên Ủy viên
5 TS Võ Đình Tùng Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu cĩ)
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
a tua ¬
Trang 3NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Cao Trí Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 15/06/1985 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1241830038
L Tên đề tài: Thiết Kế và Thi Cơng Hệ Thống Điều Khiển Chiếu Sáng
DùngGiải Thuật Fuzzy Logic II.Nhiệm vụ và nội dung:
a Nhiệm vụ
e Đề xuất các chiến lược điều khiển hệ thống chiếu sáng nhân tạo đáp ứng
tương thích với điều kiện của hệ thống chiếu sáng tự nhiên sẵn cĩ
e Xây dựng thuật tốn fuzzy và mơ hình thực tế để thực hiện việc phối hợp
điều khiển chiếu sáng giữa ánh sáng nhân tạo và ánh sáng tự nhiên
b Nội dung
© Chứng minh được cơ hội tiết kiệm năng lượng từ giải pháp kết hợp chiếu
sáng nhân tạo kết hợp chiếu sáng tự nhiên
e_ Đề xuất việc phân vùng chiếu sáng hợp lý dựa trên độ sâu vùng chiếu sáng tự nhiên
e_ Xây dựng giải thuật fuzzy logic điều khiển ánh sáng nhân tạo theo điều kiện
ảnh sáng tự nhiên nhằm tiết kiệm năng lượng mà vẫn đạt được mức cân bằng
độ rọi trong cơng trình
e Xây dựng mơ hình thực tế dùng phần mềm Labview và Card Hocdelam
Trang 4III Ngay giao nhiệm vụ:18/06/2013
IV Ngày hồn thành nhiệm vụ: 30/06/2014
V.Cán bộ hướng dẫn: TS ĐINH HỒNG BÁCH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ sh (Họ tên và chữ ký)
Mah —
Trang 5Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
Trang 6LỜI CÁM ƠN
Tơi xin chân thành cảm ơn TS.ĐINH HỒNG BÁCH - Trưởng Bộ Mơn Kỹ
Thuật Điện Trường Đại học Tơn Đức Thắng, người thầy đã hết lịng chỉ bảo, hướng
dẫn, truyền đạt những kiến thức chuyên mơn cũng như những kinh nghiệm nghiên cứu trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ - Điện -
Điện tử, Phịng quản lý sau đại học của Trường Đại học Cơng nghệ Tp.HCM đã tạo
những điều kiện tốt nhất về vật chất lẫn tinh thần để chúng tơi hồn thành tốt luận
văn này
Xin chân thành cám ơn đến tất cả Quí Thầy, Cơcủa Trường Đại học Cơng nghệ Tp.HCM đã giảng dạy, trang bị cho tơi những kiến thức rất bé ích và quí báu
trong suốt quá trình học tập cũng như nghiên cứu sau này
Xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và đặc biệt là nhĩm thực nghiệm chung
Trường Đại học Cơng nghệ Tp.HCM dưới sự hướng dẫn của Thầy Đinh Hồng
Bách người luơn giành những tình cảm sâu sắc nhất, giúp đỡ và khuyến khích tơi dé
cùng vượt qua mọi khĩ khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn này
Xin cảm ơnGia đình đã tạo mọi điều kiện để tơi yên tâm học tập tốt trong suốt thời gian vừa qua
Xin cảm ơn tất cả bạn bè thân thuộcđã động viên, tạo điều kiện thuận lợi và hỗ
trợ cho tơi rất nhiều trong quá trình học tập, cơng tác cũng như trong suốt thời gian
thực hiện luận văn
Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 06 năm 2014
Người thực hiện
Trang 7Đề tài trình bày phương thức điều khiển chiếu sảng dựa trên việc cân bằng giữa ánh sáng tự nhiên và ánh sảng nhân tạo trong cơng trình nhờ đĩ tiễt giảm năng lượng cho hệ thơng chiếu sáng Do tính chất nguơn sáng tự nhiên luơn thay đổi nên
cân thiết xét biểu đồ quang khi hậu cũng như đặc trưng địa lý vùng miền, động thời xét đến vị trí đặt nguỖn chiếu sáng tự nhiên trong từng vùng, nhờ đĩ đưa ra phương
thức chiếu sáng thích hợp dựa trên vùng điều khiển chiếu sáng tối ưu bằng thuật giải Fuzzy Logic
Việc xây dựng một chương trình điều khiển mức cân bằng độ rọi bằng hàm điều
khiển vịng hở cho phép bộ điều khiển đơn giản hơn so với phương pháp điều khiển
vịng kín mà van đạt được mức tỐi tru tương tự Để thực hiện điều này, đề tài xây dựng một kịch bản phân vùng khơng gian điều khiển dựa trên mức tác động của ánh
sảng tự nhiên Trong kịch bản này, đề tài đưa ra những chiến lược điều khiển tương
thích với từng vùng tác động của ánh sáng tự nhiên Dựa vào mức đáp ứng độ rọi
của ánh sáng tự nhiên mà chương trình phân tích, đưa ra phương pháp điều khiển chiếu sáng nhân tạo thích hợp dựa trên nên tảng Fuzzy Logic
Việc xây dựng mơ hình thực tế trên Labiew cho phép nghiên cứu tác động của đặc tuyển quang khí hậu tác động theo thời gian trong ngày mà các chương trình tính
tốn chuyên dụng đã bỏ qua Điều này cho phép thấy rõ hơn mức tác động của ảnh sảng tự nhiên trong từng thời điểm trong ngày mà khơng phải tính gan dung
Trang 8ABSTRACT
The topic presented the lighting control method based on the balance between the daylighting and artificial light in the building thus reducing the energy on a lighting system Due to the ever-changing of the daylighting, must be considered on the daylightingilluminance chart as well as the region geographic At the same time,
taking into account the location of natural lighting source in each region, thus
proposing the properly control strategy based on the fuzzy logic algorithm
The construction of an illumination control program with the open-loop control allows simpler than the closed-loop control method and still achieve the same result To do this, the project built two zoning scenario based on the effect of the daylighting In these scenarios, the strategies are compatible with each region and the impact of natural light Based on the reponse of daylighting illumination, the analysis program proposes the properly control method based on fuzzy logic
The construction of the LabView program to study the impact of the daylighting
illuminance chart by the time of day that commercial program was ignored This allows seeing more clearly the effect of daylighting on every time of the day without approximation
The topic proposes the control method based on fuzzy logic as a potential solution
Trang 9II Nhiệm vụ và MOE MUG 0.0 eee ececceneesteseeeteeeeseenennneatenenesesscneseneeeesenanaenens i
IH.Ngày giao nhiệm vụ che ii
IV.Ngày hồn thành nhiệm vụ -: -+snerreeeererrrerrrtrrrrrrerrrrre ti
V.Cán bộ bur61g CAM oe eecceessseesssseessneseesecssneessaneessnsesssscesseeensecnaseecnsnenensees ii
0009) 697 506 5 1.1116, i
MUC LUC wie ccccsscscssssssssessneesesssecssnsscsssssenssuecesanseeesonsenssunscessnesensnsencsansengeuanaceenssess V DANH MỤC CÁC BẢNG . -cssserhrrrrrrrerrrrirrrrrrrrrirriin viii DANH MỤC CÁC HÌNH 5252 2 tttrttrrrrrrrrrrrrrrirrrrrrridririie ix
Chương Ì - nh H112 1
TỎNG QUAN .c2-2755c+22 2t 011 1
