Dimensionarea instalatiilor de iluminat

Dimensionarea instalatiilor de iluminat

La dimensionarea instalatiilor de iluminat trebuie stabilite urmatoarele date:

tipul lampii utilizate;

cate lampi trebuie montate pentru a asigura nivelul mediu de iluminare impus si valoarea minima a factorului de neuniformitate;

locul in care trebuie montate lampile;

circuitele electrice de alimentare.

Tabelul 2.8

Principalele caracteristici ale diferitelor tipuri de lampi

La dimensionarea instalatiilor de iluminat sunt folosite, in principal, urmatoarele doua metode:

metoda factorului de utilizate, adecvata in special la dimensionarea instalatiilor de iluminat interior;

metoda punct cu punct, adecvata in special la dimensionarea instalatiilor de iluminat exterior.

1. Metoda factorului de utilizare

Metoda factorului de utilizare este folosita in mod obisnuit pentru dimensionarea instalatiilor de iluminat din birouri, ateliere, spatii cu echipamente, coridoare de circulatie. Metoda permite determinarea numarului aparatelor de iluminat si lampilor necesare pentru realizarea unui nivel de iluminare impus. Este necesar a cunoaste: geometria incaperii si caracteristicile de reflexie ale peretilor, curbele fotometrice ale aparatelor de iluminat, modul de plasare a aparatelor de iluminat in spatiu.

Sunt adoptate urmatoarele ipoteze de calcul:

incapere de forma dreptunghiulara (incaperile cu alta forma de impart in zone dreptunghiulare);

spatiul nu contine alte obiecte;

caracteristicile de reflexie ale peretilor sunt constante si au un caracter defuz;

aparatele de iluminat sunt plasate in mod uniform pe tavan.

Pentru calculul numarului necesar de aparate de iluminat in scopul obtinerii valorii dorite ale nivelului de iluminare pe suprafata de lucru sunt parcurse urmatoarele etape:

a) stabilirea valorii medii a nivelului de iluminare E_med in functie de activitatile desfasurate in spatiul respectiv sau tipul incaperii (tabelul 2.4);

b) alegerea tipului de sursa de lumina (a se vedea sectiunea 2.3.3);

c) calculul ariei suprafetei de lucru A = lungimea incaperii L latimea incaperii l;

d) stabilirea numarului n_L de lampi intr-un aparat de iluminat;

e) stabilirea fluxului luminos nominal (valoare de catalog) F_L pentru lampile care ar putea fi utilizate;

f) stabilirea factorului de mentinere M (a se vedea tabelul 2.5) pentru a lua in considerarea murdarirea lampilor precum si imbatranirea acestora;

g) stabilirea inaltimii H a sursei deasupra planului de lucru (fig. 2.29);

h) calculul indicelui i al incaperii din relatia

(2.26)

i) stabilirea factorului de utilizarea h_L din tabele cu caracteristici fotometrice (indicate de furnizorii de aparate de iluminat), in functie de indicele incaperii i si de caracteristicile de reflexie ale peretilor si tavanului;

j) calculul numarului necesar n de aparate de iluminat

(2.27)

k) rotunjirea valorii n pentru a obtine o valoare intreaga si adecvata asezarii uniforme pe tavan.

Metoda factorului de utilizare ofera, de cele mai multe ori, numai datele principale ale instalatiei de iluminat: numarul de lampi; tipul de lampa, plasarea lampilor pe tavan. Rezulta relativ putine informatii privind modul de iluminare a spatiului (numai valoarea medie a nivelului de iluminare). Pentru verificarea neuniformitatii nivelului de iluminare pe suprafata de lucru si pentru determinarea curbelor izolux trebuie efectuat un calcul mai detaliat. Metodele de calcul mai complete permit obtinerea curbelor de repartitie a nivelului de iluminare pe suprafata de lucru si pe alte suprafete din incapere, pentru o configuratie data a surselor de lumina.

2. Metoda punct cu punct

Utilizarea metodei punct cu punct este adecvata in principiu la iluminatul exterior. Metoda poate fi utilizata si in cazul iluminatului interior pentru pentru calcule mai exacte, atunci cand aportul suprafetelor reflectante (iluminat indirect) este redus sau in spatiile foarte mari atunci cand influenta prezentei peretilor, asupra nivelului de iluminare pe suprafata de lucru, este nesemnificativa. Metoda poate fi extinsa pentru cazul in care suprafetele care marginesc spatiul analizat sunt considerate surse de lumina.

