Bazele Analitice ale Dimensionarii Retelelor Electrice de Joasa Tensiune

BAZELE ANALITICE ALE DIMENSIONĂRII REȚELELOR ELECTRICE DE JOASĂ TENSIUNE

1.1 Compunerea instalațiilor electrice la consumatori

În proiectarea instalațiilor electrice un obiectiv prioritar îl constituie elaborarea de soluții radicale, teoretic fundamentale, având ca scop obținerea unui efect tehnic sau economic perceptibil, chiar și în cazul existenței unor restricții determinate de condițiile și limitările locale.

Compunerea generală a instalațiilor electrice la un consumator industrial este reprezentată în fig. 1.1.

Instalațiile electrice la consumator se compun din:

receptoare electrice de joasă și medie tensiune;

rețele electrice și punctele de distribuție (TG, TD, TU);

echipamentele de conectare, protecții, etc.

Rețelele de distribuție (la o amplasare dată a consumatorului) se pot alege, în general, în două variante (linii radiale sau principale) în funcție de:

amplasarea teritorială a sarcinilor;

gradul dorit de asigurare a continuității alimentării;

prin compararea indicatorilor tehnico-economici a variantelor propuse.

Distribuțiile radiale de joasă tensiune au avantaje ca:

simplitatea din punct de vedere al execuției și exploatării;

siguranța alimentării cu energie electrică în cazul avariilor;

asigurarea selectivității protecțiilor;

posibilitatea automatizării și comenzilor centralizate.

SEE – stația sistemului energetic

ST(SD) – stație de transformare (distribuție)

PT – post de transformare

TG – tablou general de distribuție

TD – tablou de distribuție

TU – tablou de forță utilaj

MI – receptor de medie tensiune

Mj – receptor de joasă tensiune

racord înaltă tensiune

distribuitor

coloană

circuit utilaj

circuit receptor

Fig. 1.1 Compunerea instalațiilor electrice la consumatori

În cazul distribuțiilor radiale de joasă tensiune, deși o serie de factori locali determină în mod unic alegerea tipului de conducte, a modului de pavare și influențează în mod esențial asupra configurației schemei rețelei de joasă tensiune, rămâne, de obicei suficientă liberatate în alegerea soluțiilor de proiectare, care să permită atingerea unor indicatori tehnico-economici favorabili. Obținerea unui efect economic perceptibil în cadrul distribuțiilor radiale de proiectare, prin compararea rezultatelor corespunzătoare fiecărei variante și elaborarea pe aceasta bază a soluției unice, optimale.

1.2 Sarcini electrice de calcul

n cadrul instalațiilor electrice, sarcina electrică reprezintă o mărime care caracterizează consumul de energie electrică. Mărimile utilizate frecvent în acest scop sunt puterea activă P, reactivă Q, aparentă S și curentul I.

n proiectarea instalațiilor electrice la consumatori este necesar să se cunoască în primul rând puterea activă absorbită de către receptoare, utilaje, grupuri de receptoare și utilaje, secții ale întreprinderii și de întreaga întreprindere.

În ceea ce privește puterea activă nominală Pn, este important de reținut dacă aceasta reprezintă o putere utilă, ca și în cazul motoarelor electrice, caz în care relația de calcul este de forma:

(1.1)

Sau dacă puterea activă nominală Pn reprezintă o putere electroabsorbită, ca în cazul majorității receptoarelor electrotermice, de iluminat ș.a., situație în care avem următoarea expresie:

(1.2)

1.3 Determinarea puterilor instalate a întregului consumator de calcul

Puterea instalată Pi a unui receptor reprezintă puterea sa nominală raportată la durata de acționare de referință DA=1,

(1.3)

în care DAn este o mărime relativă subunitară care poate lua valorile:

DAn=0,15; 0,25; 0,4; 0,6 și 1.

n cazul receptoarelor caracterizate prin puterea aparentă nominală Sn, puterea instalată este dată de relația:

(1.4)

Puterea instalata Piu a unui singur utilaj se calculează conform relației următoare:

(1.5)

Unde, nru reprezintă numărul de receptoare corespunzătoare unui utilaj

Pij reprezintă puterile instalate individuale ale receptorului utilajului.

Continuând în această notă de calculare crecătoare de la receptor spre întregul consumator, calculăm puterea instalată a utilajelor de acelși tip cu relația:

(1.6)

Unde nu reprezintă numărul utilajelor de același tip.

Puterea instalată totală a secției se determină însumând puterile instalate pentru toate tipurile de utilaje.

1.4 Determinarea puterilor cerute prin metoda coeficienților de cerere

În scopul determinării puterilor cerute, vom utiliza metoda coeficienților de cerere care este aplicabilă la orice nivel de structurare al consumatorului și pentru diverse receptoare. Consumatorul de calcul se consideră organizat pe categorii de receptoare, fiecare categorie fiind caracterizată prin perechea de valori ale urmatoarelor mărimi:

Coeficientul de cerere kc

Factorul de putere cerut c

Considerăm un consumator de calcul cu n receptoare încadrate în m categorii. O categorie k cuprinde nk receptoare, astfel încât puterea instalată a acestora este exprimată de relația:

(1.7)

Iar puterea instalată totală este:

(1.8)

Puterea activă cerută de receptoarele care fac parte dintr-o aceeași categorie k este dată de relația:

(1.9)

În care k’ este coeficientul de cerere corectat al categoriei respective de receptoare.

Corecția ține seama de numărul total de receptoare conform relației:

(1.10)

Unde kck este coeficientul de cerere pentru categoria de receptoare considerată și indică dependența coeficientului de influență Ka de numărul de receptoare n ale consumatorului de calcul.

În cazul în care receptoarele au puteri mult diferite, se recomadă ca determinarea coeficientului de influență să se facă în raport cu numărul de receptoare:

(1.11)

În care s-a notat cu n0.5 numărul receptoarelor celor mai mari, a căror putere instalată însumată este egală cu jumătate din puterea tutror receptoarelor.

Orice modificare a numărului de receptoare a consumatorului atrage după sine necesitatea actualizării coeficientului ka și a determinării din nou a coeficientului de cerere corectat k’ck.

Notând cu Pcu, Qcu, Scu puterea activă cerută, puterea reactivă cerută, repectiv puterea aparentă a unui utilaj, putem scrie relațiile:

(1.12)

(1.13)

(1.14)

Cunoscând puterile cerute ale utilajelor unei categorii k putem scrie puterile cerute ale categoriei k:

(1.15)

(1.16)

Puterile cerute la nivelul întregului consumator de calcul se calculează însumând puterile cerute ale tuturor categoriilor de receptoare:

(1.17)

(1.18)

unde m este numărul de categorii în care au fost împărțite de n receptoare. Puterea aparentă totala absorbită de consumatorul de calcul este:

(1.19)

(1.20)

În care kra=0,9, iar krr=0,95. Dacă Sc<400 VA nu se aplică reduceri, iar dacă Sc>1600 kVA se grupează receptoarele pe doi sau mai mulți subconsumatori (PT), aplicându-se pentru fiecare metoda reprezentată anterior.

Coeficientul mediu de cerere al consumatorului este:

(1.21)

Iar factorul de putere natural este calculat cu raportul:

(1.22)

1.5 Curentul cerut

Determinarea curentului cerut de un consumator de calcul este necesară pentru:

dimensionarea conductelor;

alegerea aparatelor de protecție;

alegerea aparatelor de măsură, comutație;

alegerea tablourilor de distribuție.

Curentul cerut If de un consumator de calcul poate fi determinat astfel:

pe baza puterilor cerute (Pc, Qc) determinate în paragraful anterior. Curentul cerut se calculeză cu relațiile:

(1.23)

(1.24)

Unde U este tensiunea de linie; Pc, Sc reprezintă puterile activă, respectiv aparentă cerute de receptoarele identice sau care fac parte din aceeași categorie din punct de vedere al valorilor coeficienților de cerere și a factorului de putere cerut; Cp, Cs sunt coenficienți în funcție de numărul receptoarelor pentru care se calculează curentul cerut, semnificația puterii cerute și felul puterii.

Curentul cerut de două sau trei receptoare diferite se obține însumând curenții ceruți de fiecare receptor în parte, iar curentul cerut de un consumator de calcul cuprinzând receptoare din m categorii diferite, făcând însumarea curenților ceruți Ick de fiecare categorie k în parte conform relației:

(1.25)

prin metoda coeficienților curentului cerut

Considerând receptoarele grupate în categorii, fiecare categorie a consumatorului de calcul cuprinzând nk receptoare, curentul cerut Ick de categorie k se determină cu relația:

(1.26)

Unde:

(1.27)

Reprezintă suma primelor x puteri nominale ale receptoarelor așezate în ordine descrescătoare;

este suma puterilor nominale ale restului de (nx-x) receptoare; C1k, C2k sunt coeficienții curentului cerut.

Curentul cerut de un consumator de calcul cuprinzând mai multe categorii se calculează cu relația „asta”, în care m reprezină numărul de categorii de receptoare, unde se indică și valorile mărimilor x, C1k și C2k pentru toate categoriile definite.