1.1 Tính cấp thiết của để tài -c-ccccsrieerriirrirrderriirirriiiiiiirriirriiirrrnnrii 1
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu .- ssssseeninnetrrirrrimirir 2
1.3 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn nghiên cứu -. -cccreneerrrrerrrrrerrre 2
1.4 Phương pháp nghiên cứu -:ecsennhHenHhettrttiriieirrrrrrriitrrtrire 3
1.5 Các bc tin hnh c â5đ+2xÊ+#YY#+k#ÊEtEExtrkZEEEEt11.11E1rr 3
1.6 Điểm mới của luận văn ch Hrrrrrriiiiiie 3
1.7 Giá trị thực tiễn của luận văn -csestrtrherrierierrrieirrrrriiiiirtrierrrieh 4
1.8 Nội dung thực hiện - se centerrirerrtrirrrrirrriririiririiiriiiriii 4
Chương 2 -. nọ t9 H1212112241.1272100111101100110010001101000010 5
CO SO LY THUYET 88 .11 5
2.1 Tổng quan về chiếu sáng tự nhiên và chiếu sáng nhân tạo «¿ -sccersecerseeerere 5
2.1.1 Chiếu sáng tự nhiên -:-:-cc5ccccc+trtrrtttiiitrrrriiiiiiirrrrrrrriiiiiiriirrrrrririir 5 2.1.2 Chiếu sáng nhan ta0 ccccccssescsssesssssesssssseesssnseecsesnssensnnecasunesssnrensavecsansnaeercensnes 12 2.2 Các giải pháp điều khiển chiếu sáng .-.eeenrierrriirrrrrrrrrrre 14
2.2.1 Phương pháp quang thơng - -: -55-csnenerrrerrtttrtriettdrrrrrrrrerirrrrrrrrrirdierr 14
Trang 10vi
2.3 Tiết kiệm và hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng chiếu sáng eeceee 16 2.3.1 Hiện trạng sử dụng năng lượng cho chiếu sáng ccsrrrreerreriitririrrreiee 17 2.3.2 Các tơn thất năng lượng cho chiếu sáng .-.+ssetrrrrrrrrrerrrririiiierirrrrriee 17
2.3.3 Giải pháp chiếu sáng hiệu quả tiết kiệm năng lượng -snenrrrrrirree 17
2.4 Xây dựng hàm độ rọi trong phịng cĩ kể đến ánh sáng tự nhiên -s 28 2.4.1 Cơ sở tính tốn độ rọi của ánh sáng nhân tạo trong phịng và ánh sáng tự nhiên 28 2.4.1.1 Tính tốn độ rọi của chiếu sáng nhân tạo trong phịng -. -ctrsreere 28 2.4.1.2 Tính tốn độ rọi phân bố của ánh sáng tự nhiên . -crrreerrrrrerrrrree 30
2.4.1.3 Độ rọi tại một điểm bắt kỳ trong phịng -. che 34 2.4.2 Xác định vùng chiếu sáng tối ưu và nguyên lý điều khiễn - 34 2.4.2.1 Xác định vùng chiếu sáng tối ưu sccscsrtreerriirieeriirrrrirerrriir 34 2.4.2.2 Nguyên lý điều khiển cccciinnnhherrreriirrrriinirrrerieih 36
2.5 Fuzzy Logic trong điều khiển hệ thống . +: enhhitthtierrereredrrreer 38 2.5.1 Sơ lược về Fuzzy LOgÏC o chan 38
2.5.2 Khái niệm cơ bản -: co cv E221 Hiiiiiirrriiiieniiiiih 40 2.5.3 Bộ điều khiển mờ son H11 tr HH nttnrrteerie A7
2.5.4 Ứng dụng điều khiển mờ trong thiết kế hệ thống ccceeieirreriiirrierere 49 Chương 3 - Sĩc nHHhH HH0 11011 n100110110.8ntT 52
ĐIÊU KHIỂN CHIEU SANGDUNGGIAITHUAT FUZZY LOGIC 52
3.1 Tổng quan tmg dung Fuzzy Logic trong điều khiển chiếu sáng . 52
3.2 Xây dựng giải thuật Fuzzy Logic điều khiển chiếu sáng . eceeerirerrrsee 52 3.2.1 Mơ hình đối tượng điều khiển -5scssnntrherriterirrrrirrrriiiirrr 52 3.2.2Phân chia ving didu KMIGN .ccssssssssssssessssssssseseccssnnseeesorsnsenessssnsneressssnareessennnasees 55 3.2.3Xây dựng thuật tốn cho mơ hình điều khiển . ccccsrneerrrerrrrree 56 3.2.5 Lưu đồ điều khiển của Fuzzy LogÌc . -s cetrtrerritrrreeiriirrreriei 60
Trang 11
Chương 4 + tt H1122111010010100011001011011n00nnnTn 61
THIET KE VA THI CONG MO HINH DIEU KHIEN HE THONG CHIEU
SÁNG DÙNG GIẢI THUẬT EUZZY LOGIC VỚI LABVIEW 61
4.1 Giới thiệu về LabVIEW và card Hocdelam USB-9090 reeree 61
4.1.1 Giới thiệu về LabVIEW .cssssesscssssccssssesssssnecssssnnsersnnsersranecsssuneensnsesensnnesananasaeneate 61
4.1.2 Giới thiệu về card Hocdelam USB-9090 - eerererrererrdrtrrmrre 63
4.2 Thiết kế phần cứng .- -:-:- 2t nh nrrrrriiirreririirtrrrrrniilrieir 67 4.2.1 Thiét 6 m6 Hinh ccccccceccsseessssesssscsssssecssssccssseeessseessssenssneessnecesnessonsensasnsssnensnsensane 67 4.2.2 So dd két ndi phan citng esses sssssssesesssneeesesnstersnsessssnesenssnseenaneceeneseencnansecsoes 68 4.3 Thiét ké phan mém w ssssscsscssscssssseessssseesssavesseceenesesnmsecesssssaseeseeansnnnnasaseneeessnanenases 68 4.3.1 Thidt ké m6 inkh sesccseesesscsessssscscssecsecsecsesseenccssssnevenessserssnesnenteotenssneanearenenasaneneny 68
4.3.2 Xây dựng thuật tốn Fuzzy logic bang céng cu Fuzzy System Designer 69
4.3.3 Chương trình điều khiển -ecerrnrnriierrrrrtrrirrrrrrtiiiirirrrriierrree 72 AA KGt QUA cesesssessssssssssvssssesevsvsssvesssssesesessssssssnnssstsssssessssssencnnsesecsceteceerenerescesccerensnegete 72
Chương 5 .-. -ss5 << ss=seneessstesnsesnsernesn000000000000609014 75
Trang 12viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Bảng hệ số độ chĩi của bầu trời ị-cnereenerrrrerrrrrrrrrirrrrrrrrrire 10 Bảng 2.2 Hệ số độ chĩi của bằu trời theo hướng lẫy sáng -.-eeee Il
Bảng 2.3 Bảng cường độ bức xạ của mảng trời qua cửa lấy sáng - Il
Bang 2.4 Hé số độ rọi tự nhiên 7777727788888 e8e 18 Bang 2.5 D6 roi tơi thiểu trên bê mặt làm việc hoặc vật cân phán biệt 20
Bảng 2.6Chiễu sáng sự cỗ và chiếu sáng nhân tạo bên ngồi nhà 21
Bảng 2.7 Bảng hiệu suất các loại đèn và tơn thất chẳn lựa - -cccccccrreeeersee 22
Bảng 2.8Bảng so sánh tiêu thụ năng lượng giữa các loại đèn sứ dụng 24 Bảng 2.9Các hệ số theo điều kiện bằu trời cằcceennererrererrrrrriririerree 32 Bảng 3.1 Bảng trạng thái hàm ngõ vào XÃ Ì cecceenhrhrmrrrtrrrrrrrrrrrrrre 37 Bảng 3.2Bảng trạng thái hàm ngõ vào X2 -eceieerererrrrrrrrrrrrrrrrdie 37 Bang 3.3 Bảng trạng thái hàm ngõ ra Ì . cccccehhhnerrrrrrrrrrterrrrrre 58 Bảng 3.4 Bảng trạng thái hàm ngõ ra Ù2 -ccccnenheherttrrrrrtrrrrrrre 58 Bảng 3.5 Bảng luật hợp thành eccceeeeerrrrerrrrrrerrrrrrderrrrrrrirrrrrrrrie 59
Bảng 4.1Các chân tín hiệuCard Hocdelam USB-9090 - co 65
Trang 13Hình 2.3 Giả thiết độ chĩi B của mặt bán cầu phân bố đễu . eesằằ 9
Hình 2.4Sự phân bĩ độ chĩi (q) của bằu trời ìeeehehheeeerrrrrrrre 10
Hình 2.5 Các phương thức lấy sáng tự nhiên trong cơng trình . 19
Hình 2.6 Vùng phân bố ánh sang tỐi tưu ccccrhheterirrrrrrrrrrtrrrrrrrrrrrriiir 35 Hình 2.7 Phân bỗ độ rọi tổng hợp ceenenerrererrretrrrrrtrrrerrrrirrrie 35
Hình 2.8 Hiệu quả của các phương pháp điều khiỂn - se eccetierrrrirrrrre 36
Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống điều khiển -oeeseeeernrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrie 38
Hình 2.10 Các dạng hàm thuộc trong ÌogiC mÙỜ ccceeneerhrrmrrrrrrrrrrrrrtrrr 42 Hình 2.11 Giải mờ theo phương pháp cực ổqi -ececeeeeetrtrrtrrrrrrrrrrrr 45 Hình 2.12 Giải mờ theo phương pháp trong {ÂM errrrerrmrrtrrrrrren 46
