طراحی روشنایی ساختمان

سیستم طراحی روشنایی ساختمان

سیستم روشنایی فضاهای داخلی ساختمان بدنبال تامین روشنایی مورد نیاز به تناسب کاربری فضا با قابلیت اطمینان بالا و با حداقل مصرف انرژی است. مشخصات فنی تجهیزات، ضوابط اساسی در طراحی‌ها، آزمون‌ها و اسلوب بازرسی و نظارت بر طراحی و اجرا، ارائه دستورالعمل‌های فنی و اجرایی نصب و راه‌اندازی از مواردی هستند که در این نوشتار مورد بررسی قرار می‌گیرند. با توجه به نیاز منابع روشنایی برای بهره‌گیری از انرژی الکتریکی پایا و با صرفه اقتصادی، الزامات، توصیه‌ها و دستورالعمل‌های مربوط به تجهیزات طراحی روشنایی ساختمان و همچنین روش طراحی و اجرای آنها در این قسمت و با استناد به استانداردهای معتبر ملی و بین‌المللی در نشریه شماره ۶۵۴ به تفصیل ارائه می‌شود.

روشنایی

روشنایی

برخی از اصطلاحات رایج در طراحی روشنایی ساختمان

تجهیزات الکتریکی

تجهیزات الکتریکی شامل وسایل، تجهیزات، لوازم، دستگاه‌ها و مصالحی هستند که برای تولید، انتقال، توزیع یا مصرف انرژی الکتریکی به کار می‌روند. مولدها، وسایل اندازه‌گیری، تجهیزات حفاظتی، لوازم سیم‌کشی و وسایل مصرف‌کننده انرژی الکتریکی نمونه‌هایی از این تجهیزات هستند.

تاسیسات الکتریکی

تاسیسات الکتریکی، مجموعه‌ای است از تجهیزات الکتریکی به هم پیوسته برای انجام هدف یا اهداف معین که دارای مشخصات هماهنگ و مرتبط باشند.

مدار (مدار الکتریکی)

مدار الکتریکی به مجموعه‌ای از تجهیزات الکتریکی در یک تاسیسات اطلاق می‌شود که از منبع واحدی تغذیه نموده و به کمک وسایل حفاظتی در برابر اضافه جریان‌ها حفاظت شده باشند.

توان مدار (وات)

کل توان مصرفی لامپ‌ها به علاوه‌ی راه‌اندازهای نصب شده در خط تغذیه، نشان‌دهنده توان مدار بوده و بر حسب وات بیان می‌شود.

جریان مجاز

جریان مجاز، حداکثر جریانی است که بطور مداوم در شرایطی تعیین شده، بدون این که دمای وضعیت تعادل یک هادی از میزان معینی تجاوز نماید، می‌تواند از آن عبور کند.

شدت روشنایی (لوکس)

شدت روشنایی، میزان شار نوری است که بر واحد سطح می‌تابد. واحد آن لوکس و علامت اختصاری E است. یک لوکس برابر یک لومن بر متر مربع است. آن شدت روشنایی مورد نیاز برای هر فضای داخلی با توجه به نوع و ماهیت کاربری پیش‌بینی شده در فضا و یا دقت مورد نیاز برای آن کاربری، با مراجعه به جداول طبقه‌بندی میزان شدت نور مورد نیاز برای کابری‌‌های مختلف در استانداردها تعیین می‌شود.

شدت روشنایی افقی

شدت روشنایی افقی، میزان شار نوری است که بر واحد سطح افقی می‌تابد و در تامین روشنایی سطوح افقی نظیر میز کار و سطح زمین اهمیت پیدا می‌کند. واحد آن لوکس و علامت اختصاری آن Eh  است.

شدت روشنایی عمودی

شدت روشنایی عمودی، میزان شار نوری است که بر واحد سطح عمودی می‌تابد و در تامین روشنایی سطوح عمودی نظیر تابلوهای نقاشی در موزه‌ها اهمیت پیدا می‌کند. واحد آن لوکس و علامت اختصاری آن Ev است.

