Bài giảng kỹ thuật chiếu sáng đô thị nguyễn mạnh hà

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC ĐÀ NẴNG Bộ môn Công nghệ kỹ thuật Điện Điện tử Nguyễn Mạnh Hà BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG ĐÔ THỊ Đà Nẵng 01 01 2019 Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị Nguyễn Mạnh Hà Trườn[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC ĐÀ NẴNG

Bộ môn Công nghệ kỹ thuật Điện-Điện tử

Nguyễn Mạnh Hà

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG ĐÔ THỊ

Đà Nẵng 01-01-2019

LỜI CẢM ƠN

Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị được biên soạn làm tài liệu giảng dạy chính thức cho ngành Kỹ thuật hạ tầng đô thị, Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng Trong quá trình biên soạn, tác giả đã nhận được sự ủng hộ, động viên cũng như ý kiến đóng góp và sự giúp đỡ của các tổ chức, cá nhân sau đây:

- Các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Kỹ thuật hạ tầng đô thị và Quản lý xây dựng

- Phòng Quản lý điện, Sở Công Thương thành phố Đà Nẵng

- Công ty Quản lý vận hành điện chiếu sáng công cộng Đà Nẵng

- Công ty Schréder Việt Nam

- Gia đình và bạn bè đồng nghiệp

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó

Do biên soạn lần đầu với thời gian, kinh nghiệm có hạn, chắc chắn tập bài giảng này còn

có nhiều thiếu sót, tác giả rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các đồng nghiệp, sinh viên và bạn đọc quan tâm đến lĩnh vực chiếu sáng để tiến tới biên soạn thành giáo trình hoàn chỉnh phục vụ công tác giảng dạy, học tập cũng như công tác của sinh viên sau khi ra trường Sách có lưu tại địa chỉ http://hanm.name.vn

Các ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ:

Văn phòng Khoa Kỹ thuật hạ tầng đô thị và Quản lý xây dựng Tầng 4, Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng

Số 566 Núi Thành, quận Hải Châu, thành phố Đà Nẵng

Email : nmhbg@yahoo.com

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 6

LỊCH SỬ CHIẾU SÁNG NHÂN TẠO VÀ VAI TRÒ CỦA NÓ 6

CHƯƠNG 1 8

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO ÁNH SÁNG 8

1.1 Bản chất của ánh sáng 8

1 Bản chất sóng - hạt của ánh sáng: 8

2 Nguồn sáng tự nhiên và quang phổ liên tục 8

3 Nguồn sáng nhân tạo và quang phổ vạch 9

1.2 Một số hiện tượng phát sáng và phạm vi ứng dụng trong chiếu sáng nhân tạo: 10

1 Hiện tượng phát sáng do nung nóng: 10

2 Hiện tượng phát sáng do phóng điện: 10

3 Hiện tượng phát sáng huỳnh quang 12

4 Hiện tượng phát sáng lân quang 12

5 Hiện tượng phát sáng thứ cấp: 13

1.3 Các đại lượng cơ bản đo ánh sáng 13

1 Góc khối (còn gọi là góc đặc, góc nhìn) 13

2 Thông lượng năng lượng của bức xạ ánh sáng nhìn thấy 15

3 Quang thông 16

4 Quang hiệu 17

5 Cường độ sáng 18

6 Độ rọi 18

7 Độ sáng (còn gọi là độ trưng): 20

8 Độ chói 20

9 Nhiệt độ màu: 21

10 Độ hoàn màu (còn gọi là chỉ số thể hiện màu): 22

1.4 Các định luật quang học và ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng : 23

1 Sự phản xạ: 23

2 Sự truyền xạ : 24

3 Sự khúc xạ: 25

4 Sự che chắn: 26

5 Sự hấp thụ: 26

6 Định luật Lambert về sự khuyếch tán đều : 27

CHƯƠNG 2 29

MẮT NGƯỜI VÀ SỰ CẢM THỤ ÁNH SÁNG 29

2.1 Cấu tạo mắt người 29

1 Hiện tượng thị giác: 29

2 Hiện tượng điều tiết của mắt: 29

3 Võng mạc: 29

4 Khái niệm “con mắt quốc tế”: 29

2.2 Sự giải mã hình ảnh: 30

2.3 Quá trình thích nghi : 30

2.4 Cảm giác chiều sâu của vật cần nhìn: 31

2.5 Cực cận và cực viễn của mắt : 31

2.6 Trường nhìn của mắt : 31

2.7 Độ tương phản : 31

2.8 Hiện tượng chói lóa: 32

1 Khái niệm: 32

2 Giải thích hiện tượng chói lóa : 32

3 Các chỉ số kiểm soát chói lóa 33

CHƯƠNG 3 35

CÁC LOẠI NGUỒN SÁNG NHÂN TẠO THÔNG DỤNG 35

3.1 Bóng đèn nung sáng: 35

1 Cấu tạo của bóng đèn nung sáng (hình 3.1): 35

2 Một số loại bóng đèn nung sáng thông dụng: 36

3.2 Bóng đèn huỳnh quang 37

1 Đặc điểm cấu tạo: 37

2 Một số bóng đèn huỳnh quang thông dụng 39

3.3 Bóng đèn phóng điện cường độ cao (HID) 40

1 Cấu tạo của bóng đèn phóng điện: 40

2 Một số loại bóng đèn phóng điện HID thông dụng: 41

3.4 Đèn phát sáng quang điện (LED: Lighting Emitting Diode) 45

3.5 Đèn cảm ứng (đèn không điện cực) 46

3.6 Đèn Sulfua : 46

CHƯƠNG 4 48

CẤU TẠO CỦA BỘ ĐÈN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG 48

4.1 Cấu tạo chung của một bộ đèn chiếu sáng công cộng 48

4.2 Các bộ phận chính của bộ đèn chiếu sáng công cộng 49

1 Tấm phản quang 49

2 Thiết bị mồi đèn (tắc te) và chấn lưu 49

3 Kính bảo vệ 50

4 Lỗ đui đèn 51

4.3 Các thông số cơ học chủ yếu của bộ đèn chiếu sáng công cộng 52

1 Độ kín (IP) 52

2 Cấp bảo vệ cơ học chống nổ (còn gọi là độ chịu va đập của kính đèn) 52

3 Diện tích cản gió 53

4 Chỉ tiêu lão hóa kính bảo vệ 53

5 Trọng lượng 53

4.4 Các thông số điện chủ yếu của bộ đèn chiếu sáng công cộng 53

1 Cấp cách điện 54

2 Độ dao động điện áp 54

4.5 Các thông số về quang học của bộ đèn chiếu sáng công cộng 54

