Tóm tắt nội dung
Trong bất kỳ dự án chiếu sáng nào, từ chiếu sáng dân dụng, văn phòng, nhà xưởng công nghiệp cho đến chiếu sáng đường phố, người kỹ sư đều phải làm việc với một hệ thống các đại lượng quang trắc đặc trưng cho ánh sáng: quang thông, cường độ sáng, độ rọi, độ chói, nhiệt độ màu và chỉ số thể hiện màu.Đây chính là ngôn ngữ chung để mô tả, đo lường và so sánh chất lượng của các nguồn sáng cũng như hiệu quả của một giải pháp chiếu sáng.
Bài viết này hệ thống hóa lại toàn bộ các đại lượng quang trắc và đơn vị đo tương ứng, đi kèm công thức tính toán, ví dụ minh họa bằng số liệu cụ thể và các bảng tra cứu tham khảo, giúp người đọc có nền tảng vững chắc trước khi bước vào các bài toán thiết kế chiếu sáng chuyên sâu hơn.
1. Quang thông và quang hiệu – đơn vị đánh giá năng lượng ánh sáng
1.1. Định nghĩa quang thông và đơn vị lumen
Quang thông là năng lượng ánh sáng được phát ra bởi một nguồn sáng, hoặc được thu nhận bởi một mặt được chiếu sáng, tính trong một đơn vị thời gian. Ký hiệu của quang thông là Φ (phi), đơn vị đo là lumen, viết tắt là lm. Bội số của lumen là kilolumen, với quy đổi 1 klm = 1.000 lm.
Ví dụ thực tế: một bóng đèn sợi đốt công suất 40W cho quang thông 430 lm, trong khi một bóng đèn huỳnh quang 36W cho quang thông lên tới 3.100 lm. Sự chênh lệch này cho thấy công suất tiêu thụ điện (W) không phản ánh trực tiếp lượng ánh sáng phát ra, mà phải thông qua một đại lượng trung gian gọi là quang hiệu.
1.2. Quang hiệu – hiệu suất phát quang của nguồn sáng
Quang hiệu, hay còn gọi là hiệu suất phát quang (luminous efficacy), là quang thông phát ra tính theo mỗi đơn vị công suất tiêu thụ của bóng đèn. Đơn vị của quang hiệu là lumen trên watt (lm/W).
Từ hai ví dụ ở trên, có thể tính được:
Đèn sợi đốt 40W có quang hiệu: 430/40 = 10,75 lm/W
Đèn huỳnh quang 36W có quang hiệu: 3.100/36 = 86,1 lm/W
Quang hiệu của mỗi loại bóng đèn có trị số khác nhau tùy theo nguyên lý phát quang và công nghệ chế tạo. Đèn huỳnh quang có quang hiệu cao hơn đèn sợi đốt; đèn sodium cao áp có quang hiệu cao hơn đèn thủy ngân cao áp; đèn sodium thấp áp có quang hiệu cao hơn đèn sodium cao áp; và đèn LED hiện là loại đèn cho quang hiệu cao nhất trong các công nghệ chiếu sáng phổ biến hiện nay.
Quang thông và quang hiệu của một bóng đèn có công suất P cụ thể có thể tra theo dữ liệu catalog của nhà sản xuất, hoặc tham khảo trị số tiêu biểu trong các bảng phụ lục của tiêu chuẩn thiết kế chiếu sáng.
1.3. Xu hướng hiệu suất phát quang của các loại đèn hiện nay
Theo dữ liệu khảo sát thị trường gần đây, đèn LED gia dụng hiện đạt hiệu suất phát quang khoảng 90 đến 120 lm/W, đèn LED dùng cho nhà xưởng công nghiệp đạt 140 đến 160 lm/W, còn đèn LED đường phố cao cấp có thể đạt 170 đến 180 lm/W. Giới hạn lý thuyết của LED trắng vào khoảng 250 đến 300 lm/W, trong khi công nghệ hiện tại mới khai thác được khoảng 60 đến 70 phần trăm tiềm năng đó.
Đáng chú ý, tiêu chuẩn TCVN 12666:2021 quy định đèn đường LED lưu hành tại Việt Nam phải đạt hiệu suất tối thiểu 130 lm/W kể từ ngày 1 tháng 1 năm 2025, một ngưỡng kỹ thuật mà các đèn sợi đốt hay đèn huỳnh quang truyền thống không thể đáp ứng được. Đây là minh chứng rõ ràng cho việc đại lượng quang hiệu không chỉ mang tính lý thuyết mà đã trở thành căn cứ pháp lý bắt buộc trong lựa chọn thiết bị chiếu sáng.
2. Góc khối – nền tảng toán học của các đại lượng quang trắc
Trước khi đi vào cường độ sáng, cần nắm khái niệm góc khối, vì đây là cơ sở toán học để định nghĩa chính xác đại lượng cường độ sáng.
2.1. Góc phẳng và đơn vị radian
Trên một đường tròn tâm O, bán kính R, xét một cung tròn AB bị chắn bởi một góc $\alpha$ ở tâm O. Nếu đo bằng đơn vị radian, góc $\alpha$ có trị số:
$$ \alpha = \frac{AB}{R} \quad (1) $$Từ tâm O nhìn cả đường tròn, góc của cả mặt phẳng bằng $2\pi R/R = 2\pi$ radian. Tương tự, góc của nửa mặt phẳng là $\pi$ radian.
