Kiến thức chung về chiếu sáng

I. Kiến thức cơ sở

Từ thời kỳ sơ khai của văn minh đến thời gian gần đây, con người chủ yếu tạo ra ánh sáng từ lửa mặc dù đây là nguồn nhiệt nhiều hơn ánh sáng. Ở thế kỷ 21, chúng ta vẫn đang sử dụng nguyên tắc đó để sản sinh ra ánh sáng và nhiệt qua loại đèn nóng sáng. Chỉ trong vài thập kỷ gần 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 toà nhà thương mại và khoảng 3 – 10% trong tổng tiêu thụ năng lượng của một nhà máy công nghiệp. Hầu hệ́t những người sử dụng năng lượng 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. Thay thế các loại đèn hơi thuỷ ngân hoặc đèn nóng sáng bằng đèn halogen kim loại hoặc đèn natri cao áp sẽ giúp giảm chi phí năng lượng và tăng độ chiếu sáng. Lắp đặt và duy trì thiết bị điều khiển quang điện, đồng hồ hẹn giờ và các hệ thống quản lý năng lượng cũng có thể đem lại hiệu quả tiết kiệm đặc biệt. 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. Cần hiểu rằng những loại đèn có hiệu suất cao không phải là yếu tố duy nhất đảm bảo một hệ thống chiếu sáng hiệu quả.

1. Lý thuyết cơ bản về ánh sáng

Ánh sáng chỉ là một phần của rất nhiều loại sóng điện từ bay trong không gian. Những loại sóng này có cả tần suất và chiều dài, hai giá trị này giúp phân biệt ánh sáng với những dạng năng lượng khác trên quang phổ điện từ.

Ánh sáng được phát ra từ vật thể là do những hiện tượng sau:

• Nóng sáng Các chất rắn và chất lỏng phát ra bức xạ có thể nhìn thấy được khi chúng được nung nóng đến nhiệt độ khoảng 1000K. Cường độ ánh sáng tăng lên và màu sắc bề ngoài trở nên sáng hơn khi nhiệt độ tăng.
• Phóng điện Khi một dòng điện chạy qua chất khí, các nguyên tử và phân tử phát ra bức xạ với quang phổ mang đặc tính của các nguyên tố có mặt.
• Phát quang điện: Ánh sáng được tạo ra khi dòng điện chạy qua những chất rắn nhất định như chất bán dẫn hoặc photpho.
• Phát sáng quang điện: Thông thường chất rắn hấp thụ bức xạ tại một bước sóng và phát ra trở lại tại một bước sóng khác. Khi bức xạ được phát ra đó có thể nhìn thấy được, hiện tượng được gọi làsự phát lân quang hay sự phát huỳnh quang.

Như có thể quan sát trên dải quang phổ điện từ ở Hình 1, ánh sáng nhìn thấy được thể hiện là một dải băng từ tần hẹp nằm giữa ánh sáng của tia cực tím (UV) và năng lượng hồng ngoại (nhiệt). Những sóng ánh sáng này có khả năng kích thích võng mạc của mắt, giúp tạo nên cảm giác về thị giác, gọi là khả năng nhìn. Vì vậy, để quan sát được cần có mắt hoạt động bình thường và ánh sáng nhìn thấy được.

2. Các khái niệm và thuật ngữ thường dùng

Lumen: Đơn vị của quang thông; thông lượng được phát ra trong phạm vi một đơn vị góc chất rắn bởi một nguồn điểm với cường độ sáng đều nhau là một Candela. Một lux là một lumen trên mỗi mét vuông. Lumen (lm) là đương lượng trắc quang của Oát, được tăng lên để phù hợp với phản ứng mắt của “người quan sát chuẩn” 1 W = 683 lumen tại bước sóng 555 nm.

Hiệu suất tải lắp đặt Đây là độ chiếu sáng duy trì trung bình được cung cấp trên một mặt phẳng làm việc ngang trên mỗi Oát công suất với độ chiếu sáng nội thất chung được thể hiện bằng lux/W/m².

