اناره (هندسه)

Lighting (eng) - Technique d'éclairage

الإنارة (هندسة -)

محمد ترياكي

 أجهزة الإنارة

 الآثار الصحية والبيئية

مفاهيم أساسية في هندسة الإنارة

حسابات الإنارة الداخلية (تطبيقات وأمثلة)

الخلاصة

الإنارة lighting هي تسليط الضوء على سطوح الأشياء بهدف رؤيتها بالعين المجردة أو بوسائل أخرى تتحسس بالضوء. يُعدّ الضوء نوعاً من أنواع الطاقة الإشعاعية، ويعالج على أنه ذو طبيعة ازدواجية: جسيميّة على شكل فوتونات photons، أو موجيّة على شكل موجة كهرطيسية electromagnetic wave. وينتشر في الخلاء بسرعة ثابتة تساوي ، أما في وسط قرينة انكساره n، فسرعة الانتشار propagation velocity هي: ، ويرتبط التردد بطول الموجة بالعلاقة: ، وتُحسب طاقة الإشعاع بالعلاقة (1):

 

حيث: ثابت بلانك، و c سرعة الضوء، و طول الموجة.

يقع المجال الضوئي ضمن مجال الطيف الكهرطيسي بين أطوال الموجة ويقسم إلى ثلاثة مجالات رئيسية، وهي:

• الأشعة فوق البنفسجية

• أشعة الضوء المرئي

• الأشعة تحت الحمراء

لا شك في أن الإنفاق على تحسين شروط الإنارة كبير الجدوى وسريع التعويض اقتصادياً، والإنارة النموذجية هي الإنارة التي تستجيب لمتطلبات الصحة والاقتصاد معاً، وهي مسألة معقدة جداً وتدخل في صميم مهمات هندسة الصحة العامة. حيث تعدّ المتطلبات الصحية المنطلق الأساسي في دراسة خصائص الرؤية عند الإنسان؛ مثل حساسية العين بالضوء وقدرتها على تمييز الألوان والتباين، وحدة البصر، وسرعة الإدراك البصري؛ إضافة إلى ثبات الرؤية الواضحة، فالإنارة الجيدة توفر شروطاً ملائمة للعيش وممارسة مختلف الأنشطة الإنسانية.

أما الإنارة السيئة فقد تؤدي إلى حدوث إصابات مرضية مختلفة في العين وإصابات جسمية متنوعة إلى جانب إرهاق البصر والإرهاق العام في الجسم.

تُقسم الإنارة عموماً إلى إنارة طبيعية (الشمس، القمر، النجوم)، أو إنارة صنعية (المصابيح، الشموع، النار)، ويمكن أن تشمل النوعين معاً (مختلطة). تكون عادة النوافذ الجانبية أو المناور العلوية أو كلها هي منافذ الإنارة الطبيعية في المباني. فإذا أُحسن تخطيط الأبنية والشقق السكنية في المدن، ووُجهت التوجيه الصحيح، وطُليت جدران الغرف بالبياض أو الألوان الزاهية (الفاتحة)، وجُعلت النوافذ متسعة ومزدوجة الأطر؛ أَمكن التوصل إلى إنارة طبيعية داخلية مقبولة.

أجهزة الإنارة

احتلت المصابيح الكهربائية مكانتها المهمة في الاستثمار الصناعي، وجرى تحسين أنواعها وإطالة أعمارها (استعمال سلك التنغستين، واستعمال الوشائع المضاعفة، واختيار الضوء الأبيض المائل للصفرة، وملء الحبابة بغاز الأرغون ثم الهالوجين واليود وغير ذلك). وكانت الخطوة التالية في الإنارة بالكهرباء ابتكار أنابيب التفريغ الغازية (أنابيب البخار vapor tubes)، وهي أنابيب الإنارة التي تعمل بمبدأ الانفراغ الكهربائي داخل أنبوب مفرغ من الهواء يحوي كمية قليلة من بخار عنصر ما كالنيون مثلاً (الضوء الأحمر) أو بخار الزئبق (الضوء الأزرق والأبيض المائل للزرقة). وقد شاع استعمال هذه الأنابيب في الإنارة المنزلية وفي المصانع، وتزيين الواجهات منذ الثلاثينيات من القرن العشرين حتى غدت بعد تحسينها من أفضل الوسائل العملية في الإنارة الداخلية، وهي المعروفة اليوم باسم مصباح التألق الغازي أو الفلوريسنت fluorescent. وقد طرأت تحسينات كثيرة على أنابيب التفريغ الغازية في غضون النصف الثاني من القرن التاسع عشر، فابتُكر مصباح تفريغ بخار الزئبق العالي الضغط ومصباح تفريغ الصوديوم العالي الضغط أيضاً الذي استُعمل في إنارة الشوارع وواجهات المباني الحجرية والآثار، كما استُعمل أيضاً في الأجهزة التي تحتاج إلى إنارة شديدة، وكان من آخر ما أُنجز في هذا الصدد مصباح تفريغ الزنون (غاز الزنون xenon الخامل) ذو الطاقة العالية والضوء المشابه لضوء الشمس تقريباً، ثم مصباح التألق الكهربائي الذي يجعل الجدران والسقوف وكأنها ذاتية الإنارة، والذي قد يصبح وسيلة الإنارة الأساسية في المستقبل.