دمای رنگ

عددی است که بیان‌کننده رنگ نور خروجی از منبع روشنایی بوده و بر حسب درجه کلوین بیان می‌شود. هر چه این عدد بیشتر باشد، رنگ نور به رنگ‌های سرد و سفید نزدیکتر است و هر چه این عدد کوچکتر باشد، رنگ به محدوده رنگ‌های گرم منتشر شده از منابع التهابی نزدیکتر است. وقتی گفته می‌شود دمای رنگ یک لامپ فلورسنت ۴۰۰۰ درجه کلوین است به این معنی است که اگر جسم سیاه را تا ۴۰۰۰ درجه کلوین گرم کنیم، نوری به رنگ لامپ فلورسنت منتشر می‌کند. دمای رنگ تولید شده توسط انواع لامپ‌های مورد استفاده در طراحی روشنایی فضاهای داخلی شده است.

بالاست

در لامپ‌های فلورسنت با توجه به نیاز لامپ به راه‌اندازی، از مدارهای بالاست استفاده می‌شود. بالاست لامپ‌ها در دو نوع مغناطیسی و الکترونیکی و با ساختارهای متفاوت عرضه می‌شوند. بالاست مغناطیسی از دو جزء چک (سلف مغناطیسی) و استارتر تشکیل شده‌اند. تولید ولتاژ بالای راه‌اندازی، محدود کردن جریان، فیلترینگ جریان تغذیه از پالس‌های سوزنی از وظایف بالاست مغناطیسی است. در مقابل بالاست الکترونیکی فاقد چک و استارتر بوده و اساس کار آن یکسوسازها و مبدل‌های فرکانس بالا است.

ارتفاع موثر نصب چراغ (‌ناحیه اتاق)

عبارتست از فاصله قائم چراغ‌های سیستم روشنایی تا بالای سطح کار. در محاسبه ارتفاع موثر نصب چراغ، مقادیر ارتفاع طبقه، فاصله سقف کاذب از سقف طبقه و ارتفاع سطح کار از کف طبقه باید مورد توجه قرار گیرد.

نسبت حداکثر فاصله چراغ‌ها به ارتفاع موثر

در طراحی سیستم‌های روشنایی داخلی به منظور اطمینان از یکنواختی نور در سطح مساحت فضا، حداکثر فاصله بین دو چراغ و همچنین حداکثر فاصله مرکز چراغ با دیوارهای جانبی با عددی در جداول مشخصات فنی چراغ‌ها تعیین می‌شود.

افت ولتاژ

کاهش ولتاژ در طول یک مدار تغذیه در اثر مقاومت اهمی و راکتانس سلفی تجهیزات را افت ولتاژ گویند. افت ولتاژ معمولاً بر حسب درصد بیان می‌شود. طراح باید انتخاب تجهیزات را طوری انجام دهد که میزان افت ولتاژ در محدوده‌ی مشخصی که توسط استاندارد تعیین می‌شود کنترل شود.

ارزیابی فضا برای طراحی روشنایی ساختمان

آسایش، ایمنی، سلامت و بهداشت حرفه‌ای و صرفه اقتصادی از نظر هزینه‌های اجرا و مصرف انرژی، از مهمترین جنبه‌هایی هستند که باید در تمامی مراحل طراحی، اجرا و بهره‌برداری از سیستم‌های روشنایی مورد توجه قرار گیرند. این موارد از مهمترین بخش‌های دفترچه محاسبات روشنایی طراحان بوده و در صورت درخواست صاحب کار و یا هنگام کنترل طراحی‌ها توسط مرجع ذیصلاح باید ارائه شود.

  • ‌شناسایی نیازهای مجموعه به شدت روشنایی در نقاط مختلف
  • بررسی آثار زیستی استفاده از لامپ‌های مختلف با توجه به طیف بسامد نور در انواع لامپ‌ها و بر اساس کاربری فضا
  • میزان انعکاس نور در سطوح مکان نظیر سقف و دیوارها
  • دوره زمانی استفاده از سیستم روشنایی در طول شبانه روز و امکان بهره‌گیری از نور طبیعی روز
  • ارائه پیش‌بینی‌های لازم برای پوشش نقاط کور احتمالی در محیط و در نظر گرفتن آنها در تعداد و آرایش چراغ‌ها
  • بررسی مسیر تغذیه منابع روشنایی از منبع توان، موانع و معارضین مسیر تغذیه مانند لوله‌های آب و گاز
  • در نظر گرفتن حریم خطوط برق با توجه به استانداردهای ملی و بین‌المللی برای حریم خطوط انتقال، ارائه پیشنهاد جهت رفع معارض و یا تغییر مسیر.
  • ‌بررسی موانع و معارضین نصب چراغ‌ها در سقف و دیوارها، انطباق با سایر تجهیزات مانند جرثقیل‌های سقفی و تیرهای آهن در محیط‌های کارگاهی، پروژکتورهای منصوب در سقف فضاهای آموزشی و سالن‌ها.

