Εργαλεία Γνώσης για τη Σχεδίαση και Προσομοίωση Έργων Φωτισμού

Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του υποέργου 2 με τίτλο «Ανάπτυξη έντυπου εκπαιδευτικού υλικού για τα νέα Προγράμματα Σπουδών» της Πράξης «Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο», η οποία έχει ενταχθεί στο Επιχειρησιακό Πρόγραμμα «Εκπαίδευση και Διά Βίου Μάθηση» (ΕΠΕΔΒΜ) του ΕΣΠΑ (2007-2013), Άξονας Προτεραιότητας 7: «Ενίσχυση της Διά Βίου Εκπαίδευσης Ενηλίκων στις 8 Περιφέρειες Σύγκλισης» με κωδικό MIS 296121 και η οποία συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους, μέσω του Προγράμματος Δημοσίων Επενδύσεων (ΠΔΕ) του Υ.ΠΑΙ.Θ. Εργαλεία Γνώσης για τη Σχεδίαση και Προσομοίωση Έργων Φωτισμού Σημείωση Το ΕΑΠ είναι υπεύθυνο για την επιμέλεια έκδοσης και την ανάπτυξη των κειμένων σύμφωνα με τη Μεθοδολογία της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης. Για την επιστημονική αρτιότητα και πληρότητα των συγγραμμάτων την αποκλειστική ευθύνη φέρουν οι συγγραφείς, κριτικοί αναγνώστες και ακαδη μα ϊ κοί υπεύθυνοι που ανέλαβαν το έργο αυτό.

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Εφαρμοσμένων Τεχνών Πρόγραμμα Σπουδών ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΠΟΛΥΜΕΣΑ Θεματική Ενότητα ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ Τόμος Α Εργαλεία Γνώσης για τη Σχεδίαση και Προσομοίωση Έργων Φωτισμού Συγγραφή ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΜΠΟΥΡΟΥΣΗΣ Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών του ΕΜΠ Κριτική Ανάγνωση ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΖΕΥΓΩΛΗΣ Καθηγητής Ελληνικού Ανοικτού Πανεπιστημίου Ακαδημαϊκός Υπεύθυνος για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού του Π.Σ. ΙΑΚΩΒΟΣ ΠΟΤΑΜΙΑΝΟΣ Καθηγητής Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης Συντονιστής για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού της Θ.Ε. ΣΤΕΛΙΟΣ ΖΕΡΕΦΟΣ Αναπληρωτής Καθηγητής Ελληνικού Ανοικτού Πανεπιστημίου Ειδικός στη Μεθοδολογία της Ανοικτής και εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης ΜΟΪΡΑ ΧΙΛΛ Γλωσσική Επιμέλεια ΦΩΤΕΙΝΗ ΣΟΥΛΙΩΤΗ Τεχνική Επιμέλεια Καλλιτεχνική Επιμέλεια Σελιδοποίηση Σχήματα opusmagnum ISBN: 978-960-538-948-2 Κωδικός Έκδοσης: ΣΦΠ 60/A Copyright 2014 για την Ελλάδα και όλο τον κόσμο ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Πάροδος Αριστοτέλους 18, 26335 Περιβόλα Πατρών Τηλ.: 2610 367300, Φαξ: 2610 367650 To παρόν έργο πνευματικής ιδιοκτησίας προστατεύεται κατά τις διατάξεις του Ελληνικού Νόμου (Ν. 2121/1993 όπως έχει τροποποιηθεί και ισχύει σήμερα) και τις διεθνείς συμβάσεις περί πνευματικής ιδιοκτησίας. Απαγορεύεται απολύτως η άνευ γραπτής αδείας του εκδότη, κατά οποιονδήποτε τρόπο ή μέσο, αντιγραφή, φωτοανατύπωση και εν γένει αναπαραγωγή, εκμίσθωση ή δανεισμός, μετάφραση, διασκευή, αναμετάδοση στο κοινό σε οποιαδήποτε μορφή (ηλεκτρονική, μηχανική κ.λπ.) και η εν γένει εκμετάλλευση του συνόλου ή μέρους του έργου.