تُصنّف أجهزة الإنارة بحسب نوع الإنارة الناجمة عنها، لذلك يمكن التفريق بين عدة طرق تبعاً لتوزيع الضوء وهي:

أ- الإنارة المباشرة: يسلط الضوء بنسبة من 09% إلى 001% نحو السطح المطلوب إضاءته، وتمتاز الإنارة المباشرة بجودة مردودها.

ب- الإنارة نصف المباشرة: تنشأ بصورة رئيسية من الأجهزة الزجاجية المفتوحة من الأسفل حيث يتجه من 60% إلى90% من النور نحو الأسفل إلى السطح المطلوب إضاءته، وتعطي إنارة اقتصادية من دون إزعاج.

ج- الإنارة ذات التوزيع العام (المتناظر): حيث تكون الإنارة موزعة على نحو متساوٍ ومنتظم في جميع الاتجاهات، وهي أوفر من الإنارة المباشرة ونصف المباشرة.

د- الإنارة غير المباشرة جزئياً: يتوزع جزء من النور نحو الأسفل إلى السطح المطلوب إضاءته، ولكن يتجه القسم الأعظم منه (من 60% إلى 90%) إلى الأعلى نحو السقف والجدران وينعكس منها بصورة منتظمة إلى جميع أرجاء المكان.

ﻫ- الإنارة غير المباشرة: في هذه الحالة يُستفاد من خاصية الانعكاس وتناثر الضوء لإضفاء الإنارة الكافية على المكان، ويتوزع كامل النور تقريباً من 90% حتى100% إلى السطح المطلوب إضاءته بعد ارتداده عن سطح الغرفة، وعندئذٍ يصبح كامل السقف مصدراً للضوء، لذلك ينعدم الوهج واللمعان تقريباً. وتستعمل الإنارة غير المباشرة في المكاتب والمراسم والأماكن التي تتطلب إنارة قوية للعمل الدقيق.

لكل توزيع للإنارة ميزات ومثالب. فتسليط الضوء كله على مكان العمل مثلاً يساعد على تركيز إنارة جيدة على السطح المطلوب، بيد أن السقف يبقى معتماً، ويصبح إجهاد البصر كبيراً، في حين تعطي الإنارة غير المباشرة منظراً بهيجاً ومريحاً، ويكاد يشبه ضوء السماء المنتثر، غير أن مثل هذه الإنارة تتعب البصر عند القراءة وعند القيام بأعمال دقيقة. في حين أن الإنارة العامة والمختلطة (المباشرة وغير المباشرة) تجمع بين ميزات الطريقتين السابقتين، وتتجاوز مثالبهما.

الآثار الصحية والبيئية

أثبتت بعض الدراسات والأبحاث الدولية التي أعلنتها هيئة الصحة العالمية أن بعض المصابيح الكهربائية ولاسيما الموفّرة للطاقة والمصابيح الممتلئة بالغازات مثل غاز الزنون الخامل وغاز الزئبق؛ قد تخرج منها أبخرة سامة عند تحطمها. وإذا استنشق الإنسان ذلك الغاز فقد يصاب بصداع نصفي مزمن‏، وترتفع درجة الخطورة عند الأطفال والمسنين ذوي الحساسية الذين قد يتعرضون لأزمات في التنفس تهدد حياتهم‏. ومن ناحية أخرى، فإن ازدياد هذه المصابيح بات يؤكدّ وصول هذه المصابيح المنتهية إلى التربة ومنها إلى السلسلة الغذائية؛ ما لم تُتخذ إجراءات خاصة للحدّ من مخاطرها. يؤدي التعرض لمستويات عالية من الزئبق إلى أعراض الحكة الشديدة والحروق والالتهابات الجلدية، كما يؤدي إلى مشكلات الكلى والأرق.