Hình 2.13Sơ đỗ khối bộ điều khiển mờ cccstenhhrtirrrtrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrre 47
Hình 2.14Nguyên lý điều khiển mờ ecccnrreerrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrrtrrrrriee 48 Hình 2.15 Cầu trúc hệ SISO 5s nhrrrhtrrrrrtrrrrrrirrireieriririie 40 - Hình 2.16Hàm thuộc của bộ điều khiến -csccceeenriererrrtrrrrrrrrrrrrrrrrre 50 Hình 3.1 Mặt bằng bồ trí đèn và các cảm biễn ccceeienrrtrtrrrrrrrrrre 54 Hình 3.2 Sơ đà khối hệ thống điều khiến mỜ cstcennnrrnrererrrrrrrrrrrrrree 54
Hình 3.3 Mặt bằng phân vùng 278772 RRBBRRRREEEE.- 56
Hình 3.4 Lưu đã điều khiển - ccnnterrhrrthrtrtrrrrrtrrrrirerririrrrrrrrrrrire 60
Hình 4.1 Card Hocdelam USB-9090 chen Hit 64
Hình 4.2 Sơ đồ chân (I/O) của hàm HDL USB 9090 -scccnnnneiiere 65
Hình 4.3Mơ hìnhđiều khiển hệ thơng chiếu sáng dùng giải thuật Fuzzy logic 67
Hình 4.4 Sơ đồ kết nối phair CU g cecsseccsssssssvescssseescesssseecsnnieeeennnnetescosnneneeessnnaneestany 68 Hình 4.5 Mơ hình điều khiển hệ thơng chiếu trên LabVIEMW -' 69
Hình 4.6 Khai báo phát biếu ngõ vào Äl -cocccsnehnnrireerrrrrrrrrrrrrrrrriiir 69
Hình 4.7 Khai bdo phat bidu ngd vaO XI escsscccsssessssccseeeeeseneeessesseneensnnnnseecnannseee 70 Hình 4.8 Khai báo phát biểu ngõ ra Ủ] . c:snnhhienrreerrrrtrrtrtrrrrrerrre 70 Hình 4.9 Khai báo phát biểu ngõ ra Ú2 -cccnnniireerrrrrrtrrrrrrrrrrrrre 70 Hình 4.10 Luật hợp thành cho bộ điều khiễn cseennrerrrrrrrrrrrrre 71 Hình 4.11 Chương trình điều khiển cho hệ thống trên Block Diagram - 72 Hình 4.12 Mơ hình thực tỂ 5c: ccccrt crrhtrhhntrth th ehrrhrdirriie 73
Hình 4.13 X3 tác động, XI và X2 ở mức VH; UI, U2 ở mức VŨ -.- 73
Trang 14Chương Í
TỎNG QUAN
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời đại hiện nay, cùng với sự kéo theo của tăng dân số, là các bài tốn thiết
yếu về nhu cầu lương thực, thực phẩm, chỗ ở, việc làm và năng lượng Đối với mỗi
quốc gia, duy trì nguồn năng lượng cho sinh hoạt và sản xuất là yêu cầu sống cịn được ví như khí huyết của quốc gia Nguồn năng lượng ở mỗi quốc gia, mỗi vùng miễn lại là hữu hạn Do đĩ, cần phải cĩ kế hoạch sử dụng năng lượng một cách hợp
lý và bền vững
Việc sử dụng năng lượng hiệu quả khơng cịn nằm trên bàn giấy của các nhà lãnh
đạo, khơng cịn nằm trong ý tưởng của các nhà thiết kế, mà cần thiết những kế
hoạch khả thi để triển khai nĩ ngay lúc này Hiện tại, cơng việc này được chia làm 3 nhĩm: đánh giá thực trạng về việc sử dụng năng lượng tại những cơng trình hiện hữu, ứng dụng ngay các cơng nghệ mới về tiết kiệm năng lượng cho các cơng trình
đang được thiết kế và nghiên cứu, tìm kiếm giải pháp để cải thiện những vấn đề
lãng phí năng lượng hiện tại
Điện năng cho chiếu sáng thường chiếm trên 20% tổng điện năng tiêu thụ Đề giảm thiểu sự lãng phí trong tiêu thụ điện năng, tiết kiệm trong chiếu sáng là một trong
những giải pháp quan trọng Năm trong xu hướng đĩ, đề tài “Thiết kế và thi cong
hệ thống điều khiển chiếu sáng dùnggiải thuật Euzzy logic” nhằm nâng cao hiệu sử đụng năng lượng trong hệ thống chiếu sáng tại các thành phĩ lớn, đặc biệt là
trong các cao ốc, văn phịng, cơng sở, nhà máy, Đề tài xây dựng đáp ứng cho hệ
thống chiếu sáng nhân tạo dựa trên đầu vào của ánh sáng tự nhiên dựa nền tảng
fuzzy logic nhằm giảm tối đa nhu cầu năng lượng tại những vùng chiếu sáng tối ưu
Trang 15tương thích với điều kiện của hệ thống chiếu sáng tự nhiên sẵn cĩ
Xây dựng thuật tốn fuzzy thực hiện việc phối hợp điều khiển chiếu sáng
giữa ánh sáng nhân tạo và ánh sáng tự nhiên > Nhiệm vụ
Chứng minh được cơ hội tiết kiệm năng lượng từ giải pháp kết hợp chiếu
sáng nhân tạo kết hợp chiếu sáng tự nhiên
Đề xuất việc phân vùng chiếu sáng tối ưu dựa trên độ sâu vùng chiếu sáng tự
nhiên
Xây dựng giải thuật fuzzy logic điều khiển ánh sáng nhân tạo theo điều kiện
ánh sáng tự nhiên nhằm tiết kiệm năng lượng mà vẫn đạt được mức cân bằng
độ rọi trong cơng trình
Hiệu quả của phương pháp điều khiển được chứng minh thơng qua mơ hình
hĩa và mơ phỏng trong mơ trường LABVIEW
1.3 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn nghiên cứu
> Đối tượng nghiên cứu
Điều khiển hệ thống chiếu sáng nhân tạo trong cơng trình trên cơ sở áp dụng giải thuật fuzzy
> Giới hạn nghiên cứu
Nghiên cứu chỉ tập trung xem xét đáp ứng của hệ thống chiếu sáng dựa trên mức cân bằng độ rọi thơng qua kịch bản cĩ sẵn Từ kịch bản cĩ sẵn thành lập
cơ sở tri thức đùng làm nội suy cho các hàm fuzzy
Đề tài khơng xét đến bài tốn tối ưu về năng lượng dựa trên việc điều khiển
tối ưu cả hai hệ thống chiếu sáng nhân tạo (thơng qua bộ đimmer) và hệ thống chiếu sáng tự nhiên (thơng qua hệ thống rèm và lam che năng) Việc
Trang 16lượng của hệ thống chiếu sáng tự nhiên và chiếu sáng nhân tạo, điều này nằm ngồi phạm vi nghiên cứu của dé tai nay
Đề tải cũng khơng xét đến khía cạnh kinh tế và chi phí vịng đời cho hai
chiến lược điều khiển tắt/mở và điều khiển đimming Đề tài tập trung tìm
hiểu hiệu quả của chiến lược điều khiển ứng với vùng điều khiển được xem
xét
1.4 Phương pháp nghiên cứu
Phân tích, tang hgp, fuzzy logic
Mơ hình thực tế và ứng dụng
1.5 Các bước tiến hành
Khảo sát đáp ứng của ánh sáng nhân tạo đối với sự thay đổi của ánh sáng tự nhiên trong cơng trình dựa trên mức cân bằng độ rọi
Ứng dụng điều khiển fuzzy logic cho hệ thống chiếu sáng nhân tạo dựa trên các phát biểu ngõ vào, phát biểu ngõ ra và cơ sở tri thức
Phân vùng chiếu sáng tơi ưu và xây dựng cơ sở tri thức dựa trên mơ hình “căn phịng mẫu” trong mơi trường Labview
Xây dựng thuật tốn điều khiển fuzzy logic cho hệ thống chiếu sáng nhân
tạo
Xây dựng mơ hình thực tế để mơ tả cho kịch bản điều khiển chiếu sáng (điều chỉnh độ sáng của đèn) dùng phần mềm Labview và Card đa nang HDL 9090
sản xuất tại Việt Nam
Đánh giá và kết luận, đưa ra hướng phát triển cho đề tài
1.6 Điểm mới của luận văn
Ánh sáng nhân tạo tồn tại trong suốt thời gian làm việc trong ngày Tuy nhiên, việc tận dụng và khai thác ánh sáng tự nhiên vẫn cịn nhiều hạn chế do đặc tính luơn thay
đổi cường độ của ánh sáng tự nhiên trong ngày
Với yêu cầu nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, bên cạnh các giải pháp về kỹ thuật như thay đổi cơng nghệ chiếu sáng, phân nhỏ vùng điều khiển đèn, sử đụng
Trang 17thuật tốn fuzzy điều khiển hệ thống chiếu sáng nhân tạo Với kết quả đạt được từ
