تحقیق مقاله اهمیت انرژی روشنایی

روشنایی

تعاریف و کمیتهای اصلی روشنایی

1- شدت نور(Luminous Intensity)

شدت نور، قوت نور ساطع شده از منابع نور را به دست می دهد. شدت  نور منابع معمولی در زوایای مختلف متفاوت است در ابتدا که شمع برای روشنایی مورد قرار می گرفت شدت نور یک شمع استاندارد در صفحه افق به عنوان واحد شدت نور مورد  استفاده قرارگرفت که با K مشخص  می شد. این استاندارد  رضایت بخش نبود و در سالهای بعد استانداردهای گوناگونی معرفی شدند که اهم آنها شمع (Hefner kerte) و شمع بین المللی (International candly) برد. و اما در سال 1948 استاندارد بین المللی جدیدی برپایه تشعشع کننده ای در درجه حرارت انجماد پلاتین عینی 2045 شدت نور که با I نشان داده می شود با واحد کاندیدا اندازه گیری می شود.

2- شارنوری (Luminous Flux)

یک منبع نور که در هم جهات دارای شدت نور یکنواخت 1 کاندیلاست را در مرکز مختصات کروی درنظر بگیرید. میزان نور یا شارنوری را که از هرامتدادیان زاویه فضای خارج می شود، واد شارنوری یا یک لومن (Lumen) می نامیم. اگر شدت نور I() کاندیلا باشد. شارنورانی این چنین محاسبه می گردد.  

رابطه بالا را به صورت مشتق نیز می توان نوشت:   

                در رابطه بالا زاویه نضمایی است.

3-  درخشندگی (Luminance)

اگر دو منبع نورانی که شدت نور برابر ولی اندازه فیزیکی مختلف داشته باشند، به طور پشت سرهم رؤیت شوند منبعی که کوچکتر است درخشنده تر به نظر می رسد، درخشندگی L در هرجهت را با نسبت شدت نور ساطع شده از منبع در آن جهت به مولفه سطح منبع نورانی در آن جهت تعریف می کنیم و چنین می نویسیم:

لذا واحد درخشندگی کاندیلا برمترمربع که به نیت (Nit)  هم معروف است.

4- توزیع شدت نور به منحنی پخش نور:

 بیشتر منابع نوری، منابع نقطه ای نیستند و لذا شدت نور یکنواخت درجات مختلف ندارند نحوه توزیع شدت نور یک منبع برای محاسبات نوری با اهمیت است و معمولاً توسط سازنده لامپ اندازه گیری می شود و به عنوان منحنی پخش نور داده می شود. برای نمایش پخش نور روشهای مختلفی ممکن است که منحنی های قطبی یکی از معمولترین روشهاست.

شدت نور بسیاری از چراغها دارای تقارن حول محور عمود چراغ است و برای نمایش پخش نور تنها یک منحنی دریکی از صفحات قائم کافی است.

در این منحنی ها زاویه از محور قائم که از چرا‏غ می گذرد اندازه گیری می شود و در هرزاویه فاصله شعاعی منحنی از محل چراغ شدت نور در آن زاویه را مشخص می کند.

منابع نور

تقسیم بندی چراغها براساس پخش نور:

منابع نور را می توان به دو دسته اصلی لامپهای التهابی و تخلیه در گاز تقسیم کرد.

تقسیم بندی لامپها را می توان به صورت جدول زیر خلاصه کرد.

تقسیم بندی لامپها

لامپهای تخلیه در گاز

لامپهای رشته دار

لامپ

متال هلاید

لامپ آمیخته      

پرفشار

سدیم

پرفشار

جیوه

لامپهای پرفشار

کم فشار

سدیم

لامپهای با

منعکس کننده

لامپهای

معمولی

لامپهای هالوژنی

کم فشار

جیوه

لامپهای کم فشار

مشخصات لامپ:

مشخصات اصلی لامپها عبارتند از:

الف- شارنوری برحسب لومن

ب- بهره نوری برحسب لومن بروات

ج- عمرلامپ

ت- درخشندگی لامپ که برحسب کاندیلا برمترمربع اندازه گیری می شود.

ث- رنگ دهی

در قسمتهای بعد با اصول کار لامپها و عومال تعیین کننده مشخصات آنها و ساختمان عمومی آنها آشنایی بیشتری پیدا می کنیم.