2.2. Góc khối và đơn vị steradian
Tương tự khái niệm góc phẳng, trên một mặt cầu tâm O bán kính R, xét một diện tích chỏm cầu A. Từ tâm O kẻ các đường sinh tựa vào mặt A, ta có một góc khối $\omega$ (ô-mê-ga) nhìn mặt A từ tâm O. Góc khối được đo bằng đơn vị steradian, viết tắt là sr, với công thức:
$$ \omega = \frac{A}{R^2} \quad (2) $$Từ tâm O nhìn cả mặt cầu, góc khối của toàn bộ không gian bằng $4\pi R^2/R^2 = 4\pi$ sr. Tương tự, góc khối của nửa không gian là $2\pi$ sr.
Góc khối $\omega$ nhìn một chỏm cầu từ tâm O của hình cầu còn có thể tính theo góc dư vỹ $\gamma$ (gamma):
$$ \omega = 2\pi(1 - \cos\gamma) \quad (3) $$Ví dụ minh họa: góc khối nhìn một phần mặt cầu từ tâm của nó, với trị số $\omega = \pi$ sr, thì góc dư vỹ được tính:
$$ \gamma = \arccos \left[ 1 - \frac{\omega}{2\pi} \right] = \frac{\pi}{3} \text{ rad} = 60^\circ $$
2.3. Góc khối nhìn một mặt phẳng bất kỳ từ một điểm quan sát
Xét một mặt phẳng (A) bất kỳ, có diện tích A, có tâm M, pháp tuyến với A tại M làm một góc $\alpha$ với tia OM. Góc khối nhìn (A) từ một điểm O nằm ngoài (A) được định nghĩa theo công thức:
$$ \omega = \frac{A \cdot \cos \alpha}{R^2} \quad (4) $$Góc khối $\omega$ này có trị số lớn nhất khi pháp tuyến mặt A trùng với tia OM, tức $\alpha = 0$.
Ví dụ: một mặt phẳng (A) có diện tích 4 m², được quan sát từ điểm O cách xa 20 m, góc nhìn từ O đến (A) tạo với pháp tuyến của (A) một góc 60 độ. Góc khối nhìn (A) từ O được tính:
$$ \omega = \frac{4 \times \cos 60^\circ}{20^2} = 0,005 \text{ sr} $$
3. Cường độ sáng và đường cong phân bố cường độ sáng IDC
3.1. Định nghĩa và công thức tính cường độ sáng
Cường độ sáng là quang thông phát xạ trong một đơn vị góc khối, theo một phương xác định. Ký hiệu của cường độ sáng là I, đơn vị là candela, viết tắt cd, với 1 cd = 1 lm/sr. Bội số của candela là kilocandela (kcd), với 1 kcd = 1.000 cd. Công thức định nghĩa của cường độ sáng:
$$ I = \frac{\Phi}{\omega} \quad (5) $$Nguồn sáng đẳng hướng là nguồn sáng có cường độ sáng đồng đều theo mọi phương.
3.2. Nguồn sáng đẳng hướng và các trị số cường độ sáng thực tế
Ví dụ: một đèn sợi đốt công suất 60W, quang thông Φ = 710 lm, không có chóa đèn, được xem như một nguồn sáng đẳng hướng, có cường độ sáng:
Trên thực tế, do có chóa đèn nên cường độ sáng thường không đồng đều theo mọi phương. Bảng dưới đây minh họa sự chênh lệch cường độ sáng giữa các loại nguồn sáng khác nhau:
| Nguồn sáng | Cường độ sáng (cd) |
|---|---|
| Ngọn nến | 0,8 theo mọi phương |
| Đèn sợi đốt 40W không chóa | 35 theo mọi phương |
| Đèn sợi đốt 300W với chóa phản xạ | 1.500 ở tâm chùm tia |
| Đèn Metal-Halide 2000W với chóa phản xạ | 250.000 ở tâm chùm tia |
Có thể thấy, chóa đèn có tác dụng hội tụ cường độ sáng vào một hướng nhất định, làm tăng cường độ sáng tại tâm chùm tia lên gấp hàng chục đến hàng trăm lần so với nguồn sáng trần không chóa.
3.3. Đường cong trắc quang IDC và cách sử dụng
Để biểu diễn cường độ sáng theo các phương của một bộ đèn, người ta dùng đường cong phân bố cường độ sáng IDC (Intensity Distribution Curve), còn gọi là đường cong trắc quang. Đây chính là đường cong đặc trưng riêng cho từng bộ đèn.
Nếu bộ đèn có đối xứng tròn xoay, ví dụ một downlight chóa tròn, chỉ cần một đường IDC trên một mặt phẳng kinh tuyến của tọa độ cầu là đủ để mô tả. Nếu bộ đèn có đối xứng hai trục, ví dụ hộp đèn ống huỳnh quang, người ta phải dùng hai đường IDC trên hai mặt phẳng kinh tuyến, ký hiệu 0 đến 180 độ (mặt C0) và 90 đến 270 độ (mặt C90), cùng vẽ trên một biểu đồ IDC để biểu diễn đầy đủ đặc tính của bộ đèn.
