DIMENSIONAREA INSTALAIILOR DE ILUMINAT

1. PROBLEME GENERALE

Calitatea unei instalaii de iluminat este determinat de nivelele de luminan i repartiia acestora n cmpul vizual. ntruct calculele de dimensionare bazate pe luminane sunt laborioase, normele n vigoare prescriu nivelele de iluminare i fac referiri calitative asupra luminanelor i contrastelor de luminan.

Valoarea minim a iluminrii medii sau nivelul de iluminare Em este o mrime normat i se refer la planul de lucru (util) suprafa de-a lungul creia se desfoar o activitate vizual situat n general , la distana hp=0.8..1m fa de pardoseal .

Nivelul de iluminare realizat pe planul util este dat de suma dintre iluminarea direct Ed i cea reflectat Er adic:

Emed = Ed + Er

Componenta Ed este generat de cota parte a fluxului luminos al cdi ce ajunge direct pe planul util, fr a suferi reflexii pe suprafeele adiacente acestuia. Uniformitatea componentei directe n planul util este condiionat, n mare msur, de geometria instalaiei de iluminat. Amplasarea de referin este o amplasare regulat i simetric, realizat cu un numr minim de corpuri de iluminat care asigur, la limit, un grad acceptabil de uniformitate a iluminrii directe pe planul de lucru.

Componenta Er se datoreaz fluxului luminos al cdi ce sufer o serie de reflexii intre suprafeele ncperii i ajunge ca valoare stabilizat pe planul util. Ea este mult mai uniform dect componenta direct, ca urmare a reflexiilor multiple ce au loc ntre pereii ncperii (in calcule aceste suprafee se consider perfect difuzante). Printr-o amplasare corespunztoare a cdi se poate asigura o repartiie foarte apropiat de cea uniform a celor dou componente, ceea ce permite estimarea valorii medii Em a iluminrii totale a suprafeei.

Dimensionarea instalaiilor electrice de iluminat interior const n: adoptarea sistemului de iluminat, alegerea surselor de lumin i a cdi, stabilirea geometriei i calculul fotometric al instalaiei de iluminat.

Referitor la calculul fotometric acesta se poate face folosind: - metode de calcul globale (metoda coeficienilor de utilizare, metoda reflexiilor multiple) ce iau n

considerare, n valori medii, componentele direct i reflectat ale iluminrii; - metode de calcul singulare n cadrul crora se determin separat componentele Ed i Er. n

general, mrimea Ed ntr-un punct al planului util se evalueaz prin metoda punct cu punct, iar mrimea Er ca valoare medie se estimeaz prin metoda reflexiilor multiple.

Calculele fotometrice efective implic urmtoarea succesiune: predimensionarea instalaiilor de iluminat prin metoda coeficienilor de utilizare; verificarea cantitativ (nivelul de iluminare, uniformitatea iluminrii) a instalaiei de iluminat prin metoda

punct cu punct; verificarea calitativ (distribuia luminanelor n cmpul vizual i la periferia sa) a instalaiei de iluminat

prin metoda indicelui final de orbire sau prin alte procedee de apreciere a disconfortului vizual.

Conform metodei britanice BZ (British Zone), gradul de disconfort prin orbire direct G poate fi calculat cu o relaie de forma:

rqa

ns

ms

pL

LG

W=

n care: Ls este luminana sursei, Ws este unghiul solid sub care se vede sursa din punctul de observare, La- luminana de fond (luminana de adaptare), p factor care ine cont de poziia sursei n cmpul vizual, iar m,n,q,r sunt exponeni de calcul. Se observ c, la condiii egale de dispunere n instalaie, orbirea suprtoare poate fi provocat att de o surs cu luminan ridicat, dar i de o surs cu luminan moderat, dar de dimensiuni mari (cum ar fi lmpile fluorescente tubulare sau panourile luminoase de mari dimensiuni).