để tài cho thấy tiềm năng tiết kiệm năng lượng to lớn từ hệ thống chiếu sáng
1.7 Giá trị thực tiễn của luận văn
Trong thực tiễn, mặc dù cơ cấu điện năng cung cấp cho hệ thống chiếu sáng chỉ
chiếm từ 15% đến 25% tổng nhu cầu điện năng của hệ thống điện trong cơng trình,
nhưng việc tận dụng chiếu sáng tự nhiên được dự tính cĩ thể thay thế đến 50% tiêu
thụ điện năng trong các cơng trình văn phịng làm việc Việt Nam là một nước nhiệt đới với thời gian nắng trong ngày kéo dài Điều này cho thấy tiềm năng rất lớn từ việc khai thác ánh sáng tự nhiên trong cơng trình
Việc xây dựng đáp ứng của hệ thống chiếu sáng nhân tạo đối với sự thay đơi của
ánh sáng tự nhiên khơng chỉ mang lại lợi ích từ việc tiết kiệm năng lượng mà cịn
tăng tuổi thọ vật lý của đèn do thời gian sử dụng bĩng được giảm đi 1.8 Nội dung thực hiện
> Cơ sở lý thuyết: trình bày tổng quan về chiếu sáng nhân tạo và chiếu sáng tự
nhiên, giới thiệu nguyên lý điều khiển hệ thống chiếu sáng dựa trên nền tảng
fuzzy logic
> Điều khiển chiếu sáng bằng fuzzy logic: xây dựng mơ hình đối tượng điều
khiển, xác định vùng chiếu sáng hợp lý và luật điều khiển, xây dựng lưu đồ giải thuật và xây dựng thuật tốn điều khiển cho mơ hình thực tế
> Kết quả thực tế: trình bày các kết quả đạt được dựa trên mơ hình thực tế Từ đĩ chứng minh được giá trị thực tiễn của phương pháp điều khiển đối với vẫn đề tiết kiệm năng lượng
Trang 18Chương 2
CO SO LY THUYET 2.1 Téng quan về chiếu sáng tự nhiên và chiếu sáng nhân tạo 2.1.1 Chiếu sáng tự nhiên
2.1.1.1 Tong quan chiéu sang ty nhién
Ánh sáng tự nhiên trong cơng trình là ánh sáng được lấy từ ánh sáng ngồi nhà qua hệ thống cửa lấy sáng Ánh sáng ngồi nhà phụ thuộc rất nhiều nhân tố như độ cao
mặt trời, tình hình phản xạ của mặt đất, độ trong suốt của khí quyên, khí hậu, địa
hình, cảnh quan .Các bức xạ ánh sáng trên đường đi từ mặt trời đến trái đất, xuyên qua khí quyển, một phần bị khí quyển hấp thụ và tản xạ, một phần xuyên suốt khi qua khí quyền và truyền thắng xuống đất
Tuỳ theo điều kiện cụ thể, khi bầu trời cĩ mây hoặc khơng cĩ mây, ánh sáng được
phân tách thành 3 thành phần, bao gồm: e E,,-: là ánh sáng trực tiếp
e Exp: la ánh sáng khếch tán
e £E,: 1a anh sang phan xa
Độ rọi tổng cộng trên một bề mặt bất kỳ ở ngồi nhà, nơi quang đãng, được cho như
sau:
E = Exe + Ext + Ep (2.1)
Hệ số độ roi so sánh:
-Ý_—_—FttEuttfp - Ị ExttEp ExttEp (2.2) Do tính chất bất thường của ánh sáng trực tiếp E¿; nên trong tính tốn chiếu sáng tự
nhiên, người ta khơng kể tới E¿; Tuy nhiên, trong thực tế, ánh sáng trực tiếp khi tồn
tại cĩ tác dụng tăng cường rất lớn đối với độ rọi lấy trong phịng
Khi tính tốn chiếu sáng tự nhiên, người ta quy ước rằng độ rọi ngồi nhà là độ rọi
Trang 19Ext = “3 1asin2ho (2.4)
Trong đĩ:
e _B, là độ chĩi của bầu trời ở đỉnh đầu họ là gĩc cao mặt trời
Trên cơ sở tổng kết số liệu thu thập được trong nhiều năm của các trạm đài khí tượng ở địa phương, thành lập một tập hợp giá trị trung bình của độ rọi ngồi nhà biến đổi trong từng giờ, từng ngày, từng tháng, từng năm Từ giá trị độ rọi trung
bình trong tháng, thành lập biểu đồ đường cong độ rọi trung bình ngồi nhà cho mỗi
địa phương, gọi là biểu đồ quang khí hậu của địa phương Ä 5 $ ? $ 9 wo UF 12 19 14 l5 TẾ 12 nụ lốc K, lux Hình 2.1Biểu đồ độ rọi ánh sáng tản xạ trên mặt nằm ngang tại Hà Nội
Qua biểu đồ quang khí hậu, ta thấy ánh sáng mặt trời tăng dần từ sáng đến trưa,
giảm dần từ trưa tới tối Từ biểu đồ quang khí hậu cĩ thể xác định thời gian chiếu
sáng tự nhiên và chiếu sáng nhân tạo cần cho cơng trình Trong đĩ, độ rọi giới hạn
ngồi nhà (Engzn) là độ rọi ngồi nhà mà lúc đĩ trong nhà phải mở đèn, nghĩa là
giới hạn độ rọi vượt quá 85% thời gian làm việc từ 9 giờ sáng đến 17giờ chiều trong
suốt những ngày làm việc trong năm
Trang 20© Số giờ sử dụng ánh sáng tự nhiên của mỗi địa phương, mỗi quốc gia
e© Kích thước của các cửa chiếu sáng e_ Tiện nghi mơi trường ánh sáng trong nhà
Hiện tại, Engzn được quy định phụ thuộc vào từng quốc gia Cụ thể, tại Cộng Hịa
Liên Ban Đức chọn Engzu= 3000 lux, CIE kiến nghị lựa chọn Enggn= 5000 lux và điều này cũng được chấp nhận trên nhiều nước Hiện tại, quy phạm hiện hành quy
định giới hạn độ rọi ở các địa phương trong tồn quốc ở mức Enggh= 5000 lux
Trong các mơ hình mơ phỏng độ rọi giới han, giá trị độ rọi được cho trong khoảng từ 12-15000 lux tại khu vực gần đường xích đạo và trong khoảng 3-4000 lux ở vĩ độ +60° woe ee eee eee “3 ~ - 3,000 Lux ~———————~ - ~ - 4,000 Lux _—————~ ⁄ - ~=== -~- 5,000 Lux ¬ á ` me - 7,500 Lux aa ae rN - - 10,000 Lux đ _ an” 15,000 Lux 18,000 Lux - 15,000 Lux EÝ - 10,000 Lux ° P. - 7,500 Lux ~ - TTT TT TSN “ee Oe 2 ` Ti - 5,000 Lux - 4,000 Lux ~ - 3,000 Lux
Hình 2.2Phán bĩ giới hạn độ rọi theo dia phuong cia CIE
Theo biểu đồ quang khí hậu tại Việt nam, khi chọn Enggh= 5000 lux ung với thời
điểm từ 7 giờ đến 17 giờ thì:
e_ Miền Bắc đạt được trong suốt 8 tháng e Miền Trung đạt được suốt 9-10 tháng
e_ Miễn Nam đạt được gần như quanh năm
Nếu chon chon Eng gh= 3000 lux img voi thoi điểm từ 7 giờ đến 17giờ thì:
e Từ Quảng Nam trở về phía Nam đã được suốt năm
se Từ Thanh Hố đến Đà Nẵng đạt được 11 tháng (trừ tháng 12 hoặc 1)
Trang 21tốn M (Em) trên mặt phẳng nằm ngang trong phịng với độ rọi ngồi nhà, được cho
bởi cơng thức sau:
em = et x 100% (2.5)
Từ đĩ, cĩ thể tính được giá trị độ rọi trong phịng (Em) tại thời điểm nào bằng tỷ lệ giữa hệ số chiếu sáng tự nhiên và độ rợi ngồi nhà tại thời điểm đĩ
_ em-Eng
Em = 100% (2.6)
Trị số d6 roi ngồi nhà cĩ thé tim trong biểu đồ độ rọi ngồi nhà thành lập cho từng
địa phương, qua số liệu quang trắc trong nhiều năm
> Định luật hình chiếu gĩc khối
Xét trường hợp thơng thường, mặt phẳng làm việc nằm ngang Lấy điểm cần tìm độ
roi lam tâm, dựng bán cầu bán kính r đơn vị Giả thiết độ chĩi B của mặt bán cầu phân bố đều Độ rọi tại M là do phần diện tích AS nhìn từ M qua cửa lấy ánh sáng dau ra, vi AS khá bé, thừa nhận như nguồn sáng điểm Cường độ sáng AI do AS phát ra: AI = B.AS (2.7) AI Ey = xa COS (2.8) Mà r = đơn vị, ta cĩ
Em = Al.cosB = B AS cosB (2.9) Ta lại cĩ AS cosB = Ao 1a hinh chiếu của AS lên mặt phẳng nằm ngang, do đĩ:
E = B.Aø (2.10) Diện tích hình chiếu của bán cầu trên mặt phẳng nằm ngang:
Trang 22B phân bố đều MLV Hình 2.3 Giả thiết độ chĩi B của mặt bán cầu phân bố đều Do bán kính r = 1, nên: Eng = BL = BT (2.12) = mu _ Bo _? Hay em=< (2.14)
