Metode de calcul al sistemelor de iluminat

Metode de calcul al sistemelor de iluminat

Intretinerea echipamentului luminotehnic

Problematica

- factorul de mentenanta - componente

- durata de viata a lampilor - durata de supravietuire, durata economica

- scaderea in timp a iluminarii - iluminare initiala, de serviciu, de intretinere (valoare normata)

- program de intretinere - schimbare individuala, schimbare in grup

Scaderea in timp a nivelului de iluminare este evaluata prin factorul de mentenanta a iluminarii, M, definit ca raport intre iluminarea medie pe planul de lucru E_m dupa o anumita perioada de folosire a instalatiei de iluminat si iluminarea medie E_in obtinuta in aceleasi conditii de functionare de instalatia considerata noua - M=E_m/E_in.

Pierderea de flux luminos este determinata de imbatranirea lampilor si acumularii de murdarie pe suprafetele aparatelor de iluminat si ale incaperii, in anumite conditii de mediu. Momentul in timp la care se refera termenul "o anumita perioada" este cel in care s-a efectuat operatia de intretinere a instalatiei de iluminat - s-au inlocuit lampile defecte, s-au curatat aparatele de iluminat, s-au curatat sau zugravit peretii incaperii. Iluminarea respectiva se numeste "iluminare de intretinere" si este valoarea recomandata in norme - SR 6646, NP 061 - care se ia in considerare la proiectarea unei instalatii de iluminat.

Factorul de mentenanta este un multiplu de factori:

M=MFLL MSL MCI MSI,

unde MFLL este componenta fluxului luminos al lampilor, MSL - componenta supravietuirii lampilor, MCI - componenta aparatelor de iluminat si MSI - componenta suprafetelor incaperii. Semnificatia acestor factori este data in cele ce urmeaza.

(a) Pierderea de flux luminos prin imbatranirea lampilor se datoreaza, pe de o parte, scaderii fluxului luminos in timp din cauza uzurii fizice a componentelor si, pe de alta parte, defectarii lampilor care determina iesirea lor din functiune. Durata de viata a unei lampi are astfel doua semnificatii- durata economica, definita prin timpul de functionare in care fluxul luminos emis de lampa scade la un anumit procent din fluxul luminos initial (de exemplu, dupa 16.000 ore de functionare fluxul luminos scade la 70%); durata fizica ( de supravietuire), definita prin timpul de functionare in care 50% din numarul total al lampilor din instalatia de iluminat raman in functiune (de exemplu, 16.000 ore de functionare).

Durata de viata pentru lampile cu filament (lampile cu incandescenta, lampile cu vapori de mercur combinate) se considera durata fizica, de supravietuire, iar pentru lampile cu descarcari - durata economica).

Cataloagele producatorilor de surse luminoase contin date specifice referitoare la aceasta pierdere de flux luminos, cu precizarea parametrilor de definire a duratei de viata. In tabel sunt prezentate valorile componentelor MFLL si MSL pentru cateva tipuri de lampi, stabilite ca valori medii.

Lampile iesite din functiune pot fi inlocuite individual sau in grup. Inlocuirea in grup a tuturor lampilor instalatiei de iluminat se face inainte de atingerea duratei de viata medii a lampilor, intervalul de timp fiind determinat pe baza unei analize a costurilor. Se poate lua in considerare momentul de circa 70% din durata de viata, moment in care fluxul luminos emis de lampi scade cu doar circa 5-10%. Costurile totale de inlocuire a lampilor cuprind costurile lampilor si costul manoperei necesare (comanda, stocare, instalare, depozitarea deseurilor), care depinde de sistemul de inlocuire a lampilor adoptat si de dificultatea operatiei.

O recomandare privind intervalul de inlocuire in grup a lampilor este data in norma CIE 97:

Lampi cu vapori de sodiu de inalta presiune (LSON): 15.000 ore

Lampi cu vapori de sodiu de inalta presiune cu culoare imbunatatita (LSON Plus?): 6.000 ore

Lampi cu vapori de mercur de inalta presiune (LMF): 9.000 ore

Lampi cu halogenuri metalice (LMH): 6.000 ore

Lampi fluorescente tubulare (LF): 9.000 ore

Lampi cu incandescenta (LIG): 1.000 ore

Durata anuala de functionare a lampilor intr-o instalatie de iluminat depinde atat de tipul activitatii desfasurate si numarul de schimburi de lucru, cat si de utilizarea unui control al iluminatului in functie de lumina zilei disponibile.

