محاسبات روشنایی داخلی

منابع‌ زیادی‌ به‌ زبان فارسی‌ در مبحث‌ محاسبات روشنایی‌ داخلی وجود دارد، که‌ عمدتا روش‌های‌ مبتنی‌ بر استاندارد مهندسان روشنائی‌ آمریکا (IEC) را بررسی‌ کرده اند. در این‌ مقاله سعی‌ شده است‌ که‌ روش شار متوسط‌ نوری‌ در استاندارد EN-12464-1 که‌ از سال ٢٠٠٣ جایگزین‌ DIN5035 شده است‌، توضیح‌ داده شود. همراه ما باشید تا با روش محاسبه روشنایی داخلی، محاسبه شاخص یکدستی روشنایی، فرمول محاسبه شدت روشنایی و… آشنا شوید. محاسبات روشنایی به زبان ساده در این پست آموزش داده شده است.

خواندن این پست تخصصی، به علاقمندان حوزه تاسیسات برق ساختمان، دانشجویان و مهندسین تازه کار و دانش پژوهان رشته برق پینشهاد میشود. مطالعه این پست کمتر از ۵ دقیقه وقت شما را میگیرد.

محاسبات روشنایی داخلی به زبانی ساده

قدم اول برای طراحی روشنایی فضای داخلی، محاسبات روشنایی (Lighting calculations) است. برای طراحی، باید ۴ مرحله زیر را انجام داد.

١-محاسبه شدت روشنایی‌

٢-انتخاب لامپ‌

٣-انتخاب نوع چراغ بر اساس نیازهای‌ معماری‌، نوع لامپ‌ انتخابی‌ و ملاحظات اقتصادی‌

٤-محاسبه‌ تعداد چراغ بر اساس روش شار متوسط‌ نوری‌

انتخاب شدت روشنایی‌ بر اساس استاندارد EN-12464-1

شدت روشنایی (Illuminance)، مقدار نوری است که به طور عمود بر یک واحد سطح از یک منبع نوری مشخصی می‌رسد و به واحد لوکس (lux) اندازه‌گیری می‌شود. شدت نور برای نورپردازی فضای باز، محیط های خارجی نیز باید محاسبه شود.  فرمول محاسبه شدت روشنایی به صورت زیر است:

I = E x cos(θ)

که در آن:

I: شدت روشنایی به واحد لوکس (lux)
E: شدت روشنایی نور ورودی به واحد لوکس (lux)
θ: زاویه بین نور ورودی و عمود بر سطح

شدت‌های‌ روشنایی‌ اماکن‌ مسکونی‌ و عمومی‌ در این‌ استاندارد به‌ قرار زیر است‌: چند عکس زیر را میتوانید دانلود کنید تا برای محاسبات روشنایی، راحت باشید.

جدول 1 ( دیتای موردنیاز برای محاسبات روشنایی داخلی)

نحوه انتخاب لامپ‌ با کمک چند فرمول و محاسبه

پس‌ از انتخاب درجه‌ وضوح رنگ‌ مکان مورد نظر می‌توان لامپ‌ مورد نظر را انتخاب نمود. درجه‌ وضوح رنگ‌ که‌ در جدول بالا مورد استناد قرار گرفته‌ است‌ در محیطهای‌ مختلف‌ به‌ قرار زیر است‌:

جدول 2 – (دیتای موردنیاز برای محاسبات روشنایی داخلی)

عامل‌ دیگر موثر در انتخاب لامپ‌ بازدهی‌ نوری‌ آن است‌. در جدول ٣ این‌ دو مورد درباره معمول ترین‌ لامپ ها فهرست‌ شده اند. پس‌ از تعیین‌ لامپ‌ می‌ باید چراغ مناسب‌ را پیدا نمود. علاوه بر هماهنگی‌ با نوع لامپ‌، ملاحظات معماری‌ و اقتصادی‌ در این‌ انتخاب دخالت‌ دارد.