1- لامپهای رشته دار:

لامپهای رشته دار حدود 100سال پیش ساخته شد و امروز به حدکمال رسیده اند. علیرغم بهره نوری بیشتر لامپهای فلورسنت، هنوز هم لامپهای رشته دار تولید می شوند. امتیازهای اصلی این لامپ ها، رنگ دهی عالی، کوچکی اندازه، قیمت کم و عدم نیاز به راه انداز است.

1-1- ساختمان عمومی لامپهای رشته دار

رشته توسط دوسیم از فلز مولیبدنوم B  نگهداری می شود.اتصال الکتریکی به رشته از دو انتها توسط دو سیم نیکل C  انجام می شود. سیم های C به دو سیم D  جوش داده شده اند که از طرف دیگر به سیم نازک E  که فیوز نامیده می شوند از آلیاژ مس و نیکل ساخته می شوند متصل اند. این سیم ها از طریق دو سیم C،  به دو نقطه اتصال H متصل اند. لوله تخلیه K برای تخلیه هوا از داخل حباب L و پرکردن آن از گاز خنثی مورد استفاده قرار می گیرد. سرپیچ فلزی M از برنج یا آلومینیوم ساخته می شود و به وسیله ؟؟؟ مخصوص N  به حباب محکم شده است.

1-2- ساختمان رشته:

برای تولید نورمرئی با رنگ سفید لازم است رشته در درجه حرارت بالا کارکند. در لامپهای امروزه از رشته تانگستن استفاده می شود. تانگستن دارای دو خصوصیت مطلوب است. یکی نقطه ذوب بالا (3655کلوین) و دیگری اینکه به علت کم بودن فشار بخاری تانگستن، تبخیر آن کم است.

3-1- شیشه یا  حباب لامپ:

شیشه یا حباب لامپها به شکلهای گوناگونی  وجود دارند. حروف مشخص کننده شکل حباب هستند. برای مثال حرف A مشخص نوع ساده، ‌PS,P گلابی شکل است.

حباب اغلب لامپها از شیشه معمولی ساخته می شود ولی شیشه لامپهای توان بالا و لامپهایی که درمعرض باران و برف قرار می گیرند از شیشه سخت که مقاومت کافی دارد ساخته می شود. داخل شیشه را از سیلیس  می پوشانند که سبب کاهش چشم زدگی شود.

1-4- سرپیچ لامپها:

سرپیچ لامپها به صورت پ ییچی یا محیطی ساخته می شوند. در سرپیچ پیچی که به سرپیچ ادیسون هم معروف است لامپ اب پیچ دادن به ساکت گیرنده متصل می شود. لامپها با سرپیچ های میخی با قرارگرفتن دو زائده به شکل پیچ در شیارهای مخصوص به ساکت گیرنده متصل می شوند.

1-5- گاز داخل پمپ:

برای ممانعت از تبخیررشته در درجه حرارتهای بیشتر از 2500درجه سلیسوس، شیشه را از گازهای خنثی پر می کنند. در ابتدا از گاز ازت استفاده می شود لیکن بعدها گاز آرگون به علت داشتن ضریب انتقال حرارتی ویژه کمتر که تلفات حرارتی را کاهش می داد مورد استفاده قرارگرفت.

لامپهای امروزی از آرگون بادرصد کم از ازت پر می شوند.

1-6- مشخصات لامپهای رشته ای

امروزه لامپهای رشته دار در اندازه های استاندارد ساخته می شوند.

1-7- انواع لامپهای رشته دار:

معمول ترین لامپهای رشته دار لامپهای معمولی هستند که در خانه ها  مورد استفاده قرار می گیرند. نوع دوم این لامپها که به لامپ با منعکس کننده معروف است به منعکس کننده داخلی مجهزند که شار را درجهت معینی افزایش می دهند نوع سوم این لامپها، لامپهای هالوژنی هستند.

2- لامپهای بخارجیوه:

امتیاز اصلی این لامپها درمقایسه با لامپهای رشته ای بهره نوری بالاتر تا حدود 65 لومن بروات است. این لامپها از طریق عبور  جریان برق در بخارجیوه و تحریک آن نور تولید می کنند. با شروع کار لامپ، جیوه کم کم بخار می شود تا فشار داخل حباب به چند اتمسفر می رسد. در این فشارهای بالا الکترونهای سطوح انرژی بالاتر تحریک می شوند که نورمرئی  تولید می کنند.