Khi lập đường cong IDC của một bộ đèn, người ta chuẩn hóa quang thông của bóng đèn về mức 1 klm = 1.000 lm. Giá trị cường độ sáng theo một phương, đọc trên biên độ đường cong IDC, là giá trị tương đối:
Trong đó I’ (cd/klm) là cường độ sáng tương đối theo phương α của bộ đèn ứng với bóng đèn 1 klm; I (cd) là cường độ sáng thực sự của bộ đèn theo phương α; ΦL (klm) là quang thông thực tế của bóng đèn lắp trong bộ đèn. Từ đó suy ra cường độ sáng thực sự:
Ví dụ ứng dụng: một bộ đèn chiếu sáng đường phố đạt chuẩn TCVN 5828, có đường cong IDC dạng bán rộng. Tại góc α = 60 độ, trong mặt phẳng kinh tuyến 0 đến 180 độ, cường độ sáng tương đối đọc được là 300 cd/klm. Nếu lắp bộ đèn này với bóng đèn metal halide 250W có quang thông 30,5 klm, thì theo phương 60 độ, đèn có cường độ sáng thực sự:
4. Độ rọi – đại lượng đánh giá lượng ánh sáng nhận được trên bề mặt
4.1. Định nghĩa và công thức tính độ rọi
Độ rọi tại một điểm trên một mặt phẳng là quang thông rơi trên một đơn vị diện tích tại điểm đó. Ký hiệu độ rọi là E, đơn vị là lux, viết tắt lx:
$$ E = \frac{\Phi}{A} \quad (8) $$Trong đó E (lx) là độ rọi, $\Phi$ (lm) là quang thông, A (m²) là diện tích. Độ rọi thường được nói đến là độ rọi ngang, nghĩa là độ rọi trên mặt phẳng ngang. Trị số yêu cầu trong các tiêu chuẩn thiết kế thường là độ rọi trung bình, tức là độ rọi trung bình trên toàn bộ mặt phẳng khảo sát. Độ rọi có được trong thực tế còn tùy thuộc hệ số sử dụng của bộ đèn và hệ số duy trì của hệ thống lắp đặt chiếu sáng.
4.2. Các trị số độ rọi tham khảo trong thực tế và tiêu chuẩn TCVN 7114-1:2008
Bảng dưới đây tổng hợp các trị số độ rọi tham khảo, từ điều kiện tự nhiên đến các mức độ rọi yêu cầu cho công việc thị giác:
| Độ rọi E (lx) | Điều kiện / Yêu cầu công việc |
|---|---|
| 0,25 | Đêm trăng rằm |
| 1 | Đủ tìm đường thoát nạn ra khỏi nhà |
| 20 | Nhận rõ mặt người |
| 20 - 50 | Lối đi và khu vực làm việc ngoài trời |
| 75 | Khu vực đỗ xe |
| 50 - 100 | Định hướng ở nơi không ở lâu |
| 100 - 200 | Phòng làm việc không liên tục |
| 200 | Độ rọi tối thiểu cho công việc liên tục |
| 200 - 500 | Công việc bằng mắt đơn giản |
| 300 - 750 | Công việc bằng mắt, khó trung bình |
| 500 - 1000 | Công việc bằng mắt, mức độ khó cao |
| 1000 | Trời nhiều mây |
| 1000 - 2000 | Công việc rất phức tạp, quan sát tỉ mỉ |
| 2000 | Độ rọi tối đa tại nơi làm việc |
| 5.000 | Độ rọi tiêu điểm trên bàn mổ |
| 100.000 | Nắng giữa trưa nhiệt đới |
4.3. Mối quan hệ giữa độ rọi và cường độ sáng
Xét một điểm M trên mặt phẳng ngang S, cách nguồn sáng O một khoảng r. Góc giữa phương chiếu từ O đến M và pháp tuyến của mặt S tại M là $\alpha$. Độ rọi ngang tại điểm M được tính theo công thức:
$$ E = \frac{I_\alpha \cdot \cos \alpha}{r^2} \quad (9) $$hoặc viết theo chiều cao treo đèn h:
$$ E = \frac{I_\alpha \cdot \cos^3 \alpha}{h^2} \quad (10) $$Nhận xét quan trọng: Cường độ sáng I chỉ phụ thuộc vào phương, không phụ thuộc khoảng cách; trong khi độ rọi E vừa phụ thuộc phương, vừa phụ thuộc khoảng cách từ nguồn sáng đến điểm khảo sát.
Ví dụ tính toán: hai cột đèn đường cao 8m, cách nhau 30m, dùng bộ đèn có đường cong IDC như trong tiêu chuẩn TCVN 5828, lắp bóng đèn cao áp sodium 150W, quang thông 15 klm. Hỏi độ rọi tại điểm giữa hai cột đèn là bao nhiêu?