Phát biểu: giá trị độ rọi trên mặt phẳng thẳng đứng ngồi trời chỉ bằng một nửa giá
trị độ rọi trên mặt phẳng nằm ngang ngồi trời
> Sy phan bé độ chĩi (q) của bằu trời
Thực tế, độ chĩi của bầu trời phân bố khơng đều Sự phân bố độ chĩi của bầu trời cĩ ảnh hưởng rất lớn đối với độ rọi ngồi nhà và trong nhà Khơng kể vị trí của mặt trời, độ chĩi của bầu trời cực đại ở đỉnh đầu và giảm dan xuống chân trời
Hệ số độ chĩi khơng đều của bầu trời (q), bằng:
- 2 - nề (2.15)
Trong đĩ,
e Bạ: Độ chĩi trung bình của mảng trời nhìn thấy từ điểm tính tốn qua cửa lấy
Trang 23e 0: Gĩc cao của mảng trời nhìn thấy từ điểm tính tốn qua cửa lấy ánh sáng, bằng gĩc hợp thành giữa mặt phẳng năm ngang với đoạn thẳng nối điểm tính
tốn đến tâm lỗ cửa Hình 2.4 Sự phân bồ độ chĩi (q) của bâu trời Giá trị q (khơng kể ánh sáng phản xạ) Bảng 2.1: Bang hệ số độ chĩi của bầu trời 8.09“ 10° 20° | 30 40° | 50° 60° 702 | 802 90° q| 0,4 0,5 0,6 0.74 | 0,88 1 1,1 1,18 1,24 | 1,27 1,28
Với độ cao mặt trời xác định thì sự phân bơ độ chĩi của bâu trời phụ thuộc vào vị trí
mặt trời và vị trí của mảng trời nhìn thấy qua cửa số lấy ánh sáng (tức là hướng của
cửa lấy ánh sáng với vị trí mặt trời), khi đĩ hệ số độ chĩi khơng đều của bầu trời q
cĩ thé lay theo bảng sau:
Bảng 2.2 Hệ số độ chĩi của bằu trời theo hướng lấy sáng
| , Đơng-Bắc Đơng | Đơng Nam
Hướng cửa lây ảnh sáng | Bac , Nam
Tay-Bac Tay Tay-Nam
Trang 2411
Từ giá trị q; trong bảng trên, cĩ thể thấy, nếu đặt cửa lấy ánh sáng ở hướng Đơng
và hướng Tây sẽ chịu ảnh hưởng lớn nhất của độ chĩi
Cường độ bức xạ tử ngoại của mảng trời nhìn thấy qua cửa lấy ánh sáng phụ thuộc vào độ cao của mảng trời so với đường chân trời, cĩ thê tham khảo bảng sau:
Bảng 2.3Bảng cường độ bức xạ của mảng trời qua cửa lấy sang Độ cao của mảng trời (độ) 15|25|35|50|55|65175| 85 Cường độ tương đơi của bức xạ tử ngoại (%) 52 | 64| 74) 79 | 81 | 85 | 87] 100 2.1.1.3 Độ rọi tống hợp trong phịng Quang thơng F tới một điểm nào đĩ trong phịng bằng tổng hợp những quang thơng sau:
Quang thơng khếch tán của vịm trời trực tiếp vào phịng: Fy¢ Quang thơng phản xạ từ các bề mặt trong phịng: Fọ
Quang thơng phản xạ từ bề mặt các cơng trình đối điện: Fạ
Quang thơng phản xạ từ mặt đất: Fs
Hệ số chiếu sáng tự nhiên em tại một điểm nào đĩ trong phịng:
€m = Cxt + €o + Sa † (2.16)
Tập hợp này bao gồm nhiều nhân tố ngẫu nhiên và khác thường, do đĩ, để đơn giản
tính tốn quang học, người ta đưa vào những giả thiết sau đây:
Độ rọi B của bầu trời phân bố đều
Khơng xét độ rọi tăng thêm do ánh sáng trực tiếp (Ex) gay ra
Khơng tính tới ảnh hưởng của ánh sáng phản xạ
Khơng xét tới đặc điểm quang khí hậu của địa phương
Trên cơ sở những giả thiết này, kết quả tính tốn sẽ sau với thực tế, do đĩ phải hiệu
Trang 25Ngày nay, với sự hỗ trợ của máy tính và sự phát triển mạnh mẽ của ngành mơ hình hố và mơ phỏng, các nhân tố tự nhiên này được xét vào phép tính và kết quả của
mơ phỏng càng gần với kết quả thực tế
2.1.2 Chiếu sáng nhân tạo
Các yếu tố ánh hưởng đến chiếu sáng nhân tạo
> Hệ số tốn bao ánh sáng (Iight Loss Factor— LLF)
Hệ số tổn hao ánh sáng được xét đến tuổi thọ của đèn giảm dần dẫn đến quang
thơng của đèn bị suy giảm Ngồi ra cịn phải kể tới các yếu tố khác như: các bộ đèn
bị bám bẩn, ảnh hướng của các loại ballast khác nhau trên hiệu suất phát sáng và
tuổi thọ của đèn
> Độ trơng phản (Contrast)
Trong thực tế, mỗi một chỉ tiết của vật thê được chiếu sáng đều cĩ yêu cầu về độ rọi
và màu sắc khác nhau từ nền đến chúng Khả năng nhận biết tốt nhất khi độ tương
phản giữa vật và nền của nĩ càng cao Nếu độ tương phản thấp, cĩ thể khắc phục bằng cách sử dụng hệ thống chiếu sáng bổ sung
> Tỷ số độ rọi
Đề mắt được làm việc một cách dễ chịu và hiệu quả thì độ rọi giữa vật được chiếu
sáng với các vật chung quanh phải tương đối đồng đều Người thường xuyên nhìn vào vật được chiếu sáng nhưng họ cũng cĩ thể nhìn sang những vật thể khác Nếu
độ rọi khơng đều, khi thay đổi hướng nhìn từ vùng sáng đến vùng tối và ngược lại, mắt người phải thường xuyên điều tiết dẫn đến sự mệt mỏi, giảm hiệu suất lao động và tai nạn lao động cĩ thể xảy ra Vì thể các độ rọi trong trường nhìn phải được
kiểm sốt một cách cần thận
> Độ đẳng đều
Độ đồng đều của độ rọi đạt được khi độ rọi cực đại khơng vượt quá 1.6 lần độ rọi
trung bình và độ rọi cực tiểu thì khơng thấp hơn 1.6 lần độ rọi trung bình
Trang 2613
Fave < 16 (2.18)
Emin
Đề bảo đảm độ rọi đồng đều, cĩ thể sử dụng các đèn cĩ cơng suất giống nhau, thay
đổi số lượng và khoảng cách giữa các đèn, để đạt được sự phân bố đèn đều trên mặt phẳng làm việc
> Tỷ số khoảng cách
Với mục đích đạt được độ rọi đồng đều trên mặt phẳng làm việc thì các nhà sản
xuất đưa ra hệ số khoảng cách giữa các đèn với độ cao treo đèn quy định trước Đề biết được khoảng cách giữa hai đèn tối đa cho phép, người thiết kế sẽ nhân hệ số
này với độ cao treo đèn tới điểm làm việc Các bộ đèn cĩ hệ số khoảng cách cao, do
cĩ đường cong phân bố cường độ sáng rộng cần bố trí đèn xa hơn
> ,Sự phân phối
Độ rọi trên mặt đứng là một trong các chỉ tiêu cần xem xét trong hầu hết các mơi
trường cơng nghiệp vì rất nhiều đây chuyển sản xuất như dây chuyển sản xuất máy,
băng chuyển điều khiển, băng chuyển lắp ráp, thường được bé tri theo mat thang
đứng Mặt khác, các may hay thiết bị cĩ thê che chăn lượng ánh sáng và gây nên
các bĩng tối trên mặt phẳng làm việc
Để chiếu sáng mặt phẳng đứng cần ứng dụng những hệ thống chiếu sáng thích hợp
cũng như lưu ÿ đến việc lựa chọn bộ đèn và vị trí đặt bộ đèn Các bộ đèn cĩ đường cong phối quang theo diện rộng cĩ thể được dùng trong hệ thống chiếu sáng bổ
sung nhằm thu được lượng ánh sáng cần thiết trên về mặt thẳng đứng và khắc phục những trở ngại do nĩ gây ra
> Bĩng
Bĩng cĩ thể được loại trừ nhờ sử dụng nhiều loại đèn khác nhau hoặc các loại đèn
cĩ đường cong phối quang theo điện rộng Tuy nhiên, việc loại trừ các bĩng mờ
cũng gặp nhiều khĩ khăn Muốn giảm tối thiểu các bĩng mờ cĩ thể dùng hệ thống
Trang 27Choi cĩ thể gây ra mỏi mệt, nhức đầu, cảm giác thiếu tiện nghỉ, chĩi làm giảm năng suất do giảm hiệu quả nhìn
Cĩ hai loại chĩi:
+% Chĩi trực tiếp: được gây nên bởi lượng ánh sáng trong trường nhìn được chiếu