مبحث 13 مقررات ملی‌ در مورد درجه‌ حفاظت‌ چراغ ها ملاحظاتی‌ دارد که‌ خلاصه‌ آن بدین‌ شرح است‌:

• در محیط های‌ نمناك مانند آشپزخانه‌ های‌ بزرگ، سردخانه‌ و موتورخانه‌ درجه‌ حفاظت‌ کلیه‌ تجهیزات از جمله‌ چراغ‌ها باید حداقل‌ IP44 باشد.
• در محیط های‌ مرطوب مانند رختشوی خانه‌ و حمام درجه‌ حفاظت‌ کلیه‌ تجهیزات از جمله‌ چراغ ها باید حداقل‌ IP45 باشد.

روش  محاسبه شار متوسط‌ نوری‌ (لومن)

هر لامپ‌ روشنائی‌ مشخصی‌ را تولید می‌ کند که‌ با واحد شار نوری‌ (لومن‌) اندازه گیری‌ می‌ شود. هنگامی‌ که‌ این‌ لامپ‌ درون چراغی‌ قرار می‌گیرد، مقداری‌ از این‌ نور به‌ واحد سطح‌ مکان مورد نظر می رسد که‌ از آن به‌ شدت روشنائی‌ یاد می‌ کنند و با واحد لوکس‌ اندازه گیری‌ می‌ شود.

مطابق تعاریف فوق

شدت روشنایی (لوکس)= (ضریب کاهش * شار لامپ ها (لومن)) / سطح کار (مترمربع)

ضریب کاهش از عوامل مختلفی تاثیر می‌پذیرد:

• ضرایب‌ انعکاس نور در اتاق
• نور چراغ و مشخصه توزیع نور آن
• ضرایب نگهداری

دو عامل اول، ضریب بهره (Cu یا η) را نتیجه می‌دهد، بنابراین ضریب کاهش=ضریب نگهداری * ضریب بهره

پس شدت روشنایی (لوکس)= (ضریب بهره * ضریب نگهداری * شار لامپ ها (لومن)) / سطح کار (مترمربع)

شار نوری لامپ ها = (ضریب نگهداری * ضریب بهره برداری)/(مساحت سطح کار * شدت روشنایی)

جدول 3 (فرمول ها و دیتای موردنیاز برای محاسبات روشنایی داخلی)

ضریب انعکاس چیست و چه کاربردی در محاسبه روشنایی دارد؟

از جدول زیر برای‌ تعیین‌ ضریب انعکاس سطوح اتاق می‌توان استفاده نمود:

بررسی ابعاد اتاق برای محاسبات روشنایی

برای‌ دخالت‌ ابعاد اتاق در محاسبات روشنایی‌ از شاخص‌ فضا کمک‌ می‌ گیریم‌. تعریف‌ آن در استاندارد اروپائی‌ به‌ قرار زیر است‌.

((طول + عرض) x ارتفاع ) / (طول x عرض)= شاخص‌ فضا . میزان ارتفاع فاصله‌ چراغ تا سطح‌ کار است‌.

در مورد چراغ هائی‌ با نور غیر مستقیم‌ این‌ تعریف‌ متفاوت است‌:

((طول + عرض) * ارتفاع ) / (طول * عرض * 1.5) =( شاخص‌ فضا)

ارتفاع سطح‌ کار (میز کار) حدود ٨٥ سانتیمتر. در پارکینگ ها ٢٠ سانتیمتر و در اماکن‌ ورزشی‌ ١ متر در نظر گرفته‌ می‌شود.

لازم به ذذکر است که در ٢ اتاق با سطح‌ کار یکسان با افزایش‌ ارتفاع اتاق، میزان نوری‌ که‌ به‌ سطح‌ اتاق می‌ رسد کاهش‌ میابد، ولی‌ میزان این‌ کاهش‌ در چراغ های‌ با زاویه‌ پخش‌ پهن‌ از چراغ های‌ با زاویه‌ پخش‌ باریک‌ کمتر است‌.