1.6 Metoda Formulei Binome

Determ2. INSTALAȚII ELECTRICE DE JOASĂ TENSIUNE

2.1 Generalități

Instalațiile electrice de joasă tensiune realizează distribuția energiei electrice la receptoare, îndeplinind astfel scopul final al întregului proces de producere transport și distribuție a energiei electrice. În compunerea lor se regăsesc aceleași părți, evidențiate pentru instalațiile electrice la consumatori.

Receptoarele electrice alimentate în joasă tensiune sunt de o mare diversitate, ocupând în general o pondere însemnată în valoarea puterii instalate la consumator. Avînd în vedere rolul instalațiilor de joasă tensiune, rezultă că proiectarea acestora este strâns legată de caracteristicile tehnico-funcționale ale receptoarelor electrice. Cerințele impuse de funcționarea corespunzătoare a receptoarelor, din punct de vedere tehnic și economic trebuie satisfăcute între anumite limite admisibile de către instalația de distribuție în joasă tensiune.

Rețelele electrice de joasă tensiune sunt constituite din totalitatea coloanelor și circuitelor de utilaj sau receptor. Prin coloană se denumește ansamblul elementelor conductoare de curent, care alimentează un tablou de distribuție, iar prin circuit ansamblul elementelor conductoare de curent care alimentează unul sau mai multe receptoare.

În cadrul rețelelor electrice de joasă tensiune se pot face următoarele grupări:

tablouri generale, primind energie electrică de la postul de transformare;

tablouri principale, alimentate dintr-un tablou general și care distribuie energia electrică la tablourile secundare;

tablouri secundare, de la care energia electrică se distribuie la receptoare și utilaje.

Instalațiilor electrice de joasă tensiune le este specific și un anumit echipament electric, care, de obicei se montează concentrat, în vecinătatea punctelor de alimentare (în TD), putînd fi însă amplasat și pe traseul unor coloane sau a unor circuite.

2.2 Schemele rețelelor de distribuție

Racordarea receptoarelor și utilajelor la tablourile de distribuție se poate face:

radial;

cu linie principală.

În figura următoare este prezentată o rețea de distribuție radială cu 6 circuite, două de receptor, pentru motoarele m1 și m2 și 4 de utilaj pentru utilajele u1, …u4.

Configurația radială este cea mai frecvent utilizată pentru rețelele de distribuție de joasă tensiune.

Fig. 2.1 Schema de alimentare radială aferentă tabloului TD

m 1 , m 2 receptoare; u1……u2 utilaje

Pentru alimentarea receptoarelor și a utilajelor electrice de mică importanță, situate departe de punctele de distribuție, însă amplasate apropiat între ele, se poate folosi distribuția cu linie principală, numită în acest caz și conexiune în lanț, prezentată în figura următoare. Evident, și în astfel de situații se poate recurge la amplasarea unui tablou de distribuție în vecinătatea grupului de receptoare și utilaje, la care acestea să fie racordate radial.

Fig. 2.2 Schema bloc cu linie principală (conexiune în lanț)

Extinderea distribuției cu linie principală, adică racordarea de noi receptoare sau utilaje, se poate face cu ușurință dacă secțiunea conductorului din compunerea liniei asigură și curenții ceruți de noile receptoare. Conexiunea cu linie principală este mai frecvent utilizată la realizarea distribuției în interiorul utilajelor, deci în schemele de distribuție ale acestora. Gruparea receptoarelor și utilajelor pe tablouri de distribuție secundare trebuie să se facă în baza următoarelor considerente:

existența unor corelații funcționale în cadrul procesului tehnologic deservit;

amplasarea învecinată în cadrul secției;

utilizarea eficientă a tipurilor de cutii capsulate pentru tablouri de distribuție și a altor echipamente electrice;

lipsa perturbațiilor reciproce supărătoare între diferite tipuri de receptoare;

eventualitatea unor limitări de putere de 5… 10% la cererea furnizorului;

în caz de deficit de putere în sistemul electroenergetic;

receptoarele de categorii diferite se grupează pe diferite tablouri.

În condițiile de mai sus, se recomandă ca receptoarele de iluminat să fie racordate la aceleași tablouri de distribuție cu receptoarele de forță. Nu se vor grupa pe același tablou receptoare de diferite tipuri dacă:

separarea conduce la soluții mai economice;

se aplică tarifare diferențiată pentru consumul de energie electrică;

funcționarea unora produce perturbații supărătoare pentru celelalte (de exemplu, pornirea motoarelor electrice, care determină variații ale fluxului luminos emis de sursele de lumină);

utilajele sau agregatele tehnologice se pot înlocui reciproc din punct de vedere productiv sau acestea deservesc linii tehnologice paralele, realizând același produs;

recvențele de lucru sunt diferite;

tensiunile fază-pământ sunt diferite.

Ultimele două condiții nu sunt obligatorii dacă un receptor sau utilaj necesită pentru funcționarea lui circuite cu curenți de frecvențe sau tensiuni diferite.

În asemenea situații, în cadrul tabloului de distribuție respectiv, echipamentele care aparțin aceluiași fel de curent sau nivel de tensiune se montează separat și se marchează distinct.

Numărul de receptoare și utilaje care pot fi racordate la același tablou de distribuție este limitat de valoarea maxima a curentului care poate fi suportată de elementele conductoare ale echipamentului electric. Acest număr se corelează cu puterile instalate și coeficienții de cerere ai receptoarelor.

În concluzie, problema grupării utilajelor și receptoarelor într-o secție, pe tablouri de distribuție, poate fi soluționată dacă se cunosc amplasamentele utilajelor și receptoarelor, caracteristicile tehnico-funcționale ale acestora și procesul tehnologic din secție.

Schemele rețelelor de alimentare

Conceperea schemelor rețelelor de alimentare, care fac legătura între posturile de transformare și tablourile de distribuție la receptoare și utilaje, reprezintă unul din aspectele importante ale proiectării instalației de joasă tensiune deoarece, așa cum s-a arătat mai sus rețelele de distribuție nu reprezintă dificultăți deosebite.

Rețelele de alimentare de joasă tensiune pot fi organizate conform schemelor,(de alimentare):

radiale;

cu linii principale;

buclate;

combinate.

Alegerea protecției receptoarelor și circuitelor

Variantele de echipare a circuitelor cu dispozitive de protecție și comutație, conform cu condițiile de prevedere a protecției, sunt prezentate în figura 2.3. Se constată că există un număr de trei situații posibile:

pentru un receptor m1 cu regim posibil de funcționare la suprasarcină (fig. ) circuitul cuprinde siguranțele fuzibile e1 pentru protecția la scurtcircuit, releul termic e2 pentru protecția la suprasarcină și contactorul c1 care asigură comutația, precum și întreruperea regimului de suprasarcină când primește comanda de la e2.

Fig. 2.3 Variantele de echipare a circuitelor cu dispozitive de protecție și comutație:

a,b – cu siguranțe fuzibile și contactor cu relee termice; c – cu siguranțe fuzibile;

d – cu întreruptor automat

Când comutația circuitului se realizează mai rar și receptorul m1 funcționează corelat cu alte receptoare (de ex. în cadrul aceluiași utilaj), contactorul c1 poate fi înlocuit printr-un întreruptor manual, urmând ca releul termic e2 să aibă legat contactul de protecție în circuitul de comandă al contactorului comun;

pentru un receptor h1 la care regimul de suprasarcină nu este posibil (fig. 2.3 b), circuitul cuprinde numai siguranțele e1 și întreruptorul manual a1, cu rol de comutație. La receptoare de iluminat sau prize, siguranțele e1 pot fi înlocuite prin întreruptoare automate mici;

pentru un receptor protejat printr-un întreruptor automat a2 (fig. 2.3 c), circuitul mai cuprinde în afara declanșatoarelor sau releelor electromagnetice e1 și termice e2, care de obicei intră în compunerea întreruptorului automat și întreruptorul manual a1 cu rol de separator.

n timp ce siguranțele fuzibile, întreruptoarele automate și separatoarele se dispun în cadrul tabloului de distribuție de la care se ramifică circuitul respectiv, contactoarele și întreruptoarele manuale cu rol de comutație se pot dispune după caz, fie la tablou, fie în vecinătatea receptorului. Siguranțele fuzibile e1 din figura 2.3, a ș b pot asigura o separare vizibilă și sigură a circuitului prin extragerea patronului fuzibil.

Pe anumite circuite se pot monta și aparate speciale de pornire (de ex. comutatoare stea-triunghi), a căror alegere se va face similar cu a dispozitivelor de comutație considerate.

n continuare, alegerea aparatelor se organizează nu după configurația circuitului, ci după felurile protecțiilor asigurate. Principalele mărimi caracteristice ale aparatelor, care intervin în alegerea lor, sunt indicate alăturat simbolurilor acestora în figura 2.3.

Dimensionarea protecției la suprarascină

Releul termic pentru protecția receptorului împotriva curenților de suprasarcină se alege în funcție de curentul de serviciu Ist, care trebuie să îndeplinească o primă condiție, de a fi superior solicitării termice de durată:

(2.1)

Ic fiind curentul cerut al receptorului protejat.

