Để thiết kế tạo được sự tiện nghi về ánh sáng, bạn cần phải biết các đại lượng đo lường ánh sáng. Việc đo và nhận biết ánh sáng có thể là một vấn đề mang tính chuyên môn cao. Để phân tích ánh tự nhiên hiệu quả đòi hỏi phải có được sự chính xác về các thuật ngữ cũng như hệ chuẩn được sử dụng.
Các hệ chuẩn cơ bản
“Độ sáng” của ánh sáng có thể có nhiều quan điểm khác nhau: ví dụ, lượng ánh sáng đến từ một nguồn sáng là quang thông (lumens), lượng ánh sáng tiếp cận một bề mặt là độ rọi (lux), lượng ánh sáng phản xạ ra khỏi một bề mặt là độ sáng (cd/m2)
Các đại lượng này khác nhau vì một bề mặt càng xa nguồn sáng thì ánh sáng tiếp cận với bề mặt đó càng ít, và bề mặt đó tối hơn, đồng thời cũng có ít tia sáng tới hơn được phản xạ.
Ví dụ, nguồn sáng điểm như một ngọn nến tạo ra độ rọi 1 lux trên một vật cách đó 1m có thể tạo ra độ rọi 1/4 lux trên cùng vật đó để xa 2m hay 1/9 lux trên vật khi nó cách xa 3m.
Hiểu và sử dụng đúng đại lượng là điều rất quan trọng
Quang thông và cường độ = ánh sáng đến từ nguồn sáng
Lượng ánh sáng rời khỏi 1 nguồn nhất định theo tất cả các hướng được gọi là quang thông (hay “cường độ chiếu sáng”) và là một đơn vị đo của tổng tất cả năng lượng ánh sáng nhận được. Nó được đo bằng đơn vị lumen. Lumen là một hệ chuẩn rất hữu dụng để so sánh xem nguồn sáng đó sáng như thế nào (vd. Một bóng sợ đốt 60W tương đương khoảng 850 lumens).
Mắt người có thể tiếp nhận được ánh sáng trong “dải quang phổ quan sát được” – giữa các bước sóng khoảng 390 nm (tím) và 700 nm (đỏ). Con người tiếp nhận được một số bước sóng của các ánh sáng mạnh hơn và quang thông được tách ra để phản xạ nó (sử dụng chức năng hiệu suất sáng). Dòng bức xạ là một đơn vị có liên quan được xác định bằng tổng năng lượng bức xạ điện từ một nguồn sáng (không chỉ ánh sáng quan sát được – cả tia hồng ngoại và tia cực tím) và được đo bằng đơn vị watt.
Lượng ánh sáng truyền theo một hướng nhất định thì được gọi là “cường độ sáng” và nó được đo bằng candelas. Một ngọn nến phát ra khoảng một candela theo tất cả các hướng (ngọn nến này phát ra tổng cộng 12,6 lumen.
Khi mô phỏng chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo, các đặc tính này được mã hóa vào các nguồn sáng mà chương trình của bạn sử dụng – dù nó là mặt trời (và ở điều kiện bầu trời nhất định) hay bóng đèn và các thiết bị khác.
Độ rọi = ánh sáng tới bề mặt
Lượng ánh sáng tiếp cận được trên một bề mặt được gọi là “độ rọi” và nó được đo bằng đơn vị lux (đơn vị đo = lumen/m2) hay foot-candle (đơn vị của Anh = lumen/ft2). 1 footcandle tương đương 10.8 lux. Đây là đơn vị mà bạn thường xuyên sử dụng để tối ưu hóa sự tiện nghi về ánh sáng vì các quy chuẩn và tiêu chuẩn xây dựng sử dụng đội rọi để chỉ định mức sáng tối thiểu cho từng trường hợp và từng môi trường.
Giá trị này không phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu bề mặt được chiếu sáng. Tuy nhiên, vì lượng ánh sáng bề “quan sát được” lại tùy thuộc vào lượng ánh sáng được phản xạ từ các bề mặt xung quanh nó; nó cũng phục thuộc vào màu sắc và khả năng phản xạ của các bề mặt xung quanh.