1 Hệ số suy giảm quang thông 54

2 Hệ số phản quang và hệ số truyền xạ 55

3 Đường cong trắc quang 55

4 Hiệu suất của bộ đèn 57

5 Cấp bộ đèn 59

6 Hệ số sử dụng của bộ đèn 63

7 Góc bảo vệ 64

4.6 Phân loại các bộ đèn chiếu sáng công cộng: 65

CHƯƠNG 5 66

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG GIAO THÔNG ĐÔ THỊ 66

5.1 Sơ lược về lịch sử các phương pháp, trình tự thiết kế 66

5.2 Các tiêu chuẩn chiếu sáng đường giao thông 66

5.3 Các nguyên tắc cơ bản 66

1 Phương và vị trí quan sát của người lái xe 67

2 Độ chói mặt đường 67

3 Độ đồng đều của độ chói mặt đường 68

4 Hiện tượng chói loá trong trường nhìn 69

5 Hiệu quả dẫn hướng tại các vị trí đặc biệt 71

5.4 Phương pháp tỉ số R trong thiết kế chiếu sáng : 71

1 Các thông số hình học bố trí đèn 72

2 Các phương án bố trí đèn 74

3 Tính công suất và chọn bộ đèn 75

5.5 Phương pháp độ chói điểm trong thiết kế chiếu sáng 76

1 Độ chói của một điểm trên mặt đường 76

2 Phân loại các lớp phủ mặt đường 77

4 Mạng lưới tính toán theo tiêu chuẩn CIE-140 80

5.6 Thiết kế chiếu sáng tại các điểm đặc biệt trên đường giao thông 83

1 Chiếu sáng tại điểm giao nhau đồng mức 83

2 Chiếu sáng nút giao với đường sắt 85

3 Chiếu sáng đường cong 86

4 Chiếu sáng bùng binh 86

5 Chiếu sáng đường hầm 87

5.7 Thiết kế chiếu sáng với sự trợ giúp của máy tính 90

5.8 Sử dụng phần mềm thiết kế chiếu sáng công cộng Ulysse 2.2 90

1 Khởi động 91

2 Chọn phương án bố trí đèn 92

3 Chọn đèn và các thông số về đèn 94

4 Xem kết quả và lập báo cáo 96

5 Phân tích chi tiết màn hình xuất kết quả của Ulyse v2.2 98

5.9 Một số nội dung thiết kế khác của hệ thống chiếu sáng đường giao thông 99

1 Thiết kế điện : 99

2 Thiết kế xây dựng 101

3 Thiết kế kết cấu 101

CHƯƠNG 6 103

QUẢN LÝ, VẬN HÀNH HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG 103

6.1 Nội dung quản lý, vận hành : 103

6.2 Cơ cấu tổ chức và trang thiết bị vận hành 104

6.3 Vấn đề tiết kiệm điện : 104

6.4 Thực trạng quản lý vận hành 105

6.5 Tự động hoá công tác quản lý, vận hành hệ thống điện chiếu sáng : 105

CHƯƠNG 7 106

THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG CÔNG TRÌNH CÔNG CỘNG TRONG ĐÔ THỊ 106

7.1 Chiếu sáng công viên, vườn hoa 106

1 Các nguyên tắc chung 106

2 Chỉ tiêu kỹ thuật về chiếu sáng : 106

7.2 Chiếu sáng công trình thể thao ngoài trời - những nguyên tắc chung : 108

CHƯƠNG 8 111

MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU CỦA CHIẾU SÁNG ĐÔ THỊ 111

8.1 Ô nhiễm ánh sáng 111

8.2 Quy hoạch chiếu sáng 112

8.3 Trung tâm điều khiển chiếu sáng đô thị 114

8.3.1 Sự cần thiết của trung tâm điều khiển chiếu sáng đô thị 114

8.3.2 Tình hình triển khai trung tâm điều khiển chiếu sáng đô thị tại Việt Nam: 114

8.4 Cơ chế tài chính đối với chiếu sáng công cộng hiệu suất cao 121

8.4.1 Đặt vấn đề 121

8.4.2 Cơ chế tài chính hiện hành 121

8.4.3 Một số giải pháp đề xuất nhằm hoàn thiện cơ chế tài chính đối với chiếu sáng công cộng hiệu suất cao 122

CHƯƠNG 9 124

CHIẾU SÁNG NHÂN TẠO BÊN TRONG CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG 124

