Užití elektrické energie Světelné zdroje a osvětlování

Transkript

1 FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Užití elektrické energie Světelné zdroje a osvětlování Garant předmětu: doc. Ing. Jiří Drápela, Ph.D. Autoři textu: Ing. Jiří Drápela, Ph.D. Brno 2013 epower Inovace výuky elektroenergetiky a silnoproudé elektrotechniky formou e-learningu a rozšíření prakticky orientované výuky OP VK CZ.1.07/2.2.00/

2 2 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obsah 1 ÚVOD ZÁKLADNÍ POJMY A JEDNOTKY SVĚTELNÉ TECHNIKY VŠEOBECNÝ ÚVOD ZÁKLADNÍ POJMY A VELIČINY SVĚTELNÉ TECHNIKY OKO A JEHO ZÁKLADNÍ FUNKCE ANATOMICKÁ STRUKTURA ZRAKU MEZNÍ STAVY ZRAKU OSLNĚNÍ SVĚTELNÉ ZDROJE ZÁKLADNÍ PRINCIPY PŘEMĚN ZDROJE PRO VŠEOBECNÉ OSVĚTLOVÁNÍ A JEJICH SVĚTELNĚ TECHNICKÉ PARAMETRY NĚKTERÉ SPECIFIKA SVĚTELNÝCH ZDROJŮ A VÝVOJOVÉ TRENDY Žárovky Halogenové žárovky Nízkotlaké rtuťové výbojové zdroje zářivky Halogenidové výbojky Nové výbojové zdroje světla SVÍTIDLA FUNKCE SVÍTIDLA KONSTRUKCE SVÍTIDEL Optické systémy svítidel Clonění SVĚTELNĚ TECHNICKÉ VLASTNOSTI Distrubuce světelného toku, křivky svítivosti Účinnost svítidel ELEKTRICKÉ VLASTNOSTI KOMODITNÍ SEZNAM OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY VSTUPNÍ NÁROKY NA OSVĚTLENÍ KVANTITATIVNÍ A KVALITATIVNÍ UKAZATELE UMĚLÉHO OSVĚTLENÍ Výchozí podklady pro návrh osvětlení Rozbor základních kvantitativních a kvalitativních ukazatelů ZPRACOVÁNÍ SVĚTELNĚ TECHNICKÉHO NÁVRHU Návrh osvětlovacích soustav Výchozí podklady pro návrh osvětlení Požadavky na osvětlení Výpočet osvětlovací soustavy VÝPOČTOVÉ METODY Bodová metoda Toková metoda EKONOMIE PROVOZU URČENÍ EKONOMICKY VÝHODNÉHO SVĚTELNÉHO ZDROJE... 36

3 Užití elektrické energie STANOVENÍ ROČNÍCH PROVOZNÍCH NÁKLADŮ NA OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVU... 37

4 4 FEKT Vysokého učení technického v Brně Seznam obrázků Obr Stavba oka Obr Oblast optimálního a ještě přijatelného jasu pozorovaného objektu v závislosti na jasu pozadí Obr Základní členění elektrických světelných zdrojů používaných pro všeobecné osvětlování Obr Měrné výkony zdrojů pro všeobecné osvětlování Obr Základní rozdělení předřadníků pro zářivkové světelné zdroje podle typu předřadníku v návaznosti na vybrané typy výbojových prostorů Obr Úhel clonění u různých svítidel Obr Soustava fotome-trických polorovin C Obr Členění svítidel podle rozložení světelného toku Obr Základní tvary křivek svítivosti Obr Křivky svítivosti svítidla v rovinách C 0 a C 90 a); Křivka svítivosti reflektoru v rovině C 0 v ortogonálních souřadnicích 1) a její aproximace 2) b) Obr Odvození diagramu pásmových světelných toků svítidla s vymezením prostorového úhlu pro stanovení dílčího světelného toku a diagramem pásových světelných toků Obr Optimální skladba jasů v zorném poli Obr Skladba stínů při různém způsobu osvětlování... 32

5 Užití elektrické energie 5 Seznam tabulek Tab cena produkce vybraných světelných zdrojů k při ceně elektrické energie 2,19 Kč/kWh Tab Třídění svítidel podle rozdělení světelného toku Tab Parametrický popis tvarů křivek svítivosti Tab Klasifikace BZ tříd Tab Typické úrovně osvětlení denního a umělého (lx) Tab Kategorie osvětlení podle druhu vykonávané činnosti Tab Rozsahy vlnových délek jednotlivých barev spektra Tab Třídění zdrojů podle teploty chromatičnosti Tab Roztřídění světelných zdrojů podle indexu barevného podání... 33

6 6 FEKT Vysokého učení technického v Brně 1 ÚVOD Světlo je pro člověka především prostředkem k přenosu a získání informací o prostředí, které ho obklopuje. Podíl přijatých informací vjemů, je pomocí zrakového orgánu u průměrného jedince a za normálních okolností přibližně 80-85%. Vezmeme-li v úvahu, že podle mezinárodních statistik, se tentýž jedinec, vzdálený přírodnímu prostředí, pohybuje až 90% svého života v krytých prostorech, je otázka kvalitního umělého osvětlování pak důležitá nejen z pohledu jeho zdraví, ale i vývoje od nejútlejšího věku. Umělé osvětlení je v životním prostředí člověka, vzhledem k měnícímu se životnímu stylu, stále významnější. K tomuto nárůstu významu umělého osvětlení podstatnou měrou přispívá technický pokrok. Moderní technologie umožňují výrobu stále kvalitnějších a efektivnějších světelných zdrojů, které ovlivňují v umělém osvětlování kvalitu světla, předřadných a regulačních systémů a svítidel, které pak ovlivňují kvalitu osvětlení. I přes neustále se zdokonalující takto vytvořené kvalitní umělé světelné prostředí se prosazují snahy o účelnější využití slunečního záření a denního světla. Je to dáno především fyziologií zraku, který se v tomto prostředí vyvíjel. 2 ZÁKLADNÍ POJMY A JEDNOTKY SVĚTELNÉ TECHNIKY 2.1 Všeobecný úvod Světelná technika dnes neodmyslitelně patří k lidskému životu moderní civilizované společnosti. Vytváří podmínky pro vhodné pracovní prostředí v místech a čase, kdy není možné zajistit potřebné intenzity světla z přírodních zdrojů. Za zmínku stojí, že světelná technika stála u zrodu elektroenergetiky a vlastně i plynárenství, neboť první městské plynárny a elektrárny byly budovány hlavně z důvodu zavádění veřejného osvětlení do měst. Světelná technika tak odstartovala prakticky celou novodobou průmyslovou revoluci, neboť umožnila více směnný provoz, umožnila i práci v prostorách bez denního světla čímž se pochopitelně zvýšila celková produkce. Dala popud k vývoji nových technologií v řadě oblastí, energetiku nevyjímaje. Přesto že dnes elektrická energie vyráběná pro účely osvětlování již dávno nepatří k dominantním podílům nelze ji zanedbat a je vhodné vědět jak elektrickou energii efektivně na světlo přeměnit a účelně využít. Dále je nutné si uvědomit k čemu má světelná technika do budoucna směřovat. Cílem je zejména vytváření takových světelných zdrojů, jejichž účinnost přeměny elektrické energie na světelnou bude maximální při současném kvalitativním složení světla. v dnešní době již totiž dokážeme vyrábět světlo s účinností téměř 30 % ovšem s velice špatnou jakostí. Výroba světla má své teoretické hranice a vývoj směřuje k jejích dosažení. Vznikají stále nové a dokonalejší zdroje, a starší typy se neustále vylepšují a zdokonalují. Další částí světelné techniky je výroba svítidel a konstrukce celých osvětlovacích soustav v kontextu s moderními vysoce kvalitními materiály a inteligentními řídícími systémy. Světelná technika tak tvoří celek pokrývající široké spektrum odborných činností od technologie výroby, materiálové inženýrství, strojírenství, optickou fyziku, fotometrii, elektrotechniku, energetiku, mikroelektroniku až po informační technologie měřicí a řídící