ويتجلى الخطر الثاني في الإشعاعات الكهرطيسية التي تصدرها هذه المصابيح؛ إذ تبيّن أن مصابيح توفير الطاقة تقوم بإصدار أشعة فوق بنفسجية بكميات كبيرة جداً تسبب أضراراً جسيمة على الأفراد الموجودين بالقرب منها، على عكس المصابيح التقليدية التي لا تصدر مثل هذه الأشعة بكميات كبيرة.

يتضح مما سبق أهمية معالجة المصابيح التالفة- وليس المهشمة فقط - بوضعها في أكياس سميكة من البلاستيك لمنع تسرب الغازات السامة منها، ثم إحكام إغلاقها ورميها في حاويات مخصصة لها.

مفاهيم أساسية في هندسة الإنارة

ثمة مفاهيم أساسية في هندسة الإنارة الكهربائية تسمح بفهم القوانين والحسابات اللازمة لتحقيق الإنارة الكافية والصحيّة للمكان المدروس، وهي تعبر عن المقادير الضوئية المرئية اللازمة للعين البشرية، وهي:

1 - التدفق الضوئي luminous flux: وهو معدل إصدار الضوء من المنبع خلال مدة زمنية معينة يمكن أن تتحسسها العين البشرية، ويُرمز له ()؛ وواحدة قياسه اللومن (Lum) lumen. فعلى سبيل المثال، تشع الشمعة العادية 13 لومناً، و المصباح السلكي المتوهج ذو الاستطاعة 100 واط يشع 1300 لومن، وأنبوب التألق الغازي بطول 120 سم يشع نحو 5000 لومن.

2 - شدة الإشعاع الضوئي luminous intensity: وهي مقدار التدفق الضوئي الصادر عن المنبع باتجاه معيّن ضمن الزاوية المجسمة (solid angle - steradian)، وتقاس بالشمعة candela، ويرمز للشدة بـ(I)؛ أي إن شدة إنارة منبع ضوئي نقطي (شمعة واحدة) تساوي تدفقاً ضوئياً قيمته لومن واحدٌ ضمن زاوية مجسمة قيمتها واحد ستراديان (العلاقة 2).

حيث: cd الشمعة، st الستراديان.

3- الطاقة الضوئية luminous energy: وهو مقدار التدفق الضوئي على مساحة محددة من السطح المقابل لمصدر الضوء في أي نقطة من نقاطه، يرمز لها بـ(E)، وتقدَّر باللوكس (Lux). وهو وحدة قياس تكافئ الضوء المباشر الساقط على سطح يبعد متراً واحداً عن مصدر ضوئي نقطي يعادل شمعة واحدة، وهو يساوي أيضاً لومناً واحداً في المتر المربع (العلاقة 3).

تقاس الطاقة الضوئية عادة في الولايات المتحدة الأمريكية باللومن/قدم2 أو شمعة/قدم2، أي كمية الضوء الصادرة عن شمعة واحدة على سطح مساحته قدم مربعة واحدة على مسافة قدم واحدة (30 سم). أي إن اللومن/قدم2 يعادل 10,76 لوكس. وتُقدّر الطاقة الضوئية لضوء النهار المباشر من سماء تغطيها غيوم بيضاء ناصعة بنحو 10000 لوكس أي 1000 لومن/قدم2 تقريباً، أما شدة الإنارة اللازمة لمعمل في الشروط الاعتيادية مع استعمال أنابيب التألق الغازية فهي بحدود 1000 لوكس. يبين الجدول (1) القيم الوسطيّة للطاقة الضوئية الموصى بها مقدرة باللوكس.