9.1 Một số khái niệm bổ sung 124

9.1.1 Hệ số đồng đều của độ rọi: 124

9.1.2 Hệ số phản xạ  của vật liệu xây dựng 124

9.1.3 Các loại bóng đèn dân dụng 125

9.1.4 Máng đèn, chụp đèn 126

9.2 Trình tự thiết kế chiếu sáng nội thất 130

9.2.1 Chọn độ rọi 130

9.2.2 Chọn bóng đèn (nguồn sáng) 131

9.2.3 Chọn bộ đèn 131

9.2.4 Thiết kế chiếu sáng theo phương pháp hệ số lợi dụng quang thông .131

9.2.5 Bố trí đèn 136

PHẦN BÀI TẬP 139

PHẦN PHỤ LỤC 157

1 Bảng giá trị và biểu thức hàm V(): 157

2 Công suất và quang thông các loại đèn phóng điện thông dụng 157

3 Bảng phân loại các lớp phủ mặt đường : 158

PHỤ LỤC 1 – CHƯƠNG 9 162

PHỤ LỤC 2 – CHƯƠNG 9 162

PHỤ LỤC 3 – CHƯƠNG 9 163

PHỤ LỤC 4 – CHƯƠNG 9 163

PHỤ LỤC 5 – CHƯƠNG 9 169

TÀI LIỆU THAM KHẢO 174

MỞ ĐẦU LỊCH SỬ CHIẾU SÁNG NHÂN TẠO VÀ VAI TRÒ CỦA NÓ

Từ thời kỳ sơ khai con người đã biết tạo ra ánh sáng từ lửa, tuy nhiên lúc đó con người dùng lửa với tư cách là nguồn nhiệt chứ không phải là nguồn sáng Trải qua một thời kỳ dài của lịch sử, con người mới phát minh ra loại đèn thắp sáng bằng chất khí Sau khi nhà hoá học người Áo K.Auer phát minh ra đèn măng sông chế tạo bằng chất chịu được nhiệt độ cực cao đã cho ánh sáng trắng khi đốt cháy trong ngọn lửa chất khí thì đèn măng sông trở nên phổ biến khắp các thành phố lớn trên thế giới, đến nỗi tưởng như không thể còn loại đèn nào có thể thay thế được

Tuy nhiên cuối thế kỷ 19 người ta bắt đầu nhận thấy ưu điểm khi thắp sáng bằng điện Cho đến nay người ta vẫn chưa biết chính xác ai là người đầu tiên chế tạo ra chiếc đèn điện đầu tiên Tuy nhiên để đi đến chiếc bóng đèn hoàn thiện như ngày nay chắc chắn phải có sự cống hiến của nhiều nhà khoa học, trong đó người có công lớn nhất và là người đã đăng ký bản quyền phát minh đầu tiên về bóng đèn dây tóc vào năm 1878 là Thomas Edison - một nhà phát minh nổi tiếng của Mỹ Để ghi nhận công lao và sự nỗ lực của ông trong việc đem ánh sáng đến cho nhân loại mà ngày nay người ta đã tưởng nhớ ông như là cha đẻ của mọi loại bóng đèn điện dùng sợi đốt

Đêm 24/12/1879 Edison mời hàng trăm người thuộc đủ mọi thành phần trong xã hội ở thành phố New York tới dự bữa tiệc tại nhà ông nhằm quảng cáo sản phẩm đèn điện do ông chế tạo lần đầu tiên Tại bữa tiệc này ông cho thắp sáng hàng loạt bóng đèn ở tất cả khu nhà

ở, xưởng máy, phòng thí nghiệm và sân vườn Kết quả bữa tiệc đã giúp ông nhận được sự tài trợ của chính quyền cho đề án thắp sáng thành phố Cuối cùng, đến 5 h sáng ngày 04/9/1882 hàng trăm ngọn đèn trên các phố đồng loạt bật sáng làm cả một góc thành phố NewYork tràn ngập ánh sáng điện, đánh dấu thời khắc lịch sử ánh sáng điện chinh phục bóng đêm Đây có thể được xem là thời điểm ra đời của ngành chiếu sáng đô thị

Tại Việt Nam trước đây, chiếu sáng đô thị được xây dựng trên cơ sở lưới đèn chiếu sáng công cộng được xây dựng từ thời Pháp thuộc, chủ yếu dùng bóng đèn sợi tóc Đến năm 1975, những ngọn đèn cao áp đầu tiên được lắp đặt tại khu vực quảng trường Ba Đình và lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh Ngoài chiếu sáng đường phố, các loại chiếu sáng khác của đô thị như chiếu sáng công viên, vườn hoa, chiếu sáng cảnh quan các công trình kiến trúc văn hoá, lịch sử, thể thao, chiếu sáng tượng đài hầu như chưa có gì