De regul, un sistem de iluminat se verific pentru poziia observatorului cel mai dezavantajat din sistem. Fabricanii de cdi indic distribuia luminanei n spaiu (dac nu, aceasta se poate calcula). Comisia Internaional de Iluminat (CIE) a stabilit cinci clase de calitate pentru sistemele de iluminat, care sunt date funcie de valoarea indicelui de orbire G n tabelul urmtor:

Indicele de orbire, G Clasa de calitate 1,15 A foarte nalt calitate 1,50 B nalt calitate 1,85 C calitate medie 2,20 D calitate sczut 2,55 E calitate foarte sczut

n prezent, pentru evaluarea orbirii a aprut o variant a metodei BZ, bazat pe indicele global de

orbire UGR (Unified Glare Rate) care se calculeaz cu:

W=i i

ii

f p

LL

UGR2

2

10 418 lg

Metoda UGR are avantajul c poate fi inclus n programe de calcul automat. Echivalena fa de clasele de calitate CIE este dat de tabelul:

Clasa de calitate CIE A B C D E UGR 16..19 19..22 22..25 25..28 >28

2. METODA COEFICIENILOR DE UTILIZARE

Metoda coeficienilor de utilizare permite stabilirea iluminrii realizate pe planul util avnd n vedere att componenta direct, ct i cea reflectat a iluminrii. Rezultatele calculelor sunt conforme cu realitatea pentru o amplasare simetric a cdi. Acestea trebuie s fie de acelai tip, amplasate la aceeai nlime fa de planul util i cu axa optic normal pe acesta, echipate cu surse identice ca numr, natur i putere. Metoda se recomand pentru calculul fotometric al suprafeelor orizontale la care iluminarea medie caracterizeaz suficient de bine instalaia de iluminat.

Coeficientul de utilizare u al unei instalaii de iluminat este dat de raportul dintre fluxul util Fu pe planul de lucru i fluxul tuturor izvoarelor de lumina Ft montate n ncperea considerat

ucct

uc

t

uu hh=FF

h=FF

=

in care: hu = Fu/Fct - utilana instalaiei; Fct = hcFt = hcNn Fe fluxul total emis de cele N cdi ce au randamentul hc i sunt echipate cu n

surse de lumin, de flux normalizat F l. Parametrii de care depinde valoarea coeficientului de utilizare Valoarea coeficientului de utilizare depinde de o multitudine de parametri, dintre care mai importani

sunt:

randamentul cdi hc de care depinde direct proporional;

repartiia spaial a intensitilor luminoase a cdi; Coeficientul de utilizare are valori mai ridicate n cazul cdi cu lumin concentrat deoarece cota parte a fluxului ce ajunge direct pe suprafaa util este mai mare ( fig.7.2).

forma i dimensiunile ncperii. La aceeai seciune orizontal S a ncperii coeficientul de utilizare variaz invers proporional cu nlimea de suspendare h, a cdi fa de planul util. Dac h crete, scade unghiul solid sub care se vede din centrul cdi planul util, deci i componenta direct a fluxului luminos. La aceeai nlime h, coeficientul de utilizare crete cnd aria suprafeei utile se majoreaz, deoarece sporete componenta direct a fluxului luminos. Pentru o ncpere ptrat de latura A (fig.7.2) coeficientul de utilizare variaz n acelai sens cu tangenta unghiului j i, cum aceasta depinde de dimensiunile ncperii, s-a definit indicele de local i prin expresia:

pS.S

hAA

hAtgi

5022

2===j= unde: ( )tp hhHh +-=

cu: hp, ht - distane plan util-pardoseal i tavan-plan deschidere cdi; S = A2, Sp = 2hA suprafaa ncperii, respectiv aria pereilor laterali delimitat de planul util i planul deschiderii cdi. Pentru ncperi dreptunghiulare de lungime A i lime B, indicele local va fi:

( ))BAhABi

+=

amplasarea cdi n ncpere. Coeficientul de utilizare se reduce prin apropierea cdi de perete, ntruct scade componenta direct a fluxului luminos.

factorii de reflexie ai pereilor rp=0,1;0,3;0,5, tavanului rt=0,3;0,5;0,7 i duumelei rd=0,1;0,3 influeneaz direct proporional coeficientul de utilizare.