7 Užití elektrické energie 7 systémy. Nad tímto vším však nesmíme zapomenout na lidský činitel pro který tato technika vzniká a který je tím, který kvalitu světelné techniky ve výsledku posoudí. Jestliže je dnes již obecně známo, že člověk přijímá zrakem více než 90 % všech informací z okolního světa, pak světelná technika je klíčem k těmto informacím. Bez její existence si tedy dnešní život již nelze reálně představit. 2.2 Základní pojmy a veličiny světelné techniky Světlem se nazývá ta část elektromagnetického záření, která je detekovatelná lidským zrakem. Oko, jako nejvýznamnější čidlo je schopné toto elektromagnetické záření zachytit včetně jeho prostorového rozložení a částečně i spektrálního složení a výsledkem této analýzy je zrakový vjem. Aby mohl vjem vzniknout musí existovat zdroj světla, který do prostoru světlo vyzařuje. Po dopadu na osvětlované plochy se část světla pohltí, část odrazí a část může materiálem procházet. Pro zrak je důležitá ta část, která po odrazu putuje směrem k oku, prochází jeho částmi a dopadne na světlo citlivé buňky sítnice, kde vyvolá patřičnou fotochemickou reakci. Jak bude reakce silná určuje nejen absolutní množství energie, ale také její spektrální složení. Říkáme, že oko má svoji spektrální citlivost, resp. hovoříme o světelné účinnosti optického záření tj. jak významný je podíl jednotlivých vlnových délek záření na vznik zrakového vjemu. Je důležité si uvědomit rozdíl mezi fyzikálně měřitelnou zářivou energií která má svůj tepelný nebo mechanický ekvivalent energie a energií světelnou, jejích ekvivalent nemáme reálně k dispozici. Pouze jsme stanovili předpisem a normou chování oka normálního fotometrického pozorovatele jako určitý standard fyzikálního přijímače světla. Rozdíl mezi skutečností je v tom, že oko reálného pozorovatele se může od tohoto normálu i významně lišit, což může způsobovat rozpory v interpretaci množství, barvy i kvality světla u různých pozorovatelů. Zatím co zářivá energie (resp. výkon) se udává a měří ve wattech stejně jako jiný výkon, světelná energie (světelný výkon) se udává v lumenech (lm). Lumen je tak základní jednotkou světelné techniky a udává výkon světelného zdroje v ekvivalentu, který je možné psychosenzoricky vyhodnotit lidským zrakem. Z hlediska velikosti můžeme 1 lumen definovat jako 1/683 W monochromatického záření s frekvencí Hz, což je frekvence pro kterou má oko normálního fotometrického pozorovatele stanovenu nejvyšší účinnost optického záření rovnu 100 %. Světelný tok může procházet ze zdroje v určitém prostorovém úhlu. Prostorový úhel je ta část prostoru vymezeného obecnou kuželosečkou, jejíž vrchol je v místě středu vycházejícího záření. Jednotkou prostorového úhlu je steradián (sr) a velikostně je rovný ploše, kterou kuželosečka vytne na povrchu jednotkové koule (koule o poloměru 1m), jejíž střed je shodný s vrcholem kužele. Nejvyšší hodnoty max = 4 nabývá prostorový úhel pro celý prostor, tedy povrch celé koule o ploše S = 4r 2 = =4. Prostorový úhel d pod nímž je vidět element plochy ds z bodu P obecné plochy A ve vzdálenosti r, se vypočte ze vztahu: ds cos d, (2.1) 2 r kde je úhel, který svírá normála elementu ds s osou elementárního prostorového úhlu, r vzdálenost bodu pozorování a středu elementární plošky ds.

8 8 FEKT Vysokého učení technického v Brně Vymezíme-li malý prostorový úhel a známe světelný tok, který takovým prostorovým úhlem prochází, můžeme určit další fotometrickou veličinu a to svítivost. Její jednotka je kandela (cd) a tvoří jednu ze základních jednotek soustavy SI. svítivost pak můžeme vypočítat ze vztahu: d I. (2.2) d Svítivost je vektor a má tedy svou velikost a směr. Směr je určen úhlem. Pokud spojíme všechny koncové body vektorů svítivosti od jistého bodového zdroje světla, dostaneme tzv. fotometrickou plochu svítivosti. Ta vyjadřuje v podstatě směrové charakteristiky vyzařování světelného zdroje. Pro snadnější popis vyzařovacích charakteristik definujeme pouze vybrané řezy touto plochou, pomocí řezných rovin. Nejčastějším systémem řezných rovin je systém rovin C, někdy označovaných také jako. Pokud světelný tok dopadne na osvětlovanou plochu, vznikne určitá osvětlenost (intenzita osvětlení). Osvětlenost je tak další velice významnou fotometrickou veličinou, neboť osvětlenost je v praxi nejsledovanější veličinou světelné techniky. Jednotkou osvětlenosti je lux (lx): d E, (2.3) ds kde S je plocha, na kterou světelný tok dopadá. Jelikož energie elektromagnetického záření, resp. jeho prostorová hustota, klesá se čtvercem vzdálenosti, klesá se čtvercem vzdálenosti i osvětlenost, pokud je způsobena zdrojem o určité známé svítivosti. Tuto závislost popisuje tzv. čtvercový zákon: I E. (2.4) 2 r Pro vnímání osvětlované plochy je nejvýznamnější kolmá (normálová) složka osvětlenosti, stejně jako to popisuje Lambertův zákon pro tepelnou energii. Ve světelné technice mluvíme o kosinovém zákonu dopadu světla, často také o Lambertově kosinovém zákonu. Pro normálovou osvětlenost tak můžeme psát vztah: I E n cos, (2.5) 2 r kde je úhel svírající dopadající paprsek a normála osvětlované plochy. Z hlediska lidského vidění je prakticky nejvýznamnější veličinou jas. Jas je fotometrická veličina vyjadřující množství světelného toku, který se odráží od daného elementu (nebo z něj vychází), v určitém směru k místu pozorovatele. Jednotkou jasu je kandela na čtverečný metr (cdm -2 ). Pro snadnější představu je praktičtější vyjádření jasu jako poměru svítivosti, kterou disponuje svítící, nebo odrážející elementární ploška ve směru k pozorovateli, ku průmětné ploše této plošky na směr pozorování. Jednoduše lze toto vyjádřit vztahem: I L. (2.6) ds cos

9 Užití elektrické energie 9 Pro doplnění základních veličin bychom mohli ještě vzpomenout světlení, jako ekvivalent osvětlení s tím rozdílem, že na rozdíl od osvětlení, kde na osvětlovanou plochu světelný tok dopadá, světlení definuje světelný tok z plochy vyzařující, resp. odražený d H. (2.7) ds Jednotkou světlení je lmm -2, ve starší literatuře se můžete setkat s jednotkou elx. U dokonale rozptylných ploch (Lambertovský zářič) platí vztah mezi světlením povrchu a jasem, který lze odvodit z již výše uvedených vztahů: H L. (2.8) Pokud osvětlujeme dokonale rozptylující povrch a vytvoří se osvětlení E, pak ze známé odraznosti, lze určit světlení a následně jas takové plochy dle vztahu: L E. (2.9) 3 OKO A JEHO ZÁKLADNÍ FUNKCE 3.1 Anatomická struktura zraku Zrakový systém tvoří soubor orgánů, které zpracovávají světelnou informaci z okolního světa do podoby zrakového vjemu. V zásadě lze zrakový systém člověka rozdělit na tři základní části periferní, spojovací a centrální. V periferní části jsou umístěny oči člověka. Oko je základní čidlo zraku, které převádí rozložení světelné energie na nervové signály vedoucí zrakovým nervem, který tvoří spojovací část, do mozku jako části centrální. Oko, jako čidlo zraku, stojí na počátku zpracování světelné informace z okolního světa. Je vlastně převodníkem světelné energie na nervový vzruch, který se zpracovává v mozku. Jeho činnost a funkce jsou poměrně dobře známy a hlavní mechanizmy zde v krátkosti uveďme. Oko je téměř sférické těleso jehož hlavní části jsou patrné z Obr Světlo vstupuje do oka přes rohovku - přední stěnu oka, přední oční komoru dále přes duhovku a čočku, skrz sklivec a konečně dopadá na sítnici. Zde světlo způsobuje řadu fotochemických reakcí, vyvolávající nervové vzruchy, které se velice složitě kódují již na úrovni sítnice a jejichž výsledkem je pak frekvenčně modulovaný pulzní signál postupující jednotlivými vlákny očního nervu do mozku.

