Thiết kế, lắp đặt hệ thống chiếu sáng LED cho phòng thử nghiệm

Với sự kết hợp giữa tiết kiệm năng lượng, độ bền và cấu trúc cấu hình thấp, công nghệ chiếu sáng diode (hay đèn LED) đã nhanh chóng trở thành thiết bị chiếu sáng được chọn lựa. Cách nhanh chóng và nóng vội khi đưa ra thị trường mà không tạm dừng ngành công nghiệp chiếu sáng khi chưa xây dựng các tiêu chuẩn đã gây ra một số sai lầm dẫn đến sớm thất bại, như đèn chập chờn và chất lượng màu kém.

Ngành công nghiệp này đã đáp ứng bằng cách xây dựng các tiêu chuẩn mới mà hầu hết các nhà sản xuất đã chấp nhận. Điều quan trọng là quy định thử nghiệm các sản phẩm theo các tiêu chuẩn an toàn công nghiệp (UL) và tệp dữ liệu trắc quang (IES). Bài viết này nhằm giúp các nhà quản lý phòng thử nghiệm, nhà cung cấp thiết bị và các chuyên gia cần xem xét một số tiêu chí khi áp dụng thiết bị chiếu sáng vào môi trường phòng thử nghiệm.

Tạo ánh sáng đèn LED trong môi trường phòng thử nghiệm

Thiết kế và xem xét thiết bị chiếu sáng cho các cơ sở phòng thử nghiệm

Tại sao sử dụng đèn LED?

Tiềm năng tiết kiệm năng lượng và chi phí bảo trì thấp hơn đã khiến đèn LED luôn được  các chủ sở hữu tòa nhà lựa chọn trong thiết kế thi công nội thất. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ báo cáo, việc sử dụng rộng rãi đèn LED chiếu sáng có tác động tiềm năng tiết kiệm năng lượng lớn nhất ở Hoa Kỳ. Đến năm 2027, việc sử dụng rộng rãi đèn LED có thể tiết kiệm khoảng 349 TWhr (terawatt-giờ) so với không sử dụng đèn LED. Đây là sản lượng điện hàng năm tương đương của 44 nhà máy điện lớn (mỗi 1000 megawatt) và tổng tiết kiệm hơn 30 tỷ đô la trong số giá điện hiện nay (www.energy.gov).T iềm năng tiết kiệm năng lượng lớn sẵn có là lý do khiến chủ sở hữu và quản lý cơ sở đang chuyển sang công nghệ đèn LED chiếu sáng để giảm chi phí vận hành và giảm nhu cầu liên quan đến nhiên liệu hóa thạch.

Công suất chiếu sáng của đèn LED

Người quản lý phòng thử nghiệm, nhà cung cấp thiết bị và các chuyên gia cần xem xét các tiêu chuẩn khi kết hợp thiết bị chiếu sáng trong môi trường phòng thử nghiệm.

Tầm nhìn của con người khá nhạy cảm với các biến thể của màu sắc. Người ta ước tính mắt có thể phân biệt khoảng 10 triệu màu sắc khi so sánh cạnh nhau. Nhận thức màu sắc của con người phụ thuộc vào sự phân bố công suất quang phổ của ánh sáng. Không như các công nghệ thiết bị chiếu sáng trước đây, đường cong phân bổ công suất quang phổ cho các sản phẩm LED khác nhau rất nhiều.

Kết xuất màu chính xác, nhất quán trong toàn bộ môi trường phòng thử nghiệm (ngang trần nhà và trong tủ hút) có thể rất quan trọng trong quá trình nghiên cứu, đặc biệt là khi các dải thử nghiệm và đánh giá mẫu dựa trên các đánh giá màu. Điều quan trọng là chất lượng màu và tính nhất quán màu của ánh sáng điện được đề cập khi thiết kế và thi công các thiết bị chiếu sáng trong các môi trường này.

Chất lượng màu

Đèn LED tạo ra sự khác biệt lớn về chất lượng màu sắc đã bộc lộ những giới hạn với các chỉ số màu truyền thống của ngành công nghiệp chiếu sáng: Nhiệt độ màu (được đo bằng độ Kelvin) và Chỉ số kết xuất màu (CRI). CRI được sử dụng để dự đoán độ chính xác của phân biệt màu dựa trên nguồn tham chiếu có cùng nhiệt độ màu.

