Bài giảng chiếu sáng tự nhiên & nhân tạo

VẬT LÝ KIẾN TRÚC

CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2. CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
2.1 KHÍ HẬU ÁNH SÁNG



Ánh sáng tự nhiên chiếu sáng phòng được lấy trực tiếp từ ánh sáng
bên ngoài của mặt trời.



Ánh sáng mặt trời có hai thành phần chính là:





Ánh sáng trực xạ nhận được thông qua các
tia nắng của mặt trời.
Ánh sáng tán xạ của bầu trời.

Giá trị của mỗi thành phần thay đổi rất nhiều phụ thuộc vào quy luật
chuyển động của mặt trời, độ trong suốt của khí quyển, lượng mây và
dạng mây trên bầu trời.

CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2. CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
2.1 KHÍ HẬU ÁNH SÁNG



Phân vùng khí hậu ánh sáng Việt Nam:







Độ rọi giảm từ ven biển vào đất liền và thể
hiện sự chênh lệch theo vĩ độ (thường tăng
dần từ Bắc vào Nam)
Độ rọi trung bình khác nhau theo mùa, cao
nhất là mùa Xuân và mùa Hè.
Độ rọi khuyếch tán phân bố khá đồng đều trên
toàn lãnh thổ. Về mùa hè độ rọi ở miền Bắc
cao hơn ở miền Nam. Ngược lại, về mùa đông
độ rọi ở miền Nam cao hơn miền Bắc rõ rệt.


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2. CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
2.2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
Độ rọi tổng cộng ngoài nhà gồm hai thành phần:







Độ rọi trực tiếp của bầu trời: có trị số lớn nhưng
thay đổi nhiều lần trong ngày. Các tia mặt trời trực
tiếp có thể gây chói lóa mất tiện nghi và làm tăng
nhiệt độ phòng. Trong tính toán CSTN người ta
không xét đến nó.
Độ rọi khuyếch tán của bầu trời: thay đổi phụ
thuộc vào lượng mây trên bầu trời nhưng tương
đối ổn định theo các mùa trong năm. Sử dụng hợp
lý ánh sáng khuyếch tán có thể đạt được môi
trường ánh sáng tiện nghi cao cho các không gian
làm việc và sinh hoạt nên được coi là là thành
phần chủ yếu trong tính toán CSTN.


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2. CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
2.2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
Độ rọi khuyếch tán ngoài nhà do cả bầu trời có độ chói gây ra. Hai
trạng thái của bầu trời cần xem xét là:







Bầu trời đầy mây: Bầu trời bị che khuất
hoàn toàn và độ chói thay đổi theo độ cao
so với chân trời. Theo phân bố độ chói Moon
& Spencer, độ chói của bầu trời cao nhất ở
thiên đỉnh và giảm dần đến chân trời.
Bầu trời quang mây: Khi đó mặt trời xuất
hiện trên bầu trời và độ chói mặt trời phụ
thuộc vào vị trí mặt trời. Sự phân bố độ chói
trong trường hợp này khá phức tạp.


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2. CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
2.2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN



Để đơn giản trong tính toán CSTN, người ta
chọn bầu trời đầy mây chói đều làm mô
hình bầu trời tính toán.



Đó là một bán cầu bán kính đơn vị có độ
chói không đổi mà tâm là điểm khảo sát.



Sau đó, tùy theo từng trường hợp cụ thể
của địa phương mà đưa vào các hệ số điều
chỉnh, xét đến sự phân bố không đều của
độ chói trên bầu trời


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.3. YÊU CẦU CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
2.3.1. ĐÁNH GIÁ CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN

 Kết quả sử dụng ánh sáng tự nhiên để chiếu sáng phòng được đánh giá trực
tiếp bằng độ rọi tự nhiên tại các điểm khác nhau trên mặt phẳng làm việc
của phòng (thường là mặt phẳng ngang ở độ cao cách sàn 0,85m).
 Độ rọi này thay đổi theo độ rọi ngoài nhà nên khó có thể đặc trưng bằng một
trị số.
 Để tránh nhược điểm này, người ta đưa ra cách đánh giá thứ hai, bằng cách
dùng tỷ số giữ độ rọi trong nhà và độ rọi ngoài nhà ở cùng một thời điểm,
biểu diễn bằng phần trăm gọi là hệ số độ rọi tự nhiên, kí hiệu là e


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.3. YÊU CẦU CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
2.3.1. ĐÁNH GIÁ CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
 Như vậy:

EM
Trong đó:
eM =
100%
En tại điểm M trong
 eM là hệ số độ rọi tự nhiên



nhà, %;
EM là độ rọi tự nhiên tại điểm M, lx;
En là độ rọi nằm ngang ngoài nhà ở cùng
thời điểm khảo sát do cả bầu trời khuyếch
tán gây ra, lx.