Hệ số hiệu suất tải lắp đặt: Đây là tỷ số của hiệu suất tải mục tiêu và tải lắp đặt.

Nguồn phát sáng: Bộ đèn là một đơn vị phát sáng hoàn chỉnh, bao gồm một hoặc nhiều đèn cùng với các bộ phận được thiết kế để phân phối ánh sáng, định vị và bảo vệ đèn, và nối đèn với nguồn điện.

Lux: Đây là đơn vị đo theo hệ mét cho độ chiếu sáng của một bề mặt. Độ chiếu sáng duy trì trung bình là các mức lux trung bình đo được tại các điểm khác nhau của một khu vực xác định. Một lux bằng một lumen trên mỗi mét vuông.

Độ cao lắp đặt: Độ cao của đồ vật hay đèn so với mặt phẳng làm việc.

Hiệu suất phát sáng danh nghĩa: Tỷ số giữa công suất lumen danh nghĩa của đèn và tiêu thụ điện danh nghĩa, được thể hiện bằng lumen trên oát

Chỉ số phòng : Đây là một hệ số thiết lập quan hệ giữa các kích thước dự kiến của cả căn phòng và độ cao giữa bề mặt làm việc và bề mặt của đồ đạc.

Hiệu suất tải mục tiêu: Giá trị của hiệu suất tải lắp đặt được xem là có thể đạt được với hiệu suất cao nhất, được thể hiện bằng lux/W/m².

Hệ số sử dụng (UF): Đây là tỷ lệ của quang thông do đèn phát ra tới mặt phẳng làm việc. Đây là đơn vị đo thể hiện tính hiệu quả của sự phối hợp chiếu sáng.

Quang thông và cường độ sáng:

Đơn vị quốc tế của cường độ sáng I là Candela (cd). Một lumen bằng quang thông chiếu sáng trên mỗi mét vuông (m2) của một hình cầu có bán kính một mét (1m) khi một nguồn ánh sáng đẳng hướng 1 Candela (nguồn phát ra bức xạ đều nhau tại mọi hướng) có vị trí tại tâm của hình cầu. Do diện tích của hình cầu có bán kính r là 4πr², một hình cầu có bán kính là 1m có diện tích là 4πm² nên tổng quang thông do nguồn 1 – cd phát ra là 4π1m. Vì vậy quang thông do một nguồn ánh sáng đẳng hướng có cường độ I sẽ được tính theo công thức:

Quang thông (lm) = 4π × cường độ sáng(cd)

Sự khác nhau giữa lux và lumen là lux phụ thuộc vào diện tích mà quang thông trải ra. 1000 lumen, tập trung tại một diện tích một mét vuông, chiếu sáng diện tích đó với độ chiếu sáng là 1000 lux. Cũng 1000 lumen chiếu sáng trên diện tích mười mét vuông sẽ tạo ra độ chiếu sáng mờ hơn, chỉ có 100 lux.

Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương

Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương xác định quan hệ giữa cường độ sáng từ một điểm nguồn và khoảng cách. Định luật phát biểu rằng cường độ ánh sáng trên mỗi đơn vị diện tích tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách tính từ nguồn (về bản chất là bán kính).

E = I / d ²

Trong đó E = độ chiếu sáng, I = cường độ sáng và d = khoảng cách

Hệ số hiệu suất tải lắp đặt: Đây là tỷ số của hiệu suất tải mục tiêu và tải lắp đặt.

Nguồn phát sáng: Bộ đèn là một đơn vị phát sáng hoàn chỉnh, bao gồm một hoặc nhiều đèn cùng với các bộ phận được thiết kế để phân phối ánh sáng, định vị và bảo vệ đèn, và nối đèn với nguồn điện.

Lux: Đây là đơn vị đo theo hệ mét cho độ chiếu sáng của một bề mặt. Độ chiếu sáng duy trì trung bình là các mức lux trung bình đo được tại các điểm khác nhau của một khu vực xác định. Một lux bằng một lumen trên mỗi mét vuông.