Kết quả là, hai số liệu kết xuất màu mới, độ trung thực màu (Rf) và gam màu (Rg) đã được phát triển cho thấy tốt hơn hiệu suất kết xuất màu. Độ trung thực của màu rất giống với CRI nhưng trung bình phân biệt màu giữa 100 màu khác nhau thay vì chỉ 8 màu. Kiểm tra gam màu cho độ sống động, hoặc độ bão hòa màu và có thể chỉ ra khi ánh sáng được sử dụng để tăng cường nhân tạo một màu cụ thể. Tiêu chuẩn TM30 của IES (Tệp dữ liệu trắc quang) quy định các số liệu kiểm tra này và các tiêu chuẩn IES LM80, LM84 và LM86 quy định về các yêu cầu thử và đo lường. Phải thử nghiệm và quy định toàn bộ các sản phẩm LED theo các tiêu chuẩn này. Đây là cách duy nhất để đảm bảo khả năng hiển thị màu chính xác và nhất quán.

Màu nhất quán

Sản xuất mô-đun LED không thể đảm bảo tính nhất quán màu sắc đặc trưng giữa các đèn LED được sản xuất trong các lô sản xuất khác nhau. Nhằm đáp ứng điều này, ngành công nghiệp chiếu sáng đã áp dụng một quy trình được gọi là “đóng thùng”, tách biệt các mô-đun LED bằng cách thử chỉ số truyền màu theo một tiêu chuẩn chấp nhận độ lệch cho phép. Khi đưa ra các giá trị số liệu màu, nhà sản xuất cũng nên đưa ra giá trị độ lệch cho phép. Các nhà sản xuất thiết bị phòng thử nghiệm phải xác định xem họ sẽ mua các cấu kiện chiếu sáng được công nhận bởi UL và tự thử an toàn, hoặc kết hợp mua các bộ đèn được liệt kê của UL từ các nhà sản xuất chất lượng và được họ tiến hành thử trước khi bán.

Tạo cảm giác thoải mái cho con người

Các mô-đun LED là các nguồn điểm sáng rất nhỏ, rất sáng, cực kỳ khó chịu khi nhìn trực tiếp. Điều quan trọng quy định một thấu kính đèn là kính trắng khuếch tán, acrylic hoặc polycarbonate có thể nhìn trực tiếp các mô-đun LED. Điều kiện môi trường xác định vật liệu tốt nhất; Bất kể vật liệu nào, nó phải là màu trắng khuếch tán.

Phòng thử nghiệm ứng dụng thiết bị chiếu sáng LED

Phòng thử nghiệm tổng hợp

Thiết bị chiếu sáng trong phòng thử nghiệm không chỉ đơn giản là quy định các thiết bị chiếu sáng LED để tiết kiệm năng lượng. Mức độ chiếu sáng cần thiết trên các benchtops phòng thử nghiệm thường có thể chiếu sáng đủ cho các hành lang phục vụ liền kề mà không cần bố trí thêm đèn chiếu sáng.

Các nhà thiết kế ánh sáng gọi phương pháp thiết kế này là thiết kế ánh sáng nhiệm vụ xung quanh. Phương pháp thiết kế này cực kỳ hiệu quả trong các phòng thử nghiệm - nơi cần mức độ chiếu sáng cao trong các khu vực chính, xác định chiếu sáng thường liền kề với khu vực hành lang có nhu cầu chiếu sáng thấp.

Sử dụng ít thiết bị chiếu sáng hơn không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn giảm chi phí mua thiết bị và bảo trì. Các chuyên gia thiết kế ánh sáng cũng sẽ xác định xem cả chiếu sáng nằm ngang trên bàn thử nghiệm và ánh sáng chiếu thẳng góc trên giá đỡ phải tuân thủ các tiêu chuẩn của công ty và các thực hành khuyến nghị của IES.