Nivelul de iluminare in metoda punct cu punct se determina pe baza relatiei:

, (2.28)

in care dI_a este intensitatea luminoasa emisa de o sursa punctiforma in directia a; q unghiul de incidenta (unghiul dintre raza de lumina incidenta pe suprafata analizata si normala pe suprafata) si r distanta dintre sursa de lumina si suprafata iluminata.

2.1. Metoda punct cu punct pentru surse punctiforme

Pentru o sursa punctiforma S (fig. 2.30), nivelul de iluminare E_P intr-un punct P pe suprafata orizontala H poate fi determinat din relatia (2.28). In acest caz relatia (2.28) se scrie sub forma

. (2.29)

In fig. 2.30, unghiul q este egal cu unghiul a, iar relatia (2.29) devine

. (2.30)

In cazurile practice relatia (2.30) este utilizata sub forma

. (2.31)

In relatia (2.31) este luat in consideratie factorul de mentinere p (tabelul 2.5) si curba fotometrica reala a sursei utilizate.

In cazul in care sunt mai multe surse punctiforme de lumina, nivelul total de iluminare se calculeaza din relatia

(2.32)

In relatia (2.32), K este numarul de surse punctiforme care determina nivelul de iluminare in punctul P.

Calculul instalatiei de iluminat necesita urmatoarele date de intrare:

valoarea medie EI a nivelului de iluminare pe suprafata de lucru;

factorul de neuniformitate a nivelului de iluminare pe suprafata de lucru

(2.33)

lungimea LL si latimea Ll ale suprafetei de lucru (de obicei suprafata dreptunghiulara sau divizata in suprafete dreptunghiulare);

un tabel cu sursele punctiforme posibil a fi utilizate (existente pe piata); sursele de lumina se ordoneaza in tabel in functie de fluxul luminos; prima sursa din tabel prezinta fluxul cel mai mic; pentru fiecare sursa este cunoscuta curba fotometrica I_a = f (a

Rezultatele de calcul trebuie sa indice:

tipul lampii utilizate;

cate lampi trebuie montate;

unde trebuie montate lampile.

Calculul efectuat are urmatoarele etape:

suprafata orizontala de lucru este impartita in N dreptunghiuri mici egale;

primul tip de lampa din tabel (din cele N_L lampi aflate la dispozitie),j = 1 (fig. 2.32) este plasat in centrul tavanului incaperii;

se calculeaza nivelul de iluminare E_Pk in centrul fiecarui dreptunghi mic de pe suprafata de lucru;

se calculeaza valoarea medie E_med a nivelului de iluminare pe suprafata de lucru

(2.34)

→ se compara E_med cu valoarea impusa EI;

pentru E_med < EI, in centrul tavanului se plaseaza a doua lampa din tabel (flux luminos mai mare) si intregul calcul se reia pana se ajunge la E_med >EI

pentru E_med > EI :

se determina valorile E_P,min si E_P,max ;

se calculeaza factorii de neuniformitate

(2.35)

se compara K1 sau K2 cu valoarea impusa KI

A pentru K1 < KI, se plaseaza simetric pe tavanul incaperii doua lampi si se incepe calculul cu primul tip de lampa din tabel; calculul continua pana se obtine

E_med > EIsi K1 > KI;

→ rezulta tipul de lampa si numarul de lampi.

Schema de calcul indicata in fig. 2.32 ia in consideratie numai nivelul de iluminare determinat de sursele punctiforme, fara a tine seama de nivelul de iluminare suplimentar dat de pereti si tavan. Pentru imbunatatirea schemei de calcul trebuie luata in consideratie prezenta tavanului si peretilor ca surse luminoase plate.

2.2. Metoda punct cu punct pentru surse liniare

Utilizarea lampilor fluorescente tubulare permite realizarea, in luminatul exterior si in cel interior, a unor surse linare.

Metoda punct cu punct poate fi utilizata pentru calculul sistemelor de iluminat cu surse liniare, considerate ca suma de surse punctiforme, iar prin integra­re poate fi determinat nivelul de iluminare intr-un punct P pe suprafata orizontala (fig. 2.33).

Pentru tuburile fluorescente, utilizate pentru realizarea surselor liniare, este valabila legea lui Lambert si deci se poate scrie

dI_α = dI_max cosα = dI_β cosα (2.36)

Intensitatea luminoasa dI_b (in directia b, in planul perpendicular pe axa lampii) poate fi determinata din relatia

(2.37)

in care l este lungimea sursei liniare, iar I_b intensitatea luminoasa in directia b (obtinuta din curba fotometrica a lampilor utilizate).

