Đồ án: tốt nghiệp thiết kế chiếu sáng tự nhiên cho công trình đặc trưng

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế chiếu sáng tự nhiên cho công trình đặc trưng, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Đỗ Minh Hưng
• Người hướng dẫn: PGS. Võ Viết Cường
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện - Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Chiếu Sáng Tự Nhiên Cho Công Trình Đặc Trưng
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Thiết kế Chiếu sáng Tự nhiên

Thiết kế chiếu sáng tự nhiên là một lĩnh vực quan trọng trong ngành xây dựng hiện đại, nhằm tối ưu hóa việc sử dụng ánh sáng mặt trời cho các công trình. Đề tài này tập trung vào việc xây dựng quy trình thiết kế chiếu sáng tận dụng nguồn sáng tự nhiên, giúp giảm chi phí năng lượng và tăng hiệu suất sử dụng. Với sự phát triển của công nghệ, các phần mềm mô phỏng như Revit và DIAlux Evo đã trở thành công cụ hữu ích trong việc phân tích và thiết kế hệ thống chiếu sáng. Đề tài được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới hướng dẫn của các chuyên gia trong lĩnh vực công nghệ kỹ thuật điện - điện tử.

1.1. Tầm quan trọng của Ánh sáng Tự nhiên trong Thiết kế

Ánh sáng tự nhiên không chỉ cung cấp độ sáng cần thiết mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe và năng suất làm việc của con người. Thiết kế chiếu sáng tự nhiên giúp tối ưu hóa môi trường làm việc, giảm stress và tăng cảm giác thoải mái cho người ở trong công trình. Ngoài ra, việc tận dụng ánh sáng mặt trời còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách giảm tiêu thụ điện năng cho hệ thống chiếu sáng nhân tạo.

1.2. Mục tiêu và Phương pháp Nghiên cứu

Mục tiêu chính là xây dựng quy trình kết hợp Revit và DIAlux Evo để thiết kế hệ thống chiếu sáng hiệu quả. Phương pháp nghiên cứu bao gồm thu thập thông tin thứ cấp, phân tích, tổng hợp và phương pháp quy nạp. Đề tài đã phân tích 08 phần mềm mô phỏng năng lượng, lựa chọn 02 công cụ có tính năng vượt trội nhất.

II. Phân tích và So sánh các Phần mềm Thiết kế Chiếu sáng

Để thực hiện đề tài thiết kế chiếu sáng tự nhiên, việc lựa chọn phần mềm phù hợp là yếu tố then chốt. Đề tài đã đánh giá 08 phần mềm khác nhau, mỗi phần mềm có những ưu điểm riêng trong mô phỏng ánh sáng tự nhiên và tính toán năng lượng. Sau khi phân tích chi tiết ưu nhược điểm, nhóm nghiên cứu lựa chọn Revit và DIAlux Evo làm công cụ chính. Revit nổi bật với khả năng mô hình 3D và tích hợp dữ liệu xây dựng, trong khi DIAlux Evo cung cấp các công cụ mô phỏng ánh sáng chi tiết và chính xác. Sự kết hợp hai phần mềm này tạo nên một quy trình toàn diện cho thiết kế chiếu sáng.

2.1. Revit Công cụ Mô hình BIM

Revit là nền tảng Building Information Modeling (BIM) hàng đầu, cho phép các kiến trúc sư và kỹ sư xây dựng mô hình 3D chi tiết của công trình. Ưu điểm chính là khả năng tích hợp dữ liệu toàn bộ dự án, từ cấu trúc kiến trúc đến các hệ thống cơ điện. Trong thiết kế chiếu sáng, Revit hỗ trợ phân tích ánh sáng tự nhiên thông qua các công cụ mô phỏng năng lượng.