10 10 FEKT Vysokého učení technického v Brně rohovka, 2 - duhovka, 3 - zornička (pupila), 4 - čočka, 5 - ciliární sval, 6 - sítnice, 7 - centrální jamka, 8 - cévnatka, 9 - zrakový nerv Obr Stavba oka Vlastním senzorem a převodníkem světelné energie na energii elektrickou jsou světločivé buňky - tyčinky a čípky. Podle složení fotopigmentu, který je nejdůležitějším prvkem v cestě transformace, se mění citlivost na různé druhy světla, co se týče jeho spektrálního složení. Zatímco tyčinky jsou schopny rozlišovat pouze jakási kvanta světelné energie, u čípků jsou pozorovány i spektrální závislosti citlivosti jednotlivých druhů. V podstatě jsou rozlišovány tři druhy čípků z hlediska spektrální citlivosti, podobně jako je tomu u jiných systémů využívajících barevného míchání, či barevné filtrace. Citlivost čípků je však podstatně menší než u tyčinek (asi tisíckrát), proto se uplatňují zejména ve dne, kdy se úrovně jasů pohybují nad hranicí asi 10 cdm -2. Jsou schopny ale pracovat ještě při úrovni jasu 0,001 cdm -2, která určuje hranici nočního (skotopického) vidění. V noci přebírají funkci světlocitlivých buněk tyčinky, které naopak ve dne nemohou pracovat, kvůli své vysoké citlivosti. Jelikož jsou však tyčinky pouze jediného typu, nerozlišují barevné složení světla. Citlivost oka se kromě přechodu z tyčinkového na čípkové vidění mění i dalšími mechanizmy. Obecně mluvíme o tzv. adaptaci zraku na jas. Další významný mechanizmus je omezení světla velikostí zornice. Duhovka může měnit plochu vstupního otvoru a tím množství světelného toku vstupujícího do oka. Poměr se mění až 20krát. Posledním z řady adaptačních mechanizmů je změna velikosti tzv. vjemových polí. Vjemová pole jsou logické celky na sítnici, do kterých se sdružují tyčinky a čípky za účelem vzniku většího signálu na výstupu. Vjemová pole se mohou vzájemně překrývat, tj. buňky mohou být součástí více než jednoho pole. Cílem světelné techniky je zajistit takové osvětlovací podmínky, aby zrak pracoval optimálně. Jde zejména o vhodné rozložení jasu v osvětlovaném prostoru, resp. v pozorované scéně. Volbou správných osvětlovacích systémů zdrojů a svítidel, a jejich rozmístěním toho lze dosáhnout. Oko a celý zrak zde tedy hrají primární roli. Z toho také vycházejí hygienické normy, které stanovují především hladiny osvětlení pro různé druhy činností a rovnoměrnost osvětlení Mezní stavy zraku Zrak má vymezeny určité hranice své funkčnosti. Pokud se blížíme k těmto hranicím, mluvíme o tzv. mezních stavech, kdy již nelze zajistit zcela správnou činnost zraku, zraková činnost začíná být nějakým způsobem narušována. Překročením hranice se dostáváme do

11 Užití elektrické energie 11 situace, kdy může zrak přestat pracovat zcela a záleží pak na druhu podnětu, zda je tato nefunkčnost krátkodobá, dlouhodobá či v nejhorším případě trvalá. Nejběžnějším podnětem k narušení zrakové činnosti je vysoká úroveň jasu. Ta může být celková či lokální. Při celkově vysoké hladině jasu dochází k přetěžování celé sítnice, při lokální zvýšené hladině jasu se může přetížit pouze některá část sítnice. Může nastat i situace opačná, kdy sice nedochází k přetěžování sítnice ale zraková činnost je také znemožněna či omezena. Tato situace nastává naopak při nízké úrovni jasu, kdy oko není schopné rozlišovat kontrasty jasů, neboť úroveň adaptace je posunuta k vyšším hodnotám jasu a nižší úrovně nejsou zaznamenány. Tento stav nastává, jestliže v místě zrakového úkolu není dostatečná úroveň osvětlení a naopak okolí je osvětleno více. Zrak se adaptuje na celkově vyšší hodnotu jasu a vlastní činnost zraku je zhoršena. Dochází k rychlejší únavě zraku a snížení zrakového výkonu obecně. Celková úroveň adaptace je u zraku až neuvěřitelně široká. Oko je totiž schopno přizpůsobit své parametry v rozsahu osvětlenosti svislé roviny proložené zornicí v rozmezí asi 0,25 lx až lx, což je dynamika téměř 6 dekád. Navíc schopnost oka vnímat světelné podněty je posunuta až k hranice lx a to představuje rozsah vnímání až 14 řádů! Toto číslo však představuje jakési absolutní hranice zraku. Reálná rozlišitelnost při určité hladině adaptačního jasu je samozřejmě mnohem menší. Aby se dala lépe definovat rozlišitelnost jako schopnost oka rozlišit určité rozdíly jasu, byla zavedena veličina nazvaná kontrast jasu K, kterou můžeme určit ze vztahu La Lb K, (3.1) L b kde L a je jas rozlišovaného detailu L b jas jeho okolí. Nejmenší rozlišitelný rozdíl jasů se nazývá práh rozlišitelnosti jasu a odpovídá mu tzv. prahový kontrast K min. Převrácenou hodnotou prahového kontrastu je definována kontrastní citlivost, jejíž velikost závisí nejen na jasu bezprostředního okolí rozlišovaného detailu, ale také na velikosti kritického detailu. Pro danou velikost detailu roste kontrastní citlivost s adaptačním jasem a optimálních hodnot dosahuje pro jasy přibližně 300 až 5000 cdm -2. Hladina adaptačního jasu je pro rozeznání dvou ploch s rozdílným jasem velice důležitá. Při nízkém adaptačním jasu, např. 0,0015 cdm -2, je člověk schopen rozlišit plošky s poměrem jasů 1:3. Při vyšších adaptačních jasech, např cdm -2, je možné dokonce rozeznat plochy s poměrem jasů pouhých 1:1,01. Optimální oblast pracovních podmínek pro zrakovou činnost je nejvýznamnějším faktorem pro definici zrakové pohody. Pokud se podaří v osvětlovací soustavě zajistit rozložení jasů, které by odpovídalo vymezené oblasti, je velká pravděpodobnost, že pracovník v daném prostoru odevzdá maximální výkon při minimálních možných zrakových potížích. Z hlediska hygieny osvětlování by zájem o dosažení takového stavu měl být na prvním místě. Definice optimálního rozložení jasu však není zcela jednoznačná a může se měnit s řadou faktorů, u každého jedince jinak. Přesto lze definovat určitý model, který situaci vystihuje, co se týče např. optimálního jasu pozorovaného objektu vůči jasu pozadí, viz Obr. 3.2.

12 12 FEKT Vysokého učení technického v Brně Z obrázku jsou patrné i zmíněné mezní stavy, kdy oko přestává vidět buď vlivem oslnění (jasy příliš vysoké) nebo vlivem špatné rozlišitelnosti (jasy příliš nízké). Hodnoty jsou orientačního rázu a vycházejí z průměrných fyziologických vlastností oka. Obr Oblast optimálního a ještě přijatelného jasu pozorovaného objektu v závislosti na jasu pozadí 3.3 Oslnění Mluvíme-li o oslnění, máme na mysli stav, při kterém zrak zaznamenává jisté narušení funkce vlivem světla, které vychyluje zrakovou činnost od ideálního stavu. Kapitola popisuje hlavní příčiny jeho vzniku, vliv na zrakovou činnost, metody měření a hodnocení a v závěru problematiku minimalizace či úplného odstranění oslnění při pracovní činnosti. Současná teorie rozlišuje dva základní typy oslnění - oslnění fyziologické a méně výrazné oslnění psychologické. Oba typy se dále dělí na méně a více významné složky. V literatuře je možné se střetnout s různými pohledy na třídění oslnění ale podstata vychází vždy ze dvou výše jmenovaných typů. Jelikož v osvětlovacích soustavách se fyziologické osvětlení prakticky nesmí objevit, je hodnocení oslnění zaměřeno především na mírnější složku psychologické rušivé oslnění. Pokud se zabrání této složce, je automaticky zabráněno i všem vyšším stupňům oslnění. Pokud se zdroje rušivého oslnění podaří odstranit, při současném zajištění potřebné intenzity osvětlení, lze hovořit o tom, že daná soustava disponuje jak kvantitativními tak kvalitativními parametry. Měření psychologického oslnění je poměrně nesnadná záležitost. Jak již bylo řečeno přesná příčina vzniku oslnění není zcela známa a vychází se pouze z poznatků, že oslnění je vyvoláváno oslňujícími zdroji, umístěnými v zorném poli pozorovatele tak, že vyvolají u pozorovatele vědomé narušení zrakové činnosti. V podstatě všechny metody z tohoto faktu vycházejí a jsou rovněž na podobných experimentech založeny. Výzkumy prováděné v historii znamenaly řadu experimentálních a statistických pozorování na větších či menších skupinách vybraných osob. Na jejich základě vznikly empirické, více či méně vypovídající vztahy a byly určeny tabulky hodnot, kde se mohou hodnoty oslnění vypočtené těmito vztahy pohybovat, aby soustava odpovídala danému standardu. Podrobnější rozbor těchto problémů je předmětem náplně dalších kurzů v rámci výuky osvětlovací techniky. 4 SVĚTELNÉ ZDROJE Světelný zdroj je zařízení generující a vysílající optické záření, zpravidla viditelné, tedy takové, které vyvolá zrakový vjem. Mohou být buď přírodní, nebo umělé a nazýváme je