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.3. YÊU CẦU CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
2.3.1. ĐÁNH GIÁ CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN

 Đánh giá chiếu sáng tự nhiên của toàn phòng bằng cách xác định
độ rọi tự nhiên, lx hoặc hệ số độ rọi tự nhiên (%) theo một mạng
lưới các điểm trên mặt phẳng làm việc (không ít hơn 5) hoặc tại
các điểm trên mặt cắt đặc trưng của phòng.
 Trị số trung bình của độ rọi hoặc hệ số độ rọi là trung bình số học
của các điểm khảo sát.


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.3.2 YÊU CẦU CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN

a, Độ rọi tự nhiên yêu cầu

 Độ rọi tự nhiên yêu cầu trong CSTN &NT đều nhằm đảm bảo nhìn
rõ chi tiết để hoàn thành tốt công việc.
 Độ rọi nhân tạo ổn định trong suốt thời gian làm việc còn độ rọi tự
nhiên tăng dần từ sáng sớm đến giữa trưa và giảm dần cho đến
chiều tối.
 Vì vậy, người ta quy định độ rọi tự nhiên yêu cầu là độ rọi tại thời
điểm tắt đèn buổi sáng và bật đèn buổi chiều.


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.3.2 YÊU CẦU CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
a, Độ rọi tự nhiên yêu cầu

 Để tránh sự điều tiết của mắt khi chuyển từ AS tự nhiên sang AS nhân tạo người
ta chọn độ rọi tự nhiên yêu cầu đúng bằng độ rọi nhân tạo yêu cầu.
 Tại thời điểm này, độ rọi TN trong nhà chủ yếu phụ thuộc vào độ rọi nằm ngang
ngoài nhà và các tổ chức các cửa chiếu sáng. Độ rọi ngoài nhà lúc này được gọi là
độ rọi giới hạn ngoài nhà E .
gh
 Egh là trị số quan trọng khi định TC CSTN vì nó liên quan đến:
 Sự thay đổi độ rọi tự nhiên trong phòng trong một ngày.
 Kích thước các cửa chiếu sáng ; Số giờ sử dụng CSTN trong năm.


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.3.2 YÊU CẦU CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
a, Độ rọi tự nhiên yêu cầu

 Độ rọi giới hạn ngoài nhà ở một số nước như sau:






Anh và Pháp:
Egh = 5000 lx
Đức:
Egh = 3000 lx
CIE đề nghị: Egh = 5000 lx
Nước ta, do chưa có quy định, tạm dùng trị số
Egh=4000 lx.

 Hệ số độ rọi tự nhiên yêu cầu eyc tương ứng với độ rọi yêu cầu xác định theo
công thức sau:

e yc =

E yc

E gh

100%


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.3.2 YÊU CẦU CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
a, Độ rọi tự nhiên yêu cầu

Yêu cầu chiếu sáng tự nhiên
( Egh = 4000 lx)

Loại công việc

Độ rọi Eyc, lx

Thô, lối đi

40

Nửa chính xác

80

Chính xác
Rất chính xác

150
300

Hệ số độ rọi eyc, %


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.3.2 YÊU CẦU CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
b, Độ đồng đều của ánh sáng trên mặt phẳng làm việc

 Độ đồng đều của ánh sáng được quy định đối với các không gian như lớp học,
phòng làm việc, các xưởng sản xuất.

 Độ đồng đều được đánh giá bằng tỷ số giữa các điểm có độ rọi lớn nhất E max
nhỏ nhất E
. Khi đó yêu cầu:
min
 Emax / Emin ≤ 2 – 3 lần.
 Lấy bằng 2 cho các công việc yêu cầu độ chính xác cao và lấy bằng 3 cho các
công việc chính xác trung bình.
 Ngoài ra người ta còn đánh giá hệ số đồng đều độ rọi bằng tỷ số E tb / Emin.


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC

2.3.2 YÊU CẦU CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
c, Sự phân bố không gian và hướng ánh sáng

 Phân bố không gian của ánh sáng được đánh giá bằng tỷ số giữa độ rọi trụ và
độ rọi ngang (chỉ số nổi).
 Trong một số công trình, người ta còn quy định hướng ánh sáng tới vị trí làm
việc để tránh tạo bóng gây mất tiện nghi.
 Ví dụ trong các lớp học, yêu cầu chiếu sáng từ trái sang phải hoặc từ phía
trước.


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.3.2 YÊU CẦU CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
d, Tỷ lệ độ chói nội thất

 Độ chói của các bề mặt trong phòng như trần, tường sàn, các thiết bị, bảng
đen có ảnh hưởng đến tiện nghi môi trường sáng cũng như tâm sinh lý của
con người.

 Nếu tỷ lệ giữa chúng quá lớn sẽ gây cảm giác chói chang, căng thằng đối
với mắt, nếu quá nhỏ sẽ tạo cảm giác âm u, tối tăm.
 Nhiều nghiên cứu đã cho thấy tỷ lệ độ chói trong thiên nhiên là phù hợp
nhất với mắt người và nên bắt chước tạo lại trong phòng.