2.2. DIAlux Evo Chuyên gia Mô phỏng Ánh sáng

DIAlux Evo là phần mềm chuyên biệt trong mô phỏng chiếu sáng, cung cấp các công cụ tính toán độ sáng, phân bố ánh sáng và hiệu suất năng lượng với độ chính xác cao. Phần mềm này cho phép tính toán chi tiết về lượng ánh sáng tự nhiên đạt tới từng khu vực trong công trình, hỗ trợ thiết kế hệ thống chiếu sáng tối ưu kết hợp với ánh sáng ban ngày.

III. Quy trình Thiết kế Chiếu sáng Tự nhiên cho Công trình Đặc trưng

Quy trình thiết kế chiếu sáng tự nhiên được xây dựng dựa trên hai phần mềm chính: Revit và DIAlux Evo. Bước đầu tiên là xây dựng mô hình 3D công trình trong Revit, bao gồm các thông số kiến trúc, kích thước cửa sổ, vật liệu bề mặt và hướng công trình. Tiếp theo, dữ liệu được chuyển sang DIAlux Evo để thực hiện mô phỏng ánh sáng tự nhiên chi tiết, tính toán mức độ chiếu sáng tại các điểm khác nhau trong công trình. Sau đó, nhóm nghiên cứu phân tích kết quả, so sánh với tiêu chuẩn chiếu sáng quốc tế, và đề xuất giải pháp tối ưu để tận dụng tối đa ánh sáng mặt trời trong khi vẫn đảm bảo độ sáng cần thiết.

3.1. Lập Mô hình và Nhập Dữ liệu trong Revit

Bước đầu tiên là tạo mô hình 3D chi tiết của công trình trong Revit. Điều này bao gồm xác định vị trị địa lý, hướng công trình, kích thước cửa sổ và vật liệu tường, sàn, trần. Các thông số này rất quan trọng vì ánh sáng tự nhiên phụ thuộc vào hướng mặt trời, kích thước cửa mở, và khả năng phản xạ ánh sáng của vật liệu.

3.2. Mô phỏng và Phân tích Ánh sáng trong DIAlux Evo

Sau khi có mô hình từ Revit, dữ liệu được nhập vào DIAlux Evo để thực hiện mô phỏng ánh sáng tự nhiên. Phần mềm này tính toán độ sáng tại từng vị trí trong công trình dựa trên dữ liệu thời tiết địa phương, góc mặt trời và đặc tính vật liệu. Kết quả cho phép đội thiết kế đánh giá hiệu suất của hệ thống chiếu sáng tự nhiên.

IV. Ứng dụng và Tiết kiệm Chi phí Năng lượng

Khi thiết kế chiếu sáng tự nhiên được tối ưu hóa, công trình có thể giảm đáng kể chi phí điện cho hệ thống chiếu sáng nhân tạo. Đề tài đã áp dụng quy trình kết hợp Revit và DIAlux Evo vào một công trình mẫu, sau đó tính toán lượng chi phí tiết kiệm khi áp dụng các giải pháp được đề xuất. Kết quả cho thấy việc tận dụng ánh sáng tự nhiên không chỉ giảm chi phí vận hành mà còn cải thiện chất lượng môi trường làm việc, tăng năng suất và sức khỏe của con người. Ngoài ra, giải pháp thiết kế chiếu sáng tự nhiên còn có tác dụng bảo vệ môi trường bằng cách giảm lượng điện tiêu thụ, từ đó giảm phát thải carbon.

4.1. Giảm Chi phí Điện và Năng lượng

Thiết kế chiếu sáng tự nhiên cho phép giảm số giờ sử dụng hệ thống chiếu sáng nhân tạo. Theo kết quả mô phỏng, công trình có thể tiết kiệm từ 30-50% chi phí điện cho chiếu sáng tùy theo vị trí địa lý và thiết kế cửa sổ. Việc tối ưu hóa ánh sáng ban ngày là một giải pháp tiết kiệm chi phí dài hạn và bền vững.