(b) Pierderea de flux luminos prin murdarirea lampilor si sistemului optic al aparatelor de iluminat constituie ponderea cea mai mare in totalul pierderilor de flux luminos. Marimea acestor pierderi depinde de natura si densitatea suspensiilor din aer, geometria, temperatura si finisajul suprafetelor optice ale aparatelor de iluminat si de tipul lampilor. Deprecierea emisiei luminoase poate fi redusa prin alegerea aparatelor de iluminat in concordanta cu caracteristicile de mediu. Aparatele de iluminat deschise in partea inferioara si inchise in cea superioara vor colecta murdaria intr-o proportie mai mare decat cele ventilate (cu circulatie fortata de aer). In incaperile cu atmosfera puternic poluata este preferabila utilizarea unor aparate de iluminat etanse, cu un grad de protectie de minimum IP54.

Caracteristicile unui program de intretinere sunt prezentate in figura. In cazul unei instalatii neintretinute, iluminarea pe planul de lucru va scadea la 40% din valoarea initiala dupa trei ani de functionare si va continua sa scada. Prin curatirea anuala a aparatelor de iluminat se asigura dupa trei ani de functionare o iluminare pe planul de lucru de 60% din valoarea initiala, ceea ce reprezinta o crestere cu 50% fata de situatia unei instalatii neintretinute (N.B. Cifra de 60% pare mult prea mica fata de valorile uzuale adoptate in programul de calcul DIALUX si calitatile lampilor moderne, care au o scadere a fluxului luminos in timp relativ redusa - in special lampi fluorescente trifosfor si fata de norme care mentioneaza pentru factorul de mentinere valorile de 0,7 sau 0,8). In acest moment se va proceda la o operatie multipla de intretinere a instalatiei de iluminat, care cuprinde a treia curatire (anuala) a aparatelor de iluminat, prima curatire (la trei ani) a suprafetelor incaperii si prima inlocuirea in grup (la trei ani) a lampilor. Prin aceasta se aduce nivelul de iluminare la o valoare foarte apropiata de cea initiala, avand in vedere ca unele pierderi de lumina datorate imbatranirii unor componente ale instalatiei de iluminat nu pot fi acoperite.

Un program de intretinere bine ales si utilizat va asigura mentinerea iluminarii deasupra valorii normate, va reduce costurile de capital si exploatare si va asigura un aspect corespunzator al interiorului incaperii.

Factorul de mentenanta pentru iluminatul industrial si cel din cladiri civile este dat in mod simplificat in SR 6646/1, 2, 3.

Calculele fotometrice

Problematica

- datele de intrare

- componentele iluminarii - directa, reflectata

- metoda factorului de utilizare

- factorul de utilizare

- indicele incaperii

- calculul iluminarii medii

- stabilirea numarului de aparate de iluminat

Calculele fotometrice sunt o importanta componenta a proiectarii iluminatului, furnizand informatiile necesare adoptarii deciziilor de proiectare. Aceste calcule reprezinta modelarea matematica a unor procese fizice complexe ce caracterizeaza radiatia luminoasa. Cu cat metodele de calcul sunt mai elaborate, cu atat mai exacte vor fi informatiile obtinute, dar si dificultatile realizarii acestor calcule sunt mai mari. Nu intotdeauna sunt justificate eforturile si costurile implicate de elaborarea unor metode de calcul foarte riguroase, care necesita timp pentru a fi studiate si aplicate si impun utilizarea unor calculatoare performante. In cele mai multe cazuri, modele matematice simple sunt perfect adecvate pentru obtinerea unor date de proiectare cu suficienta exactitate. Pentru situatiile speciale, care necesita o precizie deosebita a calculelor, o vizualizare a sistemului de iluminat si a iluminarii diferitelor suprafete ale incaperii, au fost dezvoltate modele sofisticate de calcul si grafica care utilizeaza o tehnica de calcul adecvata. Informatiile obtinute prin calculele fotometrice se refera in principal la valorile iluminarilor si luminantelor in diferite puncte sau pe anumite suprafete ale incaperii. Pe baza acestora se poate apoi evalua sistemul de iluminat analizat sub multiple aspecte cantitative si/sau calitative. Datele de intrare pe baza carora este posibila modelarea interactiunii intre radiatia luminoasa emisa de sursele de lumina si mediul ambiant sunt fotometrice si ambientale.