Din relatia (2.28) rezulta

(2.38)

In triunghiul dreptunghic MAP se obtine

(2.39)

Din relatia (2.39) rezulta

. (2.40)

Din triunghiul dreptunghic PM’M rezulta

(2.41)

iar din triunghiul dreptunghic PAM

(2.42)

Din relatiile (2.41) si (2.42) se obtine

(2.43)

Relatia (2.38) devine

(2.44)

in care

(2.45)

Relatia (2.44) poate fi scrisa sub forma

(2.46)

si

(2.47)

Prin integrarea relatiei (2.47) rezulta nivelul total de iluminare E_P in punctul P

(2.48)

Relatia (2.48) permite determinarea numai a nivelului de iluminare intr-un punct P, situat intr-un plan perpendicular pe axa sursei de lumina si care trece prin capatul sursei.

Pentru alte situatii trebuie luate in vedere cazurile indicate in fig. 2.34:

a) punctul P este in interiorul proiectiei, pe planul orizontal, a sursei liniare de lumina (fig. 2.34 a));

b) punctul P este in afara proiectiei, pe planul orizontal, a sursei liniare de lumina (fig. 2.34 b)).

In primul caz rezulta

(2.49)

iar in al doilea caz se obtine

(2.50)

In cazul general, pentru dimensionarea sistemelor de iluminat cu surse liniare este utilizata relatia

. (2.51)

In relatia (2.51), p este factorul de mentinere, iar F fluxul luminos al sursei.

Dimensionarea instalatiei de iluminat cu surse linare se face conform aceluiasi algoritm de calcul indicat in fig. 2.32.

2.3. Calulul surselor plane prin metoda punct cu punct

Pentru iluminatul locurilor de munca sau a altor spatii pot fi utilizate tavanul luminos sau panourile luminoase.

Pentru a determina nivelul de iluminare intr-un punct P (fig. 2.35), care corespunde proiectiei unui colt al sursei dreptunghiulare (cele mai intalnite forme de asemenea surse luminoase), se calculeaza nivelul de iluminare dE_P , determinat de un element de suprafata dA si apoi se integreaza pe toata suprafata sursei de lumina.

Pentru sursele luminoase dreptunghiulare, in mod obisnuit, se poate utiliza legea lui Lambert (luminanta in toate directiile este constanta L_a = constant) si se poate scrie

(2.52)

Din relatia (2.28) se obtine

(2.53)

Din figura 2.35 rezulta

(2.54)

si

. (2.55)

Din relatia (2.55) rezulta

(2.56)

In cazurile reale punctul P are o alta pozitie decat cea indicata in fig. 2.35. Pot sa apara trei situatii, prezentate in fig. 2.36.

Dimensionarea instalatiei de iluminat cu surse plane se face conform aceluiasi algoritm de calcul indicat in fig. 2.32.

3. Iluminatul exterior

In cazul iluminatului exterior nu apar suprafete laterale care limiteaza spatiul analizat si deci calculul poate fi efectuat prin metoda punct cu punct, plecand de la curbele fotometrice ale surselor de iluminat utilizate.

Instalatia de iluminat trebuie dimensionata in mod distinct pentru carosabil si pentru trotuar.

Este necesar a fi cunoscute date privind densitatea vehiculelor, tipul de acoperamant al strazii, latimea, atat pentru carosabil cat si pentru trotuar, tipul de surse utilizate, inaltimea de prindere etc.

Strazile inguste sunt iluminate cu surse plasate pe o singura parte (fig. 2.37) sau pe mijlocul strazii. Pentru strazile mai late, in mod obisnuit, se foloseste iluminatul pe ambele parti (fig. 2.38).

Dimensionarea instalatiei de iluminat pentru trotuare se face pe baza valorilor impuse ale nivelului de iluminare, indicate in functie de zona circulata si importanta arterei. Sursele de lumina pot fi considerate punctiforme si calculul are loc prin metoda punct cu punct pe baza algoritmului indicat in fig. 2.32.

