ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická
Diplomová práce
2012
Bc. Tomáš Markovič
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra měření
Energetická náročnost osvětlovací soustavy laboratoře VVN Energy efficiency of lighting system in HV laboratory
Vedoucí práce
Autor
Ing. Marek Bálský
Bc. Tomáš Markovič
Praha 2012
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra měření
Akademický rok 2011-2012
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Student:
Bc. Tomáš Markovič
Program:
Inteligentní budovy
Název tématu česky:
Energetická náročnost osvětlovací soustavy laboratoře VVN
Název tématu anglicky:
Energy efficiency of lighting system in HV laboratory Pokyny pro vypracování:
1. Specifikujte technické požadavky na osvětlovací soustavy v průmyslu. 2. Analyzujte světelně-technické a elektrické parametry stávající osvětlovací soustavy laboratoře a vyhodnoťte její energetickou náročnost. 3. Navrhněte moderní osvětlovací soustavu podle platných technických norem a posuďte možné energetické úspory. Seznam odborné literatury: [1]
ČSN EN 12464: Světlo a osvětlení: Osvětlení pracovních prostorů.
[2]
ČSN 360011: Měření osvětlení vnitřních prostorů.
[3]
HABEL, Jíří, et al. Světelná technika a osvětlování. 1. Praha : FCC Public, 1995. 438 s. ISBN 80-901985-0-3.
Vedoucí diplomové práce:
Ing. Marek Bálský
Datum zadání diplomové práce:
1. listopadu 2011
1
Platnost zadání do :
7. června 2013
L.S.
Prof. Ing. Vladimír Haasz, CSc. vedoucí katedry
Prof. Ing. Pavel Ripka, CSc. děkan V Praze dne 1. 11. 2011
_______________________________ 1
Platnost zadání je omezena na dobu tří následujících semestrů
Čestné prohlášení autora práce Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o dodržování etických principů při přípravě vysokoškolských závěrečných prací.
V Praze dne ……………………….
…………………………………….. Podpis autora práce
I
II
Anotace Tato práce se zabývá analýzou osvětlovací soustavy v laboratoři velmi vysokého napětí. Ta je porovnána s návrhem nové, moderní osvětlovací soustavy, který respektuje platné legislativní a jiné specifické požadavky. Tyto požadavky jsou v práci podrobně popsány. Při návrhu byl kladen důraz na energetickou náročnost osvětlovací soustavy a minimalizaci nákladů, spojených s údržbou.
Annotation This thesis is focused on a lighting system of a high-voltage laboratory which is analysed and compared with a proposal of a new, modern lighting system that respects the valid legislative and other specific requirements. These requirements are thoroughly described here. When designing this lighting system, emphasis was placed on its energy efficiency and minimization of costs associated with its maintenance.
III
IV
Obsah Seznam obrázků ............................................................................................................. VII Seznam tabulek ............................................................................................................. VIII Seznam příloh ..................................................................................................................IX 1
Úvod .......................................................................................................................... 1
2
Technické požadavky na osvětlovací soustavy v průmyslu .......................................... 2 2.1
2.2
Legislativa ................................................................................................................. 2 2.1.1
Denní osvětlení ............................................................................................ 3
2.1.2
Umělé osvětlení........................................................................................... 4
2.1.3
Údržba osvětlovacích soustav ..................................................................... 9
Optimalizace energetické náročnosti .................................................................... 11 2.2.1
3
Řídicí systémy ............................................................................................ 12
2.3
Svítidla .................................................................................................................... 13
2.4
Světelné zdroje ....................................................................................................... 15 2.4.1
Výbojové .................................................................................................... 17
2.4.2
Polovodičové (LED) .................................................................................... 19
Analýza stávajícího stavu osvětlovací soustavy ......................................................... 20 3.1
3.2
Malá hala ................................................................................................................ 20 3.1.1
Klasifikace prostoru a prováděných činností ............................................ 21
3.1.2
Denní osvětlení .......................................................................................... 23
3.1.3
Umělé osvětlení......................................................................................... 23
3.1.4
Provozní režim ........................................................................................... 24
3.1.5
Kvalita údržby ............................................................................................ 24
Velká hala ............................................................................................................... 25 3.2.1
Klasifikace prostoru a prováděných činností ............................................ 26
3.2.2
Denní osvětlení .......................................................................................... 26
3.2.3
Umělé osvětlení......................................................................................... 26
3.2.4
Provozní režim ........................................................................................... 27 V
3.2.5 3.3
3.4 4
Kvalita údržby............................................................................................ 27
Měření světelně technických parametrů .............................................................. 27 3.3.1
Příprava ..................................................................................................... 30
3.3.2
Naměřené hodnoty ................................................................................... 31
Vyhodnocení stávajícího stavu .............................................................................. 36
Návrh nové osvětlovací soustavy ............................................................................. 38 4.1
4.2
Malá hala ............................................................................................................... 38 4.1.1
Požadavky a volba typu osvětlovací soustavy .......................................... 38
4.1.2
Svítidla a světelné zdroje .......................................................................... 40
4.1.3
Udržovací činitel a plán údržby ................................................................. 41
4.1.4
Dimenzování a kontrola návrhu................................................................ 43
4.1.5
Řídicí systém ............................................................................................. 46
Velká hala............................................................................................................... 48 4.2.1
Požadavky a volba typu osvětlovací soustavy .......................................... 48
4.2.2
Svítidla a světelné zdroje .......................................................................... 49
4.2.3
Udržovací činitel a plán údržby ................................................................. 50
4.2.4
Dimenzování a kontrola návrhu................................................................ 52
4.2.5
Řídicí systém ............................................................................................. 56
5
Závěr ....................................................................................................................... 58
6
Literatura ................................................................................................................ 61
Příloha A ......................................................................................................................... 63 Příloha B ......................................................................................................................... 65 Příloha C ......................................................................................................................... 67 Příloha D ......................................................................................................................... 69
VI
Seznam obrázků Obr. 2.1 - Vliv údržby OS na osvětlenost prostoru podle [9] .......................................... 11 Obr. 2.2 - Třídy svítidel podle rozložení světelného toku do poloprostorů podle [10] .. 14 Obr. 2.3 – Trend vývoje světelných zdrojů [11] .............................................................. 16 Obr. 3.1 - Boční řez malé a velké haly ............................................................................. 20 Obr. 3.2 - Půdorys malé haly ........................................................................................... 21 Obr. 3.3 - Půdorys velké haly .......................................................................................... 25 Obr. 3.4 - Grafické vyhodnocení měření - malá hala ...................................................... 33 Obr. 3.5 - Rozmístění měřicích bodů - velká hala ........................................................... 34 Obr. 3.6 - Grafické vyhodnocení měření - velká hala, velín ............................................ 35 Obr. 4.1 - Rozložení udržovaných osvětleností v prostoru – malá hala.......................... 39 Obr. 4.2 – Svítidlo Philips GentleSpace (292 W) ............................................................. 40 Obr. 4.3 – Pokles světelného toku u svítidla Philips GentleSpace .................................. 41 Obr. 4.4 – Svítidla (situační plán) – malá hala ................................................................. 44 Obr. 4.5 – Vizualizace malé haly – pohled shora ............................................................ 45 Obr. 4.6 – Vizualizace malé haly – boční pohled ............................................................ 46 Obr. 4.7 – Rozdělení svítidel do funkčních bloků – malá hala ........................................ 47 Obr. 4.8 - Rozložení udržovaných osvětleností v prostoru – velká hala ......................... 49 Obr. 4.9 – Svítidla (situační plán) – velká hala ................................................................ 53 Obr. 4.10 – Svítidla (situační plán) – velká hala, velín..................................................... 53 Obr. 4.11 - Vizualizace velké haly – velín ........................................................................ 55 Obr. 4.12 – Vizualizace velké haly – pohled shora .......................................................... 55 Obr. 4.13 – Vizualizace velké haly – boční pohled .......................................................... 56 Obr. 4.14 – Rozdělení svítidel do funkčních bloků – velká hala ...................................... 57
VII
Seznam tabulek Tab. 2.1 - Kategorie osvětlení podle druhu vykonávané práce ........................................ 4 Tab. 2.2 - Řada osvětleností v luxech podle [5] ................................................................ 6 Tab. 2.3 - Přibližné intervaly čištění svítidel v různých prostředích podle [9] ................ 10 Tab. 2.4 - Třídy svítidel podle rozložení světelného toku do poloprostorů ................... 14 Tab. 3.1 - Klasifikace prováděných činností podle [5] .................................................... 22 Tab. 3.2 - Seznam instalovaných svítidel - malá hala ..................................................... 24 Tab. 3.3 - Seznam instalovaných svítidel - velká hala ..................................................... 26 Tab. 3.4 - Seznam instalovaných svítidel - velká hala, velín ........................................... 27 Tab. 3.5 - Požadavky na měřicí přístroje ........................................................................ 29 Tab. 3.6 - Činitele odrazu vybraných povrchů ................................................................ 31 Tab. 3.7 - Naměřené osvětlenosti v měřicích bodech (lx) – malá hala, velín ................. 32 Tab. 3.8 - Naměřené osvětlenosti v měřicích bodech (lx) – malá hala .......................... 33 Tab. 3.9 - Naměřené osvětlenosti v měřicích bodech (lx) – velká hala .......................... 35 Tab. 3.10 - Naměřené osvětlenosti v měřicích bodech (lx) – velká hala, velín .............. 35 Tab. 3.11 - Porovnání naměřených a normových hodnot.............................................. 36 Tab. 4.1 – Požadavky na osvětlenost – malá hala .......................................................... 39 Tab. 4.2 – Počáteční průměrné osvětlenosti pro návrh – malá hala.............................. 43 Tab. 4.3 – Navržené počty svítidel – malá hala .............................................................. 44 Tab. 4.4 – Parametry navržené osvětlovací soustavy – malá hala ................................. 45 Tab. 4.5 – Požadavky na osvětlenost – velká hala.......................................................... 48 Tab. 4.6 – Počáteční průměrné osvětlenosti pro návrh – velká hala ............................. 52 Tab. 4.7 – Navržené počty svítidel – velká hala .............................................................. 54 Tab. 4.8 – Parametry navržené osvětlovací soustavy – velká hala ................................ 54 Tab. 5.1 – Průměrná osvětlenost staré a nové OS ......................................................... 58 Tab. 5.2 – Instalovaný příkon staré a nové OS ............................................................... 58 Tab. 5.3 – Porovnání energetické náročnosti OS - malá hala......................................... 59 Tab. 5.4 – Porovnání energetické náročnosti OS - velká hala ........................................ 59
VIII
Seznam příloh Příloha A - Přehled vybraných prostorů, úkolů a činností podle ČSN EN 12464-1 Příloha B – Náležitosti zprávy o měření Příloha C – Projekt malé haly - DIALux Příloha D – Projekt malé haly – DIALux
IX
KAPITOLA 1. ÚVOD
1 Úvod Současné vývojové tendence podpořené rostoucími cenami energií směřují k dosažení výrazných úspor elektrické energie. Pokud se zaměříme na průmyslové odvětví, které se podílí velkou měrou na celosvětové spotřebě energie, není zde vždy snadné nalézt ekonomicky výhodné opatření pro snížení nákladů. Jedním zdrojem možných úspor mohou být osvětlovací soustavy, protože podíl spotřeby elektrické energie pro umělé osvětlení je v ČR přibližně 11 % [1]. Pokud se jedná o objekt ve fázi projektové přípravy, řeší se jako jeho nutná součást denní osvětlení vnitřních prostorů. Optimálním řešením v této fázi je možné docílit zvýšení podílu denního osvětlení a tedy snížení nákladů na provoz osvětlovací soustavy. V případě již existujícího objektu mohou být energetické úspory řešeny optimalizací provozu (automatická regulace hladiny osvětlenosti podle aktuálních stavů a požadavků) nebo, v případě zastaralé osvětlovací soustavy, její renovací. Snížení energetické náročnosti a tedy zvýšení efektivity provozu však závisí na možnostech a požadavcích pro daný objekt. Tato práce je zaměřena na konkrétní prostory, které jsou součástí objektu EGU-HV Laboratory a.s., Podnikatelská 267, Praha 9 - Běchovice, 190 11. Jedná se o zkušební laboratoř akreditovanou podle normy ČSN EN ISO/IEC 17025 [2], která provádí: zkoušky vysokým napětím, měření radiového rušení, měření elektrického a magnetického pole, napěťové a dielektrické zkoušky elektrických předmětů a zařízení a mechanické zkoušky izolátorů.
1
2 Technické požadavky na osvětlovací soustavy v průmyslu V průmyslových, ale i jiných, prostorech se často setkáváme s prostředím, na které jsou kladeny zvláštní požadavky. Těmto požadavkům se musí kromě jiných systémů přizpůsobit i soustava umělého osvětlení, jakožto součást všech vnitřních prostorů, ve kterých je vykonávána trvalá práce. Základní i některé speciální technické požadavky na osvětlovací soustavu jsou dány platnou legislativou a jsou závazné. Ostatní mohou být specifické pro konkrétní prostor. Pod pojmem „specifické požadavky“ si lze představit například:
•
tepelné zisky od osvětlovací soustavy, které ovlivňují návrh klimatizace a vytápění;
•
zvýšená tepelná odolnost svítidel a světelných zdrojů;
•
zvýšené krytí svítidel;
•
životnost světelných zdrojů obzvláště ve špatně přístupných místech;
•
požadavky na regulaci světelného toku;
•
a mnoho dalších.
V následujících podkapitolách budou shrnuty legislativní požadavky na osvětlovací soustavy s důrazem na průmyslové prostory. Dále obecné požadavky na provoz, údržbu a energetickou náročnost včetně rozboru vhodných svítidel a světelných zdrojů pro průmysl.
2.1 Legislativa Osvětlení pracoviště je součástí hygienických požadavků na ochranu zdraví při práci. Minimální požadavky jsou stanoveny nařízením vlády č. 361/2007 Sb. [3], které se dále odkazuje na technické normy. Ty se tím pádem stávají závaznými. Podstatou hygienických požadavků je, aby bylo zajištěno dostatečné osvětlení pracoviště, odpovídající náročnosti vykonávané práce na zrakovou činnost. K osvětlení vnitřních pracovních prostorů se používá denní, umělé nebo sdružené (kombinace denního a umělého) osvětlení. Podle zvoleného typu jsou kladeny požadavky na dílčí složky. Následující podkapitoly obsahují informace, převzaté z platných technických norem [4], [5], [6] a [7] nebo založené na jejich obsahu.