جهت درخواست خدمات برای محاسبات و  طراحی روشنایی خارجی و داخلی میتوانید از تیم مهندسی سودا کمک بگیرید. اگر هم میخواهید در این حوزه برق ساختمان، با قدرت ورود پیدا کنید، ما طیف زیادی از دوره های تخصصی در حوزه برق در اختیار شما قرار داده ایم.

دوره آموزشی جامع طراحی و اجرای روشنایی داخلی و خارجی 

نقشه های اتوکد روشنایی

 فایل های اتوکد برق ساختمان

سوالات آزمون نظام مهندسی تاسیسات برقی

فایل های آموزشی برق ساختمان

روش انتخاب نوع چراغ 

با توجه‌ به‌ زاویه‌ پخش‌ نور چراغ و نوع سطح‌ منعکس‌ کننده نور و پوشش‌ آن میزان شار نوری‌ که‌ به‌ سطح‌ کار می رسد متفاوت است‌. این‌ میزان با ضریب‌ بهره (η یا Cu) Coefficient of Utilization مشخص‌ می‌ شود. تاثیر منحنی‌ پخش‌ نور در ٣ نوع چراغ با زاویه‌ پخش‌ نور پهن‌، باریک‌ و نور غیر مستقیم‌ در جداول زیر میتوان دید:

Qc،Qw،Qf به‌ ترتیب‌ ضرائب‌ انعکاس کف‌، دیوار و سقف‌، k شاخص‌ فضا و η ضریب‌ بهره برداری‌ است‌.

برای‌ محاسبات دقیق‌ باید به‌ جداول ارائه‌ شده از سوی‌ سازندگان مراجعه‌ نمود. برای‌ بعضی‌ از چراغ های‌ معمول این‌ جداول آورده شده است‌ .

در بعضی‌ از این‌ جداول به‌ عامل‌ s/h یا d/h نیز اشاره شده است‌. این‌ عامل‌ حداکثر فاصله‌ ٢ چراغ را روشن‌ می‌ نماید. d یا s فاصله‌ ٢ چراغ و h ارتفاع مفید تا سطح‌ کار است‌. در صورت تجاوز از این‌ مقدار پوشش‌ روشنائی‌ از یکنواختی‌ برخوردار نبوده و با سایه‌ روشن‌ های‌ تند روبرو خواهیم‌ شد.

ضرائب‌ نگهداری‌ چیست و چه کاربردی در محاسبه روشنایی دارد؟

٤ عامل‌ در تعیین‌ ضریب‌ نگهداری‌ دخالت‌ دارند:

• احتمال سوختگی‌ لامپ‌ – Lamp  Survival Factor (LSF)
• ضریب‌ کهنگی‌ لامپ‌ – (Lamp Lumen  Maintenance Factor (LLMF
• کثیفی‌ چراغ (Luminaire  Maintenance Factor (LMF
• کثیفی‌ محیط‌ (Room Surface Maintenance Factor (RSMF

از جداول زیر می‌ توان برای‌ محاسبه‌ ضرائب‌ نگهداری‌ استفاده نمود:

ضرائب‌ کهنگی‌ و احتمال سوختگی‌ لامپ‌  LLMF,LSF

ضریب‌ کثیفی‌ چراغ LMF

• محیط‌ تمیز         C
• محیط‌ معمولی‌    N
• محیط‌ کثیف‌        D

ضریب‌ کثیفی‌ سطح‌ اتاق RSMF

• محیط‌ تمیز         C
• محیط‌ معمولی‌    N
• محیط‌ کثیف‌        D

حاصلضرب این‌ ٤ عامل‌، ضریب‌ نگهداری‌ مورد نظر را بدست‌ می‌ دهد.