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Εφαρμοσμένων Τεχνών Πρόγραμμα Σπουδών ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΠΟΛΥΜΕΣΑ Θεματική Ενότητα ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΣΥΝΔΕΣΗ ΜΕ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ Τόμος Α Εργαλεία Γνώσης για τη Σχεδίαση και Προσομοίωση Έργων Φωτισμού ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΜΠΟΥΡΟΥΣΗΣ Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών του ΕΜΠ ΠΑΤΡΑ 2014

Βιογραφικό Ο Κωνσταντίνος Απ. Μπουρούσης είναι Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών, απόφοιτος του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Είναι ερευνητής στο Εργαστήριο Φωτοτεχνίας του ΕΜΠ. Διαθέτει πολυετή εμπειρία στην εκπαίδευση σε θέματα φωτοτεχνίας, τεχνολογίας φωτισμού και σχεδιασμού φωτισμού (ΕΜΠ, ΑΣΠΑΙΤΕ και αλλού). Διαθέτει, επίσης, πολυετή εργαστηριακή εμπειρία σε θέματα φωτομετρίας, διακριβώσεων φωτομετρικών οργάνων και μετρήσεων φωτισμού οδών και σηράγγων. Έχει λάβει μέρος σε πολυάριθμα έργα φωτισμού ως σχεδιαστής, σύμβουλος ή ως ανεξάρτητος αξιολογητής, καθώς και σε έργα εξοικονόμησης ενέργειας. Έχει συμμετάσχει σε διεθνή και εθνικά ερευνητικά προγράμματα. Είναι συγγραφέας ενός βιβλίου και πλήθους δημοσιεύσεων σε επιστημονικά περιοδικά και διεθνή συνέδρια. Έχει συγγράψει εκπαιδευτικό υλικό για το εργαστήριο «Τεχνολογίας Φωτισμού» της Σχολής ΗΜ/ΜΥ του ΕΜΠ και για το εργαστήριο «Φωτοτεχνίας» της ΑΣΠΑΙΤΕ.

Αφιερωμένο με αγάπη στη σύζυγό μου Χριστίνα και στα παιδιά μου Δήμητρα, Δαυιδούλα και Απόστολο

Περιεχόμενα Πρόλογος... 17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Φως και όραση Σκο πός, Προσ δο κώ μενα Αποτε λέ σματα, Έννοιες-Κλει διά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...19 1.1 Φως και χρώμα...21 1.1.1 Και εγένετο φως...21 1.1.2 Πού κρύβεται το χρώμα...24 1.2 Ο μηχανισμός της ανθρώπινης όρασης...26 1.2.1 Τα αισθητήρια του οφθαλμού και η επιμέρους συμβολή τους στην όραση...26 1.2.2 Οπτικό πεδίο τυπικών παρατηρητών...28 1.2.3 Οι ιδιαιτερότητες των φωτοανιχνευτών καθορίζουν τα φωτομετρικά μεγέθη...31 1.3 Βασικά φωτομετρικά μεγέθη...33 1.3.1 Φωτεινή ροή...33 1.3.2 Φωτεινή ένταση...37 1.3.3 Ένταση φωτισμού...37 1.3.4 Λαμπρότητα...38 Σύνοψη...41 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...43 Βιβλιογραφία...44 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...45 Απαντήσεις σεασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...46

10 ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΓΝΩΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΡΓΩΝ ΦΩΤΙΣΜΟΥ Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Πηγές φωτισμού Σκο πός, Προσ δο κώ μενα Αποτε λέ σματα, Έννοιες-Κλει διά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...51 2.1 Εισαγωγή...54 2.1.1 Ιστορική εξέλιξη των πηγών φωτισμού...54 2.1.2 Βασικές κατηγορίες πηγών φωτισμού...56 2.2 Ποιοτικά χαρακτηριστικά και δείκτες πηγών φωτισμού...58 2.2.1 Φωτεινή απόδοση και ενεργειακή κλάση...59 2.2.2 Μέσος χρόνος ζωής...66 2.2.3 Συντελεστής συντήρησης φωτεινής ροής...69 2.2.4 Θερμοκρασία χρώματος...70 2.2.5 Δείκτης χρωματικής απόδοσης...75 2.3 Λαμπτήρες πυράκτωσης...86 2.3.1 Δομικά στοιχεία...87 2.3.2 Εκπομπή φωτός με τη θέρμανση του νήματος βολφραμίου...91 2.3.3 Λειτουργικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά...93 2.3.4 Εφαρμογές...96 2.3.5 Θα εκλείψουν οριστικά οι λαμπτήρες πυράκτωσης;...98 2.4 Λαμπτήρες αλογόνου...100 2.4.1 Εισαγωγή...100 2.4.2 Τα βελτιωμένα χαρακτηριστικά του λαμπτήρα αλογόνου...100 2.4.3 Λειτουργικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά...101