Reglajul releului termic ales, caracterizat prin curentul de reglaj Irt, trebuie să țină cont pe de o parte de domeniul curenților de suprasarcină admiși de receptor, iar pe de altă parte de domeniul reglajului posibil al releului termic, din punct de vedere constructiv.

Conform primei condiții, curentul de reglaj trebuie să aparțină intervalului:

(2.2)

fiind de preferat reglajul releului termic, pe curentul nominal al receptorului sau cât mai apropiat de acesta.

Cea de-a doua condiție, a posibilității concrete de reglaj, este determinată de tipul constructiv al aparatului. Domeniul reglajului posibil este, în general:

(2.3)

unde krt este coeficientul efectiv de reglare, dat de relația:

(2.4)

în care ksr se numește coeficient al domeniului de reglare, având pentru releele termice tip TSA ca valori posibile:

(2.5)

iar kteste coeficientul de corecție în funcție de temperatura ambiantă, având valoarea kto = 1, dacă temperatura mediului ambiant este în intervalul tao = (10 … 35)oC. Dacă temperatura mediului este variabilă în cursul aceleiași zile, este indicat să se ia kto = 1, iar releul termic și receptorul să fie în aceeași încăpere, pentru a asigura sensibilitatea necesară a protecției.

Ținând cont de relațiile (2.2)(2.4), relația completă și corectă de alegere a Ist , care implică atât condiția de solicitare de durată, cât și pe aceea a posibilității de reglare este:

(2.6)

În final, curentul de reglaj al RT se stabilește ca valoare minimă a intersecției dintre domeniile de valori ale curentului de suprasarcină și a celui posibil a fi reglat (rel. 2.2 și 2.3):

(2.7)

Dimensionarea protecției la scurtcircuit

Aceasta constă în stabilirea curentului nominal al fuzibilului sau a curenților de serviciu și reglaj pentru declanșatoarele sau releele electromagnetice.

a) Circuit echipat cu siguranțe fuzibile

Curentul nominal al fuzibilului Inf se determină în baza următoarelor condiții:

siguranțele fuzibile (lente sau rapide) trebuie să suporte curentul de durată al receptorului

(2.8)

siguranțele fuzibile trebuie să reziste la acțiunea curentului de pornire pe toată durata sa, care se exprimă în cazul siguranțelor cu topire rapidă prin relația:

(2.9)

în care c este un coeficient de siguranță la pornire, egal cu 2,5 pentru porniri rare și ușoare (durata pornirii este mai mică de 5 s); c [1,6 … 2] pentru motoare cu pornire grea și de durată (timpul de pornire 5…10 s) sau pentru motoarele cu porniri ușoare, dar dese; c = 1,5 pentru porniri foarte grele (durata pornirii > 10 s). ndeplinirea acestei condiții presupune și satisfacerea condiției de a rezista sub acțiunea suprasarcinilor accidentale de scurtă durată;

protecția la scurtcircuit prin siguranțe fuzibile trebuie să fie selectivă cu protecția la suprasarcină prin relee termice, ceea ce înseamnă ca la stabilirea curentului nominal al fuzibilului să se aibă în vedere condiția de selectivitate sau valorile minime.

Condiția de selectivitate este:

(2.10)

unde ktf este coeficientul de selectivitate între RT și SF.

b) Circuit echipat cu întreruptor automat

Curentul de serviciu Is al releului sau declanșatorului electromagnetic este identic cu cel al dispozitivului de protecție termic, deoarece acestea se fabrică de obicei asociate, sub forma blocurilor de relee sau a declanșatoarelor.

Curentul de reglaj Ire al dispozitivelor electromagnetice de protecție trebuie să verifice condiția de nedeclanșare la curentul de pornire, conform relației:

Ire kpe . Ip, (2.11)

în care Ip este curentul de pornire al receptorului alimentat prin circuitul protejat;

kpe – coeficient de siguranță la pornire, cu valori în intervalul (1,2 … 1,4) pentru relee și respectiv (1,4 … 1,6) pentru declanșatoare.

Posibilitățile de reglare sunt redate prin relația:

Ire = kre Is, (2.12)

unde Is este curentul de serviciu al blocului de dispozitive de protecție;

kre – coeficientul domeniului de reglaj, având una sau mai multe valori distincte sau un domeniu de valori, în funcție de tipul releului sau declanșatorului.

Pentru a corespunde ambelor condiții de mai sus, curentul de serviciu trebuie să se încadreze în domeniul definit de relația:

(2.13)

Totodată, acesta mai trebuie să satisfacă relația dedusă pentru protecția la suprasarcină:

(2.14)

Alegerea efectivă se concretizează prin găsirea unui întreruptor automat al cărui curent de serviciu Is să satisfacă simultan relațiile (2.13) și (2.14).

Curentul de reglaj al protecției la scurtcircuit se determină în baza relației:

(2.15)

alegându-se valoarea minimă pentru kre, care satisface relația. În cazul în care există o singură valoare a coeficientului domeniului de reglaj kre, relația (2.15) este doar de verificare.

Alegerea aparatelor de comutație

Contactoarele și întreruptoarele automate propriu-zise (fără relee) se aleg ținând seama de valorile nominale ale tensiunii, de curentul InK, respectiv InQ al contactelor principale:

(2.16)

în care In este curentul nominal al receptorului, de capacitatea și frecvența de conectare și de deconectare în regim normal și accidental, de tensiunea de serviciu a bobinei de acționare; toate aceste caracteristici trebuie să satisfacă mărimile nominale și de serviciu ale circuitelor deservite.

Separatoarele se aleg pe baza tensiunii și curentului lor nominal, care trebuie să aibă valori cel puțin egale cu ale circuitelor deservite. Pentru separatoarele având curenți nominali mai mari de (la care furnizorul indică valorile maxime admise ale curenților de stabilitate termică și dinamică) este necesar să se facă verificarea lor la scurtcircuit.

Se recomandă ca aparatele de comutație să fie astfel montate încât contactele lor mobile să nu fie sub tensiune atunci când aparatele sunt deschise și să nu se poată închide sau deschide sub efectul vibrațiilor, la lovirea aparatelor sau datorită greutății proprii a părților mobile. Aceste contacte trebuie să întrerupă simultan toate conductele de fază ale circuitului (trifazat, bifazat sau monofazat) pe care îl deservesc.

3. NOȚIUNI FUNDAMENTALE ÎN TEHNICA

ILUMINATULUI

Radiații vizibile

Din multitudinea de manifestări ale radiației electromagnetice, lumina este acel segment al spectrului electromagnetic pe care sistemul vizual al omului îl poate detecta. Lumina este evaluarea vizuală a energiei radiante, este radiația electromagnetică percepută de un ochi normal ca senzație vizuală. Spectrul vizibil acoperă lungimile de undă între 80-60 nm și este încadrat de radiațiile UV – ultraviolete (180-380 nm) și IR – infraroșii (760-5000 nm). Radiațiile cu diferite lungimi de undă din spectrul vizibil produc senzații diferite, definite prin termenul de culoare. Spectrul vizibil poate fi divizat în șase zone corespunzătoare culorilor fundamentale: violet (380-440 nm), albastru (440-490 nm), verde (490-560 nm), galben (560-590 nm), portocaliu (590-630 nm), roșu (630-760 nm).

Lumina albă emisă de soare este un amestec al radiațiilor cu toate lungimile de undă ale spectrului vizibil (conține și radiații infraroșii și ultraviolete). Spectrul de radiație al luminii emise prin incandescență este continuu. Lumina emisă de descărcările electrice în gaze sau vapori metalici are un spectru discontinuu, de linii, corespunzător structurii atomice a substanței respective – mercur, sodiu, halogenuri metalice.

Descompunerea luminii albe în radiațiile constituente este cunoscută prin experimentul simplu al trecerii unei raze de lumină printr-o prismă triunghiulară de sticlă; radiațiile cu lungimi de undă diferite suferă refracții cu grade diferite (mai mari pentru lungimi de undă mai mici). Efectul invers, de compunere a unor radiații monocromatice conduce la posibilitatrea obținerii luminii albe.

Spectrul vizibil și cel învecinat:

Tab. 3.1

180 380 440 490 560 590 630 760 5000

nm

Sensibilitatea luminoasă spectrală relativă ()

Sensibilitatea ochiului uman la radiațiile luminoase variază în funcție de lungimea de undă a acestora, fiind maximă, în cazul vederii diurne, la culoarea galben-verde (0=555 lm).

Fig. 3.1 Funcția eficacității luminoase relative

CIE (Commission Internationale de L’Eclairage) a introdus, în 1924, eficacitatea luminoasă relativă V(). Când se consideră lumina ca o radiație electromagnetică “vizibilă”, se au în vedere două aspecte distincte: pe de o parte energia radiantă, iar pe de altă parte, senzația produsă asupra ochiului.

Tab. 3.2

Pentru evaluarea luminii sub aspect cantitativ s-a introdus convenția de a se măsura radiația în termenii sensibilității ochiului uman. Mărimile fotometrice sunt astfel mărimi energetice evaluate prin senzația luminoasă produsă. Fluxul radiant devine flux luminos. Un watt de putere radiantă se transformă în [0,1] watt de putere luminoasă.

