1. Bối cảnh chung của hệ thống chiếu sáng thông minh trong các tòa nhà thương mại

Theo đà phát triển của sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, các đô thị với các tòa nhà thương mại cao tầng phát triển nhanh chóng. Theo số liệu thống kê Việt Nam đứng thứ 22 với 29 tòa nhà cao trên 150 m, đứng thứ 20 với 7 tòa nhà cao trên 200 m và đứng thứ 9 với 2 tòa nhà cao trên 300 m. Tiềm năng tiết kiệm năng lượng trong các công trình xây dựng ước tính từ 30-35%, tỷ lệ gia tăng diện tích sàn đưa vào sử dụng hàng năm là trên 40%.

Hiện nay tòa nhà Vincom Landmark 81 cao 461,3 m là tòa nhà cao nhất Việt Nam [1]. Chiếu sáng thông minh cho các tòa nhà thương mại nằm trong ngữ cảnh chung của tòa nhà thông minh và đô thị thông minh.

Hầu hết các tòa nhà thông minh đều sử dụng hệ thống quản lý tòa nhà BMS (Building Management System) gồm có:

• Hệ thống cung cấp điện, nước, ga.
• Hệ thống chiếu sáng.
• Hệ thống thang máy.
• Hệ thống bảo vệ an toàn, chống cháy.
• Hệ thống truyền thông...

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chiếu sáng LED, mạng Internet thế hệ 5G, công nghệ IoT, công nghệ dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo cho phép thực hiện chiếu sáng thông minh cho các tòa nhà thương mại.

2. Công nghệ chiếu sáng LED mang lại cho chiếu sáng tòa nhà chất lượng hoàn toàn mới

Việc chiếu sáng cho các tòa nhà thương mại bao gồm:

• Chiếu sáng chung cho phòng khánh tiết, hội trường, phòng sinh hoạt cộng đồng, hành lang, siêu thị...
• Chiếu sáng cho các căn hộ.
• Chiếu sáng cảnh quan bên ngoài tòa nhà.
• Chiếu sáng sân vườn, bể bơi, đường nội bộ.

Công nghệ chiếu sáng chuyển qua 3 thời kỳ với các yêu cầu khác nhau [2]:

• Thời kỳ đầu tiên chú ý đảm bảo tiện nghi nhìn.
• Thời kỳ thứ hai vừa đảm bảo tiện nghi nhìn nhưng sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả.
• Hiện nay kỹ thuật chiếu sáng chuyển sang thời kỳ mới, ngoài việc thỏa mãn các yêu cầu tiện nghi nhìn và tiết kiệm năng lượng còn đáp ứng yêu cầu về cảm xúc. Ánh sáng ngoài tác dụng lên hệ thống thị giác còn mang lại cảm xúc vui, buồn, tạo điều kiện về tinh thần và sức khỏe cho con người. Chiếu sáng cảm xúc hay chiếu sáng xanh (Green lighting) hoặc chiếu sáng sinh thái triệt để bắt chước ánh sáng mặt trời, sử dụng loại đèn LED thế hệ mới: đèn LED Sunlight có màu sắc trung thực như ánh sáng ban ngày, có thể điều khiển linh hoạt về cường độ, màu sắc, độ thể hiện màu CRI của ánh sáng theo cảm xúc của con người. Tất cả các yêu cầu đối với hệ thống chiếu sáng mới là tổng hòa của hai yếu tố:
• Đèn LED thế hệ mới: LED Sunlight.
• Hệ thống điều khiển thông minh.

Sau đây ta sẽ xem xét cụ thể việc thực hiện hệ thống chiếu sáng thông minh cho tòa nhà:

3. Các phần tử cơ bản của hệ thống Chiếu sáng thông minh (Smart lighting)

Một hệ thống chiếu sáng thông minh bao gồm 3 bộ phận chính có sơ đồ khối cho trên hình 1.

• Đèn chiếu sáng
• Các bộ cảm biến cảm nhận các thông số về môi trường sáng và hoạt động của con người.
• Bộ điều khiển

Hình 1. Các phần tử chính của Hệ thống smart lighting

3.1 Đèn chiếu sáng là các loại đèn LED Sunlight có tỷ số quang thông trên điện năng tiêu thụ (lumen/W) cao, tối thiểu là 100 lm/W, hệ số thể hiện màu rất cao CRI >90, về hình dáng thẩm mỹ phù hợp cho từng mục đích sử dụng.