Khoảng cách từ chân cột đến điểm giữa: $d = 30/2 = 15$ m. Suy ra góc $\alpha = \arctan(15/8) \approx 62$ độ. Trên đường cong IDC của bộ đèn, tại góc 62 độ đọc được $I'_{62^\circ} = 290$ cd/klm. Vậy cường độ sáng thực sự theo phương này:
$$ I_{62^\circ} = 290 \times 15 = 4.350 \text{ cd} $$Với $\cos 62^\circ = 0,469$, độ rọi tổng hợp bởi hai đèn tại điểm giữa hai cột là:
$$ E = 2 \times I_\alpha \cdot \frac{\cos^3 \alpha}{h^2} = 2 \times 4.350 \times \frac{0,469^3}{8^2} \approx 14 \text{ lx} $$Cần lưu ý rằng kết quả của bài toán này chưa tính đến hệ số duy trì của hệ thống chiếu sáng, vốn sẽ làm giảm độ rọi thực tế theo thời gian sử dụng do bụi bẩn và suy giảm quang thông của bóng đèn.
4.4. Công thức độ rọi trung bình dùng trong thiết kế chiếu sáng
Trong thiết kế chiếu sáng đơn giản, người ta thường dùng công thức độ rọi trung bình sau đây, còn gọi là phương pháp hệ số sử dụng:
Trong đó Eav (lx) là độ rọi trung bình; n là số bộ đèn; ΦL (lm) là quang thông tổng của các bóng đèn trong một bộ đèn; A (m²) là diện tích được chiếu sáng; UF (Utilization Factor) là hệ số sử dụng quang thông của bộ đèn, tra theo catalog của nhà sản xuất, thường có trị số từ 0,35 đến 0,7; MF (Maintenance Factor) là hệ số duy trì của hệ thống chiếu sáng, tham khảo theo tiêu chuẩn thiết kế, thường có trị số từ 0,67 đến 0,80.
Tổ chức Chiếu sáng Quốc tế CIE khuyến nghị nên thiết kế sao cho hệ số duy trì MF đạt ít nhất 0,7 để đảm bảo tiết kiệm năng lượng trong suốt vòng đời hệ thống. Đôi khi người ta còn định nghĩa hệ số dự trữ k, là nghịch đảo của hệ số duy trì:
Khi hệ số duy trì MF bằng 0,7 thì hệ số dự trữ tương ứng bằng k = 1/0,7 = 1,43.
Ví dụ tính toán: một hội trường có diện tích 100 m², được thiết kế chiếu sáng với độ rọi yêu cầu 400 lx, dùng đèn huỳnh quang chóa tán xạ loại 2x18W có quang thông 2.400 lm mỗi bộ. Cho biết hệ số sử dụng UF = 0,52 và hệ số duy trì MF = 0,8. Hỏi cần bao nhiêu bộ đèn cho thiết kế này?
5. Độ chói và các tính chất quang học của bề mặt chiếu sáng
Độ chói của một nguồn mặt, hay của một mặt chiếu sáng phản xạ, là tỷ số của cường độ sáng theo phương quan sát chia cho diện tích hiệu dụng của mặt đó nhìn theo phương quan sát. Độ chói, ký hiệu là L, có đơn vị là candela trên mét vuông (cd/m²):
Trong đó α là góc giữa tia nhìn (phương quan sát) và pháp tuyến mặt phát sáng; Lα (cd/m²) là độ chói theo phương quan sát; Iα (cd) là cường độ sáng của nguồn mặt theo phương α; A (m²) là diện tích mặt phát sáng.
Ví dụ tính toán: một bộ đèn huỳnh quang đôi 2x36W, lắp liền trần, diện tích mặt phát sáng khuếch tán 0,2m x 1,3m, có quang thông bộ đèn là 4.800 lm, cường độ sáng tương đối trên đường cong IDC ở góc 65 độ trong mặt phẳng 0-180 độ là 85 cd/klm. Hỏi theo góc đó, bộ đèn có độ chói bằng bao nhiêu?
Cường độ sáng của bộ đèn theo phương 65 độ:
$$ I = I' \cdot \Phi_L = 85 \times 4,8 = 408 \text{ cd} $$Suy ra độ chói theo phương 65 độ của bộ đèn:
$$ L = \frac{I}{A \cdot \cos 65^\circ} = \frac{408}{0,2 \times 1,3 \times 0,4226} \approx 3.713 \text{ cd/m}^2 $$5.2. Các trị số độ chói tham khảo trong thực tế
Độ chói là đại lượng có dải giá trị rất rộng trong tự nhiên và kỹ thuật, từ mức mắt người vừa cảm nhận được đến mức gây chói lóa nguy hiểm cho thị giác:
| Độ chói L (cd/m2) | Nguồn / Bề mặt |
|---|---|
| 1,5 x 109 | Mặt trời giữa trưa |
| 5 x 106 | Mặt trời mới mọc |
| 1 x 106 | Dây tóc bóng đèn |
| > 500.000 | Đèn Metal Halide |
| 20.000 - 50.000 | Đèn compact |
| 30.000 | Mặt giấy trắng dưới nắng |
| 20.000 | Bóng đèn mờ |
| 5.000 | Độ chói gây lóa mắt |
| 2.500 | Trăng rằm |
| 1.000 | Bóng đèn huỳnh quang |
| > 10 | Chỉ có tế bào hình nón làm việc |
| 1 | Độ chói trên mặt đường |
| 0,06 | Mặt giấy trắng dưới trăng |
| < 0,01 | Chỉ có tế bào hình que làm việc |
| 10-5 | Ngưỡng mắt có thể cảm nhận được |
Đáng chú ý, độ chói trên mặt đường (khoảng 1 cd/m²) và ngưỡng gây lóa mắt (khoảng 5.000 cd/m²) là hai mốc rất quan trọng trong thiết kế chiếu sáng đường phố, vì chúng liên quan trực tiếp đến an toàn giao thông ban đêm.
