Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng - Chương 2: Chiếu sáng tự nhiên

Chương 2: Chiếu sáng tự nhiên Chiếu sáng tự nhiên  KN?  Vai trò?  Đặc điểm? CS bằng AS mặt trời qua cửa lấy AS bố trí ở các KC bao che bên ngoài. ASNT có thể tạo được AS đẹp và ổn định, nhưng vẫn cần phải có ASTN, vì: - Có tính năng sinh lý cao. - Tạo được cảm nhận thật về màu sắc của vật quan sát. - Tiết kiệm năng lượng. Thay đổi theo thời gian trong ngày, theo mùa, theo thời tiết. TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DO CSTN Cơ cấu sử dụng năng lượng của ba thể loại công trình Chung cư – Thương mại – Văn phòng tại Hà Nội năm 2013 Thay đổi theo thời gian trong ngày Theo thời tiết Solar geometry works for us because the sun is naturally HIGH in the summer, making it easy to block the sun with shading devices. And it is naturally LOW in Winter, allowing the sun to penetrate below our shading devices and enter the building - with FREE heat. Theo mùa MÙA HÈ MÙA ĐÔNG Nội dung 2.1 Nguồn sáng tự nhiên 2.1.1 KN 2.1.2 Biểu đồ quang khí hậu = Khí hậu as 2.2 PP thành lập tiêu chuẩn CSTN 2.2.1 PP gián tiếp (PP hình học) 2.2.2 PP trực tiếp (PP KTCS) 2.3 Trình tự thiết kế 2.4 CSTN cho 1 số công trình công cộng và nhà ở 2.1 Nguồn sáng TN 2.1.1 KN: -Nguồn gốc đầu tiên của ASTN: mặt trời ➢ Quả cầu lửa RMT~700.000km ➢ RTĐ~6.400km ➢ Kc trung bình từ MT đến TĐ: 150 triệu km ➢ Sự phân bố NL của quang phổ bức xạ MT: 52% (40%?) BX khả kiến, 43% BX hồng ngoại, 5% BX tử ngoại 2.1.1 KN (tt): -ASMT tới mặt đất gồm 3 thành phần: ➢ Bức xạ trực tiếp (Ett) ➢ Bức xạ khuếch tán (Ekt) ➢ Bức xạ phản xạ (Epx) Eng = Ett + Ekt + Epx -Trong tính toán CSTN: Eng = Ekt MAËT TRÔØI MAËT ÑAÁT KHÍ QUYEÅN EttE kt Đã học trong chương 1: Mọi vật thể ở nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối sẽ không ngừng BX năng lượng vào KG xung quanh dưới dạng các BX điện từ. Reflective glazing Types of Radiation 2.1.1 KN (tt): -Cần phải quy định độ rọi tối thiểu trong phòng do các cửa lấy AS mang vào. -Hệ số độ rọi ASTN (ĐRASTN): ASTN tại 1 điểm bất kỳ trong phòng được đặc trưng bằng hệ số ĐRASTN Hệ số độ rọi ASTN 2.1 Nguồn sáng TN 2.1.2 Biểu đồ quang khí hậu = Khí hậu AS -Tổng hợp toàn bộ các số liệu đặc trưng cho tình hình ASTN tại địa phương nào đó trong thời gian quan trắc trên 10 năm (độ rọi, lượng ASTN trên mp nằm ngang và đứng ở các hướng khác nhau, AS trực tiếp của MT, tỷ lệ nắng và số giờ nắng của địa phương, AS phản xạ từ MĐ, cây cối và các công trình khác,). -Trạng thái tổng hợp tạo nên hoàn cảnh ASTN của địa phương nào đó → đặc điểm AS của 1 địa phương. -Yếu tố quan trọng nhất của quang khí hậu: độ rọi của AS khuếch tán ngoài nhà (phụ thuộc vào). 2.1 Nguồn sáng TN 2.1.2 Biểu đồ quang khí hậu = Khí hậu AS (tt) -Cách lập biểu đồ đường cong độ rọi trung bình ngoài nhà cho mỗi địa phương. -Biểu đồ quang khí hậu là thông tin quan trọng để thiết kế hệ thống CSTN → hệ số hiệu chỉnh quang khí hậu. -VN chưa có số liệu quang khí hậu cho từng địa phương → hệ số kinh nghiệm (cần nghiên cứu thêm trên cơ sở tổng kết nhiều số liệu quan trắc trong nhiều năm). 