trực tiếp tới mắt người Để giảm độ chĩi trực tiếp, cần áp dụng các biện pháp sau: e Dùng các bộ đèn với choa kiểu sâu để bao bọc đèn trong trường nhìn hay lựa chọn các bộ đèn cĩ kính mờ e_ Giảm độ sáng bằng cách dùng đèn cơng suất thấp và giảm khoảng cách giữa hai đèn
e Son tran mau trang va lựa chọn các bộ đèn cĩ từ 15% đến 20% lượng ánh sáng chiếu lên nhằm giảm độ tương phản cao giữa nguồn sáng cĩ độ sáng cao và nên sậm
ate
* Chĩi gián tiếp: gây nên do ánh sáng phản chiếu từ bộ đèn đến mặt phẳng làm việc hoặc các vật khác và đi vào mắt Để giảm độ chĩi do phản xạ, cĩ thể áp
dụng các biện pháp sau:
e Lựa chọn các bộ đèn cĩ kiểu phân bố ánh sáng rộng dùng cho trần thấp và các bộ đèn huỳnh quang cĩ chố kiểu bọc kín
e Giảm cơng suất của đèn và khoảng cách giữa hai đèn e_ Định vị các bộ đèn ngay trên dây chuyền sản xuất 2.2 Các giải pháp điều khiển chiếu sáng
2.2.1 Phương pháp quang thơng
Phương pháp quang thơng thường được sử dụng cho trường hợp chiếu sáng
chungđều, cĩ kể đến ánh sáng phản xạ của trần, tường và sàn nhưng khơng thích hợp để tính tốn cho chiếu sáng cục bộ và chiếu sáng cho các mặt phẳng làm việc
khơng phải là nằm ngang
Trang 2815
Theo phương pháp quang thơng, độ rọi trên mặt phẳng làm việc nằm ngang do hệ thống chiếu sáng chung đều cung cấp được xác định theo biểu thức sau: np.nạ.Fp.CU.LLF Eyc = % (2.19) Trong đĩ: e_ nọ: là số bĩng trong một bộ đèn; e Fp: là quang thơng ban đầu của bĩng đèn (Im); e nạ: là số đèn sử dụng; e_ CU: là hệ số sử dụng; e LLF: 1a hé sé mat mat ánh sáng; e Sp: 1a dign tich duge chiéu sang; Hệ số mất mát được xác định theo cơng thức:
LLF = LLD LDD BF RSD (2.20) Trong đĩ:
e LLD: 1a hé sé suy hao quang thơng theo thời gian sử dụng;
e _ LDD: là hệ số suy hao quang thơng do bụi;
e BF: là hệ số cuộn chấn lưu;
© RSD: là hệ số suy hao phản xạ của phịng do bụi;
Hệ số sử dụng phụ thuộc vào kiểu bộ đèn, chỉ số phịng, hệ số phản xạ của trần, tường, sản Chỉ số phịng được xác định theo cơng thức: Sp ~ Hee Di Dz C2) i Trong đĩ:
e Sp: là diện tích phịng được chiếu sáng (m?); e Hạ: là độ cao treo đèn tính tốn;
© D,va Ds: lần lượt là chiều đài và chiều rộng của phịng
Trang 29Eyc5Sp
Fa = Mp Fy = nạ.CU.LLF (2.22)
2.2.2 Phương pháp điểm
Phương pháp điểm tính chính xác mức độ rọi tại một điểm bất kỳ cho trước bằng cách cộng tất cả độ rọi tại điểm này do tất cả các bộ đèn trong hệ thống chiếu sáng
cung cấp Đề đạt được mức tính tốn chính xác thì khoảng cách từ nguồn sáng đến
điểm đang xét, nên cĩ giá trị tối thiểu bằng 5 lần kích thước lớn nhất của bộ đèn Sử
dụng đường cong phân bố cường độ sáng của bộ đèn xác định cường độ sáng theohướng a I, , gid trị độ rọi của điểm cần kiểm tra trên mặt phẳng nằm ngang
được xác định theo biểu thức:
Tg.cosa
E= “ (2.23)
Trong đĩ:
e E: là độ rọi tại một điểm đang xét
©_ lạ: là cường độ sáng theo hướng œ
e _D: là khoảng cách từ nguồn đến điểm đang xét
e a: là gĩc hợp bởi cạnh D và đường vuơng gĩc với mặt phẳng nằm ngang tại
điểm đang xét
Phương pháp điểm cĩ thể sử dụng đường cong độ rọi để xác định độ roi tại điềm
cần kiểm tra Cách tính này cần tính tỷ số giữa khoảng cách nằm ngang từ đèn đến
điểm kiểm tra và độ cao treo đèn Sau đĩ, so sánh tỷ số này với giá trị tỷ số trên biểu đồ Nếu chiều cao treo đèn thực tế MH khác với chiều cao treo đèn cho
trước ứng với đường cong đẳng độ rọi của nhà sản xuất MHẹ thì cần xác định hệ
số hiệu chỉnh theo biểu thức:
MH
K= NHỆ (2.24)
2.3 Tiết kiệm và hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng chiếu sáng
Trong tồn bộ các hệ thống kỹ thuật sử dụng năng lượng (điều hồ khơng khí, chiếu
sáng, thang máy, cấp nước, thiết bị khác, ) phục vụ cho hoạt động của các tồ nhà
Trang 3017
cơ cấu tiêu thụ năng lượng điện trong các tịa nhà Do vậy, nếu tiết kiệm điện cho hệ
thống này đồng nghĩa với việc tiết kiệm được điện năng tiêu thụ đáng kể trong các tồ nhà cơng sở, tơ hợp văn phịng thương mại, khách sạn, chung cư
2.3.1 Hiện trạng sử dụng năng lượng cho chiếu sáng
Sử dụng năng lượng cho chiếu sáng ngày càng chiếm tỉ trọng lớn và tăng nhanh đáng kể trong tổng nhu cầu về năng lượng sử dụng trong các tồ nhà và sự phát thải khí nhà kính
Tại Việt Nam, hiện nay sản lượng điện cần cung cấp cho các tồ nhà (nhà hàng, khách sạn, TT, thương mại, sinh hoạt ) gần 13.924 tỷ kWh tương đương với 48% cơ cấu điện thương phẩm Nhu cầu sử dụng năng lượng của các tồ nhà ngày một
tăng: So sánh các năm 2006 và 2009 cĩ trên 600 tồ nhà trụ sở làm việc cĩ mức năng lượng tiêu hao tăng so với cùng kỳ (một số đơn vị tăng 3,6 lần) Hiện trạng sử
dụng năng lượng tại các tồ nhà được khảo sát trong năm 2008 - 2009 cho thấy rằng
chiếu sáng là lĩnh vực tiêu thụ năng lượng chỉ sau lĩnh vực điều hồ khơng khí và tỉ
lệ tiêu thụ năng lượng cụ thể như sau: Tồ nhà cơng sở: 11,5%; Khách sạn: 18 %; Trung tâm thương mại: 9,1 1%
2.3.2 Các tốn thất năng lượng cho chiếu sáng tại các cơng trình tồ nhà ở Việt Nam theo các nghiên cứu gần đây đã được phân tích bao gồm:
- Chưa tận dụng tối đa chiếu sáng tự nhiên
- Mat độ chiếu sáng cịn cao (chiếu sáng thừa)
- Bĩng huỳnh quang T10 và chấn lưu truyền thống vẫn được dùng phổ biến
- Chưa sử dụng nhiều các loại đèn tiết kiệm năng lượng cĩ hiệu suất cao như đèn
compact, huỳnh quang T5; LED
- Khơng sử dụng điều khiển tự động chiếu sáng tại các khu vực cơng cộng như các khu vệ sinh, sảnh, hành lang, đèn quảng cáo
2.3.3 Giải pháp chiếu sáng hiệu quả tiết kiệm năng lượng
Trang 31Tiện ích của việc chiếu sáng tự nhiên thay thế chiếu sáng bằng điện vào ban ngày
ngày càng bị bỏ qua đặc biệt ở các văn phịng được trang bị điều hồ khơng khí hiện đại và các khu thương mại như khách sạn, trung tâm mua bán Nhìn chung, các cơng trình sử đụng ánh sáng ban ngày để chiếu sáng, nhưng hệ thống chiếu sáng
ban ngày được thiết kế chưa thật hợp lý cĩ thể dẫn đến việc phải sử dụng bố sung các đèn điện vào ban ngày Một vàiphương pháp kết hợp chiếu sáng tự nhiên là: e Sử dụng chiếu sáng nếu khung đỡ mái che loại răng cưa là loại cơng trình
chung: Các thiết kế đổi mới cĩ thể phù hợp vì chúng loại trừ độ chĩi của ánh sáng ban ngày và rất hợp với nội thất Các đải kính chạy suốt bề ngang của mái
nhà theo các khoảng đều cĩ thể cung cấp chiếu sáng tốt, đồng nhất;
e_ Một thiết kế tốt kết hợp với các cửa số ở trần nhà làm bằng chất liệu FRP cùng
với trần giả trong suốt và trong mờ cĩ thể cung cấp chiếu sáng khơng cĩ ánh sáng chĩi, trần giả cũng giảm hơi nĩng từ ánh sáng tự nhiên;