الجدول (١): القيم الوسطيّة للطاقة الضوئية مقدرة باللوكس )Lux( . المنشأة اللجنة الدولية للإنارة روسيا بريطانيا فرنسا ألمانيا مكاتب 500 300 500 320 500-250 قاعات عامة، مصارف، واجهات العرض 1000 500 750 800 1000 قاعات مطالعة، مكتبات 500 300 300 400 500 قاعات مؤتمرات 300 500 500 160 250 صالات طعام في المطاعم 200 200 100 240 120 أدراج الأبنية 150 75 150 160 120 مطابخ في الفنادق والمطاعم 500 200 500 200 500 قاعات الاستقبال 100 - 50 150 - غرف النوم 50 - 50 56 - غرف الأطفال 150 - - 160 120 الحمامات 100 - 100 80 120 غرف الجلوس والمطالعة 500 - 300 320 500

4 - المردود الضوئي luminous efficiency: وهو العامل الذي يحدد نسبة التدفق الضوئي مقدراً باللومن إلى الاستطاعة الكهربائية الفعلية اللازمة لتحقيق الإشعاع الضوئي بالواط، ويُقاس المردود باللومن/واط.

5 - عامل الانعكاس reflection factor: وهو قابلية سطح ما لعكس الضوء الساقط عليه ليراه الناظر. فالسطح الأبيض يعكس الضوء بنسبة 100%، في حين لا يزيد عامل الانعكاس للسطح الأسود على %2، ويبلغ عامل الانعكاس للسطح الرمادي قرابة 40% من الضوء الساقط عليه، فإذا كان السطح ناثراً للضوء في جميع الاتجاهات؛ فإن عامل الانعكاس يقترب من الواحد، وتصبح شدة الإنارة مرهونة مباشرة بكمية الضوء الساقط على ذلك السطح.

6 - عامل الاستعمال utilization factor: وهو نسبة التدفق الكلي الواصل إلى سطح العمل إلى التدفق الضوئي الكلي الصادر عن المصباح ويرمز له بـ()، وتعتمد قيمته في المقام الأول على طريقة الإنارة، وتعتمد أيضاً على نوع جهاز الإنارة ومنحنيه القطبي إضافة إلى لون الجدران والسقف وأبعاد الغرفة وارتفاع المصباح فوق مستوي العمل.

تعتمد معظم تصميمات الإنارة- ولاسيما الإنارة الداخلية- على نشر الضوء في مساحة واسعة بمستوى متماثل، ويتطلب ذلك دراسة توزع الضوء من كل منبع، حيث يتحدد هذا التوزع عن طريق المنحنيات القطبية polar curves كما هو موضح في الشكل (1). يمثل المحور العمودي زاوية الصفر، وتحدد المنحنيات القطبية توزع شدة الإنارة بزوايا مجسمة بالنسبة إلى المستوي العمودي المار من محور المنبع الضوئي، وتُراعى هنا مسألة التناظر في توزع الإنارة؛ فيمكن الاكتفاء بدراسة جزء واحد فقط من الأجزاء المتناظرة.

الشكل (1): توزع الضوء في إحداثيات المنحنيات القطبية.

تُقدم الشركات الصانعة عادة عوامل الاستثمار الخاصة (عوامل الاستعمال) بأجهزة الإنارة التي تقوم بتصنيعها، وعند عدم توافر عوامل الاستثمار لأجهزة الإنارة، مثل استخدام إنارة مصنّعة محلياً؛ يمكن للدارس الاعتماد على عامل الاستعمال الموجود في الجدول (2) بحسب طبيعة الموقع والتقدير الفنّي للدارس.

الجدول (2): عامل الاستعمال بحسب طريقة الإنارة وشكل توزع الضوء.

حسابات الإنارة الداخلية (تطبيقات وأمثلة):

تُعدّ الحسابات الدقيقة للإنارة أمراً معقداً، وتتطلب الأخذ في الحسبان جميع العوامل المؤثرة في الإنارة كطبيعة المكان وأبعاده وسطوحه وعوامل انعكاسها؛ إضافة إلى المعالم المعمارية للمكان وفرشه ونوع المصابيح المستخدمة والمنحني القطبي لجهاز الإنارة المستخدم، ويتطلب الأمر استخدام برمجيات حاسوبية لإجراء حسابات الإنارة.