‌بدیهی است در طراحی سیستم روشنایی می‌بایست تمامی موارد بالا را بعلاوه نکاتی که بر حسب ضرورت محیط تحمیل می‌شود، بررسی و در تمامی مراحل طراحی در نظر داشته باشد. تمامی داده‌های لازم برای طراحی سیستم روشنایی در مراحل ارزیابی توسط طراح برداشت می‌شود.

طبقه‌بندی فضاها بر اساس نیاز به شدت روشنایی

در این قسمت، میزان شدت روشنایی مورد نیاز برای کاربری‌های مختلف طبقه‌بندی شده و از نتایج آن برای تعیین تعداد و آرایش چراغ های سیستم روشنایی داخلی استفاده می‌شود. شدت روشنایی مورد نیاز برای هر فضای داخلی با توجه به نوع کاربری فضا از مهمترین اطلاعات لازم برای طراحی سیستم روشنایی داخلی بوده و ذکر میزان این پارامتر (E) در ابتدای محاسبات روشنایی در  دفترچه محاسبات الزامی است.

شدت روشنایی مورد نیاز بر حسب لوکس با هدف مدیریت مصرف انرژی در بخش روشنایی تا آنجا که ممکن است معادل مقادیر پیشنهادی انتخاب می‌شود. اگر شرایط فنی و اقتصادی محیط ایجاب کند میتوان شدت روشنایی بیش از مقادیر پیشنهادی را در نظر گرفت ولی شدت روشنایی نمی‌تواند کمتر از مقادیر حداقل باشد.

بهینه‌سازی مصرف انرژی در طراحی سیستم روشنایی و به خصوص در فضاهایی که امکان استفاده از نور طبیعی روز وجود دارد باید همواره در طراحی سیستم روشنایی لحاظ شود.

طراحی روشنایی ساختمان

در این قسمت، مراحل طراحی روشنایی ساختمان مطلوب برای فضاهای داخلی با استفاده از روش‌های لومن منطقه‌ای (نوع اول و نوع دوم) ارائه شده است. روش لومن منطقه‌ای (نوع اول) دقیقتر است. روش طراحی لومن منطقه‌ای (نوع دوم) سریعتر بوده و به ندرت مورد استفاده طراحان قرار می‌گیرد. طراح سیستم روشنایی باید ابتدا با توجه به ارزیابی‌هایی که در مورد فضا انجام می‌دهد، اطلاعات اصلی در مورد کاربری، ابعاد دقیق فضا، ارتفاع سطح کار، میزان انعکاس نور از سطوح داخلی فضا را بدست آورد. در ادامه با توجه به اطلاعات بدست آمده و شرایط محیط، کاربری و نیازهای فضا، طراح نسبت به انتخاب نوع چراغ اقدام و طراحی سیستم روشنایی با استفاده از مشخصات و جداول فنی چراغ اقدام خواهد بود.

لامپ‌ها

بطور کلی با توجه به ساختار تولید شار نوری با استفاده از انرژی الکتریکی، لامپ‌ها به دو دسته  لامپ‌های رشته‌ای (التهابی) و لامپ‌های گازی (تخلیه در گاز) تقسیم می‌شوند. البته لامپ‌هایی با فناوری ترکیب این دو دسته مانند لامپ‌های آمیخته نیز وجود دارند. لامپ‌های رشته‌ای بر اساس عبور جریان الکتریکی از فلزی با مقاومت بالا مانند تنگستن که بصورت  مارپیچ درون حبابی که از گاز خنثی پر شده تشکیل شده است. در این لامپ با افزایش گرما، طیف تشعشع شدت توسط لامپ به شمت حدود طول موج کوتاهتر یعنی رنگ سفید حرکت می‌کند. البته بیشترین تشعشع در این درجه حرارت در گستره مادون قرمز قرار می‌گیرد که باعث تلف شدن انرژی به صورت گرما می‌شود.

لامپ کم مصرف (پر بازده)

بر اساس تعریف مبحث نوزدهم مقررات ملی ساختمان، لامپ با بازده نوری بیش از ۵۵ لومن بر وات را لامپ کم مصرف می‌نامند.