Mã số năng lượng thường yêu cầu kiểm soát cảm biến chiếm chỗ, nhưng phải đặc biệt cẩn thận khi áp dụng công nghệ này vào môi trường phòng thử nghiệm vì các chuyển động của động cơ nhỏ là phổ biến và thường xảy ra bên trong tủ hút hoặc thiết bị khác.

Các chuyên gia ánh sáng hiểu rõ môi trường phòng thử nghiệm nên làm việc với khách hàng, các nhà hoạch định phòng thử nghiệm và các kỹ sư cơ khí để xác định các giải pháp kiểm soát thích hợp. Sự hợp tác thường dẫn đến tình trạng chia sẻ các cảm biến chiếm chỗ của hệ thống chiếu sáng với Hệ thống Tự động hóa tòa nhà, tình trạng kiểm soát cảm biến chiếm chỗ/không chiếm chỗ cho hệ thống HVAC.

Các nhà thiết kế ánh sáng cũng nên xác định màu sắc đặc trưng cho thiết bị chiếu sáng để đảm bảo ánh sáng phù hợp với toàn bộ không gian và chất lượng hiển thị màu cao (tham khảo các số liệu mới trong “chất lượng màu”).

Chiếu sáng nhiệm vụ bổ sung

Chiếu sáng chung trên cao thích hợp thường có thể loại bỏ nhu cầu chiếu sáng nhiệm vụ bổ sung. Khi cần chiếu sáng nhiệm vụ, công nghệ LED cho phép các đèn chiếu sáng cấu hình rất mỏng nằm gọn ở mặt dưới của kệ. Tất cả các đèn nhiệm vụ nên trong danh mục thiết bị UL. Kiểm tra các cấu kiện được công nhận UL để sử dụng như một bộ phận. Chúng chưa được trải qua thử nghiệm an toàn hoàn thiện cho các thiết bị chiếu sáng độc lập.

Điều quan trọng là các số liệu màu phù hợp với ánh sáng chung trên cao và điều khiển đảm bảo đèn sẽ không bị tắt khi không sử dụng. Nếu các nhà dịch vụ trực tiếp hoặc nhà cung cấp giá đỡ cung cấp đèn chiếu sáng nhiệm vụ này, họ phải có khả năng tuân thủ các số liệu màu và phương pháp kiểm soát theo quy định. Các nhà cung cấp dịch vụ trực tiếp sử dụng bộ đèn có uy tín từ các nhà sản xuất cung cấp đa dạng các sản phẩm được kiểm tra theo tiêu chuẩn ngành sẽ tránh mất thời gian và chi phí cho việc tự kiểm tra bộ đèn.

Thiết bị chiếu sáng tích hợp

Các phòng thử nghiệm thường có các thiết bị lớn như tủ hút, tủ an toàn sinh học và phòng CTCH thường được hoạt động trong ánh sáng. Giống như chiếu sáng nhiệm vụ bổ sung ở trên, việc tuân thủ danh mục UL, các số liệu màu và phương pháp kiểm soát bao gồm thuyết minh kỹ thuật của dự án là trách nhiệm của nhà thầu/nhà sản xuất đưa ra. Điều này có thể trở nên phiền phức nếu các số liệu cho đèn chiếu sáng tích hợp không có sẵn.

Thiết bị phòng thử nghiệm

Người dùng/người quản lý phòng thử nghiệm và nhóm dự án nên thảo luận về việc chọn loại thiết bị chiếu sáng hiệu quả nhất cho cơ sở phòng thử nghiệm.

Tích hợp vật lý của đèn LED trong thiết bị phòng thử nghiệm là rất quan trọng. Thông gió và tản nhiệt rất cần thiết để dẫn nhiệt ra khỏi mô-đun LED. Mặc dù không hoạt động thường xuyên, nhưng nó vẫn cần thiết. Nên thiết kế với mối quan tâm vì an toàn con người. Cân nhắc sử dụng các bộ phận kết nối dây nhanh cho các cầu nối và mô-đun LED để không cần thực hiện các kết nối nhỏ bên trong các vỏ đèn nhỏ mà không có ánh sáng nhiệm vụ.