در محاسبات معمولی‌ میتوان از اعداد زیر به‌ عنوان ضریب‌ نگهداری‌ استفاده نمود:

• محیط‌ معمولی‌=0.8
• محیط‌ کثیف‌=0.7
• محیط‌ خیلی کثیف‌=0.6

مثالی برای تعیین تعداد چراغ و محاسبه روشنایی داخلی

مثالی برای محاسبه ضریب نگهداری با توجه به محیط: اتاقی‌ اداری‌ با طول ٤ متر و عرض ٣ متر و ارتفاع 2/80 متر را در نظر می‌ گیریم‌. سقف‌ و دیوار اتاق با رنگ‌ روشن‌ و کف‌ آن از سرامیک‌ است‌. آرایش‌ چراغ برای‌ رسیدن به‌ روشنائی‌ استاندارد چگونه‌ است‌ ؟

جواب همراه با توضیح:

مطابق‌ جدول ١، شدت روشنائی‌ مورد نیاز ٥٠٠ لوکس‌ و شاخص‌ وضوح رنگ‌ اتاق اداری‌ ٨٠ است‌. درجه‌ وضوح رنگ‌ لامپ‌ فلورسنت‌ در محدوده مجاز قرار دارد. در بین‌ چراغ‌های‌ فلورسنت‌، چراغ لووردار با رفلکتور آنودایز شده  20W*4 را انتخاب می‌ نمائیم‌.

ضرائب‌ انعکاس سقف‌، دیوار و کف‌ به‌ ترتیب‌ 0.7 ، 0.5 و 0.6 است‌. سطح‌ کار را ٨٥ سانتیمتر در نظر می‌ گیریم‌. بنابراین‌ ارتفاع مفید 1/95 متر خواهد بود.

شاخص‌ فضا بدین‌ ترتیب‌ K=(3*4):(1/95*(3+4))=0.88 بدست‌ می‌ آید.

با توجه‌ به‌ جدول صفحه‌ ٣٨ ضریب‌ بهره برداری‌ 0.38 خواهد بود که‌ سازنده ضریب‌ 1/04 نیز برای‌ این‌ نوع چراغ در نظر گرفته‌ است‌. ضریب‌ نگهداری‌ برای‌ محیطی‌ معمولی‌ 0.8 است‌. با توجه‌ به‌ فرمول انتهائی‌ صفحه‌ ٣٤ خواهیم‌ داشت‌:

(ضریب‌ بهره برداری‌ x ضریب‌ نگهداری‌) / (مساحت‌ سطح‌ کار x شدت روشنائی‌) = شار نوری‌ لامپ‌ها
18978=(1.04 * 0.8 * 0.38):(12 * 500)=  شار نوری‌ لامپ‌ها (لومن‌)

اگر هر لامپ‌ فلورسنت‌ ٢٠ وات دارای‌ ١٢٠٠ لومن‌ شار نوری‌ باشد، یک‌ چراغ، ١٢٠٠ x ٤ یا ٤٨٠٠ لومن‌ روشنایی‌ خواهد داشت‌. بنابراین‌ تعداد چراغ مورد نیاز 3/9=18978:4800 یا تقریبا ٤ عدد می‌ باشد.

محاسبه شاخص یکدستی روشنایی

شاخص یکدستی روشنایی (Unified Glare Rating یا UGR)، یک شاخص اصلی برای محاسبه شدت افت نور در یک فضا است.  UGR، یا همان شاخص یکدستی روشنایی، برای برآورد کیفیت روشنایی و تعیین راحتی بینایی در فضاهای داخلی مانند دفاتر، کارخانه‌ها و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای محاسبات روشنایی داخلی، باید به شاخص یکدستی نیز توجه نمود.