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 11 2.4.4 Εφαρμογές...103 2.5 Λαμπτήρες φθορισμού...105 2.5.1 Εισαγωγή...105 2.5.2 Ανατομία του λαμπτήρα φθορισμού...105 2.5.3 Παραγωγή φωτεινής ακτινοβολίας με φθορισμό...111 2.5.4 Εκκινητής και στραγγαλιστικό πηνίο...113 2.5.5 Το ηλεκτρονικό ballast...114 2.5.6 Λειτουργικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά...116 2.5.7 Εφαρμογές...118 2.6 Συμπαγείς λαμπτήρες φθορισμού (Compact Fluorescent Lamp, CFL)...121 2.6.1 Εισαγωγή...121 2.6.2 Τύποι συμπαγών λαμπτήρων φθορισμού...121 2.6.3 Η αντικατάσταση των λαμπτήρων πυράκτωσης...122 2.6.4 Λειτουργικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά...123 2.6.5 Εφαρμογές...124 2.7 Λαμπτήρες ατμών νατρίου υψηλής πίεσης (High Pressure Sodium, HPS)...126 2.7.1 Γενικά για τους λαμπτήρες εκκένωσης υψηλής έντασης...126 2.7.2 Η εκκένωση στους ατμούς νατρίου υψηλής πίεσης...127 2.7.3 Λειτουργικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά...129 2.7.4 Εφαρμογές...131 2.8 Λαμπτήρες μεταλλικών αλογονιδίων (Metal-Halide, MH)...133 2.8.1 Γενικά...133 2.8.2 Η προσθήκη μεταλλικών αλογονιδίων...134 2.8.3 Έναυση και λειτουργία...136

12 ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΓΝΩΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΡΓΩΝ ΦΩΤΙΣΜΟΥ 2.8.4 Λειτουργικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά...138 2.8.5 Εφαρμογές...140 2.9 Φωτοεκπέμπουσες δίοδοι (Light emmiting diode, LED)...142 2.9.1 Γενικά...142 2.9.2 Η εκπομπή φωτός από ημιαγωγούς...142 2.9.3 Λειτουργικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά...146 2.9.4 Εφαρμογές...149 2.9.5 Θα υποκαταστήσουν τα LED τις συμβατικές φωτεινές πηγές;...151 2.10 Λοιπές φωτεινές πηγές...154 2.10.1 Γενικά...154 2.10.2 Λαμπτήρες ατμών υδραργύρου (mercury vapour)...154 2.10.3 Λαμπτήρες ατμών νατρίου χαμηλής πίεσης (Low Pressure Sodium)...156 2.10.4 Επαγωγικοί λαμπτήρες...158 Σύνοψη...162 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...165 Βιβλιογραφία...166 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...167 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...168 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...173 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Φωτιστικά σώματα Σκο πός, Προσ δο κώ μενα Αποτε λέ σματα, Έννοιες-Κλει διά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...175 3.1 Οπτικό σύστημα φωτιστικού σώματος...177 3.1.1 Εισαγωγή...177