2.1.2 Biểu đồ quang khí hậu = Khí hậu AS (tt) TCVN: Eng.gh=5.000lux (độ rọi giới hạn ngoài nhà- độ rọi ngoài nhà mà lúc đó trong nhà phải mở đèn)→ Xđ được thời gian CSTN và NT cần thiết. 2.2 PP thành lập tiêu chuẩn CSTN 2.2 PP thành lập tiêu chuẩn CSTN 2.2.1 PP gián tiếp (PP hình học) -Theo kinh nghiệm, quy định hệ số diện tích cửa = dt cửa/dt tường -Ưu nhược điểm -Áp dụng: ❖ Sử dụng phương án kiến trúc và KC truyền thống ❖ Không có yêu cầu về sự phân bố AS trên bề mặt làm việc hoặc vùng nào đó trong phòng ❖ Không có hạn chế về độ nhìn tốt/xấu với vật quan sát 2.2 PP thành lập tiêu chuẩn CSTN 2.2.2 PP trực tiếp (PP KTCS) -Quy định hệ số ĐRASTN trong phòng tương ứng với hệ thống CS được chọn, căn cứ theo độ rọi yêu cầu trên mặt làm việc. -Ưu điểm 2.3 Trình tự thiết kế (Tính toán CSTN) Khi thiết kế CSTN cho nhà ở và nhà công cộng, cần tiến hành tính toán và xđ hệ số ĐRASTN trong phòng: ❖TH các phòng có hệ số ĐRASTN tiêu chuẩn < 0.5%: không phải tính toán CSTN. Chỉ cần xđ tỷ lệ diện tích cửa lấy AS bằng 1/6-1/8 diện tích sàn là đảm bảo AS cho mọi sinh hoạt trong phòng. ❖ TH các phòng có hệ số ĐRASTN tiêu chuẩn > 0.5%: ❑ Chọn vị trí và loại cửa theo đặc tính CS của từng loại cửa. ❑ Xác định kích thước của cửa AS. ❑ Kiểm tra hệ số ĐRASTN tại các MC đặc trưng và các điểm quan trọng trong phòng. 2.3 Trình tự thiết kế (Tính toán CSTN) MC đặc trưng của phòng @ MC đứng qua điểm giữa của phòng vuông góc với mặt lắp kính của cửa lấy AS (CS bên) hoặc qua trục dọc của phòng (CS trên). @ MC đặc trưng cần phải cắt qua vị trí có đặt nhiều thiết bị nhất hoặc qua các điểm trên bề mặt lv đặt cách cửa lấy AS một khoảng xa nhất. TCXD 29-1991: CSTN trong công trình dân dụng ➢CSTN trong nhà ở và nhà công cộng được chia ra:  CS bên (qua cửa lấy AS bố trí ở tường ngoài: dt cửa <50% dt tường)  CS trên (qua cửa mái và các cửa được bố trí ở tường tại các vị trí chênh lệch độ cao của ngôi nhà: dt cửa <5% dt mái)  CS hỗn hợp ➢Đảm bảo sự làm việc, hoạt động bình thường của người và các phương tiện vc. Chiếu sáng trên  Cửa trời (skylight) Chiếu sáng trên (tt)  Ống lấy as (light pipe) Diffuser of the Lightpipe system used in the David Suzuki Public School, Canada (Photo courtesy: Greater Essex County District School Board) Chiếu sáng trên (tt)  Cửa mái răng cưa Chiếu sáng trên (tt)  Cửa trên cao Chiếu sáng bên  Cửa sổ bên Chiếu sáng bên (tt)  Cửa sổ bên kết hợp giá lấy as 1) Loại cửa: a. Cöûa beân: - Öu : + Giaù thaønh reû, khoâng haïn cheá soá taàng nhaø. + Caáu taïo, quaûn lyù vaø söû duïng ñôn giaûn. + AS laáy vaøo coù tính ñònh höôùng maïnh. - Khuyeát : + AS laáy vaøo phaân boá khoâng ñeàu + Haïn cheá chieàu saâu laáy saùng → Haïn cheá chieàu roäng nhaø b. Cöûa maùi: + B¶o ®¶m cưêng ®é, chÊt lưîng, phư¬ng tíi cña ¸nh s¸ng lÊy vµo phßng, phï hîp víi ®Æc ®iÓm thao t¸c t¹i mäi vÞ trÝ trªn mÆt lµm viÖc. + DiÖn tÝch cöa trªn qu¸ lín, lµm tăng gi¸ thµnh XD, tăng chÝ phÝ b¶o qu¶n sau nµy. ➢Windows should be high on the wall, widely