13 Užití elektrické energie 13 primární. Sekundárními zdroji světla jsou ostatní světelné aktivní materiály, které provádí jeho transformaci beze změny základních vlastností (odraz, lom, ). Umělé světelné zdroje jsou určeny k přeměně některého druhu energie, v našem případě elektrické, na světlo a jsou základním prvkem osvětlovacích soustav. 4.1 Základní principy přeměn Světelné zdroje, které přeměňují elektrickou energii v energii světelnou jsou založeny na třech základních principech: vyzařování světla vyvolané tepelným buzením ( inkandescence), vybuzení atomů plynu nebo par kovů v elektrickém a magnetickém poli, luminiscencí pevných látek. Vznik světla je podmíněn vybuzením elementárních částic látky, které samovolným či nuceným zářivým přechodem do daného základního stavu, uvolní určitou energii, tedy foton odpovídající vlnové délky. První způsob přeměny je představován klasickým teplotním zdrojem (žárovku), který pracuje na principu tepelného buzení pevné látky. Průchodem el. proudu dochází k jejímu žhavení (wolframová spirála) na teplotu, kdy potřebnou budící energii vytváří tepelný pohyb. Následně dochází k emisi viditelného záření. Spektrum vyzářené energie je dle Paulliho vylučovacího principu spojité a rozložení v závislosti na vlnové délce a teplotě je dáno Planckovým zákonem. Druhý způsob představuje výbojkový zdroj (rtuťová, halogenidová, sodíková výbojka), který pracuje na principu přeměny elektrické na kinetickou energii pohybujících se elektronů. Přitom dochází ke srážkám s molekulami plynné náplně nebo par kovů ( sodík, rtuť). Důsledkem těchto srážek je jejich vybuzení a následné odbuzením s emisí optického záření. Spektrum záření výbojových zdrojů je čárové a rozložení spektrálních čar závisí na druhu výboje, složení plynné náplně a pracovních podmínkách. Třetí způsob (luminiscence ) je jev, při kterém hmota (luminofor) vysílá záření, jehož intenzita je větší než teplotní záření hmoty za stejné teploty (lasery, svítící diody, kondenzátory). Tento kvantový postup výroby světla spočívá ve vybuzení a následném samovolném odbuzení atomů, molekul nebo krystalů vhodných látek (pevných par nebo plynů). Luminiscenční jev rozdělujeme na základě mechanizmu a charakteru dodané energie, na základě které došlo k vybuzení na: elektroluminiscence vybuzení elektrickým polem, fotoluniniscence vybuzení dopadajícím zářením, chemiluminiscence zdrojem energie je chemická reakce, a další. Spektrum luminiscenční záření je čárového charakteru a je závislé na látce luminoforu, pracovních podmínkách a například u luminoforů, použitých pro světelné zdroje, i na energii dopadajícího záření. Lze konstatovat, že po dlouhou dobu se ryze nový fyzikální princip přeměny elektrické energie na energii světelnou nepodařilo objevit přes značné finanční prostředky, které jsou za tímto účelem vynakládány.

14 14 FEKT Vysokého učení technického v Brně 4.2 Zdroje pro všeobecné osvětlování a jejich světelně technické parametry Světelných zdrojů, jednotlivých typů a počtů se dnes vyrábí značně rozdílné počty vzhledem k aplikačním sférám. Jen určitá část se vyrábí hromadně ve velkých počtech. Představuje skupinu světelných zdrojů, které můžeme označit za světelné zdroje určené pro všeobecné osvětlování. Schématické rozdělení je provedeno na Obr Kvalita světelného zdroje je hodnocena souborem ukazatelů, které všestranně charakterizují jeho vlastnosti. Při provozu světelného zdroje pro všeobecné osvětlování se v mnoha směrech opomíjejí skutečné funkční vlastnosti. Ty se u každého zdroje skládají ze tří funkčních podskupin (částí), navzájem skloubených a neoddělitelných: Světelně technické vlastnosti: Elektrické vlastnosti: měrný výkon m z index barevného podání Ra závislost parametrů na napětí tvar a velikost aktivní části pracovní poloha provozní napětí zdroje připojení na napájecí soustavu typ regulace zdroje způsob jištění zdroje ostatní vlastnosti Ekonomie provozu: technický život zdroje t z světlený tok zdroje celkový příkon P cena elektrické energie - produkce M.lm.h/Kč V přítomné době se stává základem výběru světelného zdroje měrný výkon určující kvantitativní přeměnu elektrické energie v energii světelnou (lmw -1 ). Pro získání přehledů o součastných hodnotách měrných výkonů, které jsou dosahovány u různých typů, jsou podle fyzikálního principu přeměny, uvedeny na Obr Teoretická mezní hodnota je K m = 683 lm/w, což je maximální světelná účinnost a byla stanovena pro vlnovou délku 555 nm.

15 Užití elektrické energie 15 Obr Základní členění elektrických světelných zdrojů používaných pro všeobecné osvětlování

16 16 FEKT Vysokého učení technického v Brně Pozornost je vhodné věnovat rovněž dalšímu ukazateli, kterým je cena produkce v M.lm.h/Kč. Ta kromě měrného výkonu zdroje, kdy výkon je obsažen v ceně (spotřebovaná energie), uvažuje také technický život zdroje, tedy vypovídá o celkové ekonomii provozu ( ale pouze světelného zdroje ). Pro představu o tomto ukazateli, jsou v tabulce 1 uvedeny příklady pro některé srovnatelné světelné zdroje. Při podrobnější analýze hodnot z obrázku je zřejmé, že u jednoho typu světleného zdroje existují velká rozpětí měrných výkonů. Jde o závislost zdroje nejen na typu, ale též na jeho výkonu a u výbojových zdrojů na složení luminoforu, typu a druhu předřadníku či výbojového prostoru. Také se do těchto rozdílů promítá přirozený vývoj a pokrok v oblasti výroby zdrojů. Tomuto vývoji budeme v následujících částech věnovat malou pozornost. Tab cena produkce vybraných světelných zdrojů k při ceně elektrické energie 2,19 Kč/kWh Obr Měrné výkony zdrojů pro všeobecné osvětlování Typ světelného zdroje Cena zdroje (Kč) Produkce (Kč/Mlmh) Halogenová žárovka E Klasická žárovka E27 60W Klasická žárovka E27 100W Halogenová žárovka 24V, 50W Kompaktní zářivka s el. předřadníkem 20W Kruhová zářivka s el. předřadníkem 20W Kompaktní zářivka s odnímatelnou výbojovou částí a el. předřadníkem 20W //- 4-krát výměna výbojového prostoru Do poslední nejmenované skupiny, kterou bychom mohli nazvat Zpětné vlivy elektrických světelných zdrojů, lze zařadit ekologické požadavky prostředí a člověka a také jejich EMC z hlediska prostředí a člověka. 4.3 Některé specifika světelných zdrojů a vývojové trendy Ve světelně technické praxi existuje široké spektrum aplikací, které vyžadují zvážení i ostatních parametrů světelných zdrojů, než jen ekonomické hledisko. Tyto nazýváme

17 Užití elektrické energie 17 parametry provozní a vyjadřují vhodnosti světelného zdroje v daném prostředí. Jejich vliv na parametry světelně technické si u některých vybraných zdrojů v následujícím objasníme Žárovky Klasické žárovky s wolframovým vláknem patří do skupiny světelných zdrojů s nejnižší hodnotou měrného výkonu. Pořád patří mezi vážné konkurenty ostatním světelným zdrojům. Jednoduchost a cena převyšují nad ostatními. Vysoce automatizovaná výroba zajišťuje produkci ks/h. Světelně technické výhody lze shrnout do následujících: okamžitý start bez blikání spojité spektrum vyzařovaného světla, s indexem podání barev Ra=100, možnost přímého připojení k napájecí síti v širokém rozsahu napětí bez předřadných prvků (,6,12,24,,120,230,.V)(1W,.1kW), jednoduchý provoz a údržba, široký interval provozních teplot a nezávislost na pracovní poloze se zanedbatelným vlivem na ostatní světelně technické parametry, dobrá regulovatelnost světelného toku (1-100%). Nevýhody potom: nejnižší měrný výkon a s tím související energetická účinnost z elektrických zdrojů používaných pro všeobecné osvětlování, relativně krátká doba života t z =1000 h, výrazná závislost světelných parametrů a době života a napájecím napětí, nepříznivé přechodné jevy při startu a na konci života Halogenové žárovky Zavedení regeneračního cyklu na bázi halových prvků přineslo nové možnosti pro skupinu klasických teplotních zdrojů. V konečném hodnocení to znamenalo zvýšení hodnoty měrného výkonu. Úspěšná realizace halogenové žárovky spočívala především ve zvládnutí konstrukčních záležitostí zdroje, neboť bylo třeba zabezpečit správné rozložení teplotního pole a také zajistit větší odolnost vůči tepelnému namáhání a chemickým vlivům. Výsledkem byla lineární halogenová žárovka s přesně definovanou pracovní polohou a to vodorovnou 10. I tento nedostatek byl později odstraněn rozdělením baňky na dílčí objemy s příznivějším průběhem regenerace. K přednostem této skupiny zdrojů patří: rozšíření výkonové řady, libovolná pracovní poloha, zvýšení měrného výkonu až na hodnotu 22 lm/w (závisí na výkonu zdroje). s odpovídajícím životem h (měrný výkon a technický život jsou v nepřímé úměře, takže v extrémním případě 30lm/W s dobou života 15h). Zvláštní skupinu tvoří žárovky na malé napětí. Ty jsou vyráběny buď v provedení bez odrazné plochy a potom jsou určeny pro aplikace do svítidel s odraznou plochou, nebo jsou vyráběny s vlastním reflektorem v několika variantách s různými vyzařovacími úhly

18 18 FEKT Vysokého učení technického v Brně ( nejčastěji 10, 24, 38, 60 ) a tvoří se žárovkou kompaktní jednotku. Tyto zrcadla jenž usměrňují světelný tok na osvětlovaný předmět se nazývají studená popřípadě dichroická, z důvodu jejich spektrální selektivity, kdy propouští infračervené záření směrem k objímce a osvětlovaný předmět pak není vystaven tak vysoké tepelné zátěži. Hlavní směry jimiž se tato skupina světelných zdrojů ubírá, lze charakterizovat takto: rozšiřování sortimentu žárovek s dichroickou odraznou plochou, přechod na síťové napětí, zvyšování účinnosti pomocí přídavných vrstev na vnější baňce vracející část energie v IR spektru zpět na vlákno (až o 30% vyšší energetická účinnost), využívání UV-stop technologie, používání xenonu jako nosného plynu (pro regeneraci). Tyto světelné zdroje nacházejí přes poměrně vysokou cenu a cenu produkce velni dobré uplatnění především v náročnějších světelně technických aplikacích Nízkotlaké rtuťové výbojové zdroje zářivky Zářivky jsou nízkotlaké rtuťové výbojky se žhavenými elektrodami. Nízkotlaký výboj v parách rtuti vyzařuje jen asi 2% přivedené energie v oblasti viditelného záření a více než 60% v oblasti UV na vlnové dálce 256,7 nm. Část ultrafialového záření se v zářivce transformuje na viditelné záření luminoforem, který je v jedné nebo více vrstvách nanesen na vnitřní stěně skleněné trubice. Vzhledem k velice široké problematice, která je s tímto světelným zdrojem spojena se zmíníme pouze o základním rozdělení, podstatných vlivem na jejich účinnost a vývojových trendech. Zářivka se skládá z výbojového prostoru a předřadníku který je pro jeho provoz neodmyslitelnou součástí. Předřadník má v podstatě dvě základní funkce, a to zapálení výboje zvýšeným napětím a následně stabilizaci provozních parametrů, týkající se ustáleného stavu. V technické praxi se ustálila značná řada konstrukčních provedení zářivek: Jejich základní rozdělení podle typu předřadníku a výbojového prostoru je na Obr Na velikost měrného výkonu či světelného toku této skupiny světelných zdrojů mají vliv následující konstrukční provedení a provozní parametry: typ a charakter použitého předřadníku, průběh zapalovacího procesu, výkon výbojové trubice její konstrukční typ a použitý luminofor, pracovní poloha výbojového prostoru, pracovní teplota výbojového prostoru.

19 Užití elektrické energie 19 Obr Základní rozdělení předřadníků pro zářivkové světelné zdroje podle typu předřadníku v návaznosti na vybrané typy výbojových prostorů Tato skupina světelných zdrojů pro všeobecné osvětlování, zaznamenává neustálý rozvoj, kdy hlavní směry vývoje jsou: soustavné zlepšování kvality a teplotní stability moderních třípásmových luminoforů, optimalizace podmínek nízkotlakého výboje využitím vysokofrekvenčního napájení, aplikace stabilizačních vrstev, zvládnutí technologie přesného dávkování rtuti. Výsledky prací ve zmíněných oblastech přivedly na svět generaci lineárních zářivek s průměrem trubice 16mm, označovaných T5. Výsledkem je nová výkonová řada zářivek 14,21,28,35 W, která se vyznačuje velkým měrným výkonem, který při velmi dobrém podání barev, dosahuje u typu 35W hodnoty 104 lm/w. Tento typ výbojové trubice má pro osvětlovací techniku dalekosáhlé důsledky. Nutno poznamenat, že použitý luminofor je optimalizovaný pro okolní teplotu 35 C. Kompaktní zářivky jsou skupinou u které existuje velké množství variant provedení. Zatímco kompaktní zářivky pro externí předřadníky se ustálily v geometrických, elektrických i světelných parametrech, u zářivek s integrovaným předřadníkem nacházíme velké množství různých provedení, které se neliší jen ve zmíněných parametrech, ale především v kvalitě. U těchto výrobků lze sledovat následující trendy: prodloužení života až do h, optimalizace rozměrů, zjednodušení patice, využití amalgámové technologie s cílem rozšířit použitelný rozsah provozních teplot, optimalizovaný režim zapálení výboje. Do skupiny nízkotlakých výbojových zdrojů patří i dva typy tzv. bezelektrodových výbojek, z nichž však každý pracuje na odlišném principu generace světla.

20 20 FEKT Vysokého učení technického v Brně Jedním zdrojem je indukční výbojka QL Philips, která nachází zajímavé aplikace ve venkovním osvětlování. Dosahuje účinnosti až 73 lm/w při Ra větším než 80. Buzení výboje je provedeno indukční cívkou, napájenou proudem o frekvenci 2,65 MHz. Vlivem amalgámové technologie má výbojka dostatečně konstantní tok v potřebném teplotním rozsahu. Je vyráběna ve výkonové řadě 55, 85 a 165 W s ekonomickým životem h. V jiném uspořádání pracuje výbojka typu ENDURA Osram, kdy pracovní kmitočet budících cívek je 250 khz. Provozní a jiné určující parametry jsou přibližně stejné Halogenidové výbojky Halogenidové výbojky jsou vysokotlaké rtuťové výbojky, u nichž viditelné záření vzniká nejen zářením par rtuti, ale převážně zářením produktů rozkladu halogenidů, což jsou sloučeniny halových prvků např. s gáliem, tháliem, apod. Získá se tím podstatné zvýšení měrného výkonu při dobrém podání barev. Spolehlivé zapálení výboje je možné jen vnějším zapalovačem, který dodává do výbojového prostoru sadu vysokonapěťových impulsů a na jehož vývoji se neustále pracuje. Zapálení halogenidové výbojky je v celé řadě případů doprovázeno poruchami, a z toho důvodu jsou startovací automatiky vybaveny takovým zařízením, které má vhodným způsobem redukovat možné následky. Tato skupina světelných zdrojů vyzařuje dostatek energie i ve viditelné oblasti IR. Dosahují poměrně vysokého indexu podání barev Ra= Vyhovují tudíž i náročnějším požadavkům osvětlovacích soustav interiérů. V poslední době se začínají rozšiřovat (kromě standardní řady výkonů) i nižší výkony s baňkou a paticí E27 a to ve třech základních spektrálních skladbách záření. I přes vyšší pořizovací náklady a relativně kratší technický život se aplikační sféra těchto zdrojů rozšiřuje Nové výbojové zdroje světla V kategorii vysokotlakých výbojových zdrojů světla se v poslední době objevili významné novinky. Jsou to výbojky typu CDM a výbojky sirné. Konstrukce a princip výbojek typu CDM je kombinací technologicky zcela odlišných světelných zdrojů a to halogenidové výbojky s širokými možnostmi úpravy jejich vyzařovaného spektra a sodíkové výbojky s hořákem z korundové keramiky, vyznačující se vysokou teplotní odolností a chemickou stálostí. Výsledkem jsou výbojky o malém příkonu 39 až 150 W, které mají tyto přednosti: měrný výkon převyšující 90 lm/w, Ra větší než 80, nízkou náhradní teplotu chromatičnosti (okolo 3000 K), konstantní kolorimetrické parametry v průběhu celé doby života, kompaktní svítící těleso, umožňující výhodné přerozdělení světelného toku, malé rozměry napomáhající konstruovat materiálově úsporná svítidla. Sirné výbojky které jsou oním druhým světelným zdrojem patří k bezelektrodovým typům. Vlastní světelný zdroj vyvinutý firmou Fusion Lighting, je tvořen sférickou křemennou baňkou naplněnou sírou a argonem. Výboj je buzen mikrovlnným polem s frekvencí 2,45 GHz. Výbojka je vybavena chlazením a systémem zajišťujícím její rotaci

21 Užití elektrické energie 21 k dosažení potřebného teplotního režimu a jeho rovnoměrnosti. Výbojka o příkonu 1000 W dosahuje účinnosti až 130 lm/w, vyznačuje se spojitým spektrem vyzařovaného světla blížícím se spektru slunečního záření na zemském povrchu. Ra je 79 až 86. 6ivot osvětlovací soustavy je dán životností magnetronu, pro který uvádí firemní literatura h. Vlastní výbojka dosahuje doby života h. 5 SVÍTIDLA 5.1 Funkce svítidla V celé řadě aplikací je vyloučeno, aby bylo použito světelného zdroje, zcela samostatně přepojeného na napájecí síť. Proto se vytvářejí taková konstrukční řešení, a používají takové prvky, aby světelný zdroj se svými charakteristickými vlastnostmi byl použitelný pro osvětlovací účely. Taková sestava tvoří potom svítidlo, které má mít: Světelně technické vlastnosti pro dosažení odpovídajícího prostorového rozložení světelného toku, případně umožňující změnu spektrálního složení světla zdroje nebo obecně ke světelně technickému účelu. Elektrické vlastnosti pro zabezpečení spolehlivého připojení na rozvodnu ss a zajištění bezporuchového a bezpečného provozu. Aplikační vlastnosti pro provoz v daném prostředí bez důsledků negativního ovlivňování. Svítidla jsou určena zejména k úpravě rozložení světelného toku zdrojů, clonění, oslňujících zdrojů, ochraně světelného zdroje před okolím a jeho připojením ke zdroji elektrické energie. Kromě těchto požadavků musí svítidla umožňovat jednoduchou montáž a údržbu, musí být dostatečně trvanlivá a funkčně spolehlivá, musí vyhovovat z hlediska ochrany před nebezpečným dotykovým napětím, vniknutím cizích předmětů či vody, popřípadě ochrany před nebezpečím výbuchu nebo požáru. Při konstrukci se také respektuje estetické hledisko a ekonomika výroby svítidel. 5.2 Konstrukce svítidel Svítidla se skládají z částí konstrukčních, světelně činných a elektrických. Části světelně činné slouží ke změně rozložení světelného toku popřípadě ke změně spektrálního složení světla. Používají se reflektory zrcadlové či difúzní, refraktory, čočky, rozptylovače (difuzory), stínidla a filtry. Konstrukční části tvoří především těleso svítidla, upevňovací kryty, šrouby, sponky apod. K elektrickým částem pak patří patice, svorkovnice, vodiče, předřadníky, startéry, kondenzátory, usměrňovače, filtry apod Optické systémy svítidel Pro konstrukci svítidel se využívají světelně technické vlastnosti materiálů. Podle způsobu odrazu či prostupu světelné toku existují zrcadlový, rozptylový nebo smíšený odraz či prostup, popřípadě lom světa. Podle optického systému, který může být tvořen na základě jednoho principu či kombinací více z nich, můžeme svítidla rozdělit na:

22 22 FEKT Vysokého učení technického v Brně svítidla s rozptylovači (difuzory), svítidla s difuzními reflektory, svítidla se zrcadlovými reflektory, svítidla s refraktorovými systémy Clonění Pro zaclonění světelného zdroje a zamezení tak riziku vzniku oslnění pozorovatele se používají stínidla, jejichž funkci mohou zastávat i zrcadlové nebo difúzní reflektory. Míra zaclonění se udává úhlem clonění, což je úhel mezi vodorovnou rovinou výstupního otvoru svítidla a paprskem vycházející z krajního bodu vyzařujícího povrchu zdroje a dotýkajícím se okraje výstupního otvoru. žárovkové svítidlo výbojkové s čirou baňkou žárovkové nebo výbojkové s opálovou baňkou Obr Úhel clonění u různých svítidel 5.3 Světelně technické vlastnosti Distrubuce světelného toku, křivky svítivosti Tyto vlastnosti vedou především ke změnám prostorového rozložení světelného toku zdroje. Lze toho dosáhnout, aplikujeme-li některou ze základních typů světelně činných částí. Výsledkem jsou potom svítidla s charakteristickými světelně technickými vlastnostmi s rotačně symetrickou či asymetrickou plochou a můžeme je třídit podle: - rozložení světelného toku (schématické znázornění na Obr. 5.3) s charakteristickými hodnotami dle Tab tvaru křivky svítivosti (základní typy jsou znázorněny na Obr. 5.4) s údaji podle Tab Kde K F je činitel tvaru křivky svítivosti: K F Imax, (5.1) I avg kde I max a I avg jsou maximální, resp. střední svítivost. Obr Soustava fotometrických polorovin C- Obecně se prostorové rozložení toku popisuje fotometrickou plochou svítivosti, což je plocha která vznikne tak, že se zjistí hodnoty svítivosti svítidla či zdroje ve všech směrech prostoru a vynesou se od bodu zdroje jako vektory.

23 Užití elektrické energie 23 Obr Členění svítidel podle rozložení světelného toku Tab Třídění svítidel podle rozdělení světelného toku Třída rozložení svět. toku Značení dle DIN 5040 Svítidlo Rozdělení světelného toku v % toku svítidla do dolního poloprostoru do horního poloprostoru I A přímé nad 80 do 20 II B převážně přímé 60 až až 20 III C smíšené 40 až až 40 IV D převážně nepřímé 20 až až 60 V E nepřímé do 20 nad 80 Tab Parametrický popis tvarů křivek svítivosti Ozn. Svítivosti Tvar křivky Oblast možných směrů max. svítivosti v úhlu / v systému C - / [] Činitel tvaru křivky svítivosti K F 1 koncentrovaná 0 až 15 K F 3 2 hluboká 3 kosinová 4 pološiroká 5 široká 0 až až až až až až až až rovnoměrná 0 až sinová 70 až až K F 3 1,3 K F 2 1,3 K F K F 1,3 a současně I min 0,7 I max 1,3 K F a současně I o 0,7 I max I o osová svítivost, I min a I max extrémní svítivosti daného svítidla Obr Základní tvary křivek svítivosti Při výpočtech obvykle stačí znát jen některé řezy touto plochou. Vzniknou tak roviny, kde dostaneme křivky svítivosti v polárních souřadnicích. Křivky svítivosti se udávají v určitých polorovinách, například v soustavě fotometrických polorovin A-, B- či C- doporučených CIE. Nejčastěji se používá systém rovin C-, jehož osa je kolmá k hlavní vyzařovací ploše svítidla (blíže [3][1]). Aby udávané křivky svítivosti byly nezávislé na světelném toku použitého zdroje svítidla, přepočítávají se diagramy na světelný tok 1000 lm. Specifickou skupinou svítidel jsou svítidla s parabolickou odraznou plochou, případně i s jinými světelně činnými prvky, proto vyžadují i odpovídající systém hodnocení, který se odvíjí od jejich vyzařovací charakteristiky (Obr. 5.5 b). U svítidel s rotačně symetrickou plochou, kam spadá i reflektor s parabolickou odraznou plochou, plně postačují údaje odpovídající jediné fotometrické rovině C-. Či-li ze

24 24 FEKT Vysokého učení technického v Brně změřených hodnot vektorů I dané fotometrické roviny sestrojíme diagram, který ovšem nebude v polárních souřadnicích (viz Obr. 5.5 a), jako pro ostatní svítidla, ale v kartézském souřadnicovém systému (Obr. 5.5 b), neboť ten má v tomto případě lepší vypovídací schopnost. Reflektorové svítidlo s parabolickou odraznou plochou splňuje požadavky na správnou funkci jedině v případě, že světelný zdroj je umístěn v ohnisku parabolického zrcadla. Tedy jinak, podmínku splníme, jestliže aktivní část světelného zdroje bude zanedbatelně malá a umístěná v ohnisku. Jelikož jsou ale použity reálné světelné zdroje s nezanedbatelnými rozměry, nebude mít vyzařovací charakteristika tvar odpovídající geometrické podstatě parabolického zrcadla, ale bude vyjadřovat jejich vliv. Obr Křivky svítivosti svítidla v rovinách C 0 a C 90 a); Křivka svítivosti reflektoru v rovině C 0 v ortogonálních souřadnicích 1) a její aproximace 2) b) Hodnocení, které dobře popisuje křivky svítivosti reflektorů, je založeno na tzv. úhlových divergencí tedy 05 a 01, které jsou vyjádřeny vztahem: I I 05 pro 0,5, 01 pro 0, 1. ( ; ) I I (5.2) 0 Tyto úhlové divergence nám dávají přehled o velikost aktivního prostoru spolu s přesností odrazné plochy, tedy o kvalitě charakteristik svítivosti pro dané svítidlo s jistým světelným zdrojem. Každou křivku svítivosti, kterou získáme vynesením vektorů svítivosti dané měřené fotometrické roviny, můžeme nahradit analytickou funkcí závislosti svítivosti na úhlu dle vztahu: I 0 I f ( ), (cd;cd;-) (5.3) 0 I kde I je svítivost pod úhlem od vztažného směru (I 0 ), I 0 svítivost ve vztažném směru (v optické ose) obvykle kolmém na hlavní vyzařovací plochu svítidla, f() charakteristická funkce svítivosti.