Độ cao lắp đặt: Độ cao của đồ vật hay đèn so với mặt phẳng làm việc.

Hiệu suất phát sáng danh nghĩa: Tỷ số giữa công suất lumen danh nghĩa của đèn và tiêu thụ điện danh nghĩa, được thể hiện bằng lumen trên oát

Chỉ số phòng : Đây là một hệ số thiết lập quan hệ giữa các kích thước dự kiến của cả căn phòng và độ cao giữa bề mặt làm việc và bề mặt của đồ đạc.

Hiệu suất tải mục tiêu: Giá trị của hiệu suất tải lắp đặt được xem là có thể đạt được với hiệu suất cao nhất, được thể hiện bằng lux/W/m².

Hệ số sử dụng (UF): Đây là tỷ lệ của quang thông do đèn phát ra tới mặt phẳng làm việc. Đây là đơn vị đo thể hiện tính hiệu quả của sự phối hợp chiếu sáng.

Quang thông và cường độ sáng:

Đơn vị quốc tế của cường độ sáng I là Candela (cd). Một lumen bằng quang thông chiếu sáng trên mỗi mét vuông (m2) của một hình cầu có bán kính một mét (1m) khi một nguồn ánh sáng đẳng hướng 1 Candela (nguồn phát ra bức xạ đều nhau tại mọi hướng) có vị trí tại tâm của hình cầu. Do diện tích của hình cầu có bán kính r là 4πr², một hình cầu có bán kính là 1m có diện tích là 4πm² nên tổng quang thông do nguồn 1 – cd phát ra là 4π1m. Vì vậy quang thông do một nguồn ánh sáng đẳng hướng có cường độ I sẽ được tính theo công thức:

Quang thông (lm) = 4π × cường độ sáng(cd)

Sự khác nhau giữa lux và lumen là lux phụ thuộc vào diện tích mà quang thông trải ra. 1000 lumen, tập trung tại một diện tích một mét vuông, chiếu sáng diện tích đó với độ chiếu sáng là 1000 lux. Cũng 1000 lumen chiếu sáng trên diện tích mười mét vuông sẽ tạo ra độ chiếu sáng mờ hơn, chỉ có 100 lux.

Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương

Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương xác định quan hệ giữa cường độ sáng từ một điểm nguồn và khoảng cách. Định luật phát biểu rằng cường độ ánh sáng trên mỗi đơn vị diện tích tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách tính từ nguồn (về bản chất là bán kính).

E = I / d ²

Trong đó E = độ chiếu sáng, I = cường độ sáng và d = khoảng cách

Một cách viết khác đôi khi thuận tiện hơn của công thức này là:

E1 d1² = E2 d2²

Khoảng cách được đo từ điểm kiểm tra đến bề mặt phát sáng đầu tiên – dây tóc của bóng đèn trong, hoặc vỏ thủy tinh của bóng đèn mờ.

Ví dụ: Nếu đo cường độ sáng của một bóng đèn tại khoảng cách 1,0 mét được 10,0 lm/m² thì mật độ thông lượng tại điểm chính giữa của khoảng cách đó sẽ là bao nhiêu?