distributed and of an optimum area to achieve adequate daylighting. Figure 4: show Light and shadow distribution produced by different windows positions, directions and sizes in a room. Figure 3 ➢Horizontal rooflights admit more daylight per square metre of glazed area than do vertical windows, a horizontal rooflight is proportionately three times more effective as a source of daylight than a vertical window. Roof Lighting: Skylights: ➢ Skylights are domed, horizontal or slightly sloping glazed openings in the roof. ➢ Roof light areas should be limited to a maximum of 12% of the floor area to reduce excessive heat losses and gains. Monitor Lighting ➢Monitor lighting can be used to reduce glare, heat gains, and protect internal spaces from direct sunlight, by providing an opaque roof and overhang above the glazing. A simple roof overhang acts as a shading device. Saw Tooth Lighting ➢ Heat gains can be reduced by tilting roof lights towards the North in order to utilise diffuse north lighting. Clerestory Windows ➢ Usually situated at a high level (near the ceiling of the room) - always above eye level. ➢ Provide an effective source of natural light and ventilation whilst reducing glare. ÑÖÔØNG CONG PHAÂN BOÁ AÙNH SAÙNG CÖÛA MAÙI (M: ÑIEÅM NHÌN CÖÛA MAÙI VÔÙI GOÙC KHOÁI LÔÙN NHAÁT) M MLV 2) Hệ thống cửa: SÖÏ KHAÙC BIEÄT VEÀ ÑÖÔØNG CONG PHAÂN BOÁ AS GIÖÕA CUÛA BEÂN VAØ CÖÛA BEÂN CAO CÖÛA BEÂN CAO CÖÛA BEÂN MLV + Heä thoáng cöûa beân + Heä thoáng cöûa treân + Heä thoáng cöûa hoãn hôïp: cöûa beân + cöûa treân. Cöûa beân ôû treân cao Cöûa maùi ÑÖÔØNG CONG PHAÂN BOÁ AÙNH SAÙNG CÖÛA MAÙI ph e M tre MLV th e 3) Vị trí cửa: Cöûa treân cao coù nhieàu öu ñieåm: + Laáy AS vaøo nhieàu hôn cöûa beân. + Khaû naêng dieät khuaån cao (AS laáy vaøo chöùa nhieàu böùc xaï töû ngoaïi). + Phaân caùch quan heä khoâng gian trong - ngoaøi. TCXD 29-1991: CSTN trong công trình dân dụng  Hệ số ĐRASTN trên mặt làm việc không được nhỏ hơn quy định (theo kích thước vật cần phân biệt, tính chất thời gian của công việc và chức năng sử dụng của phòng). ❖Hệ số ĐRASTN-tỉ số giữa độ rọi của ASTN tại một điểm nào đó trên bề mặt làm việc trong phòng và độ rọi ASTN cùng lúc đó, trên mp nằm ngang ngoài nhà dưới bầu trời không bị che khuất. TCXD 29-1991: CSTN trong công trình dân dụng  Khi thiết kế, phải tính đến hệ số dự trữ  tính đến sự giảm hệ số ĐRASTN trong quá trình sử dụng hệ thống CSTN do:  cửa lấy AS bị bụi bẩn  giảm tính chất phản xạ của các bề mặt trong phòng. 2.4 CSTN cho công trình công cộng và nhà ở Có thể tạo được AS đẹp và ổn định, nhưng vẫn cần phải có ASTN, vì: - Có tính năng sinh lý cao. - Tạo được cảm nhận thật về màu sắc của vật quan sát.  Phòng trưng bày, triển lãm Guests can marvel at the “rain of light” interiors. Designed by architect Jean Nouvel, the 180 metre dome capping the space has been designed in such a way as to control the light and temperature inside and features geometric designs that will allow light to move across the space.  