Rezult c factorul de utilizare este o funcie complex de forma

( )i,,,,,;cdifu dtpuc rrrhh= tip ale crei valori sunt tabelate pentru diverse cdi.

Dac pe suprafaa util S = AB este necesar s se realizeze o anumit valoare a iluminrii medii Em, atunci fluxul tuturor izvoarelor de lumina Ft va fi ;

ukSEmt

=F

unde k factorul de depreciere normalizat al cdi utilizat (valoare >1). Indicele de local se calculeaz cu relaia recomandat de

autorul tabelelor coeficienilor de utilizare. De asemenea, n relaia lui Ft mrimea lui k se introduce sau nu dup cum n valoarea lui u s-a exclus sau nu factorul de depreciere. Dac se utilizeaz cdi pentru care parametrii hc*, k* difer de cei normalizai hc i k, atunci coeficientul de utilizare u* pentru noua situaie trebuie

determinat cu )k(uku c**

c* hh= , unde u este factorul de utilizare

al unui cdi existent ce are o curb fotometric similar cu a cdi utilizat.

3. Aplicarea practic a metodei coeficienilor de utilizare

Aplicarea metodei coeficienilor de utilizare presupune parcurgerea succesiv a urmtoarelor etape de calcul:

- precizarea destinaiei ncperii i a caracteristicilor geometrice A, B, H, hp, ht, h i fotometrice rp, rt, rd ale acesteia;

- stabilirea valorii normate Em a iluminrii;

- alegerea tipului corpului de iluminat, a sursei de lumin normalizate F l i a numrului n de surse pe corpul de iluminat;

- calculul indicelui de local i, adoptarea factorului de depreciere k i stabilirea valorii tabelare a coeficientului de utilizare u;

- determinarea numrului total de cdi din ncpere:

unkSE

Nl

m

F

= sau un

SEN

l

m

F

=

- stabilirea geometriei instalaiei de iluminat prin precizarea numrului NA de cdi pe rnd i a numrului NB de rnduri cu NNN BA . Cotele de montaj n cazul amplasrii simetrice a cdi (fig.7.3) vor fi:

o distana dintre corpurile de iluminat de pe un rnd: Ac NAL = [m];

o distana corp de iluminat - perete: ]L)N(A[.L cAcp --= 150 [m];

o distanta dintre rnduri: Br NBL = [m]; o distanta rnd-perete:

Fig.7.2 Explicativ la indicele de local

= =

A

H

h p

h h t

j

S plan util

Fig.7.3 Geometria instalaiei de iluminat

LCP LC

NA

NB

B

Lr

Lrp

A

]L)N(B[.L rBrp --= 150 [m]; - determinarea valorii reale a iluminrii medii Emr i a erorii de calcul DE%:

kSunNNE lBAmr

F= sau

SunNNE lBAmr

F= ;

%E

EE%E

m

mmr 10100 -

=D

- se stabilete puterea instalat pe ncpere: )PP(nNNP blBAi D+=

unde: Pl puterea standardizat a unei surse de lumin [W]; DPb pierderi de putere pe elementele de circuit auxiliare [W];

Metoda de calcul prezentat nu este unic. Exist o serie de variante ce rezult ca urmare a predeterminrii sau impunerii numrului cdi, impunerea tipului, numrului sau puterii surselor de lumin pe corpul de iluminat etc.

n cazul pereilor la care nu se poate aprecia un factor de reflexie global (intervin suprafee de culori diferite, vitrine sau ferestre mari, mobilier voluminos, panouri, utilaje nalte etc.) este necesar stabilirea factorului de reflexie mediu ponderat n raport cu aria suprafeei considerate.

pt

pjpj

pj

pjpjpp S

SS

S

r=r=r

unde: rpj - factorul de reflexie al suprafeei Spj a peretelui, = pjpt SS - aria total a peretelui [m2].