Lời giải: E1m = (d2 / d1)² * E2

= (1.0 / 0.5)² * 10.0

= 40 lm/m²

Nhiệt độ màu

Nhiệt độ màu, được thể hiện theo thang tính Kelvin (K) là biểu hiện màu sắc của đèn và ánh sáng mà nó phát ra. Tưởng tượng một tảng sắt được nung đều cho đến khi nó rực lên ánh sáng da cam đầu tiên, và sau đó là vàng, và tiếp tục cho đến khi nó trở nên “nóng trắng” Tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình nung, chúng ta có thể đo được nhiệt độ của kim loại theo độ Kelvin ( độ C + 273) và gán giá trị đó với màu được tạo ra. Đây là nền tảng lý thuyết về nhiệt độ màu. Đối với đèn nóng sáng, nhiệt độ màu là giá trị “thực”; đối với đèn huỳnh quang và đèn có ống phóng điện cao áp (HID), giá trị này là tương đối và vì vậy được gọi là nhiệt độ màu tương quan. Trong công nghiệp, “nhiệt độ màu “ và “nhiệt độ màu tương quan” thường có thể được sử dụng hoán đổi cho nhau. Nhiệt độ màu của đèn làm cho đèn trở thành các nguồn sáng “ấm”, “trung tính” hoặc “mát”. Nói chung, nhiệt độ càng thấp thì nguồn càng ấm, và ngược lại.

Độ hoàn màu

Khả năng hoàn màu bề mặt của nguồn ánh sáng có thể được đo một cách rất tiện lợi bằng chỉ số hoàn màu. Chỉ số này dựa trên tính chính xác mà chiếc đèn được xem xét mô phỏng một tập hợp các màu kiểm tra so với chiếc đèn mẫu, kết quả của độ phù hợp hoàn hảo là 100. Chỉ số CIE có một số hạn chế nhưng vẫn là đơn vị đo đặc tính hoàn màu của nguồn ánh sáng được công nhận rộng rãi nhất.

II. Các loại hệ thống chiếu sáng

Phần này mô tả các chủng loại và thành phần của nhiều hệ thống chiếu sáng khác nhau.

1. Đèn sợi đốt (GLS)

Đèn nóng sáng hoạt động như một “vật thể xám”, phát ra các bức xạ có lựa chọn, hầu hết diễn ra ở vùng có thể nhìn thấy được. Bóng đèn có một bộ phận chân không hoặc nạp khí. Mặc dù bộ phận này ngăn sự oxy hóa của dây tóc đèn bằng vonfam, nó không ngăn ngừa bay hơi. Bóng đèn bị tối đi là do vonfam bị bay hơi ngưng lại trên bề mặt tương đối mát của bóng. Nhờ bộ phận nạp khí trơ, tình trạng bay hơi sẽ được ngăn chặn và trọng lượng phân tử càng lớn thì hiệu quả của nó càng cao. Đối với những loại đèn thường, hỗn hợp agon nitơ với tỷ lệ 9/1 được sử dụng do chi phí thấp. Kripton hoặc Xenon chỉ được sử dụng trong những ứng dụng đặc biệt như đèn chu kỳ khi bóng đèn kích thước nhỏ giúp bù đắp lại chi phí cao và khi hiệu suất là vấn đề cực kỳ quan trọng.

2. Đèn Halogen-Vonfam

Đèn halogen là một loại đèn nóng sợi đốt. Loại đèn này có dây tóc bằng vonfam giống như đèn sợi đốt bình thường mà bạn sử dụng tại nhà, tuy nhiên bóng đèn được bơm đầy bằng khí halogen.

3. Đặc điểm của đèn huỳnh quang

Đèn huỳnh quang có hiệu suất lớn hơn đèn sợi đốt tiêu chuẩn từ 3 đến 5 lần và có tuổi thọ từ 10 đến 20 lần. Dòng điện chạy qua chất khí hoặc kim loại bay hơi có thể gây ra bức xạ điện từ tại những bước sóng nhất định tuỳ theo thành phần cấu tạo hoá học và áp suất khí.

4. Đèn huỳnh quang compact

Loại đèn huỳnh quang compact xuất hiện gần đây đã mở ra một thị trường hoàn toàn mới của nguồn sáng huỳnh quang. Những chiếc đèn này cho phép thiết kế bộ đèn nhỏ hơn nhiều, có thể cạnh tranh với loại đèn nóng sáng và đèn hơi thủy ngân trên thị trường đồ chiếu sáng có hình tròn hoặc vuông. Sản phẩm bán trên thị trường có bộ điều khiển gắn liền (CFG) hoặc điều khiển tách rời (CFN).