So với chiếu sáng bằng đèn phóng điện chất khí như đèn huỳnh quang, đèn compact, đèn LED có chất lượng ánh sáng tốt, cho phép điều chỉnh (dimming) từ 0-100% quang thông, tiết kiệm 50% điện năng tiêu thụ, tuổi thọ tăng 4 lần, ngoài ra LED có độ bền cơ cao, khó vỡ, không chứa thủy ngân, không phát tia UV. Rào cản duy nhất mà LED gặp phải là giá thành cao gấp 3-4 lần so với các loại đèn có khí, tuy nhiên theo thời gian hiện nay giá thành LED giảm mạnh. 

3. .2 Các bộ cảm biến dùng trong smart lighting có thể được phân làm 2 loại:

• Cảm biến hiện diện (proximity sensor) nhận biết đối tượng đi vào vùng cảm nhận để bật tắt đèn.
• Cảm biến quang (photo sensor) cảm nhận mức ánh sáng tự nhiên ngoài trời dùng để bật tắt đèn theo mức ánh sáng tự nhiên.

Hình 2. Bộ cảm biến hiện diện hồng ngoại PIR

Trong loại cảm biến hiện diện thường sử dụng 2 công nghệ:

Cảm biến hồng ngoại thụ động PIR (Pass ive InfraRed sensor), Hình 2 trình bày sơ đồ bộ cảm biến PIR cảm nhận năng lượng nhiệt hồng ngoại do cơ thể con người phát ra. Chúng nhạy với đối tượng chuyển động và cảm nhận tia hồng ngoại có bước sóng 10mm. Bộ cảm biến hồng ngoại được chế tạo từ vật liệu có hiệu ứng hỏa nhiệt có tác dụng biến nhiệt lượng hồng ngoại thành  tín hiệu điện.    

Tín hiệu ra được khuếch đại, so sánh và tác động vào mạch bật tắt đèn, đóng mở cửa tự động hoặc báo động khi có trộm.

Vùng phát hiện của bộ cảm biến hồng ngoại là một hình nón mở rộng . Đa số bộ cảm biến hồng ngoại có thể cảm nhận chuyển động của cánh tay con người ở khoảng cách 4-5m, toàn thân ở 12m. Cảm biến thường được bố trí ở độ cao 2-3 m.

Cảm biến siêu âm (Ultrasonic sensor)

Hình 3 Nguyên lý hoạt động của bộ cảm biến siêu âm

Hình 3 là sơ đồ nguyên lý của cảm biến siêu âm. Siêu âm là sóng cơ học có tốc độ lớn hơn tốc độ âm thanh (300 m/s) mà tai con người không thể cảm nhận được. Cảm biến siêu âm gồm đầu phát siêu âm (bằng vật liệu gốm) phát chùm tia siêu âm vào không gian. Khi gặp đối tượng tia siêu âm bị phản xạ và được đầu thu tiếp nhận. Theo hiệu ứng Doppler tần số của sóng phản xạ sẽ thay đổi nếu đối tượng chuyển động, do đó có thể phát hiện sự có mặt của đối tượng trong vùng phủ sóng. Để tránh lầm lẫn với các tần tần số khác như máy trợ thính, điều khiển TV... các bộ cảm biến siêu âm hoạt động ở tần số trên 32kHz, vùng phủ sóng liên tục, không có khoảng trống và nhạy hơn bộ cảm biến hồng ngoại, ví dụ chuyển động của bàn tay được phát hiện ở khoảng cách 7,5m, cánh tay 9m, toàn thân ở 12m. Tuy nhiên tín hiệu hiện diện (ON) có thể bị sai do có dòng khí, do cửa mở... Đa số bộ cảm biến siêu âm làm việc tốt trong không gian trần thấp hơn 4,2 m, tuy nhiên cũng có một số bộ phát hiện người di chuyển ở độ cao tới 9m.

Cảm biến quang (Photo sensor) là linh kiện bán dẫn photođiôt, phototransistor, có điện trở tối rất lớn so với điện trở sáng, thay đổi trạng thái theo quang thông của ánh sáng tác động vào.

Tiếp theo là mạch điều khiển cơ cấu tác động bật hoặc tắt đèn (hình 4).