4.2. Lợi ích Môi trường và Sức khỏe Con người

Ngoài tiết kiệm năng lượng, thiết kế chiếu sáng tự nhiên cung cấp ánh sáng với phổ nhiệt màu tự nhiên, giúp cải thiện nhịp sinh học và nâng cao năng suất làm việc. Người ở trong môi trường có ánh sáng tự nhiên được biết có sức khỏe tốt hơn, ít stress hơn. Đồng thời, giảm tiêu thụ điện góp phần bảo vệ môi trường bằng cách giảm phát thải CO2.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Tiết kiệm năng lượng hiện là yêu cầu cấp bách và đòi hỏi sự chung tay của toàn thế giới nhằm giảm thiểu những hậu quả to lớn mà con người đang phải gánh chịu trong suốt hơn một thập kỉ qua như: hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi trường, mất cân bằng hệ sinh thái… Theo thống kê, ngành công nghiệp và xây dựng hiện chiếm tỉ lệ tiêu thụ năng lượng rất cao trong tổng cơ cấu sử dụng năng lượng toàn cầu, Tại Mỹ tỉ lệ tiêu thụ năng lượng của các công trình xây dựng là 20%, điện năng 70% và phát thải đến 39% tổng lượng khí thải CO2 quốc gia. Tại Việt Nam, theo thống kê của Bộ Công thương, công suất tiêu thụ của các tòa nhà cao tầng chiếm đến 25% tổng công suất tiêu thụ quốc gia. Trong đó, năng lượng tiêu thụ cho một công trình cao tầng điển hình bao gồm: công suất lạnh chiếm 60%, chiếu sáng 18%, điều hòa thông gió 5%, thang máy 5% và các lĩnh vực khác 4%. Số liệu trên cho thấy: (1) công trình cao tầng là đối tượng tiềm năng về tiết kiệm năng lượng nếu xây dựng được phương án sử dụng năng lượng hiệu quả; (2) sử dụng tiết kiệm năng lượng trong các công trình xây dựng, đặc biệt là năng lượng điện có khả năng góp phần to lớn trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến khí hậu và môi trường sống nêu trên.

Mặc dù công suất tiêu thụ của các ứng dụng chiếu sáng chỉ chiếm từ 14 – 26,2% tổng công suất tiêu thụ trong công trình xây dựng, nhưng chiếu sáng vẫn được đánh giá là một cơ hội đáng tin cậy để áp dụng các giải pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Tận dụng nguồn ASTN hiệu quả vào các công trình kiến trúc không phải là xu hướng mới trên thế giới (vì đã được khai thác rất hiệu quả từ thời cổ đại), nhưng hiện nay lại là xu hướng của nền kiến trúc thế giới sau một thời gian rất dài con người đánh giá sai lầm về hiệu quả của CSTN trong thiết kế kiến trúc. Một trong những giải pháp phổ biến hiện nay là thiết kế hệ thống chiếu sáng tận dụng năng lượng mặt trời (chiếu sáng ban ngày – daylighting). Trên thực tế, CSTN đã được áp dụng từ thời kì cổ đại và trung đại, đặc biệt là ở La Mã, Hy Lạp và Ai Cập.

Tuy không còn xa lạ nhưng với sự ra đời và phát triển của các loại đèn nhân tạo hiện nay, CSTN không còn được chú trọng trong thiết kế công trình xây dựng ở nhiều nước trên thế giới, đặc biệt ở Việt Nam là rất hạn chế. Nhờ sự phát triển của khoa học, kỹ thuật và công nghệ mà sản phẩm điển hình là các phần mềm TKCS hiện đang được áp dụng phổ biến để mô phỏng các thiết kế 1 kiến trúc hiện đại, sự kết hợp giữa chiếu sáng nhân tạo và CSTN đã được mô hình trực quan hóa, hỗ trợ tăng cường hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của các giải pháp trong công trình kiến trúc nhằm giảm điện năng tiêu thụ, giảm thiểu các hệ quả do các vấn đề liên quan đến khí hậu và môi trường sống nêu trên. Mục tiêu đề tài Đề tài được thực hiện nhằm nghiên cứu xây dựng quy trình TKCS tận dụng ASTN cho công trình xây dựng dựa trên các phần mềm mô phỏng năng lượng, thiết kế chiếu sáng hiện đại. Phương pháp nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu 1.

Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài là phương pháp thu thập thông tin thứ cấp; phương pháp phân tích, tổng hợp và phương pháp quy nạp. Nội dung nghiên cứu gồm có bốn phần chính: Đầu tiên, đề tài liệt kê 08 phần mềm, là những công cụ hỗ trợ mô phỏng năng lượng và TKCS tính đến hiện tại, phân tích ưu nhược điểm từng phần mềm, lựa chọn 2 phần mềm có tính năng vượt trội, phù hợp với quy mô đề tài làm công cụ hỗ trợ nghiên cứu, cụ thể là phần mềm Revit và phần mềm DIAlux Evo. Ứng với mỗi phần mềm, đề tài xây dựng quy trình áp dụng chi tiết để sử dụng phân tích mô phỏng ASTN công trình, tiến hành áp dụng lần lượt từng phần mềm vào công trình mẫu. Sau khi mô phỏng, đề tài phân tích kết quả, so sánh ưu nhược điểm giữa 02 phần mềm.

Qua đó đánh giá, lựa chọn sử dụng một trong hai kết quả xây dựng giải pháp chiếu sáng tận dụng ASTN cho công trình mẫu, tính toán lượng chi phí tiết kiệm khi ứng dụng giải pháp. Qua quá trình nghiên cứu, ứng dụng thực tế các quy trình đã xây dựng, đề tài tổng hợp kết quả, đưa ra quy trình kết hợp phần mềm Revit và DIAlux Evo, ứng dụng thiết kế hệ thống chiếu sáng tận dụng ASTN cho các công trình xây dựng. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng được đề tài áp dụng nghiên cứu là một công trình thuộc loại công trình nhà xưởng, được cải tạo thành văn phòng tích hợp ở huyện Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai. Kiến trúc công trình được cải tạo theo xu hướng công trình xanh với rất 2 nhiều cửa kính lấy sáng, về chiếu sáng, công trình được TKCS nhân tạo theo hướng tiết kiệm năng lượng với các loại đèn hiện đại nhưng hiện thiết kế chưa được kiểm tra về khả năng ứng dụng ánh sáng mặt trời chiếu sáng ban ngày cho công trình.

Kết quả dự kiến Qua nghiên cứu, đề tài đưa ra 02 quy trình áp dụng phân tích mô phỏng ASTN cho công trình xây dựng sử dụng phần mềm Revit và phần mềm DIAlux Evo, 01 giải pháp chiếu sáng cho công trình áp dụng. Kết quả cuối cùng là 01 quy trình kết hợp phần mềm Revit và DIAlux Evo, ứng dụng thiết kế hệ thống chiếu sáng ban ngày tận dụng ASTN cho công trình xây dựng. Giới hạn đề tài Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn và trình độ nghiên cứu còn hạn chế, đề tài nghiên cứu dừng lại ở mức mô phỏng ASTN, kiểm tra thiết kế, chứng minh tính hiêu quả khi ứng dụng phần mềm hỗ trợ để TKCS tự nhiên cho đối tượng công trình văn phòng dựa trên kiến trúc và TKCS nhân tạo có sẵn. Khả năng áp dụng cho các loại công trình khác và những đề xuất giúp hệ thống CSTN đạt hiệu quả cao hơn sẽ được đề tài đề cập trong mục đề xuất nghiên cứu, làm tiền đề cho các nghiên cứu về sau.

