Valovoima I Valaistustekniikan perussuure, myös yksi SI-järjestelmän perussuureista kuvaa valonlähteen säteilemän valon intensiteettiä avaruuskulmaa kohti yksikkö on kandela, (cd) Yksikön nimi juontuu sen vanhasta määritelmästä steariinikynttilän avulla, jonka liekin vieressä valovoima on karkeasti 1 cd. SI-järjestelmän määritelmä: ”Kandela on sellaisen säteilylähteen valovoima, joka tiettyyn suuntaan lähettää monokromaattista säteilyä taajuudella 540 THz:n, ja jonka säteilyteho tähän suuntaan on 1/638 wattia steradiaania kohti” Kandelan määritelmään valittu 540 THz taajuus vastaa aallonpituutena 555 nm, joka asettuu kuvassa 1 ihmissilmän suhteellisen spektriherkkyyskäyrän huippu- kohtaan päivänvalossa eli tappinäkemisessä. Hämärässä valaistuksessa eli sauvanäkemisessä samainen huippukohta asettuu 507 nm:n kohdalle

Valovirta ϕ, yksikkö lumen kuvaa näkyvän valon säteilytehoa, joka on painotettu ihmissilmän spektriherkkyydelle. Valovirta määritellään valonlähteen valovoiman ja avaruuskulman tulona: Φ = I ∙ ω Yksikkö : lm (Lumen) = cd ∙ sr

Avaruuskulman määritelmä Avaruuskulma ω määritellään pinnan A ja säteen r neliön suhteena: ω = A / r2 Avaruuskulman yksikkö on steradiaani, (sr). Koko pallon pinta-alan A ollessa 4πr2 on koko avaruutta kuvaava avaruuskulma 4π

Avaruuskulma ω Valonlähteestä säteilevä valo voi edetä kolmiulotteisessa avaruudessa ympärisäteilevästi tai haluttuun suuntaan, jolloin on käytettävä myös kolmiulotteista suuntaa kuvaavaa kulmasuuretta, avaruuskulmaa ω. Kuvassa on esimerkki avaruuskulmasta. Kartio muodostuu r-säteisen pallon pinnalla olevasta mielivaltaisesta alasta A. Avaruuskulma ω on kartion sisään jäävä osa avaruudesta.

Valotehokkuus η Valaisimen hyötysuhde Ilmaisee sen, paljonko valaisimen ottamasta sähkötehosta P saadaan muutettua valovirraksi ϕ Näiden kahden suureen suhdetta kutsutaan valotehokkuudeksi η η = ϕ / P Yksikkö: lumen/watti (lm/W) Valaistuksen tehokkuus määritellään muuten samoin, mutta sähkötehoon lasketaan valaisimen lisäksi liitäntälaitteen ottama teho

Valotehokkuuden teoreettiset maksimiarvot Valotehokkuuden arviointia helpottamaan esitellään kaksi teoreettista maksimiraja-arvoa. Jos valonlähde säteilee vain 555 nm:n aallonpituutta, on sen teoreettinen maksimivalotehokkuus on 638 lm/W. Jos valonlähde säteilee tasaisesti pelkästään näkyvän spektrin alueella, on teoreettinen maksimi tällöin 187 lm/W. Tähän arvoon päästään laskemalla silmän spektriherkkyysarvojen V(λ) keskiarvon (väliltä 390–780 nm, 10 nm:n välein) ja valotehokkuusvakion Km tulo. ϕ = Km ∙V(λ)ave ϕ = 683 ∙V0,2740 lm = 187 lm

Valaistusvoimakkuus E, yksikkö luksi E on tilan tai pinnan valaisun riittävyyden arvioimiseen käytetty suure Kun valonlähteestä pinnalle saapuva valovirran tiheys lankeaa johonkin pinnalle, se heijastuu, läpäisee pinnan tai absorboituu pintaan. Valaistusvoimakkuus E määritellään valovirran ϕ ja pinta-alan A suhteena: E = φ / A yksikkö on luksi (lx) eli luumenia neliömetrille (lm/m2) Valaistusvoimakkuus on hyvin yleinen tapa ilmoittaa tilojen ja pintojen valaistuksen ohjearvoja

