MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ Fakulta regionálního rozvoje a mezinárodních studií
Společensko-ekonomické přínosy využití LED technologií ve veřejném osvětlení
Bakalářská práce
Autor: Dana Nedvědová Vedoucí práce: Ing. Simona Miškolci, Ph.D. Brno 2010
Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci „Společensko-ekonomické přínosy využití LED technologií ve veřejném osvětlení“ vytvořila samostatně s použitím literatury, kterou uvádím v seznamu.
V Brně dne 18. 5. 2011 ...................................................... Podpis
Poděkování Na tomto místě bych ráda poděkovala své vedoucí bakalářské práce Ing. Simoně Miškolci, PhD. za odborné vedení a cenné rady při zpracování mé bakalářské práce. Také bych chtěla poděkovat panu Miroslavu Majerovi za poskytnutí informací a materiálů, bez nichž by tato práce nevznikla, a mé trpělivé rodině, která mne během práce podporovala.
Abstrakt Bakalářská práce je vyhotovena na téma „Společensko-ekonomické přínosy využití LED technologií ve veřejném osvětlení“. V literární rešerši jsou vymezeny základní pojmy problematiky, zejména rozdělení vzniku světelných zdrojů se zaměřením na umělé zdroje světla využívané ve veřejném osvětlení. Vlastní práce se zabývá problematikou výpočtu doby svícení, minimálního počátečního kapitálu investice, spotřeby elektrické energie, režijních nákladů na období jednoho roku v navrhovaných soustavách, s následným výpočtem dopadu na životní prostředí. Na základě výsledků je srovnána LED technologie s ostatními navrhovanými zdroji osvětlení, včetně výpočtu doby návratnosti investice.
Klíčová slova: světlo emitující dioda (LED), veřejné osvětlení, LED technologie, světelné zdroje, provozní náklady, cena investice, elektrická energie.
Abstract This Bachelor’s dissertation analyzes the „Socio-economic benefits of the application of LED lighting technology in street lighting“. The literature research defines the essential terms of the issue, especially the division of light sources by origin, with a specific focus on artificial light sources used in street lighting. The dissertation itself focuses on the issues of calculation of the necessary lighting time, the required cost of the initial investment, the consumption of electrical energy, operating costs per annum under several schemes, as well as an analysis of the imact on the environment. LED technology is then compared to other possible sources of lighting, including a comparison of the break-even point under each investment.
Key Words: Light emitting diode (LED), public lighting, LED technologies, light sources, operating costs, cost of investment, electric energy.
OBSAH 1.
ÚVOD................................................................................................................................... 9
2.
CÍL PRÁCE....................................................................................................................... 10
3.
LITERÁRNÍ REŠERŠE................................................................................................... 11 3.1.
Světlo a světelné zdroje............................................................................................... 11
3.2.
Přírodní světelné zdroje............................................................................................... 11
3.3.
Umělé světelné zdroje................................................................................................. 12
3.3.1.
Teplotní světelné zdroje ...................................................................................... 13
3.3.2.
Výbojové světelné zdroje.................................................................................... 13
3.4.
Svítidla ........................................................................................................................ 13
3.5.
Veřejné osvětlení......................................................................................................... 14
3.5.1.
Definice veřejného osvětlení............................................................................... 14
3.5.2.
Funkce veřejného osvětlení................................................................................. 14
3.5.3.
Základní prvky veřejného osvětlení .................................................................... 14
3.5.4.
Historie veřejného osvětlení................................................................................ 15
3.5.5.
Legislativa ve veřejném osvětlení ....................................................................... 16
3.5.6.
Možnosti úspor ve veřejném osvětlení................................................................ 17
3.5.7.
Vztah veřejného osvětlení k životnímu prostředí................................................ 17
3.5.8.
Nežádoucí účinky veřejného osvětlení................................................................ 18
3.5.9.
Světelné zdroje používané ve veřejném osvětlení............................................... 18
3.6.
Historie světelných zdrojů........................................................................................... 19
3.6.1.
Oheň .................................................................................................................... 19
3.6.2.
Lampa.................................................................................................................. 19
3.6.3.
Svíčka.................................................................................................................. 20
3.6.4.
Oblouková lampa ................................................................................................ 20
3.7.
Světelné zdroje současnosti......................................................................................... 20
3.8.
Žárovka ....................................................................................................................... 21
3.8.1.
Klasická žárovka ................................................................................................. 21
3.8.2.
Halogenová žárovka............................................................................................ 22
3.9.
Zářivka ........................................................................................................................ 23
3.9.1.
Lineární zářivka .................................................................................................. 23
3.9.2.
Kompaktní zářivka .............................................................................................. 24
6
3.10. Vysokotlaké světelné zdroje ....................................................................................... 24 3.10.1.
Vysokotlaké rtuťové výbojky.............................................................................. 24
3.10.2.
Halogenidové výbojky ........................................................................................ 25
3.10.3.
Vysokotlaké sodíkové výbojky ........................................................................... 25
3.11. LED............................................................................................................................. 26
4.
5.
3.11.1.
Historie LED ....................................................................................................... 26
3.11.2.
Charakteristika a konstrukce LED ...................................................................... 27
3.11.3.
Využití LED technologie .................................................................................... 28
METODIKA A POSTUP ŘEŠENÍ.................................................................................. 30 4.1.
Základní charakteristiky osvětlovacích technologií.................................................... 30
4.2.
Multikriteriální komparativní analýza parametrů světelných zdrojů .......................... 30
4.3.
Hodnocení společensko−ekonomické efektivnosti vybraných technologií veřejného osvětlení ...................................................................................................................... 31
4.3.1.
Finančně−ekonomická oblast.............................................................................. 32
4.3.2.
Environmentální oblast ....................................................................................... 34
4.3.3.
Sociální oblast ..................................................................................................... 34
4.3.4.
Případová studie realizovaného projektu v Písku................................................ 34
VLASTNÍ PRÁCE ............................................................................................................ 35 5.1.
Základní charakteristiky světelných zdrojů................................................................. 35
5.1.1.
Klasická žárovka ................................................................................................. 35
5.1.2.
Halogenová žárovka............................................................................................ 35
5.1.3.
Lineární zářivka .................................................................................................. 36
5.1.4.
Kompaktní zářivka .............................................................................................. 37
5.1.5.
Vysokotlaká rtuťová výbojka.............................................................................. 37
5.1.6.
Halogenidová výbojka ........................................................................................ 38
5.1.7.
Vysokotlaká sodíková výbojka ........................................................................... 38
5.1.8.
LEdioda............................................................................................................... 39
5.2.
Bodové porovnání parametrů světelných zdrojů......................................................... 40
5.2.1.
Finančně ekonomická oblast ............................................................................... 41
5.2.2.
Sociální oblast ..................................................................................................... 42
5.2.3.
Environmentální oblast ....................................................................................... 43
5.3.
Výpočet doby svícení ve VO pro rok 2011................................................................. 43
5.4.
Návrh soustavy osvětlení ............................................................................................ 44
7
5.4.1.
Rtuťová výbojka.................................................................................................. 45
5.4.2.
Sodíková výbojka................................................................................................ 47
5.4.3.
LEdioda............................................................................................................... 49
5.4.4.
Návratnost investice ............................................................................................ 50
5.4.5.
Dopad na životní prostředí z hlediska vypouštění emisí..................................... 52
5.4.6.
Modelová soustava − porovnání v oblasti finančně–ekonomické a environmentální................................................................................................... 54
5.4.7.
Modelová soustava − porovnání v oblasti sociální ............................................. 55
5.5.
Realizovaný projekt s LEdiodami ve veřejném osvětlení ........................................... 56
5.5.1.
Projekt s LED svítidly v Písku ............................................................................ 56
6.
DISKUSE ........................................................................................................................... 58
7.
ZÁVĚR............................................................................................................................... 62
8.
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ............................................................................. 64
9.
SEZNAM TABULEK ....................................................................................................... 67
10. SEZNAM GRAFŮ ............................................................................................................ 67 11. SEZNAM OBRÁZKŮ ...................................................................................................... 68 12. SEZNAM PŘÍLOH........................................................................................................... 68
8
1. ÚVOD V současnosti je na osvětlení a jeho vývoj kladen obrovský důraz. Z prvních světelných zdrojů, kterými byl oheň, svíčka, pochodeň a lampa, se svítidla vyvinula až do podoby žárovky a zářivky, v jaké je známe dnes. Samotný proces vývoje trval mnohá staletí, a účastnilo se jej mnoho vědců z celého světa. Díky jejich objevům můžeme dnes využívat osvětlení v mnoha sférách působení. Samotné rozsvícení žárovky již bereme jako samozřejmost, a představa složitého rozdělávání ohně a výroba olejových lamp je pro nás nepřijatelná. Často diskutovaným tématem poslední doby je využití takového osvětlení, které by mělo minimální spotřebu energie, a tím i nejnižší negativní dopad na životní prostředí. V rámci dosažení těchto cílů, pracují vědci z celého světa na vývoji nové technologie, která by tyto i ostatní požadované parametry splňovala. Ze stávajících světelných zdrojů se jako nejlepší varianta jeví osvětlení využívající LED technologii. Tato technologie je šetrná k životnímu prostředí, jednak z důvodu nulového obsahu toxických látek a minimální spotřeby elektrické energie. Její další výhodou je široké spektrum využití, bezúdržbovost, dlouhá životnost a vysoká účinnost. V současné době je využití LED svítidel v České republice teprve na počátku. Většina obyvatel i měst používá ve svém osvětlení stále zastaralé typy světelných zdrojů. Nahrazení těchto svítidel se mnozí občané i obce brání, zejména díky jejich vysoké pořizovací ceně a nedůvěře v novou, ne příliš otestovanou technologii. Na základě analýzy faktorů, jenž ovlivňují poptávku domácností a obcí po LED svítidlech, byly vypracovány jednotlivé kroky, kterými lze lépe propagovat technologii mezi spotřebiteli. Tím je napomáháno k dlouhodobému snižování spotřeby elektrické energie a následnému snižování emisí oxidu uhličitého do ovzduší. Samotný výběr tématu bakalářské práce byl ovlivněn neefektivním využitím elektrické energie v interiérovém i exteriérovém osvětlování. Další motivační faktor lze spatřovat v neinformovanosti veřejnosti o možnostech využití a výhodách zavedení LED technologie.
9
2. CÍL PRÁCE Cílem této práce je analýza společensko−ekonomické efektivnosti využití LED technologie ve veřejném osvětlení v České republice. Vzhledem k velikosti a různorodosti způsobů osvětlování, byla pro ekonomickou analýzu zvolena modelová soustava svítidel, do níž byly zakomponovány nejčastěji využívané zdroje ve veřejném osvětlení.
Při řešení byly stanoveny tyto dílčí cíle práce: •
vymezení základních charakteristik osvětlovacích technologií,
•
identifikace významných faktorů společensko−ekonomické efektivnosti,
•
multikriteriální komparativní analýza parametrů světelných zdrojů,
•
hodnocení společensko−ekonomické efektivnosti vybraných technologií veřejného osvětlení,
•
vyhodnocení eko−efektivnosti využití LED technologie ve veřejném osvětlení.
10
3. LITERÁRNÍ REŠERŠE 3.1. Světlo a světelné zdroje Světelné zdroje jsou popisovány jako zařízení, která vysílají optické, zpravidla viditelné záření. Za světlo viditelné lidským okem považujeme elektromagnetické záření v rozsahu vlnových délek 380–750 nm. Z hlediska vzniku záření rozlišujeme dva typy světelných zdrojů – přírodní a umělé (vytvořené člověkem), které se dále dělí podle zdroje vysílaného záření. „Předmět, či jeho povrch vyzařující světlo, jež vzniklo v něm samém přeměnou energie, je prvotní (primární) světelný zdroj. Druhotný (sekundární) zdroj je pak předmět nebo povrch, který světlo vysílá tím, že světelné paprsky alespoň zčásti odráží nebo propouští“ (HABEL, 1995, str. 108). Světelné zdroje jsou považovány za základní prvek osvětlovací soustavy.
3.2. Přírodní světelné zdroje Přírodní zdroje osvětlení vznikly bez zásahu člověka. Nejdůležitějším zástupcem je Slunce, s jehož zářením je spjat veškerý pozemský život. „Sluneční záření má v porovnání s ostatními konvenčními energetickými zdroji výhodu v tom, že je všeobecně k dispozici, prakticky nevyčerpatelné a jeho využívání neznečišťuje životní prostředí“(PLCH, MOHELNÍKOVÁ, SUCHÁNEK, 2004, str. 10).
Sluneční spektrum se podle WEIGLOVÉ, BEDLOHOVIČOVÉ, KAŇKY (2006) dělí na tři hlavní části, podle kterých rozlišujeme typy záření: •
ultrafialové sluneční záření – s vlnovými délkami menšími než 380 nm
•
viditelné sluneční záření – s vlnovými délkami 380 – 780 nm
•
infračervené sluneční záření s vlnovou délkou větší než 780 nm
Dalšími přírodními světelnými zdroji jsou kosmická tělesa (hvězdy, Měsíc – odraz slunečního záření), chemická reakce (oheň), biologické zdroje (mořští živočichové, světlušky), elektrické výboje (blesk), tektonické jevy (žhnoucí láva).
11
Obr. č. 1 – Světelné spektrum
zdroj: http://www.netcam.cz/encyklopedie-ip-zabezpeceni/denni-a-nocni-videni.php
3.3. Umělé světelné zdroje Umělý světelný zdroj je zařízení určené k přeměně některého druhu energie na světlo. Mezi nejvýznamnější patří v dnešní době elektrické světelné zdroje, které můžeme podle vzniku světla rozdělit na teplotní a výbojové. Podrobnější rozdělení těchto zdrojů je patrné na obrázku č.2.
Obr. č. 2 – Základní rozdělení elektrických světelných zdrojů
zdroj: HABEL, J. a kol.:Světelná technika a osvětlování. FCC Public, spol, s.r.o., 1995, str. 109
12
3.3.1. Teplotní světelné zdroje Základní funkcí teplotních světelných zdrojů je nahřívání těles. Do této kategorie zařazujeme především žárovky a dále všechny druhy plamene (oheň, svíčka, louče, olejové lampy,…). „Ve všech případech je zdrojem záření rozžhavené tuhé těleso. U plamenových zdrojů jsou to rozžhavené drobné částice uhlíku, které vznikají a rozžhavují se v důsledku chemických reakcí probíhajících v plameni, u moderních žárovek je to wolframové vlákno rozžhavené na vysokou teplotu procházejícím elektrickým proudem“ (HABEL, 1995, str. 113).
3.3.2. Výbojové světelné zdroje „Výbojové světelné zdroje (výbojky) jsou založeny na principu elektrických výbojů v plynech a parách různých kovů, a využívají přeměnu elektrické energie na kinetickou energii elektronů, pohybujících se ve výbojovém prostoru. Při srážkách elektronů s atomy plynů a kovových par se jejich energie mění na optické záření“ (HABEL,1995, str. 108).
HABEL (1995) dělí výbojové elektrické zdroje podle několika hledisek: •
podle typu výboje (obloukový, doutnavý, impulsní),
•
podle místa vzniku záření (výbojky plynové, s parami kovů, luminiscenční),
•
podle tlaku pracovní náplně (nízkotlaké a vysokotlaké): − nízkotlaké: zářivky, sodíkové výbojky, kompaktní zářivky a indukční výbojky, − vysokotlaké: rtuťové, sodíkové, halogenidové a xenonové.
3.4. Svítidla Většina světelných zdrojů je sama o sobě nevhodná pro osvětlovací účely. Jedná se zejména o nedokonalé rozdělení světelného toku do prostoru, příliš vysoký jas a neodolnost vůči vlivům prostředí. Proto se světelné zdroje umísťují do svítidel. „Předmět, který nese a chrání světelný zdroj (žárovku, zářivku, svíčku) a potřebné technické prvky (objímku, svorku, vodiče) a dále případně omezuje (cloní) či usměrňuje světelný tok (reflektorem, refraktorem, stínidlem) žádoucím způsobem, nese normalizovaný název svítidlo“ (MONZAR, 1998, str. 96). K dalším požadavkům, které musí svítidla splňovat, patří jednoduchá montáž a údržba, funkční spolehlivost a odolnost vůči vnějšímu prostředí.
13
3.5. Veřejné osvětlení 3.5.1. Definice veřejného osvětlení HABEL (1995) definuje veřejné osvětlení (dále jen VO) jako osvětlení veřejných komunikací a prostranství, významných objektů, veřejných hodin a slavnostní osvětlení, které se nacházejí ve městech, obcích i mimo ně. Osvětlení veřejných komunikací a prostranství zahrnuje: místní komunikace, silnice, dálnice, komunikace pro pěší a cyklistickou dopravu, tunely, podjezdy, podchody, mosty, lávky, křižovatky, přechody, náměstí, parky, pěší a obytné zóny, zastávky městské hromadné dopravy, apod. Osvětlení významných objektů zahrnuje fasády budov, architektonické památky, výtvarná díla, přírodní útvary, apod. Slavnostní osvětlení je používáno za zvláštních okolností (např. vánoční výzdoba).
3.5.2. Funkce veřejného osvětlení VO je v dnešní době nedílnou součástí všech měst i obcí. Málokdo si dokáže představit noční ulici bez lamp, které osvětlují chodníky, pozemní komunikace, apod. Funkcí VO najdeme hned několik. Mezi nejvýznamnější patří: •
zajištění dostatečného množství a kvality světla,
•
zajištění bezpečnosti obyvatel − je hlavní prioritou, kvůli které bylo VO vytvořeno. Základním požadavkem je zejména bezpečný pohyb osob, snížení počtů trestných a kriminálních činů, omezení vandalismu.
•
zajištění bezpečnosti účastníků silničního provozu − jedná se o bezpečnost řidičů i chodců (ti se stávají účastníky silničního provozu, např. když v danou chvíli přecházejí komunikaci). Bezpečnost na pozemních komunikacích se snižuje s úbytkem světelného toku. Největší nebezpečí hrozí za snížené viditelnosti (šero, tma).
•
zatraktivnění prostředí měst a obcí, s tím související zvýšení pohody obyvatel.
3.5.3. Základní prvky veřejného osvětlení Veřejné osvětlení dělíme podle SKOKANSKÉHO (2007) do tří základních oblastí: •
osvětlovací systém − zahrnuje světelné zdroje, svítidla, nosné a podpěrné prvky (stožáry, výložníky, převěsy),
14
•
napájecí systém – tvořen elektrickým rozvodem z napájecích rozvaděčů, stabilizátory a napěťovými regulátory,
•
ovládací systém – zajišťuje zapínání a vypínání podle spínacího kalendáře VO a regulaci spínání podle normy ČSN EN 13 201 – 2 Osvětlení pozemních komunikací, část 2: Výkonnostní požadavky.
Ovládací systém „Doba osvětlení pozemních komunikací má vycházet z požadavku zajistit uživatelům pozemních komunikací dostatečnou viditelnost i v době od soumraku do svítání. Kratší doba provozu zvyšuje nebezpečí vzniku nehod a úrazů, delší doba provozu zvyšuje provozní náklady na osvětlení“ (ČSN EN 13 201 – 2 Osvětlení pozemních komunikací, část 2: Výkonnostní požadavky, str. 3). V ČSN EN 13201 není přesně stanoveno, jakým způsobem má být světlo zapínáno. Norma doporučuje řídit zapínání světla pomocí fotobuňky. V našich zeměpisných šířkách je vhodné použít zapínání podle východu slunce, které se liší v letním a zimním období. Dalším typem v ovládacím systému VO je jeho řízení pomocí internetu. Přes něj může být osvětlení libovolně spínáno, vypínáno a lze i regulovat intenzitu světelného toku (možnost lidské chyby). Nově je možno řídit osvětlení pomocí ovladače s GPS, čímž je umožněno použít přístroj prakticky kdekoliv na Zemi.
3.5.4. Historie veřejného osvětlení Veřejné osvětlení se začalo objevovat na místech s vyšší koncentrací obyvatelstva. Hlavním účelem osvětlení sídel a shromažďovacích prostorů byla bezpečnost lidí. Historicky první VO se objevuje ve starověkém Řecku a Římě, kde ulice osvětlovaly pochodně, louče, ohně v železných koších nebo olejové lampy. Z Antiky převzaly veřejné osvětlení islámská i evropská města. Podle publikace SKOKANSKÉHO (2007) se v České republice první písemná zmínka objevuje roku 1329, kdy byla vyhlášena povinnost chodců, či jezdců nosit ve významných královských městech vlastní světlo. Osvětlování olejovými lampami se objevuje poprvé v Praze roku 1723. Technologickým pokrokem bylo vynalezení plynové lampy, které byly pořízeny v roce 1847 při příležitosti oslavy narozenin panovníka Ferdinanda I. Dobrotivého. Jejich rozsvěcování a zhasínání zajišťoval lampář pomocí dlouhé tyče. Plynové osvětlení vrcholí v roce 1940, kdy bylo dosaženo nejvyššího počtu těchto lamp. V 90. letech 19.
15
století je osvětlení svítiplynem nahrazeno obloukovými lampami (Jindřichův Hradec a Písek) a žárovkami. Roku 1938 byly v Praze použity nízkotlaké sodíkové výbojky, které však měly vysoké náklady na údržbu a konstrukci a nevhodné barevné podání. V 50. letech 20. století se ve VO začínají používat zářivky (20 – 40 W) a rtuťové výbojky, jejichž hlavní výhodou byla delší životnost a vyšší světelný tok. Vysokotlakové výbojky byly poprvé instalovány roku 1973 a dodnes tvoří nejrozšířenější zdroj veřejného osvětlení. Z hlediska osvětlení architektonických památek se dodnes uplatňují halogenidové výbojky, které byly poprvé spuštěny roku 1978. Osvětlení komunikací se ve VO uplatňuje od počátku 21. století. LEdiody byly poprvé uvedeny na trh roku 1962 a v dnešní době si je do veřejného osvětlení pořizuje stále více měst. Česká republika zaujímala ve výzkumu a vývoji světelných zdrojů v Evropě vysokou pozici. Z významných podniků můžeme jmenovat Tesla Holešovice a Elektropodnik Praha, kde byly soustředěni vysoce kvalifikovaní pracovníci. „Na území České republiky je v současné době v soustavě VO instalováno kolem 1 100 000 světelných míst. Do roku 1989 se o veřejné osvětlení ve městech staraly většinou Technické služby ve formě rozpočtových nebo příspěvkových organizací“ (SKOKANSKÝ, 2007, str. 20). Správa, provoz a údržba VO je v dnešní době přenesena na obce a města, kterým významně pomáhají společnosti a odborná sdružení, soustřeďující odborníky a provozovatele této odbornosti (Společnost pro rozvoj veřejného osvětlení, Česká společnost pro osvětlení, vysokoškolská pracoviště). Ekonomické provozování VO však není jednoduché a obce musejí ze svých rozpočtů vynakládat nemalé částky na provoz a údržbu (SKOKANSKÝ, 2007).
3.5.5. Legislativa ve veřejném osvětlení Vlastníci VO mají povinnost starat se o zařízení a hospodárně ho provozovat, na základě platných zákonů a norem. Mezi nejvýznamnější právní předpisy a normy patří: •
Zákon č. 128/2000 Sb., O obcích (obecní zřízení)
•
Zákon č. 13/1997 Sb., O pozemních komunikacích
•
Zákon č. 183/2006 Sb., O územním plánování a stavebním řádu (stavební zákon)
•
Zákon č. 40/1964 Sb., Občanský zákoník
•
Zákon č. 86/2002 Sb., O ochraně ovzduší
•
Zákon č. 185/2001 Sb., O odpadech
•
Zákon č. 22/1997 Sb., O technických požadavcích na výrobky
•
ČSN EN 13 201 – 1 Osvětlení pozemních komunikací
16
Část 1: Výběr třídy osvětlení •
ČSN EN 13 201 – 2 Osvětlení pozemních komunikací Část 2: Výkonnostní požadavky
•
ČSN EN 13 201 – 3 Osvětlení pozemních komunikací Část 3: Výpočet výkonnostních parametrů
•
ČSN EN 13 201 – 4 Osvětlení pozemních komunikací Část 4: Metody měření výkonnostních parametrů
•
ČSN EN 12464−2 Světlo a osvětlení – Osvětlení pracovních prostorů Část 2: Venkovní pracovní prostory
3.5.6. Možnosti úspor ve veřejném osvětlení V rámci snižování nákladů na VO dochází ve středních a větších městech České republiky k využívání racionalizačních opatření. K těmto opatřením podle SKOKANSKÉHO (2007) patří: • používání kvalitních světelných zdrojů, • výměna starých svítidel za moderní s vyšší účinností, • optimální prostorové uspořádání a využití světelných bodů, • skupinová výměna světelných zdrojů, • omezení svícení na dobu, jenž je nezbytně nutná, • dimenzování osvětlení podle aktuálního zatřídění komunikace, • regulace napětí, světelného toku, • monitorování provozu osvětlovacích soustav. Výše zmíněná opatření mají vliv na snížení spotřeby elektrické energie, tedy i snížení provozních nákladů. Snížit náklady na údržbu a zvýšit spolehlivost provozu můžeme díky monitorování a řízení provozního stavu osvětlovací soustavy.
3.5.7. Vztah veřejného osvětlení k životnímu prostředí SKOKANSKÝ (2007) rozlišuje dva typy vlivu osvětlování na životní prostředí – přímé a nepřímé. Do přímého působení řadíme provoz a likvidaci světelného zdroje po ukončení jeho života. Nepřímým zdrojem je spotřeba elektrické energie při osvětlování.
17
V posledních letech se stává diskutovaným tématem tzv. světelné znečištění. Rozptýlené světlo v ovzduší může v noci obtěžovat spící, znesnadňovat práci hvězdářům při pozorování noční oblohy, rušit obyvatele, flóru i faunu, a v neposlední řadě narušovat vidění. Samotné světlo tedy neznečišťuje, ale ruší. Proto je také někdy označováno za tzv. rušivé světlo.
3.5.8. Nežádoucí účinky veřejného osvětlení •
poruchy biorytmů rostlin a živočichů – narušení biorytmů je způsobeno dlouhým časovým intervalem, po který dochází k venkovnímu osvětlování. Problémem je však i nízká osvětlenost. Všichni tvorové mají vyvinutý rytmus svých základních tělesných funkcí, které souvisí s dostupností světla. V případě jeho nedostatku dochází k narušení denního časového rytmu, které vede u člověka k narušení fyziologických a biologických tělesných procesů a psychického ladění (PLCH, MOHELNÍKOVÁ, SUCHÁNEK, 2004).
•
negativní působení na živočichy – pro některé druhy živočichů je světlo lákadlem a vydávají se za ním (např. hmyz, nebo mořské želvy, které se pak již nedokážou vrátit do moře a uhynou), pro další je světlo hrozbou a naopak se před ním schovávají.
•
vznik odpadu – v případě přítomnosti rtuti se jedná o odpad nebezpečný,
•
znečišťování ovzduší při výrobě elektrické energie v (uhelných nebo plynových elektrárnách),
•
rušivé světlo.
Návrh opatření •
omezit světlo, nebo světelný tok situovat do míst, kde je to nezbytné,
•
nakládání s odpady podle zákona č. 185/2001 Sb., O odpadech,
•
zpětný odběr výrobků,
•
snížení spotřeby elektrické energie při provozu osvětlení,
•
využívání moderních zdrojů osvětlení, které neobsahují nebezpečné látky.
3.5.9. Světelné zdroje používané ve veřejném osvětlení Nejčastěji používaným zdrojem ve veřejném osvětlení je vysokotlaká sodíková výbojka. Spolu s ní se ve VO také objevuje vysokotlaká halogenidová výbojka, kompaktní zářivka, vysokotlaká rtuťová výbojka a LEdiody. Výhodnost či nevýhodnost použití světelných zdrojů udává
18
porovnání charakteristik, kterými jsou: měrný výkon, pokles světelného toku, délka života a pořizovací cena.
3.6. Historie světelných zdrojů 3.6.1. Oheň Objevení ohně a jeho využití patří mezi největší události v historii rodu Homo sapiens. Zpočátku jeho plameny lidem usnadňovaly každodenní život: poskytovaly jim teplo, chránily je před divokou zvěří a pomáhaly jim při přípravě jídla. Postupem času však oheň začal sloužit také k výrobě předmětů denní potřeby (MEIDENBAUER, ASENBAUM, 2009). Oheň byl nejprve získáván díky úderům blesků a lesním požárům. Postupem času se člověk naučil oheň udržovat a sám rozdělávat. Potřeba jeho uchování dala za vznik prvním ohništím a vynálezům jako byly pryskyřičné pochodně a louče.
3.6.2. Lampa Olejová lampa První lampy měly velmi jednoduchou konstrukci. Skládaly se z misky a knotu. Zhruba od roku 20 000 př. n. l. se jako palivo do lampy začal používat zvířecí tuk a olej, zatímco plovoucí knot se vyráběl z rostlinných vláken. Kamenné lampy se staly předchůdkyněmi lamp vyráběných z hlíny (MEIDENBAUER, ASENBAUM, 2009). V lampách byly postupně používány další hořlaviny (včelí vosk, líh, petrolej, plyn).
Petrolejová lampa Petrolejová lampa je zdroj světla, který osvětluje plamenem hořícího petroleje. Skládá se z plochého a širokého knotu, nádržky na petrolej, skleněného cylindru a dalších pomocných, upevňovacích a okrasných částí. S petrolejovými lampami se dodnes můžeme setkat v místech, kde není zavedeno elektrické osvětlení.
Plynová lampa Prvním způsobem využití plynu bylo osvětlení. „Za vynálezce plynového světla se považuje Angličan William Murdoch, který r. 1792 zavedl plynové osvětlení ve svém domě“ (ŽÁKOVEC,
19
2006, str. 182). Začátkem 19. století se plynové lampy objevují ve veřejném osvětlení evropských měst (Londýn, Paříž, Berlín a Vídeň). Koncem 19. století bylo plynové osvětlení postupně nahrazováno elektrickou energií. V posledních letech se plynové lampy navracejí do měst, zejména jako repliky historických luceren.
3.6.3. Svíčka Podle LNĚNIČKOVÉ (2006, str. 56−59) „nejstarší kamenná miska na ztuhlý tuk (lůj) pochází z doby před 17 000 lety a byla nalezena ve Francii v jeskyni La Mouthe. Svíčky znaly i starověké kultury Předního východu a Mezopotámie, kde jsou doloženy první bronzové svícny z doby okolo poloviny 3. tisíciletí př. n. l.“ Stavba svíčky se dělí na dvě části – tělo a knot. Tělo svíčky obsahuje hořlavý materiál, jako je včelí vosk, parafín, svíčkový gel, lůj. Knot, který se vkládá doprostřed těla svíčky, se vyrábí z rostlinného textilního materiálu. Podle svíčky se také jmenuje jednotka svítivosti – kandela (cd).
3.6.4. Oblouková lampa Obloukové lampy jsou historicky nejstarším elektrickým zdrojem světla. To je produkováno elektrickým obloukem vytvořeným mezi dvěma jiskřícími elektrodami nacházejícími se ve vodivém (ionizovaném) plynu. “Poprvé „vědecky„ předvedl elektrický oblouk roku 1810 anglický fyzik Humphry Davy před Royal Institution v Londýně, kdy za použití dvou tisíc článků zinku
a
mědi
vytvořil
mezi
dvěma
dřevěnými
uhlíky
oblouk
délky
8
cm”
(www.odbornecasopisy.cz). O další zdokonalení se postaral František Křižík. Své využití našly lampy v osvětlování budov, majáků, světlometech, apod.
3.7. Světelné zdroje současnosti Po vynalezení elektrického zdroje světla v podobě obloukové lampy došlo k vývoji světelných zdrojů v podobě žárovky, zářivky, výbojky a LEdiody. Tyto jmenované zdroje mají v dnešní době nejvyšší využití a nalezneme je v osvětlování interiérů i exteriérů.
20
3.8. Žárovka 3.8.1. Klasická žárovka Historický vývoj Velkým krokem ve vývoji osvětlení bylo vynalezení žárovky, která byla představena světu v roce 1879. Za jejího vynálezce je považován Thomas Alva Edison, který měl však mnoho předchůdců, na jejichž práce při sestrojování žárovky navazoval. Mezi ně patří například Heinrich Göbel, Humbry Davy a Alexander Lodygin. Na trh byly první žárovky uvedeny v roce 1881. Při výrobě byla použita uhlíková vlákna (zuhelnatělý bambus) a standardní šroubovací patice E27 (MEIDENBAUER, ASENBAUM, 2009). Aby vlákno neshořelo, umístilo se do skleněné baňky, ze které byl vyčerpán vzduch. Dnes se k výrobě obvykle používá wolfram, který lépe odolává vysoké teplotě. Samotný tvar žárovky se od počátku vývoje příliš nezměnil. I přes mnoho novějších typů osvětlení je žárovka v domácnostech stále nejvíce využívaným světelným zdrojem. Obr. č. 3 – Konstrukce klasické žárovky
Charakteristika a konstrukce Žárovka funguje na principu zahřívání vodiče protékajícím proudem. Ve skleněné baňce se žhaví
1-baňka, 2-wolframové vlákno, 3-přívody, 4-tyčinka, 5-čočka, 6-čerpací trubička, 7-talířek, 8-patice, 9-háčky, 10-plynná náplň, 11-tmel, 12-pájka, 13-getr, 14–izolace patice
wolframové vlákno, jehož rychlému vypařování zabraňuje plnění baňky směsí plynů. Tím se zvyšuje teplota vlákna, což má za následek zvýšení světelného výkonu žárovky. Usazování vypařeného wolframu na stěnách baňky způsobuje její postupné tmavnutí a snížení světelného toku (HABEL, 1995). Konstrukce žárovky je naznačena na obr. č. 3. Na výrobu baňky se používá měkké sodno-vápenaté sklo, které bývá čiré, zrcadlové, chemicky matované i barevné. Přívody, které vytvářejí elektrický obvod
zdroj: HABEL (1995, str. 113)
se žhavícím vláknem, jsou třídílné. První částí je pojistka o malém průměru (160 až 180 µm), zhotovená z monelu (slitina mědi a niklu). Druhou část tvoří plášťový drát, který zajišťuje vakuové těsný a elektricky vodivý průchod sklem. Třetí díl přívodu upevňuje vlákno a je vyroben z niklu. Prostor baňky je vyčerpán a zbylé plyny pohlcuje gentrum. Žárovky plněné
21
plynem obsahují argon nebo krypton, které jsou doplněny o příměs dusíku. Zdrojem záření je vlákno svinuté do šroubovice, které se u moderních žárovek vyrábí z wolframu. Vlákno se fixuje přívody a podpěrnými molybdenovými háčky, které jsou zapíchnuté do čočky (HABEL, 1995).
3.8.2. Halogenová žárovka Historický vývoj Snaha potlačit usazování wolframu na baňce klasické žárovky dala za vznik žárovkám halogenovým, které byly na trh uvedeny v roce 1959. Jednalo se o žárovky plněné plynem, do kterého byly přimíchány halogenové prvky. Nejprve se jako příměs využíval jód, který byl postupně nahrazován bromem (zejména díky jeho šetrnosti k životnímu prostředí). Samotná myšlenka využití halových prvků v žárovkách je mnohem starší. Původní experimenty ale nebyly úspěšné, protože přidání halogenu do běžných žárovek urychlilo reakci s materiálem přívodů a následnou kondenzaci na chladných místech baňky. K vyřešení problému bylo nutné změnit konstrukci žárovek, použít odolnější materiály, zajistit minimální teplotu baňky (250°C) a vyloučit materiály reagující s halogeny (HABEL, 1995).
Charakteristika a konstrukce Konstrukce halogenové žárovky je znázorněna na obrázku č. 4. Podle HABELA (1995) se k výrobě vnější baňky používá křemenné sklo, sklovina nebo tvrdé sklo. Vlákno je podobně jako u klasické žárovky tvořeno spirálou z wolframu, avšak poupravenou pro využití v halogenových žárovkách. V ose žárovky je vlákno fixováno wolframovými podpěrkami. Vakuový zátav je drátový nebo fóliový. Podmínkou dosažení stanoveného života žárovky je zajištění maximální teploty 350°C v místě spojení vnějšího přívodu s molybdenovou fólií (v opačném případě dochází k prasknutí stisku). Plynná náplň je tvořena kryptonem nebo xenonem v kombinaci se sloučeninou halogenu. K procesu usazování wolframu se u halogenových žárovek přidává působení termochemické transportní reakce wolframu s halogenem. V této reakci se vypařující wolfram slučuje s bromem na bromid wolframu. Ten difunduje zpět k vláknu, kde se rozpadá na wolfram a halogen. Uvolněné atomy wolframu tak omezují vypařování wolframu z vlákna. Výsledkem je čistá baňka a delší životnost vlákna. Halogenová žárovka má stejný osud jako klasická. Wolfram se usazuje na chladnějších částech a v nejteplejším místě spirály dojde k jeho přepálení.
22
Obr. č. 4 – Konstrukce halogenové žárovky a −dvoustisková žárovka b −jednostisková žárovka 1− baňka, 2 – wolframové vlákno, 3 − molybdenová fólie, 4 – molybdenový přívod, 5 – podpěrka, 6 – konečky vlákna, 7 – plynná náplň, 8 – odpalek čerpací trubičky, 9 – kolík, 10 – stisk, 11 – keramická patice zdroj: HABEL, J. a kol.: Světelná technika a osvětlování. FCC Public, spol., s.r.o., strana 117
3.9. Zářivka Historický vývoj V roce 1857, francouzský fyzik Alexandre E. Becquerel zkoumal jev zvaný fluorescence. Teoreticky uvažoval o konstrukci zářivek podobné těm, které se používají dnes. Alexandre Becquerel experimentoval s elektrickou výbojkou a luminiscenčními materiály. Tento princip byl
dále
rozvíjen
a
vznikly
z
něj
dnešní
zářivky
(www.accessexcellence.org).
3.9.1. Lineární zářivka Obr. č. 5 – Konstrukce lineární zářivky
Charakteristika a konstrukce Zářivky jsou nízkotlaké rtuťové výbojky, vyzařující světlo v oblasti UV záření, které v dnešní době vyrábějí okolo 79 % umělého světla na světě. Jejich konstrukce je znázorněn na obr. č. 5. Hlavní částí zářivky je trubice vyrobena z měkkého sodnovápenatého skla, na níž jsou naneseny dvě vrstvy
luminoforu
(nejčastěji
kysličník
zinku). Ostatní skleněné polotovary tvoří
zdroj: HABEL (1995, str. 122)
23
převážně olovnaté sklo. Na obou koncích zářivky jsou elektrody, tvořené wolframovými spirálami. Kolem elektrody se nachází clonka, zabraňující usazování emisní hmoty na luminoforu. Tím přispívá ke stabilizaci světelného toku a zpomalení tmavnutí zářivky. „Ve skleněné trubici jsou vlivem elektrického pole mezi elektrodami vybuzeny páry rtuti, ve kterých dochází k emisi neviditelného UV záření. Speciální látka – luminofor na vnitřním povrchu skleněné trubice přeměňuje neviditelné UV záření na viditelné světlo. Volbou luminoforu je možné ovlivnit barvu světla zářivky.“ (SKOKANSKÝ, 2007, str. 42). V průběhu svícení dochází k úbytkům rtuti, proto je do zářivky dávkována v přebývajícím množství. Samotná přítomnost toxického prvku přináší problémy při výrobě i likvidaci zářivky.
3.9.2. Kompaktní zářivka Charakteristika a konstrukce Světelným tokem, geometrickými parametry a podáním barev se blíží obyčejným žárovkám. Výroba světla je obdobná jako u lineárních zářivek. Hlavní konstrukční odlišení od lineární zářivky je nepřítomnost startéru.
Existují tři typy kompaktních zářivek: −
s implementovaným předřadníkem jako úsporná alternativa žárovek (oproti klasickým kompaktním zářivkám mají okamžitý start a odolnost proti častému spínání),
−
pro zvlášť malá svítidla,
−
jako zmenšená alternativa lineárních zářivek.
3.10. Vysokotlaké světelné zdroje 3.10.1.
Vysokotlaké rtuťové výbojky
Charakteristika a konstrukce Podle SKOKANSKÉHO (2005, str. 31) vzniká viditelné záření u těchto zdrojů „obloukovým výbojem v parách rtuti při tlaku 0,1 MPa ve výbojové trubici z křemenného skla. Toto záření se transformuje pomocí luminoforu do viditelné oblasti. Hlavní elektrody tvoří wolframový drát pokrytý emisní vrstvou kysličníku barya, stroncia a vápníku.“ Do výbojové trubice se dávkuje rtuť a argon (usnadňuje zapálení výboje, zabraňuje odpařování emisní hmoty). K zapálení
24
výboje není potřeba používat přídavná zapalovací zařízení. Výboj je umístěn v baňce z měkkého sodno−vápenatého, nebo tvrdého borito−křemičitého skla (výbojky s příkonem do 125 W). Do baňky je přidána směs dusíku a argonu, a na vnitřní straně je nanesena vrstva luminoforu. Obr. č. 6 – Konstrukce vysokotlaké rtuťové výbojky 1 – nosný rámeček, 2 – výboj, 3 – wolframové vlákno, 4 – molybdenové háčky, 5 – vnější baňka, 6 – vrstva luminoforu, 7 – patice
zdroj: DVOŘÁČEK (2008, str. 57)
3.10.2.
Halogenidové výbojky
Charakteristika a konstrukce Viditelné záření vzniká u halogenidových výbojek v parách rtuti a zářením produktů halogenidů (sloučeniny halových prvků s thaliem, sodíkem, apod.). „V křemenném hořáku vzniká cyklus obdobný regeneračnímu cyklu jako u halogenových žárovek, ale opačný. Vnější baňka je z borosilikátového skla a hořák z křemenného nebo jiného speciálního skla“ (SKOKANSKÝ, 2007, str. 44). U halogenidových výbojek je potřeba zapalovače, který k výboji využívá vysokonapěťový impuls. V dnešní době jsou baňky i patice vyráběny v mnoha konstrukčních provedeních.
3.10.3.
Vysokotlaké sodíkové výbojky
Charakteristika a konstrukce Podle DVOŘÁČKA (2009) vzniká světlo v těchto světelných zdrojích zářením sodíkových par. Hořák (výbojový prostor) je vyroben z průsvitného korundu, který odolává vysokým teplotám sodíku. Mezi korundem a kovem jsou umístěna pájky (skelné, kovové, keramické). Z vnější baňky je vyčerpán vzduch a je vyrobena z borosilikátového skla. Jako startovací plyn se ve výbojové trubici používá xenon s příměsí sodíko-rtuťového amalgámu.
25
Obr. č. 7 – Konstrukce vysokotlaké sodíkové výbojky
. 1 – korundová trubička, 2 – elektroda, 3 – niobová průchodka, 4 – pájecí kroužek, 5 – nosný rámeček, 6 – vnější baňka, 7 – patice, 8 – amalgám sodíku, 9 – getr, 10 – plynná náplň Zdroj: DVOŘÁČEK (2009, str. 40)
3.11. LED Název LED pochází z anglického Light Emitting Diode, což můžeme přeložit jako dioda vyzařující světlo. Jedná se o moderní zdroj světla, založený na principu elektroluminiscence (vyzařování světla z látky, jíž prochází elektrický proud). Speciální polovodičová dioda dokáže vyzařovat ultrafialové, světelné i infračervené záření. LEdiody se vyrábí jednobarevné (červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá a bílá) i vícebarevné, blikající, infračervené a ultrafialové.
3.11.1.
Historie LED
V roce 1907 Henry Joseph Round popsal fyzikální princip procesu elektroluminescence. O několik desítek let později se začaly objevovat první LEDky. V roce 1962 vznikla komerční LED v červené barvě, jejímž výrobcem byla firma General Electric. Z počátku byla jejich svítivost (účinnost přeměny elektrické energie na světlo) nízká. Proto se nejprve využívaly jako signální diody v televizorech, nebo v kalkulačkách. První červená radiální LED byla vyrobena v roce 1972 v divizi Siemens Semiconductor. V 80. letech 20. století probíhaly pokusy o zlepšení účinnosti červené diody a došlo k vývoji zelené, žluté a později i modré a bílé barvy. Zvýšit jejich svítivost dokázal japonský vědec Shuji Nakamura v roce 1993. Podařilo se mu to díky použití modré nebo ultrafialové LEdiody, která byla pokryta vrstvou fosforu. Po tomto zdokonalení došlo k velkému rozvoji ve výrobě a LEdiody se začaly objevovat po celém světě (HEJDUK, 2005).
26
3.11.2.
Charakteristika a konstrukce LED
Světelná dioda používá jiného fyzikálního principu než žárovky či výbojky. Svými vlastnostmi se od ostatních světelných zdrojů odlišuje. Jedná
Obr. č. 8 – Konstrukce LEdiody
se o elektronickou polovodičovou součástku, obsahující
přechod
přechodem
P−N.
prochází
v propustném
Pokud
tímto
elektrický
směru,
proud
přechod
emituje
(vyzařuje) světlo s úzkým spektrem. Tento jev se nazývá elektroluminiscence. JÁCHYM
(2007,
str.
28)
popisuje
konstrukci LED jako „součástku, v níž je kontaktovaný
čip
zastříknut
materiálem
optickými
(nebo
vlastnostmi
kombinace
čipů)
s požadovanými (LED
se
vyrábějí
zdroj: www.offroadlights.com
v bodovém či rozptylném provedení, s různým vyzařovacím úhlem).“ Monokrystaly diod jsou pokryty kulovými vrchlíky z epoxidové pryskyřice nebo akrylového polyesteru. Oproti jiným světelným zdrojům mají LEdiody výhodu v tom, že pracují s poměrně malým proudem a napětím. Jejich velikost umožňuje použití i v malých zdrojích osvětlení.
Spektrum barev LEdiody Pásmo spektra ovlivňuje chemické složení polovodiče. „Polovodičový přechod vyzařuje velmi úzké spektrum, záření je v podstatě monochromatické. V současnosti jsou však na trhu prvky všech potřebných barev, se třemi čipy v jednom pouzdru, i světelné diody v jednotlivých barvách vhodných pro skládání bílé.“ (SKOKANSKÝ, 2007, str. 50). Samotný princip LEdiody nedokáže emitovat bílé světlo. U starších diod byly využívány tři čipy, z nichž bylo aditivním míšením dosaženo vjemu bílého světla. V dnešní době se pro vjem bílé barvy využívá luminoforu. Z diody, která vyzařuje modré světlo, je část světla luminoforem transformována na žluté světlo. Mísením těchto dvou barev vznikne bílá. Další typy bílých LEdiod emitují ultrafialové záření, které je na čipu luminoforem transformované na bílé světlo (JÁCHYM, 2007). Pro osvětlení domácností se používá teplá bílá (3 000 K). Studená bílá je využívána pro venkovní osvětlení, při němž lépe vystoupí kontrasty (6 000–7 000 K).
27
3.11.3.
Využití LED technologie
V počátcích vývoje se LED technologie pro svoji nízkou účinnost využívala pouze v signálních diodách. S vývojovým postupem se její působení rozrostlo do nejrůznějších oblastí a její využití stále stoupá.
Osvětlení vnitřních prostor Z hlediska vnitřního osvětlení využíváme LED technologii pro osvětlení pracovišť, exponátů v muzeích, výstav a galerií. Také veřejné budovy, restaurace a prodejní místa obsahují svítidla s LEdiodami. Zde se objevují i barevné diody, zvýrazňující určité objekty (například bary, výlohy).
Venkovní osvětlení V této oblasti se technologie LED užívá pro osvětlování mostů, pěších zón, architektonických památek, tunelů a mnoha jiných objektů. LEdiody se umísťují do svítidel instalovaných na stožárech pouličního osvětlení. Umístění v osvětlovací soustavě nízko nad vozovkou navíc spoří elektrickou energii a omezuje rušivé světlo. Dále vyznačují okraje vozovky, jízdní pruhy (použití i různých barev), chodníky. Pro snadnější orientaci na silnici jsou malá svítidla zapouštěna do povrchu silnice. V České republice najdeme několik projektů na osvětlování ulic či komunikací, kde byly LEdiody použity. Mezi nejvýznamnější patří projekty Praha, Písek, Havířov a Pardubice. Vzhledem k současné vysoké pořizovací ceně těchto světelných zdrojů se LEdiody nedají zatím hromadně aplikovat do všeobecného osvětlení.
Signalizace LEdiody nahrazují trpasličí žárovky ve vypínačích a kontrolních svítilnách. Nalezneme je také v dopravních značkách silniční, železniční i říční dopravy. Čím dál častěji nahrazují žárovky v semaforech. V automobilech podsvěcují palubní desku a používají se i pro další osvětlovací komponenty a vnější osvětlení. Důležitou funkci plní především v brzdových světlech. Jejich okamžité rozsvícení umožňuje řidičům jedoucím za automobilem rychlejší reakci. LEdiody se dále nachází v ukazatelích a prvcích, které vyznačují únikové cesty v budovách (DVOŘÁČEK, 2009).
28
Zobrazovací technika a reklamní osvětlení Další využití se nachází v soustavách dynamického řízení počítačem, kde je možnost změn barev i jasu, vytváření běžících řádků a vln. Do této kategorie spadají také velkoplošné obrazovky.
Zdravotnictví Zvláštní využití této technologie je ve zdravotnictví. Jednak se používá pro terapie kožních a vnitřních nemocí. Dále je využita pro desinfekci vzduchu za pomocí UV záření. Posledním použitím je zubní technika, kde slouží k vytvrzování hmot (DVOŘÁČEK, 2009).
Další využití: •
podsvícení LCD televizorů a obrazovek počítačů,
•
prosvícení klávesnic a displejů (mobilní telefony),
•
senzor pohybu (optické myši),
•
baterky,
•
tlačítka ve výtahu,
•
čtečky čárových kódů.
29
4. METODIKA A POSTUP ŘEŠENÍ Pro dosažení cíle bakalářské práce, byly stanoveny jednotlivé kroky metodického postupu. Prvním krokem bylo vymezení základních charakteristik osvětlovacích technologií. Dále byla provedena multikriteriální komparativní analýza parametrů světelných zdrojů. Třetí etapa zahrnuje hodnocení společensko−ekonomické efektivnosti vybraných technologií veřejného osvětlení.
4.1. Základní charakteristiky osvětlovacích technologií Při řešení této části byla využita metoda analýzy a syntézy informací z odborné literatury, na základě které byl stanoven metodický postup hodnocení společensko-ekonomické efektivnosti a vymezeny technologie a faktory pro komparativní analýzu parametrů dostupných světlených zdrojů. Informace byly čerpány z publikací Dvořáček (2008), Habel (1995), Hejduk (2005), Dvořáček (2009), Skokanský (2007) a Skokanský (2005).
4.2. Multikriteriální
komparativní
analýza
parametrů
světelných zdrojů Na základě analýzy a syntézy informací z odborné literatury byla stanovena multikriteriální komparativní analýza parametrů světelných zdrojů. Pro tuto analýzu byly vybrány světelné zdroje z předcházející kapitoly, které se svými požadavky nejvíce hodily pro veřejné osvětlování. Do těchto zdrojů řadíme klasickou žárovku, kompaktní zářivku, halogenovou žárovku, rtuťovou a sodíkovou výbojku a LEdiody. V rámci srovnání parametrů těchto světelných zdrojů, byla vytvořena tabulka s bodováním. Každý prvek je zvlášť hodnocen číslicí od 0 do 10, přičemž platí, čím vyšší číslo daný zdroj získá, tím lépe si stojí. Jednotlivé body byly přidělovány autorkou této práce na základě získaných informací z publikací Dvořáček (2008), Habel (1995), Hejduk (2005), Dvořáček (2009), Skokanský (2007) a Skokanský (2005). Světelný zdroj s nejvyšším součtem dosažených bodů byl vybrán jako nejvhodnější pro venkovní osvětlování. Parametry světelných zdrojů byly rozčleněny do tří oblastí: sociální, environmentální a finančně−ekonomické.
30
Fotometrické veličiny využité v komparativní analýze světelných zdrojů:
Teplota chromatičnosti – (teplota barvy neboli barevný dojem) charakterizuje spektrum bílého světla. Světlo určité teploty chromatičnosti má barvu tepelného záření vydávaného černým tělesem zahřátým na tuto teplotu. Teplota chromatičnosti se měří v Kelvinech (MELČ, 2009)
Příklady teploty chromatičnosti (MELČ, 2009): •
1 200 K – svíčka,
•
2 700 K – teplota chromatičnosti žárovky, slunce při východu a západu,
•
3 000 K – teple bílá,
•
4 000 K – neutrálně bílá,
•
6 500 K – chladně bílá – standardizované denní světlo,
•
7 000 K – lehce zamračená obloha,
•
8 000 K – oblačno, mlhavo,
•
10 000 K – silně zamračená obloha.
Obr. č. 9 – Znázornění spektra s teplotou chromatičnosti
zdroj: www.hvezdarna.plzen.eu
Světelný tok – na rozsah viditelného světla připadá po přehodnocení zrakovým orgánem tok, závislý na fyzikálních podmínkách zdroje (např. teplota vlákna žárovky), který se nazývá světelným tokem. Jednotkou světelného toku jsou lumeny (lm) (MIHÁLKA, 2009).
Účinnost záření – je podíl světelného toku k rozsahu záření. Jednotka: lm/W.
4.3. Hodnocení
společensko− −ekonomické
efektivnosti
vybraných technologií veřejného osvětlení Na základě multikriteriální analýzy byly vymezeny tři technologie, které se jeví jako nejvhodnější pro použití ve veřejném osvětlení. Podle norem ČSN EN 13 201 Osvětlení
31
pozemních komunikací (části 1−4) byla vytvořena modelová soustava veřejného osvětlení. V rámci této soustavy byly porovnány tři technologie v oblasti finančně−ekonomické, environmentální a sociální.
4.3.1. Finančně− −ekonomická oblast Výpočty finančně−ekonomické oblasti jsou rozčleněny do několika etap: 1. stanovení počtu prosvícených hodin za rok 2011 2. charakteristika modelové soustavy 3. hodnocení doby návratnosti zvýšených investičních výdajů LED technologií
První etapa zahrnuje výpočet doby svícení ve VO pro rok 2011. Z údajů pražské hvězdárny byly použity časy východů a západů slunce pro všechny dny v roce 2011. Z těchto údajů byly dále určeny časy zapnutí a vypnutí VO, z nichž se posléze vypočítala délka svícení pro jednotlivé dny. Součtem všech dní je získán počet prosvícených hodin za celý rok.
Čas zapnutí (tz) a vypnutí (tv) veřejného osvětlení tz = Z + 0,5 tv = V – 0,5 kde:
Z … doba západu slunce V … doba východu slunce Nutný převod jednotek na desetinná čísla
Délka svícení (ts) ts = 24 – tz + tv kde:
tz … čas zapnutí veřejného osvětlení tv … čas vypnutí veřejného osvětlení
V druhé etapě byla nejprve navržena soustava veřejného osvětlení, do které byly osazeny tři typy světelných zdrojů. Aby se tato soustava co nejvíce podobala skutečnosti, byly do výpočtů zahrnuty i náklady na likvidaci stávajícího osvětlení. Součtem jednotlivých položek, kterými jsou demontáže kabelu AYKY, stožáru, patky, svítidla, a dále likvidace starých světelných zdrojů se svítidly, byla získána výsledná hodnota nákladů na odstranění stávající soustavy
32
osvětlení. Cena nově navržené soustavy je součtem nákladů na osvětlovací stožár, svítidla se světelným zdrojem, montáže stožáru, svítidla, patky a kabelu. Celková investice zahrnuje náklady na demontáž a likvidaci stávajícího zdroje osvětlení a cenu navržené soustavy.
Celkový příkon soustavy (P) [kWh] P= kde:
p … příkon jednoho svítidla n … počet svítidel v soustavě
Roční spotřeba elektrické energie (E) E=T·R·P kde:
T … počet hodin v provozu za 1 rok R … regulace osvětlení P … celkový příkon soustavy
Cena elektrické energie za 1 rok (Pe) Pe = E · PkWh kde:
E … roční spotřeba elektrické energie PkWh … cena elektrické energie za 1 kWh
Celkový provoz soustavy je roven součtu ceny elektrické energie za 1 rok, výměny světelných zdrojů a jejich likvidace, nákladů na čištění a nákladů na opravu.
Třetí etapa zahrnuje výpočet doby návratnosti zvýšených investičních výdajů při zavádění LED technologie ve srovnání s alternativními technologiemi. Vyhodnocení bylo vytvořeno ve dvou variantách potenciálních přínosů: −
snížení nákladů na spotřebu energie,
−
snížení celkových provozních nákladů.
Návratnost investice (tn) Jedná se o dobu (počet let), za kterou peněžní příjmy z investice vyrovnají počáteční kapitálový výdaj na investici.
33
tn = kde:
IA … celková investice soustavy A IB … celková investice soustavy B NA … provozní náklady soustavy A NB … provozní náklady soustavy B
4.3.2. Environmentální oblast Tato oblast navazuje z hlediska úspory zdrojů na finančně−ekonomická kritéria, rozšířená o vyhodnocení podílu na produkci CO2. Zde sledujeme počet spotřebované energie ve vztahu k emisím, které jsou při tvorbě energie vytvořeny. Při získání 1 kWh elektrické energie je do ovzduší emitováno 420 g CO2 (VESPALCOVÁ, 2009). Produkce gramů CO2 za 1 hodinu provozu veřejného osvětlení (x) x = P · R · 420 kde:
P … celkový příkon soustavy R … regulace osvětlení
4.3.3. Sociální oblast V této oblasti je vyhodnocena především teplota chromatičnosti a změna barvy světelného zdroje.
4.3.4. Případová studie realizovaného projektu v Písku V této části je shrnut popis realizovaného projektu s LED svítidly v České republice. Dále jsou zde uvedeny základní informace o projektu, typy jednotlivých svítidel a finanční porovnání dvou navrhovaných typů osvětlení.
34
5. VLASTNÍ PRÁCE 5.1. Základní charakteristiky světelných zdrojů 5.1.1. Klasická žárovka Přednosti a nedostatky +
jednoduchá konstrukce, malá hmotnost, malé rozměry a vhodný tvar,
+
výroba ve velkém podmiňující nízkou cenu žárovek,
+
okamžitý start bez blikání, stabilní svícení bez míhání,
+
spojité spektrum vyzařovaného světla s teplým odstínem,
+
napájení z elektrorozvodné sítě bez nutnosti předřadných obvodů,
+
konstrukce žárovek pro široký rozsah napájení i příkonů,
+
neobsahují škodlivé látky, likvidace nepoškozuje životní prostředí,
+
snadný provoz i výměna (HABEL 1995),
−
malý měrný světelný výkon,
−
krátká životnost (přibližně 1 000 hodin),
−
v průběhu života klesá světelný tok,
−
parametry žárovek a délka života závislé na napájecím zařízení (HABEL, 1995).
Použití ve veřejném osvětlení Pro své technické parametry se klasické žárovky objevují ve veřejném osvětlení jen zřídka. Díky možnosti častého rozsvěcování se spíše objevují ve spojitosti s pohybovými čidly v osvětlení zahrad, příjezdových cest domů, apod.
5.1.2. Halogenová žárovka Přednosti a nedostatky +
spojité spektrum vyzařovaného světla s teplým odstínem,
+
okamžitý start bez blikání,
+
úbytek světelného toku do 5% původního stavu,
+
delší životnost,
35
+
vyšší účinnost přeměny elektrické energie na světlo,
+
možnost konstrukce žárovek malých rozměrů,
−
kratší životnost při častém zapínání světla,
−
náročná technologie výroby,
−
vyšší cena.
Použití ve veřejném osvětlení Jejich použití ve VO je omezené. Hlavní uplatnění mají ve spojitosti s pohybovými čidly, kde plní funkci bezpečnostního osvětlení. Dále slouží jako dočasné osvětlování prostranství, nebo architektonické osvětlování historických objektů a památek.
5.1.3. Lineární zářivka Přednosti a nedostatky +
výroba ve velkém podmiňující nízkou cenu zářivek,
+
dlouhá životnost,
+
možnost konstruovat malá svítidla,
+
vysoká účinnost přeměny elektrické energie na světelnou,
+
široký sortiment barev,
−
vliv častého zapínání na život zářivky,
−
pomalejší dosažení stanovené hodnoty světelného toku po zapnutí,
−
obsah toxické látky,
−
závislost světelného toku na okolní teplotě prostředí,
−
míhání světla (vyvolané střídavým proudem),
−
nutnost předřadných a startovacích obvodů (HABEL, 1995).
Použití ve veřejném osvětlení Objevují se spíše sporadicky, a to v menších městech a na podřadných komunikacích. Díky jejich závislosti na okolní teplotě je jejich použití v zimě nevýhodné (snižuje se světelný tok). Existují i zářivky odolné proti chladu, které se využívají v osvětlení nástupišť, zastávek apod.
36
5.1.4. Kompaktní zářivka Přednosti a nedostatky +
světlo s vyšším indexem barev,
+
energeticky úsporné (4−5x účinnější než klasická žárovka),
+
delší doba života,
+
stabilní svícení bez míhání (díky elektronickému předřadníku),
+
malé konstrukční rozměry,
−
závislost světelného toku na okolní teplotě prostředí,
−
obsah toxické látky,
−
pomalejší rychlost startu,
−
vliv častého zapínání na život zářivky.
Použití ve veřejném osvětlení Kompaktní zářivky nalezneme v osvětlení pěších zón, parků a vnitrobloků. Pro jejich závislost na okolní teplotě a velikosti světelné činné plochy je jejich využití značně omezeno.
5.1.5. Vysokotlaká rtuťová výbojka Přednosti a nedostatky +
dlouhá životnost (12 000 – 15 000 hodin),
+
stabilní světelný tok v průběhu života,
+
odolnost proti otřesům,
+
téměř nulový vliv okolní teploty,
+
výroba ve velkém podmiňující nízkou cenu výbojek,
−
horší podání barev,
−
obsah toxické látky,
−
ustálení světelného toku 5 min po startu,
−
opětovné zapnutí je možné až po vychladnutí výbojky,
−
nemožné stmívání.
37
Použití ve veřejném osvětlení Vysokotlaké rtuťové výbojky se používají pro osvětlení pěších zón, zahrad, parků, nákupních pasáží a veřejných prostor. Pro svoji nižší účinnost jsou v poslední době nahrazovány halogenidovými a vysokotlakými sodíkovými výbojkami.
5.1.6. Halogenidová výbojka Přednosti a nedostatky +
dlouhá životnost (až 15 000 hodin),
+
velký rozsah příkonů,
+
vynikající podání barev,
−
technologická náročnost,
−
vyšší pořizovací cena (4x dražší než vysokotlaké sodíkové výbojky),
−
nutnost použití zapalovacího zařízení,
−
citlivost na kolísání napětí,
−
ustálení světelného toku po 4 minutách,
−
nulová možnost stmívání.
Použití ve veřejném osvětlení Díky vysokému měrnému výkonu jsou tyto výbojky vhodné pro osvětlování venkovních prostor a komunikací. Pro své dobré barevné podání se umísťují do společenských center měst, nebo do oblastí, kde je potřeba odlišit úsek komunikace (např. přechody pro chodce). Dále se používají pro architektonické osvětlování historických objektů a památek.
5.1.7. Vysokotlaká sodíková výbojka Přednosti a nedostatky +
vysoký měrný výkon,
+
dlouhá životnost (30 000 hodin),
+
snadná údržba,
+
výroba ve velkém podmiňující nízkou cenu výbojek,
38
+
možnost stmívání (do 50% světelného toku),
−
obsah toxických látek.
Použití ve veřejném osvětlení Dominantní postavení ve veřejném osvětlení po celém světě měly vysokotlaké sodíkové výbojky v 80. letech 20. století. Jejich zavedení vedlo ke značné úspoře elektrické energie. V České republice je podíl sodíkových výbojek ve VO jeden z nejvyšších ve světě. Nalezneme je v osvětlení komunikací, pěších zón, letišť, náměstí, nádražních hal a architektonickém osvětlování historických objektů a památek.
5.1.8. LEdioda Přednosti a nedostatky +
doba životnosti (60 000 hodin, tedy okolo 15 let),
+
nízká spotřeba elektrické energie, nízký příkon,
+
vysoká účinnost přeměny elektrické energie na světlo,
+
nízké teploty zvyšují účinnost,
+
snadná a jednodušší výroba,
+
nízká materiálová náročnost,
+
neobsahují prvky škodící životnímu prostředí,
+
odolnost vůči otřesům, nárazům a vibracím, nulová údržba,
+
volitelné teplé nebo chladné světlo,
+
špičková technologie, moderní design,
+
možnost instalace na stávající sloupy VO,
+
definovaný úhel vyzařovaného světla,
+
možnost vytváření velikostně malých svítidel,
+
plynulé nastavení stmívání,
+
široké spektrum barev,
+
tichý provoz,
+
časté spínání bez zkrácení životnosti,
−
vyšší pořizovací cena.
39
Použití ve veřejném osvětlení LED technologie je využívána v mnoha oblastech VO. Osvětluje mosty, pěší zóny, architektonické památky, silnice, tunely, chodníky, okraje vozovek i jízdní pruhy. Do VO nejsou prozatím tyto světelné zdroje hromadně osazovány, především kvůli jejich vysoké pořizovací ceně.
5.2. Bodové porovnání parametrů světelných zdrojů V předchozí části byly na základě vypočtených hodnot porovnávány tři soustavy veřejného osvětlení. V rámci srovnání ostatních parametrů těchto i dalších světelných zdrojů, byla z předem zjištěných informací vytvořena tabulka s bodováním. Každý prvek je zvlášť hodnocen číslicí od 0 do 10, přičemž platí, čím vyšší číslo daný zdroj získá, tím lépe si stojí. Do tohoto srovnání byly použity rtuťové a sodíkové výbojky, LEdiody, klasické žárovky, kompaktní zářivky a halogenové žárovky. Tab. č. 1 – Bodové porovnání parametrů světelných zdrojů
parametry světelných zdrojů cena účinnost životnost regulace předřadník rozsah pracovního napětí hmotnost konstrukce tělesa rychlost spínání teplota chromatičnosti změna barvy dopady na životní prostředí součet bodů
klasická kompaktní halogenová rtuťová sodíková LED žárovka zářivka žárovka výbojka výbojka 10 8 10 7 5 1 1 8 4 8 9 10 1 8 4 6 7 10 9 2 8 1 6 10 10 6 10 6 6 10 6
3
6
1
9
10
10 7 10
10 7 7
8 8 10
8 7 6
7 8 6
10 5 10
7
10
7
10
5
10
1
1
1
1
1
10
10
1
10
1
9
10
76
68
80
61
69
96
zdroj: vlastní zpracování
40
oblast finančně−ekonomická oblast sociální oblast environmentální
Nejvyššího počtu 96 bodů dosáhly LEdiody, které se z hlediska jednotlivých parametrů jeví jako nejvhodnější světelný zdroj pro osvětlování. Zdroj s druhým nejvyšším počtem bodů je halogenová žárovka. Na třetím místě se umístila klasická žárovka. Vzhledem k tomu, že se jedná o nejstarší světelný zdroj, může být pro někoho toto umístění překvapivé. Pro své vlastnosti je však stále velice výhodným a v populaci nejrozšířenějším zdrojem osvětlení. V případě veřejného osvětlení ale použití klasické a halogenové žárovky není možné. Pro venkovní typ osvětlování sledujeme vlivy parametrů, kterými je světelný tok, teplota chromatičnosti, životnost, cena, účinnost, odolnost vůči otřesům a změnám teploty. Z těchto vlastností si nejlépe stojí LEdioda, sodíková a rtuťová výbojka, které se ve VO používají nejčastěji.
5.2.1. Finančně ekonomická oblast Při porovnání cen je nejlevnější variantou klasická žárovka, společně s halogenovou žárovkou. Na českém trhu je stále nejdražší světelný zdroj s LEdiodami. Tento produkt má vysokou cenu především proto, že je na českém trhu poměrně novinkou a není ještě masově rozšířen. Pokud porovnáme parametry světelných zdrojů s LEdiodami ve světě a v České republice, je patrný velký rozdíl mezi kvalitou produktu a jeho cenou. Zatímco ve světě je možno koupit vysoce účinný světelný zdroj za poměrně nízkou cenu, na našich trzích jsou prozatím produkty s menší účinností a jejich cena je mnohonásobně vyšší. Další rozdíl nacházíme v ceně obchodníka a výrobce. S postupem času však cena LED světelných zdrojů bude klesat. Nejúčinnější světelné zdroje jsou ty, které přeměňují nejvíce energie ve světlo. Z tohoto pohledu jsou nejvýhodnější LED žárovky, jejichž účinnost je v současné době až 12x vyšší oproti žárovkám klasickým. V minulosti, kdy ještě nebyly LEdiody na trhu, měly nejvyšší účinnost sodíkové výbojky. V současnosti dochází k neustálému zdokonalování LED svítidel a jejich účinnost se tedy neustále zvyšuje. Na prodlužování délky životnosti lze spatřit, jak se zdroje osvícení vyvíjí. Od klasické žárovky, jejíž délka svícení je okolo 1 000 hodin, došlo k prodloužení doby svícení až na 100 000 hodin, přičemž tato nejvyšší hodnota patří světelným zdrojům využívající LED technologii.
41
Některé světelné zdroje disponují možností regulace světelného toku během svícení, čímž dochází k úspoře elektrické energie. Nejvíce regulovatelné jsou LEdiody, u kterých se tato výhoda dá využít i ve veřejném osvětlení. V brzkých ranních hodinách (např. od 1:00 – 4:00), kdy jsou silnice i ulice nejméně frekventované, je možné snížit světelný tok o 10%, čímž se výrazně sníží provozní náklady. Dalším velice dobře regulovatelným zdrojem jsou žárovky (regulace od 0 do 100 %). Při spínání světelných zdrojů rozlišujeme ty, které se rozsvítí a naběhnou na plný světelný tok okamžitě, a dále zdroje, jejichž světelný tok dosáhne 100 % až po delším časovém intervalu. Okamžitý náběh mají klasické i halogenové žárovky a LEdiody. U ostatních zmíněných zdrojů je náběh pomalejší, a v některých případech trvá i několik minut. Světelné zdroje mají různé velikostní i hmotnostní parametry. Z hlediska hmotnosti zaujímají nejnižší hodnoty klasické žárovky, kompaktní zářivky a LEdiody. Naopak zdrojem s nejvyšší hmotností je sodíková výbojka. Dalším parametrem je složitost konstrukce tělesa. Zatímco LEdioda má v tomto typu srovnávání nízké bodové ohodnocení, ostatní světelné zdroje nemají příliš vysokou výrobní náročnost. Světelné zdroje jsou konstruovány bez, nebo s použitím elektronického předřadníku, který slouží pro rozsvícení zdroje a regulaci elektrického proudu vedoucího do zdroje. Pro samotný provoz je výhodnější mít světelný zdroj bez použití předřadníku, což platí pro klasické, halogenové a LED žárovky. Rozsahem pracovního napětí je myšleno, jaké teploty chromatičnosti dosahují jednotlivé světelné zdroje při nižších napětích. Zatímco LEdioda září neustále ve stejné teplotě, rtuťová výbojka se při nízkém proudu ani nerozsvítí. Klasické žárovky se žhaví malým proudem, čímž se jejich světlo mění do červené barvy.
5.2.2. Sociální oblast U teploty chromatičnosti (neboli pocitové teploty) hledáme takový světelný zdroj, který se bude nejvíce podobat dennímu světlu (přibližně 6 500 K). Z výčtu jednotlivých produktů má tuto podobnost LEdioda, dále kompaktní zářivka a rtuťová výbojka. Ostatní světelné zdroje mají teplotu chromatičnosti nižší, čímž se jejich barva světla mění ve žlutou. V rámci změny barvy (přepínání systémů, mísení) je patrné, že jediným světelným zdrojem, který disponuje touto funkcí je LED svítidlo. I proto je jejich použití rozšířeno do tolika oblastí.
42
5.2.3. Environmentální oblast Z hlediska dopadu na životní prostředí je sledován především obsah nebezpečných látek ve světelném zdroji, který se po vysvícení považuje za odpad. S produkcí odpadu souvisí i délka života, kdy zdroje s krátkou životností je potřeba častěji vyměňovat, a produkce odpadu je tedy vyšší. Životní prostředí nejvíce ohrožují kompaktní zářivky a rtuťové výbojky, které v sobě obsahují nebezpečnou rtuť.
5.3. Výpočet doby svícení ve VO pro rok 2011 Aby bylo možné stanovit dobu svícení v roce 2011, je nutné nejprve stanovit východy a západy slunce pro všechny dny v roce. Veřejné osvětlení je zapínáno půl hodiny po západu slunce a vypínáno půl hodiny před jeho východem. Z vypočtených hodnot je dále určena doba svícení pro jeden den. Při přechodu na letní čas 21. března, dochází k posunu zapnutí a vypnutí VO. Osvětlení je zapnuto o 15 minut později a vypnuto o 15 minut dříve než v zimním čase. Podobně je to 23. září, kdy dochází k přechodu ze zimního času na letní. Doba osvícení se opět posunuje o 15 minut (v tomto případě je posunutí opačné). Výpočty pro jednotlivé dny roku 2011 jsou uvedeny v příloze č. 1.
Doba svícení VO pro jednotlivé měsíce roku 2011 Tab. č. 2 – Výpočet doby svícení pro měsíce roku 2011 [h:m:s]
leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec celkem (hod)
445:51:00 361:47:00 342:00:00 261:43:00 219:08:00 186:01:00 204:56:00 249:48:00 300:22:00 379:31:00 418:03:00 460:19:00 3829:29:00 zdroj: vlastní výpočty
43
Graf č. 1 – Doba svícení VO v jednotlivých měsících roku 2011
zdroj: vlastní výpočty
Ve výpočtech je použito spínání veřejného osvětlení podle východu slunce. Z grafu je patrné, že nejkratší doba svícení ve VO připadá na letní měsíce. V zimních měsících, kdy se noci prodlužují, je časový interval osvětlování i dvojnásobný. Pro výpočet dalších částí této práce je však nejdůležitější znát počet prosvícených hodin za celý rok. Ten činí v roce 2011 celkem 3829 hodin a 29 minut. Denní průměr zapnutého osvětlení je přibližně 10 hodin 29 minut a 30 sekund.
5.4. Návrh soustavy osvětlení V této části budou porovnávány a následně vyhodnoceny zdroje osvětlení, které mají ve VO nejnižší náklady na provoz a cenu soustavy. Pro tyto účely byla podle normy ČSN EN 13 201–2 Osvětlení pozemních komunikací, část 2: Výkonnostní požadavky, navržena soustava o deseti svítidlech, jejichž rozteč světelných bodů činí 45 metrů. Modernější technologie umožňují využívat světelné zdroje s vyšším světelným tokem, díky kterému již není potřeba osazovat stožáry příliš blízko u sebe. Tento krok umožní snížit náklady na instalaci nového osvětlení, a také náklady spojené s provozem soustavy. Větší vzdálenost stožárů se využívá pro místní komunikace, cyklostezky a pěší zóny, kde pro jejich nižší frekventovanost není potřeba hustého osvětlení, jako například u silnic první třídy, křižovatek, apod. Ve výpočtech byly do soustavy
44
svítidel postupně nasazeny tři světelné zdroje (sodíková výbojka, rtuťová výbojka a svítidlo s LEdiodami). Před instalací zmíněných světelných zdrojů bylo nejprve potřeba provést demontáž a likvidaci stávajícího osvětlení. Do těchto nákladů byla zahrnuta demontáž kabelu AYKY, stožáru, patky a svítidla. Následovala likvidace starých svítidel se světelnými zdroji. Celkové náklady spojené s odstraněním stávajícího zdroje osvětlení činí 14 864 Kč.
Tab. č. 3 – Náklady na demontáž a likvidaci stávajícího VO
název položky kabel AYKY 48x25 demontáž [m] demontáž stožáru demontáž patky demontáž svítidla likvidace starých světelných zdrojů likvidace starých svítidel likvidace celkem
množství 458 14 14 14 14 14 X
cena za jednotku v Kč celkem Kč 8 3 664 415 5 810 200 2 800 105 1 470 30 420 50 700 X 14 864
zdroj: vlastní zpracování na základě publikace SKOKANSKÝ (2007)
5.4.1. Rtuťová výbojka Náklady na montáž Prvním světelným zdrojem v navrhované soustavě je rtuťová výbojka typu ML 160 W. Pro lepší porovnání světelných zdrojů byly některé veličiny této výbojky přepočítány na 150 W výbojku, pro niž je charakteristický světelný tok 2 953 lm, teplota chromatičnosti 3 600 K a doba životnosti 13 000 hodin. Světelný zdroj byl umístěn do svítidla Safír 2 150 W SHC. Náklady na montáž jsou uvedeny v tabulce č. 4. Cena soustavy je rovna součtu nákladů na montáž a činí 304 510 Kč. Po zahrnutí nákladů na demontáž a likvidaci stávajícího zdroje osvětlení dostaneme celkovou investici, která je pro rtuťovou výbojku rovna 319 374 Kč.
45
Tab. č. 4 – Náklady na montáž rtuťové výbojky
název položky osvětlovací stožár 10 m [ks] svítidlo safír 2 150 W SHC [ks] světelný zdroj ML 160 W [ks] montáž stožáru vč. zapojení montáž svítidla vč. zapojení patka pro stožár vč. výkopu kabel CYKY 48x10 vč. uložení [m] cena soustavy
množství cena za jednotku v Kč celkem Kč 10 9 800 98 000 10 5 662 56 620 10 229 2 290 10 830 8 300 10 210 2 100 10 5 800 58 000 440 180 79 200 X X 304 510
zdroj: vlastní výpočty na základě údajů dostupných na www.vmelektro.cz
Obr. č. 10 – Rtuťová výbojka ML 160 W
Obr. č. 11 − Svítidlo safír 2 150 W SHC
zdroj: www.vmelektro.cz,
zdroj: www.svitidla-eglo.cz
Náklady na provoz Náklady na provoz ovlivňuje několik faktorů. Jednak doba životnosti světelného zdroje, dále cena elektrické energie za 1 kWh, doba provozu, roční spotřeba elektrické energie, náklady na čištění, opravy, výměnu zdrojů a likvidaci nefunkčních výbojek. Doba životnosti rtuťové výbojky ML 160 W je přibližně 13 000 hodin. Počet hodin v provozu je podle předchozích výpočtů 3 830 hodin za rok. S příkonem svítidla 160 W a regulací 1 je roční spotřeba elektrické energie 6 128 kWh. Cena elektrické energie ročně je stanovena jako násobek ceny elektrické energie za 1 kWh (1,5) a roční spotřeby elektrické energie. Po dosazení hodnot činí roční náklady na elektřinu 9 192 Kč. V tabulce č. 5 je uveden výčet dalších prvků, které se do provozních nákladů zahrnují. Součtem vypočtených hodnot dostaneme celkové provozní výdaje, které v roce 2011 činí 22 548 Kč.
46
Tab. č. 5 – Náklady na provoz světelného zdroje
název položky cena za el. energii za rok [Kč] výměna světelných zdrojů [ks] likvidace vyměněných svět. zdrojů [ks] roční náklady na čištění [ks] opravy − % ceny soustavy [%] provoz celkem [Kč/rok]
množství cena za jednotku v Kč celkem Kč X X 9 192 2 458 916 2 30 60 2 100 200 4 X 12 180 X X 22 548
zdroj: vlastní výpočty
5.4.2. Sodíková výbojka Náklady na montáž Druhým světelným zdrojem v navrhované soustavě je sodíková výbojka typu HST 150 W. Pro tuto výbojku je charakteristický světelný tok 14 500 lm, teplota chromatičnosti 2 000 K a doba životnosti 24 000 hodin. Pro umístění tohoto zdroje bylo vybráno svítidlo SR100/150 W. Náklady na montáž jsou uvedeny v tabulce č. 6. Cena soustavy tohoto světelného zdroje činí 293 900 Kč. Po zahrnutí nákladů na demontáž a likvidaci stávajícího zdroje osvětlení dostaneme celkovou investici, která je pro sodíkovou výbojku rovna 308 764 Kč.
Tab. č. 6 – Náklady na montáž sodíkové výbojky
název položky osvětlovací stožár 10 m [ks] svítidlo SR100/150 W [ks] světelný zdroj HST 150 W [ks] montáž stožáru vč. zapojení montáž svítidla vč. zapojení patka pro stožár vč. výkopu kabel CYKY 48x10 vč. uložení [m] cena soustavy
množství cena za jednotku v Kč celkem Kč 10 9 800 98 000 10 4 500 45 000 10 330 3 300 10 830 8 300 10 210 2 100 10 5 800 58 000 440 180 79 200 X X 293 900
zdroj: vlastní výpočty
47
Obr. č. 12 – Sodíková výbojka HST 150 W
Obr. č. 13 − Svítidlo SR100/150 W
zdroj: www.siteco.cz
Náklady na provoz Doba životnosti sodíkové výbojky HST 150 W je přibližně 24 000 hodin. S příkonem svítidla 176 W a regulací 0,75 je roční spotřeba elektrické energie 5 056 kWh. Cena elektrické energie ročně je činí 7 583 Kč. V tabulce č. 7 je uveden výčet dalších prvků, které se do provozních nákladů zahrnují. Součtem vypočtených hodnot dostaneme celkové provozní výdaje, které v roce 2011 činí 17 560 Kč.
Tab. č. 7 – Náklady na provoz světelného zdroje
název položky cena za el. energii za rok [Kč] výměna světelných zdrojů [ks] likvidace vyměněných svět. zdrojů [ks] roční náklady na čištění [ks] opravy − % ceny soustavy [%] provoz celkem [Kč/rok]
množství cena za jednotku v Kč celkem Kč X X 7 593 2 450 900 2 30 60 2 100 200 3 0 8 817 X X 17 560
zdroj: vlastní výpočty na základě údajů dostupných z www.siteco.cz
48
5.4.3. LEdioda Náklady na montáž Posledním světelným zdrojem v navrhované soustavě je svítidlo typu JL-SL1-CW/150 W-4B-11-1 s instalovanými LEdiodami. Světelný tok činí 18 000 lm a doba životnosti 30 000 hodin. Teplota chromatičnosti je vyzařována ve dvou spektrech, prvním je teplá bílá od 2 700−3 300 K a druhým studená bílá v rozmezí 6 000−7 000 K. Náklady na montáž jsou uvedeny v tabulce č. 8. Cena soustavy tohoto světelného zdroje činí 368 000 Kč. Po zahrnutí nákladů na demontáž a likvidaci stávajícího zdroje osvětlení dostaneme celkovou investici, která je pro svítidlo s LEdiodami rovna 382 864 Kč.
Tab. č. 8 – Náklady na montáž svítidla s LEdiodami
název položky osvětlovací stožár 10 m [ks] svítidloJL-SL1-CW/150 W-4B-1-1-1 montáž stožáru vč. zapojení montáž svítidla vč. zapojení patka pro stožár vč. výkopu kabel CYKY 48x10 vč. uložení [m] cena soustavy
množství cena za jednotku v Kč celkem Kč 10 9 800 98 000 10 13 560 135 600 10 830 8 300 10 210 2 100 10 5 800 58 000 440 150 66 000 X X 368 000
zdroj: vlastní výpočty
Obr. č. 14 – Svítidlo JL-SL1-CW/150 W-4B-1-1-1
zdroj: www.globalsources.com
49
Náklady na provoz Doba životnosti svítidla JL-SL1-CW/150 W-4B-1-1-1 je přibližně 30 000 hodin. S příkonem svítidla 150 W a regulací 0,6 je roční spotřeba elektrické energie 3 447 kWh. Cena elektrické energie ročně je činí 5 171 Kč. V tabulce č. 9 je uveden výčet dalších prvků, které se do provozních nákladů zahrnují. Součtem vypočtených hodnot dostaneme celkové provozní výdaje, které v roce 2011 činí 10 691 Kč. LEdiody jsou charakteristické svojí vysokou životností a bezúdržbovostí. Z těchto důvodů jsou do provozních nákladů zahrnuty pouze náklady na elektrickou energii a případné opravy, které sahají do výše 1,5% původní ceny soustavy.
Tab. č. 9 – Náklady na provoz světelného zdroje
název položky cena za el. energii za rok [Kč] výměna světelných zdrojů [ks] likvidace vyměněných svět. zdrojů [ks] roční náklady na čištění [ks] opravy −% ceny soustavy [%] provoz celkem [Kč/rok]
množství cena za jednotku v Kč celkem Kč X X 5 171 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1,5 0 5 520 X X 10 691
zdroj: vlastní výpočty
5.4.4. Návratnost investice Návratnost investice informuje, za jak dlouhé časové období se vrátí kapitál, který byl do investice vložen. Při výpočtu doby návratnosti je nutné znát roční cenu elektrické energie, provozní náklady a celkovou investici světelných zdrojů (viz předchozí kapitola). Výpočet návratnosti lze také použít ve srovnávacím vztahu dvou světelných zdrojů. Tabulky č. 10 a 11 obsahují data pro sodíkovou a rtuťovou výbojku ve vztahu k LED osvětlení.
Doba návratnosti investice bez zahrnutí provozních nákladů První případ znázorňuje propočet bez zahrnutí provozních nákladů. Nejprve určíme rozdíl celkových investic a cen elektrické energie. Návratnost investice zjistíme jako podíl vypočtených rozdílových hodnot investice a rozdílových hodnot cen elektrické energie.
50
V porovnání LEdiody a sodíkové výbojky vychází doba návratnosti 30,72 let. Návratnost ve vztahu rtuťové výbojky k LEdiodě je přibližně dvojnásobně nižší a činí 15,79 let.
Tab. č. 10 – Návratnost investice: LEdioda vs. sodíková výbojka
název položky LEdioda sodíková výbojka rozdíl návratnost investice
investice celkem 382 864 308 764 −74 100
cena el. energie za rok [Kč] 5 171 7 583 2 412 30,72 let
zdroj: vlastní výpočty
Tab. č. 11 – Návratnost investice: LEdioda vs. rtuťová výbojka
název položky LEdioda rtuťová výbojka rozdíl návratnost investice
investice celkem cena el. energie za rok [Kč] 382 864 5 171 319 374 9 192 −63 490 4 021 15,79 let
zdroj: vlastní výpočty
Doba návratnosti investice se zahrnutím provozních nákladů V druhém případě je návratnost určována jako doba, za kterou jsou počáteční zvýšené investiční náklady pokryty úsporou energie i provozních nákladů. Nejprve je určen rozdíl celkových investic a nákladů na provoz osvětlení. Návratnost investice zjistíme jako podíl vypočtených rozdílových hodnot investice a rozdílových hodnot cen provozních nákladů.
Tab. č. 12 – Návratnost investice: LEdioda vs. sodíková výbojka (se zahrnutím provozních nákladů)
název položky LEdioda sodíková výbojka rozdíl návratnost investice
investice celkem 382 864 308 764 −74 100
provozní náklady 10 691 17 560 6 869 10,79 let
zdroj: vlastní výpočty
51
Tab. č. 13 – Návratnost investice: LEdioda vs. rtuťová výbojka (se zahrnutím provozních nákladů)
název položky LEdioda rtuťová výbojka rozdíl návratnost investice
investice celkem 382 864 319 374 −63 490
provozní náklady 10 691 22 548 11 857 5,35 let
zdroj: vlastní výpočty
V těchto výpočtech je patrné, jak bezúdržbovost LED svítidel snižuje provozní náklady. Pokud uvažujeme konstantní provozní náklady LEdiody ve výši 10 691 Kč ročně a provozní náklady sodíkové výbojky 17 560 Kč ročně, dojde k návratu investice LEdiody po 10,79 letech. Při porovnání rtuťové výbojky s LEdiodou vychází doba návratnosti dvojnásobně nižší a její hodnota činí 5,35 let. Z obou výpočtů doby návratnosti investice je patrné, že výhodnější bude nahrazení rtuťové výbojky LEdiodou, kde je investice vrácena za kratší časové období, než v případě sodíkových výbojek.
Graf č. 2 – Doba návratnosti investice se zahrnutím provozních nákladů
zdroj: vlastní výpočty
5.4.5. Dopad na životní prostředí z hlediska vypouštění emisí Při zjišťování dopadu VO na životní prostředí, sledujeme počet vypuštěných emisí do ovzduší při výrobě elektrické energie, která je důležitou součástí pro provoz VO. Dalším faktorem je
52
způsob získání elektrické energie z jednotlivých typů elektráren. Na území České republiky mají (za rok 2010) největší podíl uhelné elektrárny (51,06%). Další dominantní podíl je tvořen jadernými elektrárnami (46,01%). Elektrická energie se získává také z obnovitelných zdrojů, které tvoří 2,93% celkové vyrobené elektřiny. Z hlediska vypouštění škodlivých látek do ovzduší jsou největším producentem uhelné elektrárny, přičemž podíl takto vytvořené elektrické energie použitý na veřejném osvětlení není znám. Pro výpočet dopadu jednotlivých světelných zdrojů na životní prostředí je nutno znát celkovou spotřebu elektrické energie za jeden rok, a následně z této hodnoty vypočítat, kolik CO2 se při výrobě této energie vyprodukuje. K získání 1 kWh elektrické energie se průměrně vyprodukuje 420 g CO2. Spotřeba elektrické energie u světelných zdrojů využívajících výboje v parách rtuti je za jeden rok 6 128 kWh. Podílem celkové spotřeby elektrické energie a celkové doby svícení získáme hodnotu spotřeby za jednu hodinu provozu, což je 1,6 kWh, během které se vyprodukuje 672 g CO2. Celkové znečištění za jeden rok je tedy 2,57 t CO2. Osvětlení pomocí rtuťových výbojek je nejméně šetrnou variantou k životnímu prostředí, protože spotřebuje nejvíce elektrické energie a vyprodukuje tak vysoké množství škodlivých látek. Spotřeba elektrické energie sodíkové výbojky činí za 1 rok 5 056 kWh, což je 1,32 kWh za jednu hodinu provozu, během které se vyprodukuje 554,44 g CO2. Celkové znečištění za jeden rok činí 2,12 t CO2. Osvětlení pomocí sodíkových výbojek je šetrnější, než použití rtuťových výbojek, a to o 0,45 t CO2 vypuštěných do ovzduší během jednoho roku. U LEdiod je spotřeba elektrické energie za jeden rok 3447 kWh, což je 0,9 kWh za jednu hodinu provozu, během které se vyprodukuje 378 g CO2. Celkové znečištění za jeden rok činí 1,45 t CO2. Osvětlení pomocí LED technologie je nejšetrnější k životnímu prostředí, protože při jeho použití dochází k nejnižší spotřebě energie. Celkově za jeden rok vypustí o 1,13 t CO2 méně než světelné zdroje využívajících výboje v parách rtuti, a o 0,68 t CO2 méně než sodíková výbojka. Z grafu č.3 lze vyčíst rozdíly mezi jednotlivými světelnými zdroji v závislosti na vyprodukovaném CO2 v jednotlivých měsících. Produkce CO2 je proměnná díky různým hodnotám svícení v jednotlivých měsících, které jsou ovlivněné časovým posunem východu a západu slunce.
53
Graf č. 3 – Produkce CO2 v jednotlivých měsících roku 2011
zdroj: vlastní výpočty
V následujícím grafu jsou vybrány extrémní hodnoty za daný rok, v nichž se prosvítí nejvíce a nejméně hodin. V této závislosti lze vidět celkovou produkci CO2 v dané extrémy, kterými jsou měsíce červen a prosinec.
Graf č. 4 – Extrémní hodnoty měsíců červen a prosinec
zdroj: vlastní výpočty
5.4.6. Modelová soustava − porovnání v oblasti finančně–ekonomické a environmentální Z porovnaných soustav osvětlení plynou následující závěry. Prvním posouzením je cena investice jednotlivých soustav, kde nejlevnější variantou je sodíková výbojka s cenou
54
293 900 Kč. Druhou nejlevnější investici tvoří rtuťová výbojka s 304 510 Kč a poslední LEdioda s cenou 368 000 Kč. Dalším bodem, jenž rozhoduje o výhodnosti investic, jsou provozní náklady za jeden rok, kde se projevuje bezúdržbovost LEdiod částkou 10 691 Kč. Vyšší provozní náklady má sodíková výbojka s částkou 17 560 Kč a nejvyšší variantou je rtuťová výbojka za 22 548 Kč. Spotřeba energie za rok má vliv na celkové náklady i životní prostředí. V tomto parametru nejlépe obstojí LEdioda se spotřebou 3 447 kWh za 5 171 Kč. Téměř o polovinu vyšší spotřebu má sodíková výbojka, celkem 5 056 kWh za 7 593 Kč. Nejméně šetrnou variantou je rtuťová výbojka s 6 128 kWh za 9 192 Kč. Nejvýhodnější hodnoty světelného toku dosahuje LEdioda s hodnotou 18 000 lm, poté sodíková výbojka s 14 500 lm a jako poslední rtuťová výbojka s 2 953 lm. Doba životnosti jednotlivých soustav je taktéž rozhodující při zohlednění investice. Nejdelší životnost má LEdioda (30 000 hod), dále sodíková výbojka, s životností 24 000 hodin. Nejkratší dobu vydrží svítit rtuťová výbojka s 13 000 hodinami.
Tab. č. 14 – Srovnání vypočtených soustav osvětlení
název položky cena investice [Kč] provozní náklady [Kč/rok] spotřeba energie [kWh/rok] cena energie za rok [Kč/rok] světelný tok [lm] doba životnosti [hod]
LEdioda 368 000 10 691 3 447 5 171 18 000 30 000
rtuťová výbojka 304 510 22 548 6 128 9 192 2 953 13 000
sodíková výbojka 293 900 17 560 5 056 7 593 14 500 24 000
zdroj: vlastní výpočty
5.4.7. Modelová soustava − porovnání v oblasti sociální V sociální oblasti je sledována především teplota chromatičnosti a změna barvy světelného zdroje. Pocitová teplota neboli teplota chromatičnosti, udává umístění ve spektru barev. Pokud se hodnota bližší číslu 6 500, více se podobá dennímu světlu. Nejlépe tyto podmínky splňuje LEdioda s hodnotou 2 700–3 300 K a 6 000–7 000 K. Rtuťová výbojka má hodnotu 3 600 K a sodíková výbojka 2 000 K, což odpovídá zabarvení světla do žluta. Hlavním sociálním přínosem LEdiod je zvýšení pocitu bezpečnosti a snížení kriminality. Na pozemních komunikacích je zvýšena bezpečnost chodců i řidičů, kteří mohou lépe předvídat a reagovat na
55
situace během provozu na pozemních komunikacích. V LEdiodovém světle lépe vystupují kontrasty a viditelnost je oproti ostatním světelným zdrojům vysoká. Obyvatelé tak mají větší pocit bezpečí zejména proto, že za zvýšené viditelnosti klesá kriminalita. Světelné zdroje využívající LED technologii mohou jako jediné měnit barvu osvětlení (přepínání systémů, mísení). Díky této dispozici a možnosti konstrukce malých svítidel, jsou LEdiody využívány k zútulnění ulic i domácností.
5.5. Realizovaný projekt s LEdiodami ve veřejném osvětlení Svítidla s LED světelnými zdroji nacházíme v České republice zatím jen sporadicky. Hlavním důvodem jejich nepoužití je vysoká cena a nedůvěra v novou technologii. První projekty, které osvětlují ulice a místní komunikace, najdeme v současnosti jen v malém počtu měst. Mezi nejvýznamnější instalace patří projekty v Praze, Písku, Havířově a Pardubicích.
5.5.1. Projekt s LED svítidly v Písku Projekt v Písku patří mezi první instalace LED svítidel ve veřejném osvětlení v České republice. V tomto případě se jednalo o rekonstrukci stávajícího osvětlení silniční komunikace na ulici Zborovská. Na projektu spolupracovaly Městské služby Písek s.r.o. a společnost Etna s.r.o., přičemž jejich hlavním cílem bylo ověření technických parametrů LED svítidel v praxi. Projekt byl rozdělen do dvou fází. V první fázi, která se uskutečnila v roce 2009, došlo k instalaci deseti svítidel. Druhá fáze proběhla v roce 2010 a došlo k osazení 14 svítidel. Celková rekonstrukce spočívala v nahrazení stávajících stožárů, svítidel a kabelového vedení. Výšková úroveň svítidel (10 m) i rozteč světelných zdrojů (29 m) zůstala zachována. Celková délka nově osvíceného úseku činí 690 m. Původní instalovanou soustavu tvořily 150 W sodíkové výbojky, které byly v provozu minulých 15 let. V rámci rekonstrukce se počítalo s nahrazením nových 150 W sodíkových výbojek. Tuto variantu nakonec překonal návrh na osazení 24 stožárů LED svítidly typu Archilede 84x 1 W.
56
Obr. č. 15,16 – Porovnání původního a nového osvětlení
Obr. č. 17 − Svítidlo Archilede 84x 1 W
zdroj: www.etna.cz zdroj: www.etna.cz
U prvního navrhovaného svítidla HST 150 W dosahovala hodnota světelného toku 1 500 lm, teplota chromatičnosti 2 000 K, účinnost svítidla 75% a příkon svítidla 170 W. Tyto hodnoty jsou shodné se soustavou, instalovanou před 15 lety, až na příkon, který u staré soustavy činil 189 W. Druhé svítidlo Archilede 84x 1 má světelný tok 9408 lm, teplotu chromatičnosti 5500 K, účinnost svítidla 68% a příkon 11 W. Je tedy patrné, že LED svítidlo dokáže i při nižším výkonu vyrobit dostatek světla, potřebného pro osvětlení komunikace na Radlické ulici. Následující tabulka znázorňuje finanční porovnání dvou navrhovaných zdrojů osvětlení.
Tab. č. 15 – Porovnání nákladů nově navrhovaných svítidel
investiční náklady [Kč] náklady na el. energii [Kč] náklady na údržbu [Kč]
HST 150 W 1 508 747 36 588 5 874
LED 84x 1 W 1 623 571 23 282 960
zdroj: ŽÁK (2010, s. 18)
Návratnost investičního projektu je v porovnání LED a nové HST 6,3 let. V případě srovnání LED s původní sodíkovou výbojkou, činí návratnost investice 12,3 roku. Projekt v Písku je jedním z úspěšných a plně fungujících instalací LED svítidel ve VO v České republice. Může být označován jako jeden z průlomových projektů, zahajující rozšiřování této technologie do veřejného osvětlení.
57
6. DISKUSE Cílem této práce byla analýza společensko−ekonomické efektivnosti a ekoefektivnosti využití LED technologie ve veřejném osvětlení v České republice. Z údajů odborné literatury a dostupných zdrojů byly zjištěny základní informace o světle a světelných zdrojích, které byly východiskem pro realizaci vlastní práce. Z výčtu jednotlivých technologií umělých světelných zdrojů byly vybrány ty, které splňují požadavky pro veřejné osvětlení. Mezi ně patří klasická a halogenová žárovka, kompaktní zářivka, rtuťová a sodíková výbojka a LEdioda. Jmenované světelné zdroje byly v minulosti instalovány do veřejného osvětlení. Některé z nich se osvědčily, jiné byly shledány jako nevyhovující. Například klasické a halogenové žárovky, které dosáhly uspokojivých výsledků, se ve VO pro svoji krátkou životnost a nízkou odolnost nedají použít. Pro venkovní typ osvětlování jsou sledovány vlivy parametrů, kterými je světelný tok, teplota chromatičnosti, životnost, cena, účinnost a odolnost vůči otřesům a změnám teploty.
Ekonomicko−finanční oblast Z výsledků multikriteriální komparativní analýzy parametrů světelných zdrojů byly vybrány tři technologie, které byly následně zpracovány a porovnány v modelové soustavě veřejného osvětlení. Odborná literatura i praktické zavádění technologií potvrdily výsledky komparativní analýzy. Pro modelovou soustavu byly vybrány LEdiody, sodíkové a rtuťové výbojky, jejichž instalace se ve VO objevují nejčastěji. Tato soustava se skládala z deseti svítidel, instalovaných ve výšce 10 m, s roztečí světelných bodů 45 metrů. Podobné rozestupy stožárů se využívají pro místní komunikace, cyklostezky a pěší zóny, kde pro jejich nižší frekventovanost není potřeba hustého osvětlení. Prvním porovnávaným faktorem modelové soustavy osvětlení byla cena investice. Výsledky se shodují s cenami na Českém trhu, kde je za nejdražší světelný zdroj stále považováno svítidlo využívající LED technologii. Dále byla vyhodnocena spotřeba elektrické energie za jeden rok. I zde je nejvýhodnější použití LEdiod, jejichž spotřeba klesá oproti rtuťové (6 128 kWh) a sodíkové výbojce (5 056 kWh) na hodnotu 3 447 kWh. S nízkou spotřebou klesají i roční náklady na elektrickou energii, které se v porovnání LEdiody a rtuťové výbojky snižují až o 4 000 Kč. Dalším bodem, jenž rozhoduje o výhodnosti investic, jsou provozní náklady za jeden rok, kde se projevuje bezúdržbovost LEdiod částkou 10 691 Kč. Vyšší provozní náklady má sodíková výbojka s částkou 17 560 Kč a nejdražší variantou je rtuťová výbojka za 22 548 Kč. Doba životnosti jednotlivých soustav je taktéž rozhodující při zohlednění
58
investice. Nejdelší životnost má LEdioda s 30 000 hodinami, dále sodíková výbojka, s životností 24 000 hodin. Nejkratší dobu vydrží svítit rtuťová výbojka s 13 000 hodinami.
Tab. č. 16 – Souhrnná tabulka dosažených výsledků
název položky cena investice [Kč] spotřeba energie [kWh/rok] cena energie za rok [Kč/rok] provozní náklady [Kč/rok] doba životnosti [hod]
LEdioda 368 000 3 447 5 171 10 691 30 000
rtuťová výbojka 304 510 6 128 9 192 22 548 13 000
sodíková výbojka 293 900 5 056 7 593 17 560 24 000
zdroj: vlastní výpočty
Doba návratnosti investice je počítána ve dvou variantách. Do první varianty jsou započítány pouze náklady na investici, zatímco varianta druhá počítá se zahrnutím provozních nákladů. Výpočty doby návratnosti, které jsou shrnuty v tabulce č. 17, poukazují na výrazné snížení doby návratnosti při započítání provozních nákladů. Výsledky ekonomicko−finanční oblasti podporují pravdivost názorů odborníků na LED technologii. V oblasti funkčních parametrů je LED svítidlo považováno za nejvýhodnější ze všech dostupných technologií. Negativním prvkem je pouze vysoká počáteční cena investice.
Tab. č. 17 − Doba návratnosti investice
LEdioda vs. sodíková výbojka LEdioda vs. rtuťová výbojka
Doba návratnosti investice bez zahrnutí provozních se zahrnutím provozních nákladů nákladů 30,72 10,79 15,79 5,35
zdroj: vlastní výpočty
Environmentální oblast Dopad na životní prostředí je úzce spjat se spotřebou elektrické energie. Na jednu kWh připadne 420 g CO2 vypuštěného do ovzduší. Výpočty velikosti znečištění za jednu hodinu provozu veřejného osvětlení se shodují s názory odborníků. Nejvíce znečišťujícím světleným zdrojem je rtuťová výbojka (672 g), dále sodíková výbojka (554 g). Podle odborníků je z pohledu
59
vypouštění emisí CO2 k životnímu prostředí nejšetrnější LEdiodové svícení. Výpočty dokazují snížení emisí CO2 na jednu hodinu provozu téměř o 300 g oproti výsledku rtuťové výbojky. Tab. č. 18 − Porovnání světelných zdrojů v rámci vypouštění emisí
název položky
spotřeba el. energie
LEdioda sodíková výbojka rtuťová výbojka
3 447 5 056 6 128
spotřeba el. energie za 1 hod provozu [kWh] 0,90 1,32 1,60
emise za 1 hod provozu [g] 378,00 554,44 672,00
zdroj: vlastní výpočty
Na produkci znečišťujících látek má přímo vliv rozložení elektráren v České republice. Na našem území jsou největším producentem CO2 uhelné elektrárny, jejichž podíl oproti celku tvoří 51,06%. Druhý dominantní podíl tvoří jaderné elektrárny, celkem 46,01%. Nejmenším dodavatelem elektrické energie jsou elektrárny (2,93%) využívající obnovitelných zdrojů, i přesto, že jejich provoz je nejšetrnější k životnímu prostředí.
Tab. č. 19 − Zastoupení elektráren v České republice
název položky uhelné elektrárny jaderné elektrárny elektrárny s obnovitelnými zdroji
zastoupení v ČR [%] 51,06 46,01 2,93
zdroj: www.cez.cz
Pro snížení spotřeby elektrické energie a tím i produkce CO2 na území České republiky, je potřebné zavedení celoplošného svícení ve veřejném osvětlení s využitím LEdiod. Tyto soustavy dokáží snížit spotřebu elektrické energie více jak o jednu polovinu. Pro enormní snížení produkce CO2 je nutné čerpání energie z obnovitelných zdrojů. Z hlediska dopadu na životní prostředí je dále sledován obsah nebezpečných látek ve světelném zdroji. Zdroje s krátkou délkou životnosti je potřeba častěji vyměňovat, čímž se zvyšuje produkce odpadu. Nejvíce nebezpečné jsou kompaktní zářivky a rtuťové výbojky, které v sobě obsahují rtuť. I proto je ve snaze odborníků nahrazovat tyto světelné zdroje technologií, která by byla šetrnější k životnímu prostředí. Pro tyto účely je výhodné použití LEdiody, popřípadě sodíkové výbojky.
60
Sociální oblast V současné době probíhá výzkum, který má za úkol analyzovat pozitivní faktory pro společnost, mezi něž patří především vnímání teploty chromatičnosti (pocitové teploty), pocit bezpečí a zvýšená viditelnost. Pozitivně působí na obyvatelstvo takové světelné zdroje, jejichž teplota chromatičnosti dosahuje hodnoty 6 500 K, která odpovídá dennímu světlu. V modelové soustavě tyto předpoklady nejvíce splňuje LEdioda, která dokáže svítit i ve dvou spektrech světla. Světelný zdroj, který svítí nejvíce žlutým světlem je sodíková výbojka s teplotou chromatičnosti 2 000 K. Jednotlivé hodnoty jsou znázorněny na obr. č. 18. Teplota chromatičnosti ovlivňuje celkovou viditelnost. Na ulicích, kde je díky osvětlení zvýšena viditelnost, stoupá pocit bezpečí. Výsledky analýzy parametrů světelných zdrojů potvrzují zjištění výzkumu, který jako nejvýhodnější světelný zdroj doporučuje LEdiody.
Obr. č. 18 – Teplota chromatičnosti zdrojů v modelové soustavě osvětlení
zdroj: vlastní úprava na základě obrázku z www.hvezdarna.plzen.eu
61
7. ZÁVĚR V této bakalářské práci byly popsány mnohé světelné zdroje, které se pro veřejné osvětlení dají využít. Vlastní práce nám pomohla poodhalit, které z uvedených zdrojů jsou pro současné použití ve VO nejvýhodnější. Z výsledků komparativní analýzy vyplývá, že LED technologie je ekonomicky výhodná, zejména pro její nízké provozní náklady a úsporu elektrické energie. Dále bylo dokázáno, že LED technologie je v současnosti považována za nejefektivnější světelný zdroj na českém i světovém trhu. Vznik LEdiod iniciovala potřeba zefektivnit záření světelných zdrojů a snížit režijní náklady na provoz interiérových i exteriérových osvětlení. Samotná úspora provozních nákladů, činí oproti ostatním srovnávaným zdrojům osvětlení přibližně 50%. Na této úspoře se podílí zejména úspora elektrické energie, ale také delší životnost a bezúdržbovost LED technologií, které převažují negativní dopad zvýšených investičních nákladů. Pořizovací cena je i hlavní příčinou, proč jsou do svítidel instalovány stejné zdroje, jako byly použity dříve. Výše ceny by měla postupem času klesat. V momentu, kdy již nebude LED technologie novinkou, se ustálí na částce, která bude jen o nepatrnou hodnotu vyšší, než u ostatních světelných zdrojů. Na základě výpočtů byly stanoveny dopady na životní prostředí u jednotlivých technologií. Zde byla LEdioda shledána jako zdroj, který má nejnižší negativní dopad na znečištění ovzduší, a díky dlouhé životnosti i na produkci odpadů. Kvalitní osvětlení má vliv také na bezpečnost provozu na pozemních komunikacích, a to jak z pohledu řidičů automobilů, tak chodců vyskytujících se v blízkosti komunikace. Díky LED technologii mohou řidiči lépe předvídat situaci na silnicích než při běžném umělém osvětlení. LED svítidla jsou lidmi oblíbena také pro jejich teplotu chromatičnosti. V osvětlovacím kuželu lépe vystupují kontrasty a charakteristické bíle světlo zvyšuje viditelnost. Obyvatelé tak mají větší pocit bezpečí, a při zvýšeném osvětlení také klesá kriminalita. Samotná technika také umožňuje větší kreativitu při navrhování vzhledu svítidel, čímž se zvyšuje útulnost ulic i domácností. Na základě komparativní analýzy a vyhodnocení modelové soustavy osvětlení, vyplývají pro rozhodování o soustavách VO následující doporučení. V první řadě je nutné osazovat do VO zdroje s vysokou účinností, životností a odolností vůči otřesům a nárazům, a nahrazovat stávající soustavy LED svítidly. Dalším doporučením je využití zdrojů s nízkými náklady na provoz a eliminace svítidel s vysokým obsahem toxických látek. Instalace moderní LED technologie ve městech má za úkol ověřit techniku v praxi a dostat ji tak do povědomí širší veřejnosti. Pro tyto pilotní projekty jsou určovány neveřejné referenční
62
ceny, díky nimž je v současnosti celkem náročné posoudit, na kolik je daná soustava oproti stávajícímu zdroji osvětlení výhodná. Pro své parametry má LEdioda možnost vysokého uplatnění na českém i světovém trhu a stát se tak zdrojem osvětlení budoucnosti.
63
8. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY Publikace: ČSN EN 13 201 – 1 Osvětlení pozemních komunikací, část 1: Výběr třídy osvětlení ČSN EN 13 201 – 2 Osvětlení pozemních komunikací, část 2: Výkonnostní požadavky ČSN EN 13 201 – 3 Osvětlení pozemních komunikací, část 3: Výpočet výkonnostních parametrů ČSN EN 13 201 – 4 Osvětlení pozemních komunikací, část 4: Metody měření výkonnostních parametrů DVOŘÁČEK, V.: Světelné zdroje – vysokotlaké rtuťové výbojky, směsové výbojky. časopis Světlo, Praha: FCC Public s.r.o., ročník 2008, číslo 6, s. 57. ISSN 1212–0812 DVOŘÁČEK, V.: Světelné zdroje – vysokotlaké sodíkové výbojky. časopis Světlo, Praha: FCC Public s.r.o., ročník 2009, číslo 3, s. 40–42. ISSN 1212–0812 DVOŘÁČEK, V.: Světelné zdroje – světelné diody. časopis Světlo, Praha: FCC Public s.r.o., ročník 2009, číslo 5, s. 68–71. ISSN 1212–0812 HABEL, J. a kol.: Světelná technika a osvětlování. Praha: FCC Public, spol., s.r.o., 1995, 448 stran. ISBN 800–901985-0–3 HEJDUK, V.: LED – nová generace v osvětlování. zpravodaj SRVO, ročník 2005, číslo 7, s. 28–29 LNĚNIČKOVÁ, J.: Cesta žárovky historií. časopis Světlo. Praha: FCC Public s.r.o., ročník 2006. číslo 5, s. 56–59 ISSN 1212–0812 MEIDENBAUER, J., ASENBAUM,K.: Historie lidského poznání - Velké okamžiky vědy. 3.vyd. REBO Productions, 2009. 400 s. ISBN 978–80-255–0206-8 MELČ, A.: Světelné zdroje pro interiéry aneb jak nahradit klasickou žárovku. časopis Světlo, Praha: FCC Public s.r.o., ročník 2009, číslo 1, s. 34. ISSN 1212–0812 MIHÁLKA,M.: Optoelektronika. 1. vyd. Bratislava: vydavatelství ALFA, 1981. 464 s. ISBN 63–114-81 MONZAR, L.: Osvětlení a svítidla v bytech. 1. vydání. Praha: Grada Publishing, 1998. 136 stran. ISBN 80–7169-620-X
64
PLCH, J., MOHELNÍKOVÁ, J., SUCHÁNEK, P.: Osvětlení neosvětlitelných prostor. 1. vyd. vydavatelství ERA, 2004, 129 stran. ISBN 80–86517-82–9 SKOKANSKÝ, K. a kol.: Potenciál energetických úspor veřejného osvětlení v ČR. Příručka. Ostrava: Publikace ČEA, 2007, 241 stran SKOKANSKÝ, K. a kol.: Racionalizace v osvětlování venkovních prostor. Příručka. Ostrava: VŠB TU – FEI, 2005, 195 stran SKOKANSKÝ, K. a kol.: Úspory elektrické energie na veřejném osvětlení. Příručka. Ostrava: VŠB TU – FEI, 2007, 195 stran VESPALCOVÁ, R.: Hlavní důvody proč končí prodej žárovek. [online]. 2009. [cit. 10. 4. 2011]. Dostupné z WWW. http://www.usporim.cz/hlavni-duvody-proc-konci-prodej-zarovek-188.html WEIGLOVÁ, J., BEDLOHOVIČOVÁ, D., KAŇKA, J.: Stavební fyzika 1: Denní osvětlení a oslunění budov. ČVUT, 2006, 130 stran. ISBN 80–01-03392–9 ŽÁK, P.: První projekt s LED svítidly Archilede v České republice. časopis Světlo, Praha: FCC Public s.r.o., ročník 2010, číslo 1, s. 16–18. ISSN 1212–0812 ŽÁKOVEC, J.: Návrat plynových lamp. časopis Vesmír. ročník 2006. číslo 3, s. 182 ISSN 1214–4029
Internetové zdroje: ACCESSEXCELLENCE.: Radioactivity: Historical Figures. [online]. [cit. 15. 5. 2011]. dostupné z WWW: http://www.accessexcellence.org/AE/AEC/CC/historical_background.php ENERGETICKÁ SPOLEČNOST ČEZ.: Podíl zdrojů elektřiny použitých pro výrobu elektřiny v roce 2010. [online]. c2010 [cit. 20. 4. 2011]. dostupné z WWW: http://www.cez.cz/cs/odpovedna-firma/zivotni-prostredi/informace-dle-energetickeho-zakonac458-2000-sb/2010/podil-zdroju-elektriny.html ETNA.: Pilotní projekt v Písku – základní informace. [online]. c2010 [cit. 3. 2. 2011]. dostupné z WWW: http://www.etna.cz/articles/cz/50/580/Pilotni-projekt-v-Pisku-zakladni-informace.html GLOBAL SOURCES.: LED Streetlight Manufacturer. [online]. c2010 [cit. 15. 4. 2011]. dostupné z WWW: http://www.globalsources.com/gsol/I/LED-street/p/sm/1038973140.htm
65
JÁCHYM, J.: Co je LED? [online]. 2007. [cit. 13. 4. 2011]. Dostupné z WWW. http://clanky.katalogmonitoru.cz/slovnik-pojmu-monitory/co-je-led/ HVĚZDÁRNA PLZEŇ.: Charakteristika měřených veličin. [online]. [cit. 5. 4. 2011]. dostupné z WWW: http:// www.hvezdarna.plzen.eu/zatmeni/semm/czech/5_tc.html NETCAM.: Denní a noční vidění síťových kamer. [online]. [cit. 9. 3. 2011]. dostupné z WWW: http://www.netcam.cz/encyklopedie-ip-zabezpeceni/denni-a-nocni-videni.php OFF ROADS LIGHTS.: What is LED Bar Lighting? [online]. c2011 [cit. 5. 5. 2011]. dostupné z WWW: http://offroadlights.com.au/about-led-bar-lights/ PLANETÁRIUM PRAHA.: Vesmírný kalendář 2011. [online]. [cit. 3. 2. 2011]. dostupné z WWW: http://www.planetarium.cz/kalendar/index.htm SITECO.: Svítidlo SR 100. [online]. [cit. 3. 4. 2011]. dostupné z WWW: http://www.siteco.cz/cz/produkty/venkovni-svitidlaeng/chapter/1550/category/6775/family/6803/variant/12350.html SP SVÍTIDLA PRÁGR.: Veřejné osvětlení. [online]. [cit. 2. 4. 2011]. dostupné z WWW: http://www.svitidla-eglo.cz SRVO.: Společnost pro rozvoj veřejného osvětlení. [online]. c2009 [cit. 14. 4. 2011]. dostupné z WWW: http://www.srvo.cz VM ELEKTRO.: Výbojková svítidla pro venkovní osvětlení. [online]. c2008 [cit. 5. 4. 2011]. dostupné z WWW: http://www.vmelektro.cz/cz/produkt/177_typ-vl.aspx
66
9. SEZNAM TABULEK Tabulka č. 1 – Bodové porovnání parametrů světelných zdrojů Tabulka č. 2 – Výpočet doby svícení pro měsíce roku 2011 Tabulka č. 3 – Náklady na demontáž a likvidaci stávajícího VO Tabulka č. 4 – Náklady na montáž rtuťové výbojky Tabulka č. 5 – Náklady na provoz světelného zdroje Tabulka č. 6 – Náklady na montáž sodíkové výbojky Tabulka č. 7 – Náklady na provoz světelného zdroje Tabulka č. 8 – Náklady na montáž svítidla s LEdiodami Tabulka č. 9 – Náklady na provoz světelného zdroje Tabulka č. 10 – Návratnost investice: LEdioda vs. sodíková výbojka Tabulka č. 11 – Návratnost investice: LEdioda vs. rtuťová výbojka Tabulka č. 12 – Návratnost investice: LEdioda vs. sodíková výbojka (se zahrnutím provozních nákladů) Tabulka č. 13 – Návratnost investice: LEdioda vs. rtuťová výbojka (se zahrnutím provozních nákladů) Tabulka č. 14 – Srovnání vypočtených soustav osvětlení Tabulka č. 15 – Porovnání nákladů nově navrhovaných svítidel Tabulka č. 16 – Souhrnná tabulka dosažených výsledků Tabulka č. 17 − Doba návratnosti investice Tabulka č. 18 − Porovnání světelných zdrojů v rámci vypouštění emisí Tabulka č. 19 − Zastoupení elektráren v České republice
10. SEZNAM GRAFŮ Graf č. 1 – Doba svícení VO v jednotlivých měsících roku 2011 Graf č. 2 – Doba návratnosti investice se zahrnutím provozních nákladů Graf č. 3 – Produkce CO2 v jednotlivých měsících roku 2011 Graf č. 4 – Extrémní hodnoty měsíců červen a prosinec
67
11. SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. č. 1 – Světelné spektrum Obr. č. 2 – Základní rozdělení elektrických světelných zdrojů Obr. č. 3 – Konstrukce klasické žárovky Obr. č. 4 – Konstrukce halogenové žárovky Obr. č. 5 – Konstrukce lineární zářivky Obr. č. 6 – Konstrukce vysokotlaké rtuťové výbojky Obr. č. 7 – Konstrukce vysokotlaké sodíkové výbojky Obr. č. 8 – Konstrukce LEdiody Obr. č. 9 – Znázornění spektra s teplotou chromatičnosti Obr. č. 10 – Rtuťová výbojka ML 160 W Obr. č. 11 − Svítidlo safír 2 150 W SHC Obr. č. 12 – Sodíková výbojka HST 150 W Obr. č. 13 − Svítidlo SR100/150 W Obr. č. 14 – Svítidlo JL-SL1-CW/150 W-4B-1-1-1 Obr. č. 15 – Porovnání původního a nového osvětlení Obr. č. 16 – Porovnání původního a nového osvětlení Obr. č. 17 − Svítidlo Archilede 84x Obr. č. 18 – Teplota chromatičnosti zdrojů v modelové soustavě osvětlení
12. SEZNAM PŘÍLOH Příloha č. 1 – Výpočet délky svícení pro jednotlivé měsíce v roce 2011 Příloha č. 2 – Graf průběhu měrných výkonů světelných zdrojů včetně světelných diod s výhledem do roku 2020 Příloha č. 3 – Fotografie LEdiod
68