Funcția V() este valabilă pentru percepția vizuală în condiții de lumină suficientă (vederea fotopică), percepție asigurată de celulele vizuale denumite conuri.

Fotometrie

Flux energetic. Flux luminos

Fluxul energetic (radiant, de energie radiantă) c reprezintă puterea emisă transportată sau receptată sub formă de radiație (pe toate lungimile de undă posibile).

Densitatea spectrală a fluxului de energie radiantă (fluxul energetic specific) c este fluxul radiant pe un interval de lungimi de undă, uzual un nanometru; prin urmare, fluxul energetic total poate fi obținut prin integrarea lui c pe întregul spectru:

(3.1)

Pentru domeniul =380…760 nm, fluxului energetic i se asociază noțiunea de flux luminos , care reprezintă o măsură a răspunsului vizual al organului specializat (ochiul) la excitația produsă de fluxul energetic incident. Altfel spus, fluxul luminos reprezintă fluxul radiant emis în spectrul vizibil, evaluat prin intensitatea senzației vizuale.

Fluxul luminos total poate fi obținut prin integrarea lui c pe spectrul vizibil, luând în considerare și eficacitatea luminoasă relativă spectrală:

(3.2)

Fluxul luminos este mărimea fundamentală în iluminat și se măsoară în lumen (lm). Deoarece unitatea etalon în fotometrie este candela, lumenul se definește ca fiind fluxul luminos emis într-un unghi solid de un steradian de către o sursă punctiformă având intensitatea luminoasă de o candelă.

Alternativ, lumenul poate fi considerat fluxul luminos asociat unui flux energetic de 1/683 W radiat pe lungimea de undă de 555 nm în aer; pentru orice altă lungime de undă, fluxul luminos asociat este V() lm.

Intensitatea luminoasă

Fig. 3.2 Intensitatea luminoasă

Dacă se consideră o sursă punctiformă S și un plan de lucru P, intensitatea luminoasă a sursei în direcția suprafeței elementare dA reprezintă raportul dintre fluxul luminos d emis în unghiul solid d și mărimea acelui unghi, adică:

(3.3)

Ea se măsoară în candele, o candelă corespunzând unui flux de un lumen într-un unghi solid de un steradian. Având în vedere dificultățile tehnice de realizare a unui etalon de flux, s-a realizat candela-etalon, având următoarea definiție: candela este intensitatea luminoasă într-o direcție dată a unei surse care emite o radiație monocromatică, având frecvența de 540 . 1012 Hz și o intensitate energetică în direcția considerată de 1/683 W/sr.

Prin utilizarea în relația intensității luminoase a mărimilor finite și se obține o intensitate luminoasă medie:

(3.4)

Dacă se consideră că sursa emite în întreg spațiul înconjurător, = 4 și se poate calcula intensitatea medie sferică:

(3.5)

Intensitatea luminoasă este o mărime vectorială, admițând ca suport dreapta () iar ca origine, punctul S; mărimea sa este dată de relația intensității luminoase. În spațiu se utilizează o reprezentare în coordonate polare definită de unghiurile (unghiul de înălțime) și (unghiul de azimut).

Iluminarea

Iluminarea – o mărime luminotehnică ce permite evaluarea cantitativă a unei instalații de iluminat și reprezintă câtul dintre fluxul luminos incident pe un element al unei suprafețe și aria acelui element:

(3.6)

Unitatea de măsură se numește lux. Rezultă că 1 lux reprezintă iluminarea unei suprafețe de care primește un flux luminos de 1 lm. Pentru valori finite și A se poate defini iluminarea media a unei suprafețe:

(3.7)

Trebuie subliniat faptul că iluminarea, așa cum este definită mai sus, se calculează pentru un plan dat; din această cauză, în unele publicații apare termenul de iluminare plană (în plan).

Dacă se consideră că suprafața dA este cuprinsă într-un unghi solid d, iar sursa emite fluxul luminos d în acel unghi, iluminarea suprafeței considerate poate fi calculată cu relația:

(3.8)

în care I este intensitatea luminoasă după axa unghiului solid, este unghiul de incidență, iar d reprezintă distanța de la sursă la suprafață.

Expresia de mai sus se numește legea fundamentală a iluminării și este utilizată frecvent în proiectarea instalațiilor de iluminat. Se observă că iluminarea este maximă pentru = 0, adică pentru cazul în care vectorul intensității luminoase este perpendicular pe suprafața iluminată.

Luminanța. Suprafețe perfect difuzante

Într-un punct al unei suprafețe și într-o direcție dată, luminanța reprezintă câtul dintre intensitatea luminoasă a unui element al suprafeței și aria proiecției ortogonale a acelui element pe un plan perpendicular pe direcția dată:

(3.9)

sau:

(3.10)

Luminanța este deci o densitate specifică a intensității luminoase și furnizează informații directe asupra relației lumină-vedere umană, respectiv asupra senzației vizuale.

Fig. 3.3 Determinarea luminanței într-un punct al unei suprafețe

Suprafața perfect difuzată este o suprafață caracterizată de o valoare constantă a luminației pentru orice direcție. În acest caz este valabilă legea lui Lambert:

(3.11)

Pentru aceste suprafețe, excitația luminoasă și luminanța sunt legate prin relația:

(3.12)

Luminanța va da informații directe asupra relației lumina-vedere umană, având astfel un rol determinant în aprecierea senzației vizuale. În aceste condiții se poate afirma că luminanța este o mărime activă față de ochiul uman, în raport cu iluminarea, care reprezintă o mărime pasivă.

Unitatea de măsură este candela pe metru pătrat [cd/], denumită în unele publicații și nit [nt].

Plaja în care variază valorile luminanței este foarte întinsă (soarele: 1,6∙109 cd/m2, cer acoperit dar luminos: 104 cd/m2, luna: 2,5∙103cd/m2, filament incandescent: 6-8∙106 cd/m2, lampa fluorescentă: 104 cd/m2, hârtie albă iluminată la 100 lx: 250 cd/m2, plafon și pereți într-o încăpere iluminată la 500-1000 lx: 50-150 cd/m2, strada iluminată artificial: 0,5-2 cd/m2).

Pentru valori finite ale intensității luminoase () și ale suprafeței privite (ΔS), se poate definii și o luminanță medie:

Surse de lumină

Sursele de lumină sunt convertoare de energie care transformă energia electrică în radiație luminoasă. Pe baza principiului de funcționare, lămpile produse în prezent se pot împărți în patru grupe: lămpile cu incandescență, lămpile cu descărcări în gaze și vapori metalici (la joasă și înaltă presiune) și lampa cu descărcare în plasmă.

Fiecare dintre sursele de lumină existente pe piață se caracterizează prin performanțe fotometrice și energetice diferite; având în vedere complexitatea tehnologică, precum și investițiile ridicate necesare.

Parametrii surselor de lumină sunt:

fluxul luminos (lm);

eficacitatea luminoasă (lm/W);

durata de funcționare (h);

culoarea aparentă (caracterizată prin temperatura de culoare Tc);

temperatura de culoare;

redarea culorilor caracterizată prin indicele de redare a culorilor Ra;

timpul de punere în funcțiune și/sau repunere;

geometria și dimesiunile.

Eficacitatea luminoasă a surselor de lumină

Eficacitatea luminoasă a unei surse de lumină, reprezintă raportul dintre fluxul emis de sursa Φ și puterea consumată de aceasta Pc, adică:

(3.14)

Dacă se ține seamă și de puterea consumată a aparatului anex, rezultă eficacitatea luminoasă globală , adică:

(3.15)

în care este puterea totală consumată de sursa de lumină și aparatajul anex (balast).

Această mărime dă o informație completă și reală asupra conexiunii dintre caracteristicile lumino-tehnice și energetice ale sursei considerate.

Durata de viață

Durata de viață a surselor de lumină reprezintă o dată de catalog obținută prin testarea, în condiții date, a unui grup de lămpi de un anumit tip. Ea se definește după cum urmează:

pentru lămpile cu incandescență și lumină mixtă: timpul la cel ce se defectează 50% din produsele testate;

pentru lămpile cu descărcări: timpul dupa fluxul luminos scade la o valoare impusă (70 sau 80% din fluxul luminos normal).

În condiții reale de exploatare, durata de viață este de obicei mai mică decât cea obținută în condiții de test datorită unor factori precum variațiile de tensiune, frecvența de conectare, existența vibrațiilor, variația temperaturii ambientale etc. Trebuie menționat că datele de catalog sunt statistice și ca urmare durata de viață a unei anumite lămpi nu poate fi cunoscută cu precizie.

Curbele medii de viață și toleranțele considerate pot fi obținute de la producători; aceștia trebuie să furnizeze condițiile de test și influența diferiților parametri asupra duratei de viață pentru fiecare tip de sursă de lumină.

Temperatura de culoare

Pentru a asigura o comparație obiectivă a senzațiilor de culoare produse de diferite surse de lumină se utilizează noțiunea de temperatură de culoare sau temperatură corelată a culorii, aceasta reprezintă unui radiator integral a cărui cromaticitate este cea mai apropiată de cea a sursei considerate. În practică, culoarea luminii emise de lampă este comparată cu lumina emisă de o bară de fier supraîncălzită a cărei temperatură este cunoscută.

Comisia Internațională pentru Iluminat (CIE) împarte culoarea aparentă a surselor de lumină în trei categorii:

caldă (alb-roșiatic) Tc<3300 K;

intermediară (alb) Tc=3300…5300 K;

rece (alb-albăstrui) Tc>5300 K;

Alegerea temperaturii de culoare a unei surse de lumină este determinată în principal de tipul activităților care se desfășoară în spațiul iluminat; de asemenea, în multe situații aspectele psihologice ale culorii trebuie luate în considerare.

Culorile intermediare-calde sunt recomandare în toate încăperile de lucru fizic, iar intelectual în cazul în care se realizează un sistem parțial integrat cu iluminatul natural.

Culorile calde se recomandă pentru încăperile în care se urmărește realizarea unui mediu cald, plăcut, stimulativ sau relaxant. De asemenea pot fi utilizate pentru efecte și sarcini speciale de ambianță, precum și în zonele de climat rece.

Culorile reci sunt recomandate numai la niveluri de iluminare ridicate, în sisteme integrate de iluminat natural-artificial, pentru clădiri cu suprafață mare, sau în zone cu clima caldă.

Redarea culorilor

Redarea culorilor este o condiție calitativă ce devine extrem de importantă în încăperile în care sarcinile vizuale sunt colorate. Prin redarea culorii se definește modul în care se manifestă efectul luminii asupra aspectului cromatic al obiectelor iluminate. CIE, pe baza cercetării internaționale, a stabilit o formulă empirică ce surprinde corect procesul redării,și anume:

(3.16)

în care este media aritmetică a diferențelor coordonatelor de culoare din sistemul tricromatic CIE pentru 8 culori de referință (care acoperă tot domeniul spectrului vizual) între coordonatele iluminatului de referință (lumina incandescentă sau lumina de zi) și coordonatele luminii emise de sursa considerată.

Indicele de redare a culorilor se bazează deci pe acuratețea cu care un set de culori test este reprodus de lampa analizată raportat la modul de redare de către o sursă standard căreia i se atribuie în mod convențional valoarea 100.

Aparate de iluminat

Utilizarea directă a surselor de lumină nu este posibilă în toate cazurile, deoarece acestea au, în general, o luminanță prea mare, supărătoare pentru ochi, iar distribuția fluxului lor luminos nu este întotdeauna cea mai avantajoasă din punct de vedere al obținerii, în condiții economice, a nivelului de iluminare prescris de suprafețele iluminate.

Pentru a evita aceste inconveniente, sursele de lumină se includ în aparate de iluminat.

Aparatul de iluminat (AI) este un dispozitiv care distribuie, filtrează sau transformă lumina emisă de una sau mai multe lămpi și care conține, exceptând lămpile însele, toate componentele necesare pentru fixarea și protejarea lor și realizarea conexiunii la circuitul electric de alimentare. Funcțiile unui AI sunt:

fotometrică, de modificare a repartiției spațiale a fluxului luminos emis de lămpi pentru a-l direcționa spre suprafața de iluminat și pentru a reduce luminanțele suprafețelor expuse privirii, evitând astfel orbirea observatorului;

electrică, de racordare la rețeaua electrică de distribuție a lămpilor, a echipamentului auxiliar de alimentare și, eventual, a dispozitivelor de comandă și reglare a fluxului luminos;

mecanică, de susținere a lămpilor și celorlalte componente și de protecție contra agenților exteriori susceptibili să le deterioreze sau să le micșoreze eficacitatea luminoasă (praf, umiditate, căldură excesivă, coroziune);

estetică, de integrare în ambianța încăperii.

Părțile componente ale unui aparat de iluminat por fi grupate în două părți, cu rol funcțional distinct: sistemul optic și armătura.

Sistemul optic are rolul de a reduce luminanța lămpii, de a modifica compoziția spectrală și distribuția fluxului luminos al acesteia.

Sistemul optic cuprinde următoarele elemente:

reflectoare, bazate pe fenomenul de reflexie;

refractoare, bazate pe fenomenul de refracție;

ecrane difuzante din substanțe translucide, care având suprafață mare, acoperă lămpile din aparat, reducând luminanța acestora prin difuzie;

grătare de ecranare, din elemente opace sau translucide, dispuse pentru a masca lămpile de vederea directă, sub un unghi determinat.

Armătura aparatului constă din ansamblul pieselor, în general metalice, care asigură:

fixarea lămpii (dulii) și a sistemului optic;

alimentarea cu energie electrică (conductoare, balasturi, startere, condensatoare etc.);

protejarea lămpilor împotriva atingerii, prăfuirii sau umezelii (sticlă, grilaj de protecție)

Sisteme de iluminat

Sistem de iluminatul – SI este ansamblul realizat din aparate de iluminat echipate cu surse de lumină amplasate într-o dispunere logică, în scopul realizării microclimatului luminos corespunzător unei activități umane cerute sau a unei funcțiuni impuse.

După funcția pe care o îndeplinesc, SI sunt normale, ce asigură condiții de iluminat favorabile pentru munca vizuală când iluminatul natural este insuficient, și de siguranță, pentru desfășurarea anumitor activități la întreruperea accidentală a iluminatului normal (continuarea lucrului, evacuarea încăperilor sau clădirii).

Caracteristici fotometrice ale aparatelor de iluminat

Principalele caracteristici fotometrice ale aparatelori de iluminat sunt: curbele fotometrice, randamentul și unghiul de protecție.

Curba fotometrică

Este reprezentarea grafică, în coordonate polare, a dependenței Iv () a intensității luminoase a aparatului de iluminat în funcție de unghiul de înălțime . Curbele fotometrice reprezintă secțiuni longitudinale prin corpurile fotometrice. În fig. 3.4 se prezintă curbele fotometrice ale unor aparate de iluminat; pentru caracterizarea unui aparat fotometric simetric, corespunzător unui aparat de iluminat, este suficientă o singură curbă fotometrică (a), în timp ce pentru aparate fotometrice nesimetrice care admit două planuri de simetrie perpendiculare folosesc două curbe fotometrice, obținute în planele de simetrie respective (b).

Fig. 3.4 Curbe fotometrice (longitudinale) pentru corpuri de iluminat

a. simetrice

b. nesimetrice (cu tuburi fluorescente)

În mod obișnuit, curbele fotometrice se trasează în ipoteza că fluxul luminos al surselor montate în corpul de iluminat este de 1000 lm; valoarea reală Iv a intensităților luminoase pentru un flux `v l al surselor de lumină din corp, diferit de 1000 lm, se obține cu relația:

Randamentul

Randamentul c al corpului de iluminat, reprezentând raportul dintre fluxul luminos vc al corpului de iluminat și fluxul luminos vl al lămpilor montate în corp, caracterizează corpul de iluminat din punct de vedere economic și depinde de materialele din care este executat sistemul optic al corpului și de construcția acestuia.

Unghi de protecție

Unghiul de protecție δ (într-un anumit plan median) este unghiul dintre orizontală și linia limită sub care poate fi văzută lampa montată în aparat.(fig. 3.5).

Această mărime caracterizează corpul de iluminat din punct de vedere al efectului de orbire pe care îl reprezintă, deoarece vederea directă a izvorului de lumină este împiedicată de apărătoare, când se privește deasupra linie limită.

Fig. 3.5 Explicativă pentru definirea unghiului de protecție a corpurilor de iluminat

a. pentru lămpi cu incandescență

b. pentru tuburi fluorescente.

Aparatele de iluminat având unghiuri de protecție mai mici de 30, nu asigură o protecție suficientă a ochiului față de luminanța sursei de lumină.

Unghiurile de protecție ale corpurilor de iluminat se realizează prin abajururi opace sau din sticlă lăptoasă. În funcție de valoarea acestui unghi, prescripțiile pentru iluminatul artificial normează înălțimea minimă de fixare a corpurilor de iluminat, plecând de la necesitatea de a se limita efectul de orbire.

4. PROBLEME GENERALE PRIVIND INSTALAȚIILE DE

ILUMINAT INTERIOR

Generalități

O instalație de iluminat trebuie să corespundă atât din punct de vedere utilitar, realizând un nivel de iluminare corespunzător scopului și naturii lucrărilor ce se execută în spațiul deservit de instalație, cât și din punct de vedere al esteticii localului și al confortului. Concomitent cu factorii fiziologici ce caracterizează calitatea și eficiența unei instalații de iluminat, trebuie să se țină seama și de factorii psihologici. Pentru aceasta, la proiectarea instalațiilor de iluminat trebuie avute în vedere o serie de elemente cu caracter general, recomandări și reguli de a căror respectare depinde calitatea instalației.

La proiectarea unei instalații de iluminat trebuie avut în vedere particularitățile locului de utilizare, în funcție de care se va alege soluția tehnică. Din acest punct de vedere, urmează să se ia în considerare caracteristicile constructive ale localului, ale terenului și ale vecinătăților lui, caracterul care se desfășoară, condițiile de mediu, probleme de tehnica securității muncii etc., elemente în funcție de care se efectuează calculul iluminării și se dau normative privind nivelele de iluminare pe planul de utilizate.