Phòng trưng bày, triển lãm - Mỗi loại triễn lãm có yêu cầu CS riêng. - Phải căn cứ vào đặc điểm của vật trưng bày, cách bố trí, kích thước, màu sắc và cách xử lý bề mặt của vật phẩm, ❑ Vật phẩm phẳng ❑ Vật phẩm KG ❑ Vật phẩm động, máy móc, - Hệ thống thường cửa sd trong phòng trưng bày vật phẩm: cửa mái và cửa bên cao. - Tránh các hiện tượng phản quang gây chói mắt.  Định hướng không gian, thời gian  Trần răng cưa định hướng sáng (cửa sổ trần chạy dọc hứớng Đông Tây để lấy as hướng Bắc Nam)  CSTN+CSNT 2.4 CSTN cho công trình công cộng và nhà ở  Phòng tập thể dục (nhà thi đấu)  Phòng tập thể dục (nhà thi đấu) Nghiên cứu kỹ số lượng và chất lượng ASTN kết hợp với CSNT. - Độ rọi trên sân cao hơn khu vực ngồi xem. - Không cảm nhận sự biến đổi hoàn cảnh và đk AS. - Quá trình chuyển từ CSTN sang CSNT đảm bảo liên tục. - Chọn đèn: quang phổ gần giống ASTN. - Tránh hiện tượng gây chói mắt cho người xem và vận động viên. 2.4 CSTN cho công trình công cộng và nhà ở  Bệnh viện  Bệnh viện - Thoả mãn 2 yêu cầu: ❖ Điều kiện an dưỡng cho bệnh nhân ❖ Điều kiện làm việc của bác sĩ và nhân viên phục vụ - Phòng CS chất lượng cao: nên dùng CSNT - Phòng bệnh nhân: AS dịu, đảm bảo số giờ chiếu nắng vào phòng (phụ thuộc hướng cửa lấy AS). 2.4 CSTN cho công trình công cộng và nhà ở  Trường học Typical classroom in the David Suzuki Public School equipped with high clerestory windows and interior lightshelves, Canada (Photo courtesy: Greater Essex County District School Board) Skylight system at the Newberg Center, Canada (Photo courtesy: Stephen Miller) Large skylights used in the lecture rooms of the Newberg Center, Canada (Photo courtesy: Stephen Miller)  Trường học Tạo hoàn cảnh AS có độ nhìn tốt nhất cho học sinh: - Màu của bàn ghế: màu nhạt - Độ chói của mặt bảng đen, các bảng biểu giảng dạy và mặt tường. - Có giải pháp hạn chế khả năng tăng cường AS lấy vào phòng khi có nhiều trực xạ MT (vừa có td giảm chói và giảm độ nóng). - Tránh hiện tượng phản xạ mặt gương từ các cửa và các nguồn sáng nhân tạo. - Hướng đặt cửa lấy AS. - PA CSTN và CSNT  KH từ lâu đã khẳng định: 90% thông tin con người nhận được từ thế giới bên ngoài là thông qua cơ quan thị giác.  Sự suy giảm thi lực cũng như các bệnh về khúc xạ mắt do nhiều nguyên nhân gây nên (yếu tố di truyền, dinh dưỡng, vệ sinh,), trong đó nguyên nhân cần chú ý trước tiên là AS trong lớp học và chỗ học tập tại nhà.  Các chức năng thị giác ở học sinh trở nên tốt hơn: >250 lux  Mức chiếu sáng tự nhiên tối đa là 2000 lux. (Mức độ chiếu sáng tự nhiên cao hơn sẽ ảnh hưởng không tốt tới chức năng thị giác và khả năng làm việc của con người).  Hướng của các cửa sổ lấy as chính có ý nghĩa quyết định đến chất lượng CSTN trong phòng học:  Hướng Nam: có ánh sáng tốt nhất. (Nếu lấy quang thông vào phòng học hướng Nam là 100%, thì tại các lớp học hướng đông chỉ được 71,4 - 96%, hướngTây 71.4 - 78%, hướng Bắc 55.5 - 61.4%).  Ưu điểm: mọi mùa trong năm độ rọi đều có trị số cao, ít phải sử dụng CSNT, về mùa đông phòng học ấm áp hơn do mặt trời nung nóng tường ngoài.  