Hội nghị chiếu sáng đô thị lần thứ nhất (4/1992) là một mốc khởi đầu cho sự phát triển của ngành chiếu sáng đô thị Việt Nam Thực trạng chiếu sáng đô thị lúc bấy giờ vẫn còn rất kém, lạc hậu so với các đô thị trong khu vực Sau Hội nghị chiếu sáng đô thị toàn quốc lần thứ hai (12/1995) tổ chức tại Đà Nẵng, cùng với sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế, lĩnh vực chiếu sáng đô thị ở nước ta đã thực sự hình thành và phát triển Hiện nay chúng ta đã có Hội chiếu sáng đô thị Việt nam

Ngày 28/9/2009 Chính phủ ban hành Nghị định số 79/2009/NĐ-CP về quản lý chiếu sáng

đô thị Đây là văn bản pháp lý cao nhất của Nhà nước phục vụ việc cho quy hoạch, đầu tư xây dựng, quản lý và vận hành chiếu sáng đô thị Tuy các văn bản hướng dẫn còn chưa đầy đủ nhưng cũng phần nào đáp ứng mong mỏi của những người hoạt động trong lĩnh vực này, đồng thời tạo động lực để ngành chiếu sáng đô thị phát triển mạnh hơn nữa, góp phần cải tạo

bộ mặt đô thị hiện nay

Vai trò của chiếu sáng đô thị:

Tại các nước phát triển, điện năng dùng cho chiếu sáng chiếm từ 8 đến 13% tổng điện năng tiêu thụ Hệ thống chiếu sáng đô thị bao gồm nhiều thành phần khác nhau, trong đó có thể kể đến chiếu sáng phục vụ giao thông, chiếu sáng các cơ quan chức năng của đô thị Theo Nghị định 79/2009/NĐ-CP thì hệ thống chiếu sáng đô thị gồm : chiếu sáng giao thông đô thị ; chiếu sáng không gian công cộng ; chiếu sáng mặt ngoài công trình ; chiếu sáng quảng cáo, trang trí, phục vụ lễ hội ; chiếu sáng khuôn viên công trình do các tổ chức, cá nhân

sở hữu

Chiếu sáng đường phố tạo ra sự sống động, hấp dẫn và tráng lệ cho các đô thị về đêm, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân đô thị, thúc đẩy sự phát triển thương mại và du lịch Hệ thống chiếu sáng trang trí tạo ra không khí lễ hội, sự khác biệt về cảnh quan của các đô thị trong các dịp lễ tết và các ngày kỷ niệm lớn hoặc trong thời điểm diễn ra các hoạt động chính trị, văn hóa xã hội cũng như sự kiện quốc tế

Trong điều kiện thiếu hụt về điện năng của nước ta, đã có những lúc, những nơi chiếu sáng quảng cáo bị coi là phù phiếm, lãng phí và không hiểu quả Điều này xuất phát từ góc độ tiêu thụ năng lượng mà chưa nhận thức tổng quát vai trò của chiếu sáng đô thị Do đó cần có

sự đánh giá chính xác và khách quan về hiệu quả mà chiếu sáng đem lại không chỉ về mặt kinh tế, mà còn cả trên các bình diện văn hóa - xã hội Không chỉ nhìn nhận những hiệu quả trực tiếp trước mắt, có thể tính được bằng tiền mà còn cả hiệu quả gián tiếp và lâu dài mà chiếu sáng đem lại trong việc quảng bá, thúc đầy sự phát triển của thương mại, du lịch và dịch

vụ Chỉ có như vậy, hệ thống chiếu sáng đô thị mới có thể phát triển và duy trì một cách bền vững, đóng một vai trò ngày một xứng đáng trong các công trình hạ tầng kỹ thuật đô thị

