Hệ số vùng (ZF), là một khái niệm trong tính toán chiếu sáng, dùng để định lượng góc rắn chiếm bởi một vùng cụ thể trên mặt cầu ánh sáng. Mỗi hệ số vùng đại diện cho phần góc rắn mà ánh sáng từ một nguồn phát ra và chiếu tới, qua đó tính toán được sự phân bố cường độ ánh sáng trong không gian xung quanh nguồn sáng.
Việc tính toán hệ số vùng giúp đảm bảo cường độ ánh sáng được phân bố đều và hiệu quả trong môi trường mục tiêu, từ đó tối ưu hóa hiệu quả sử dụng ánh sáng và nâng cao chất lượng chiếu sáng tổng thể. Công thức tính hệ số vùng như sau:
Trong đó γ1, γ2 là các góc đứng liền kề được tính bằng độ.
Khi chọn khoảng góc cho hệ số vùng, quyết định này phụ thuộc vào loại phân bố cường độ ánh sáng mà chúng ta cần tính toán. Phân bố cường độ ánh sáng thay đổi nhanh trong mặt phẳng dọc, chúng ta sẽ cần sử dụng các vùng có khoảng góc nhỏ, khoảng 2 độ, để có độ chính xác cao hơn.
Trong trường hợp các phân bố khác, các vùng rộng hơn, khoảng 5 độ hoặc 10 độ, cũng có thể được sử dụng mà vẫn đảm bảo độ chính xác tương tự. Để dễ dàng tích hợp thông tin kỹ thuật từ nhà sản xuất, thường bao gồm các góc phổ biến, bảng dưới đây cung cấp sẵn các hệ số vùng. Nhờ vậy, việc tính toán quang thông trở nên thuận tiện và nhanh chóng.
Tính toán quang thông bằng hệ số vùng
Trong thiết kế chiếu sáng, việc tính toán quang thông chính xác là rất quan trọng. Quang thông, đo bằng lumens, biểu thị tổng lượng ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng. Có nhiều phương pháp tính toán quang thông cho một nguồn sáng hay khu vực tuy nhiên có một công cụ hữu ích và đơn giản trong quá trình này là sử dụng hệ số vùng.
Hệ số vùng, tương ứng với các góc rắn nhất định, cho phép chúng ta mô hình hóa phân bố ánh sáng một cách hiệu quả, bằng cách nhân cường độ ánh sáng tại mỗi vùng với hệ số vùng của nó. Điều này giúp xác định tổng quang thông của đèn.
Xác định Cường Độ Ánh Sáng: Để tính toán quang thông chính xác từ một nguồn sáng, bước đầu tiên là xác định cường độ ánh sáng Iγ tại mỗi vùng, biểu diễn bằng candelas. Cường độ ánh sáng này là lượng ánh sáng mà nguồn phát ra theo một hướng cụ thể. Thông thường, bạn có thể lấy các thông số cường độ ánh sáng trực tiếp từ nhà sản xuất, thông qua thông số kỹ thuật của sản phẩm hoặc bảng dữ liệu kỹ thuật.
Những thông tin này cung cấp chi tiết về phân bố ánh sáng của nguồn sáng dưới dạng đồ thị hoặc bảng, từ đó bạn có thể xác định các giá trị cường độ ánh sáng tại các góc độ khác nhau xung quanh nguồn sáng. Đây là dữ liệu quan trọng để đảm bảo rằng các tính toán quang thông phản ánh chính xác khả năng phát sáng của thiết bị.
Chọn Hệ Số Vùng Phù Hợp: Việc lựa chọn hệ số vùng phù hợp cho từng khoảng góc mà bạn đã xác định cường độ ánh sáng là một bước quan trọng trong tính toán quang thông. Bảng hệ số vùng cung cấp thông tin về góc rắn cho mỗi phân vùng, thường được phân loại theo khoảng góc như 2°, 5°, hoặc 10°. Sự lựa chọn này phụ thuộc vào độ phức tạp của mô hình ánh sáng và yêu cầu chính xác cho dự án chiếu sáng.
Với một phân bố ánh sáng đổi thay nhanh chóng hoặc phức tạp, sử dụng các khoảng góc nhỏ hơn, như 2°, sẽ giúp bạn đạt được độ chính xác cao hơn trong việc mô hình hóa. Ngược lại, trong trường hợp phân bố ánh sáng đều và ít biến động, các khoảng góc lớn hơn như 5° hoặc 10° có thể là đủ, giúp đơn giản hóa tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết. Việc lựa chọn đúng không chỉ cải thiện hiệu quả tính toán mà còn đảm bảo rằng ánh sáng được phân phối đúng cách trong không gian mục tiêu.
Lưu ý: Cường độ ánh sáng từ một nguồn sáng được đo ở nhiều mặt phẳng (C) khác nhau chúng ta phải tính toán giá trị trung bình (Average intensity) cho các mặt phẳng này, cần lưu ý sử dụng phương pháp trung bình có trọng số nếu dữ liệu đo được lặp lại về phân phối. Điều này đặc biệt quan trọng trong trường hợp các đọc giá trị tại các góc nhất định bị trùng lặp ở các góc khác do tính đối xứng của thiết kế hoặc cấu trúc phát sáng.