Valaistusvoimakkuuteen liittyvä neliö- ja kosinilaki Neliölain mukaan pistemäisestä valonlähteestä tiettyyn suuntaan tulevan valon ja valaistusvoimakkuuden ollessa kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön, pätee yhtälö: E= ( I / r2 ) E = valaistusvoimakkuus I = valovoima r = valonlähteen ja pinnan välinen etäisyys, α = pinnan normaalin ja valon tulosuunnan välinen kulma Useimmiten valoa tulee useammasta kulmasta mitattavaan pisteeseen tai vastaavasti yhdestä valonlähteestä tulevaa valoa halutaan mitata eri kohdista valaistavaa aluetta. Tällöin valaistusvoimakkuus voidaan laskea kosinilain avulla. Laissa otetaan huomioon valaistusvoimakkuuden verrannollisuus valon tulo-kulman ja pinnan normaalin välisen kulman kosiniin: Eh= ( I α / r2 ) * cos α jossa Eh on valaistusvoimakkuus, Iα on valovoima suuntaan α ja r on valonlähteen ja pinnan välinen etäisyys

Paikallinen valaistusvoimakkuuden laskeminen pistemenetelmällä Lasketaan yksittäisistä valaisimista suoraan tiettyyn pisteeseen tulleen valon synnyttämä Eh Yhtälö pätee parhaiten ulkovalaistuksessa (ei heijastavia seiniä, valonlähteet kaukana toisistaan jne) Eh= ( I α / h2 ) * cos3 α Eh = vaakasuoran tason valaistusvoimakkuus tarkasteltavassa pisteessä I α = valovoima tarkasteltavan pisteen suuntaan h = valonlähteen ja valaistavan pinnan välinen kohtisuora etäisyys α = pinnan normaalin ja valon tulosuunnan välinen kulma

Keskimääräisen valaistusvoimmakkuuden laskenta hyötysuhdemenetelmällä Yhtälö: E = β∙η ∙(N∙φ) / A β = alenemakerroin, aiheutuu pintojen likaantumisesta ja valaisimen lamppujen valontuoton heikkenemisestä niiden vanhetessa (valmistaja ilm) η =Valaistushyötysuhde, aiheutuu valaisimen rakenteesta sekä tilan muodosta ja pintojen heijastusominaisuuksista jne (haetaan taulukoista) N = Valaisimien lukumäärä Φ = Yhden valaisimen lamppujen valovirta A = valaistavan tilan pinta-ala Yhtälöstä voidaan laskea valaisinmäärä, jolla tilassa saadaan keskimääräinen valaistusvoimakkuus E Menetelmä sopii kohtalaisen hyvin tavanomaisten huoneiden E:n laskemiseen

Luminanssi On pinta-alkiosta tiettyyn suuntaan säteilevän valovoiman suhde pinta-alkion kyseiseen suuntaan otetun projektion alaan Yksikkö : cd/m2 Kuvaa sitä, kuinka kirkkaalta pinta näyttää ja vaikuttaa merkittävästi siihen, minkälainen näköaistimus syntyy L = Iθ / A cos θ Θ = tarkasteltavan pinnan normaalin ja valon tulosuunnan välinen kulma

Luminanssiin liittyvä tehtävä Miten luminanssi liittyy valaistussuunnitteluun? S. 609-

Värilämpötila, Planckin käyrä

Silmän suhteellinen herkkyys eri aallonpituuksilla kirkkaassa (tappisolut) ja hämärässä (sauvasolut)

Värilämpötila Fysikaalisesti tarkasteltuna värilämpötila T on Planckin säteilyn lähteen ns. mustan kappaleen säteilylämpötila. Mustan kappaleen ominaisuus absorboida täydellisesti siihen saapuva säteily, tekee siitä myös täydellisen säteilijän, koska heijastumista tai läpäisyä ei tapahdu. Kappaleen lämpötila vaikuttaa säteilyn kokonaistehoon, säteilyn maksimin arvoon sekä säteilyn maksimiarvon aallonpituuteen. Kappaleen lämpötilan noustessa kasvaa säteilyn määrä voimakkaasti kaikilla aallonpituuksilla, sillä säteilyn kokonaisteho on verrannollinen lämpötilan neljänteen potenssiin. Samalla säteilynekistanssin maksimi siirtyy lyhyemmille aallonpituuksille sekä säteilyeksistanssin maksimin arvo kasvaa. (Säteilyeksitanssi ilmaisee pinnasta lähtevän valovirran tiheyden vrt. valaistusvoimakkuus, pinnalle tulevan valovirran tiheys)