5.3. Bản chất của bề mặt nhận ánh sáng: hấp thụ, phản xạ, xuyên sáng
Một bề mặt được chiếu sáng với quang thông tới Φ sẽ phân chia năng lượng ánh sáng thành ba phần. Trong các công thức dưới đây, ký hiệu α không còn mang nghĩa góc như ở phần trước, mà là hệ số hấp thụ của bề mặt, theo đúng quy ước ký hiệu truyền thống trong tài liệu quang trắc học.
Một phần quang thông bị hấp thụ:
$$ \Phi_\alpha = \alpha \cdot \Phi \quad (14) $$Một phần quang thông xuyên sáng qua bên kia bề mặt:
$$ \Phi_\tau = \tau \cdot \Phi \quad (15) $$Một phần quang thông phản xạ trở lại:
$$ \Phi_\rho = \rho \cdot \Phi \quad (16) $$Vì tổng ba phần quang thông này luôn bằng quang thông tới ban đầu, nên ta luôn có:
$$ \alpha + \tau + \rho = 1 \quad (17) $$Trong đó $\alpha$ là hệ số hấp thụ (absorption factor), $\tau$ là hệ số xuyên sáng (transmission factor), $\rho$ là hệ số phản xạ (reflection factor). Cả ba hệ số này đều nhỏ hơn 1 và là tính chất vật lý riêng của từng loại bề mặt nhận ánh sáng. Bảng dưới đây minh họa các hệ số này với một số loại vật liệu chóa đèn phổ biến:
| Bề mặt vật chất | Hệ số hấp thụ (%) | Hệ số phản xạ (%) | Hệ số xuyên sáng (%) |
|---|---|---|---|
| Thủy tinh trong suốt | 2 - 4 | 6 - 8 | 88 - 92 |
| Thủy tinh bề mặt hạt lăng trụ (chóa mờ) | 5 - 10 | 5 - 20 | 70 - 90 |
| Nhựa trắng mờ (chóa đục) | 10 - 20 | 30 - 40 | 40 - 60 |
5.4. Bề mặt phản xạ khuếch tán toàn phần và định luật Lambert
Khảo sát các bề mặt vật chất khác nhau, có thể thấy chúng có các đặc tính phản xạ khác nhau khi so sánh cường độ sáng của tia tới với cường độ sáng của các tia phản xạ.
Có bốn dạng phản xạ đặc trưng: phản xạ định hướng (giống gương phẳng, tia phản xạ tập trung theo một hướng duy nhất tuân theo định luật phản xạ ánh sáng), phản xạ hỗn hợp định hướng (phần lớn năng lượng vẫn tập trung theo hướng phản xạ gương nhưng có một phần tán xạ ra xung quanh), phản xạ hỗn hợp khuếch tán (năng lượng phân bố ra nhiều hướng nhưng vẫn có một đỉnh cường độ theo hướng phản xạ gương) và phản xạ khuếch tán toàn phần (năng lượng phân bố đều theo mọi hướng, không còn hướng phản xạ gương nổi trội).
Một mặt được gọi là có đặc tính phản xạ khuếch tán toàn phần khi cường độ phản xạ có phân bố dạng cosin:
$$ I_\alpha = I_0 \cdot \cos \alpha \quad (18) $$Trong đó $I_0$ (cd) là cường độ sáng theo phương pháp tuyến với mặt phẳng, $I_\alpha$ (cd) là cường độ sáng phản xạ theo phương $\alpha$. Có thể chứng minh được rằng khi mặt phẳng nhận ánh sáng có đặc tính phản xạ khuếch tán toàn phần, thì độ chói phản xạ theo các phương nhìn khác nhau đều bằng nhau, không phụ thuộc vào góc quan sát $\alpha$:
$$ L_\alpha = L_0 \quad (19) $$Đây chính là lý do vì sao một bề mặt sơn mờ (khuếch tán toàn phần) nhìn có độ sáng đồng đều từ mọi góc độ, trong khi một bề mặt bóng (gương) chỉ sáng chói khi nhìn đúng góc phản xạ.
Từ tính chất này, định luật Lambert được phát biểu như sau: độ chói phản xạ của một mặt phẳng phản xạ khuếch tán toàn phần thì tỷ lệ thuận với độ rọi trên mặt phẳng đó và hệ số phản xạ của nó:
$$ L \cdot \pi = \rho \cdot E \quad (20) $$Trong đó L (cd/m²) là độ chói phản xạ trên mặt phẳng, E (lx) là độ rọi trên mặt phẳng, $\rho$ là hệ số phản xạ của mặt phẳng.