Nhược điểm: mùa hè as chói chang, nhưng có thể khắc phục được dễ dàng bằng các ô văng cửa sổ. 2.4 CSTN cho công trình công cộng và nhà ở  Nhà ở  Nhà ở - Thoả mãn 2 yêu cầu: ➢ Điều kiện vệ sinh ➢ Đủ AS sinh hoạt, làm việc - Ảnh hưởng của công trình đối diện che chắn - Phòng ở càng cao - Chiều cao phòng, chiều cao đặt cửa và chiều sâu lấy AS; tỷ lệ giữa chiều dày và chiều cao khối kiến trúc nhà ở Controls for Thermal Comfort Controls for Visual Comfort Tr¸nh n¾ng chiÕu vµo phßng: thưêng ®Æt theo hưíng b¾c nam; Cửa cs ®Æt vÒ hưíng b¾c, cöa th«ng giã më réng vÒ hưíng nam lµ dÔ ®¹t ®ưîc c¸c yªu cÇu vÒ cs còng như th«ng giã tho¸t nhiÖt, gãp phÇn t¹o ra chÕ ®é vi khÝ hËu trong phßng tèt. CỬa cs cïng l¾m lµ quay vÒ hưíng nam, tuyÖt ®èi tr¸nh hưíng ®«ng t©y. Trong TH b¾t buéc chØ cã thÓ ®Æt nhµ theo hưíng ®«ng t©y: bè trÝ cöa trêi theo hưíng b¾c lµ tèt nhÊt. B¾c B¾c a ) b )a) MÉu cöa chiÕu s¸ng tèt. b) ChiÕu s¸ng tèt, th«ng giã tèt extend device for full shading The above two use louvres or grates that will let snow, rain and wind through. This one uses ceramic fritted glass that is sloped, to allow some light but shed rain and wet snow. Shading Strategies for East and West Orientations 1. The best solution by far is to limit using east and especially west windows (as much as possible in hot climates) 2. Next best solution is to have windows on the east and west façades face north or south Shading Strategies for East and West Elevations 3. Use Vertical Fins. Spacing is an issue, as well as fin length. Must be understood that if to be effective, they will severely restrict the view. Shading Strategies for East and West Elevations The sun also hits the façade from the north east and north west during the summer. Fins can be used to control this oblique light as well. It is a function of the latitude, window size and fin depth/frequency. Shading Strategies for the North Elevation Khi chiều sâu phòng lớn?  Khi chiều dài hay chiều sâu của phòng lớn: ta phải đưa AS vào sâu trong phòng.  Điều quan trọng là AS được phân bố đồng đều (tốt). Nếu trong phòng có chỗ quá sáng và có chỗ lại quá tối (AS phân bố không đều) , nó có thể gây ra chói mắt.  Có thể đưa AS sâu vào trong phòng bằng các cách sau: ❖Giá AS, các mặt phản chiếu (a) ❖Cửa sổ cao (a) ❖Giếng trời hay cửa mái (b) (a) (b) Cửa sổ mái có 3 loại cơ bản: hình ống, cố định, và thông gió. 1. Cửa sổ mái hình ống Đây là dạng tương đối mới. Nó có hình tròn và có thể điều chỉnh ống phản chiếu tích hợp vào thiết kế cùng với bộ khuếch tán một cách hiệu quả, đảm bảo phản chiếu ánh sáng tối ưu. Loại cửa sổ mái này có đường kính 10 – 14cm, thích hợp sử dụng cho những căn phòng nhỏ, hay hành lang. 2. Loại cố định Cửa sổ mái cố định không thể mở hoặc di chuyển, mục đích duy nhất là cho ánh sáng vào phòng. Loại này thường có hình dạng phổ biến là hình vuông và hình chữ nhật. Cửa sổ mái cố định chỉ thích hợp dùng cho gác xép và cầu thang – những nơi luôn cần ánh sáng. 3. Cửa sổ trần thông gió Với cửa sổ trần thông gió, nó có thể mở để mang không khí