برچسب انرژی

برچسب انرژی، شاخصی است به منظور مشخص کردن کیفیت تجهیزات مصرف‌کننده انرژی از نظر بهره‌وری در مصرف انرژی. برچسب انرژی توسط مقامات ذیصلاح به منظور نصب بر روی کلیه تولیدات صنعتی نصب می‌شود.

لامپ رشته‌ای

لامپ رشته‌ای از فلزی با مقاومت بالا مانند تنگستن که بصورت مارپیج درون حبابی که از گاز خنثی پر شده است تشکیل شده است.

محاسن لامپ‌های رشته‌ای شامل موارد زیر است.

  • ‌رنگ دهی مطلوب
  • ‌کوچکی اندازه
  • ‌قیمت کم و عدم نیاز به راه‌اندازی
  • ‌قابلیت دیمر شدن بدون تیاز به وسایل جانبی

معایب لامپ‌های رشته‌ای شامل موارد زیر است.

  • ‌بازده روشنایی پایین به علت ایجاد گرما توسط نور مادون قرمز و هدر رفتن این گرما
  • عمر کوتاه این لامپ‌ها در مقابل اضافه ولتاژ
  • ‌ته نشین شدن بخارات تنگستن روی حباب

لامپ تخلیه

عملکرد لامپ‌های تخلیه بر اساس تحریک اتم‌های گاز توسط عبور الکترون‌های پرانرژی از داخل گاز است که در اثر برخورد با اتم‌های خنثای گاز سبب تحریک آنها می‌شود.

لامپ‌های تخلیه به وسیله برانگیخته کردن بخارات فلز یا گاز درون حباب روشنایی ایجاد می‌کنند این کار با ایجاد ولتاژ بین دو الکترود واقع در انتهای حباب لوله‌ای شکل این لامپ‌ها و تاثیر بر روی گاز خنثی یا بخار فلز درون فلز ایجاد می‌شود. در مسیر لوله حباب، الکترون‌های جدا شده از الکترود با ذرات گاز خنثی یا بخارات فلز برخورد کرده و با باردار کردن آنها باعث برانگیخته شدن و تشعشع انرژی به صورت نور می‌شود. با توجه به این که هر گاز، طول موج خاص خود را منتشر می‌کند، در لامپ‌های تخلیه بر خلاف لامپ‌های التهابی، طیف پیوسته‌ای از نور ایجاد نمی‌شود. در ادامه ساختار فنی و مشخصات کلی هر نوع لامپ آمده است.

لامپ هالوژن

‌لامپ هالوژن با هدف رفع مشکل ته نشین شدن بخارات تنگستن روی حباب و سیاه شدن حباب عرضه شد. اساس کار لامپ هالوژن به این گونه است که فیلامان تنگستن تا حدود نقطه ذوب گرم می‌شود و بخارات ناشی از تبخیر سطحی تنگستن با هیدروژن درون لامپ تولید تنگستن هالید می‌کند. تنگستن هالید مشکل ته‌نشین شدن بخارات تنگستن روی حباب و سیاه شدن حباب را بر طرف کرده و پس از برخورد به جداره لامپ و به علت کاهش دما، دوباره به هیدروژن و تنگستن تبدیل شده و تنگستن دوباره به فیلامان برگشته و این روند همچنان ادامه دارد.

لامپ‌های فشرده فلورسنت‌

لامپ‌های فلورسنت فشرده دارای ساختاری مشابه ساختار لامپ‌های فلورسنت معمولی هستند با این تفاوت که حباب آنها به صورت منحنی پیچیده می‌شود و از این رو اندازه کوچکتری داشته و از راه‌انداز الکترونیکی بهره می‌برند.

لامپ‌های فلورسنت‌

لامپ فلورسنت یک لامپ تخلیه کم فشار است که از بخار جیوه به عنوان گاز درون لوله استفاده شده است. در این لامپ، حباب به شکل یک لوله با دو الکترود در دو طرف آن ساخته می‌شود. بعد از تحریک گاز و تبخیر جیوه، تشعشعات ماوراء بنفش توسط بخار جیوه ایجاد می‌شود. سطح داخلی لوله تخلیه با ماده فلورسنت پوشیده شده تا تشعشعات ماوراء بنفش را به اشعه قابل دید تبدیل کند. در دو انتهای لوله نیز دو الکترود از جنس تنگستن قرار می‌گیرند.