5.5. Hệ số phản xạ của một số vật liệu xây dựng thông dụng
Hệ số phản xạ ρ của vật liệu hoàn thiện công trình (sơn tường, sàn, trần) ảnh hưởng trực tiếp đến độ chói cảm nhận và hiệu quả sử dụng ánh sáng trong không gian. Bảng dưới đây tổng hợp hệ số phản xạ của một số vật liệu phổ biến trong xây dựng và kiến trúc:
| Vật liệu | Hệ số phản xạ ρ | Vật liệu | Hệ số phản xạ ρ |
|---|---|---|---|
| Lớp mạ bạc | 0,93 | Cát trắng | 0,25 |
| Thạch cao | 0,90 | Sàn gỗ ép, pa-kê | 0,25 |
| Gương soi | 0,85 | Bê tông nhựa màu sáng | 0,22 |
| Bột màu trắng | 0,80 | Đất sạch | 0,20 |
| Màu sáng nhạt | 0,70 | Cỏ nhân tạo | 0,20 |
| Bê tông xám và sáng nhạt | 0,60 | Cát vàng | 0,17 |
| Granite, gạch bông xám | 0,45 | Gạch lát đường | 0,17 |
| Vôi vàng nhạt | 0,40 | Bê tông nhựa màu trung bình | 0,16 |
| Đá tảng, gạch bông đậm | 0,30 | Mốc đồng, gang | 0,15 |
| Sàn bê tông, vải, gỗ sơn | 0,13 | ||
| Sàn gỗ ván | 0,10 | ||
| Cỏ xanh | 0,08 |
Theo cách phân loại chung: bề mặt được coi là sáng khi $\rho > 0,4$; bề mặt phản xạ trung bình khi $0,2 < \rho < 0,4$; và bề mặt tối khi $\rho < 0,2$.
Ví dụ ứng dụng: một mặt tiền kiến trúc ốp granite có hệ số phản xạ $\rho = 0,45$, muốn đạt độ chói bằng 10 cd/m², thì mặt tiền cần được chiếu sáng với độ rọi:
$$ E = \frac{L \cdot \pi}{\rho} = \frac{10 \times 3,14}{0,45} \approx 70 \text{ lx} $$6. Nhiệt độ màu và chỉ số thể hiện màu – yếu tố chất lượng ánh sáng
6.1. Nhiệt độ màu (Colour Temperature) và thang phân loại của CIE
Một vật đen tuyệt đối, khi được nung nóng lên từ 2.000 độ K đến 10.000 độ K, sẽ cho một phổ màu bức xạ đặc trưng, dùng làm chuẩn so sánh với màu sắc của các nguồn sáng thực tế. Đây chính là cơ sở của khái niệm nhiệt độ màu.
Bảng nhiệt độ màu của một số nguồn sáng tiêu biểu:
| Nguồn sáng | Nhiệt độ màu (K) | Nguồn sáng | Nhiệt độ màu (K) |
|---|---|---|---|
| Đèn nến | 1.900 | Ánh sáng trăng | 4.100 |
| Đèn sợi đốt | 2.700 | Ánh sáng mặt trời | 5.000 - 6.000 |
| Đèn halogen | 3.000 | Ánh sáng ban ngày | 5.800 - 6.500 |
| Đèn huỳnh quang | 2.800 - 7.500 | Bầu trời xanh trong | 10.000 - 26.000 |
Theo CIE, thang nhiệt độ màu được chia thành ba nhóm: nhóm ấm (warm white, viết tắt ww), với nhiệt độ màu dưới 3.300K, ánh sáng có tông đỏ cam; nhóm trung hòa (intermediate, viết tắt nw), với nhiệt độ màu từ 3.300K đến 5.300K, ánh sáng có tông vàng; và nhóm lạnh (cool white, viết tắt dw), với nhiệt độ màu trên 5.300K, ánh sáng có tông xanh. Mỗi nhóm nhiệt độ màu tương ứng với các mã đèn huỳnh quang tiêu biểu theo ký hiệu của nhà sản xuất, được sử dụng phổ biến trong catalog thiết bị chiếu sáng.
6.2. Biểu đồ Kruithoff – lựa chọn nhiệt độ màu theo độ rọi
Thực nghiệm cho thấy nguồn sáng có nhiệt độ màu thấp, tức ánh sáng ấm, chỉ tạo cảm giác tiện nghi khi chiếu sáng ở mức độ rọi thấp. Ngược lại, tại những nơi có yêu cầu chiếu sáng với độ rọi cao, người thiết kế phải dùng các nguồn sáng có nhiệt độ màu cao hơn, tức ánh sáng lạnh, để tránh cảm giác chói gắt hoặc ngột ngạt.
Mối quan hệ này được biểu diễn trên biểu đồ Kruithoff, với trục tung là nhiệt độ màu (K) và trục hoành là độ rọi (lux), trong đó một vùng gọi là vùng môi trường tiện nghi thể hiện sự kết hợp hài hòa giữa hai đại lượng này.