e_ Cũng nên sử dụng ánh sáng tự nhiên từ cửa số Tuy nhiên, cửa số nên được thiết kế tết để tránh ánh sáng chĩi Nên sử dụng các cửa lấy ánh sáng để cung cấp ánh
sáng tự nhiên khơng cĩ ánh sáng chĩi Thiết kế chiếu sáng nhân tạo cho các khơng gian khép kín với diện tích lớn hơn 25m2 cĩ chiếu sáng tự nhiên thì phải
được lắp cơng tắc để cĩ thể điều khiển độc lập với vùng khơng được thiết kế
chiếu sáng tự nhiên Tại các khu vực được chiếu sáng tự nhiên, cần bố trí cơng
tắc điều khiển để cĩ thể ngắt đi ít nhất 50% số đèn trong khu vực đĩ
e Theo Quy Chuẩn Xây Dựng Việt Nam QCVN 05:2008/BXD, các căn phịng
trong nhà, nhất là các phịng ở, khu vệ sinh cần được ưu tiên chiếu sáng tự nhiên
qua các cửa số mở trực tiếp ra khơng gian trống bên ngồi.Đối với nơi làm việc,
Trang 3219 Bảng 2.4 Hệ số độ rọi tự nhiên tối thiểu
Phân cấp hoạt động thị giác Chiếu sáng bên Chiếu sáng trên Mức độ chính xác Kíchthước | Độ rọi ánh | Hệ số độ | Độ rọi ánh | Hệ số độ
vật phân biệt sáng tự rọi tự sáng tự | rọi tự nhiên (mm) nhiên trong | nhiên tối nhiên trung bình
nha (lux) | thiểu (%) | trong nhà (%) (lux) Đặc biệt chính xác d< 0,15 250 5 350 7 Rất chính xác 0,15<d<0,3 150 3 250 5 Chính xác 0,3< d<1,0 100 2 150 3 Trung bình 1,0< d<5,0 50 1 100 2 Thơ đ> 5,0 25 0,5 50 1 oe đ) â ộ 7 LIELHE _ x đ â đ) VEC l5 a “ 3 i - @ @ (m) (a)
Hình 2.5 Các phương thức lấy sáng tự nhiên trong cơng trình
(theo CIBSE guide F)
>_ Giảm số lượng đèn để giảm lượng chiếu sáng thừa
Giảm mật độ chiếu sáng cĩ thể thực hiện bằng việc giảm số lượng đèn là một
Trang 33những khơng gian trống nơi khơng cĩ hoạt động làm việc cũng là một khái niệm
hữu ích Cĩ một vài vấn đề về giảm bớt đèn liên quan đến sự kết nối giữa đèn và chắn lưu trong các giá đèn cĩ nhiều đèn Cĩ chắn lưu nối tiếp và chấn lưu song
song Hầu hết chấn lưu được mắc nối tiếp Tỷ lệ khoảng 50/50, chắn lưu nối tiếp
chuyển thành song song khi sử dụng chắn lưu điện tử Với chấn lưu nối tiếp, khi
tháo một đèn ra khỏi chắn lưu, đèn cịn lại sẽ khơng sáng đúng cách và sẽ hỏng nếu
vẫn tiếp tục hoạt động Những đèn khơng được tháo cĩ thể sẽ khơng sáng hoặc sẽ nhấp nháy hoặc sinh ra ánh sáng rất yếu Do vậy, với chấn lưu nối tiếp chúng ta cần tháo tất cả đèn ra khỏi chấn lưu Chấn lưu sẽ tiếp tục sử dụng năng lượng, từ 10W
đến 12W với chấn lưu từ và từ 1W đến 2W với chấn lưu điện Chan lưu song song cĩ thể rút bớt mà khơng gây quá nhiều vấn đề và thường được tiêu thụ bởi các nhà
sản xuất để chạy ít hơn một đèn so với các nhãn hiệu danh nghĩa
> Chiếu sáng theo cơng việc
Chiếu sáng theo cơng việc nghĩa là cung cấp độ chiếu sáng tốt theo yêu cầu chỉ tập trung vào diện tích thực, ở đĩ cơng việc được thực hiện trong khi việc chiếu sáng
chung cho xưởng hoặc văn phịng chỉ giữ ở mức thấp hơn; ví dụ đèn gắn vào các máy mĩc hoặc đèn bàn Cĩ thể tiết kiệm được năng lượng bởi vì đèn cĩ cơng suất
thấp cũng cĩ thể tạo ra chiều sáng tốt theo từng loại cơng việc Khái niệm về chiếu sáng theo cơng việc nếu được thực hiện một cách hợp lý thì cĩ thể giảm số lượng chùm đèn chiếu sáng chung, giảm cơng suất của đèn, tiết kiệm đáng kế năng lượng
và cung cấp việc chiếu sáng tốt hơn và cũng tạo ra mơi trường thắm mỹ và dễ chịu hơn Ở một vài cơng trình, giảm độ cao của các chùm đèn huỳnh quang đã làm tăng thêm độ chiếu sáng và cũng giảm được gần 40% số chùm đèn Thậm chí trong các văn phịng, chiếu sáng các bàn làm việc bằng các đèn huỳnh quang compact cĩ thé
hiéu qua hon thay vi cung cap số lượng lớn đèn huỳnh quang chiếu sáng chung đồng bộ
- Theo Quy Chuẩn Xây Dựng Việt Nam QCVN 05:2008/BXD, Yêu cầu về độ rọi
Trang 3421
Bảng 2.5 Chiếu sáng nhân tạo bên trong nhà - Độ rọi tối thiểu trên bê mặt làm việc hoặc vật can phân biệt
Độ rọi tối thiêu (Lux) trong trường hợp quan sát Loại phịng Thường xuyên Theo chu kỳ Khơng lâu Đèn Đèn Đèn Đèn Đèn Đèn huỳnh nung huỳnh | nung | huỳnh | nung quang sáng quang | sáng | quang | sang Phịng làm việc, văn phịng, lớp học, phịng thiết kế, thí 400 200 300 150 150 75 nghiệm Phịng ăn uơng; Gian bán : 300 150 200 100 100 50
hang; Gian trién lam Hội trường gian khán giả; Nhà 150 75 100 50 75 30 hát, rạp chiêu bĩng Bảng 2.6 Chiếu sáng sự cơ và chiêu sáng nhân tạo bên ngồi nhà
Độ rọi tối thiểu (lux) Ghi chú Loại chiếu sáng Trong nhà Ngồi nhà 1 Chiếu sáng sự cỗ: - Trên mặt làm việc 2 1 - Phịng mé 150 - Phải dùng đèn - Trên đường thốt nạn 1 2 Sợi nung (trên mặt sàn lỗi đi, bậc thang) 2 Chiêu sáng bảo vệ 1 (trên mặt đất) 3 Ngồi nhà: - Cổng vào 3
- Đường, sân dạo chơi
- Sân chơi, tập thê dục 4
| HUTECH LIBRARY |
A_ 7051
Trang 35> Lựa chọn ®n, bố trí đền và bộ đền hiệu suất cao
Chỉ tiết về các loại đèn thơng dụng được tĩm tắt bên dưới Từ danh sách này, khả năng tiết kiệm năng lượng của đèn cĩ thể được xác định bằng cách thay thế những
loại hiệu suất cao hơn
Bảng 2.7Bảng hiệu suất các loại đèn và tốn thất chấn lưu
Cơng | Đường Chiêu |Hiệu suất tơi Ton that
Trang 3623 quang compact Đèn phĩng điện cường độ cao 40 Đèn sợi đết 75
Những ví dụ sau về thay thé đèn là rất thơng dụng:
e Lap dén halogen kim loai thay cho đèn hơi natri / thuỷ ngân
e_ Đèn halogen kim loại cĩ chỉ số hồn màu cao khi được so sánh với đèn hơi natri
và thuỷ ngân Những đèn này cung cấp ánh sáng trắng hiệu quả Do đĩ, đèn
halogen kim loại là tựa chọn cho các ứng dụng chú trọng về màu sắc, trong đĩ yêu cầu về mức chiếu sáng cao hơn Những đèn này rất thích hợp để ứng dụng
cho các dây chuyền sản xuất, các khu kiểm tra, cửa hàng bán tranh, vv Nên lắp
đèn halogen kim loại nếu cần độ hồn màu
e Lắp đèn hơi natri cao áp (HPSV) cho các ứng dụng khơng cần nhiều độ hồn
mau
e Dén hoi natri cao 4p (HPSV) mang lai nhiều hiệu quả hơn Nhưng đặc tính hồn
màu của HPSV là rất thấp Do đĩ, nên lắp đèn HPSV cho các ứng dụng như
chiếu sáng đường, sân, vv
Lắp đèn chỉ báo panel LED thay thế đèn dây tĩc Đèn chỉ báo panel được sử dụng
rộng rãi trong các ngành cơng nghiệp để giám sát, biểu thị hỏng hĩc, báo hiệu, vv
Đèn dây tĩc thơng thường được sử dụng cho các mục đích đĩ nhưng cĩ những bất
lợi sau:
Trang 37» Hỏng hĩc đèn cao (tuổi thọ hoạt động ít hơn 10.000 giờ)
‹ _ Rất nhạy câm với những dao động về điện áp
Đèn LED cĩ những ưu thế sau so với đèn dây tĩc
« _ Tiêu thụ điện ít hơn (ít hơn 1W/đèn)
» - Chịu được dao động điện áp cao trong việc cung cấp điện » _ Tuổi thọ hoạt động lâu hơn (hơn 20.000 giờ)