Planul de utilizare este un plan fictiv sau materializat, pe care se execută de obicei lucrările și pentru care se calculează sau pe care se măsoară iluminările. Când nu se precizează altfel, în cazul iluminatului interior, el se află la deasupra podelei. Instalațiile de iluminat și, deci, iluminatul se pot clasifica în funcție de scopul lor, de natura izvoarelor de lumina, de felul și caracteristicile corpurilor de iluminat, cum și de dispunerea și așezarea lor.

În funcție de destinație, iluminatul se clasifică în:

iluminat interior;

iluminat exterior.

În funcție de natura principalelor izvoare de lumină folosite în practică, distingem:

iluminat utilizând lămpi fluorescente;

iluminat utilizând lămpi incandescente;

iluminat cu lumină mixtă.

În funcție de suprafața iluminată:

iluminat general, care trebuie să realizeze iluminarea aproximativ uniformă a unor spații și la care nu se ține seama de necesitățile speciale a unor porțiuni sau zone determinate din acel spațiu. Instalațiile de iluminat general se caracterizează prin aceea ca, de obicei, sunt prevăzute cu corpuri de iluminat instalate în zona superioară a încăperilor sau pe tavan ( eventual în scafe sau în alte elemente de arhitectură ), situate în centrul încăperii sau uniform distribuite pe suprafața tavanului. Aceste instalații sunt relativ simplu de executat nu par să aibă direcții privilegiate pentru vedere și satisfac necesitățile tuturor locurilor de muncă din încăpere, în conformitate cu nivelul de iluminare prevăzut . Ele se aplică în majoritatea cazurilor, iar uneori se combină cu alte feluri de iluminat, care completează iluminatul general. Datorită caracterului difuz al iluminatului general aceste se aseamănă foarte mult cu iluminatul natural și, din acest motiv creează o ambianta plăcuta, normală.

iluminatul local, care trebuie să realizeze iluminarea unei suprafețe relativ mici, adeseori cu iluminatul general. Iluminatul local este realizat prin montarea unor corpuri de iluminat în apropierea sau deasupra locului de munca, realizându-se local un nivel de iluminare mai ridicat. Iluminatul local se folosește ori de câte ori suprafețele pe care se desfășoară munca sunt mici ( de exemplu : o mașină, un banc de lucru, un birou, o masă de montaj ) și în local nu se desfășoară, în ansamblu alte activități. Iluminatul local are avantajul că realizează economie de energie electrică, neiluminându-se decât suprafețele restrânse și utilizându-se, de obicei izvoarele luminoase de mică putere.

iluminatul combinat, care constă în iluminarea unei suprafețe prin combinatului local cu cel general. El se utilizează când numai în anumite zone ale planului de utilizare sau numai pe anumite suprafețe din încăpere este necesară realizarea unui nivel de iluminare mai mare, în restul spațiului putându-se menține un nivel de iluminare mai mic. Acest procedeu de iluminare este adoptat în toate cazurile în care instalarea în întreg spațiul a unui nivel de iluminare mai mare, fără a fi necesar, ar fi o soluție neeconomică.

iluminatul general localizat, care este o soluție intermediară reprezentând uneori o îmbinare între iluminatul local și iluminatul general. El se realizează prin montarea corpurilor de iluminat general deasupra și în apropierea locurilor de muncă, realizându-se astfel simultan un iluminat general, dar cu iluminarea mai puternică a suprafețelor ce interesează.

În funcție de repartiția fluxului luminos al corpurilor de iluminat utilizate , iluminatul se clasifică în:

iluminat direct, în care cel puțin 90% din fluxul luminos emis de izvor este îndreptat direct spre suprafața de utilizare;

iluminat semi-direct, în care cea mai mare parte ( 60-90%) din fluxul luminos emis de izvor este îndreptat direct spre suprafața de utilizare;

iluminat difuz , în care aproximativ jumătate (40-60%) din fluxul luminos emis de izvor este îndreptat direct spre suprafața de utilizare, iar restul este îndreptat spre diverse suprafețe difuzante ( pereți, tavane ), de pe care este reflectat difuz spre suprafața de utilizare;

iluminat semi-indirect, în care cea mai mare parte (60-90 %) din fluxul luminos emis de izvor este îndreptat spre diverse suprafețe difuzante ( tavan, pereți ), de pe care este reflectat difuz spre suprafața de utilizare;

iluminat indirect, în care peste 90% din fluxul luminos emis de izvor este îndreptat spre tavan și spre diverse suprafețe difuzante ( pereți ), de pe care este reflectat difuz spre suprafața de utilizare.

Din combinarea bine aleasă a diferitelor sisteme de iluminat, corpuri și izvoare de lumină, se obțin efectele necesare, datorită direcției fluxului luminos incident pe suprafața de utilizare. Din acest punct de vedere, iluminatul se clasifică în :

iluminat dirijat, caracterizat prin faptul că lumina, ajungând pe planul de utilizare sau pe un obiect, vine dintr-o direcție principală care favorizează producerea umbrelor și realizarea contrastelor;

iluminat difuz, caracterizat prin faptul că lumina ajungând pe planul de utilizare sau pe un obiect, nu vine dintr-o direcție principală, situație care favorizează reducerea reflexiilor și vederea obiectivelor lucioase.

Pentru ca activitatea de producție sau orice alte lucrări să se poată desfășura în mod normal în condițiile iluminatului artificial, este necesar ca instalațiile de iluminat să corespundă unor condiții privind :

nivelul de iluminare pe suprafața utilă;

strălucirea obiectelor luminoase;

contrastele de strălucire;

uniformitatea iluminării;

culoarea și compoziția spectrală a luminii;

umbrele și perceperea detaliilor.

Datele fundamentale, atât pentru iluminatul interior cât și pentru iluminatul spațiilor de producție deschise, necesare pentru întocmirea proiectelor de instalații de iluminat sunt stabilite în STAS 6646-66. Calitatea instalațiilor de iluminat și satisfacerea condițiilor specificate mai sus sunt asigurate prin respectarea recomandărilor cu caracter normativ.

4.2 Amplasarea aparatelor de iluminat

Este influențată atât de cerințe lumino-tehnice legate de uniformitatea iluminării pe planul de lucru și de distribuția luminanțelor în întreg câmpul vizual, cât și de cerințe estetice, de creare a unei ambianțe corespunzătoare în încăpere. Desigur că este necesar ca aranjamentul aparatelor de iluminat să asigure suprafețelor de lucru cerințele de iluminare și direcționare a luminii. Dacă poziția punctelor de lucru nu este cunoscută sau urmează să fie schimbată ocazional, un sistem de fixare flexibil va permite adaptarea aranjamentului aparatelor de iluminat la o anumită așezare a punctelor de lucru.

Proiectantul de iluminat se poate găsi în două situații: (a) are posibilitatea să aleagă orice soluție de amplasare a aparatelor de iluminat sau (b) proiectul de arhitectură și condiții de structură impun o modalitate particulară de amplasare.

În cazurile în care uniformitatea iluminării este un criteriu de performanță a SI, unele considerente generale de proiectare pot fi luate în considerare. Pentru a obține o uniformitate acceptabilă, aparatele de iluminat trebuie să nu fie prea îndepărtate unele de altele și față de pereți. Distanțele sunt determinate de distribuția intensității luminoase a acestora, poziționarea aparatelor în spațiu și reflectantele suprafețelor încăperii. Principalul parametru pentru aparatele de iluminat (respectiv SI) directe, semi-directe și general difuze este înălțimea de montare deasupra planului de lucru – h; pentru aparatele de iluminat (respectiv SI) semi-indirecte și indirecte, este înălțimea tavanului deasupra planului de lucru – .

Calitatea iluminatului interior

Iluminatul și mediul ambiant

Criteriile principale în proiectarea iluminatului pentru o aplicație dată sunt:

vizibilitatea (funcția vizuală);

satisfacția vizuală (funcția ambientală);

costurile de instalare și funcționare;

integrarea în arhitectura clădirii/spațiului interior;

întreținerea instalației;

eficiența energetică.

Iluminatul trebuie să fie bine dimensionat, astfel încât să creeze o ambianță cât mai placută pentru muncă sau odihnă, asigurând în același timp un consum de energie cât mai rezonabil. Este important ca aspectele vizuale ale unei instalașii de iluminat să nu fie compromise printr-o simplă reducere a energiei consumate având în vedere că în cele mai multe instituții costul iluminatului, chiar dacă este substanțial, nu reprezintă decât o mică parte din costurile totale aferente desfășurării activității umane în spațiul respectiv. Impactul negativ al condițiilor vizuale proase asupra costurilor asociate calității muncii și productivității este de câteva ori mai mare decât cel al iluminatului. Este astfel o eroare să se economisească energia pe seama eficacității umane.

Sarcina vizuală este foarte diferită în raport cu tipul activității desfășurate, de la citirea unei cărți, la asamblarea componentelor electronice. Caracteristicile sarcinii vizuale determină condițiile cerute unui sistem artificial de bună calitate.