Độ sáng của bầu trời được đưa ra sử dụng giá trị độ rọi đo được trên một mặt phẳng nằm ngang không bị che khuất. Một số độ rọi phổ biến được liệt kê trong bảng dưới đây:
Điều kiện
Độ rọi
(ftcd)
(lux)
Toàn bộ ánh sáng tự nhiên 1,000 10,752 Ngày nhiều mây 100 1,075 Ngày tối trời 10 107 Chạng vạng 1 10.8 Tờ mờ sáng 0.1 1.08 Trăng tròn 0.01 0.108 Trăng khuyết 0.001 0.0108 Sao trời 0.0001 0.0011
Mức độ chiếu sáng tiện nghi
Các giá trị trên thể hiện tổng cường độ chiếu sáng tự nhiên. Là một nhà thiết kế, công việc của bạn là phải đảm bảo rằng cư dân sống trong tòa nhà có được mức chiếu sáng phù hợp cho các hoạt động và cố gắng có càng nhiều ánh sáng tự nhiên càng tốt. Các mức độ này thường được đo trên một bề mặt làm việc của công trình.
Các khu vực có thể quá tối hoặc quá sáng và các mức độ này tùy thuộc vào điều kiện công việc. Độ sáng yêu cầu phục vụ nghề kim hoàn hay lắp đặt thiết bị điện tử lớn hơn nhiều so với ánh sáng yêu cầu để có thể đi tới lối ra của phòng. Dưới đây là bảng mức sáng cho các hoạt động khác nhau.
Đo độ rọi bằng phần mềm
Với hàng loạt phần mềm phân tích chiếu sáng hiện có, bạn có thể thấy được giá trị thực tế của các ánh sáng hữu dụng tiếp cận trên các bề mặt quan trọng như bàn, tường và lối đi. Tùy thuộc vào mức độ chiếu sáng yêu cầu đối với từng công việc nhất định, bạn có sử dụng các hình ảnh mô phỏng định lượng để hiểu thêm không gian có hữu dụng không hay liệu thiết kế cần phải được lưu ý nhiều hơn. Không gian dưới đây hoạt động tốt như thế nào dưới điều kiện ánh sáng ban ngày và ánh sáng ban đêm.
Hình ảnh mô phỏng độ sáng – ban ngày.
Hình ảnh mô phỏng độ sáng – Chiếu sáng sử dụng điện.
Trong phân tích chiếu sáng tự nhiên, bạn thường muốn thể hiện độ sáng qua từng không gian để có thể thấy được ánh sáng suy giảm như thế nào khi bạn cách xa các cửa sổ và các nguồn sáng. Các hình ảnh dưới đây thể hiện sơ đồ mức độ chiếu sáng trên bề mặt dưới dạng hình ảnh mặt cắt trực quan. Các đồ thị này giúp thể hiện xem liệu các bề mặt có nhận được mức độ chiếu sáng phù hợp hay không cũng như giúp mô phỏng nguồn phát tán ánh sáng.
Giá trị chiếu sáng trên mặt bằng làm việc của một phòng học. Giá trị từ nguồn phát xạ thể hiện trên lưới phân tích trong Autodesk Ecotect. Độ sáng = ánh sáng được phản xạ bởi một bề mặt
Độ sáng là ánh sáng phản xạ khỏi một bề mặt và được đo bằng candelas trên mét vuông (cd/m2), hay Nits (đơn vị imperial).
Độ sáng là thứ mà chúng ta nhận được khi nhìn vào màn hình hay sử dụng máy ảnh/ quay phim. Chất lượng và cường độ ánh sáng tới mắt của bạn tùy thuộc vào đặc tính vật liệu của bề mặt. (màu sắc, độ phản xạ, hoa văn).
Các giá trị về độ sáng thường được sử dụng để nghiên cứu chất lượng quan sát của không gian. Hình ảnh phần mềm Visual (như 3ds) dựa trên yếu tố này và có thể đem lại cho người thiết kế một ý tưởng tốt về việc không gian sẽ như thế nào dựa trên vật liệu và nguồn sáng được lựa chọn.
Trong khi độ rọi có vai trò vô cùng hữu ích đối với việc nhận biết các giá trị định lượng về mức độ thành công của một thiết kế thì nó lại không phải là một phương pháp tốt để đo ánh sáng bởi vì mắt người có thể điều chỉnh dải sáng lớn qua 3-4 cấp khuếch đại, từ ánh sáng ban ngày cấp sô nhân 10 của 1000 lux (1000 fc), tới chỉ cấp số nhân 10 của lux (một chữ số fc); sẽ rất khó để đo một hình ảnh mô phỏng của một không gian sáng và không quá sáng. Liệu chỉ nhìn vào các hình ảnh mô phỏng mà bạn có thể nói rằng cường độ ánh sáng trong hình anh ban ngày lớn hơn 100 lần trong hình ảnh buổi tối?
Hình ảnh mô phỏng –Ban ngày.