Nên lắp đèn LED thay cho đèn chỉ báo bảng panel khi thiết kế
Các loại đèn được sử dụng phụ thuộc vào chiều cao lắp đặt, độ hồn màu cũng là một yếu tố định hướng Bảng bên dưới tĩm tắt khả năng thay thế cùng với khả năng tiết kiệm Bảng 2.8Bảng so sánh tiêu thụ năng lượng giữa các loại đèn sử dụng Khả năng tiết kiệm
Đèn đang dùng Thay thế bởi năng lượng (%)
Đèn huỳnh quang compact (CFL) 38 đến 75 Đèn hơi thuỷ ngân cao áp (HPMV) 45 đến 54
Halogen kim loại 66
GLS (Đèn nĩng sáng) ,
Đèn hơi natri cao áp (HPSV) 66 dén 73
Đèn tuýp tiêu chuan „ Đèn tuýp mỏng (Kripton) 9 đến 11 (Argon) Đèn tuýp (Kripton) 31 đến 6l Đèn hơi thuỷ ngân cao áp (HPMV) 54 dén 61 Dén halogen vonfram 7
Halogen kim loai 48 dén 73
Đèn hơi natri cao áp (HPSV) 48 đến 84
Đèn hỗn hợp thuỷ ngân |_ Đèn hơi thuỷ ngân cao áp (HPMV) 4I Đèn hơi thuỷ ngân cao Halogen kim loại 37
áp Đèn hơi natri cao áp (HPSV) 34 đến 57
(HPMV) Đèn hơi natri hạ áp (LPSV) 62
Halogen kim loai Dén hoi natri cao ap (HPSV) 35
Trang 3825 Đèn hoi natri cao áp Đèn hơi natri hạ áp (LPSV) 42 (HPSV)
> Giảm điện áp dây dẫn chiếu sáng
Những khác biệt tương tự đã quan sat thấy ở các đèn phĩng khí như đèn hơi thuỷ ngân, đèn halogen kim loại và đèn hơi natri; bảng bên dưới tĩm tắt ảnh hưởng của
điện áp đến hiệu suất sáng
Do đĩ, giảm điện áp dây dẫn chiếu sáng cĩ thê tiết kiệm năng lượng miễn là chấp nhận sự sụt giảm hiệu suất sáng Ở rất nhiều khu vực, điện áp lưới vào ban đêm cao
hơn bình thường, vì thế giảm điện áp cĩ thể tiết kiệm năng lượng và cung cấp hiệu
suất sáng danh nghĩa Một vải nhà sản xuất hiện cung cấp máy phản ứng và máy
biến thế làm các sản phẩm tiêu chuẩn Nhiều nơi sử dụng những thiết bị này và báo cáo tiết kiệm lên tới 5% đến 15% Nhiều cơng trình gặp phải vấn đẻ về điện áp ban
đêm cao hơn cĩ thể cĩ thêm lợi ích từ việc giảm sự hỏng hĩc sớm của đèn
> Chấn lưu điện tử
Chấn lưu điện tử thơng thường được sử dụng nhằm cung cấp điện áp cao hơn để thắp đèn huỳnh quang và hạn chế dịng điện trong suốt thời gian hoạt động bình thường Chấn lưu điện tửlà bộ đao động chuyển đổi tần số cung cấp từ khoảng 20.000 Hz lên tới 30.000 Hz Sự thất thốt trong chấn lưu điện tử cho đèn tuýp chỉ
khoảng 1W.Chấn lưu điện tử tổn haothap cho đèn huỳnh quang
Thất thốt trong bướm giĩ điện từ tiêu chuẩn của đèn huỳnh quang vào khoảng
10W đến 15W Cĩ thể tiết kiệm được khoảng 8W đến 10W với mỗi đèn huỳnh
quang bằng cách sử dụng bướm giĩ điện từ ít thất thốt Tiết kiệm là đo sử dụng
nhiều đồng và các lớp cán mỏng thép ít thất thốt trong bướm giĩ dẫn đến thất thốt
thấp hơn
> Thiết bị hẹn giờ, bộ chuyên mạch ánh sáng khuếch tin hoặc mờ và bộ cảm
biến chiếm chỗ
Trang 39trình cho mục đích này Sử dụng thiết bị hẹn giờ là một phương pháp điều khiển tin
cậy
Cơng tắc chuyển mạch cĩ thể được sử dụng để thay đổi chiếu sáng tuỳ thuộc vào lượng ánh sáng ban ngày Nên cẩn thận để đảm bảo rằng bộ cảm biến được lắp ở
nơi khơng cĩ bĩng râm, tia sáng của xe cộ và sự quay rầy của chim chĩc Biến trở
cũng cĩ thê được sử dụng kết hợp với điều khiển quang điện; tuy nhiên thơng
thường biến trở điện tử chỉ phù hợp dé làm mờ đèn nĩng sáng Cĩ thể làm mờ đèn
huỳnh quang nếu chúng được hoạt động với chấn lưu điện tử, chúng cĩ thé duoc
làm mờ bằng cách sử dụng máy biến áp tự động đã động cơ hố hoặc biến trở điện từ (phù hợp để làm mờ đèn huỳnh quang; hiện tại những thiết bị này phải nhập
khẩu)
Bộ cảm biến chiếm chỗ siêu âm và hồng ngoại cĩ thê được dùng để điều khiển
chiếu sáng trong các ca-bin và văn phịng lớn Ở các nước đã phát triển, khái niệm
về giá đèn huỳnh quang cĩ chấn lưuđiện tử, biến trở điều khiển quang điện và bộ
cảm biến chiếm chỗ đang được đề cập đến là một gĩi hồn chỉnh Các phương pháp
điều khiển sau rất hữu ích:
e Khu vực chung:
- Ở đâu sử dụng chiếu sáng tự nhiên, ở đĩ cĩ thiết bị điều khiên chiếu sáng tự nhiên
Sử dụng phương pháp làm mờ liên tục ở những khu vực ít hoạt động như đọc
sách, viết và hội thảo Sử dụng làm mờ từng bước (điều chỉnh tắVbật) ở những
khu vực vận động nhiều như đi bộ và lẫy hàng trên giá;
- Ở những nơi cĩ cảm giác làm chủ cơng việc cao như các văn phịng tư và phịng
hội thảo, thường cĩ các cơng tắc để điều khiển chiếu sáng quá tải bằng tay;
- Nếu sợ chiếu sáng cĩ thể tự động tắt hoặc tắt bằng tay khi mọi người vẫn trong phịng, hãy đặt thêm chiếu sáng ban đêm để lỗi ra được an tồn;
- Nhiều thiết bị điều khiển chiếu sáng cĩ điện áp riêng và yêu cầu trọng tải danh
nghĩa Đảm bảo định rõ mẫu thiết bị phù hợp với điện áp và trọng tải danh nghĩa đúng với ứng dụng
Trang 4027
- Sử dụng bộ cảm biến chiếm chỗ cơng nghệ kép ở các phịng hội thảo lớn để dị tìm tối ưu những chuyển động tay nhẹ nhàng và chuyển động cơ thê mạnh hơn;
- Bộ cảm biến chiếm chỗ hồng ngoại bị động được gắn vào gĩc hoặc trần nhà được
sử dụngcho các phịng hội thảo nhỏ và trung bình;
- Luơn luơn cĩ cơng tắc dé điều khiển chiếu sáng quá tải bằng tay e Phịng ngủ:
- Điều khiển trọng tải phích cắm điện như chiếu sáng bổ sung, màn hình máy tính,
lị sưởi và quạt xách tay bằng phích cắm trần được điều khiển bằng một bộ cảm
biến chiếm chỗ;
- Gắn bộ cảm biến chiếm chỗ cá nhân dưới kệ sách hoặc bàn và ở vị trí mà nĩ
khơng thẻ dị tìm được những chuyên động bên ngồi phịng ngủ
e Nhà vệ sinh:Sử dụng bộ cảm biến siêu âm gắn trần cho các nhà vệ sinh cĩ vách ngăn phân chia thành các buơng cabin nhỏ
e Điều khiến chiếu sáng bên ngồi:Sử dụng bảng điều khiển chiếu sáng cĩ đồng hồ hẹn giờ và tế bào quang điện nhằm điều khiển chiếu sáng bên ngồi dé bat
lúc hồng hơn, tắt lúc bình minh, tắt chiếu sáng khơng nhằm bảo vệ sớm hơn
vào buổi tối và tiết kiệm năng lượng
e Bảo dưỡng chiếu sáng
Bảo dưỡng hệ thống rất quan trọng đối với hiệu suất chiều sáng Mức sáng sẽ giảm theo thời gian do sự lão hố của đèn và bụi trong giá đèn, đèn và bề mặt phịng
Cùng một lúc các yếu tố này cĩ thể giảm tổng chiếu sáng là khoảng 50% hoặc hơn
trong khi đĩ đèn tiếp tục sử dụng đầy đủ điện Những bảo đưỡng cơ bản dưới đây
giúp ngăn chặn điều này:
- Lau sạch bụi ở giá chao đèn, đèn và thấu kính từ 6 đến 24 tháng một lần;
- Thay thấu kính nếu chúng chuyên màu vàng;
- Lau sạch hoặc sơn lại phịng nhỏ mỗi năm một lần và phịng lớn 2 đến 3 năm một
lần Lausạch bụi ở bề mặt đèn vì bụi làm giảm lượng sáng chúng phan xa;
- Những đèn thơng dụng, đặc biệt là đèn nung sang và đèn huỳnh quang thường thất