Ví dụ ứng dụng: khi thiết kế chiếu sáng với độ rọi 300 lx, theo biểu đồ Kruithoff, người thiết kế nên chọn đèn có nhiệt độ màu lớn hơn 3.000K để đảm bảo cảm giác tiện nghi thị giác cho người sử dụng.
6.3. Chỉ số thể hiện màu Ra (CRI) và các nhóm thể hiện màu
Chỉ số thể hiện màu, thường ký hiệu Ra hoặc CRI (Colour Rendering Index), là số đo của nguồn sáng cho biết mức độ trung thực về màu sắc của các vật được chiếu sáng, khi so sánh với nguồn sáng chuẩn là ánh sáng mặt trời. Để tiện áp dụng, cấp chiếu sáng được phân theo các nhóm thể hiện màu tương ứng với yêu cầu chính xác thị giác và kinh phí cho phép:
| Nhóm hiện màu | Khoảng giá trị Ra | Ví dụ ứng dụng thích hợp | Ví dụ ứng dụng chấp nhận |
|---|---|---|---|
| 1A | $Ra > 90$ | Phân biệt màu, khám bệnh | |
| 1B | $80 < Ra < 90$ | Văn phòng, bệnh viện; in, sơn, dệt, ngành sản xuất công nghiệp yêu cầu cao | |
| 2 | $60 < Ra < 80$ | Sản xuất công nghiệp | Văn phòng |
| 3 | $40 < Ra < 60$ | Công nghiệp thô | Sản xuất công nghiệp |
| 4 | $20 < Ra < 40$ | Công nghiệp thô |
Xét theo cấp truyền đạt màu, thang phân loại gồm: rất tốt (cấp 1A, Ra ≥ 90), tốt (cấp 1B, 80 ≤ Ra < 90), vừa (cấp 2A, 70 ≤ Ra < 80), không tốt lắm (cấp 2B, 60 ≤ Ra < 70), kém (cấp 3, 40 ≤ Ra < 60) và rất kém (cấp 4, 20 ≤ Ra < 40).
Do bản chất nguồn sáng và trình độ công nghệ chế tạo khác nhau, mỗi loại đèn có dải chỉ số Ra đặc trưng: đèn LED, đèn sợi đốt (kể cả đèn halogen) và đèn huỳnh quang compact thường có Ra tốt nhất; đèn huỳnh quang ống và đèn sodium cao áp có nhiều chủng loại với Ra trải rộng; đèn metal halide dao động từ mức vừa đến tốt; đèn thủy ngân cao áp thường có Ra kém; và đèn sodium thấp áp có Ra kém nhất, gần như bằng 0. Điều đáng lưu ý là đèn sợi đốt, dù có nhiệt độ màu thấp, lại có chỉ số truyền đạt màu Ra rất cao, gần như tuyệt đối trung thực về màu sắc.
6.4. Chỉ số TM-30 – xu hướng đánh giá màu sắc thế hệ mới
Chỉ số CRI truyền thống được xây dựng dựa trên việc so sánh chỉ 8 màu mẫu (từ R1 đến R8), vốn chủ yếu là các tông màu pastel nhẹ nhàng, nên có hạn chế trong việc dự đoán chính xác cảm nhận màu sắc thực tế của mắt người, đặc biệt đối với các nguồn sáng LED có nhiệt độ màu dưới 5.000K.
Để khắc phục nhược điểm này, Hiệp hội Kỹ thuật Chiếu sáng Hoa Kỳ IES đã công bố phương pháp TM-30 vào năm 2015, sử dụng tới 99 màu mẫu thử nghiệm để đánh giá khả năng thể hiện màu của nguồn sáng một cách toàn diện hơn.
Phương pháp TM-30 đưa ra hai chỉ số chính là chỉ số độ trung thực Rf, có ý nghĩa tương tự Ra của CRI nhưng chính xác hơn nhờ mô hình màu hiện đại và bộ mẫu màu đại diện hơn, và chỉ số gam màu Rg, cho biết mức độ bão hòa màu sắc của nguồn sáng so với ánh sáng tự nhiên: nếu Rg lớn hơn 100, màu sắc sẽ trông rực rỡ hơn thực tế; nếu Rg nhỏ hơn 100, màu sắc có xu hướng nhạt hơn.
Tại các thị trường thiết kế chiếu sáng chuyên nghiệp, TM-30 đang dần được các kiến trúc sư và kỹ sư chiếu sáng sử dụng song song với CRI truyền thống, đặc biệt trong các công trình đòi hỏi độ chính xác màu sắc cao như showroom, phòng trưng bày nghệ thuật hay bán lẻ cao cấp; tại Việt Nam, CRI vẫn là chỉ số phổ biến nhất trong các sản phẩm chiếu sáng dân dụng và công nghiệp hiện nay.
7. Yêu cầu kỹ thuật của môi trường chiếu sáng và ứng dụng thực tế
7.1. Các yêu cầu cơ bản của một môi trường chiếu sáng đạt chuẩn
Một môi trường chiếu sáng được thiết kế tốt phải đáp ứng đồng thời ba yêu cầu cơ bản: cho phép con người nhìn thấy và di chuyển an toàn trong không gian; cho phép thực hiện các công việc bằng mắt một cách hiệu quả, chính xác và an toàn; và không gây mệt mỏi thị giác hay mất tiện nghi thị giác cho người sử dụng trong suốt thời gian làm việc.