25 Užití elektrické energie 25 Charakteristická funkce je právě onou analytickou aproximační funkcí popisující změřenou křivku svítivosti. Nejčastěji se využívají funkce cos n, sin a sincos n, (kde n=0,1,2,3,4,5) a zejména pak různé lineární kombinace uvedených funkcí. Příkladem je klasifikace svítidel podle křivky svítivosti do deseti tříd BZ 1-BZ 10. Jejich specifikace je uvedena v Tab Tab Klasifikace BZ tříd Třída Funkce křivky svítivosti BZ 1 I = I 0 cos 4 BZ 2 I = I 0 cos 3 BZ 3 I = I 0 cos 2 BZ 4 I = I 0 cos 1,5 BZ 5 I = I 0 cos BZ 6 I = I 0 (1 + 2 cos BZ 7 I = I 0 (2 + cos BZ 8 I = I 0 BZ 9 I = I 0 (1 + sin BZ 10 I = I 0 sin Distribuci světelného toku svítidla lze také charakterizovat diagramem pásových světelných toků (Obr. 5.6). Obr Odvození diagramu pásmových světelných toků svítidla s vymezením prostorového úhlu pro stanovení dílčího světelného toku a diagramem pásových světelných toků Jestliže nyní provedeme součet všech přírůstků světelného toku svítidla (i), nebo sestrojíme diagram pásových světelných toků (viz Obr. 5.6), dostaneme celkový světelný tok tedy: SV n i1 ( i). (lm;lm) (5.4) Pro světelný tok vystupující ze svítidla platí, že jeho velikost je menší než světelný tok zdrojů instalovaných ve svítidle. Jejich poměr udává účinnost svítidla a z hlediska využití elektrické energie je třeba dosáhnout pokud možno co nejvyšších hodnot této veličiny. Účinnost tedy: SV SV 1. (-;lm,lm) (5.5) ZD

26 26 FEKT Vysokého učení technického v Brně Účinnost svítidel Svítidla budou plnit základní funkce, uvedené v předcházejících částech, budou-li jednotlivé konstrukční prvky vhodně skloubeny. U svítidel rozeznáváme tyto hlavní soubory prvků, částí a dílů: těleso svítidla (světlometu): hlavní část (nebo soubor dílů), nesoucí další funkční, montážní a pomocné součásti, objímka světelného zdroje a držák objímky (pevný nebo nastavitelný): část sloužící k mechanickému upevnění a k el. připojení světleného zdroje, včetně jeho fixace ve středové poloze (v opt. systému svítidla), součásti el. obvodů výbojových světelných zdrojů (zářivek a výbojek): předřadníky, zapalovače, kondenzátory, svorky, které v konečné podobě vedou s použitými druhy materiálů, povrchových úprav k účinnosti svítidla, která je vyjádřitelná matematicky vztahem: kde SV SV 100. (%;lm,lm) (5.6) ZD je vycházející světelný tok ze svítidla (lm), světelný tok zdroje (zdrojů) ve svítidle (lm). Z hlediska maximálního využití elektrické energie se sleduje maximum této hodnoty. 5.4 Elektrické vlastnosti Tyto vlastnosti mají zabezpečit spolehlivé připojení svítidla na rozvodnou soustavu - malého napětí (48V), - nízkého napětí (do 250V), - vysokého napětí (nad 250V), a umožnit bezporuchový a bezpečný provoz svítidla. Tyto vlastnosti budou získány při splnění těchto podmínek: krytí živých částí: - chráněné proti dotyku prstem (IP 20), - polokrytové, chráněné proti svisle kapající vodě (IP 21), - kryté, chráněné proti dešti (IP 23), - zavřené, chráněné proti stříkající vodě (IP 44), - těsně zavřené, částečně chráněné proti prachu a chráněné proti stříkající vodě (IP 54), - nepropustné, chráněné proti tlakové vodě i proti prachu (IP 67), - ponorné, ochrana proti tlakové vodě při stanoveném tlaku (IP 68). ochranou před nebezpečným dotykem: - svítidla třídy O, jen s pracovní isolací,

27 Užití elektrické energie 27 - svítidla třídy OI, jen s pracovní isolací a s ochrannou svorkou, s pohyblivým přívodem bez ochranného vodiče, se zástrčkou bez ochranného kontaktu, - svítidla třídy I, s ochranným spojením (ochranná svorka a ochranný kontakt), - svítidla II. třídy, s dvojitou nebo zesílenou isolací, - svítidla III. třídy, svítidla určená pro malé napětí. požární bezpečností odvíjející se od materiálů, ze kterých jsou svítidla zhotovena a rozeznáváme svítidla: - kovová, - skleněná, - plastová, - dřevěná, - kombinované z různých materiálů. Každý z těchto materiálů má přesně stanovenou maximální přípustnou provozní teplotu, zajišťující požární bezpečnost. nevýbušné provedení určuje aplikaci svítidel: - zabezpečené provedení (Ex0), - s pevným uzávěrem (Ex3), - s větraným uzávěrem (Ex6), - jiskrově bezpečné provedení (Ex9). 5.5 Komoditní seznam V přítomné době se svítidla člení do 15 základních skupin a dvou skupin tvořících základní elektrické příslušenství svítidel. Jsou to: Bytová svítidla Exkluzivní svítidla pro interiéry Lustry Světlomety Svítidla do stropních podhledů Svítidla do kanceláří a škol Exteriérová svítidla (lucerny) Bodová svítidla Svítidla pro divadla, muzea Světelné efekty, barevná hudba Svítidla pro osvětlení průmyslových objektů Nouzové osvětlení Bezpečnostní osvětlení

28 28 FEKT Vysokého učení technického v Brně Dopravní osvětlení a semafory Speciální svítidla IP 20 - Standardně jsou potom svítidla vyráběna v těchto skupinách podle krytí: klasifikovaná svítidla lze použít jen v interiérech kde není očekáván významný vývin prachu. Typickými aplikacemi jsou osvětlování kanceláří, suchých, vyhřívaných průmyslových hal, obchodů a divadel. IP 21/IP 22 - svítidla mohou být aplikována v nevytápěných (průmyslových) halách a pod přístřešky, protože jsou chráněna proti kapající a kondenzující vodě. IP 23 - IP 43/44 - IP 50 - IP 54 - IP 60 - IP 65/66 - IP 67/68 - svítidla se aplikují v nevytápěných průmyslových halách a pod přístřešky. svítidla a sloupky pro venkovní uliční osvětlení. Sloupky s nízkou výškou jsou kryty proti malým pevným objektům, dešti a stříkající vodě. Obvyklá kombinace u průmyslových a uličních svítidel je IP 43 elektrické části svítidla pro zajištění bezpečnosti a IP 54/65 optické části pro zamezení usazování nečistot na reflektoru a zdroji. svítidla se používají v prašném prostředí pro zamezení rychlému znečištění. Tato svítidla jsou z venku lehce čistitelná. V potravinářském průmyslu se používají uzavřená svítidla, aby se předešlo napadání eventuelně rozbitých zdrojů do výrobního prostoru a znečištění připravovaných výrobků. Ačkoli stupeň krytí určuje ochranu svítidla, zároveň říká, že nic nemůže opustit vnitřek svítidla. To znamená, že je vyhověno požadavkům potravinářského průmyslu. Ve vlhkém potravinářském průmyslu nelze svítidla s krytím IP 50 aplikovat. je klasické krytí svítidel do vlhka. Svítidla mohou být čištěna proudem vody aniž by došlo k poškození. Tato svítidla jsou opět často používána v potravinářství, v průmyslu se vznikem prachu a vlhka a pod přístřešky. svítidla jsou kompletně utěsněna proti vnikání prachu a jsou užívána ve velmi prašném prostředí (dřevařský, textilní, kamenický průmysl) a v potravinářském průmyslu. Svítidla s krytím IP 60 nejsou aplikována příliš často, užívanější jsou svítidla s krytím IP 65/66. Krytí IP 65/66 mají svítidla, která lze pravidelně čistit tryskající vodou nebo se používají do prašného prostředí. Ačkoliv nejsou svítidla zcela vodotěsná nemá možné vniknutí vlhkosti do svítidla vliv na jeho funkci. svítidla se často vyrábějí jako nárazuvzdorná. svítidla vyhovující této klasifikaci jsou určena pro ponoření podvodu. Typickou aplikací je podvodní osvětlení bazénů a fontán. Osvětlení palub lodí vyžaduje též tento stupeň krytí.