2
KAPITOLA 2. TECHNICKÉ POŽADAVKY NA OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY V PRŮMYSLU
2.1.1 Denní osvětlení Denní světlo může poskytnout úplné nebo částečné osvětlení pro zrakový úkol. Ve vnitřních prostorech s trvalým pobytem osob1 se musí v souladu s funkcí prostoru co nejvíce využívat, protože je pro člověka nenahraditelné. Úroveň denního osvětlení (také jako součást sdruženého osvětlení) je jedním z přísně sledovaných hygienických parametrů a specifikují ji normy ČSN 73 0580 [4] [6], případně ČSN 36 0020 [8]. Úroveň denního osvětlení se stanovuje poměrnou veličinou, činitelem denní osvětlenosti
=
∙ 100 %
(2.1)
kde lx je osvětlenost v kontrolním bodě uvnitř měřeného prostoru a lx je osvětlenost venkovní vodorovné nezacloněné roviny. Minimální hodnoty a při horním nebo kombinovaném osvětlení i průměrné hodnoty pro pracoviště, kde je vykonávána trvalá práce, stanovuje nařízení vlády [3].
•
Pro denní osvětlení musí být splněno = 1,5 % a = 3 %.
•
Pro sdružené osvětlení musí být splněno = 0,5 % a = 1 %.
Tyto hodnoty dále upravuje norma [6] podle druhu vnitřního prostoru nebo vykonávané činnosti. Pokud není možné tyto minimální hodnoty dodržet, lze takové pracoviště zřizovat podle [3] pouze jde-li o pracoviště:
•
pouze s nočním provozem;
•
které musí být z technologických důvodů umístěno pod úrovní terénu;
•
jehož účel nebo konstrukční požadavky neumožňují zřídit dostatečný počet nebo velikost osvětlovacích otvorů;
•
na němž z technologických důvodů musí být vyloučen vliv denního světla, nebo musejí být použity jiné vlnové délky spektrálního složení světla;
•
kde je nutné zajištění ochrany zdraví zaměstnance před pronikáním chemické látky, aerosolu nebo prachu z výrobní činnosti, jehož zdrojem je technologie.
1
Jako trvalý pobyt lidí se podle [4] považuje takový pobyt, který trvá v průběhu jednoho dne více než 4 hodiny a opakuje se více než jednou týdně.
3
V takovém případě je umělé osvětlení bráno jako jediný zdroj světla a jsou na něj kladeny zvýšené požadavky popsané dále v textu.
2.1.2 Umělé osvětlení Na pracovištích, kde je použito denní nebo sdružené osvětlení musí být podle [3] zajištěna udržovaná osvětlenost minimálně = 200 lx za předpokladu, že norma [5] nestanoví jinak. Pro zajištění dobré součinnosti denního a umělého osvětlení je vhodné použít manuální nebo automatickou regulaci umělého osvětlení. Pokud se jedná o pracoviště, kde nelze dodržet požadavky na denní nebo sdružené osvětlení (viz. kapitola 2.1.1), musí být zajištěna udržovaná osvětlenost = 300 lx za předpokladu, že norma [5] nestanoví jinak. Důležitá je také věta, obsažená v [3], týkající se těch pracovišť, kde norma stanovuje udržovanou osvětlenost: „U udržovaných osvětleností 300 až 500 luxů včetně se však navýší osvětlenost o 1 stupeň řady osvětlenosti.“, viz. tabulka 2.2. Při návrhu umělého osvětlení je důležité splnit, kromě požadované osvětlenosti, další kvalitativní a kvantitativní požadavky. Ty jsou určeny třemi základními lidskými potřebami:
•
zraková pohoda - když se pracovníci velmi dobře cítí;
•
zrakový výkon - když jsou pracovníci schopni vykonávat zrakové úkoly i při obtížných podmínkách a během dlouhé doby;
•
bezpečnost.
Podle požadavků na zrakovou činnost lze osvětlení kategorizovat podle tabulky 2.1.
Kategorie osvětlení A B C D
Činnost
Pořadí důležitosti rozhodujících kritérií
s velkými požadavky na zrakový výkon s průměrnými požadavky na zrakový výkon s malými požadavky na zrakový výkon
1. zrakový výkon 2. zraková pohoda
s přednostními požadavky na vnímání prostoru, tvaru a barev
1. zraková pohoda 2. zrakový výkon
Tab. 2.1 - Kategorie osvětlení podle druhu vykonávané práce
4
KAPITOLA 2. TECHNICKÉ POŽADAVKY NA OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY V PRŮMYSLU Hlavní parametry určující světelné prostředí podle [5]:
•
rozložení jasu;
•
osvětlenost;
•
oslnění;
•
směrovost světla;
•
variabilita světla;
•
podání barev a barevný tón světla;
•
míhání světla;
•
denní světlo.
Rozložení jasu Rozložení jasu v zorném poli ovlivňuje adaptaci zraku. Má vliv na psychickou a také zrakovou pohodu pozorovatele. Příliš velké jasy nebo kontrasty jasů ztěžují viditelnost prováděných úkolů. Je proto důležité vyloučit:
•
příliš velké jasy (hrozí riziko oslnění);
•
příliš velké kontrasty jasů (způsobují únavu v důsledku trvalé readaptace zraku);
•
příliš malé jasy a kontrasty jasů (vedou k monotónnímu nestimulujícímu pracovnímu prostředí).
Kontrast jasů je většinou problém při práci se zobrazovacími jednotkami (displeje počítačů, ovládací panely). Jas displeje je obvykle mnohem vyšší než jas okolních ploch a tím dochází k rychlejší únavě očí při dlouhodobé práci. Částečně to lze eliminovat snížením jasu displeje nebo vhodným umístěním svítidla, které zvýší jas okolních ploch (pozadí displeje). Doporučený rozsah činitelů odrazu hlavních povrchů místnosti je podle [5]:
•
strop 0,7 až 0,9;
•
stěny 0,5 až 0,8;
•
podlaha 0,2 až 0,4;
•
nábytek, strojní vybavení atp. 0,2 až 0,7.
5
Osvětlenost Osvětlenost lx vyjadřuje plošnou hustotu světelného toku dopadlého na určitou plochu.
=
∅ ; ,
(2.2)
Rozložení osvětlenosti v místě zrakového úkolu a v jeho bezprostředním okolí má velký vliv na to, jak rychle, bezpečně a pohodlně osoba vnímá a vykonává zrakový úkol. Měří se na srovnávací rovině, která může být horizontální (podlaha, pracovní stůl), vertikální (školní tabule) nebo šikmá (rýsovací stůl). Norma stanovuje osvětlenost jako tzv. udržovanou osvětlenost2 lx a závisí na kategorii pracovního prostoru a typu zrakové činnosti. Dělí se na:
•
osvětlenost v místě zrakového úkolu;
•
osvětlenost bezprostředního okolí úkolu.
Pokud není místo zrakového úkolu známé, musí se odhadnout nebo se celý prostor považuje za místo zrakového úkolu. Řada osvětleností, která se standardně používá, je uvedena v tabulce 2.2.
20
30
50
75
100 150 200 300 500 750 1000 1500 2000 3000 5000 Tab. 2.2 - Řada osvětleností v luxech podle [5]
Oslnění Oslnění vzniká kvůli povrchům s velkým jasem v zorném poli. Je důležité jeho vzniku zabránit nebo ho omezit, protože zvyšuje náročnost zrakového úkolu a narušuje zrakovou pohodu. Ve vnitřních pracovních prostorech může být oslnění způsobeno přímo svítidly, okny s velkým jasem nebo předměty odrážejícími světlo. V praxi také nastávají situace, kde není možné oslnění odstranit - například práce s leštěnými kovovými předměty.
2
Hodnota průměrné osvětlenosti, pod kterou nesmí klesnout osvětlenost daného povrchu, bez ohledu na stáří a stav osvětlovací soustavy.
6
KAPITOLA 2. TECHNICKÉ POŽADAVKY NA OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY V PRŮMYSLU V ojedinělých případech ho lze eliminovat použitím speciálních svítidel, která mají jako čočku polarizační filtr. Díky tomu dochází k minimálním odleskům i na lesklém povrchu. V zásadě ho lze rozdělit na rušivé, omezující a oslepující oslnění (případně i absolutní). Rušivé oslnění neomezuje vidění, ale narušuje zrakovou pohodu. Oslňující zdroj se nachází v zorném poli osoby a poutá jeho pozornost, soustředěnost na zrakový úkol. Omezující oslnění zhoršuje funkce zraku a vidění se stává namáhavé. Oslepující oslnění je již tak intenzivní, že znemožňuje funkce zraku. Podle délky trvání se odvíjí i readaptace, takže při silném oslnění trvá několik vteřin, než začne oko znovu rozpoznávat okolí. Lze ho dělit podle vzniku na:
•
přímé (velký jas v zorném poli);
•
odrazem (odrazy světla od stěn, stropů či od různých předmětů);
•
závojové (odrazy na zrcadlovém povrchu);
•
přechodové (náhlá změna jasu v zorném poli);
•
kontrastem (různé plochy s různým jasem v zorném poli).
Oslepující a omezující oslnění by v osvětlovacích soustavách nemělo vůbec nastávat. Musí se však bránit i vzniku rušivého oslnění. Index oslnění přímo od svítidel osvětlovací soustavy vnitřního prostoru je stanovený jednotným systémem hodnocení oslnění tabulkovou metodou CIE (UGR) podle vzorce: 0,25 *!"# = 8 log'( ) , / *+ . kde
*+ 78 * -
.
(2.3)
2
je jas pozadí v 0 ∙ 1 vypočítaný jako 345 , 6 svislá nepřímá osvětlenost očí pozorovatele, jas svíticí části každého svítidla ve směru očí pozorovatele v 0 ∙ 1 , prostorový úhel (ve steradiánech) svíticí části každého svítidla vzhledem k očím pozorovatele, činitel polohy podle Gutha pro každé svítidlo podle jeho odklonu od směru pohledu. 7
Podání barev Index podání barev3 #9 − udává kvalitu podání barev světelných zdrojů. Je to
bezrozměrná veličina s rozsahem hodnot 0 až 100, přičemž hodnota #9 = 0 znamená
neschopnost rozpoznávat barvy (monochromatické vidění) a naopak hodnota #9 = 100
vyjadřuje maximální schopnost rozeznávání barev bez zkreslení. Této hodnoty dosahují např. standardní žárovky. Ve vnitřních prostorech, kde osoby pracují nebo pobývají dlouhodobě, musí být použity světelné zdroje s #9 ≥ 80. Výjimku lze udělit u vysokých hal, kde může být obtížné této hodnoty dosáhnout. Musí se však zajistit lepší podání barev v místech s náročnější zrakovou činností a schopnost rozpoznávat bezpečnostní barvy.
Teplota chromatičnosti Teplota chromatičnosti <= K (náhradní teplota chromatičnosti u výbojových zdrojů) je rovna teplotě černého zářiče, jehož záření má tutéž chromatičnost jako uvažované záření. Podle ní lze rozdělit vyzařované světlo na:
•
teplé (do 3 300 K);
•
neutrální (3 300 K až 5 300 K);
•
studené/denní (nad 5 300 K).
Teplota chromatičnosti také ovlivňuje psychologickou pohodu. Teplé odstíny působí uklidňujícím dojmem a navozují příjemnou atmosféru. Chladnější odstíny naopak snižují únavu a zvyšují schopnost koncentrace. Velmi chladné odstíny se používají také v lékařství. Některá moderní svítidla dokáží regulovat teplotu chromatičnosti vyzařovaného světla a díky tomu lze vytvořit tzv. biodynamické osvětlení, které se snaží napodobit denní osvětlení. Požadavek na teplotu chromatičnosti není stanoven. V průmyslu se většinou používají chladnější odstíny, jelikož je zrakový výkon upřednostňován před zrakovou pohodou.
3
V zahraničí označován jako CRI – Color Rendering Index
8
KAPITOLA 2. TECHNICKÉ POŽADAVKY NA OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY V PRŮMYSLU
2.1.3 Údržba osvětlovacích soustav Osvětlovací soustava vyžaduje v průběhu svého života údržbu, aby mohla zajišťovat dostatečné množství světla. Průměrná osvětlenost lx totiž nesmí klesnout pod
udržovanou osvětlenost lx , bez ohledu na stav a stáří osvětlovací soustavy. Vzhledem k usazování nečistot na povrchu svítidel a stárnutí světelných zdrojů, spočívá údržba zejména v čištění světelných zdrojů a svítidel, výměně světelných zdrojů při poruše nebo po uplynutí jejich životnosti, obnově povrchů místností a čištění osvětlovacích otvorů (okna, světlíky, světlovody). Plán a interval údržby závisí na několika faktorech a shrnuje ho celkový udržovací činitel ?@4, který musí být součástí projektu osvětlení včetně seznamu všech předpokladů k jeho odvození. Minimální hodnota činitele údržby a postup jeho odvození je uveden v návrhu standardu CIE, ze kterého vychází také dokument TNI 36 0451 [9]. Vypočítá se jako součin dílčích činitelů ?@ = **?@ ∙ *B@ ∙ *?@ ∙ #B?@
(2.4)
kde dílčí složky vyjadřují: •
LLMF
– činitel stárnutí světelných zdrojů Podíl světelného toku světelného zdroje v dané době jeho života a počátečního světelného toku.
•
LSF
– činitel funkční spolehlivosti světelných zdrojů Pravděpodobnost toho, že světelné zdroje budou po určitou dobu v provozu. Charakterizuje část reprezentativní skupiny daného typu světelných zdrojů, které po určité době zůstávají v provozu. Při využití individuální výměny světelných zdrojů pokud dojde k poruše, může být tento činitel roven 1.
•
LMF
– udržovací činitel svítidla Snížení účinnosti svítidla způsobené nečistotami usazenými na světelných zdrojích a na svítidle anebo uvnitř svítidla za dané období.
•
RSMF
– udržovací činitel povrchů místnosti Podíl činitele odrazu povrchu místnosti v dané době a počátečního činitele odrazu.
4
MF - Maintenance Factor
9
Činitele LMF a RSMF závisí na typu prostoru, vzhledem k množství nečistot a prachu. Proto je nutné rozdělení alespoň do čtyř kategorií na prostory:
•
velmi čisté (VČ);
•
čisté (Č);
•
normální (N);
•
špinavé (Š).
Výběr vhodného typu svítidla a intervalu údržby závisí na čistotě prostoru. V tabulce 2.3 jsou uvedeny různé varianty. Počáteční průměrná osvětlenost, na kterou musí být soustava navržena, se vypočítá jako podíl udržované osvětlenosti (stanovené normou) a udržovacího činitele
= Intervaly čištění Prostředí Typ svítidla A.
B.
C.
D.
E.
3 roky VČ Č
N
(2.5)
2 roky Š
VČ Č
N
1 rok Š
N
X
X
X
X
X
Bez horního krytu (přirozené větrání)
S horním krytem (nevětrané)
X
(X)
X
X
(X)
X
Uzavřené IP2X
Chráněné proti prachu IP5X
X
X
Uzavřené nepřímé (uplight)
(X)
X
S řízenou klimatizací
X
X
X
Tab. 2.3 - Přibližné intervaly čištění svítidel v různých prostředích podle [9]
10
Š
X
X G.
VČ Č
S necloněným světelným zdrojem
X F.
lx ?@
KAPITOLA 2. TECHNICKÉ POŽADAVKY NA OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY V PRŮMYSLU Na obrázku 2.1 je znázorněn vliv udržování osvětlovací soustavy na celkovou osvětlenost prostoru a také velký pokles osvětlenosti u neudržované soustavy. Interval čištění svítidel se standardně se pohybuje v rozmezí 0,5 až 3 roky. Údržba povrchů místnosti (malování) se standardně provádí v rozmezí 0,5 až 6 let. Některé degradativní změny, jako třeba koroze funkčních povrchů svítidla, jsou nevratné. S poklesem světelného toku světelného zdroje se musí počítat již během návrhu osvětlovací soustavy (viz. činitel LLMF) a po překročení mezní hodnoty je nutné světelný zdroj vyměnit5.
Obr. 2.1 - Vliv údržby OS na osvětlenost prostoru podle [9]
2.2 Optimalizace energetické náročnosti Požadované světelně technické parametry by měly být dosaženy energeticky co nejúčinnějším způsobem. Zároveň se ale nesmí energetické požadavky nadřazovat nad světelně technické. Toho lze docílit v první řadě maximálním využitím denního světla. V průmyslu je často kvůli velkým prostorům zajištěn přísun denního světla otvory ve střeše
5
Pokud světelný zdroj potřebuje předřadné zařízení, je nutné zkontrolovat vzájemnou kompatibilitu.
11
(okna, světlíky). Nově se také více využívají duté světlovody, protože technologie umožňuje vyrábět vysoce kvalitní odrazné materiály. Pro maximalizaci energetických úspor by měly být splněny následující body s přihlédnutím k ekonomické výhodnosti jednotlivých částí:
•
maximální využití denního osvětlení;
•
použití inteligentního řídicího systému pro zajištění takové osvětlenosti, jaká je v daný okamžik nutná;
•
volba vhodného typu svítidel pro daný prostor a zrakovou činnost;
•
použití účinných předřadníků a světelných zdrojů.
2.2.1 Řídicí systémy Řízením osvětlovacích soustav je možné ušetřit 50 až 70 % elektrické energie. Lze toho dosáhnout s využitím následujících postupů.
Využití denního osvětlení V součinnosti s denním osvětlením by mělo fungovat také umělé, doplňkové, osvětlení. S vývojem elektronických technologií se proto stále častěji používají různé řídicí systémy, které upravují intenzitu osvětlení tak, aby byla v prostoru zrakového úkolu požadovaná konstantní hladina osvětlenosti. Je to výhodné hlavně z ekonomických důvodů, ale také pro zjednodušení a zvýšení komfortu ovládání nebo zvýšení provozní bezpečnosti. Tyto systémy regulují intenzitu osvětlení na základě měření osvětlenosti pracovní roviny nebo intenzity denního osvětlení. V místech s nepravidelným pohybem osob lze podle informace ze senzoru pohybu snížit osvětlenost nebo soustavu zcela vypnout. Řídicí systém často ovládá i stínicí prvky, které jsou součástí osvětlovacích otvorů a zabraňují oslnění nebo nadměrné tepelné zátěži vnitřního prostoru solárními zisky.
Předimenzování osvětlovací soustavy Při pohledu na obrázek 2.1 může být patrné místo potenciálních úspor. Vzhledem k legislativnímu požadavku na udržovanou osvětlenost, musí být osvětlovací soustava lehce předimenzovaná, aby bylo zaručeno, že v průběhu udržovacího cyklu (a celkového života 12
KAPITOLA 2. TECHNICKÉ POŽADAVKY NA OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY V PRŮMYSLU osvětlovací soustavy) neklesne průměrná osvětlenost právě pod tuto hodnotu. Počáteční hodnota osvětlenosti tedy zbytečně převyšuje požadovanou hodnotu. Některá moderní svítidla s integrovanými světelnými zdroji na bázi LED zaručují konstantní světelný tok svítidla po dobu jeho života. Docílí se toho postupným zvyšováním příkonu svítidla, které mělo jako nové výkonnostní rezervu. Díky tomu lze vynechat dílčí činitel LLMF z výpočtu udržovacího činitele, který jeho hodnotu výrazně ovlivňuje. S použitím řídicího systému osvětlení je možné dosáhnout podobného efektu, pokud je světelný tok regulován pro dosažení konstantní hladiny osvětlenosti. Když je osvětlovací soustava nová, její příkon je snížený a v průběhu života, kdy klesá světelný tok, se pozvolna zvyšuje. V tomto případě se ale musí uvažovat pokles světelného toku instalovaných světelných zdrojů při výpočtu udržovacího činitele.
Kontrola přítomnosti osob Tyto systémy nejsou většinou jednoúčelové a umožňují kromě osvětlení řídit další technologie v budovách, jako například vytápění, chlazení, zabezpečení a požární zabezpečení. S tím souvisí i možnost propojení s nadřazeným systémem pro správu budovy nebo celého komplexu, tzv. Building Management System (BMS). Ten hraje důležitou roli v optimalizaci energetické náročnosti. Při zaměření na řízení osvětlení ho lze využít pro monitoring stavu osvětlovací soustavy a spotřeby elektrické energie. V případě poruchy světelného zdroje může být obsluha informována a lze tak rychle provést výměnu. Vyžaduje to ovšem použití elektronických předřadníků, které dokáží obousměrně komunikovat s řídicím systémem. To umožňují například digitálně řízené elektronické předřadníky s rozhraním DALI6.
2.3 Svítidla Při návrhu osvětlovací soustavy je důležité promyslet, co, jakým směrem, a s jakou intenzitou chceme osvětlovat. Z těchto znalostí vycházíme při volbě určitého základního typu svítidla. Svítidla se rozdělují podle: druhu světelného zdroje, rozložení světelného toku, stupně clonění, stupně krytí a ochrany svítidel, upevnění a podle účelu použití.
6
DALI (Digital Addressable Lighting Interface) je standardizované rozhraní pro řízení osvětlení.
13
Výběrem světelného zdroje o určitém světelném toku nemáme zaručeno, že bude svítidlo tento světelný tok opravdu vyzařovat. Účinnost svítidla totiž není stoprocentní a je ovlivněna světelně činnou částí svítidla. Pro hodnocení účinnosti svítidla se zavádí pojem „Provozní účinnost svítidla“, což vyjadřuje poměr světelného toku svítidla ke světelnému toku samotných světelných zdrojů mimo svítidlo: CDE =
FDE : FG
(2.6)
Svítidla lze rozdělit podle rozložení světelného toku do následujících tříd: Třída rozložení světelného toku
Svítidlo
Dolní poloprostor
Horní poloprostor
I
Přímé
nad 80 %
do 20 %
II
Převážně přímé
60 až 80 %
40 až 20 %
III
Smíšené
40 až 60 %
60 až 40 %
IV
Převážně nepřímé
20 až 40 %
80 až 60 %
V
Nepřímé
do 20 %
nad 80 %
Tab. 2.4 - Třídy svítidel podle rozložení světelného toku do poloprostorů
Obr. 2.2 - Třídy svítidel podle rozložení světelného toku do poloprostorů podle [10]
Pro další úpravu rozložení světelného toku se používají následující světelně činné části svítidla:
14
•
stínidla
- zaclonění světelného zdroje;
•
reflektory - zrcadlový odraz;
•
refraktory - prostup a lom;
KAPITOLA 2. TECHNICKÉ POŽADAVKY NA OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY V PRŮMYSLU •
čočky
- prostup a lom;
•
difuzory
- prostup a rozptyl;
•
filtry
- změna spektra i toku.
V průmyslových objektech se používají převážně svítidla přímá (podle tabulky 2.4), jelikož se osvětluje horizontální nebo vertikální pracovní rovina. Při osvětlování průmyslových hal z větších výšek jsou použity reflektory k účinnému nasměrování světelného toku do jednoho poloprostoru. Reflektory využívají zrcadlový odraz, a proto se u těch kvalitních dnes využívá vysoce čistý hliník (99,7 až 99,9 %) a povrchová úprava zaručující odraznost až 98 %. Při zvýšeném stupni krytí svítidla je důležitý materiál, ze kterého je zhotoven kryt svítidla přes který prochází všechen světelný tok. U polovodičových světelných zdrojů (LED, OLED) není standardně světelný tok vyzařován do celého prostoru, ale převážně jen do jednoho poloprostoru. To vyžaduje jiné techniky při směrování světelného toku svítidla, než u konvenčních světelných zdrojů. Typ světelných zdrojů je tak nutné zohlednit při výběru svítidel.
2.4 Světelné zdroje Použité světelné zdroje přímo souvisejí s ekonomikou provozu celé osvětlovací soustavy. Jejich životnost a měrný výkon, spolu s investičními náklady, jsou proto v dnešní době brány jako nejdůležitější parametry. Měrný výkon světelného zdroje udává poměr vyzařovaného světelného toku a příkonu. Používá se pro stanovení účinnosti přeměny elektrické energie na světlo.
CH =
FH lm ∙ W 1' IH
(2.7)
Přibližné porovnání standardně dosahovaných měrných výkonů světelných zdrojů je v grafu na obrázku 2.3. Zajímavý je zde i trend vývoje a pokrok v oblasti polovodičových světelných zdrojů.
15
Obr. 2.3 – Trend vývoje světelných zdrojů [11]
Parametry světelných zdrojů lze obecně rozdělit do tří kategorií: Elektrické • velikost napájecího napětí • připojení na napájecí soustavu • jmenovitý příkon Světelně technické • světelný tok • index podání barev • teplota chromatičnosti • spektrální složení světla • měrný výkon7 • čáry svítivosti v základních C rovinách, úhel poloviční svítivosti 7
Podíl světelného toku zdroje v lumenech k elektrickému příkonu ve wattech.
16
KAPITOLA 2. TECHNICKÉ POŽADAVKY NA OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY V PRŮMYSLU Ostatní • cena světelného zdroje • životnost (průměrná8, užitečná9) • počet spínacích cyklů • pracovní teplota • provozní poloha • použitá patice Samotné světelné zdroje můžeme rozdělit podle principu vzniku světla na teplotní, výbojové a polovodičové. Používání teplotních zdrojů je neekonomické vzhledem k tomu, že účinnost přeměny energie na světlo mají přibližně 5 až 10 %. Pro průmyslové budovy se nejvíce hodí výbojové světelné zdroje a snaha je používat nejnovější polovodičové zdroje.
2.4.1 Výbojové U výbojových zdrojů světlo vzniká vybuzením atomů plynů nebo par kovů v elektrickém výboji. Ke své funkci potřebují vhodným způsobem regulovat (omezit) velikost proudu pro vznik výboje, např. tlumivkou nebo elektronickým předřadníkem. Výbojové zdroje neposkytují maximální úroveň světelného toku ihned po zapnutí. Pro dosažení maxima potřebují většinou 2 až 10 minut. U bezelektrodových výbojek je tato doba v řádu desítek sekund. Lze je rozdělit na: • nízkotlaké (např. nízkotlaké rtuťové, sodíkové či indukční výbojky); • vysokotlaké (např. vysokotlaké rtuťové, halogenidové, sodíkové či plazmové výbojky). Lineární zářivky jsou nízkotlaké rtuťové výbojky ve formě trubice. Hlavní část vyzařovaného spektra je ultrafialové záření, které je nutné převést do viditelné části spektra. K tomu slouží několik vrstev luminoforu na vnitřní části trubice, který transformuje část ultrafialové záření do viditelného spektra. Kvalita luminoforu proto ovlivňuje spektrální složení záření a tím i výslednou kvalitu vyzařovaného světla (kvalitní zářivky využívají tzv. 8 9
Doba, za kterou je nejméně 50 % všech zdrojů provozuschopných při normovaných podmínkách. Doba, za kterou poklesne světelný tok zdroje na určitou hodnotu při normovaných podmínkách.
17
třípásmový luminofor). Náhradní teplota chromatičnosti se pohybuje v širokém rozmezí 2 700 až 8 000 K. Lineární zářivky se prodávají v různých provedeních a příkonových řadách. Předřadník není součástí zdroje, ale součástí svítidla. Životnost těchto světelných zdrojů je přibližně 6 000 až 20 000 h. Nejmodernější zářivky T5 dosahují výborného měrného výkonu okolo 100 lm ∙ W 1' . Halogenidové výbojky jsou vysokotlaké rtuťové výbojky, u nichž vzniká viditelné záření zářením par rtuti a produktů štěpení halogenidů. Mají vysoký měrný výkon a dobré podání barev. Prodávají se převážně ve vyšších příkonových řadách, ale své zastoupení mají i v řadách pod 100 W. Používají se pro osvětlování v interiéru i exteriéru a tam, kde jsou velmi vysoké nároky na barevné podání. Indukční výbojky jsou bezelektrodové nízkotlaké výbojky, u kterých je výboj buzen vnějším vysokofrekvenčním polem. Proto nemusí mít indukční výbojka uvnitř trubice žádnou elektrodu nebo jiný žhavicí element. Uvnitř se nachází pouze plyn a vrstva luminoforu na vnitřním povrchu. Tím je významně zjednodušena technologie výroby a umožňuje to zlepšit parametry samotné výbojky. Životnost těchto světelných zdrojů je vysoká a pohybuje se až okolo 100 000 h při poklesu světelného toku na 70 % jmenovité hodnoty. Je to proto vhodný světelný zdroj především do míst s obtížným přístupen kvůli údržbě. Vzhledem k jejich vlastnostem jsou také vhodné pro časté spínání a poskytují téměř okamžitě po zapnutí plný světelný výkon. Nevýhodou je, že současně prodávané předřadníky zatím neumožňují regulaci světelného toku. Tyto výbojky se v současnosti začínají používat jako náhrada halogenidových výbojek s polovičním příkonem. Plazmové výbojky jsou bezelektrodové vysokotlaké výbojky s charakterem bodového světelného zdroje. Základem je malý křemenný hořák zatmelený v dielektriku válcového tvaru, jež slouží jako vlnovod vysokofrekvenční energie a její koncentrátor do hořáku. Tím se ionizuje náplň hořáku a vzniká světlo. Energii potřebnou pro ionizaci směsi v hořáku dodává elektronicky ovládaný vysokofrekvenční mikrovlnný zdroj. Světelný tok lze plynule regulovat v rozsahu 20 až 100 %. Ostatní vlastnosti jsou podobné jako u indukčních výbojek. Životnost těchto světelných zdrojů je okolo 50 000 h. [12]
18
KAPITOLA 2. TECHNICKÉ POŽADAVKY NA OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY V PRŮMYSLU
2.4.2 Polovodičové (LED) Jedná se o elektroluminiscenční diody známé pod označením LED (Light Emitting Diode) nebo světelné diody dříve používané jen v elektronice. Je to polovodičová součástka, u které na P-N přechodu při průchodu elektrického proudu vzniká záření. Spektrální složení tohoto záření závisí na chemickém složení polovodičů. Sama LED neemituje bílé světlo, toho je dosaženo kombinací záření více vlnových délek nebo ozářením vrstvy luminoforu ultrafialovým zářením. V posledních letech, kdy technologie dovolila ve větším měřítku vyrábět LED s vyšším měrným výkonem a za přijatelnější cenu, se začínají objevovat osvětlovací soustavy využívající právě těchto světelných zdrojů. V současné době se vyrábějí nejkvalitnější svítidla osazená světelnými diodami s měrným výkonem okolo 100 lm ∙ W 1' , což předčí mnohé konvenční světelné zdroje. Očekává se, že v následujících letech bude měrný výkon komerčně dostupných světelných zdrojů dvojnásobný. Jako důkaz lze považovat fakt, že společnost Cree Inc. dne 12.4.2012 jako první překročila hranici měrného výkonu v bílé barvě LMN OP ∙ Q 1R [13]. Světelné LED zdroje jsou energeticky efektivní, odolné proti mechanickým vlivům a častému spínání, mají okamžitý náběh do plného výkonu, neobsahují UV záření a mají dlouhou životnost v řádu desetitisíců hodin. Díky tomu jsou v současné době jedním z nejperspektivnějších světelných zdrojů. Prodávají se v různých provedeních jako náhrada za standardní žárovky, kompaktní zářivky (kompaktní LED zdroj), lineární zářivky (lineární LED zdroj) nebo jsou integrovány jako moduly přímo do svítidel. Nevýhodou je nutnost chlazení (u vyšších příkonů osazení chladičem) a zatím stále vyšší pořizovací cena oproti konvenčním světelným zdrojům.
19
3 Analýza stávajícího stavu osvětlovací soustavy Analyzovaná zkušební laboratoř se skládá ze dvou hal, které na sebe stavebně navazují. Konstrukčně i prostorově jsou ale odlišné.
•
Malá hala; 29 x 18 m, výška 12 m
•
Velká hala; 54 x 30 m, výška 25 m
Obě haly slouží k provádění různých druhů zkoušek, v závislosti na umístěném zkušebním vybavení.
Obr. 3.1 - Boční řez malé a velké haly
3.1 Malá hala Malá hala má rozlohu přibližně 400 m2 a lze jí rozdělit na tři části, přičemž se jedná o jeden velký prostor (viz. obrázek 3.2). Hlavní část má mírně se svažující strop s výškou 12 m
20
KAPITOLA 3. ANALÝZA STÁVAJÍCÍHO STAVU OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY ve špičce. Ve výšce 9 m je jeřábová dráha zasahující až nad velín. Vnější stěna je z velké části prosklená, takže je možné přes den využít ve velké míře denní osvětlení. Ve všech osvětlovacích otvorech jsou umístěné rolety, aby bylo možné halu zatemnit. Jako podlahová krytina je v této i vedlejší části betonová stěrka. Vedlejší část haly je menší, s výškou ke stropu 8 m a jedním oknem. Je propojena s velkou halou, a proto má ve společné stěně velká vrata (5 x 7 m). Zbytek stěny je vyplněn tmavými luxfery. Velín, jako třetí část, má o 0,75 m zvýšenou podlahu oproti zbytku haly a z třetiny snížený strop na 3,4 m. Podlahová krytina je světle béžová dlažba. Téměř přes celou délku velínu je směrem do haly umístěn ovládací pult s pracovní plochou.
Obr. 3.2 - Půdorys malé haly
3.1.1 Klasifikace prostoru a prováděných činností Klasifikace prostoru a prováděných činností je důležitou součástí jak analýzy, tak návrhu osvětlovací soustavy. Druh prostoru má vliv na výběr svítidel, která musí splňovat například požadavky na stupeň krytí IP (norma krytí Ingress Protection), nebo ochranu před 21
nebezpečným dotykovým napětím. Z prováděné činnosti vyplývá normou [5] daný požadavek na světelně technické parametry, jako jsou udržovaná osvětlenost lx , index oslnění !"#S : , index podání barev #9 T– V a rovnoměrnost osvětlení !W T– V. Norma ČSN EN 12464-1 [5] rozděluje prostory ve třech úrovních. V tomto případě se jedná o prostory pro „Průmyslové a řemeslné činnosti“. Tabulka A.1 v příloze uvádí podrobnější rozdělení průmyslových prostorů. Zkušební hala odpovídá elektrotechnickému průmyslu. Jak již bylo napsáno, konkrétní požadavky na osvětlovací soustavu v místě pracovního úkonu se stanovují podle prováděné činnosti. Pracovní činnosti pro elektrotechnický průmysl jsou uvedeny v tabulce A.2. Přesto, že je v tabulce uveden prostor a činnosti „Elektrotechnické dílny, zkoušení, justování“, hala do této kategorie nespadá. Prováděné činnosti jsou spíše charakteru montážních prací, a to hrubých až středních. Většinou se jedná o přemisťování zkoušeného/zkušebního zařízení a vzhledem k charakteru zkušebny to jsou zařízení větších rozměrů. Vzhledem k tomu, že se jedná o vysokou halu, lze uplatnit některé výjimky, jako třeba index podání barev. V místech pracovního úkonu ovšem musí být index podání barev vyšší, aby byla zaručena schopnost rozeznávání barev. Shrneme-li to, podle normy [5] se jedná o průmyslový prostor typu „Elektrotechnický průmysl“, ve kterém jsou prováděny hrubé a střední montážní práce. Normové požadavky jsou uvedeny v tabulce 3.1. Celkové osvětlení haly by tedy mělo vyhovovat hrubým montážním pracím. Za střední montážní práce se dají považovat činnosti na několika malých pracovištích rozmístěných podél oken v hale, která jsou doplněna o místní osvětlení. Kombinované osvětlení na těchto pracovištích (součet celkového a místního osvětlení) musí vyhovovat normovým požadavkům. Velín lze zařadit do stejné kategorie, jako jsou velíny v elektrárnách s referenčním číslem 5.20.5. Referenční Druh prostoru, úkolu nebo číslo činnosti 5.11.5 Montážní práce - hrubé - střední 5.20.5 Velíny (dozorny)
XP OY 300 500 500
Z[\] : \^ : 25 22 16
Tab. 3.1 - Klasifikace prováděných činností podle [5]
22
80 80 80
_ :
0,6 0,6 0,7
KAPITOLA 3. ANALÝZA STÁVAJÍCÍHO STAVU OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY
3.1.2 Denní osvětlení Jak bylo uvedeno v popisu haly, obvodová konstrukce haly obsahuje velké množství svislých osvětlovacích otvorů (oken). Pronikající světlo vytváří boční denní osvětlení a z části také horní denní osvětlení (vzhledem k výšce osvětlovacích otvorů), dohromady tedy kombinované denní osvětlení. Vzhledem k velikosti a rozmístění osvětlovacích otvorů dokáže denní světlo prosvětlit celou halu.
3.1.3 Umělé osvětlení Stávající soustava umělého osvětlení je rozdělena na tři zóny, takže je možné zapnout pouze určitou část, pokud se v celé hale nepracuje nebo není nutný plný výkon osvětlovací soustavy. První je umístěna nad velínem, přes který se vstupuje do haly a vede tudy také přístupová cesta do vedlejší velké haly. Tato zóna se skládá ze stropních zářivkových svítidel. Instalovány jsou dvě řady po osmi svítidlech, vždy pod vazníky stropu a dvě řady po dvou svítidlech v místě sníženého stropu nad velínem. Druhá zóna pokrývá zbylý prostor haly tak, že pod dalšími vazníky u stropu jsou dvě řady po osmi svítidlech. V těchto svítidlech jsou instalovány trojice lineárních zářivek s příkonem 36 W. Poslední řada po šesti svítidlech je ve snížené části haly se světelnými zdroji 2 x 36 W. První dvě zóny se využívají ke krátkodobému nebo částečnému osvětlení haly. V případě potřeby řádně osvětlit celou halu, nebo dlouhodobého osvětlení, se využívá třetí zóna, která má instalována svítidla s vysokotlakými rtuťovými výbojkami. Tato svítidla jsou instalována na výložnících, upevněných z obou stran vazníků stropu. Místní osvětlení pracovních ploch pro střední montážní práce je řešeno řadou jedenácti zářivkových svítidel ve výšce 2,5 m nad zemí se světelnými zdroji 2 x 36 W. Pracovní plochy, tedy i svítidla, jsou umístěny podél prosklené stěny. V tabulce 3.2 je uveden seznam instalovaných svítidel. Nejsou v ní započítána svítidla pro místní osvětlení, protože nebyla součástí měření. Hodnota v závorce je přibližný příkon svítidla včetně předřadníku. Více informací o svítidlech a světelných zdrojích nebylo zjištěno, vzhledem ke stáří osvětlovací soustavy a nepřístupnosti svítidel. Relativně velké množství
23
nefunkčních svítidel odpovídá dvěma řadám v části haly nad velínem. Přesné umístění svítidel je zakresleno na obrázku 3.4 spolu s naměřenými hodnotami.
Svítidlo
Příkon svítidla (W)
Počet instalovaných svítidel (ks)
Počet nefunkčních svítidel (ks)
Zářivkové svítidlo 2 x 36 W
72 (90)
10
0
Zářivkové svítidlo 3 x 36 W
108 (135)
32
16
Svítidlo s vysokotlakou rtuťovou výbojkou
125 (145)
21
3
Tab. 3.2 - Seznam instalovaných svítidel - malá hala
3.1.4 Provozní režim Měřicí zařízení a pracoviště jsou rozmístěná v malé i velké hale. Využití haly tedy závisí na druhu aktuálně vykonávaných zkoušek. Pracovní doba je jednosměnná a v prostoru haly je trvalý pobyt osob. Osvětlovací soustava není zapnuta trvale, protože se využívá převážně denního osvětlení. Velín zde není využíván tak intenzivně, aby se dal označit za pracoviště s trvalým pobytem osob. V jeho prostoru tak není nutné dodržet normové požadavky podle tabulky 3.1, ale vhodné je k nim přihlédnout.
3.1.5 Kvalita údržby Každá osvětlovací soustava má stanovený celkový udržovací činitel soustavy a plán údržby viz. kapitola 2.1.3. Dodržování plánu údržby je důležité pro zajištění správných světelně technických parametrů po celou dobu životnosti osvětlovací soustavy. Ve velkých nebo vysokých halách je taková údržba finančně nákladná buď kvůli rozloze, nebo nepřístupnosti svítidel. To je případ i této haly, takže se kromě výměny přístupných světelných zdrojů údržba neprovádí a tím neplní požadavek normy. Většina svítidel tak má zašpiněné kryty, což omezuje celkový světelný tok svítidla do prostoru. Pokles světelného toku zdrojů během jejich životnosti a překračování jejich životnosti má také negativní vliv na výkon celé osvětlovací soustavy.
24
KAPITOLA 3. ANALÝZA STÁVAJÍCÍHO STAVU OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY
3.2 Velká hala Velká hala má rozlohu přibližně 1600 m2. Delší obvodové stěny jsou šikmé a sbíhají se směrem do špičky. Výška ke stropu je 25 m. Uvnitř haly jsou dva ochozy, jeden ve výšce 9 m a druhý ve výšce 15 m nad podlahou. Pod stropem je také ve výšce 20 m jeřábová dráha s malým ochozem vedoucí přes celou délku haly. Jako podlahová krytina je použita stejně jako u malé haly betonová stěrka. Velín je jako samostatný prostor a částečně zasahuje do prostoru haly. Jeho rozměry jsou 12 x 4 m a podlahová krytina je dlažba, stejná jako v malé hale. Pro denní osvětlení slouží pouze jeden světelný otvor (okno) kruhového tvaru, umístěný ve štítu haly. Před oknem je zevnitř instalovaná roleta, aby bylo možné v případě potřeby halu zatemnit. V létě má hala otevřená velká vstupní vrata, čímž se do haly dostane více denního světla.
Obr. 3.3 - Půdorys velké haly
25
3.2.1 Klasifikace prostoru a prováděných činností Klasifikace prostoru je stejná jako u malé haly viz. předchozí kapitola 3.1.1, ale prováděné činnosti lze omezit pouze na hrubé montážní práce (viz. tabulka 3.1). Ve velínu mohou být ještě speciální požadavky, jako třeba stmívání osvětlovací soustavy během provádění zkoušek.
3.2.2 Denní osvětlení Denní osvětlení je v této hale nedostatečné a nesplňuje ani minimální požadavky na sdružené osvětlení (viz. kapitola 2.1.1). Je to dáno tím, že charakter některých pracovních činností v této hale vyžaduje uzavřený odstíněný prostor.
3.2.3 Umělé osvětlení Osvětlovací soustava je rozdělena opět na čtyři zóny. Pod prvním ochozem ve výšce 9 m jsou po celém obvodu haly instalována přisazená stropní zářivková svítidla, která jsou rozdělena do dvou zón. Svítidla jsou osazena dvojicemi lineárních zářivek s příkonem 36 W. Pro celkové osvětlení haly je navíc instalována čtveřice výkonných výbojových svítidel. Ta jsou umístěna po dvojicích na vaznících stropu ve výšce 25 m. Každá dvojice je jako jedna zóna a osvětluje polovinu haly. Jako světelné zdroje jsou použity halogenidové výbojky o příkonu 1500 W. V tabulce 3.3 jsou sepsána instalovaná svítidla. Hodnota v závorce je přibližný příkon svítidla včetně předřadníku. Vysoký počet nefunkčních svítidel velmi ovlivňuje celkovou osvětlenost pracovního prostoru a také rovnoměrnost osvětlení. Nefunkční zářivková svítidla se vyskytují nepravidelně po celém obvodu haly, občas ve shlucích až po třech svítidlech. Ze čtyř instalovaných výbojkových svítidel fungují pouze dvě, každé v jedné polovině haly.
Svítidlo
Příkon svítidla (W)
Počet instalovaných svítidel (ks)
Počet nefunkčních svítidel (ks)
Zářivkové svítidlo 2 x 36 W
72 (90)
97
38
Svítidlo s halogenidovou výbojkou
1500 (1570)
4
2
Tab. 3.3 - Seznam instalovaných svítidel - velká hala
26
KAPITOLA 3. ANALÝZA STÁVAJÍCÍHO STAVU OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Velín je jako samostatný prostor oddělen od haly prosklenou stěnou. Pracovní rovina se nachází podél prosklení na pracovních stolech ve výšce 0,85 m nad podlahou. Nad pracovní rovinou je instalovaná řada zářivkových svítidel opět s dvojicemi lineárních zářivek 2 x 36 W. Všechna svítidla jsou nakloněna o 90° do vnitřního prostoru, aby přes prosklení minimálně ovlivňovala podmínky v hale při zkouškách. Protože jsou svítidla určená pro montáž na strop a nemají speciálně tvarovaný reflektor, světelný tok není při montáži na svislou rovinu správně nasměrován. To ovlivňuje intenzitu světelného toku, dopadající na pracovní rovinu.
Svítidlo
Příkon svítidla (W)
Počet instalovaných svítidel (ks)
Počet nefunkčních svítidel (ks)
Zářivkové svítidlo 2 x 36 W
72 (90)
9
4
Tab. 3.4 - Seznam instalovaných svítidel - velká hala, velín
3.2.4 Provozní režim Provozní režim je podobný jako u malé haly (viz. kapitola 3.1.4). Během provádění zkoušek se navíc často zhasíná osvětlení v celé hale, kvůli pozorování elektrických jevů. Soustava se tedy několikrát za den rozsvěcí a zhasíná. Toto není úplně vhodné pro výbojková svítidla, jelikož mají delší dobu náběhu a pro opětovné zapnutí se musí počkat, než vychladnou.
3.2.5 Kvalita údržby Údržba osvětlovací soustavy je stejná jako v případě malé haly (viz. kapitola 3.1.5), tudíž nedostatečná.
3.3 Měření světelně technických parametrů Měřicí postupy a základní ustanovení stanovuje norma ČSN 36 0011 [7]. Je rozdělena na tři části, které obsahují základní ustanovení a postupy pro měření denního a umělého osvětlení včetně vyhodnocení a sepsání závěrečné zprávy.
27
Měření denního osvětlení je velmi náročné na přípravu, závislé na denní době a aktuálním počasí. Není tedy snadné podle předpovědi počasí naplánovat vhodný den s rovnoměrně zataženou oblohou. Z technických a hlavně koordinačních důvodů se měření činitele denní osvětlenosti neprovádělo a udělal se pouze odborný odhad. Měření se týkalo pouze umělého osvětlení a byla snaha postupovat podle uvedené normy [7], i když se nejednalo o certifikované měření. Následující text tedy bude věnován pouze měření umělého osvětlení. Hlavním účelem bylo zjištění podmínek osvětlení a zrakové pohody během užívaní analyzovaných prostorů a ověření, zda jsou tyto podmínky v souladu s platnými normami. Podle požadavků na přesnost výsledků se rozeznávají tři druhy měření:
•
přesné - určené pro posouzení náročných vnitřních prostorů nebo pro výzkumné účely;
•
provozní - určené pro ověřování správnosti navržených a realizovaných podmínek osvětlení a zrakové pohody, jejich dodržování během užívání a pro porovnání řešených osvětlovacích soustav;
•
orientační - určené pro ověřování základních podmínek zrakové pohody, na základě kterého se navrhuje další postup (opatření v údržbě, případně přesnější měření).
Osvětlenost ve vnitřních prostorech a její rozložení se měří v síti pravidelně rozmístěných měřicích bodů, které pokryjí celý prostor nebo jeho funkčně vymezené části na vodorovné srovnávací rovině. Výška vodorovné srovnávací roviny pro měření je 0,85 m nad podlahou,
není-li
stanoveno
jinak,
podle
konkrétní
funkce
daného
prostoru.
U komunikačních ploch se měří co nejblíže podlahy, nanejvýš 0,2 m nad podlahou. Podle vybrané přesnosti měření se volí odpovídající hustota sítě měřicích bodů. V menších vnitřních prostorech se volí vzájemná vzdálenost měřicích bodů 0,5 až 2 m, v rozsáhlých halových prostorech s velkou výškou stropu může být až 6 m (výjimečně i větší podle [4] a [7]). Krajní měřicí body se umisťují do vzdálenosti 1 m od vnitřní stěny. Důležité je, aby rozmístění měřicích bodů dostatečně zachytilo prostorový průběh osvětlenosti a pokud možno i místa s minimální a maximální osvětleností. Bere se v úvahu také rozmístění 28
KAPITOLA 3. ANALÝZA STÁVAJÍCÍHO STAVU OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY svítidel se snahou vystihnout místa pod svítidly a v polovině vzdálenosti mezi dvěma svítidly. V případě potřeby je možné pravidelnost sítě porušit posunutím nebo vynecháním měřícího bodu a obejít tak překážku, jako je technologické zařízení nebo konstrukce budovy. Při zpracování naměřených hodnot by měly být vynechané body interpolovány podle okolních hodnot. Při orientačním měření osvětlenosti se může počet měřicích bodů omezit podle povahy a funkce vnitřního prostoru na nejdůležitější charakteristická místa, ze kterých lze vyvodit celkovou úroveň osvětlenosti. Často to jsou místa nejvíce a nejméně osvětlená. Jako doplňující měření pro vyhodnocení podmínek osvětlení a zrakové pohody, se měří činitel odrazu světla důležitých povrchů, který vyjadřuje podíl odraženého světelného toku. Jedná se především o pracovní plochy, stěny, podlahy a stropy. Nezanedbatelné plochy vnitřního zařízení, co do rozměrů nebo vlastností povrchu, se měří také. Tyto parametry jsou důležité pro vytvoření počítačového modelu prostoru, který lze využít při optimalizaci nebo návrhu nové osvětlovací soustavy. Měřicí přístroje musí mít danou přesnost a být pravidelně kalibrovány prostřednictvím pověřeného pracoviště, viz. tabulka 3.5. Pro orientační měření lze použít i přístroje, které nevyhovují uvedeným parametrům, jsou kalibrované a jejich celková chyba je uvedena ve zprávě o měření.
Přípustná celková chyba (%) Luxmetry
Jasoměry
Doporučený interval kalibrace
Přesné
±5
±7,5
2 roky
Provozní
±10
±10
3 roky
Orientační
±20
±20
5 let
Přesnost měření
Tab. 3.5 - Požadavky na měřicí přístroje
Zpráva o měření se, co do podrobnosti a obsahu, zpracovává s ohledem na stanovený stupeň přesnosti měření. V příloze A je uveden kompletní seznam bodů, které by zpráva
29
měla obsahovat. Některé body jsou zpracovány v předchozích kapitolách 3.1 a 3.2, další zpracované body jsou shrnuty v několika následujících podkapitolách.
3.3.1 Příprava Účelem měření bylo zjistit stávající světelně technické parametry osvětlovací soustavy, aby bylo možné na jejich základě porovnat současný stav s platnými technickými normami pro osvětlování a navrhnout novou, efektivnější osvětlovací soustavu. Bude také možné porovnat kvantitativní a kvalitativní parametry staré a nové osvětlovací soustavy. Stupeň přesnosti měření tedy odpovídá měření provoznímu. Měření probíhalo dne 8. prosince 2011 v čase 18:00 až 20:00 hodin, aby se vyloučil vliv denního osvětlení. Vždy před započetím samotného měření se osvětlovací soustava uvedla do zapnutého stavu tak, jak se používá při běžném provozu. Po zapnutí bylo zapotřebí nechat soustavu ustálit, takže měření začalo vždy minimálně s 10 – 20 min. odstupem, podle druhu instalovaných světelných zdrojů. Výbojové zdroje by navíc měly být zahořeny (min. 100 h svícení), aby byly zajištěny jejich jmenovité parametry, což bylo v tomto případě splněno. Během náběhu soustavy byl změřen činitel odrazu vybraných povrchů reflektometrem pro vytvoření přesnějšího modelu haly. Protože nebylo měřeno kombinované osvětlení, nýbrž celkové umělé osvětlení, byly vypnuty všechny lokální svítidla sloužící pro přisvětlení v místech s náročnější zrakovou činností. Dále byly vyznačeny měřicí body pro rychlý průběh měření. K měření byly použity následující přístroje:
•
Reflektometr č. 3257439 (ČVUT)
•
Digitální luxmetr PU 550 č. 9710717 (Metra) o Měřicí rozsahy: 20, 200, 2 000 lx, 20, 100 klx o Přesnost: ±0,5 % z měřené hodnoty ±0,5 % z měřicího rozsahu o Kalibrační list: 8018-0L-F028-07 (poslední kalibrace v roce 2007)
•
Fotočlánek o Korigovaná křemíková fotodioda opatřená kosinusovým nástavcem
Vodorovná srovnávací rovina pro všechna měření byla podle normy stanovena ve výšce 0,85 m nad podlahou. Pro dodržení konstantní výšky fotočlánku luxmetru byl použit 30
KAPITOLA 3. ANALÝZA STÁVAJÍCÍHO STAVU OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY stativ s vodováhou. Fotočlánek měl dostatečně dlouhý kabel, aby byla vyloučena možnost ovlivnění měřené hodnoty zastíněním při odečítání. Během měření se stativ umisťoval na předem vyznačené rovnoměrně rozložené měřicí body. Při rozmisťování měřicích bodů byl brán ohled na rozmístění technického vybavení a velikost haly.
3.3.2 Naměřené hodnoty Pro správný návrh nové osvětlovací soustavy je nutné vytvořit počítačový model prostoru. S větším počtem vstupních parametrů a informací o prostou lze vytvořit přesnější model blížící se reálnému prostoru. Bylo tedy potřeba více naměřených údajů, a kromě pečlivého zaměření rozměrů celé haly laserovým měřidlem, byly měřeny také činitele odrazu důležitých povrchů. Naměřené hodnoty odpovídají standardním rozsahům pro jednotlivé povrchy. Standardní hodnota ` :
Naměřená hodnota ` :
0,75 až 0,85
0,70
0,70 až 0,90
0,50
Podlaha – beton
0,20
0,20
Podlaha - dlažba
0,20 až 0,40
0,35
Plechová vrata
0,05 až 0,20
0,10
-
0
Povrch Stěna – bílá Strop
Luxfery
Tab. 3.6 - Činitele odrazu vybraných povrchů
Malá hala Prostor haly byl rozdělen na dvě funkční části. Hlavní pracovní prostor haly byl pokryt sítí měřicích bodů 3 x 2 m s odstupem krajních bodů od stěny 1 až 1,5 m. Pro velín, jakožto menší prostor, byla zvolena čtvercová síť 1 x 1 m a odstup krajních bodů od stěn 1 m. Část plochy pod sníženým stropem lze považovat za komunikační prostor. Nepravidelnosti v síti nebo větší odstupy od stěn jsou kvůli umístěnému vybavení haly. Naměřené hodnoty osvětlenosti do jisté míry závisí i na jiných vlivech. Jedná se například o závislost světelného toku zdroje na změnách napájecího napětí. Proto by se měla změřit velikost napájecího napětí měřené osvětlovací soustavy. Pokud hodnota neodpovídá 31
jmenovitému napájecímu napětí, správná hodnota osvětlenosti se dopočítá s použitím korekčního činitele ! e ab = c d !
(3.1)
kde ! je jmenovité napětí, ! naměřené napětí a c je exponent závislý na typu světelného zdroje. Jelikož nebyla možnost napájecí napětí světelných okruhů změřit a nejednalo se o přesné laboratorní měření, přepočet hodnot pomocí korekčního činitele se nepoužil a veškeré uvedené hodnoty jsou bez korekce. V tabulkách 3.7 a 3.8 jsou naměřené hodnoty osvětlenosti v jednotlivých měřicích bodech. Tučně zvýrazněné hodnoty odpovídají maximu a minimu měřené veličiny. V tabulce 3.7 jsou řádky A až F brány jako nezařazený prostor a zbytek jako prostor velínu.
A B C D E F G H I J K L M N O
1 296 286 254 229 197 148 131 135 132 136 134 132 131 124 107
2 315 331 291 255 213 159 130 127 128 131 128 128 129 119 106
3 270 298 259 225 194 143 125 121 120 122 121 120 121 112 99
4 204 216 194 175 154 125 112 110 110 111 110 110 109 103 91
Tab. 3.7 - Naměřené osvětlenosti v měřicích bodech (lx) – malá hala, velín
32
KAPITOLA 3. ANALÝZA STÁVAJÍCÍHO STAVU OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY
A B C D E F G H
1 94 92 88 89 108
2 130 117 130 117 121
3 142 125 142 131 123 142 124,5
4 143 117 102 152 158 145 144 113
5 138 134 129 120 127 126 118 108
6 130 135 142 129 130 127 115 92
7 111 134 137 123 110 121 111 -
Tab. 3.8 - Naměřené osvětlenosti v měřicích bodech (lx) – malá hala
Grafické vyhodnocení výsledků včetně zakreslených měřicích bodů je na obrázku 3.4. Zeleně a červeně jsou vyznačena instalovaná svítidla, přičemž zelená byla v době měření funkční a červená nefunkční. Tento stav odpovídá běžnému provoznímu. Kruh značí výbojové svítidlo a obdélník zářivkové. Černé tečky znázorňují měřicí body, jejichž hodnoty jsou k nalezení v tabulkách 3.7 a 3.8.
Obr. 3.4 - Grafické vyhodnocení měření - malá hala
33
V grafu je vidět nižší osvětlenost v místech, kde jsou nefunkční zářivková svítidla. Rovnoměrnost osvětlení je dostačující, vzhledem k výpočtu. Nad velínem je znát větší vliv nefunkčních svítidel. Nejvyšší intenzita osvětlenosti je samozřejmě v místě se sníženým stropem (v pravém horním rohu na obrázku 3.4) a tomu také odpovídá menší rovnoměrnost osvětlení.
Velká hala Po předběžné analýze osvětlovací soustavy ve velké hale (viz.3.2.3) byl vzhledem k jejímu špatnému stavu změněn stupeň přesnosti pouze na orientační měření, aby byla vystižena a změřena místa s nejvyšší a nejnižší osvětleností. Měřicí body byly přibližně v síti 8 x 12 m a ve význačných bodech pro zachycení lokálních extrémů. Síť bodů není příliš rovnoměrná, proto jsou v obrázku 3.5 zakresleny přímo jednotlivé body. Velín byl měřen opět s přesností provozního měření v síti měřicích bodů 1 x 1 m s okrajovou zónou 1 m od stěn.
Obr. 3.5 - Rozmístění měřicích bodů - velká hala
34
KAPITOLA 3. ANALÝZA STÁVAJÍCÍHO STAVU OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY V tabulkách 3.9 a 3.10 jsou naměřené osvětlenosti v jednotlivých měřicích bodech podle Obrázku 3.2 bez použití korekčního činitele. 1 62 -
A B C D E
2 60 19 56 -
3 73 62 36 41 45
4 60 30 51 -
Tab. 3.9 - Naměřené osvětlenosti v měřicích bodech (lx) – velká hala
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
A
111
159
164
131
97
94
114
127
149
176
172
B
112
153
159
134
107
95
122
137
152
170
157
Tab. 3.10 - Naměřené osvětlenosti v měřicích bodech (lx) – velká hala, velín
Vzhledem k orientačnímu měření a malému množství kontrolních bodů by grafické znázornění osvětlenosti ve velké hale nemělo příliš velkou vypovídací hodnotu. Proto je na obrázku 3.6 pouze rozložení osvětlenosti ve velínu. Obdélníky opět značí zářivková svítidla, přičemž zelená byla v průběhu měření i za běžného provozu funkční a červená nefunkční. Rozložení osvětlenosti kopíruje funkční a nefunkční svítidla.
Obr. 3.6 - Grafické vyhodnocení měření - velká hala, velín
35
3.4 Vyhodnocení stávajícího stavu Pro porovnání naměřených hodnot s požadavky stanovenými normou je nutné provést několik jednoduchých výpočtů. V tabulce 3.11 jsou již uvedeny vypočtené hodnoty. Průměrná osvětlenost XP OY se počítá jako aritmetický průměr ze všech naměřených hodnot osvětleností. Rovnoměrnost osvětlení Z_ : je poměr minimální a průměrné osvětlenosti povrchu. Jednotné hodnocení oslnění Z[\] : nelze určit, protože nejsou dostupná potřebná data k instalovaným svítidlům. Index podání barev \^ : je jeden z důležitých parametrů světelných zdrojů. Nelze přesně určit, protože nejsou dostupná potřebná data k instalovaným světelným zdrojům. Vysokotlaké rtuťové výbojky ovšem mají udávaný index podání barev 40 – 60. Zářivkové trubice mohou mít vzhledem ke stáří a občasné výměně 70 – 80. Naměřená XP OY
Normová
Malá hala
XP OY
Naměřená Z_ :
Normová Z_ :
123,7
300
0,71
0,60
Malá hala - velín
119,9
500
0,76
0,70
Malá hala - nezařazený prostor
226,3
200
-
-
Velká hala
49,6
500
0,38
0,60
Velká hala - velín
136
750
0,69
0,70
Prostor
Tab. 3.11 - Porovnání naměřených a normových hodnot
Z výsledků, uvedených v tabulce 3.11, je jasné, že hodnoty průměrných osvětleností nesplňují požadavky na umělé osvětlení podle platných technických norem ani na jednom pracovišti. Příčin je hned několik:
•
36
osvětlovací soustavy jsou zastaralé;
KAPITOLA 3. ANALÝZA STÁVAJÍCÍHO STAVU OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY •
světelné zdroje jsou za hranicí životnosti a došlo u nich k poklesu světelného toku (mnoho jich je nefunkčních);
•
údržba je zanedbaná.
Jako světelné zdroje jsou v malé hale použity vysokotlaké rtuťové výbojky, které se dnes používají už jen převážně pro speciální účely. Výměna těchto světelných zdrojů je tedy komplikovanější. Navíc vyžadují pro svůj provoz tlumivky, stejně tak jako použité lineární zářivky. Spotřeba tlumivek není při vyšším počtu svítidel zanedbatelná a pohybuje se přibližně v rozmezí 10 až 45 W podle příkonu. Výkonné halogenidové výbojky použité ve velké hale mají tlumivku s vlastní spotřebou okolo 70 W. Z energetických důvodů by bylo vhodné, vyměnit svítidla za moderní zářivková nebo výbojková s použitím elektronických předřadníků, které také prodlouží životnost světelných zdrojů. Nejefektivnějším řešením by však byla například nejnovější svítidla se světelnými zdroji na bázi LED. Údržba stávajících osvětlovacích soustav je zanedbaná, čímž se porušuje normový požadavek na pravidelný interval údržby. Důležitá je také obnova maleb vnitřních povrchů (stěny, strop), jež ovlivňuje difuzní záření těchto povrchů a tím i osvětlenost prostoru (viz. obrázek 2.1). Mnoho svítidel bylo nefunkčních a nedocházelo k jejich výměně. Při návrhu nových osvětlovacích soustav v následující kapitole bude počítáno s pravidelnou údržbou podle stanoveného plánu údržby. Celková instalovaný příkon osvětlovacích soustav, včetně nefunkčních svítidel je: Malá hala •
Ifg, = h LMM Q
Velká hala •
Ifg,E = RM iLj Q
37
4 Návrh nové osvětlovací soustavy Návrh bude proveden pro obě zkušební haly se snahou využít moderních svítidel a světelných zdrojů, aby byla minimalizována energetická náročnost a zároveň splněny legislativní požadavky na světelně technické parametry. V normě [2], podle které je analyzovaná zkušebna akreditována, nejsou žádné zvláštní požadavky na osvětlovací soustavu. Jediný požadavek je na usnadnění správného provádění zkoušek/kalibrací, které nesmí být nepříznivě ovlivněno. Pokud tedy shrneme poznatky z předchozích kapitol, získáme základní požadavky na osvětlovací soustavy podle aktuálně platných technických norem. Pokud je již provedena analýza prostoru (kapitola 3), postup návrhu se skládá z následujících kroků:
•
souhrn kvalitativních a kvantitativních požadavků;
•
volba typu osvětlovací soustavy;
•
volba světelných zdrojů a svítidel;
•
odhad udržovacího činitele;
•
dimenzování osvětlovací soustavy a rozmístění svítidel;
•
kontrolní výpočty (simulace).
4.1 Malá hala 4.1.1 Požadavky a volba typu osvětlovací soustavy V hale je vykonávána trvalá práce a je standardně osvětlovaná denním osvětlením. Legislativní požadavek na celkové umělé osvětlení je v tomto případě vyjádřen udržovanou osvětleností = 200 lx. V prostoru se nachází dvě pracoviště s vyšší náročností zrakové činnosti (velín a pracoviště pro střední montážní práce) a převážná část prostoru slouží pro hrubé montážní práce. Shrnutí legislativních požadavků je v tabulce 4.1. Grafické znázornění požadavků na udržovanou osvětlenost v prostoru je vidět na obrázku 4.1. Norma [5] také požaduje index podání barev #9 ≥ 80, ale v případě vysokých hal nemusí být tato podmínka přesně splněna (viz kapitola 2.1.2). 38
KAPITOLA 4. NÁVRH NOVÉ OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Místo zrakové činnosti
XP OY
Z_ :
Hrubé montážní práce
300
0,6
Střední montážní práce
500
0,6
Velín
500
0,7
Nezařazený prostor
200
-
Tab. 4.1 – Požadavky na osvětlenost – malá hala
Vzhledem k tomu, že se jedná o jeden velký prostor s různými požadavky na hladinu osvětlenosti, je vhodné použít odstupňovanou osvětlovací soustavu. V prostoru nad velínem bude vyšší hladina osvětlenosti než ve zbylém prostoru haly. V prostoru podél oken, kde jsou umístěna pracoviště pro střední montážní práce, bude z ekonomických důvodů použito místní osvětlení pro zvýšení hladiny osvětlenosti. Pro osvětlování nezařazeného prostoru bude využita již zmíněná odstupňovaná soustava nad velínem a v části se sníženým stropem (obrázek 4.1 vpravo nahoře) přisazená stropní svítidla. Celkově se tedy jedná o soustavu kombinovanou.
Obr. 4.1 - Rozložení udržovaných osvětleností v prostoru – malá hala
39
V hale je jednosměnný provoz (9 h/den), a to pouze ve všední dny. Osvětlovací soustava je tak v provozu 258 pracovních dní, což odpovídá 2322 h/rok. Vzhledem k použití řídicího systému pro využití denního osvětlení, můžeme podle [9] dobu provozu osvětlovací soustavy snížit přibližně o 40 %. Provozní doba osvětlovací soustavy potom odpovídá 1340 h/rok.
4.1.2 Svítidla a světelné zdroje Hala obsahuje dostatek denního osvětlení a pro minimalizaci energetické náročnosti je nutné, aby s ním v součinnosti pracovala i soustava umělého osvětlení. Všechny světelné zdroje tedy musí být stmívatelné. Pro účinné stmívání je nutné mít svítidla vybavena elektronickými stmívatelnými předřadníky a pro snadnou obsluhu a řízení také rozhraním DALI. Původní osvětlovací soustava měla zanedbanou údržbu a mnoho světelných zdrojů bylo nefunkčních. Hlavní svítidla byla zavěšena ve výšce 11,5 m, kde je údržba obtížnější. Volba svítidel se zvýšeným krytím pro ochranu před prachem (IP5X) a světelné zdroje s dlouhou životností mohou v tomto prostředí prodloužit interval údržby až na maximální hodnotu (3 roky). Pro tuto závěsnou výšku se také musí zvolit svítidla odpovídajícího typu (tzv. „High Bay“) a užší vyzařovací charakteristikou. Pro odstupňované osvětlování haly, vzhledem k závěsné výšce svítidel, byl zvolen jeden druh svítidel, konkrétně nové, moderní svítidlo Philips GentleSpace. Toto svítidlo využívá světelné diody (LED) a vyrábí se ve dvou příkonových řadách (145 a 292 W) se třemi typy vyzařovacích charakteristik (široká,
Obr. 4.2 – Svítidlo Philips GentleSpace (292 W)
střední a speciální pro regálové sklady). Teplota chromatičnosti vyzařovaného světla je 4 000 K. Když pomineme známé výhody světelných diod, je u tohoto svítidla zajímavé jeho zvýšené krytí IP65 a integrovaný digitální předřadník s rozhraním DALI. Svítidlo má dlouhý servisní život1 75 000 h a je zde také do budoucna možná výměna LED modulů. V grafu na 1
Provozní doba, při které poklesne světelný tok svítidla na 70 % jmenovité hodnoty.
40
KAPITOLA 4. NÁVRH NOVÉ OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY obrázku 4.3 je vidět závislost poklesu světelného toku na provozní době. Podrobnější informace jsou obsaženy v katalogovém listu výrobce na přiloženém CD.
100 90 80
Světelný tok (%)
70 60 50 40 30 20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Doba provozu (tis. h)
Obr. 4.3 – Pokles světelného toku u svítidla Philips GentleSpace
Pro místní osvětlení byla vybrána svítidla Pracht LUNA N LED LOPRA. Jedná se o svítidlo s trubicovými LED zdroji a difuzním optickým systémem, který zabraňuje oslnění od jednotlivých světelných diod. Teplota chromatičnosti vyzařovaného světla je 4 000 K. Svítidlo má zvýšený stupeň krytí IP65 a použité světelné zdroje mají příkon 2 x 22 W. Jelikož bude použito pro místní osvětlení, nemusí být vybaveno stmívatelnými předřadníkem.
4.1.3 Udržovací činitel a plán údržby Udržovací činitel závisí na několika dílčích faktorech a jeho výpočet a význam je popsán v kapitole 2.1.3. Měl by být stanoven pro každý typ svítidla, které je součástí osvětlovací soustavy. Parametr, který je společný pro všechna svítidla v místnosti je udržovací činitel povrchů místnosti RSMF. Údaje pro jeho určení jsou následující:
•
čistota prostředí normální;
•
činitele odrazu povrchů 0,50/0,70/0,20 (strop/stěny/podlaha);
•
interval údržby stěn (čištění povrchů) 6 let. 41
Výsledná hodnota je stanovena tabulkovou metodou podle [9]: #B?@ = 0,89 Philips - GentleSpace Světelné zdroje ve svítidle mají délku servisního života 75 000 h. Pokud budeme uvažovat životnost pouze 60 000 h (pro zvýšení hodnoty udržovacího činitele), servisní interval je 45 let při provozu 1340 h/rok a poklesu světelného toku na 80 % jmenovité hodnoty. Udávaná poruchovost světelných zdrojů činí velice malých 0,05 % za 5000 h, což je při přepočtu na 60 000 h provozu jen 0,6 %. Podle údajů výrobce a tabulkových hodnot [9] byly zvoleny následující hodnoty dílčích činitelů: LLMF
0,80
LSF
1,00
LMF
0,94
RSMF
0,89
Výsledný udržovací činitel je: ?@ = 0,8 ∙ 1 ∙ 0,94 ∙ 0,89 = j, lm při čištění svítidel každé 3 roky, výměně všech světelných zdrojů každých 45 let a intervalu údržby povrchů v místnosti 6 let. Čištění svítidel lze provádět z instalovaného a ve sníženém prostoru haly s použitím žebříku. Pracht - LUNA N LED LOPRA Toto svítidlo bude použito pro osvětlení nezařazeného prostoru v místě se sníženým stropem a také jako místní osvětlení v místě pro střední montážní práce. Relativně nízká závěsná výška umožňuje individuální výměnu světelných zdrojů v případě poruchy a tím pádem vyloučení činitele funkční spolehlivosti (LMF = 1). Svítidlo standardně obsahuje světelné zdroje Master LED od společnosti Philips, která udává životnost 30 000 h (teplota okolí 25°C) při poklesu světelného toku na 70 % jmenovité hodnoty a poruchovosti 50 %.
42
KAPITOLA 4. NÁVRH NOVÉ OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Životnost těchto světelných zdrojů v osvětlovací soustavě je přibližně 22 let při provozu 1340 h/rok. Podle údajů výrobce a tabulkových hodnot [9] byly zvoleny následující hodnoty dílčích činitelů: LLMF
0,70
LSF
1,00
LMF
0,88
RSMF
0,89
Výsledný udržovací činitel je: ?@ = 0,7 ∙ 1 ∙ 0,88 ∙ 0,89 = j, MM při čištění svítidel každé 2 roky, individuální výměně nefunkčních světelných zdrojů, výměně všech světelných zdrojů každých 22 let a intervalu údržby povrchů v místnosti 6 let. Pravidelné čištění svítidel je možné provádět ze země nebo s použitím žebříku.
4.1.4 Dimenzování a kontrola návrhu S využitím udržovacích činitelů a znalosti umístění svítidel můžeme podle rovnice 2.5 aktualizovat tabulku 4.1 o reálné hodnoty, na které musí být osvětlovací soustava navržena. Pro účely návrhu a simulace osvětlovací soustavy byl podle naměřených veličin vytvořen detailní model haly v programu DIALux. Svítidla byla rozmístěna s ohledem na možnosti zavěšení a požadavky na průměrnou osvětlenost v jednotlivých funkčních částech. Také musela být dodržena rovnoměrnost osvětlení (tabulka 4.1). Výsledné rozmístění svítidel je znázorněno na obrázku 4.4.
Hrubé montážní práce
XP OY op 448
Střední montážní práce
909
0,6
Velín
746
0,7
Nezařazený prostor
299
-
Místo zrakové činnosti
Z_ − 0,6
Tab. 4.2 – Počáteční průměrné osvětlenosti pro návrh – malá hala
43
Montážní výška svítidel je shodná jako u původní osvětlovací soustavy. Zavěšení svítidel je opět pod vazníky střešní konstrukce. Větší hustota svítidel v levé části haly je z důvodu lepší prosvětlenosti tohoto, jinak tmavého, místa a je zde použita kombinace středních a širokých zářičů. Uprostřed haly jsou také použity široké zářiče pro lepší rovnoměrnost osvětlení. Na pravé straně jsou čtyři svítidla pro zvýšení osvětlenosti v prostoru velínu.
Obr. 4.4 – Svítidla (situační plán) – malá hala
Seznam použitých svítidel je shrnut v tabulce 4.3. Hodnota v závorce je příkon svítidla včetně předřadníku, pokud se liší.
Svítidlo Philips GentleSpace BY461P MB Philips GentleSpace BY461P WB LUNA N LED LOPRA 2 x 22 W
Příkon svítidla (W)
Počet svítidel (ks)
292
11
292
6
44 (47)
11
Tab. 4.3 – Navržené počty svítidel – malá hala
44
KAPITOLA 4. NÁVRH NOVÉ OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Místo zrakové činnosti
XP OY
Z_ :
Hrubé montážní práce
460
0,630
Střední montážní práce
933
0,648
Velín
599
0,818
Nezařazený prostor
461
0,460
Tab. 4.4 – Parametry navržené osvětlovací soustavy – malá hala
Navržené řešení osvětlovací soustavy splňuje normou stanovené požadavky (viz. tabulka 4.4). V případě velínu byla udělána výjimka (viz. kapitola 3.1.4) a osvětlenost byla snížena, aby nebyla soustava v tomto místě předimenzovaná. Index podání barev je #9 ≥ 75, ale vzhledem k charakteru zrakové činnosti a výšce prostoru se jedná o dovolené snížení oproti požadovanému #9 ; 80. V simulaci byl také vyzkoušen vliv svítidel na oslnění pozorovatele (UGR) s vyhovujícím výsledkem. Celkový příkon navržené osvětlovací soustavy je 5 481 W. Na následujících dvou obrázcích 4.5 a 4.6 je vizualizace haly s navrženou osvětlovací soustavou.
Obr. 4.5 – Vizualizace malé haly – pohled shora
45
Obr. 4.6 – Vizualizace malé haly – boční pohled
4.1.5 Řídicí systém Jelikož jsou všechna hlavní svítidla vybavena stmívatelnými předřadníky s rozhraním DALI, umožňují napojení na řídicí systém a každé samostatně adresovat a ovládat. S vhodným rozmístěním senzorů osvětlenosti a pohybu lze vytvořit v každé části prostoru takovou osvětlenost, jaká je v danou chvíli potřebná. Výhodou tohoto řešení, které udržuje konstantní osvětlenost v prostoru, je snížení příkonu osvětlovací soustavy, který byl v důsledku udržovacího činitele navýšen. Pro správnou funkci je nutné osvětlovací soustavu rozdělit do funkčních bloků jak je vidět na obrázku 4.7. Skupiny zeleně ohraničených svítidel mají vlastní ovládací prvky, aby bylo možné je samostatně ovládat. Samozřejmostí je možnost zapnout nebo vypnou celou soustavu jedním ovládacím prvkem. Místní osvětlení, ve spodní části obrázku podél oken, je zapínáno pouze samostatně. Lze ho však centrálně vypnout společně s ostatními svítidly. 46
KAPITOLA 4. NÁVRH NOVÉ OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Svítidla ohraničená červeně jsou napojena na senzory intenzity osvětlení. Každá skupina svítidel využívá vlastní senzor. Zapojení v řadách podél oken je efektivnější při využití denního osvětlení. Poslední skupina svítidel, ohraničená modře, znázorňuje využití senzorů pohybu. Při detekci pohybu jsou rozsvícena aktuálně zapnutá svítidla v dané skupině. Po uplynutí časového úseku při nečinnosti dojde ke snížení jejich světelného toku na 20 % jmenovité hodnoty. Za další časový úsek se sníží světelný tok na minimální hodnotu. Svítidla v pravé části nad velínem nejsou z důvodu bezpečnostních pohybu v prostoru vypínána a jejich minimální světelný tok je zmíněných 20 % jmenovité hodnoty. Nastavení řídicího systému je vždy nutné zoptimalizovat po započetí provozu v reálných podmínkách.
Obr. 4.7 – Rozdělení svítidel do funkčních bloků – malá hala
47
4.2 Velká hala 4.2.1 Požadavky a volba typu osvětlovací soustavy V hale je vykonávána trvalá zraková činnost, ale není zde dostatek denního osvětlení. Jak je popsáno v kapitole 2.1.1, je nutné dodržet minimální udržovanou osvětlenost = 300 lx. Pokud norma stanoví jinou udržovanou osvětlenost, tak pro hodnoty 300 až 500 luxů včetně, je nutné zvýšit hladinu osvětlenosti o jeden stupeň v řadě osvětleností. Tento legislativní požadavek u velkého prostoru výrazně ovlivní energetickou náročnost osvětlovací soustavy a počet instalovaných svítidel. Je to však důležitý požadavek, protože umělé osvětlení je zde jediným zdrojem světla (pokud zanedbáme malý osvětlovací otvor ve štítu haly). Zraková činnost v prostoru je kategorizována jako hrubé montážní práce, ale není zde žádné stabilní pracoviště. V celém prostoru haly tedy platí požadavky pro hrubé montážní práce. Součástí haly je i velín, který má samostatnou místnost. Opět zde není dostatek denního osvětlení, a tak platí požadavek na zvýšení osvětlenosti o jeden stupeň. Shrnutí legislativních požadavků je v tabulce 4.5. Grafické znázornění požadavků na udržovanou osvětlenost v prostoru je na obrázku 4.8.
Místo zrakové činnosti
XP OY
Z_ −
Celkové osvětlení - hrubé montážní práce
500
0,6
Velín
750
0,7
Nezařazený prostor - velín
300
-
Tab. 4.5 – Požadavky na osvětlenost – velká hala
Vzhledem k tomu, že se jedná o jeden velký prostor s konstantním požadavkem na hladinu osvětlenosti, bude v hale použita celková osvětlovací soustava. Uvnitř velínu bude na pracovištích zvýšená hladina osvětlenosti a ve zbylém prostoru postačí minimální požadavek. Osvětlovací soustava zde bude odstupňovaná.
48
KAPITOLA 4. NÁVRH NOVÉ OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY
Obr. 4.8 - Rozložení udržovaných osvětleností v prostoru – velká hala
Provoz v hale je jednosměnný pouze ve všední dny a osvětlovací soustava musí být, z důvodu nedostatku denního osvětlení, v provozu po celou dobu pracovní směny (9 h/den). Pro 258 pracovních dní je možné provozní dobu vyčíslit na 2322 h/rok. Při použití řízení na základě senzorů pohybu můžeme provozní dobu snížit o cca 15 % na 1980 h/rok.
4.2.2 Svítidla a světelné zdroje V hale není dostatek denního osvětlení, a tak jsou kladeny vyšší požadavky na soustavu umělého osvětlení. Vzhledem k relativně velké rozloze a malému množství pracovníků se tak nabízí využití pohybových čidel pro stmívání a svítidel. Tím je možné částečně snížit energetickou náročnost osvětlovací soustavy. Světelné zdroje tedy musí být stmívatelné. Pro účinné stmívání je nutné mít svítidla vybavena elektronickými stmívatelnými předřadníky a pro snadnou obsluhu a řízení také rozhraním DALI. Původní osvětlovací soustava měla svítidla umístěna pod prvním ochozem po celém obvodu haly a 4 výkonná pod stropem haly. Pro novou osvětlovací soustavu je vhodné umístit svítidla také na druhý ochoz haly. Závěsné výšky svítidel budou přibližně 8 m, 14,5 m 49
a 23 m. Pro rovnoměrné prosvětlení prostoru byla vybrána opět svítidla Philips GentleSpace se střední a širokou vyzařovací charakteristikou světelného toku. Jejich výhody a parametry jsou popsány v kapitole 4.1.2. Pro osvětlení velínu jsou požadovány stmívatelné zdroje, aby pronikající světlo nenarušovalo průběh některých zkoušek. Zároveň je vhodné použít takové svítidlo, které má úzkou nebo asymetrickou vyzařovací charakteristiku světelného toku, případně umožňuje částečné nasměrování reflektoru. Tím lze docílit vyšší rovnoměrnosti osvětlení a zároveň omezení světelného toku přes zasklení do prostoru haly. To splňují svítidla Pracht řady Apollo, která mají navíc zvýšené krytí IP65. Vybrané svítidlo používá jako světelné zdroje dvojici lineárních zářivek T5 s příkonem 49 W a teplotou chromatičnosti 4 000 K. Zbylý prostor velínu je osvětlen přisazenými stropními svítidly Pracht Bernina s jednou lineární zářivkou T5 80 W. Obě vybraná svítidla mají podobné parametry a pro výpočet je použit stejný udržovací činitel.
4.2.3 Udržovací činitel a plán údržby Udržovací činitel se stanoví podobně, jako v předchozí kapitole. Údaje pro určení činitele RSMF jsou následující:
•
čistota prostředí normální;
•
činitele odrazu povrchů 0,50/0,70/0,20 (strop/stěny/podlaha);
•
interval údržby stěn (čištění povrchů) 6 let.
Výsledná hodnota je stanovena tabulkovou metodou podle [9] s přihlédnutím k charakteru prostoru: #B?@ = 0,93 Philips GentleSpace Světelné zdroje ve svítidle mají délku servisního života 75 000 h. Pokud budeme uvažovat životnost pouze 60 000 h (pro zvýšení hodnoty udržovacího činitele), servisní interval je 30 let při provozu 1980 h/rok a poklesu světelného toku na 80 % jmenovité hodnoty. Udávaná poruchovost světelných zdrojů činí velice malých 0,05 % za 5000 h, což je při přepočtu na 60 000 h provozu jen 0,6 %. 50
KAPITOLA 4. NÁVRH NOVÉ OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Podle údajů výrobce a tabulkových hodnot [9] byly zvoleny následující hodnoty dílčích činitelů: LLMF
0,80
LSF
1,00
LMF
0,94
RSMF
0,93
Výsledný udržovací činitel je: ?@ = 0,8 ∙ 1 ∙ 0,94 ∙ 0,93 = j, m při čištění svítidel každé 3 roky, výměně všech světelných zdrojů každých 30 let a intervalu údržby povrchů v místnosti 6 let. Čištění svítidel lze provádět z ochozů haly a v případě stropních svítidel z instalovaného jeřábu. Pracht Apollo Relativně nízká závěsná výška umožňuje individuální výměnu světelných zdrojů v případě poruchy a tím pádem vyloučení činitele funkční spolehlivosti (LMF = 1). Svítidlo standardně obsahuje jako světelné zdroje lineární zářivky T5, které mají udávanou životnost 20 000 h (teplota okolí 25°C) při poklesu světelného toku na 70 % jmenovité hodnoty. Pokud budeme uvažovat jako přípustný pokles světelného toku 80 % jmenovité hodnoty (pro zvýšení hodnoty udržovacího činitele), je životnost těchto světelných zdrojů v osvětlovací soustavě přibližně 13 000 h. Tato životnost odpovídá přibližně 6 letému provozu při uvažovaném ročním provozu osvětlovací soustavy 2322 h. Podle údajů výrobce a tabulkových hodnot [9] byly zvoleny následující hodnoty dílčích činitelů: LLMF
0,80
LSF
1,00
LMF
0,90
RSMF
0,93
51
Výsledný udržovací činitel je: ?@ = 0,8 ∙ 1 ∙ 0,90 ∙ 0,93 = j, lm při čištění svítidel každé 2 roky, individuální výměně nefunkčních světelných zdrojů a výměně všech světelných zdrojů včetně údržby povrchů místnosti každých 6 let. Pravidelné čištění svítidel je možné provádět ze země, bez speciálního vybavení.
4.2.4 Dimenzování a kontrola návrhu S využitím udržovacích činitelů a znalosti umístění svítidel můžeme podle rovnice 2.5 aktualizovat tabulku 4.5 o reálné hodnoty, na které musí být osvětlovací soustava navržena. Pro účely návrhu a simulace osvětlovací soustavy byl podle naměřených veličin vytvořen detailní model haly a velínu v programu DIALux.
XP OY op 714
Z_ −
Velín
1119
0,7
Nezařazený prostor - velín
448
-
Místo zrakové činnosti Celkové osvětlení - hrubé montážní práce
0,6
Tab. 4.6 – Počáteční průměrné osvětlenosti pro návrh – velká hala
Svítidla byla rozmístěna po obvodu haly na spodní straně jednotlivých ochozů a část také nad jeřábovou dráhou u stropu, aby se zajistila požadovaná průměrná osvětlenost a rovnoměrnost osvětlení. V závěsné výšce 8,2 m je po celém obvodu haly umístěno nejvíce svítidel. Byly zde použity převážně široké zářiče, které jsou pro osvětlení maximálního prostoru nasměrovány pod mírným úhlem 10° doprostřed haly. Ve výšce 14,5 m jsou umístěna svítidla se středním zářičem a pod úhlem 20° nasměrovány do středu haly. Svítidla umístěna pod stropem ve výšce 23 m slouží převážně pro prosvětlení celého prostoru haly. Jsou pouze čtyři, protože jejich vliv na celkovou osvětlenost prostoru z této výšky je malý. Pro osvětlení velínu byla svítidla rozmístěna v řadě nad pracovištěm přes celou délku prostoru. Výsledné rozmístění svítidel v hale a velínu je znázorněno na obrázcích 4.9 a 4.10.
52
KAPITOLA 4. NÁVRH NOVÉ OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY
Obr. 4.9 – Svítidla (situační plán) – velká hala
Svítidla na obrázku 4.9 umístěná po obvodu jsou na úrovni prvního ochozu, dvě řady svítidel blíže ke středu jsou na úrovni druhého ochozu a čtyři svítidla uprostřed jsou umístěna pod stropem.
Obr. 4.10 – Svítidla (situační plán) – velká hala, velín
53
Seznam použitých svítidel je shrnut v tabulce 4.3. Hodnota v závorce je příkon svítidla včetně předřadníku, pokud se liší.
Svítidlo Philips GentleSpace BY460P MB Philips GentleSpace BY461P MB Philips GentleSpace BY461P WB Pracht Apollo DD T5 2 x 49 W Pracht Bernina T5 1 x 80 W
Příkon svítidla (W)
Počet svítidel (ks)
145
6
292
42
292
21
98 (103)
7
80 (88)
2
Tab. 4.7 – Navržené počty svítidel – velká hala
Místo zrakové činnosti
XP OY
Z_ −
Celkové osvětlení - hrubé montážní práce
721
0,604
Velín
1129
0,780
Nezařazený prostor - velín
741
0,350
Tab. 4.8 – Parametry navržené osvětlovací soustavy – velká hala
Navržené řešení (viz. tabulka 4.8) osvětlovací soustavy splňuje normou stanovené požadavky (viz. tabulka 4.6). Stejně jako u malé haly je index podání barev v prostoru haly jen #9 ; 75. Velín ovšem požadavky na #9 ≥ 80 splňuje. V simulaci byl také vyzkoušen vliv svítidel na oslnění pozorovatele (UGR) s uspokojivým výsledkem. Celkový příkon navržené osvětlovací soustavy je 20 163 W.
54
KAPITOLA 4. NÁVRH NOVÉ OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY
Obr. 4.11 - Vizualizace velké haly – velín
Na obrázcích 4.11, 4.12 a 4.13 jsou vizualizace haly s navrženými osvětlovacími soustavami.
Obr. 4.12 – Vizualizace velké haly – pohled shora
55
Obr. 4.13 – Vizualizace velké haly – boční pohled
4.2.5 Řídicí systém Všechna instalovaná svítidla umožňují napojení na řídicí systém osvětlení s využitím protokolu DALI. Svítidla lze rozdělit do skupin a hromadně je ovládat. Při použití a vhodném rozmístěním senzorů pohybu lze automaticky spínat svítidla v dané části haly a snížit provozní náklady na osvětlení. Osvětlovací soustava je rozdělena do funkčních bloků podle obrázku 4.7. Skupiny zeleně ohraničených svítidel mají vlastní ovládací prvky, aby bylo možné je samostatně ovládat. Samozřejmostí je možnost zapnout nebo vypnou celou soustavu jedním ovládacím prvkem. Místní osvětlení, ve spodní části obrázku podél oken, je zapínáno pouze samostatně. Lze ho však centrálně vypnout společně s ostatními svítidly. Červeně ohraničená svítidla, znázorňuje oblast využití senzorů pohybu. Při detekci pohybu jsou rozsvícena aktuálně zapnutá svítidla v dané skupině. Po uplynutí časového
56
KAPITOLA 4. NÁVRH NOVÉ OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY úseku při nečinnosti dojde ke snížení jejich světelného toku na 20 % jmenovité hodnoty. Za další časový úsek jsou svítidla vypnuta.
Obr. 4.14 – Rozdělení svítidel do funkčních bloků – velká hala
57
5 Závěr Posuzování energetické náročnosti u osvětlovacích soustav má smysl pouze v případě, že světelně technické parametry odpovídají požadavkům pro daný prostor a vykonávanou zrakovou činnost. V případě zkoumané laboratoře byly stávající osvětlovací soustavy podle platné legislativy nevyhovující, a to výrazně. Nelze tak přímo hodnotit energetickou úsporu spojenou s renovací osvětlovacích soustav. Je ale možné porovnat změnu kvalitativních a kvantitativních parametrů vzhledem k energetické náročnosti. S nově kvalitativních
navrženými
osvětlovacími
a kvantitativních
parametrů.
soustavami V tabulce
došlo 5.1
k výraznému jsou
porovnány
zlepšení jedny
z nejdůležitějších kvantitativních parametrů, průměrné osvětlenosti původní osvětlovací soustavy a nově navržené. Osvětlenosti byly měřeny ve stejné pracovní rovině, ale různých měřicích bodech. Vzhledem k velkému rozdílu hodnot je to však zanedbatelný fakt. Příkon osvětlovacích soustav, potřebný pro dosažení těchto parametrů, je uveden v tabulce 5.2.
Místo zrakového úkolu
Původní XP OY
Nová XP OY
Malá hala
123,7
460
Malá hala - velín
119,9
599
Velká hala
49,6
721
Velká hala - velín
136
1129
Tab. 5.1 – Průměrná osvětlenost staré a nové OS
Osvětlovací soustava
Původní q_r Q
Nová q_r Q
Malá hala
9 255
5 481
Velká hala
15 820
20 163
Tab. 5.2 – Instalovaný příkon staré a nové OS
Z uvedených tabulek je vidět, že původní osvětlovací soustavy jsou v dnešní době neefektivní a při využití nejmodernějších světelných zdrojů a svítidel lze dosáhnout u malé haly přibližně čtyřnásobku průměrné osvětlenosti s téměř polovičním instalovaným
58
KAPITOLA 5. ZÁVĚR příkonem. V případě velké haly byla původní osvětlenost zvýšena mnohonásobně a přesto pouze s třetinovým navýšením instalovaného příkonu. Je známo, že parametry osvětlení mají vliv na produktivitu práce, a proto lze jako důsledek renovované osvětlovací soustavy očekávat, kromě kvalitnějšího pracovního prostředí, i zvýšení produktivity zaměstnanců. Přidanou hodnotou je také inteligentní řídicí systém, který zajistí další snížení nákladů na provoz osvětlovací soustavy a umožňuje její snadné ovládání a centrální monitoring. Navržené osvětlovací soustavy využívají nejmodernější světelné zdroje na bázi světelných diod. Takto řešené průmyslové osvětlovací soustavy nejsou v současné době příliš často realizovány. Důvodem mohou být zatím vyšší pořizovací náklady a také malá nabídka kvalitních a výkonných svítidel do průmyslového prostředí. Proto byly také vypracovány návrhy osvětlovacích soustav s konvenčními světelnými zdroji při zachování stejných kvalitativních i kvantitativních parametrů pro jednoduché porovnání energetické náročnosti jednotlivých řešení. Výsledky jsou pro porovnání v tabulkách 5.3 a 5.4. Projekty těchto osvětlovacích soustav jsou na přiloženém CD.
Použitá svítidla/světelné zdroje
q_r Q
Vzorové řešení se světelnými diodami (LED)
5 481
Indukční výbojky
6 624
Reflektorová svítidla pro lineární zářivky T5 4 x 80 W
7 510
Tab. 5.3 – Porovnání energetické náročnosti OS - malá hala
Použitá svítidla/světelné zdroje
q_r Q
Vzorové řešení se světelnými diodami (LED)
20 163
Reflektorová svítidla pro lineární zářivky T5 + indukční výbojky
36 497
Tab. 5.4 – Porovnání energetické náročnosti OS - velká hala
Trend vývoje v osvětlování směřuje, a vždy, směřoval k využívání co nejúčinnějších světelných zdrojů a efektivní distribuci světelného toku. V této i nejbližší době je největší potenciál v polovodičových světelných zdrojích a aplikaci moderních řídicích systémů pro 59
osvětlování, což se snaží ukázat i tato práce. Existují ale i další účinné světelné zdroje, které mají potenciál pro technologický vývoj, jako např. bezelektrodové výbojové zdroje (indukční a plazmové výbojky).
60
6 Literatura [1]
SOKANSKÝ, K. a kol.: Úspory energie v osvětlování při hodnocení energetické náročnosti budov. VŠB-TU Ostrava, 2009.
[2]
ČSN EN ISO/IEC 17025: Posuzování shody - Všeobecné požadavky na způsobilost zkušebních a kalibračních laboratoří. 2005-11-01.
[3]
Nařízení vlády ČR č. 361/2007 Sb., kterým se stanovují podmínky ochrany zdraví při práci. Novela 93/2012. 2012-04-01.
[4]
ČSN 73 0580-1: Denní osvětlení budov - Část 1: Základní požadavky. 2007-07-01.
[5]
ČSN EN 12464-1: Světlo a osvětlení - Osvětlení pracovních prostorů - Část 1: Vnitřní pracovní prostory. 2012-04-01.
[6]
ČSN 73 0580-4: Denní osvětlení budov. Část 4: Denní osvětlení průmyslových budov. 1994-10-01.
[7]
ČSN 36 0011-1: Měření osvětlení vnitřních prostorů - Část 1: Základní ustanovení. 2006-04-01.
[8]
ČSN 36 0020: Sdružené osvětlení. 2007-03-01.
[9]
TNI 36 0451: Údržba vnitřních osvětlovacích soustav. 2006-07-01.
[10]
HABEL, J. a kol.: Světelná technika a osvětlování. FCC Public, 1995.
[11]
Solid-State Lighting Research and Development: Multi-Year Program Plan, U.S. Department of Energy, Duben 2012.
[12]
Parma, Mikuláš. Indukční výbojky, tzv. plazmové světelné zdroje. Světlo. 2011/5, str. 38.
[13]
Cree, inc.: Cree Sets New R&D Performance Record with 254 Lumen-Per-Watt Power LED. [Online], dostupné z: http://www.cree.com/news-and-events/cree-news/pressreleases/2012/april/120412-254-lumen-per-watt/.
[14]
SOKANSKÝ, K. a kol.: Dominantní vlivy ovlivňující spotřebu elektrické energie osvětlovacích soustav. VŠB-TU Ostrava, 2007.
Příloha A - Přehled vybraných prostorů, úkolů a činností podle ČSN EN 12464-1 Referenční číslo 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 5.20 5.21 5.22 5.23 5.24 5.25
Druh prostoru, úkolu nebo činnosti Zemědělství Pekárny Cement, cementové zboží, beton, cihly Keramika, obkládačky, sklo, sklářské výrobky Chemický, plastikářský a gumárenský průmysl Elektrotechnický průmysl Výroba potravin a pochutin Slévárny a výroba odlitků Kadeřnictví Šperkařství Prádelny a čistírny Kůže a kožené zboží Výroba a zpracování kovů Papír a papírenské zboží Elektrárny Tiskárny Válcovny, železárny a ocelárny Výroba a zpracování textilií Výroba a opravy vozidel Výroba a zpracování dřeva Tab. A.1 - Průmyslové a řemeslné činnosti
Referenční Druh prostoru, úkolu nebo číslo činnosti 5.11.1 Výroba kabelů a drátů 5.11.2 Navíjení - velkých cívek - středních cívek - malých cívek 5.11.3 Impregnace vinutí 5.11.4 Galvanické pokovování 5.11.5 Montážní práce - hrubé, např. velké transformátory - střední, např. vypínače - jemné, např. telefony - velmi jemné, např. měřicí přístroje 5.11.6 Elektronické dílny, zkoušení, justování
XP OY
Z[\] − \^ −
Z_ −
300
25
80
0,6
300 500 750 300 300
25 22 19 25 25
80 80 80 80 80
0,6 0,6 0,7 0,6 0,6
300
25
80
0,6
500 750
22 19
80 80
0,6 0,7
1000
16
80
0,7
1500
16
80
0,7
Tab. A.2 – Průmyslové a řemeslné činnosti - Elektrotechnický průmysl
Příloha B – Náležitosti zprávy o měření 1) Přesné označení stavby a vnitřního prostoru, kde probíhalo měření. 2) Datum a hodina měření. 3) Účel měření a zvolený stupeň přesnosti měření. 4) Přesné údaje o měřicích přístrojích včetně třídy přesnosti a kalibrace přístrojů. 5) Údaje o způsobu měření, případně pomocných zařízeních. 6) Rozměry nebo výkresy měřeného vnitřního prostoru nebo stavby. 7) Údaje o funkci vnitřního prostoru a o druhu a rozmístění zrakových činností. 8) Údaje o vlastnostech vnitřního prostoru a jeho zařízení. 9) Údaje o osvětlovacích soustavách. 10) Údaje o stavu a funkci zařízení, ovlivňujících osvětlení během měření. 11) Údaje o okolnostech, ovlivňujících měření. 12) Rozmístění měřicích bodů. 13) Výsledné hodnoty zjištěné měřením sestavené do tabulek nebo uvedené ve výkresech, případně vyjádřené graficky. 14) Porovnání hodnot zjištěných měřením s požadavky s ohledem na přesnost měření. 15) Závěry vyhodnocení a případné návrhy na opatření. 16) Jména, adresy a kvalifikace pracovníků účastnících se měření. 17) Podpis osoby odpovědné za měření.
Příloha C – Projekt malé haly - DIALux
Příloha D – Projekt velké haly - DIALux