Datele fotometrice descriu caracteristicile de emisie a luminii ale echipamentului de iluminat - distributia spatiala a intensitatii luminoase si/sau a fluxului luminos. In mod obisnuit se folosesc curbele de distributie a intensitatii luminoase ale aparatelor de iluminat, reprezentate in coordonate sferice si redate sub forma grafica (pentru usurinta reprezentarii) si/sau tabelara (necesara prelucrarii informatiei pentru elaborarea programelor de calcul). Intrucat informatiile sunt disponibile intr-un numar finit de directii (sau plane) de reprezentare, o atentie speciala trebuie acordata procedurii de interpolare a datelor, pentru evaluarea erorilor de calcul pe care aceasta le induce.

Datele mediului ambiant descriu natura interactiunii luminii cu suprafetele incaperii, de obicei prin analiza reflectantelor acestora. Aceasta interactiune necesita cunoasterea variatiei coeficientilor de reflexie cu directia de incidenta si cu compozitia spectrala a luminii si modelarea matematica poate fi extrem de complexa. De aceea, in general, reflectanta diferitelor suprafete ale incaperii se considera ca fiind uniforma (suprafete perfect difuze) si independenta de spectrul de radiatie al luminii incidente (suprafete "gri"), ceea ce conduce la o simplificare considerabila a analizei.

Valorile calculate ale iluminarilor sau luminantelor pot sa difere considerabil de valorile masurate, datorita atat datelor de intrare ale echipamentelor de iluminat, parametrilor considerati pentru incapere si sistemul de iluminat, modelului matematic adoptat cat si erorilor introduse de metoda de masurare. De exemplu, caracteristicile fotometrice ale lampilor folosite in instalatie pot sa difere de cele nominale de catalog, la fel cum caracteristicile fotometrice ale aparatelor de iluminat pot sa nu fie in concordanta cu datele de catalog datorita pozitionarii acestora, usor modificata fata de normele producatorilor sau de datele de proiectare; valorile adoptate pentru factorii de reflexie ai suprafetelor incaperii si factorii de mentenanta pot sa difere de valorile reale. Chiar modelul matematic nu este o reprezentare exacta a celor mai multe incaperi reale, pline cu echipament si mobilier.

Calculul iluminarilor. Unul din aspectele importante in evaluarea instalatiilor de iluminat este dat de calculul iluminarii intr-un anumit punct din spatiu, cum este sarcina vizuala si al iluminarii medii pe un anumit plan din spatiu, fie el planul de lucru.

Iluminarea are doua componente, directa si reflectata E=E_directa+E_reflectata. Componenta directa este determinata de partea din fluxul luminos al surselor de lumina ce este emis catre punctul sau suprafata in cauza. Componenta reflectata este produsa de partea din fluxul luminos al surselor de lumina care este orientat inspre alte directii din spatiu, atinge tavanul, peretii sau mobilierul din incapere si ajunge astfel in punctul sau pe suprafata in cauza in urma unor reflexii multiple.

Calculul iluminarii medii. Iluminarea medie pe o anumita suprafata se determina prin medierea valorilor iluminarii calculate pentru o multime p de puncte de pe suprafata considerata E_med=suma(E)/p sau prin aprecierea globala a fluxului luminos emis de sursele de lumina ce ajunge pe suprafata de arie A, pe baza definitiei iluminarii ca flux luminos pe unitatea de arie, E_med= /A.

Metoda factorului de utilizare - MFU - este folosita pentru determinarea valorii medii a iluminarii pentru toate punctele suprafetei planului de lucru intr-o incapere.

Fluxul luminos emis de lampile instalatiei de iluminat - _tl - nu este orientat in intregime in mod direct spre suprafata planului de lucru, o parte din el va ajunge pe ea in urma unor reflexii repetate pe diferitele suprafete din incapere (sistemul optic reflectant al aparatelor de iluminat, pereti si tavan, mobilier, panouri). Pierderea de flux luminos este evidentiata prin factorul de utilizare - U - care reprezinta proportia din _tl ce atinge suprafata planului util (atat direct cat si in urma reflexiilor multiple). Astfel,

E_initial= _tlU/A.

Fluxul luminos emis de lampile instalatiei de iluminat este determinat de fluxul luminos al unei lampi (nominal, initial) - _l - multiplicat cu numarul lampilor dintr-un aparat de iluminat - n_la - si cu numarul de aparate de iluminat al instalatiei - N_ai -, adica _tl= _l n_laN_ai. Intrucat parametrul de proiectare al unei instalatii de iluminat este iluminarea de intretinere - E_intretinere - pe planul de lucru, se va introduce si factorul de mentenanta ce ia in considerare deprecierea in timp a fluxului luminos corespunzator componentelor lampa/aparat/incapere - M=MFLL MSL MCI MSI. Astfel ca relatia anterioara devine:

E_intretinere= _l n_laN_aiUM/A

Factorul de utilizare, care reprezinta modul de utilizare efectiva a fluxului in planul de lucru, depinde de factorii fotometrici (reflectantele suprafetelor incaperii), distributia spatiala a fluxului luminos al aparatelor de iluminat, factorii geometrici ai sistemului de iluminat (dimensiunile incaperii, pozitia sursei fata de planul de lucru). Factorii geometrici sunt cuprinsi in indicele incaperii i, a carei exprimare matematica este asociata cu marimea unghiului solid sub care este vazut planul de lucru din punctul central al planului de suspendare a aparatelor de iluminat

i=lL/h(l+L)

In figura 2.4.? se pot urmari parametrii caracteristici metodei pentru incaperi paralelipipedice:

- planul util (sau 'de lucru' sau 'de munca') este planul orizontal in care se desfasoara activitatea vizuala (de munca). Uzula este situat la inaltimea h_u = 0,85 -1,00 m;

planul de suspendare a AI ce cuprinde centrele surselor;

fluxul util Φ_u ca fiind fluxul receptat de aria suprafetei utile S.

fluxul emis de sursele de lumina _{tl l} n_laN_ai;

fluxul emis de aparatul de iluminat _{a l} n_la

Firmele producatoare de aparate de iluminat prezinta factorii de utilizare pentru planul de lucru si, pentru calcule mai complexe, si pentru pereti si tavan sub forma de tabele, pentru diferite combinatii dintre reflectantele acestor suprafete si pentru diferite valori ale indicelui incaperii. Pentru calcule informative se poate utiliza tripleta de valori pentru factorii de reflexie ai tavanului, peretilor, pardoselii - 0,7/0,5/0,3 ce caracterizeaza o incapere ale carei suprafete au culori deschise.

Figura 2.4.? Explicativa asupra componentelor metodei factorului de utilizare

a - sectiune prin incapere, cu doua AIL; b - sectiune prin incapere cu un AIL.

MFU este o metoda de calcul global larg folosita, modul de aplicare practica fiind specific diferitelor tari - metoda olandeza (Philips) - adoptata si de tara noastra, metoda germana (metoda utilantelor, LiTG), metoda americana (Lumen Method, Zonal Cavity Method), metoda britanica (British Zonal), metoda franceza (Afnor). In 1977 a fost elaborata metoda aplicata CIE care propune o uniformizare a metodelor existente - (CIE-40 Tc 1.5 si STAS-R 11621).

Relatia de calcul a iluminarii este utilizata si pentru determinarea numarului de aparate de iluminat ce vor asigura valoarea normata (de intretinere) a iluminarii intr-o instalatie de iluminat:

N_ci=E_normatA/ _l n_laUM

Limitari ale metodei. Iluminarea calculata prin MFU este o valoare medie reprezentativa doar intr-un sistem de iluminat general, in care aparatele de iluminat sunt asezate echidistant (formand randuri - in lungul incaperii - si coloane - de-a latul incaperii), astfel incat sa se obtina o distributie uniforma a iluminarii. In acest caz, numarul aparatelor de iluminat amplasate pe lungimea incaperii - N_ai-lungime - (deci numarul de aparate dintr-un rand) respectiv pe latimea incaperii - N_ai-latime - (deci numarul de aparate dintr-o coloana, egal cu numarul de randuri) sunt corelate cu valoarea indicelui incaperii, intr-o serie standardizata CIE.

Factorii de utilizare sunt calculati pentru incaperi goale, fara echipamente si mobilier, suprafetele reflectante fiind considerate perfect difuze. Factorul de reflexie al peretilor r_p este determinat ca o medie ponderata a reflectantelor r ale diferitelor suprafete componente de arie A (ferestre, mobilier, usi, panouri), adica r_p=suma(rA)/suma (A).

Componenta lampilor in factorul de mentenanta:

MFLL - factorul de flux luminos al lampilor; MSL - factorul de supravietuire a lampilor

Durata anuala de functionare a lampilor intr-o instalatie de iluminat

Nota:1. Se considera ca lumina naturala adecvata este disponibila pentru jumatate din durata anuala de munca

2. Patrunderea luminii naturale in spatii interioare este diferita pentru situatii concrete. Comanda si reglarea iluminatului electric va trebui sa fie particularizate acestor situatii.

3. Pentru spatiile din apropierea ferestrelor perioada de deconectare a lampilor va putea fi mai lunga decat in spatiile din interior

Componenta aparatelor de iluminat in factorul de mentenanta - MCI

Componenta suprafetelor incaperii in factorul de mentenanta - MSI

Numarul aparatelor de iluminat pe lungimea si latimea incaperii