5. Đèn hơi Natri cao áp

Đèn hơi Natri cao áp (HPS) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chiếu sáng ngoài trời và chiếu sáng công nghiệp. Hiệu suất cao là đặc điểm ưu việt hơn của loại đèn này so với đèn halogen kim loại vì những ứng dụng này không đòi hỏi độ hoàn màu cao. Khác với đèn thủy ngân và đèn hologen kim loại, đèn HPS không có các điện cực khởi động, balat chấn lưu bao gồm tác-te điện tử cao áp. Ống hồ quang được làm bằng gốm, có thể chịu được nhiệt độ lên đến 2372F. Ống được nạp khí xenon giúp tạo hồ quang cũng như hỗn hợp khí thủy ngân và natri.

6. Đèn hơi thủy ngân

Đèn hơi thủy ngân là kiểu đèn HID cổ nhất. Mặc dù có tuổi thọ cao và chi phí ban đầu thấp, đèn có hiệu suất kém (30 đến 65 lumen trên watt, chưa kể thất thoát balat chấn lưu) và phát ra ánh sáng màu xanh yếu. Có lẽ vấn đề quan trọng nhất liên quan đến đèn hơi thủy ngân là làm sao thay thế chúng bằng những loại đèn HID hoặc huỳnh quang có hiệu suất và độ hoàn màu tốt hơn. Đèn hơi thủy ngân loại rõ, phát ra ánh sáng màu xanh da trời-xanh lá cây, gồm có ống hồ quang với các điện tử Vonfam ở cả hai đầu. Những chiếc đèn này có hiệu suất thấp nhất trong họ đèn HID, quang thông giảm nhanh và chỉ số hoàn màu thấp.

7. Đèn kết hợp

Đèn kết hợp thường được miêu tả là đèn hai trong một. Đèn kết hợp hai nguồn sáng bao xung quanh bởi một bóng đèn nạp khí. Một nguồn là ống phóng thủy ngân thạch anh (như đèn thủy ngân) và nguồn kia là dây tóc Vonfam được mắc nối tiếp với nó. Dây tóc đóng vai trò như một balat chấn lưu để ống phóng điện ổn định công suất dòng điện, và vì vậy không cần balat chấn lưu nữa.

8. Đèn LED

Đèn LED là loại đèn mới nhất bổ sung vào danh sách các nguồn sáng sử dụng năng lượng hiệu quả. Trong khi đèn LED phát ra ánh sáng nhìn thấy được ở dải quang phổ rất hẹp, chúng có thể tạo ra “ánh sáng trắng”. Điều này được thực hiện nhờ đèn LED xanh có phủ photpho hay dải màu đỏ-xanh da trời-xanh lá cây. Đèn LED có tuổi thọ từ 40.000 đến 100.000 giờ tùy thuộc vào màu sắc.

III. Thiết kế chiếu sáng

Quy trình thiết kế chiếu sáng từng bước được minh họa phía dưới có kèm theo ví dụ. Hình sau nêu các thông số của một không gian thường gặp.

Mọi bộ đèn đều được xác định một tỷ lệ không gian so với chiều cao. Trong các phương pháp thiết kế trước đây, tỷ lệ đồng đều, nghĩa là tỷ lệ chiếu sáng tối thiểu so với chiếu sáng trung bình được giữ ở mức 0,8 và tỷ lệ hợp lý của không gian so với chiều cao được xác định để đảm bảo tính đồng đều. Trong các thiết kế hiện đại có kết hợp giữa việc tiết kiệm năng lượng và việc chiếu sáng thì quan điểm chủ đạo là đảm bảo độ đồng đều từ 1/3 tới 1/10 phụ thuộc vào từng loại công việc. Chỉ số được áp dụng cho loại đèn trên là 1,5. Nếu tỷ lệ thực tế cao hơn chỉ số được nêu, độ chiếu sáng đồng đều sẽ giảm xuống. Đối với mẫu bố trí lắp đèn, tham khảo hình 12. Nguồn phát sáng gần tường chỉ nên chiếm 1 nửa không gian hay ít hơn.