Để làm được việc đó chúng ta phải đẩy mạnh việc nghiên cứu, ứng dụng, phát triển lý thuyết về chiếu sáng đô thị ngày càng hoàn thiện nhằm xây dựng đô thị Việt Nam vừa mang phong cách hiện đại vừa giữ gìn được nét truyền thống

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO ÁNH SÁNG

1.1 Bản chất của ánh sáng

1 Bản chất sóng - hạt của ánh sáng:

+ Ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, tia X, sóng radio, sóng truyền hình,…tất cả đều là những dạng năng lượng điện từ được truyền trong không gian dưới dạng sóng, cũng giống như các bức xạ điện từ khác được đặc trưng bởi bước sóng λ, tần số ν, hoặc chu kỳ T với ν = 1/T hoặc c = ν.λ

+ Có thể chia bước sóng thành các phạm vi sau, ta nhận thấy ánh sáng nhìn thấy chỉ là dải hẹp từ 380nm-780nm:

• Từ 0,01 A0 đến 0,001 A0 Tia γ, tia vũ trụ ( 1 µm = 10-6 m; 1 nm = 10-9 m; 1 A0 = 10-10 m) + Theo thuyết lượng tử, ánh sáng còn mang bản chất hạt (photon), có năng lượng E = hν=

hc / λ ; trong đó h là hằng số Plank = 6,626176  10-34Js

Tại sao các vật thể phát ra ánh sáng ? Ta phải dùng thuyết lượng tử để giải thích như sau: + Một photon bị biến mất khi nó va vào và đẩy một điện tử vòng ngoài lên trạng thái kích thích ở các quỹ đạo xa nhân hơn  sự hấp thu năng lượng ánh sáng của vật chất

+ Một photon được sinh ra khi điện tử từ trạng thái kích thích chuyển sang một quỹ đạo khác gần nhân hơn và tải đi một năng lượng mà nguyên tử bị mất dưới dạng tia sáng mà bước sóng tỷ lệ nghịch với năng lượng được truyền đi  sự phát ra năng lượng ánh sáng của vật chất

+ Như vậy căn cứ vào bước sóng ta có thể phân biệt được sóng ánh sáng và các dạng năng lượng khác trên quang phổ điện từ

2 Nguồn sáng tự nhiên và quang phổ liên tục

+ Ánh sáng nhìn thấy khác với các dạng bức xạ điện từ khác ở khả năng làm kích hoạt võng mạc của mắt người

+ Vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng dao động từ 380nm-780nm + Thí nghiệm đã chứng minh: dải phổ của ánh sáng mặt trời là dải quang phổ liên tục có bước sóng thay đổi từ 380nm –780nm như hình sau:

+ Ánh sáng mặt trời được coi là nguồn sáng chuẩn để đánh giá chất lượng của nguồn sáng nhân tạo

+ Ánh sáng mặt trời có rất nhiều công dụng khác ngoài chiếu sáng : sinh ra vitamin D khi tắm nắng buổi sáng, diệt vi khuẩn (do có một lượng rất bé tia cực tím), phát điện, phát nhiệt, sấy khô,…

+ Hiện nay người ta đang nghiên cứu thiết bị dẫn ánh sáng tự nhiên vào trong các toà nhà nhằm giảm tiền điện cũng như có lợi cho sức khoẻ

3 Nguồn sáng nhân tạo và quang phổ vạch

Lăng kính

Ánh

sáng

mặt trời

Tia sáng đơn sắc đầu ra lăng kính

Phổ ánh sáng

Hình 1.1_ Thí nghiệm quang phổ liên tục

nm

Hình 1.2_Thí nghiệm quang phổ vạch

Đèn phóng điện trong chất khí

Lăng kính Khe hẹp

Vật đen

Hydro

Natri (Sodium)

Heli

Neon

Thuỷ ngân