2-1- ساختمان عمومی لامپهای بخارجیوه:

لامپ دارای دوحباب داخلی و خارجی است: حباب داخلی از کوارتز ساخته می شود. حباب خارجی استوانه ای یا بیضوی است و غالباً   سطح داخلی آن از فسفر پوشانده می شود که به عنوان صافی که بعضی از طول موجهای موجود را جذب می کند عمل می کند.

3- لامپهای متال هلاید (Metal Halide)

لامپهای متال هلاید از نظرساختمان مانند لامپهای جیوه پرفشار هستند. تفاوت اصلی آنها با لامپهای جیوه پرفشار در این است که درحباب داخلی آنها علاوه بر جیوه مقدار کمی از نمکهای هالوژنی وارد می کنند.

این نوع لامپها امروزه در اندازه های 250 تا 2000وات ساخته می شوند و در کاربردهایی نظیر روشنایی میادین ورزشی و نورتابی به ؟؟؟ ساختمانهای بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند. در سالهای اخیر در روشنایی داخلی نیز از این لامپها استفاده می شود.

4- لامپهای بخار سدیم

ازنظر ساختمان شبیه لامپهای بخار جیوه هستند. دراین لامپها سدیم به عوض جیوه و گاز نئون به جای آرگون مورد استفاده قرارمی گیرد. راه افتادن کامل این لامپها 15 تا 20دقیقه طول می کشد. این لامپها بهره نوری تا حدود 70 لومن بروات دارند. این لامپها بیشتر برای روشن کردن خیابان ها و معابر و محلهای مشابهی که رنگ، اهمیت چندانی ندارد  مورد استفاده قرار می گیرند.

5- لامپهای فلورسنت:

این لامپها از یک لوله بلند با قطرکم ساخته می شوند که سطح داخلی آنها از پودر ماده فلورسنت پوشیده شده است. فلوزسنت به موادی گفته می شود که نور را درطول موجی غالباً غیرمرئی جذب می کنند و نور در طول موج دیگری که غالباً مرئی است پس می دهند. حباب دارای مقدار کمی آرگون و کمی جیوه است.

روش لومن برای محاسبه روشنایی:

غرض از محاسبه روشنایی با روش لومن تعیین تعداد چراغها و محل نصب آنها برای یک شدت روشنایی متوسط معین است. درطرح با روش لومن روشنایی متوسط روی سطح کار موردنظر است و تغییرات شدت روشنایی از نقطه ای به نقطه دیگر موردتوجه است. میزان روشنایی رسیده به کار از هرچراغ به منحنی توزیع نورچراغ، اندازه های اتاق و ضرایب انعکاس دیوارها و سقف بستگی دارد. علت این امر آن است که مقداری از نور چراغ به طور مستقیم به سطح کار می رسد و مقداری از آن پس از انعکاس از سقف و دیوارها و یا بعد از انعکاسهای متعدد به سطح کار می رسد.

درنتیجه شدت روشنایی متوسط Eav کف اتاق برابر است با:

دراین معادله cu نسبت شارنوری مفید که به سطح کار روشنایی می بخشد به کل شارنوری تولید شده در لامپ هاست. و لذا آن را ضریب بهره می نامیم. که نحوه محاسبه آنرا در ادامه خواهیم گفت.

ضریب بهره cu به عوامل مختلفی چون جذب نور در چراغ، منحنی پخش نورچراغ، ارتفاع نصب چراغها طول وعرض و ارتفاع اتاق و ضرایب انعکاس سقف، دیوارها و کف بستگی دارد.

روشن لومن با استفاده از شاخص فضا:

تجارت و محاسبات نشان داده است که اثرات طول و عرض و ارتفاع اتاق و ارتفاع نصب چراغها را می توان به صورت یک متغیر به نام شاخص فضا یا ضریب اتاق Kr به صورت زیر تعریف کرد.