Corpurile de iluminat echipate cu lmpi fluorescente cu vapori de mercur de joas presiune, fiind uor asimetrice, se vor monta astfel nct planul longitudinal de simetrie s fie paralel cu latura lung a ncperii. n ncperi cu suprafee mai mari (S 150..200 m2) sau n hale de nlime redus (H 3..6 m) se recomand lmpi LFA 65, iar pentru hale nalte (H 7. .8 m) se vor utiliza lmpi fluorescente cu vapori de mercur de nalta presiune sau alte tipuri de surse n funcie de condiiile calitative ale microclimatului luminos.

2. METODA PUNCT CU PUNCT

Metoda punct cu punct de calcul a componentei directe a iluminrii permite fie aprecierea cantitativ a instalaiilor predimensionate prin metode globale, fie proiectarea efectiv a acestora, cnd metodele globale conduc la rezultate eronate. n ultima categorie se include dimensionarea iluminatului local, a celui general uniform al spaiilor nchise mari, precum i a celui exterior.

n cazul ariilor utile vaste, mrginite de suprafee cu factori de reflexie redui, componenta reflectat a fluxului luminos este neglijabil, motiv pentru care se poate considera cu suficient aproximaie c Em = Ed. O astfel de situaie se ntlnete n halele industriale mari i nalte, cu perei din beton turnat, tabl sau sticl, la care acoperiul este prevzut cu luminatoare sau tavane nchise la culoare, iar degajrile de praf sau fum sunt neglijabile.

Metoda punct cu punct d rezultate foarte bune n cazul instalaiilor de iluminat prevzute cu corpuri de iluminat cu lumin direct. Acestea pot fi de acelai tip sau nu, echipate cu surse identice sau nu, amplasate la nlimi i sub unghiuri diferite fa de planul util, geometria instalaiei fiind oarecare.

Aplicarea efectiv a metodei conduce la relaii de calcul distincte, dup cum cdi (respectiv sursa de lumina) se consider punctiforme sau nu. Dac l este dimensiunea maxim n plan a unui corp de iluminat i h distana la care i se calculeaz efectul, atunci acesta se consider punctiform cnd

h/l 2,25.

n caz contrar se consider surs luminoas de mari dimensiuni. Dac la iluminarea unui punct particip mai multe surse, iluminarea total este dat de suma iluminrilor pariale, acestea din urm fiind funcie de curba fotometric a cdi.

Iluminarea punctului P ce aparine (fig.8.1) dreptei de intersecie a planelor (Q) orientat arbitrar i (H) normal pe axa optic a sursei va fi:

2MPcosIeQ

q= a i 22

3

hhcosIee rH

e=a== a

unde mrimile er sau e se citesc din curbele izolux relative )d(f *r =e , sau spaiale d=f(h)e=ct ale cdi echipat cu lampa convenional de 1000 lm.

Dac se consider sistemul triortogonal de referin Pxyz atunci:

ay=ag+g

=

-=q coscos

hcoshsinx

NMPcos o

Q

QNMP

ceea ce conduce la: eeQ y=

cu: )sinhx(cos o g+g=y - coeficientul de iluminare suplimentar.

Dac la iluminarea punctului considerat particip mai multe cdi a cror surse au fluxul F1000 lm, avnd n vedere proporionalitatea direct dintre flux i intensitatea luminoas, iluminarea direct total va fi:

= = =

yeF=yF=F

=n

j

n

j

n

j jjrjjjjjQj

jQ h

eeE1 1 1

21

10001

10001

1000

n majoritatea cazurilor cdi sunt identice, echipate cu surse identice ca natura i putere, cu F=ct., amplasate la aceeai nlime hj=h=ct. fa de planul util care este orizontal i normal pe axa cdi. n aceste condiii, iluminrile directe n plan orizontal Edh la g=0 i n plan vertical Edv la g=p/2 sunt:

==

e

F=

F=

9

1

9

1210001000 j

rjj

jdh heE e

F=

F=

=rjoj

jj

ojdv x

he

hx

E3

9

1 10001000

n calcule considerndu-se numai aportul a nou cdi din imediata vecintate a punctului de calcul.