29 Užití elektrické energie 29 6 OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY 6.1 Vstupní nároky na osvětlení Prvotním požadavkem na osvětlení je vytvoření uspokojivých podmínek pro vidění a podle účelu, má vytvářet diferencované podmínky, aby bylo dosažení požadovaného výkonu a zrakové pohody u člověka. V procesu vidění světlo zprostředkuje až 80 % všech našich zrakových vjemů na jedné straně, na straně druhé působí na činnost centrální nervové soustavy daleko větší měrou, než se původně předpokládalo. Postupně se přichází na to, že světlo výrazným způsobem ovlivňuje biochemické procesy lidského organismu a velmi podrobně se studují příčiny vzniku únavy jako důsledek zrakových činností při umělém osvětlení a druhu práce. Jak ukázaly poslední zahraniční publikované závěry z hodnocení zdravotních potíží v příčinné souvislosti s umělým zářivkovým osvětlením, je zřejmé, že právě vstupním nárokům na osvětlení je nutné věnovat zvýšenou pozornost. Vnitřní osvětlení (umělé osvětlení vnitřních prostorů) můžeme rozčlenit do následujících skupin: a) umělé světlo, kromě vizuálního účinku má za úkol spoluvytvářet pracovní prostředí, tj. podmínky pro úspěšný výkon pracovních činností nejrůznějšího druhu, b) světlo plní své vizuální poslání současně s výrazným akcentem na estetické působení osvětlovaného prostředí na člověka (osvětlování bytů, kulturních a společenských prostorů), c) se speciálními nároky na umělé osvětlení (osvětlení ve zdravotnictví, osvětlení sportovišť, prostorů jevištních, filmových a televizních). 6.2 Kvantitativní a kvalitativní ukazatele umělého osvětlení Výchozí podklady pro návrh osvětlení V zásadě jsou odvozeny od funkčních vlastností zraku. Jsou to: a) velký rozsah vůči světlu vstupujícího do oka, b) barevná rozlišitelnost, c) citlivost na směr světla vstupujícího do oka, d) prostorové vnímání v prostředí, kde se pozorovatel nachází, e) vnímání tvaru osvětlovaných předmětů, f) rychlost zrakového vnímání (pohybu - jak v okolí, tak i při pohybu samotného pozorovatele v osvětlovaném prostoru). Z toho potom vychází nejdůležitější kvalitativní a kvantitativní vlastnosti umělého osvětlení: úroveň osvětlení

30 30 FEKT Vysokého učení technického v Brně rovnoměrnost osvětlení, rozložení a úroveň jasů, zábrana oslnění (přímého, reflexního), směr dopadu a odrazu světla, (tvorba stínů a lesků), směr dopadu a prostupu světla, barva dopadajícího a odraženého (propuštěného) světla, barevné podání osvětlovaných ploch. Uvedený soubor kvantitativních a kvalitativních ukazatelů společně tvoří komplex moderně chápaný pod pojmem jakost umělého osvětlení Rozbor základních kvantitativních a kvalitativních ukazatelů Hladiny osvětlení za dlouhé existence člověka na Zemi se lidské oko adaptovalo na úrovně, které přinášelo denní světlo a umělým osvětlením se snažíme přiblížit světelně technickým podmínkám, na které je oko navyklé. Jen pro srovnání jsou některé hodnoty uvedeny v Tab Tab Typické úrovně osvětlení denního a umělého (lx) Druh Charakteristika dne Denní osvětlení Druh prostor Umělé osvětlení slunečný letní den až kancelářské prostory 300 až zamračený letní den do průmyslové haly 100 až 500 zamračený zimní den do obytné prostory 100 až 300 jasná měsíční noc do 0,25 sklady 50 až 100 jasná noc při Měsíci v novu do 0,01 Stávající platná ČSN pro umělé osvětlení vnitřních prostorů člení prostory do čtyřech základních kategorií A, B, C a D. Jejich základní charakteristika je uvedena v Tab Tab Kategorie osvětlení podle druhu vykonávané činnosti Kategorie osvětlení A B C D Činnost s velkými požadavky na zrakový výkon s průměrnými požadavky na zrakový výkon s malými požadavky na zrakový výkon s přednostními požadavky na vnímání prostoru, tvaru a barev Pořadí důležitosti rozhodujících kritérií 1. zrakový výkon 2. zraková pohoda 1. zraková pohoda 2. zrakový výkon Základní kategorie se dále člení na podkategorie označované čísly 1 až 3. Podrobnější požadavky na tyto podkategorie a činnosti jsou uvedeny v zatím platné ČSN. V některých případech se již vychází z požadavků stanovených zahraničními předpisy či doporučeními.

31 Užití elektrické energie 31 Rovnoměrnost osvětlení je jedním ze základních parametrů kvality osvětlení osvětlovaného prostoru a určuje se na srovnávací rovině v místě zrakové činnosti jako poměr nejmenší a místně průměrné hodnoty osvětlení: Emin r. (-;lx,lx) E p (6.1) Při celkovém osvětlení se průměrná hodnota stanoví v celém půdoryse místnosti a nejmenší hodnota se stanoví v místě, kde se nachází nejméně osvětlené předměty hlavní zrakové činnosti. Hodnoty rovnoměrnosti musí být nejméně: 1. pro trvalý pobyt r = 0,65 (1:1,5), 2. pro krátkodobý pobyt r = 0,4 (1:2,5), 3. pro občasný pobyt r = 0,1 (1:10). Dalším parametrem je stálost osvětlení, která bezprostředně souvisí s psychickou stránkou člověka, protože rychlé časové změny osvětlení mohou být vyvolány elektrickými nebo mechanickými příčinami. Je nutné zabezpečit osvětlovací soustavu proti těmto jevům a navíc zabránit vzniku stroboskopických jevů. Zábrana oslnění je další termín a hlavním prostředkem k zábraně oslnění je snížení jasu světelných zdrojů aplikací vhodných svítidel, správným rozmístěním svítidel (pokud možno mimo směr pohledu) a též zvýšením jasu okolí. Necloněné (holé) zdroje v zorném poli jasu zcela nepřípustné. Silně oslňují především žárovky a rtuťové výbojky s čirou baňkou, poněkud méně s baňkou mdlou, opálovou nebo fluorescenční. Zářivky rovněž oslňují, ačkoliv jejich jas je značně menší. Zásadní chybou je, umisťují-li se svítidla před tmavé, neosvětlené pozadí, nebo je-li střední část zorného pole značně jasnější než okolí. Dobré zrakové pohody se dosáhne vyvážením jasů mezi jednotlivými částmi zorného pole. Příklad optimální skladby jasů v zorném poli pro dosažení zrakové pohody je na Obr Obr Optimální skladba jasů v zorném poli

32 32 FEKT Vysokého učení technického v Brně Normy v oblasti oslňování jsou zastaralé, používá se Netušilova metoda, metoda mezních křivek (Söllnerova). Stanovení třídy omezení oslnění budou nahrazeny jednotným systémem hodnocení metodou - metodou UGR (Unified Glare Rating). Směr dopadu a odrazu světla vytváří v osvětlovaném prostoru stíny, odlesky. Je nezbytným doplňkem prostoru osvětlovaného umělým světlem. Charakteristická tvorba stínů při osvětlení krychle jedním zdrojem, dvěma bodovými a jedním lineárním je zřejmé z. Obr Skladba stínů při různém způsobu osvětlování Barevné vlastnosti světla, chromatičnost světla a kolorita povrchů v osvětlovaném prostoru působí na lidský organismus, na jeho duševní a fyzický stav. Účinek osvětlení je dán skutečností, že světlo různé vlnové délky vyvolá na sítnici různé podráždění, jehož výsledkem je vjem barvy. Barevné vjemy odpovídají různým vlnovým délkám jsou uvedeny v Tab Tab Rozsahy vlnových délek jednotlivých barev spektra Barevný vjem Vlnová délka Šířka pásma (chromatičnost) nm nm fialová modrá zelená žlutá oranžová červená Z hlediska subjektivního působení jsou podle CIE světelné zdroje rozděleny do tří skupin: (Tab. 6.4) Tab Třídění zdrojů podle teploty chromatičnosti Skupina Rozsah teplot chromatičnosti (K) Barevný tón světla 3 < teplo bílé bílé 1 > denní Typ světelného zdroje žárovky, halogenové žárovky, vysokotlaké sodíkové výbojky, halogenidové výbojky žárovky, rtuťové výbojky s luminoforem, halogenidové výbojky žárovky, rtuťové výbojky čiré, halogenidové výbojky Hodnocení kvality barevného podání se v našich normách liší od mezinárodního doporučení CIE. Vzhledem k tomu, že převážná většina výrobců světelných zdrojů používá jednotného označení dle ISO, je potřebné i tento systém urychleně zavést a k tomu mají napomoci i