Phải hỗ trợ về mặt cấu trúc trong các vỏ đèn, có tính đến các nguồn rung tiềm ẩn. Nhãn đèn có thể nhìn thấy rõ khi tắt ánh sáng để xác định số bộ phận thay thế của nhà sản xuất giúp chủ sở hữu đặt hàng và nhà sản xuất cung cấp các bộ phận thay thế để tiến hành bảo trì.

Môi trường lạnh

Công nghệ LED hoạt động tốt trong môi trường lạnh, khiến chúng đặc biệt phù hợp với tủ lạnh, tủ đông và phòng CTCH có nhiệt độ lạnh. Công nghệ LED không hoạt động tốt trong môi trường rất nóng và sẽ bị hỏng sớm nếu hoạt động trong điều kiện quá nóng. Điều này cũng có thể xảy ra trong môi trường không quá nóng, nhưng không cung cấp đồng bộ nhiệt thích hợp cho các mô-đun LED. Các nhà sản xuất nên sử dụng tiêu chuẩn IES LM82 để xác định hiệu suất phát quang như chức năng của nhiệt độ. Thiết lập và báo cáo nhiệt độ xung quanh là rất quan trọng đối với công nghệ LED. Tối thiểu 5 năm các chuyên gia phải yêu cầu bảo hành sản phẩm cho thiết bị chiếu sáng LED.

Thay thế đèn LED

Điều mà nhiều người không nhận ra là tuổi thọ được công bố của một sản phẩm LED là thời gian chiếu sáng giảm 30%. Điều này có nghĩa là nếu đèn LED có tuổi thọ được công bố là 50.000 giờ được sử dụng để cung cấp 100fc, thì ở mức 50.000 giờ, mà đèn chỉ tạo ra 70fc. Mặc dù đèn vẫn sáng nhưng không cung cấp đủ ánh sáng thì nên được thay thế.

Quản lý phòng thử nghiệm và kỹ thuật viên bảo trì cần thay thế các mô-đun LED vẫn còn hoạt động nếu cần duy trì mức độ chiếu sáng. Chấp nhận trong trường hợp mất 30% độ chiếu sáng, trong vòng 5 năm cần thay thế một đèn LED với tuổi thọ định mức 50.000 giờ hoạt động liên tục.

Điều quan trọng là các nhà sản xuất thiết bị phải nhận ra rằng, họ sẽ cần cung cấp các mô-đun LED thay thế để phục vụ khi hết hạn sử dụng. Không giống như các bóng đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang có thể mua tại bất kỳ nhà phân phối nào và cháy sáng trong bất kỳ đèn điện, mô-đun LED nào, chương trình điều khiển và phương pháp điều khiển đều khác nhau.

Điều quan trọng là có được các bộ phận thay thế từ nhà sản xuất đèn. Rất có khả năng các mô-đun LED được sản xuất  từ 10 năm qua sẽ giống như các mô-đun được sản xuất ngày nay, nhưng nhà sản xuất biết các đặc tính vận hành của các thành phần hiện có và phải có khả năng cung cấp mô-đun thay thế tương thích. Họ nên lưu giữ hồ sơ để đảm bảo các mô-đun thay thế phù hợp với chất lượng màu và độ sáng của các mô-đun LED ban đầu.

Kết luận

Rất khó nói về tác động mà công nghệ LED đã mang lại trong khoảng thời gian ngắn vừa qua. Công nghệ tương đối mới này cũng đã giới thiệu các số liệu chiếu sáng và cách thức bảo trì mới. Khi sản phẩm đang không ngừng phát triển, việc tiếp tục nhấn mạnh về tiêu chuẩn hóa sẽ dẫn đến gắn kết môi trường với các chiến lược chiếu sáng, góp phần vào sứ mệnh của phòng thử nghiệm.

Điều quan trọng là các nhà quản lý phòng thử nghiệm làm việc với các chuyên gia ánh sáng, những người hiểu được sự thay đổi mô hình LED. Những chuyên gia này có thể giúp điều hướng các cách thức mua và bảo trì thiết bị chiếu sáng tích cực cho tổ chức của bạn.

Fred P. Mason, Jr., RA, LEED AP, Karen P. Murphy, LC, IALD, LEED AP

Trương Tố Quyên dịch

Nguồn: Lab Manager – Hoa Kỳ

Ảnh bìa:  Internet