Để đạt được các yêu cầu trên, chất lượng chiếu sáng cần thỏa mãn đồng thời hai nhóm tiêu chí định lượng và định tính. Về mặt định lượng, hệ thống phải đảm bảo đủ độ rọi, đo bằng đơn vị lux (lx), và đủ độ chói, đo bằng đơn vị candela trên mét vuông (cd/m²), theo đúng yêu cầu của loại hình công việc và không gian sử dụng.
Về mặt định tính, theo tiêu chuẩn TCVN 7114-1:2008, hệ thống chiếu sáng còn phải kiểm soát được độ đồng đều của độ rọi trên bề mặt làm việc, hạn chế chói lóa mất tiện nghi thông qua chỉ tiêu hệ số chói lóa đồng nhất UGR không vượt quá giới hạn UGRL cho phép, cũng như đảm bảo chỉ số thể hiện màu phù hợp với tính chất công việc.
7.2. Ứng dụng các đại lượng quang trắc trong thiết kế chiếu sáng thực tế
Trong thực hành thiết kế, các đại lượng quang trắc nêu trên không tồn tại độc lập mà liên kết chặt chẽ với nhau theo một chuỗi logic: quang thông và quang hiệu quyết định lượng ánh sáng phát ra từ bóng đèn; góc khối và đường cong IDC quyết định cường độ sáng phân bố theo từng phương; cường độ sáng kết hợp với khoảng cách và góc chiếu quyết định độ rọi tại điểm khảo sát; độ rọi kết hợp với hệ số phản xạ của bề mặt vật liệu quyết định độ chói mà mắt người thực sự cảm nhận; còn nhiệt độ màu và chỉ số thể hiện màu quyết định chất lượng cảm quan và mức độ trung thực màu sắc của không gian được chiếu sáng
Việc nắm vững toàn bộ chuỗi đại lượng này là điều kiện tiên quyết để kỹ sư điện và M&E có thể tính toán, lựa chọn bộ đèn, bố trí điểm chiếu sáng và kiểm chứng kết quả thiết kế theo đúng các tiêu chuẩn hiện hành như TCVN 5828 đối với chiếu sáng đường phố hay TCVN 7114-1:2008 đối với chiếu sáng nơi làm việc trong nhà.
BÀI VIẾT CÙNG CHỦ ĐỀ
Trong bối cảnh đô thị hóa diễn ra nhanh chóng, các tòa nhà cao tầng phục vụ mục đích thương mại, văn phòng và sinh hoạt ngày càng mọc lên dày đặc tại các thành phố lớn của Việt Nam. Đi kèm với quy [...]
Bài viết này trình bày một cách hệ thống các dạng hư hỏng và tình trạng làm việc không bình thường thường gặp ở động cơ điện ba pha, bao gồm ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây, chạm đất một pha, quá tải [...]
Trong hệ thống truyền động điện, động cơ xoay chiều có cổ góp là một nhóm máy điện đặc biệt, kết hợp đặc tính của động cơ điện một chiều với khả năng vận hành trực tiếp từ nguồn xoay chiều. Không giống như [...]
Máy điện đồng bộ là một trong những thiết bị điện quan trọng và phổ biến nhất trong hệ thống điện hiện đại, đóng vai trò trung tâm trong quá trình phát điện quy mô lớn trên toàn thế giới. Từ các nhà máy [...]
Động cơ điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp và đời sống hiện đại. Theo thống kê, động cơ không đồng bộ chiếm khoảng 90% lượng điện tiêu thụ của toàn bộ [...]
Máy biến áp (MBA) là thiết bị điện từ đóng vai trò trọng yếu trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng. Với các máy biến áp lực cỡ lớn như loại ngâm dầu ba pha 16.000 kVA/110 kV, một sự cố [...]
Cơ cấu cảm ứng là một trong những cơ cấu đo lường điện có lịch sử ứng dụng lâu dài và vai trò đặc biệt quan trọng trong ngành kỹ thuật điện. Không giống các cơ cấu từ điện hay điện từ vốn được [...]
Cơ cấu đo từ điện là một trong những cơ cấu chỉ thị cơ bản và được sử dụng phổ biến nhất để chế tạo các dụng cụ đo dòng điện và điện áp một chiều.Với đặc tính nổi bật là quan hệ tuyến tính [...]
Bài viết này trình bày một cách hệ thống các đặc tính cơ bản của dụng cụ đo điện, bao gồm khái niệm đo lường, độ nhạy và thang đo, các loại sai số, phương pháp tính độ chính xác, cũng như ý nghĩa [...]
Trong vận hành và quy hoạch hệ thống điện (HTĐ) hiện đại, hai vấn đề mang tính nền tảng mà bất kỳ kỹ sư điện nào cũng phải nắm vững là trào lưu công suất và ổn định hệ thống điện. Trào lưu công [...]