La proiectare, prin adoptarea factorului de depreciere k, rezult fluxul total Flc al surselor de lumina ce trebuie montate n corpurile de iluminat pentru a avea o iluminare direct orizontal egal cu valoarea normat a iluminrii Edh=Em, adic:

==

e

==F 9

1

2

9

1

10001000

jrj

m

jj

mlc

kEh

e

kE

Punctul de calcul P (fig.8.2) se alege n centrul unui cmp luminos de col, dac geometria instalaiei de iluminat este prestabilit. Dispunerea cdi trebuie fcut de aa manier nct s se respecte criteriile de uniformitate ale iluminrii cu un numr minim de surse de lumin. Corelarea cotelor de montaj h cu distana L dintre centrele cdi se face cu ajutorul distanei relative:

h/LL* = n care:

- L [m] - latura ptratului fictiv pe vrfurile cruia se presupune c sunt amplasate centrele cdi; - h=H-(hp+ht) [m] - distana de la planul util la planul deschiderii cdi;

g

NQ

NH

i

k

x

z

NH

Ia a

P(0,0,0)

M(x0, y0, h)

NQ

g

x x0

M

(H)

(Q) z

y

q

Fig.8.1 Explicativ la metoda punct cu punct ( ) ( )HQ)Py[ I= ; ( )H)Px[ ; ( )H)Pz[ ^ ; ( )QQ ^N ; ( )HH ^N ;

1==== HQHQ NNNN ; kiN g+g= cossinQ ; a== cos/hMPMP ;;

- hp=0,8..1 [m] nlimea planului util fa de pardoseal; - ht [m] distana de la tavan la planul deschiderii cdi ; - H [m] nlimea ncperii;

Distanele relative depind de repartiia spaial a fluxului luminos i pentru sursele punctiforme uzuale literatura recomand urmtoarele valori:

- L*=0.5..1 iluminat direct cu lmpi fluorescente cu vapori de mercur de nalt presiune; - L*=0.5..0.7 - iluminat direct cu lmpi cu incandescen ; - L*=1..1.2 - iluminat mixt;

La un factor de uniformitate dat, soluia optim-economic de amplasare corespunde dispunerii cdi pe

vrfurile unui ptrat sau triunghi echilateral de latur L. Distana relativ: L/LL p*p = dintre cdi i perete se

adopt constructiv, i anume: - Lp*= 0.25..0.3 dac sunt locuri de munc lng perei; - Lp*= 0.4...0.5 - dac nu sunt locuri de munc lng perei;

Astfel, dac A i B sunt lungimea i limea ncperii, atunci numrul corpurilor de iluminat pe rnd NA i numrul de rnduri NB vor fi :

LLA

N pA-

+=2

1 L

LBN pB

-+=

21 (NA, NB - numere ntregi);

Cotele de montaj (fig.8.2) n cazul amplasrii simetrice a cdi vor fi: - distana dintre corpurile de iluminat de pe un rnd: Ac NAL = [m]; - distana corp de iluminat - perete: ]L)N(A[.L cAcp --= 150 [m]; - distanta dintre rnduri: Br NBL = [m]; - distanta rnd-perete: ]L)N(B[.L rBrp --= 150 [m];

Fig.8.2 Explicativ la geometria instalaiei de iluminat

H

h p

h h t

S plan util

Lc

NA

NB

B

L

LP

A

LP L

Lr

Lrp

Lcp

P

1

2

3

6 7

5 8

4 9