Criteriile principale în proiectarea iluminatului pentru o aplicație dată sunt vizibilitatea și satisfacția vizuașă, corelate cu costurile de instalare și funcționare.

Vizibilitatea unei sarcini vizuale este în general determinată prin vizibilitatea celui mai dificil element care trebuie detectat sau recunoscut – detaliu critic. Vizibiliattea unui detaliu depinde de mai multi factori, printre care: dimensiunea unghiulară a detaliului și fondului, luminanța și culoarea detaliului, contractul dintre luminanțele și culorile detaliului și fondului, timpul disponibil pentru observare, forma detaliului, similitudinea în formă și textură între detaliu și alte elemente din imediata vecinătate, poziția detaliului în câmpul vizual. Satisfacția vizuală descrie măsura în care condițiile vizuale reale ale iluminatului sunt acceptate de către utilizatori. Pentru instalații interioare este determinată de ușurința cu care se desfășoară munca și de caracterul plăcut sau agreabil al mediului, atât în momentele în care atenția este concentrată pe sarcina vizuală, cât și în clipele de relaxare. Desigur, satisfacția vizuală este afectată de ambianța luminoasă și de preferințele individuale.

Calitatea iluminatului realizat de o anumită instalație poate fi descrisă prin următorii parametri:

nivelul de iluminare și uniformitatea iluminării;

evitarea sau limitarea orbirii (distribuția luminanței);

culoarea aparentă și redarea culorilor.

Factorii calitativi ai iluminatului au ponderi diferențiate în funcție de destinația și arhitectura unei încăperi.

Accentul poate să cadă pe:

performanța vizuală, prin alegerea corespunzătoare a nivelului de iluminare și limitarea orbirii;

confortul vizual, prin redarea culorilor și distribuția luminanței;

ambianța vizuală, prin selectarea culorii luminii, direcției luminii și modelare.

Niveluri de iluminare

Tab. 4.1

Numeroase investigații au fost desfășurate pentru a determina preferința utilizatorilor privind iluminarea orizontală în spații cu diferite valori ale reflectanțelor suprafețelor înconjurătoare. Satisfacția vizuală optimă se obține al valori de aproximativ 2000 lx, dar nu există un nivel de iluminare la care toți observatorii să fie satisfăcuți. Considerente energetice și de cost au condus spre stabilirea unui domeniu al iluminărilor recomandate pentru activități uzuale între 1000 2000 lx. Percepția satisfăcătoare a trăsăturilor feței umane în spații interioare se obține la o luminanță de 10-20 cd/m2, ceea ce corespunde unei iluminări verticale de cel puțin 100 lx, respectiv orizontale de 200 lx. De aceea, valoarea minimă a iluminării pentru activități desfășurate în încăperi în condiții normale de activitate continuă este de 200 lx, indiferent de cerințele sarcinii vizuale. Limita inferioară a luminanței necesare pentru distingerea trăsăturilor feței umane este de 1 cd/m2. Aceasta echivalează cu o iluminare orizontală de aproximativ 20lx în condiții normale de iluminat, considerată valoare minimă a iluminării pentru spații interioare în care nu se lucrează.

Normativele internaționale stabilesc următoarea scală de valori ale iluminărilor (cu un factor de multiplicare de aproximativ 1,5): 20-30-50-75-100-150-200-300-500-750-1000-1500-2000-… lx.

Uniformitatea iluminării

Distribuția iluminării produsă de instalația de iluminat pe suprafața de referință nu este uniformă în plan, fiind cuprinsă între iluminarea minimă – Emin și iluminarea maximă – Emax. Se definește iluminarea medie – Emed – ca fiind media iluminărilor obținute pe întreaga suprafață de referință. Măsura uniformității iluminării în spațiu este dată de factorul de uniformitate.

(4.1)

Pentru un sistem de iluminat general, valoarea acestui factor de uniformitate pe întregul plan util trebuie să fie mai mare de 0,8. Pentru suprafața de lucru pe care se află sarcina vizuală se utilizează raportul Emin/Emax, care se recomandă să fie mai mare de 0,65. Pentru ca o instalație de iluminat să corespundă cerințelor de uniformitate este necesar să fie îndeplinite și următoarele două condiții:

raportul iluminărilor medii pe întreaga suprafață a planului de lucru și suprafața sarcinii vizuale mai mare de 1/3;

raportul dintre iluminările medii ale unor încăperi învecinate mai mic de 5/1.

Iluminarea medie pe suprafața de referință asigurată de o instalație de iluminat interior nu este uniformă nici în timp. Începând din primul moment al punerii în funcțiune a instalației, iluminarea va scădea continuu, datorită îmbătrânirii lămpilor, a depunerilor de praf și murdărie pe suprafețele lămpilor, corpurilor de iluminat, pereților și tavanului încăperii și a deprecierii calităților reflectante ale suprafețelor încăperii. Un program de întreținere a instalației va asigura o menținere în limite rezonabile a iluminării medii. Uniformitatea în timp a iluminării medii se definește prin:

iluminarea inițială – corespunde momentului punerii în funcțiune a unei instalații noi, sau suprafețele încăperii curate (t = 0);

iluminarea de serviciu – media în timp a iluminării în cursul unui ciclu al programului de mentenanță (acest termen este rezultatul unei duble medieri a iluminării, în plan și în timp);

iluminarea de întreținere – valoarea minimă la care scade iluminarea în momentul efectuării lucrărilor de întreținere programate, de înlocuire a lămpilor defecte sau îmbătrânite și/sau de curățare a corpurilor de iluminat și a suprafețelor încăperii.

Culoarea aparentă

Tab. 4.2

Calitățile colorimetrice ale unei lămpi sunt caracterizate prin două aspecte: culoarea aparentă, care poate fi exprimată prin coordonatele (x, y) din diagrama cromatică CIE 1931 și/sau prin temperatura de culoare; gradul de redare a culorii, efectul luminii asupra aspectului cromatic al obiectelor iluminate; unei anumite culori aparente a sursei de lumină îi pot corespunde diferite compoziții spectrale și fiecare compoziție spectrală determină o anumită culoare aparentă a obiectului iluminat.

Indicele de redare a culorii CIE poate fi utilizat doar cu caracter informativ în aprecierea privind contribuția unor surse de lumină la crearea ambianței unei încăperi. Indicele de redare a culorii pentru o lampă se obține ca o medie aritmetică a indicilor individuali obținuți de la cele 8 mostre de culoare. Astfel, o lampă poate să aibă un indice individual mai mare în roșu, iar alta în albastru și pentru ambele să rezulte un același indice general de redare a culorii.

Performanța vizuală și confortul vizual sunt determinate și de aspectele cromatice ale diferitelor suprafețe din câmpul vizual al observatorului, de schema de culori folosită pentru suprafețele încăperii. Culori deschise sunt eficient energetic, prin valorile ridicate ale coeficienților de reflexie, de 50 – 80%, culorile medii au o reflexivitate scăzută, de 30 – 50%, iar cele închise (negre) – sub 10%.

Suprafețele colorate iluminate devin surse secundare de lumină colorată care vor influența alte culori din încăpere. Suprafețele de culori calde (galben, roșu) sunt mai plăcute privirii dacă sunt iluminate cu o lumină "caldă" (temperatura de culoare sub 3000 K) decât cu lumina "rece" (temperatura de culoare sub 5300 K). Sursele de lumină de culoare "intermediară" (temperatura de culoare de 3300 – 5300 K( sunt cele mai recomandate pentru interioare în care se dorește asigurarea unei ambianțe plăcute, cu o redare normală a culorii obiectelor iluminate. Vizibilitatea poate fi îmbunătățită prin asigurarea unui contrast de culori în zona sarcinii vizuale, în special în cazurile în care contrastele de luminanță sunt scăzute.

Calitatea iluminatului

Principalele criterii de proiectare a unui sistem pentru o aplicație dată sunt vizibilitatea și performanța vizuală. Dar este necesar și util să se abordeze calitatea iluminatului și în contextul productivității umane și al consumului de energie.

O conexiune între îmbunătățirea calității iluminatului și creșterea productivității muncii nu este încă dovedită sub aspect cantitativ. Consumul redus de energie și calitatea iluminatului nu merg automat mână în mână. Adeseori se obține un confort luminos superior cu un consum energetic sporit.

Când se discută despre calitatea iluminatului, ne putem gândi la analiza calității instalației de iluminat, nu doar a sistemului de iluminat. Se poate astfel lărgi sensul noțiunii de "calitate a iluminatului", având în vedere trei aspecte: desigur, primul se referă la parametrii fotometrici bine cunoscuți, care definesc ceea ce în general se numește "calitatea iluminatului"; al doilea poate fi orientat spre parametrii energetici, care caracterizează calitatea instalației electrice; al treilea se referă la parametrii economici, la costurile instalației.

Predeterminarea echipamentului electric

Mărimea fotometrică pe baza căreia se sortează soluțiile în ofertă pentru a obține soluțiile tehnic posibile (STP) este reprezentată de fluxul lămpilor dintr-un corp. Se recurge la metoda factorului de utilizare pentru a calcula această mărime, astfel încât este necesară parcurgerea următoarelor subetape:

determinarea înălțimii de suspendare;

calculul factorilor de utilizare;

amplasarea în plan a corpurilor de iluminat;

calculul fluxului lămpilor dintr-un corp.