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.3.2 YÊU CẦU CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
d, Tỷ lệ độ chói nội thất

 Ở nước ta, bầu trời nhiều mây, độ trong suốt của khí quyển thấp, bầu trời
sáng, chân trời có cây xanh bao bọc, mặt đất là cỏ cây ruộng lúa. Tỷ lệ độ
chói là:
Thiên đỉnh : chân trời : mặt đất = 10 : 7 : 3.

 Từ đó có thể tạo màu sắc nội thất một cách thích hợp.
 Ví dụ: mặt trần màu sáng, tường sẫm màu hơn, sàn lát màu tối, kết hợp với
kết cấu che nắng, rèm cửa và đưa thêm cây xanh vào phòng, trước các lỗ cửa
chói chang.


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.3.2 YÊU CẦU CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
e, Loại trừ chói lóa mất tiện nghi

 Tránh ánh nắng chiếu trực tiếp vào phòng, lên mặt phẳng làm
việc, lên các thiết bị gây chói lóa.
 Không chọn hướng cửa sổ, hướng bàn làm việc về phía bầu trời
quá sáng hoặc phía có các bề mặt tường sáng bị mặt trời chiếu
vào.

 Tránh các kết cấu che nắng có hệ số phản xạ quá cao.


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.4. TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
2.4.1. CÁC THÀNH PHẦN CỦA ĐỘ RỌI TỰ NHIÊN

 Độ rọi TN trong phòng EM được tạo thành bởi ba thành phần:







Độ rọi do phần bầu trời không bị che chắn nhìn
thấy từ điểm khảo sát hoặc qua lỗ cửa gây ra, kí
hiệu là Etr;
Độ rọi do ánh sáng phản xạ từ các tường nhà đối
diện, hoặc từ mặt đất chiếu vào điểm khảo sát qua
cửa lấy ánh sáng, kí hiệu là Eρn
Độ rọi do ánh sáng phản xạ từ các bề mặt trong
phòng (tường, trần, sàn) tới điểm khảo sát, kí hiệu
Eρt.

 Như vậy ta có: EM = Etr + Eρn + Eρt


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.4. TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN

2.4.1. CÁC THÀNH PHẦN CỦA ĐỘ RỌI TỰ NHIÊN



E =E +E
+E
M
tr
ρn
ρt


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.4.1. CÁC THÀNH PHẦN CỦA ĐỘ RỌI TỰ NHIÊN
a, Độ rọi do phần bầu trời gây ra, E

tr

 Độ rọi tại một điểm trên mặt phẳng làm việc trong phòng tỷ lệ thuận với diện
tích hình chiếu của mảng trời nhìn thấy từ điểm khảo sát qua lỗ cửa xuống
mặt phẳng được chiếu sáng và độ chói của nó.


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.4.1. CÁC THÀNH PHẦN CỦA ĐỘ RỌI TN
b, Độ rọi do AS phản xạ từ bên ngoài, E

ρn

 Độ rọi phản xạ từ bên ngoài bao gồm phần phản xạ

từ tường nhà đối diện và phần phản xạ từ mặt đất.
Nó phụ thuộc vào lớp phủ mặt đất, vị trí mà màu sắc
của các tường đối diện. Khi tường đối diện bị nắng
chiếu, độ chói của nó tăng lên và làm tăng độ rọi
phản xạ từ bên ngoài.
 Ánh sáng phản xạ vai trò rất lớn trong chiếu sáng tự
nhiên các tầng dưới.

Từ tầng thấp phải
nhìn thấy bầu trời
qua cửa sổ


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.4.1. CÁC THÀNH PHẦN CỦA ĐỘ RỌI TN
c, Độ rọi do ánh sáng phản xạ trong, E

ρt

 Phần AS phản xạ trong có vai trò quan trọng
đối với nửa phòng phía xa cửa sổ.
 Đường cong độ rọi gián tiếp sẽ giảm rất
nhanh nếu tường đen, giảm chậm hơn với
tường có màu và gần như không giảm với
tường màu trắng.


CSTN& NT CÁC CÔNG TRÌNH KIẾN TRÚC
2.4. TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN
2.4.2. PHƯƠNG PHÁP GẦN ĐÚNG XÁC ĐỊNH ĐỘ RỌI TRUNG BÌNH TRÊN MẶT PHẲNG

NGANG KHI CHIẾU SÁNG BẰNG CỬA SỔ (GS. H.G.Fruhling, Đức)

 Phương pháp nhằm xác định nhanh trị số trung bình của độ rọi nằm ngang
trong phòng, có thể áp dụng cho các thiết kế sơ bộ.
 Phương pháp được tiến hành theo các trình tự sau:
a, Độ rọi giới hạn ngoài nhà E

gh

 Độ rọi giới hạn ngoài nhà là độ rọi tại thời điểm tắt đèn buổi sáng và bật đèn
buổi chiều. Trong điều kiện Việt Nam chọn E
= 4000 lx
gh