3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Lý thuyết về chiếu sáng và CSTN Chiếu sáng được hiểu là sử dụng ánh sáng để đạt được hiệu quả về độ rọi hoặc nghệ thuật. Có 2 loại hình chiếu sáng chính là chiếu sáng nhân tạo và CSTN. Chiếu sáng nhân tạo là lấy nguồn sáng từ các đèn hoặc các vật phát sáng cụ thể, còn CSTN là thì sử dụng chủ yếu là từ năng lượng của Mặt Trời, đối với từng loại hình chiếu sáng đều có ưu và nhược điểm khác nhau để người thiết kế có thể lựa chọn loại hình phù hợp.

Một số khái niệm về CSTN (Daylighting) Ánh sáng ban ngày(daylight) là sự kết hợp của ánh sáng khuếch tán từ bầu trời và ánh sáng mặt trời. CSTN (Daylighting) là bất kỳ phương pháp nào mà ASTN được đưa vào một căn phòng để thay thế hoặc bổ sung cho ánh sáng nhân tạo. Độ rọi tổng cộng ngoài nhà gồm 2 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 khuếch 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 khuếch 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 thành phần chủ yếu tính toán CSTN. Chiến lược Daylighting (Daylighting strategy) có những khía cạnh quan trọng: - Tạo ra cơ sở lý thuyết có thể thuyết phục nhà đầu tư, nhà thiết kế về lợi ích mà công nghệ Daylighting mang lại - Xây dựng giải thuật thiết kế - Tính toán hiệu quả kinh tế - Đưa ra kết luận.

Điều khiển ánh sáng (Lightning control): là sử dụng cảm biến để phát hiện mức độ ánh sáng trong phòng và từ đó điều chỉnh ánh sáng đèn điện cho phù hợp. Ở 4 mức độ không tinh vi, các công cụ kiểm soát chỉ đơn giản là bật và tắt tất cả đèn điện để phù hợp với mức độ ánh sáng môi trường xung quanh. Mức bình thường cho phép bật và tắt một số đèn. Tại mức độ tinh vi nhất, đèn điện được điều chỉnh liên tục để đáp ứng với số lượng ánh sáng có sẵn.

Một hệ thống điều khiển đầy đủ sẽ bao gồm cảm biến quang, bộ điều khiển, dimmer, thiết bị cảm ứng, hệ thống che nắng… Cảm biến quang: Một yếu tố quan trọng của tất cả các loại điều khiển quang điện là các cảm biến.Cảm biến sẽ phát hiện sự có mặt, đủ, thiếu của ASTN và sẽ gửi một tín hiệu đến một bộ điều khiển sẽ điều chỉnh ánh sáng phù hợp. Nếu chỉ có một cảm biến duy nhất mà không được đặt đúng vị trí có thể gây ra vấn đề nếu phần không gian nội thất bị che mờ bởi các tòa nhà hay cây cối. Bộ điều khiển: Một bộ điều khiển được đặt ở đầu của một mạch (thường là bảng phân phối) và kết hợp một thuật toán để xử lý các tín hiệu từ các cảm biến quang và chuyển đổi nó thành một tín hiệu lệnh điều khiển. Bộ phận dimmer và switching: Một bộ phận dimmer sẽ thay đổi lượng ánh sáng của đèn điện bằng cách thay đổi số lượng điện năng chảy vào đèn.

Nếu ánh sáng ban ngày là ít hơn so với độ rọi mục tiêu, phải tăng cường thêm ánh sáng nhân tạo. Switching cũng có thể được sử dụng thay vì dimmer, nhưng điều này không được khuyến cáo vì với thiết bị switching là chuyển đổi bật và tắtnhanh chóng có thể làm giảm tuổi thọ bóng đèn và ảnh hưởng đến sự điều tiết mắt của người cư ngụ trong tòa nhà.Vì vậy, Dimmer ít gây khó chịu cho người cư ngụ hơn switching. Ngoài ra, cần phải thêm những bộ phận điều khiển bằng tay để người sử dụng có thểtự kiểm soát. Thiết bị cảm ứng: Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiều công nhân viên được ra khỏi văn phòng của họ khoảng 30% - 70% thời gian làm việc.

Có thể đặt cảm biến tự tắt đèn khi không có người trong văn phòng.