Dimensionarea instalatiilor de iluminat pe carosabil se face pe baza valorilor impuse ale luminatelor si avand in vedere suprapunerea contributiilor diferitelor surse. Pentru cazul simplu al unei surse de lumina (fig. 2.39) luminanta in punctul P_i rezulta din relatia

(2.57)

in care M_t = M_l M_a este factorul de mentinere al sursei de lumina (produsul dintre factorul de mentinere al lampilor M_l si factorul de mentinere al aparatului de iluminat M_a), q_Pi – coeficientul de luminanta (marime cunoscuta, in functie de tipul sursei si de unghiurile a si b), E_Pi – nivelul de iluminare in punctul P_i .

Relatia (2.57) poate fi scrisa si sub forma

(2.58)

Intensitatea luminoasa I_cg a sursei de lumina, in directia g este cunoscuta din curba fotometrica indicata de constructorul corpului de iluminat pentru sursa standard de 1000 lm

(2.59)

in care f este fluxul luminos al sursei utilizate, iar (I_cg)₁₀₀₀ se citeste din curba indicata de fabricantul sursei.

In cazul general, in care sunt mai multe surse de lumina, luminata totala (L_Pi)_total rezulta prin insumarea contributiilor celor n surse de lumina

(2.60)

In relatia (2.60) s-a considerat ca toate sursele au acelasi factor de mentinere M_t si s-a notat cu r_k expresia factorului de luminanta redus

r_k = q_Pi cos³g (2.61)

Valorile factorului de luminanta redus sunt tabelate pentru fiecare sursa si diferite valori ale unghiurilor a b si g

Alegerea surselor de lumina se face pe baza relatiei (2.60), printr-un calcul iterativ. Solutia obtinuta se verifica din punctul de vedere al factorului de neuniformitate longitudinal, al factorului de neuniformitate transversal si al factorului de neuniformitate global, pentru un interval dintre doi stalpi succesivi, pe aceeasi parte.

4. Aparate de iluminat pentru exterior

Aparatele de iluminat au rolul de a asigura redistibutia si transmisia fluxului luminos emis de sursa (sursele) de lumina.

Un aparat de iluminat cuprinde in principal urmatoarele elemente:

dispozitivul optic, care contine sursa (sursele) de lumina, unul sau mai multe reflectoare, difuzorul si ecranul de protectie vizuala;

armatura mecanica, prevazuta pentru prindere si protectie mecanica;

elemente auxiliare (circuite de alimentare cu energie electrica, elemente de reglare, bloc de pornire).

Un corp de iluminat este definit in principiu prin (fig. 2.40):

axa de referinta;

axa optica;

randamentul luminos h

(2.62)

in care F_L este fluxul luminos emis de aparatul de iluminat; F_l – fluxul luminos emis de una dintre cele n surse de lumina plasate in interiorul aparatului de iluminat.

Clasificarea aparatelor de iluminat:

din punct de vedere mecanic: 12 clase IKxx, in care grupul de cifre xx indica energia (J) socului pe care il poate suporta corpul (clasa 00 – neprotejat);

din punct de vedere electric: 4 clase 0, I, II, III in functie de nivelul de protectie la electrocutare (clasa 0 – neprotejat);

din punctul de vedere al repartitiei intensitatii luminoase: 10 clase BZx (BZ1 curba fotometrica cea mai ingusta).

Unghiul de protectie vizuala prezinta o importanta deosebita pentru evitarea orbirii de inconfort. Se defineste unghiul de protectie d (fig. 2.41) ca fiind unghiul limita sub care sursa de lumina devine vizibila observatorului.

Orbirea de inconfort este determinata in primul rand de repartitia neuniforma a luminantelor

factorul de neuniformitate global k_g al luminantelor pe toata zona de carosabil

(2.63)

in care L_min este luminanta minima pe toata zona de carosabil, iar L_med este valoarea medie a luminantei;

factorul k_l de neuniformitate logitudinala pe axa strazii

,      (2.64)

in care L_l,min este luminanta minima pe axa strazii, iar L_l,max – luminanta maxima pe axa strazii.

Se considera ca rezulta un iluminat corespunzator daca k_g 0,4, pentru care probabilitatea de observare a obiectelor pe carosabil este peste 80% si daca k_l 0,7.

Pentru evaluarea orbirii de inconfort se foloseste factorul G avand o expresie empirica de calcul si care ia in consideratie urmatoarele marimi caracteristice:

culoarea sursei de lumina;

luminanta medie pe carosabil;

inaltimea de montare a surselor de lumina;

numarul de surse de lumina montate pe un kilometru de drum (efectul de flicker).