Tính toán Quang thông: Quang thông đo bằng lumens, thể hiện tổng lượng ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng. Để tính toán quang thông, ta sử dụng hệ số vùng, đại diện cho góc rắn mà ánh sáng chiếu vào. Công thức tính là:
Quang thông = ∑Iγ x ZF
trong đó:
Iγ: là cường độ ánh sáng ở mỗi vùng (candela)
ZF: Hệ số vùng ( xem bảng hệ số vùng)
CÁC HỆ SỐ DLOR, ULOR và LOR
Các hệ số DLOR, ULOR và LOR là những thuật ngữ quan trọng trong chiếu sáng, đặc biệt là khi đánh giá hiệu quả của các thiết bị chiếu sáng. Thực tế, tỷ lệ quang thông là một con số cho thấy bao nhiêu ánh sáng bị mất bên trong bộ đèn.
Với một bóng đèn trần, ngoại trừ phần ‘đầu đèn’, ánh sáng phát ra mọi hướng. Đặt nó bên trong một chụp đèn hay bộ đèn phản xạ công nghệ cao, ánh sáng vẫn bị mất.
Đèn thường có LOR rất lớn bạn cần lưu ý đều này. Đó là vì nhà sản xuất đã khéo léo với định nghĩa của ‘bóng đèn’ và phân loại nó là phần lớn của bộ đèn. Thực tế, rất khó áp dụng thuật ngữ ‘LOR’ cho các bộ đèn LED vì nguồn sáng và bộ đèn liên kết chặt chẽ với nhau. Thuật ngữ này có ý nghĩa hơn với các bộ đèn có thể thay thế được, nơi các module LED có thể thay thế nhỏ gọn. Thông thường thì LOR của đèn nằm ở khoảng 40 đến 70% tùy thuộc vào vật liệu truyền sáng và phản xạ.
DLOR (Downward Light Output Ratio – Tỉ lệ Phát sáng Hướng xuống):
DLOR đo lường tỷ lệ phần trăm của lượng ánh sáng phát ra từ một bộ đèn hướng xuống dưới. Đây là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả chiếu sáng của đèn trong việc chiếu sáng các khu vực như sàn, bàn làm việc, hoặc mặt đất.
Trong đó:
τ2: hệ số truyền dẫn ánh sáng từđược lấy từ bảng có giá trị 0 – 1.
F2: Quang thông chiếu xuống sàn
FL: Quang thông của đèn
ULOR (Upward Light Output Ratio – Tỉ lệ Phát sáng Hướng lên):
ULOR đo lường tỷ lệ phần trăm của tổng lượng ánh sáng phát ra từ một thiết bị chiếu sáng mà hướng lên trên. Chỉ số này quan trọng trong việc đánh giá sự phân phối ánh sáng trong các ứng dụng như chiếu sáng tổng thể hoặc chiếu sáng trang trí. Ánh sáng hướng lên có thể được sử dụng để chiếu sáng trần nhà hoặc tạo hiệu ứng phản xạ ánh sáng, giúp giảm bóng tối và tăng cường độ sáng chung của một không gian. Thông thường phần ánh sáng hướng lên cực kì nhỏ và xem bằng 0.
VÍ DỤ
Dựa vào thông tin về thông số kỹ thuật đèn hãy xác định các hệ số nhân vùng, hệ số DLOR.
Xác định cường độ sáng dựa vào thông tin đèn được nhà sản xuất cung cấp và sau đó xác định giá trị cường độ sáng trung bình.
Thông tin hình ảnh ta có được tổng cộng 16 mặt phẳng (C) từ 0 độ đến 338 độ có chứa các giá trị cường độ sáng tại các góc đứng, để tính giá trị cường độ sáng trung bình chia tất cả các giá trị cường độ sáng tại các góc đứng (ϒ) cho 16 mặt phẳng (C)
Iav = 995 x 995x 995…995/16 = 995cd/1000Lm
Các giá trị trung bình của cường độ sáng được tính toán trong cột 3 của bảng tổng hợp.
Để xác định quang thông cho từng vùng cụ thể, chúng ta cần xác định hệ số vùng của đèn. Việc này được thực hiện bằng cách sử dụng các góc đứng mà nhà sản xuất đã cung cấp trong thông tin kỹ thuật của đèn. Trong trường hợp này, để tính toán một cách nhanh chóng và tiện lợi, chúng ta chọn lấy mức 10° thay vì 5°. Bạn có thể tham khảo các hệ số vùng tại các góc đứng trong bảng hệ số vùng hoặc sử dụng công thức đã được đề cập để tính toán chúng.
Áp dụng công thức tính hệ số vùng và các góc có sẵn ta có:
Hệ số vùng đầu tiên tại 5° ϒ2 = 5°, ϒ1 = 0° ZF = 0.02
Hệ số vùng đầu tiên tại 5° ϒ2 = 15°, ϒ1 = 5° ZF = 0.2
Hệ số vùng đầu tiên tại 5° ϒ2 = 25°, ϒ1 = 15° ZF = 0.4
Kết quả bảng hệ số nhân vùng được tính toán tại cột 4 của bảng tổng hợp
Sau khi có các giá trị cường độ sáng trung bình và hệ số nhân vùng, chúng ta thực hiện tính toán quang thông tại các góc cụ thể qua công thức
Φ = Iav x ZF
Φ5° = 1001.8 x 0.1 = 95.63Lm
Φ15° = 1063.06 x 0.28 = 301.34Lm
Kết quả quang thông theo hệ số nhân vùng được tính toán chi tiết trong cột 5 của bảng tổng hợp. Đối với các góc hướng xuống từ 0 đến 90 độ ta được hệ số DLOR. Trong trường ví dụ này nhà sản xuất cung cấp quang thông cho đèn là 4310Lm, hệ số truyền dẫn là 0.4 như vậy để xác định phần trăm DLOR ta thực hiện như sau.
DLOR = (4206.21/4310)*0.4 = 0.39