Hình 4. Cảm biến quang

Tính năng và vị trí lắp đặt của các bộ cảm biến được cho trong bảng sau đây:

3.3 Bộ điều khiển tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến để tác động bật, tắt, dimming, đổi màu các đèn theo một chiến lược đã lập trình trên vi điều khiển. Các công nghệ kết nối thành hai loại chính là kết nối có dây và kết nối không dây.

Kết nối có dây bao gồm các công nghệ sau: DALI (Digital Addressable Lighting Interface); Ethernet; BACnet (Building Automation and Control networks); Lonworks.

Kết nối không dây bao gồm các công nghệ: Zigbee; Wifi; Bluetooth, Mạng không dây Jennet-IP; Công nghệ không dây Enocean...

Với sự phát triển của công nghệ mạng di động, Internet và điện toán đám mây, xu hướng các hệ thống chiếu sáng thông minh được giám sát và điều khiển từ xa thông qua các thiết bị di động đang ngày càng được phát triển.

Hình 5 trình bày cấu trúc mạng hệ thống chiếu sáng thông minh trong nhà. Các đèn kết nối có dây hoặc không dây với một Gateway hay bộ thu thập dữ liệu. Gateway và các thiết bị di động từ nhiều vị trí được kết nối với đầu thu Interrner; Thiết bị điều khiển, thường sử dụng là các smartphone hoặc máy tính, kết nối với Gateway thông qua bộ Router Route, nhờ đó các đèn được điều khiển qua Internet theo các kịch bản được cài đặt sẵn.

        Hình 5. Điều khiển đèn bằng smart phone

            Hình 6. Điều khiển thông minh phòng họp                   

Hình 6 mô tả thiết kế, tích hợp phần cứng và lập trình phần mềm bộ điều khiển trên smartphone bằng công nghệ không dây nhằm mục đích điều khiển chiếu sáng hội trường, phòng trưng bày sản phẩm, bộ điều khiển tòa nhà có nhiều kịch bản chiếu sáng theo yêu cầu của khách hàng [3].

4. Chiếu sáng trang trí bằng sợi quang

Chiếu sáng bằng sợi quang (Optical Fiber Lighting) [4] còn gọi là chiếu sáng không cần điện. Cấu tạo của một hệ thống chiếu sáng bằng sợi quang gồm 3 bộ phận (hình 7):

• Nguồn phát là các đèn LED và bộ điều khiển tự tiêu, đổi màu ánh sáng.
• Sợi quang là các sợi bằng vật liệu silica cho phép truyền dẫn ánh sáng đi xa với suy hao rất nhỏ.
• Phụ kiện gồm các đầu thu quang có hình dáng đặc biệt.

Hình 7 Chiếu sáng cảnh quan bằng sợi quang

Hệ thống chiếu sáng sợi quang thường được sử dụng cho chiếu sáng cảnh quan tạo thẩm mỹ cho các tòa nhà thương mại, các siêu thị, các tiểu cảnh sân vườn, bể bơi. Ưu điểm của hệ thống này là:

• Tạo hình ảnh, màu sắc sinh động theo nhiều kịch bản.
• Hoàn toàn cách điện do đó rất an toàn, độ bền cao, cho phép làm việc ngoài trời hoặc dưới nước.
• Tiêu tốn rất ít năng lượng.

Hình 8 là một số hình ảnh chiếu sáng  bằng sợi quang

 Hình 8. Chiếu sáng trang trí bằng sợi quang

5. Kết luận:

Chiếu sáng bằng công nghệ LED kết hợp với hệ thống điều khiển hiện đại, Internet Wi-Fi. Công nghệ IoT, Công nghệ dữ liệu lớn Bigdata và trí tuệ nhân tạo AI cho phép tạo nên hệ thống chiếu sáng thông minh cho các tòa nhà thương mại vừa đảm bảo chất lượng ánh sáng theo cảm xúc vừa sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Các nhà kỹ thuật và quản lý Việt Nam cần làm chủ công nghệ này để đưa Việt Nam bát kịp xu hướng chiếu sáng hiện đại của các nước trong khu vực và thế giới./.

TS  Lê Văn Doanh

Hội KHCN sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả Việt Nam

TÀI LIỆU THAM KHẢO

(1)Thống kê của Skyscrapercenter đến năm 2019.

(2) Kỹ thuật chiếu sáng tiết kiệm và hiệu quả - NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2000 - Lê Đăng Doanh chủ biên.

 (3) Báo cáo của Trung tâm R&D Rạng Đông - HNKH 2020

(4) https://www.chiếu sáng cảnh quan bằng sợi quang.