در مورد نورمستقیم، نیمه مستقیم و پخش یکسان                     

درمورد نور غیرمستقیم و نیمه غیرمستقیم                            

در روابطه بالا L طول اتاق ، W عرض اتاق، h ارتفاع نصب چراغها از سطح کار و H ارتفاع سقف از سطح کار است. امروزه جداول کاملی برای ضریب بهره برای انواع معمول چراغها برای مقادیر مختلف شاخص فضا و مقادیر مختلف ضرایب انعکاس سقف، دیوارها و کف تدوین شده است.

در این جدول در ستون اول سمت چپ منحنی پخش نورچراغ رسم شده است. و درصد شارنوری آن به طرف بالا و پائین داده شده است. مثلاً درمورد لامپی که درجدول زیر آمده است. 50درصد نور تولیدی لامپ به طرف پائین و صفر درصد به سمت بالا تولید می شود و بنابراین 50درصد نور تولیدی لامپ توسط چراغ جذب و صنایع می شود. همچنین در این ستون حداکثر فاصله مجاز بین مرکز دوچراغ مجاور برحسب ارتفاع نصب چراغها از کف یا برحسب ارتفاع سقف از کف داده شده است. درمورد چراغ زیر حداکثر فاصله مجاز بین دو چراغ مجاور 0.8 ارتفاع نصب آنها از کف اتاق است. ستون دوم از سمت چپ شاخص فضاست که از 0.6 تا 5 آمده است.

بسته به پاکیزگی محل نصب و نوع چراغها ازنظر خاک گیری سه نوع ضریب نگهداری،  خوب و متوسط و بد مشخص شده است. این ضریب را با MF   مشخص می کنیم. برای اینکه چراغها در طی عمرنور کافی به سطح کار برسانند باید این ضرایب را هم درمحاسبات منظور نمود که درنتیجه معادله به صورت زیر درمی آید:

برای روشن تر شدن بحث یک مثال را اینجا مطرح می کنیم.

مثال- یک دفترکار دارای طول 8متر، عرض 6متر و ارتفاع 3متر است. ضرایب انعکاس سقف 7/0، دیوارها 5/0 و کف 3/0 است. شدت روشنایی لازم روی سطح کار در ارتفاع 80 سانتی متر از کف 500 لوکس است. با استفاده از چراغ جدول که با دو لامپ 5000 لومن شارنوری تولید می کند. تعداد چراغهای لازم و وضعیت نصب آنها را معین کنید.

نورچراغها مستقیم است پس داریم:

Pc= 0.7 ; Pn = 0.5 ; Pf = 0.1 cu=0.42

چون Pf = 0.3 است از جدول ضریب تصحیح 1.07 را بدست می آوریم.

CU = 0.42 x 1.07 = 0.45

با فرض محیط نظیف، ضریب نگهداری را 0.7 فرض می کنیم پس داریم :

تعداد چراغها n برابر است با:

اگر فاصله چراغها را x  فرض کنیم داریم:

فاصله مجاز چراغها

از یکدیگر

   مقدار E مبنا برای پرفضا و نوع چراغ پیشنهادی:

در این پروژه سعی شده است به علت اینکه فضاها اغلب اداری- آموزشی می باشند، از لامپهای معمولی برای این فضاها که همان لامپهای فلوئورسنت می باشند استفاده شود. باتوجه به کتاب دکتر کلهر از لامپ شماره 2 فلوئورسنت لووردار استفاده شد. به علت تمیزی محیط ها (حتی ؟؟؟ به علت محیط پزشکی، باید استریل و تمیز باشند) از بالاترین ضریب نگهداری MF=0.75 استفاده شد. شارنوری پرل مپ 40w را  درنظر گرفتیم که این میزان باتوجه به جدول و طرز قرارگیری  را ما می دهد. همچنین ضرایب انتخابی برای انعکاس سقف، دیوار و کف به ترتیب: 50 ،50 و 10درصد انتخاب شده است. در راهروها هم از لامپ  استفاده شده است. باتوجه به جدول محاسبات روشنایی، برای لامپ فلورئورسنت لووردار از لامپ شماره 2 درجدول  لامپهای کتاب جامعه مهندسان روشنایی آمریکا (کتاب روشنایی دکتر کلهر صفحه 136)، برای لامپ فلوئورسنت رفلکتوری که در اتاق های هواساز و موتورخانه و نظیر آن استفاده شده از لامپ شماره 30 همان کتاب استفاده شده است.