برای محاسبه شاخص UGR، ابتدا باید شدت روشنایی ناشی از هر منبع نوری موجود در فضا را به واحد کاندلا بر متر مربع (cd/m2) اندازه‌گیری کرد. در بخش ابتدایی، فرمول محاسبه شدت نور درج شده بود.  در نظر داشته باشید که با استفاده از فرمول محاسبه UGR، برای هر منبع نوری، مقدار UGR را محاسبه کرده و در نهایت با استفاده از روابطی که برای ترکیب مقادیر UGR هر منبع نوری وجود دارد، مقدار UGR کلی فضا را محاسبه می‌کنیم. فرمول محاسبه UGR برای هر منبع نوری به صورت زیر است:

UGR = 8 + 2.4 × lg(L_b) + 0.42 × L_f

که در آن:
– L_b: شدت روشنایی ناشی از منبع نوری به واحد cd/m2
– L_f: فاصله منبع نوری تا سطح کار به واحد متر

بعد از محاسبه مقدار UGR برای هر منبع نوری، برای ترکیب مقادیر UGR هر منبع نوری باید از یک جدول ااستفاده کرد. برای ترکیب دو منبع نوری، مقدار UGR هر یک را به صورت جداگانه محاسبه کرده و سپس با استفاده از رابطه زیر، مقدار UGR کلی برای دو منبع نوری را محاسبه می‌کنیم:

UGR_total = UGR_1 + 10 × lg((ΣL_b_1/ΣL_b_2)^2 + (ΣL_b_2/ΣL_b_1)^2) / 2

در این رابطه، UGR_1 و UGR_2 به ترتیب مقادیر UGR هر منبع نوری هستند و ΣL_b_1 و ΣL_b_2 مجموع شدت روشنایی ناشی از هر منبع نوری به واحد cd/m2 هستند.

با توجه به اینکه مقدار UGR کمتر از ۱۶ به عنوان یک روشاخصنده مناسب برای فضاهای داخلی محسوب می‌شود، برای اینکه فضا، شاخص یکدستی روشنایی بهینه داشته باشد، باید مقدار UGR کلی آن کمتر از ۱۶ باشد.

محاسبه لومن بر وات

لومن بر وات (Lumen per watt)، یک شاخص است که نشان دهنده کارایی نوری یک منبع نوری خاص است. این شاخص نشان می‌دهد که هر وات انرژی مصرف شده توسط یک منبع نوری، چه تعداد لومن نور تولید می‌کند. با توجه به اینکه انرژی مصرف شده در تولید نور، هزینه مالی و محیط زیستی دارد، برای انتخاب منبع نوری مناسب، بهتر است که منبعی با کارایی نوری بالا و مصرف انرژی کمتر انتخاب شود.

برای محاسبه لومن بر وات یک منبع نوری، باید مقدار لومن (Lumen) تولید شده توسط این منبع نوری را به وات (Watt) مصرفی آن تقسیم کرد. به این ترتیب، فرمول محاسبه لومن بر وات برای یک منبع نوری به صورت زیر است:

Lumen per watt = Lumen / Watt
برای مثال، اگر یک منبع نوری با توان ۵۰ وات، ۵۰۰۰ لومن نور تولید کند، لومن بر وات آن به صورت زیر محاسبه می‌شود:
Lumen per watt = 5000 / 50 = 100

به عبارت دیگر، این منبع نوری با هر وات مصرفی، ۱۰۰ لومن نور تولید می‌کند که نشان دهنده کارایی نوری بالای آن است. در عمل، برای انتخاب منبع نوری مناسب، علاوه بر لومن بر وات، به خصوصیات دیگری ماننه خصوصیات رنگی، دمای رنگ، زاویه پراکندگی نور و غیره نیز باید توجه کرد.

سخن آخر در مورد محاسبات روشنایی داخلی و خارجی

در این به طور تخصصی، با محاسبات روشنایی داخلی، فرمول محاسبه شدت روشنایی فضا، ضریب انعکاس، شاخص یکدستی و نکات مهم برای محاسبه روشنایی نیز آشنا شدید. لازم است بدانید که محاسبات روشنایی داخلی از جمله مهارت های مهندس برق است. اکنون اگر هر سوالی در این زمینه دارید، اگر آزمونی در پیش دارید، اگر در آزمون نظام مهندسی برق شرکت ثبت نام کرده اید و در مورد مباحث روشنایی سوالی دارید، اینجا مطرح کنید.