by
1. 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.
2. 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 là sự 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.
3 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).
Một cách viết khác đôi khi thuận tiện hơn của công thức này là:
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.
Bảng 1. Ứng dụng của các nhóm hoàn màu (Cục sử dụng năng lượng hiệu quả, 2005)
Việc cho rằng nhiệt độ màu và độ hoàn màu đều cùng mô tả những đặc tính giống nhau của đèn là một quan niệm sai lầm. Cần nhắc lại rằng nhiệt độ màu mô tả sự biểu hiện màu sắc của nguồn ánh sáng và ánh sáng được phát ra từ đó. Độ hoàn màu mô tả mức độ chính xác mà ánh sáng biểu hiện màu trên các vật thể.
Xem thêm về mô tả và đặc tính của tất cả các loại bóng đèn tại đây
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.
2. 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 là sự 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.
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 / d²
Trong đó E = độ chiếu sáng, I = cường độ sáng và d = khoảng cáchMột 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.
Bảng 1. Ứng dụng của các nhóm hoàn màu (Cục sử dụng năng lượng hiệu quả, 2005)
Việc cho rằng nhiệt độ màu và độ hoàn màu đều cùng mô tả những đặc tính giống nhau của đèn là một quan niệm sai lầm. Cần nhắc lại rằng nhiệt độ màu mô tả sự biểu hiện màu sắc của nguồn ánh sáng và ánh sáng được phát ra từ đó. Độ hoàn màu mô tả mức độ chính xác mà ánh sáng biểu hiện màu trên các vật thể.
Xem thêm về mô tả và đặc tính của tất cả các loại bóng đèn tại đây
0 comments: