VŠB - TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra obecné elektrotechniky
SVĚTLO A OSVĚTLOVÁNÍ
1. Úvod 2. Elektrické světelné zdroje 3. Elektrická svítidla 4. Umělé osvětlení vnitřních prostorů 5. Kritéria pro navrhování osvětlení 6. Požadavky pro osvětlení 7. Výpočet umělého osvětlení
Ostrava, září 2005
Ing. Ctirad Koudelka
1. ÚVOD Podle Maxwellovy elektromagnetické teorie má světlo charakter elektromagnetického vlnění. V elektromagnetickém spektru patří světlo do oblasti optického záření, které zahrnuje záření viditelné, které je na jedné straně ohraničeno zářením ultrafialovým (UV) a na druhé straně zářením infračerveným (IR). Světlo je tedy periodicky opakovaný stav kmitání a je charakterizováno buď světelnou délkou λ nebo kmitočtem ν, mezi kterými platí vztah c λ= , ν kde
λ je vlnová délka (m, nm – nanometr = 10-9 m) ν je kmitočet (Hz, s-1) c
je rychlost šíření světla (elektromagnetického záření) ve vakuu (m.s-1), která je přibližně 300 000 km.s-1 = 3 . 108 m.s-1
Jednotlivé složky optického záření jsou uvedeny v následující tabulce: Druh záření
Ultrafialové
Viditelné
Infračervené
Označení UV – C UV – B UV – A fialová modrá zelená žlutá oranžová červená IR – A IR – B IR – C
Vlnová délka λ (nm) 100 ÷ 280 280 ÷ 315 315 ÷ 380 380 ÷ 430 430 ÷ 490 490 ÷ 570 570 ÷ 600 600 ÷ 630 630 ÷ 780 780 ÷ 1 400 1 400 ÷ 3 . 103 3 . 103 ÷ 104
Kmitočet F (Hz) (30 ÷ 10,7).1014 (10,7 ÷ 9,5).1014 (9,5 ÷ 7,89).1014 (7,89 ÷ 6,98).1014 (6,98 ÷ 6,12).1014 (6,02 ÷ 5,26).1014 (5,26 ÷ 5,0).1014 (5,0 ÷ 4,76).1014 (4,76 ÷ 3,84).1014 (3,84 ÷ 2,14).1014 (2,14 ÷ 1,0).1014 (1,0 ÷ 0,3).1014
2. ELEKTRICKÉ SVĚTELNÉ ZDROJE Základ osvětlovací soustavy tvoří světelné zdroje, které přeměňují dodanou elektrickou energii na viditelné záření - světlo. Na světelné mikroklima a tím i na světelnou pohodu mají vliv vlastnosti světelného zdroje, který je charakterizován těmito parametry: - teplota chromatičnosti (teplota barvy) vyzařovaného světla Tc (K), která je základním ukazatelem světelného spektra - všeobecný index podání barev Ra, který udává srovnatelnost barevného podání při osvětlení zvoleným světelným zdrojem s barevným podáním při osvětlení denním světlem - stupeň jakosti podání barev, který je srovnatelný s indexem barevného podání - světelný tok vyjadřuje schopnost zářivého toku způsobit zrakový vjem. Jednotkou je lumen (lm)
2
- svítivost charakterizuje bodový zdroj a vystihuje rozložení světelného toku zdroje v prostoru. Jednotkou je kandela (cd) - měrný výkon (lm.W-1), který je dán vyzařovaným světelným tokem ze zdroje na 1 W příkonu - životnost (h), která udává průměrnou dobu svícení světelného zdroje Orientační údaje světelných zdrojů jsou uvedeny v následující tabulce. Světelný zdroj
Index Ra
Svíticí dioda Doutnavka Žárovka Žárovka halogenová Zářivka lineární Zářivka kompaktní Rtuťová výbojka Halogenidová výbojka Sodíková výbojka
100 100 40 - 95 80 - 95 40 - 70 65 - 85 23 - 80
Jakost podání barev 1 1 1-4 1-2 3-4 2-3 2-5
Měrný výkon (lm.W-1) 0,2 - 0,6 1,0 9,2 - 15,5 13,5 - 24,0 39 - 95 66 - 81 32 - 60 70 - 100 60 - 180
Teplota chromatičnosti (K) 2 800 3 000 2 900 – 6 500 2 700 – 4 000 3 000 – 4 000 3 000 – 5 200 2 500
Životnost (h) 100 000 80 000 1 000 2 000 5 000 – 12 000 5 000 8 000 – 2 000 5 000 – 6 000 5 000 - 12 000
Přehled zdrojů světla je uveden v následujícím schématu: ZDROJE SVĚTLA
PLYNY A PÁRY KOVŮ
PEVNÉ LÁTKY LUMINISCENCE
SAMOSTATNÝ ELEKTRICKÝ VÝVOJ
FOTOLUMINISCENCE
OBLOUKOVÝ
LUMINOFORY
VE ZŘEDĚNÉM PLYNU
RUBÍNOVÝ LASER
VYSOKOTLAKÝ
ELEKTROLUMINISCENCE
VÝBOJKY
SVÍTÍCÍ DIODY
S KRÁTKÝM OBLOUKEM
POLOVODIČOVÝ LASER RTUŤOVÉ, SODÍKOVÉ, HALOGENIDOVÉ INKADESCENCE NÍZKOTLAKÝ ELEKTRICKÁ ENERGIE ZÁŘIVKY ŽÁROVKY SODÍKOVÉ VÝBOJKY VAKUOVÉ ZA ATMOSFÉRICKÉHO TLAKU PLNĚNÉ PLYNEM OBLOUKOVKY: UHLÍKOVÉ, WOLFRAMOVÉ S HALOGENEM DOUTNAVKOVÝ BEZ HALOGENU NÍZKOTLAKÝ CHEMICKÁ ENERGIE SVÍTÍCÍ TRUBICE BLESKOVKY DOUTNAVKY
3
Ve světelném zdroji vzniká viditelné optické záření třemi způsoby: - Inkadescencí, kdy průchodem proudu dochází k zahřátí pevné látky - kovu - na teplotu, při které látka vysílá optické záření. Představitelem takového zdroje světla je žárovka. - Elektrickým výbojem, který pracuje na principu přeměny elektrické energie na energii kinetickou pohybujících se elektronů. Přitom dochází ke srážkám s molekulami plynné náplně par nebo kovů, např. sodíku nebo rtuti. Důsledkem těchto srážek je optické záření. Představiteli takového zdroje jsou sodíkové, rtuťové a halogenidové výbojky. - Luminiscencí, to je jev, při kterém hmota (luminofor) vysílá záření, jehož intenzita je větší než teplotní záření hmoty při stejné teplotě. Představiteli takového zdroje světla jsou lasery a svítící diody. Z uvedených principů jsou dnes hromadně využívaný první a druhý, což jsou zdroje teplotní a výbojkové 2.1 Světelné zdroje inkadescentní - Žárovky Klasické žárovky s wolframovým vláknem patří do skupiny světelných zdrojů s nejnižší hodnotou světelného výkonu a krátkou životností. Žárovkové osvětlení je po stránce kvality světla jedním z nejlepších druhů osvětlení. Jednoduchost a nízká cena ji stále řadí k nejrozšířenějším. Povrchová teplota je až 250 °C. Žárovky jsou vyráběny v celé řadě výkonů a napětí. Používají se v prostorách kde se svítí občas nebo krátce, např. sklady, sociální zařízení a tam, kde je rozhodující kvalita světelného mikroklimatu, např. prostory reprezentační a odpočinkové. - Halogenové žárovky Halogenová žárovka má v plynné náplni příměs halogenů nebo jejich sloučenin, které při určité teplotě a konstrukčním uspořádání umožňují vytvoření halogenového regeneračního cyklu. Nevýhodou je jejich vysoká cena a povrchová teplota okolo 600 °C. Předností je větší životnost, větší světelný výkon, vysoká světelná účinnost a malé rozměry. Používají se jako bodové zdroje světla v projektorech, v reflektorech automobilů, v reflektorech venkovního osvětlení a k osvětlení interiérů a výkladních skříní. - Halogenové žárovky nízkovoltové Používají se na napětí 12 a 24 V. Používají se na osvětlování interiérů a výkladních skříní. Jejich výhodou je úspora elektrické energie, malé rozměry a dlouhá životnost. Nevýhodou je nutnost instalace transformátoru a z důvodu úbytku napětí při větších vzdálenostech použití vodičů o větším průřezu. 2.2 Světelné zdroje výbojkové 2.2.1 Vysokotlaké - Vysokotlaké rtuťové výbojky Světlo u tohoto typu výbojek vzniká obloukovým výbojem v parách rtuti při tlaku řádu 105 MPa. Vyrábějí se většinou s luminoforem, který zvyšuje měrný výkon a zlepšuje barevné podání. Při provozu je nutno počítat s náběhovou dobou 3 - 5 minut a před opakovaným zapnutím 5 - 7 minut. Používají se tam, kde není nutnost kvalitního rozlišení barev tj. pro osvětlování vnitřních i vnějších průmyslových provozů, pro osvětlování sportovišť a komunikací.
4
- Vysokotlaké halogenidové výbojky Halogenidové výbojky jsou vysokotlaké rtuťové výbojky, jejichž světlo vzniká jednak zářením par rtuti, ale převážně zářením produktů štěpení halogenidů, tj. sloučením halogenových prvků s galiem, thaliem, sodíkem a pod. Získá se tím podstatně zvýšení měrného výkonu při dobrém podání barev. Podobně jako u rtuťových výbojek je nutno počítat s náběhovou dobou. Používají se tam, kde je třeba dosáhnout velkých intenzit osvětlení při současném dobrém podání barev. - Vysokotlaké sodíkové výbojky Sodíkové páry u této výbojky mají tlak přibližně 2.104 Pa. Postupným vývojem bylo docíleno toho, že spektrum těchto výbojek není jen čárové, ale obsahuje i souvislé spektrální pásmo barev. Pro svůj poměrně velký měrný výkon (180 lm.W-1) se nejčastěji používají pro venkovní osvětlení a pro osvětlení vysokých výrobních a sportovních hal, pro osvětlení budov a pomníků. Výbojky se také uplatňují ve šlechtitelských stanicích pro potřeby šlechtění a semenářství. Jejich výhodou, ve srovnání se rtuťovými výbojkami, je větší schopnost znovuzapálení světelného výboje. 2.2.2 Nízkotlaké - Zářivky Zářivky jsou nízkotlaké výbojky se žhavenými elektrodami. Část elektrické energie je výbojem mezi elektrodami převáděna na viditelné světlo (2 %), další viditelné světlo se získá přeměnou ultrafialového záření v luminoforu (20 %). Nevýhodou zářivek je pulsace světla jako následek periodického zhášení výboje při provozu ze střídavé sítě. Tato pulsace může způsobit tzv. stroboskopický jev. U zářivek je velký rozdíl v kvalitě barevného podání. Rozdílného barevného podání se dosahuje skladbou luminoforu a obsahem plynové náplně. Tento široký výběr zářivek nám umožňuje výběr do určitého druhu prostoru. Cenově nejnáročnější zářivky s vysokým indexem podání barev se používají do náročných prostorů na rozeznání barev a naopak. Nejrozšířenější jsou zářivky lineární, jejichž nevýhodou je jejich délka. Vyrábějí se v různých délkách a různých výkonech. Dalším typem zářivky jsou zářivky kompaktní. Těmito zářivkami lze přímo nahradit žárovku ve stávajících žárovkových svítidlech, použijeme-li kompaktní zářivku se závitem E27. - Sodíkové výbojky Tyto výbojky lze srovnat se zářivkami a vyznačují se velmi vysokým měrným výkonem. Sodíkové páry mají při svícení tlak asi 0,5 Pa. Protože vyzařují monochromatické světlo mají až nulový index podáni barev. Používají se především pro venkovní osvětlení komunikací, dálnic, seřaďovacích nádraží. 1.2.3 Doutnavkové - Svíticí trubice Ve svíticích trubicích vzniká pouze doutnavkový výboj mezi elektrodami. Vyrábějí se v různých délkách, rovné nebo ohýbané. Barva světla závisí na plynné náplni trubic (neon, argon, směsi). Vzhledem k velkým délkám trubic a tím k velkým vzdálenostem elektrod jsou tyto trubice napájeny vysokým napětím. Používají se především na reklamní a dekorační účely. - Doutnavky
5
Doutnavky jsou nízkotlaké výbojky plněné vzácnými plyny (neon, halon). Vzdálenost elektrod je asi 2 - 3 mm, měrný výkon asi 1 lm.W-1. Používají se pro signální účely, na osvětlování se nehodí. 2.3 Svíticí zdroje luminescentní - Svíticí diody Světlo vzniká luminescencí polovodičového přechodu PN při vybuzení elektrickým proudem. Světlo emitující dioda má poměrně malý příkon, např. 100 mW při stejnosměrném napětí 5 V. Používají se jako signální zdroje v počítačích, rozváděčích a pod. - Lasery Laser (kvantový generátor světla) je zdroj a zesilovač monochromatického a velmi intenzivního a prostorově omezeného svazku světelného paprsku. Záření lze čočkami a zrcadly soustředit do velmi malé plochy a tím získat účinný zdroj tepla, který lze použít pro tavení, svařování nebo řezání. Také se laserů využívá v lékařství, měřící technice a ve světelné technice ke světelným efektům.
3. ELEKTRICKÁ SVÍTIDLA Kvalitního a energeticky úsporného osvětlení dosáhneme nejen vhodnou volbou světelných zdrojů, ale také odpovídajících svítidel. Účelem svítidel je zajistit: - rozložení a usměrnění světelného toku podle požadavků osvětlovaného prostoru - omezení možnosti oslnění od elektrického zdroje - ochranu osob před úrazem elektrickým proudem při manipulaci se svítidlem - vyloučení možnosti vzniku požáru způsobeného od světelného zdroje - bezpečné upevnění světelného zdroje včetně jeho elektrického napojení - výtvarné doplnění osvětlovaného prostoru Svítidlo se skládá z několika funkčně rozdílných částí, které na sebe navazují a vzájemně se doplňují, aby byly splněny výše uvedené požadavky. Hlavní části svítidel jsou: • • •
světelný zdroj konstrukční část, která představuje vlastní těleso, objímky, svorkovnice, průchodky, příruby, závěsná oka, tlumivky, zapalovače, kondenzátory, transformátory, vypínače světelně činné části, které vytváří optický systém svítidla. Mezi tyto části patří reflektory, které soustřeďují a usměrňují světelný tok zdroje odrazem, čočky a refraktory, které soustřeďují a usměrňují světelný tok zdroje pomocí lomu světla, difuzory, které rozptylují světelný tok zdroje pomocí lomu světla a filtry, které mění spektrální složení světelného záření.
Rozdíly v konstrukci světelné činné části se projeví na křivce svítivosti. Křivky svítivosti jsou řezy plochy svítivosti, které procházejí světelným středem svítidla a v polárních souřadnicích zobrazují vyzařování svítivosti svítidla. Příklady křivek svítivosti jsou na následujících obrázcích:
6
Na základě poměru světelného toku usměrněného do dolního poloprostoru k celkovému světelnému toku vyzařovaného svítidlem rozdělujeme svítidla dle následující tabulky. Třída rozložení světelného toku
I II III IV V
Název třídy rozložení světelného toku
Svítidlo přímé Svítidlo převážně přímé Svítidlo smíšené Svítidlo převážně nepřímé Svítidlo nepřímé
Poměr světelného toku usměrněného do dolního poloprostoru k celkovému světelnému toku svítidla (%) 90 - 100 60 - 90 40 - 60 10 - 40 0 - 10
Rozdělení svítidel podle elektrotechnických vlastností odpovídá elektrotechnickým předpisům. Podle ochrany před úrazem elektrickým proudem tak lze rozlišit svítidla třídy 0, I, II a III. Svítidlo třídy 0 má pouze základní izolaci, to znamená, že nemá prostředky na připojení ochranného vodiče. Třída I znamená, že svítidlo má prostředek pro připojení vodivých částí na ochranný vodič. Svítidlo třídy II obsahuje jako ochranu před nebezpečným dotykem dvojitou nebo zesílenou izolaci. Třída III označuje svítidla na bezpečné napětí. Svítidla musí být konstruována tak, aby jejich živé části nebyly přístupné, je-li svítidlo instalováno a připojeno pro normální používání, ani když je svítidlo otevřené za účelem výměny světelných zdrojů nebo předřadníků. Ochrana před úrazem elektrickým proudem musí být zachována při všech způsobech montáže a polohách svítidla. Krytí svítidel je stanoveno IP-kódem. První číslice (od 0 do 6) vyjadřuje ochranu před nebezpečným dotykem živých nebo pohybujících se částí a před vniknutím cizích předmětů, druhá (od 0 do 8) ochranu před vniknutím vody. Nejmenší krytí svítidel na nízké napětí je IP 20. Pro venkovní prostředí je třeba krytí před deštěm, tedy alespoň IP 23. Krytí IP 54 je běžné krytí svítidel proti stříkající vodě. Konstrukčně obdobně jsou tvořena svítidla s krytím IP 65, 7
která však mají mnohem vyšší užitnou hodnotu. Vyšší ochrana proti vniknutí prachu a vody znamená prodloužení života optického systému svítidla a snížení nákladů na jeho údržbu (čištění). Nejčastěji používané způsoby k zajištění IP 65 nebo IP 66 jsou použitím: speciálního těsnění, které umožňuje dýchání optické komory bez jejího znečištění uhlíkového filtru, který zabraňuje nasávání znečištěného vzduchu okolí. Podle užití rozdělujeme svítidla na - vnitřní, mezi které patří svítidla bytová, pro společenské místnosti, kancelářská, průmyslová, pro pracovní stroje, důlní, divadelní, nemocniční, pro letadla, vozidla, plavidla a jiné. - venkovní, mezi které patří svítidla pro venkovní osvětlení v průmyslu, osvětlení komunikací, osvětlení železnic, letišť a jiné. Použití svítidel do určitého prostředí je dáno hlavně normou. Zvláštní kategorii tvoří svítidla v nevýbušném provedení, která se mohou používat v prostorách s nebezpečím výbuchu, např. v dolech. Podle požární bezpečnosti se svítidla dělí na ta, která jsou určena pro bezprostřední montáž na hořlavý materiál a svítidla pro montáž na nehořlavý materiál. U svítidel je zaveden pojem „udržovací činitel svítidla“, což je podíl provozní účinnosti svítidla v dané době a jeho počáteční provozní účinnosti.
4. UMĚLÉ OSVĚTLENÍ VNITŘNÍCH PROSTORŮ Pro osvětlení vnitřních prostorů můžeme použít tři druhy osvětlení: - denní osvětlení, které využívá přírodní světlo, které se do prostoru dostává otvory ve stavební konstrukci, jako jsou okna, světlíky a pod. Navrhuje se nezávisle na umělém osvětlení. - umělé osvětlení, které využívá světlo od umělých světelných zdrojů. Navrhuje se nezávisle na denním osvětlení. - sdružené osvětlení, které využívá současně jak denní, tak umělé osvětlení. Umělé osvětlení musí denní vhodně doplňovat.
4.1 Základní pojmy umělého osvětlení • • • • •
Adaptace – proces, v jehož průběhu se zrak přizpůsobuje předchozím a současným podnětům s různým jasem, spektrálním složením nebo zorným úhlem Akomodace – přizpůsobení ohniskové vzdálenosti oční čočky tak, aby obraz předmětu nacházejícího se v určité vzdálenosti byl zaostřen na sítnici Zraková ostrost – schopnost zřetelně rozlišovat předměty, mezi nimiž je malá úhlová vzdálenost Kontrast barev – subjektivní hodnocení rozdílu barvy nebo více povrchů viděných současně nebo v časovém sledu Míhání – subjektivní dojem nestálosti zrakového vjemu způsobený světelným podnětem, jehož jas nebo spektrální složení kolísá
8
•
• • • • •
• • •
• • •
• •
Oslnění – podmínky vidění, při kterých vzniká nepohoda nebo snížená schopnost vidět podrobnosti nebo předměty způsobené nevhodným rozložením nebo rozsahem jasu nebo extrémním kontrastem. Rozlišujeme: Omezující oslnění – oslnění, jež zřetelně zhoršuje činnost zraku, ale nutně nemusí budit nepříjemný pocit Rušivé oslnění – oslnění, jež budí nepříjemný pocit, ale nutně nemusí zhoršovat činnost zraku Zorné pole – plocha, nebo oblast prostoru viditelná očima při daném směru pohledu Zrakový výkon – výkon zrakového systému měřený např. podle rychlosti a přesnosti, s jakým se vykonává zrakový úkol Zraková pohoda – subjektivní stav zrakového pohodlí vyvolaný světelným prostředím Světelný tok (Φ) – hodnota odvozená z hodnoty zářivého toku tak, že se záření vyhodnocuje v závislosti na jeho účinku na normového fotometrického pozorovatele. Jednotka je lumen (lm) a značka Φ. Svítivost (I) – podíl světelného toku dΦ, který zdroj vyzařuje ve směru osy elementu prostorového úhlu dΩ, a velikosti tohoto prostorového úhlu. Jednotka je kandela (cd) a značka I. dΦ I= dΩ Průměrný jas (L) – průměrný jas na specifikované ploše nebo v rozsahu daného prostorového úhlu. Jednotka je kandela na metr čtvereční (cd.m-2) a značka L. Osvětlenost, intenzita osvětlení (E) – podíl světelného toku dΦ dopadajícího na elementární plošku dA obsahující daný bod a velikosti dA této plošky. Jednotka je lux (lx) a značka E. Udržovaná osvětlenost (Em) – hodnota průměrné osvětlenosti, pod kterou nesmí osvětlenost poklesnout; je to průměrná osvětlenost v okamžiku, kdy má být provedena údržba. Průměrná osvětlenost – průměrná osvětlenost na dané ploše. Minimální osvětlenost – nejmenší osvětlenost v některém relevantním bodě daného povrchu. Maximální osvětlenost – největší osvětlenost v některém relevantním bodě daného povrchu. Rovnoměrnost osvětlení – poměr minimální a průměrné osvětlenosti povrchu Srovnávací rovina – rovina, na které se měří nebo určuje osvětlení Podání barev – vliv druhu světla na barvu (barevný dojem, vzhled) osvětlených předmětů; vzhled je přitom vědomě nebo podvědomě srovnáván se vzhledem těchto předmětů při srovnávacím (referenčním) světle. Pro účely návrhu musí být požadavky na podání barev stanoveny s použitím všeobecného indexu podání barev (Ra), jenž musí nabývat jednu z těchto hodnot: 20, 40, 60, 80, 90. Činitel odrazu – je podíl zářivého (nebo světelného) toku odraženého a toku za daných podmínek dopadajícího Stroboskopický jev – zdánlivá změna pohybu a vzhledu pohybujícího se objektu při jeho osvětlení proměnné intenzity. K dosažení zdánlivého znehybnění nebo konstantní změny pohybu je nutné, aby se jak pohyb předmětu, tak intenzita světla měnily periodicky a aby byl určitý poměr mezi kmitočty pohybu předmětu a změnami světla. Tento jev je pozorovatelný pouze při amplitudě změn světla nad určitou mezní hodnotu. Pohyb předmětu může být rotační nebo postupný.
9
4.2 Osvětlovací soustavy Podle zdroje proudu a provozního účelu rozlišujeme druhy osvětlovacích soustav: • • • •
Celkové osvětlení – v podstatě rovnoměrné osvětlení prostoru bez ohledu na zvláštní místní požadavky Odstupňované osvětlení – osvětlení, které je v části prostoru zesílené na vyšší intenzitu, například tam, kde se vykonává práce Místní osvětlení – osvětlení pro určitý zrakový úkol, které doplňuje celkové osvětlení a je samostatně ovládané Nouzové osvětlení – osvětlení určené k použití v případě poruchy v napájecí síti normálního osvětlení
Podle použitých svítidel rozlišujeme osvětlení: • • • • •
přímé – osvětlení svítidly s takovým rozložením světelného toku, že část celkového vyzařovaného toku dopadajícího přímo na neomezeně rozlehlou pracovní rovinu činí 90 % - 100 % převážně přímé - osvětlení svítidly s takovým rozložením světelného toku, že část celkového vyzařovaného toku dopadajícího přímo na neomezeně rozlehlou pracovní rovinu činí 60 % - 90 % smíšené - osvětlení svítidly s takovým rozložením světelného toku, že část celkového vyzařovaného toku dopadajícího přímo na neomezeně rozlehlou pracovní rovinu činí 40 % - 60 % převážně nepřímé - osvětlení svítidly s takovým rozložením světelného toku, že část celkového vyzařovaného toku dopadajícího přímo na neomezeně rozlehlou pracovní rovinu činí 10 % - 40 % nepřímé - osvětlení svítidly s takovým rozložením světelného toku, že část celkového vyzařovaného toku dopadajícího přímo na neomezeně rozlehlou pracovní rovinu činí 0 % - 10%
5. KRITÉRIA PRO NAVRHOVÁNÍ OSVĚTLENÍ 5.1 Světelné prostředí Základem dobré osvětlovací praxe je splnit kromě požadované osvětlenosti další kvalitativní a kvantitativní požadavky. Požadavky na osvětlení jsou určeny uspokojením tří základních lidských potřeb: - zrakové pohody, kdy se pracovníci velmi dobře cítí, to nepřímo přispívá k vysoké úrovni produktivity - zrakového výkonu, když jsou pracovníci schopni vykonávat zrakové úkoly i při obtížných podmínkách a během dlouhé doby - bezpečnosti.
10
Hlavní parametry určující světelné prostředí: - rozložení jasu, - osvětlenost, - směrovost světla, - podání barev a barevný tón světla, - míhání světla, - denní světlo. Hodnoty osvětlenosti, indexu oslnění a podání barev jsou uvedeny v tabulce č. 1 v části 6. 5.2 Rozložení jasu Rozložení jasu v zorném poli určuje úroveň adaptace zraku, která ovlivňuje viditelnost úkolu. Velmi dobře vyvážený adaptační jas je potřebný ke zvětšení : - zrakové ostrosti (ostrosti vidění), - kontrastní citlivosti (rozlišení malých poměrných rozdílů jasu), - účinnosti zrakových funkcí (jako akomodace, konvergence, zmenšování zornice, očních pohybů atd.). Rozložení jasu v zorném poli ovlivňuje také zrakovou pohodu. Z tohoto důvodu je nutné vyloučit: - příliš velké jasy, jež mohou zvětšit oslnění, - příliš velké kontrasty jasů, jež mohou způsobit únavu v důsledku trvalé readaptace zraku, - příliš malé jasy a kontrasty jasů, jež vedou k monotónnímu nestimulujícímu pracovnímu prostředí. Účelný rozsah činitelů odrazu hlavních povrchů místnosti: - strop - stěny - pracovní roviny - podlaha
0,6 až 0,9, 0,3 až 0,8, 0,2 až 0,6, 0,1 až 0,5.
5.3 Osvětlenost Osvětlenost a její rozložení v místě zrakového úkolu a v jeho bezprostředním okolí mají velký vliv na to, jak rychle bezpečně a pohodlně osoba vnímá a vykonává zrakový úkol. Všechny hodnoty osvětlenosti jsou udržované osvětlenosti a zajišťují potřebnou zrakovou pohodu a zrakový výkon. 5.3.1 Doporučené osvětlenosti v místě zrakového úkolu Hodnoty uvedené v tabulce 1 (v části 6) jsou udržované osvětlenosti v místech zrakového úkolu na srovnávací rovině, jež může být vodorovná, svislá nebo nakloněná. Průměrná osvětlenost v každém místě zrakového úkolu se nesmí zmenšit pod hodnotu uvedenou v tabulce 1 (v části 6), bez ohledu na stáří a stav osvětlovací soustavy. Tyto hodnoty platí pro normální zrak a při zahrnutí těchto činitelů: 11
-
psychofyziologických hledisek jako zrakové pohody a celkové pohody, požadavků na zrakové úkol, zrakové ergonomie, praktických zkušeností, bezpečnosti, hospodárnosti.
V normálních podmínkách osvětlení se požaduje přibližně 20 lx, při nichž právě začíná rozlišování rysů lidského obličeje, a tato hodnota byla přijata jak nejnižší pro řadu osvětleností. Doporučená řada osvětleností (v luxech) je : 20 – 30 – 50 – 75 – 100 – 150 – 200 – 300 – 500 – 750 – 1 000 – 1500 – 2000 – 3000 – 5000 Hodnota osvětlenosti může být upřesněna nejméně o jeden stupeň řady osvětlenosti (nahoru nebo dolů), liší-li se zrakové podmínky od normálních předpokladů. Požadovaná udržovaná osvětlenost má být zvětšena, když: -
zraková činnost při práci je rozhodující, se chyby nákladně opravují, přesnost a vysoká produktivita jsou velmi důležité, zrakové schopnosti pracovníků jsou snížené, zrakové úkoly jsou neobvykle malé a málo kontrastní, úkol je vykonáván po neobvykle dlouhou dobu.
Požadované udržované osvětlenosti je možné zmenšit, když: -
kritické detaily úkolu jsou neobvykle velké nebo mají velký kontrast, úkol je vykonáván po neobvykle krátkou dobu.
V prostorech s trvalým pobytem osob nesmí být udržovaná osvětlenost menší než 200 lx. 5.3.2 Osvětlenosti bezprostředního okolí úkolu Osvětlenost bezprostředního okolí úkolu musí souviset s osvětlením místa zrakového úkolu a má poskytovat vyvážené rozložení jasů v zorném poli. Velké prostorové změny osvětleností v okolí úkolu mohou způsobit namáhání zraku a zrakovou nepohodu. Osvětlenost bezprostředního okolí úkolu může být menší než osvětlenost úkolu, avšak nesmí být menší než hodnoty uvedené v následující tabulce. Osvětlenost úkolu (lx) ≥750 500 300 200 rovnoměrnost osvětlení: ≥0,7 5.3.3 Rovnoměrnost osvětlení
Osvětlenost bezprostředního okolí úkolu (lx) 500 300 200 Eúkolu rovnoměrnost osvětlení: ≥0,5
12
Osvětlení místa zrakového úkolu musí být co nejrovnoměrnější. Rovnoměrnost osvětlení místa úkolu a bezprostředního okolí úkolu nesmí být menší než hodnoty uvedené v předchozí tabulce. 5.4 Oslnění Oslnění je počitek způsobený povrchy s velkým jasem v zorném poli a může být pociťováno buď jako rušivé, nebo jako omezující oslnění. Oslnění způsobené odrazy v zrcadlových površích je běžně chápáno jako závojové oslnění nebo oslnění odrazem. Omezení oslnění je důležité pro vyvarování se chyb, únavy a úrazů. Ve vnitřních pracovních prostorech může být oslnění způsobeno přímo svítidly a okny s velkým jasem. Jsou-li dodrženy limity rušivého oslnění, není omezující oslnění hlavním problémem.
5.4.1 Rušivé oslnění Index oslnění přímo od svítidel osvětlovací soustavy vnitřního prostoru musí být stanoven jednotným systémem hodnocení oslnění tabulkovou metodou CIE (UGR) podle vzorce :
UGR = 8 log10 (
Kde
Lb Eind L ω p
0,25 L2ω Σ 2 ) Lb p
je jas pozadí v cd.m-2 vypočítaný jako Eind/π, svislá nepřímá osvětlenost očí pozorovatele, jas svítící části každého svítidla ve směru očí pozorovatele v cd.m-2, prostorový úhel (ve steradiánech) svíticí části každého svítidla vzhledem k očím pozorovatele, činitel polohy podle Gutha pro každé svítidlo podle jeho odklonu od směru pohledu.
Všechny uvažované předpoklady při stanovení UGR musí být uvedeny ve výkresové dokumentaci. Hodnota UGR osvětlovací soustavy nesmí přesáhnout hodnoty uvedené v tabulce 1 v části 6. 5.4.2 Omezení oslnění cloněním Jasné zdroje světla mohou oslňovat a zhoršovat viditelnost předmětů. Tomu se musí zabránit například vhodným cloněním světelných zdrojů nebo zastíněním oken žaluziemi.
Minimální úhly clonění v následující tabulce musí být pro uvedené jasy zdrojů zajištěny. Jas světelného zdroje (kcd.m-2)
Minimální úhel clonění (°) 13
20 až <50 50 až <500 ≥500
15 20 30
5.4.3 Závojové oslnění odrazem a oslnění odrazem Odrazy světla v místě zrakového úkolu mohou měnit viditelnost úkolu, zpravidla ji zhoršovat. Závojové oslnění a oslnění odrazem mohou být zamezeny nebo zmenšeny těmito způsoby : -
uspořádáním svítidel a pracovních míst, povrchovou úpravou (matové povrchy), omezením jasu svítidel, zvětšením svíticí plochy svítidla, jasným stropem a jasnými stěnami.
5.5 Směrované osvětlení Směrované osvětlení může být použito pro zvýraznění předmětů, vyjevení textury a vzhledu osob v prostoru. To je možné popsat termínem „modelace“. Směrované osvětlení zrakového úkolu může také ovlivnit jeho viditelnost. 5.5.1 Podání tvaru Podání tvaru znamená vyváženost mezi difúzním a směrovaným světem. Je to platné kritérium jakosti osvětlení téměř ve všech typech vnitřních prostorů. Celkový dojem vnitřního prostoru je možné zlepšit, jsou-li jeho stavební tvary, osoby a předměty v něm osvětleny tak, že jejich tvar a textura se jeví jasně a příjemně. To nastává tehdy, když světlo má převážně jeden směr. Stíny, jež jsou základem dobrého podání tvaru, se tvoří bez problémů. Osvětlení nesmí být příliš směrované nebo nesmí vytvářet ostré stíny ani nesmí být příliš difúzní neboli podání tvaru se nesmí zcela ztratit. To by vedlo k velmi monotónnímu světelnému prostředí. 5.5.2 Směrované osvětlení zrakových úkolů Osvětlení z určitého směru může vyjevit detaily zrakového úkolu, zlepšit jejich viditelnost a usnadnit vykonávání zrakového úkolu. 5.6. Hlediska barev Jakost barvy světla světelných zdrojů smluvně bílého světla se charakterizuje dvěma příznaky: -
vnímaným barevným tónem světla samotného zdroje, jakostí podání barev, které ovlivňuje barevný vzhled předmětů osvětlovaných světelným zdrojem.
Tyto dva příznaky musí být uvažovány odděleně. 5.6.1 Barevný tón světla
14
Barevný tón světla světelného zdroje se vztahuje k zdánlivé barvě (chromatičnosti) vyzařovaného světla. Ta se kvantifikuje náhradní teplotou chromatičnosti (Tcp). Barevný tón může být popsán také podle následujícím tabulky. Barevný tón světla
Náhradní teplota chromatičnosti Tc (K) do 3 300 3 300 až 5 300 nad 5 300
teple bílý neutrálně bílý chladně bílý
Volba barevného tónu je záležitostí psychologie, estetiky a toho, co se považuje za přirozené. Volba závisí na úrovni osvětlení, barevné úpravě místnosti a nábytku, klimatickém pásmu a na oblasti použití. V horkých klimatických podmínkách se preferuje chladnější barevný tón, zatímco v chladnějším podnebí se upřednostňuje teplejší barevný tón světla. 5.6.2 Podání barev Pro zrakový výkon, pocit celkové a duševní pohody je důležité, aby barvy předmětů a lidské pokožky v prostředí byly podány přirozeně, věrně a tak, aby lidé vypadali přitažlivě a zdravě. Pro objektivní charakteristiku vlastností světelných zdrojů z hlediska podání barev byl zaveden index podání barev Ra. Maximální hodnota Ra je 100. Tato hodnota se zmenšuje se zhoršováním jakosti podání barev. Světelné zdroje s indexem podání barev menším 80 nesmějí být použity ve vnitřních prostorech, v nichž osoby pracují nebo pobývají dlouhodobě. Výjimky lze připustit v některých místech a/nebo při některých činnostech (např. při osvětlení vysokých hal), musí se však udělat vhodná opatření k zajištění lepšího podání barev v určených pracovních místech se stálou přítomností osob a kde musí být rozlišovány bezpečnostní barvy. Minimální hodnoty všeobecného indexu podání barev pro jednotlivé typy prostorů (ploch), zrakových úkolů nebo činností jsou uvedeny v tabulce 1 v části 6.
5.7 Míhání a stroboskopické jevy Míhání působí rušivě a může vyvolat fyziologické projevy, jako je např. bolest hlavy. Stroboskopické jevy mohou vést k nebezpečným situacím při změně vnímaného pohybu s točivým nebo vratným pohybem. Osvětlovací soustavy musí být navrženy tak, aby nevznikala míhání a ni stroboskopické jevy. 5.8 Udržovací činitel Projekt osvětlení musí být zpracován s uvažováním celkového udržovacího činitele vypočítaného pro zvolené osvětlovací zařízení, prostředí a plán údržby.
15
Doporučená osvětlenost pro každý zrakový úkol se provádí jako udržovaná osvětlenost. Udržovací činitel závisí na provozních charakteristikách světelných zdrojů a předřadníků, svítidel, prostředí a na plánu údržby. Projektant musí: - uvést udržovací činitel a přehled předpokladů přijatých při odvození jeho hodnoty, - specifikovat osvětlovací zařízení vhodné pro užití v daném prostředí, - připravit kompletní plán údržby, včetně intervalů výměny světelných zdrojů, čistění svítidel a místností a způsobu jeho provádění.
5.9 Energetická hlediska Osvětlovací soustava musí vyhovovat požadavkům na osvětlení daného prostoru bez plýtvání energií. Přesto je důležité nedělat kompromisy z hlediska vizuálního a jednoduše nezmenšovat spotřebu energie. To vyžaduje zvolit vhodnou osvětlovací soustavu, zařízení, řízení a využití dostupného denního světla.
6. POŽADAVKY NA OSVĚTLENÍ Tabulka č. 1 – Požadavky na osvětlení pro místnosti (prostory), úkoly a činnosti (výběr) ČSN EN 12464-1 (36 0450)
Druh prostoru, úkolu nebo činnosti
Em
UGRL
Ra
Komunikační zóny a společné prostory uvnitř budov - komunikační prostory a chodby - schodiště, eskalátory, pohyblivé chodníky - kantýny, spíže - odpočívárny - šatny, umývárny, koupelny, toalety - ošetřovny - provozní místnosti, rozvodny - expedice a balírny - regálové sklady – uličky s obsluhou – uličky bez obsluhy
100 150 200 100 200 500 200 300 150 20
28 25 22 22 22 16 25 25 22 -
40 40 80 80 80 90 60 60 60 40
Průmyslové činnosti a prostory - svařování - hrubé a střední strojní opracování, tolerance ≥ 0,1 mm - jemné strojní opracování, broušení, tolerance ≤ 0,1 mm - orýsování, kontrola - výroba nářadí a řezných nástrojů - montážní práce - střední - jemné - velmi jemné
300 300 500 750 750 300 500 750
25 22 19 19 19 25 22 19
60 60 60 60 60 80 80 80
Administrativní prostory (Kanceláře)
16
- zakládání dokumentů, kopírování, atd. - psaní, psaní na stoji, čtení, zpracování dat - technické kreslení - konferenční a zasedací místnosti - archivy
300 500 750 500 200
19 19 16 19 25
80 80 80 80 80
Obchodní prostory - prodejní prostory - prostory u pokladen - vstupní haly - šatny, toalety
300 300 500 100 200
22 22 19 22 25
80 80 80 80 80
7. VÝPOČET UMĚLÉHO OSVĚTLENÍ Navrhování, projektování a provádění umělého osvětlení vnitřních prostorů je spojeno s celou řadou světelně technických výpočtů. Účelem výpočtů je stanovit počet a rozmístění svítidel, aby byla zajištěna optimální pohoda světelného mikroklimatu. Zvolená metoda závisí na kategorii osvětlení a projekčním stupni. Uvedené metody se používají pro orientační stanovení počtu svítidel osvětlovací soustavy ve fázi projekční přípravy k územnímu nebo stavebnímu řízení. Ve fázi realizační projektové dokumentace jsou světelně technické výpočty osvětlení prováděny na počítači s použitím výpočetních programů firem vyrábějících svítidla. V programech jsou zahrnuty veškeré údaje od vyráběných svítidel potřebné pro přesný výpočet. 7.1 Metoda poměrného příkonu K stanovení příkonu osvětlovací soustavy ve fázi projekční přípravy k územnímu nebo stavebnímu řízení poslouží metoda poměrného příkonu. Požadovaný poměrný příkon podle druhu a způsobu osvětlení při průměrné osvětlenosti 100 lx zjistíme z následující tabulky.
Osvětlení
světlé
přímé převážně přímé smíšené převážně nepřímé nepřímé
světlý 14 18 22 25 29
žárovkové stěny tmavé strop světlý 16 22 27 34 42
tmavé
světlé
tmavý 18 25 34 44 57
světlý 4 5 6 6,5 7
Požadovaný příkon pak vypočteme dle vzorce: P = p⋅S ⋅
kde
P
E 100
je požadovaný příkon osvětlovací soustavy (W) 17
zářivkové stěny tmavé strop světlý 5 6 7 9 10
tmavé tmavý 6 7 9 10 15
p S E
poměrný příkon dle tabulky (W. m-2) plocha místnosti (m2) osvětlenost (lx)
7.2 Metoda toková U tokové metody se určuje světelný tok zdrojů potřebný pro zjištění požadované osvětlenosti. Světelný tok jednotlivých zdrojů je uveden v následující tabulce.
světelný zdroj žárovka
halogenová žárovka
zářivka liniová
zářivka kompaktní
výkon (W) 60 100 200 60 75 100 150 250 18 36 58 7 11 15 20 23
světelný zdroj
světelný tok (lm) 730 1 380 3 000 780 1 000 1 350 2 400 4 000 1 150 2 850 4 600 400 600 900 1 200 1 600
výbojka rtuťová
výbojka halogenidová
výbojka sodíková
výkon (W) 80 125 250 400 400 1000 2000 3500 50 70 150 250 400
světelný tok (lm) 3 800 6 300 12 000 22 000 30 000 90 000 200 000 370 000 3 600 5 800 14 000 25 000 47 000
Potřebný počet svítidel se pak určí dle vzorce:
ns = kde
ns
Φs
Em S
ηos z
Em ⋅ S 1 ⋅ η os ⋅ z Φs
je počet svítidel osvětlovací soustavy (ks) světelný tok všech zdrojů jednoho svítidla (lm) udržovaná osvětlenost prostoru (lx) plocha prostoru (m2) činitel využití osvětlovací soustavy (%), který je uváděn v katalogových listech výrobců svítidel v závislosti na činiteli místnosti a odraznosti povrchů místnosti udržovací činitel (0,45 ÷ 0,65), který se stanoví jako součin dílčích činitelů zz světelných zdrojů, zs znečištění svítidel, zp znečištění ploch osvětlovaného prostoru zfz funkční spolehlivosti svítidel
Činitel místnosti se určí 18
k=
kde
5 ⋅ h ⋅ ( a m + bm ) a m ⋅ bm
h je závěsná výška (m) a určí se ze vztahu h = hm – h1 – h3 ,
ve kterém
hm je výška místnosti (m), h1 vzdálenost svítidla od stropu (m), h3 výška srovnávací roviny (m), am šířka místnosti (m), bm délka místnosti (m).
Příklady odraznosti vybraných povrchů v procentech (%) jsou uvedeny v následující tabulce: Malba, nátěry bílá šedá světlá šedá tmavá žlutá světlá žlutá tmavá béžová krémová zelená světlá zelená tmavá růžová Omítka bílá, čistá, nová bílá, špinavá, stará světlá, čistá, nová světlá, špinavá, stará tmavá, nová tmavá, stará
75 85 40 60 15 25 60 75 45 60 25 65 65 70 45 65 10 30 35 65
80 30 60 20 25 10
Dřevo dub přírodní dub tmavý mořený javor přírodní bříza přírodní mahagon překližka sosnové prkno
30 40 10 30 40 50 60 70 15 20 40 45 50 55
Stavební hmoty pískovec světlý pískovec tmavý žula světlá žula tmavá vápenec světlý kámen světlý, nový kámen tmavý, starý obkládačky bílé sádra bílá
30 35 10 20 15 25 10 15 40 45 40 45 5 10 60 75 65 85
Papír, tapety, tkaniny bílý světle žlutý světle zelený světle modrý šedý záclona bílá, světlá plátno černé samet tmavý
80 85 60 70 60 70 35 45 46 25 65 28 14
Sklo zrcadlo průhledné, bezbarvé vzorované matové mléčné
70 90 68 7 20 6 15 20 35
7.3 Metoda bodová Bodová metoda výpočtu platí přesně pouze pro bodový zdroj světla, jehož rozměry se blíží k nule. Skutečný zdroj má však vždy určité rozměry, což způsobuje určitou chybu výpočtu. Aby se tato chyba zmenšila, rozdělují se světelné zdroje podle poměru jejich rozměrů ke vzdálenosti od kontrolního místa na zdroje bodové, přímkové a plošné. Pro osvětlenost E pro zdroj bodový v určitém bodě roviny kolmé ke směru osvětlování platí „Kvadratický zákon“ E =
19
Iγ l2
V případě, že paprsky dopadají na osvětlovanou ploch pod určitým úhlem, platí „Kosinový zákon“ I E = 2γ ⋅ cos γ l Ve vzorcích znamená: E osvětlenost (lx), l vzdálenost zdroje od osvětlované plochy (m), γ úhel mezi svislicí a kontrolním bodem (°) Iγ svítivost v daném směru (cd)
20