Înălțimea de suspendare

Pentru o mai bună adaptare a proiectării la particularitățile soluțiilor, nu se alege o singură valoare pentru înălțimea de suspendare deasupra planului de utilizare, ci se urmărește determinarea unui domeniu de valori posibile pentru această mărime.

Amplasarea pe verticală a corpurilor de iluminat se exprimă analitic în raport cu mărimile geometrice, redate în figura 4.4, care reprezintă o secțiune verticală a încăperii. Mărimile geometrice caracteristice sunt următoarele: H-înălțimea încăperii; hu-înălțimea planului util; hc -lungimea pendulului; hom -înălțimea medie a omului, până la nivelul ochilor; Ho- înălțimea de montare a corpurilor, măsurată de la nivelul ochilor; Hs -înălțimea de montare a corpurilor deasupra pardoselii și h-înălțimea de suspendare, reprezentând distanța corpuri de iluminat – plan util, pe verticală. Valoarea minimă a înălțimii de suspendare se determină din condițiile de limitare a fenomenului de orbire, precizate sub forma corelațiilor admise dintre înălțimea de montare de la nivelul ochilor Ho și dimensiunile încăperii (L1 ,L2 ), din planul orizontal, în funcție de luminanța corpurilor de iluminat.

Fig. 4.4. Secțiune verticală a încăperii.

Pentru corpuri cu luminanțe Lc< 5000 nt, se determină condițiile pentru înălțimea minimă de suspendare hmin sub forma:

(4.3)

(4.4)

Înălțimea de suspendare maximă rezultă din condiția de lungime minimă a pendulului hcmin , reprezentând distanța dintre tavan și centrul optic al corpului de iluminat, atunci când acesta ar fi montat direct pe tavan:

Factorii de utilizare

Cunoscând felul distribuției fluxului luminos pentru fiecare tip de corp selectat, factorii de reflexie ai tavanului și pereților, precum și indicele încăperii, se poate determina factorul de utilizare u, corectat cu valoarea reală a randamentului corpurilor de iluminat . Deoarece randamentul unui corp de iluminat depinde de puterea Pl și numărul nlc al lămpilor dintr-un corp, factorii de utilizare corespunzători unui tip de corp pot fi organizați într-o matrice tridimensională de forma a treia variabilă fiind reprezentată de înălțimea de suspendare h.

Numărul de corpuri

Este cunoscut faptul că amplasarea în plan a corpurilor de iluminat se soluționează pe baza distanței relative dintre două corpuri d*, ale cărei valori maxime recomandate [3,4] ar trebui să fie în concordanță cu condițiile de uniformitate ale iluminării.

Pentru numărul N1 al numărului de corpuri pe o bandă se utilizează dubla inegalitate:

(4.6)

în care d1*M = 0,7 este valoarea maximă recomandată pentru distanța relativă dintre corpurile de iluminat din cadrul aceleiași benzi [ 3] ;

LC – lungimea corpului de iluminat, echipat cu surse liniare ;

kp1 – coeficient ținând seama de distanța la perete a corpurilor de iluminat și utilitatea dată spațiilor de la perete [ 3], cu valori în domeniul (0,25…0,5).

De remarcat că numărul de corpuri pe o bandă este limitat atât inferior, cât și superior.

Numărul de benzi, notat N2 pentru modalitatea de dispunere a benzilor, este însă limitat numai inferior, conform relației:

(4.7)

în care d2*M = 0,6 este valoarea maximă recomandată pentru distanța relativă dintre două benzi învecinate;

kp2 – coeficient similar cu kp1, dar corespunzător distanțelor la perete după dimensiunea L2.

Din punct de vedere economic, este mai bine să se înceapă calculele cu numărul minim de corpuri :

(4.8)

urmând ca incrementarea numărului de corpuri să se facă din aproape în aproape, până la epuizarea tuturor soluțiilor tehnic posibile, limitate de valorile minime ale fluxului lămpilor, pentru fiecare tip de corp de iluminat.

Fluxul lămpilor dintr-un corp

Predeterminarea echipamentului electric corp-lămpi se încheie cu calculul fluxului lămpilor dintr-un corp, mărime deja cunoscută pentru corpurile de iluminat din ofertă (tab.1). Devin soluții tehnic posibile (STP) acele instalații de iluminat, caracterizate prin combinația corp-lămpi, înălțime de suspendare și număr de corpuri, care îndeplinesc dubla inegalitate scrisă în formă condensată, matricială:

(4.9)

în care A=L1L2 este aria încăperii;

EmedM-limita superioară a iluminării medii, stabilită în raport cu valoarea următoare lui

Emed din scara iluminărilor [3];

kMt-factorul de menținere total al instalației de iluminat.

Scrierea matricială a relației de mai sus este convențională, iar indicele (2) arată că se tratează matricile bidimensionale având organizate liniile și coloanele, respectiv după variabilele nlc și Pl. Totodată, aspectul convențional al scrierii matriciale rezidă din faptul că se consideră validate acele soluții care corespund unor valori particulare, deci unor elemente ale matricilor și nu neapărat tuturor elementelor acestora.

Utilizând relația (12) pentru fiecare înălțime de suspendare, iar în cadrul unei înălțimi de suspendare pentru fiecare temperatură de culoare, se selectează toate soluțiile tehnic posibile. Pentru aplicația analizată, acestea sunt în număr de 76, fiind prezentate condensat în tabelul 5 numai cele aferente corpului de iluminat tip TMS 022.

5. Prezentare DIALux

Generalități

Mediul de programare DIALux, este un software dezvoltat de compania Philips pentru calcularea și vizualizarea iluminării interioare și exteriore. Este un mediu flexibil, ușor de utilizat, compatibil cu majoritatea sistemelor de operare, și îmbunătățit tot timpul de producător, să satisfacă cele mai noi cerințe din tehnica proiectării iluminatului.

Programul DIALux folosește librăria grafică OpenGL pentru a crea un spațiu 3D. Acest spațiu 3D se poate personaliza până la cel mai mic detaliu de proiectare, astfel încât simularea iluminării să fie cât mai aproape de realitate. Programul este compatibil cu majoritatea bazelor de date ale companiilor producătoare de corpuri de iluminat, fiecare bază de date fiind individualizat de către producătorul de corpuri de iluminat, și actualizat la apariția a noi corpuri de iluminat.

Un proiect se poate realiza parcurgând următoarele etape:

Se realizează spațiul 2D din care DIALux creează un spațiu 3D în care proiectantul are la dispoziția toate formele geometrice pentru a crea exact încăperea în care se va lucra mai departe.

În etapa a doua se plasează toate elementele din camera, de la uși, geamuri, până la mese, dulapuri, suprafețe de calcul, permite chiar și plasarea unor machete umane, pentru a realiza simularea cât mai reală.

Pentru a fi cât mai aproape de culorile din încăpere, DIALux ne oferă toate culorile folosite și texturi din realitate( de lemn, perete, geam, ușă ). Programul calculează automat toate proprietățile de reflexie și transparență a acestor suprafețe.

Selectarea corpurilor de iluminat se poate realiza în două feluri. Pe de o parte putem să ne folosim de bazele de date instalate pe calculator, sau bazele de date on-line, oferite de producători.

Plasarea corpurilor poate fi de asemenea de mai multe feluri. Corpurile de iluminat se pot plasa individual, pentru a realiza un design nou, cu aspectul dorit de proiectant, sau se pot plasa în diverse grupuri, astfel să satisfacă o iluminare cerută.

Calculul se poate realiza individual pentru fiecare corp sau pe toate corpurile de iluminat. Pot fi de asemenea calculate iluminări cu sau fără texturi și reflexii.

Documentația creată de DIALux poate fi realizat în mai multe variante, proiectantul alegând paginile și detaliile pentru orice aspect al proiectului.

DIALux-ul pe lângă faptul că poate calcula și compara mai multe scene de iluminat, ușurând munca proiectantului, poate prezenta beneficiarului mai multe scene de iluminat, el alegând din aceste scene nu numai pe baza datelor, ci și pe baza aspectului oferit.

Programul DIALux face parte din noua generația de programe de calcul ilumino-tehnic, care pe lângă faptul că oferă suportul tehnic pentru inginer, realizează mediul pentru ca proiectul de iluminat să nu fie doar un memoriu tehnic, ci și o oglindă a artei iluminatului.

Dintre performanțele DIALux-ului putem menționa:

Interfață prietenoasa si ușor de folosit;

Flexibilitate în vederea realizării spațiilor 3D complexe, cu forme ne-geometrice;

Poate integra majoritatea bazelor de date oferite de producători de corpuri de iluminat;

Posibilitate de a plasa corpurile de iluminat în orice poziție dorită;

Multiple unelte de iluminat și unelte de creat a detaliilor încăperii (mese, scaune, dulapuri, flori, obiecte arhitecturale pre-definite);

Posibilitate de pre-analiză a distribuției luminii corpurilor de iluminat;

Posibilitatea de vizualizare a luminii naturale și a umbrelor create de acesta;

Creare de memoriu tehnic detaliat.