trong lành vào phòng. Loại cửa sổ này thường được sử dụng trong bếp, phòng tắm hơi. Cửa sổ trần thông gió được điều khiển bằng tay quay, điều khiển từ xa hoặc hệ điều hành tự động bởi bộ cảm biến nhiệt Advantages of daylighting The utilisation of daylight in buildings has a number of advantages, namely: It can make a significant contribution to energy efficiency. It has a variability and subtlety which is more pleasing than the relatively monotonous environment produced by artificial lighting. It helps to create optimum working conditions by bringing out the natural contrast and colour of objects. Windows and skylights give occupants contact with the outside world. The presence of natural light can bring a sense of well-being and awareness of the wider environment. It is also claimed that exposure to natural light can have a beneficial effect on human health. However, due to its uncertainty and variability, daylighting cannot provide adequate illumination of the internal environment all of the time. Therefore, artificial lighting systems must always be incorporated into buildings in order to supplement daylighting when this is required. Controlling daylight A range of methods are available to control the amount of daylight that penetrates into the building. Fixed external – Permanently obstructs skylight and is maintenance free, but is architecturally dominating. Variable external – Allows the maximisation of skylight but can suffer from maintenance problems. Variable internal – Absorbs solar radiation and acts as a secondary heat source within the building. Effective for visual comfort. Various methods of controlling daylight In addition, further control can be provided by the choice of glazing type. Glare from daylight Glare from daylight can be reduced by: Using solar control devices - such as external screens and louvres, glass of low transmittance, or internal blinds and curtains Other methods of decreasing the contrast between the interior and the view of the sky - such as ensuring that the window wall is light coloured. Innovative daylighting technologies Light shelves These can be used to redirect sunlight and skylight deep into a space. Both interior and exterior light shelves are available. Exterior shelves can also function as a shading device. The performance of light shelves depends upon the proportion of the shelf which is situated inside or outside the space. They can also be used to control sunlight and reduce glare. External light shelf No light shelf Internal light shelf Without light shelf With light shelf Kết cấu che nắng dạng thanh nằm ngang (Nguồn: Nguyễn Quang Minh, 2013) Kết cấu che nắng bằng hợp kim nhôm (Nguồn: www.unicelarchitectural.com) KC chắn nắng có khả năng đóng mở linh hoạt và có tính thẩm mỹ – tạo hình cao Mặt đứng khu học xá Kolding (Đan Mạch) (Nguồn: www.henninglarsen.com) KC chắn nắng có khả năng đóng mở linh hoạt và có tính thẩm mỹ – tạo hình cao (TT) Mặt đứng tòa tháp Al-Bahar (UAE) (Nguồn: www. Urbangreencouncil.org)