لامپ متال هالید‌

لامپ‌های متال هالید نسل پیشرفته لامپ‌های جیوه‌ای هستند. ساختار و کارکرد لامپ‌های متال‌ هالید شبیه لامپ‌های جیوه‌ای بوده با این تفاوت که به جای جیوه دارای ترکیبی از متال هالیدها هستند. متال هالید در دمای پایینتری نسبت به فلز خالص ذوب می‌شود. این تفاوت به لامپ‌های متال هالید این خاصیت را می‌دهد که خود فلز در هنگام کارکرد قطعاً به بخار تبدیل نمی‌شود. بازده نوری بسیار خوب، کیفیت رنگ و طول عمر بالا از مزایای لامپ‌های متال هالید به شمار می‌آید.

بالاست‌ها

به منظور راه‌اندازی لامپ‌های فلورسنت، از تجهیزاتی به نام بالاست استفاده می‌شود. بالاست از دو نوع مغناطیسی (مرسوم) و الکترونیکی تشکیل شده‌اند. بالاست مغناطیسی از دو جزء چک (سلف مغناطیسی) و استارتر تشکیل شده‌اند. تولید ولتاژ بالای راه‌اندازی، محدود کردن جریان، فیلترینگ جریان تغذیه از پالس‌های سوزنی از وظایف بالاست مغناطیسی است. در مقابل بالاست الکترونیکی فاقد چک و استارتر بوده و اساس کار آن یکسوسازها و مبدل‌های فرکانس بالا است. بالاست الکترونیکی با استفاده از تغییر فرکانس، ولتاژ را کم کم افزایش داده و لامپ را با کمترین ولتاژ روشن می‌کند. سرعت بالای روشن شدن، کاهش مصرف انرژی بالاست، افزایش شار نوری، بهبود ضریب توان و افزایش طول عمر مفید لامپ از محاسن بالاست الکترونیکی بشمار م‌آیند.

طراح سیستم روشنایی با توجه به نوع لامپی که برای سیستم روشنایی در نظر م‌یگیرد بر حسب ضرورت، نسبت به انتخاب بالاست و انجام طراحی‌های لازم در مورد آن اقدام می‌نماید.

چراغ‌های روشنایی

‌منابع روشنایی با توجه به شکل هندسی لامپ‌ها و بالاست‌ها، به منظور نگه داشتن لامپ و  همچنین هدایت نور در جهت‌های دلخواه، نیاز به یک نگهدارنده و قاب منعکس کننده دارند. چراغ‌های بصورت توکار، روکار و یا آویزان از سطح نصب می‌شوند. منحنی توزیع شار نوری به مشخصات قاب منعکس کننده چراغ، شکل و مواد بکار رفته در آن بستگی دارد. چراغ‌ها اگر چه با جذب مقداری از انرژی نورانی منابع انرژی بازده‌ی نوری را کاهش می‌دهند، اما باعث هدایت نور در جهت مناسب بصورت مستقیم یا غیرمستقیم و همچنین جلوگیری از خیرگی و مزاحمت نور می‌شوند.

تجهیزات فرمان و کنترل روشنایی

سیستم فرمان و کنترل زمان عملکرد منابع روشنایی از مهمترین عناصر سیستم روشنایی بحساب  می‌آید. سیستم فرمان مطلوب با عملکردی پایا و مطمئن، با کنترل صحیح و به موقع روشن/ خاموش منابع روشنایی به دنبال تامین اهداف سیستم روشنایی با حداقل مصرف انرژی است. همچنین یک سیستم فرمان مطلوب، ضمن تامین نیازهای روشنایی باید بتواند از مشکلات احتمالی بهره‌برداری بکاهد و امکان کاهش سطح روشنایی فضا بطور یکنواخت، روشن/ خاموش نگاه داشتن چراغ‌های محیط‌های مستقل را فراهم نماید. دارا بودن کلید کنترل به تعداد لازم و در محل مناسب، قابلیت امکان کاهش یکنواخت سطح روشنایی در فضا و تناسب نوع و مشخصات فنی کلیدها با جریان اسمی مدار تغذیه روشنایی از جمله مهمترین مواردی هستند که باید در مراحل طراحی روشنایی ساختمان و کنترل روشنایی مد نظر قرار گیرند.

^