Hình ảnh mô phỏng – Buổi tối.
Hình ảnh mô phỏng độ rọi rất hữu dụng cho việc nhận biết chất lượng ánh sáng như việc phân bổ ánh sáng và độ lóa nhưng lại không hữu dụng cho việc nhận biết liệu không gian có đủ ánh sáng cho mục đích sử dụng hay không. Độ lóa được xác định bằng cách so sánh giá trị sáng giới hạn mà mắt cư dân sẽ nhìn thấy từ một vị trí định trược.
Các phương pháp sử dụng trong thiết kế chiếu sáng tự nhiên
Dựa trên các phương pháp này, nhà thiết kế chiếu sáng sử dụng thêm một số hệ chuẩn khác như hệ số chiếu sáng và tự chiếu sáng để giúp tối ưu hóa và tạo mối liên lạc giữ định tính và định ánh sáng tự nhiên thay đổi rất nhiều tùy theo điều kiện ngoài trời.
Hệ số chiếu sáng tự nhiên
Độ sáng thực tế nhờ chiếu sáng tự nhiên trong phòng thay đổi rất nhiều do sự bao phủ của mây và vị trí của mặt trời. Đề giải quyết với các biến số lớn do điều kiện ngoài trời, một số thiết kế và quy chuẩn xây dựng sử dụng hệ số chiếu sáng như là một tiêu chí thiết kế thay cho độ rọi trên mặt bằng làm việc.
Hệ số chiếu sáng được thể hiện dưới tỷ lệ phần trăm giữa ánh sáng tự nhiên tiếp cận bề mặt công tác so với ánh sáng tự nhiên tiếp cận bề mặt nằm ngang hoàn toàn thông thoáng, không bị che khuất trong cùng điều kiện ngoài trời. Hệ số chiếu sáng được phân tích tại một điểm nhưng giá trị này thường được lấy trung bình cho toàn bộ phòng và được mô phỏng trên một lưới.
Hệ số chiếu sáng 5% trên bề mặt bên trong có nghĩa là nó nhận được 1/20 lượng ánh sáng tự nhiên tối đa hiện có.
Hệ số chiếu sáng được tính toán và mô phỏng trong Ecotect.
Tự chiếu sáng (DA) và chiếu sáng tự nhiên (UDI)
Hệ số chiếu sáng thường được tính toán theo tiêu chuẩn điều kiện trời nhiều mây để thể hiện các kịch bản được thiết kế trong điều kiện xấu nhất (xem Design Sky, bên trên). Sự phân bố ánh sáng trong vòm trời nhiều mây là một giả thuyết bao gồm các dải ngang đồng nhất sáng hơn ở trên đỉnh (hay cao độ mặt trời lớn hơn). Do sự đồng nhất này này và sự thật là hệ số chiếu sáng được tính toán theo tỷ lệ phần trăm, chỉ có tham số ảnh hưởng tới hệ số chiếu sáng là kiểu dáng hình học của phòng vật liệu thi công. Nó sẽ không phụ thuộc vào định hướng hay vị trí của công trình.Để tham khảo, một phòng có hệ số chiếu sáng dưới 2% được xem là chiếu sáng kém. Phòng có hệ số chiếu sáng từ 2% đến 5% được xem là lý tưởng cho các hoạt động thông thường trong nhà. Với hệ số chiếu sáng trên 5%, việc tính toán tới các yêu cầu về nhiệt (xem human thermal comfort) là rất quan trọng vì một diện tích lớn kính có thể gây ra hao hụt nhiệt trong mùa hè và quá nóng trong mùa động.
Tự chiếu sáng/ Daylight Autonomy (DA) là tỷ lệ phần trăm của thời gian làm việc khi chiếu sáng cần thiết được đáp ứng bằng chỉ chiếu sáng tự nhiên. Nó được đo bằng cách so sánh chiếu sáng tự nhiên trên mặt bằng làm việc với mức yêu cầu tối thiểu theo thời gian. Đây là một hệ chuẩn rất phổ biến và có thể cho bạn thấy cần ánh sáng như thế nào để đáp ứng yêu cầu chiếu sáng cụ thể.
Chiếu sáng tự nhiên/ Useful Daylight Illuminances (UDI) cũng đo tỷ lệ thời gian mà không gian nhận được ánh sáng tự nhiên phù hợp nhưng nó cũng xác định khi mức chiếu sáng quá cao hay quá thấp. UDI cũng căn cứ theo 3 tiêu chuẩn (nó phù hợp với mức chiếu sáng tiện nghi nêu trên).