Värintoistoindeksi, Ra -arvo määritellään kahdeksan standardoidun testiväripinnan avulla Valituilla värinäytteillä on keskimääräinen vaaleus ja värikylläisyys ja ne kattavat koko väriympyrän Yleinen värintoistoindeksi Ra koostuu erikoisindekseistä Ri, jolloin kahdeksan värinäytteen erikoisindeksien Ri aritmeettinen keskiarvo muodostaa yleisen värintoistoindeksin Ra. Keskiarvoluonteensa takia yleinen värintoistoindeksi on täysin suhteellinen vain vertailu-valonlähteeseen, jolloin tilanne, jossa kahdella valonlähteellä voi olla samat Ra-arvot, mutta spektrit ja sitä kautta värintoistot ovat erilaiset, on mahdollinen

Värintoistoindeksi, Ra -arvo Ra ilmoitetaan lukuna asteikolla 0–100 Indeksi 0 on täysin monokromaattista valoa, jossa vain säteilty väri toistuu, kun taas 100 vastaa täydellistä värintoistoa, vrt päivänvalo Hehkulankalamppujen Ra on lähes 100, koska vertailuvalonlähteet ovat Planckin säteilijöitä Lämminvalkean 3000 K:n loistelampun Ra = 50, joka toimii yleisen värintoistoindeksin laskentaperustana.

Ra -indeksin arvosteluasteikko Ra-indeksi Arvosteluasteikko Tyypillisiä käyttö- ja sovelluskohteita 100 Täydellinen Päivänvalo, hehkulankalamput 90–100 Erinomainen Erikoisloistelamput, tietyt ledilamput, muut erikoislamput 80–90 Hyvä Tavalliset loistelamput, monimetalli- ja pienloistelamput, tavalliset ledilamput 70–80 Tyydyttävä Huonolaatuiset loistelamput, tietyt ledilamput 50–70 Välttävä Jotkut katulamput, huonolaatuiset loistelamput 0-50 Huono Katu- ja tievalot yleensä 0 Ei värintoistoa Pienpainenatriumlamput, monokromaattiset valonlähteet, laservalo

Tehtävä 1 Laske valovoimat suunnissa A) suoraan valaisimen alla B) 30 astetta valaisimen sivussa C) 60 astetta valaisimen sivussa Seuraaville valaisimille 1) Cover (Fagerhult, s. 439) 2)Rondo G2 Power (leveä ), s. 465 3)Pleiad Comfort G3, s 266 4) Induline, 2-lamppuinen, Terazza , s. 243

Tehtävä 2: Etsi ja kuvaa kampukselta esimerkki: Suorasta valaistuksesta Epäsuorasta valaistuksesta Valaistustilanne, jossa häikäisyä

Tehtävä 3 Hehkulampun valovirta on 700 lm, se kuluttaa tehoa 60 W ja maksaa 0,5 euroa. Lamppu kestää keskimäärin 1000 h. Lamppu korvataan 11 W energiansäästö- lampulla, jonka valovirta on myös 700 lm ja joka maksaa 7,5 € ja kestää 10000 h. Kumpi lamppu kannattaa valita, jos sähköstä joudutaan maksamaan siirtoi- neen 0,15 € /kWh?   Entä jos lampun tuottama lämpöenergia saadaan hyödynnettyä lämmityksessä ja öljylämmityksessä lämpöenergiasta joutuu maksamaan 0,11 €/kWh?

Tehtävä: Luokkahuoneen valaistusvoimakkuus 4a) Lasketaan hyötysuhdemenetelmällä ja mitataan luokkahuoneen keskimääräinen valaistusvoimakkuus 4b)Verrataan laskettua tulosta eri kohdista mitattuun valaistusvoimakkuuteen Lähtötiedot: luokka suorakaiteen muotoinen, pituus 10 m, leveys 6,5m alenemakerroin β (oletus) = 0,9 Valaisimien lukumäärä N = 10, jokainen sis 58W, T5 loisteputken huoneen muodoista ja pinnoista aiheutuva hyötysuhde η =0,5 (arvio) 4c) Arvioi tulosten oikeellisuutta. Pohdi, mitkä seikat aiheuttavat virhettä tuloksiin.