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 13 3.1.2 Βασικές αρχές λειτουργίας φωτιστικών σωμάτων...177 3.1.3 Ανακλαστήρες...184 3.1.4 Φακοί...193 3.1.5 Φίλτρα...195 3.1.6 Οπτικά βοηθήματα...198 3.2 Μετρήσεις και υπολογισμοί ποιοτικών δεικτών φωτιστικών σωμάτων...204 3.2.1 Σύστημα συντεταγμένων φωτιστικών σωμάτων...204 3.2.2 Μέθοδοι μέτρησης φωτιστικών σωμάτων...213 3.2.3 Κατανομή φωτεινής έντασης...219 3.2.4 Κατανομή λαμπρότητας...224 3.2.5 Συνδυασμένος δείκτης θάμβωσης...226 3.2.6 Ζωνική κατανομή φωτεινής ροής και συνολική απόδοση...229 3.2.7 Συντελεστές χρησιμοποίησης...231 3.3 Κατηγορίες φωτιστικών σωμάτων...235 3.3.1 Εισαγωγή...235 3.3.2 Φωτιστικά εσωτερικού χώρου...236 3.3.3 Φωτιστικά εξωτερικού χώρου...247 Σύνοψη...257 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...259 Βιβλιογραφία...260 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...261 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...262 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...265

14 ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΓΝΩΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΡΓΩΝ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Φωτοτεχνικοί υπολογισμοί και μετρήσεις Σκο πός, Προσ δο κώ μενα Αποτε λέ σματα, Έννοιες-Κλει διά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...271 4.1 Υπολογισμοί φωτισμού σύμφωνα με το ευρωπαϊκό πρότυπο...274 4.1.1 Καθορισμός συντελεστών και δεικτών που επηρεάζουν τους φωτοτεχνικούς υπολογισμούς...274 4.1.2 Υπολογισμός του συντελεστή χρησιμοποίησης...285 4.1.3 Υπολογισμός έντασης φωτισμού και αριθμού φωτιστικών σωμάτων...292 4.2 Μέθοδοι μέτρησης φωτομετρικών μεγεθών...300 4.2.1 Μέτρηση έντασης φωτισμού...300 4.2.2 Μέτρηση λαμπρότητας...311 4.2.3 Μέτρηση χρώματος...317 Σύνοψη...323 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...325 Βιβλιογραφία...326 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...327 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...328 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...330 Βοηθητικοί πίνακες υπολογισμού συντελεστή χρησιμοποίησης...334 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Λογισμικό για τη σχεδίαση και προσομοίωση έργων φωτισμού Σκο πός, Προσ δο κώ μενα Αποτε λέ σματα, Έννοιες-Κλει διά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...337 5.1 Γενικές αρχές και φιλοσοφία λογισμικών σχεδίασης και προσομοίωσης έργων φωτισμού...340

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 15 5.1.1 Εξέλιξη των λογισμικών σχεδίασης και προσομοίωσης...340 5.1.2 Η υπάρχουσα κατάσταση...340 5.1.3 Δομή των λογισμικών...341 5.2 Λογισμικό RELUX...345 5.2.1 Δυνατότητες λογισμικού και μεθοδολογία εργασίας...345 5.2.2 Δημιουργία σχεδίων σε τρεις διαστάσεις...346 5.2.3 Δουλεύοντας με τις πηγές φωτισμού...350 5.2.4 Φωτοτεχνικοί υπολογισμοί και προσομοίωση τεχνητού και φυσικού φωτισμού...356 5.2.5 Φωτορεαλισμός με το Relux Vision...358 5.2.6 Δημιουργία ενεργειακού προφίλ έργου φωτισμού...360 5.2.7 Μελέτη περίπτωσης σχεδιασμού φωτισμού εσωτερικού χώρου...361 5.3 Αλγόριθμοι υπολογισμών RADIANCE...369 5.3.1 Εισαγωγή...369 5.3.2 Απαραίτητο υπόβαθρο και γνώσεις προγραμματισμού...370 5.3.3 Βασικές εντολές σχεδίασης χώρων επιφανειών και αντικειμένων...371 5.3.4 Δημιουργία και εισαγωγή πηγών φωτισμού...374 5.3.5 Μοντέλα φυσικού φωτισμού...375 5.3.6 Ορισμός οπτικού πεδίου παρατηρητών...376 5.3.7 Εντολές και επιλογές φωτομετρικών υπολογισμών και προσομοίωσης φωτισμού...377 5.3.8 Μελέτη περίπτωσης σχεδιασμού φωτισμού απλού δωματίου...378 Σύνοψη...383 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...384

16 ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΓΝΩΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗ ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΕΡΓΩΝ ΦΩΤΙΣΜΟΥ Βιβλιογραφία...385 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...386 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...387 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...388 Γλωσσάρι...395