وفي الحالة العامة، يمكن الاعتماد على طريقة عامل الاستعمال لحسابات الإنارة الداخلية العامة، حيث يجري أولاً تحديد شدة الإنارة المناسبة للمكان المراد إنارته، ثم حساب التدفق الكلي اللازم، وبعد اختيار نوع المصباح والجهاز المناسب يمكن حساب عدد أجهزة الإنارة اللازمة وفقاً للمراحل التالية:

1 - حساب التدفق الضوئي اللازم لإنارة الموقع: وفق العلاقة (4):

حيث:

: التدفق الضوئي الكلي اللازم لإنارة الموقع، ويُقدّر باللومن.

D: عامل تقادم المصابيح والأجهزة، وإدخاله في المعادلة يؤدي إلى تلافي أثر نقص المردود الضوئي للمصابيح بمرور الزمن وتراكم الغبار، ويقدر بقيمة 1.25.

E: الطاقة الضوئية المناسبة لطبيعة الموقع، وتُقدّر باللوكس، وتتحدد القيمة انطلاقاً من الجدول (1).

A: مساحة الموقع، وتُقدّر بالمتر المربع.

: عامل الاستعمال.

2 - تحديد نوع المصابيح وعدد الأجهزة المستخدمة: بعد حساب التدفق الضوئي الكلي اللازم لإنارة الموقع يجري تحديد نوع مصباح الإنارة المناسب (فلوريسنت، هالوجين، بخار الزئبق...إلخ) بحسب طبيعة الموقع. وبتحديد عدد المصابيح المركّبة في كل جهاز إنارة؛ يمكن تحديد عدد أجهزة الإنارة اللازمة وفق العلاقة (5):

حيث:

N: عدد أجهزة الإنارة اللازمة.

n: عدد المصابيح المركّبة في كل جهاز إنارة.

: التدفق الضوئي الذي يعطيه المصباح الواحد.

3 - حساب الطاقة الضوئية الفعلية: يمكن حساب هذه القيمة وفق العلاقة (6):

- مثال: المطلوب دراسة إنارة مكتب مساحته

فإذا كانت - الطاقة الضوئية المقترحة وفق الجدول (1) هي : E = 350 Lux؛ فإن التدفق الضوئي الكلي اللازم بحسب العلاقة (4) هو:

وذلك بافتراض أن عامل الاستعمال هو: ؛ وأن الإنارة مباشرة بحسب الجدول (2).

وعند استخدام جهاز إنارة ذي عاكس صناعي أبيض يحتوي مصباحي فلوريسنت، يعطي كل مصباح تدفقاً ضوئياً قدره 2000Lum، واستطاعة كل مصباح 40 واطاً؛ يكون عدد أجهزة الإنارة اللازمة لتحقيق التدفق الضوئي الكلي بحسب العلاقة (5) هو:

أي يمكن إنارة المكتب استخدام أربعة أجهزة موزعة على صفين. ويمكن حساب الطاقة الضوئية الفعلية بناءً على العلاقة (6):

بحيث يجري تشغيل هذه الأجهزة وإطفاؤها معاً من مفتاح واحد يُركّب على باب الدخول للمكتب.

الخلاصة

إن هندسة الإنارة الكهربائية هي فن وذوق وإبداع، الغرض منها الحصول على إنارة جيدة تتلاءم مع الحالة الصحيّة الجيدة للعين البشرية التي يجب أن تقوم بعملها الطبيعي من دون إرهاق. إن تطور فن الإنارة ما يزال مستمراً لإيجاد أفضل الشروط الكميّة والكيفيّة معاً. وأخيراً فإن الجمع بين الإنارة الاستثمارية والإنارة التزيينية جمعاً ماهراً مدروساً يؤلف عنصراً مهماً في إعطاء المدينة والشارع والمنشآت جميعها مسحة جمالية منسجمة تمنحها طابعها الخاص.

مراجع للاستزادة: - Code for Lighting, Society of Light and Lighting (SLL), Chartered Institute of Building Services Engineers, London, 2009. - Code of Practice for Energy Efficiency of Lighting Installations, Electrical and Mechanical Services Department, Hong Kong, 2007. - Electrical Power Supply and Lighting Engineering, BBSE, 2002. - M. Karlen & J. R. Benya, Lighting Design Basics, John Wiley & Sons, Hoboken, N.J., 2004.

---

- التصنيف : الهندسة الكهربائية - النوع : الهندسة الكهربائية - المجلد : المجلد الثالث مشاركة :