9. Umělé osvětlení. 9.1 Základní veličiny. e. (9.1) I =. (9.6)

Transkript

1 9. Umělé osvětlení Umělé osvětlení vhodně doplňuje nebo cela nahrauje denní osvětlení v případě jeho nedostatku a tím přispívá ke lepšení rakové pohody člověka. Umělé osvětlení ale potřebuje droj energie, protože vniká transformací jiného druhu energie (např. elektrické nebo chemické). Umělé osvětlení doplňuje nebo cela nahrauje denní osvětlení a ke svému provou potřebuje droj energie. 9.1 Základní veličiny Zářivý tok e [W] je definován jako výkon přenesený ářením, resp. jako množství ářivé energie Q e [W s] přenesené tokem fotonů a jednotku času t [s]: = dq e e. (9.1) dt Světelný tok je fotometrická veličina vyjadřující schopnost ářivého toku působit rakové vnímání. Jednotkou světelného toku je 1 lumen [lm], Pro přepočet fotometrických veličin na ářivé a naopak se používají rovnice: 5 1 lm = W, resp. (9.2) 1 W = 680 lm. (9.3) Prostorový úhel Ω [sr] je úhel, ve kterém se určitého elementárního droje v prostoru šíří svaek paprsků. Je definován vtahem: Ω =, (9.4) r kde S r [m 2 ] je velikost plochy, kterou na povrchu koule o poloměru r [m] se středem v elementárním droji vytkne kuželová plocha, ve které se šíří světelné paprsky elementárního droje. Světelné množství Q [lm s] je veličina, která se používá pro ekonomické posouení drojů světla: Q = t 0 S r 2 dt. (9.5) Důležitou fotometrickou veličinou ve světelné technice je svítivost. Svítivost (droje v daném směru) I je dána podílem světelného toku d, který droj vyařuje ve směru osy elementárního prostorového úhlu dω, a velikosti tohoto prostorového úhlu: d I =. (9.6) d Ω Jednotkou svítivosti je 1 kandela [cd = lm sr -1 ], která patří mei sedm ákladních jednotek v soustavě SI. Svítivost droje je obecně jiná v růných směrech (tn. vhledem k úhlu ). Z tohoto důvodu se svítivost droje charakteriuje křivkou svítivosti, která bývá uvedena v katalogovém listu svítidla. Křivky svítivosti se akreslují v polárních nebo pravoúhlých souřadnicích (vi obr. 9.1) pro droj se světelným tokem = 1000 lm. Svítivost je dána podílem světelného toku, který droj vyařuje ve směru osy elementárního prostorového úhlu, a velikosti tohoto prostorového úhlu.

2 Obr. 9.1: Křivky svítivosti (a polární souřadnice, b pravoúhlé souřadnice) Intenita osvětlení (resp. osvětlenost) E je fotometrická veličina, která je dána poměrem dopadajícího světelného toku [lm] na elementární plochu S [m 2 ] a velikostí této plochy: d E =. (9.7) ds Jednotkou osvětlenosti je 1 lux [lx = lm m -2 ]. Osvětlenost je dána podílem světelného toku dopadajícího na elementární plochu a velikosti této elementární plochy. Čáry, které na dané rovině spojují místa se stejnou osvětleností, se naývají ioluxy. Osvětlenost všeobecně klesá se čtvercem vdálenosti l [m] od droje světla. Tuto skutečnost popisuje kvadratický ákon: I E = 2. (9.8) l V případě, že světelné paprsky nedopadají kolmo na osvětlovanou plochu, ale obecně pod nějakým úhlem dopadu α, platí kosinový (resp. Lambertův) ákon pro osvětlenost: I cosα E = 2. (9.9) l Pon.: Při kolmém dopadu světelných paprsků na osvětlovanou plochu (tn. ve směru osy normály procháející touto plochou) je úhel dopadu α = 0 a v tomto případě platí rovnice (9.8) při stanovení osvětlenosti. V ostatních případech je třeba stanovit osvětlenost rovnice (9.9). Světlení M [lm m -2 ] je dáno podílem vyařovaného světelného toku v určitou plochou a velikostí této plochy:

3 d v M =. (9.10) ds Jas L [cd m -2 ] (v určitém směru na daném místě povrchu) je definován rovnicí: 2 d L =, (9.11) dω ds cosα kde je světelný tok vycháející, dopadající nebo procháející elementární plochou ds a ds cosα průmět elementární plochy do roviny, která je kolmá ke směru danému osou elementárního prostorového úhlu dω. Osvit H [lx s] je definován buď jako plošná hustota světelného množství nebo jako součin osvětlení a doby jeho trvání. t dq H = = E dt. (9.12) ds Měrný výkon světelného droje η v [lm W -1 ] je dán poměrem vyařovaného světelného toku a příkonu P [W] spotřebovaného ve světelném droji: η v =. (9.13) P 9.2 Energetická bilance při šíření světla Předpokládejme světelný tok dopadající na světelně činnou látku. Tento tok se může od dané látky odrait, pohltit v látce (dojde k ahřátí látky na vyšší teplotu) nebo prostoupit touto látkou. Dopadající světelný tok je tedy součtem dílčích světelných toků: = ρ + τ + ρ, (9.14) kde ρ je světelný rok, který se odraí, τ světelný tok, který prostoupí přes látku a α světelný tok, který látka pohltí. Energetická bilance šíření světelného toku přes světelně činnou látku je náorněna na obr Na ákladě této energetické bilance jsou definovány světelné činitele. t0 Obr. 9.2: Energetická bilance šíření světelného toku přes látku

4 9.2.1 Světelné činitele Světelně technické vlastnosti látek jsou charakteriovány třemi beroměrnými činiteli. Činitel odrau ρ je podíl odraženého světelného toku od povrchu látky a dopadajícího světelného toku na povrch této látky: ρ ρ =. (9.15) Činitel prostupu τ je podíl prošlého světelného toku danou látkou a dopadajícího světelného toku na povrch této látky: τ τ =. (9.16) Činitel pohltivosti α je podíl pohlceného světelného toku v látce a dopadajícího světelného toku na povrch této látky: α α =. (9.17) Činitel odrau světla je podíl odraženého světelného toku od povrchu látky a dopadajícího světelného toku na tuto látku. Činitel prostupu světla je podíl prošlého světelného toku látkou a dopadajícího světelného toku na tuto látku. Činitel pohltivosti světla je podíl pohlceného světelného toku v látce a dopadajícího světelného toku na tuto látku. Vyjádří-li se dílčí světelné toky rovnic (9.15) až (9.17) a následně dosadí do rovnice (9.14), íská se rovnice popisující ávislost mei dílčími světelnými toky ve tvaru: ρ + τ + α = 1. (9.18) Z předchoí rovnice je řejmé, že součet činitele odrau, činitele prostupu a činitele pohltivosti je roven 1. To je v souladu se ákonem achování energie. 9.3 Světelné droje, jejich rodělení Světelný droj je předmět nebo jeho povrch, který vyařuje světlo v něm vyrobené. Světelné droje jsou popsány kvantitativními a kvalitativními parametry. Kvantitativním parametrem světelných drojů je měrný výkon. Ke kvalitativním parametrům patří životnost světelného droje, stálost světelného toku v průběhu života droje, prostorové roložení světelného toku a chromatičnost světla droje (tj. teplota chromatičnosti a index podání barev). Existují dvě hlediska rodělení světelných drojů. Z hlediska původu se dělí světelné droje na: přírodní tj. droj, který vnikl be ásahu člověka (např. slunce, blesk, měsíc a polární áře), umělé tj. droj určený na přeměnu nějaké energie (především elektrické, chemické aj.). Podle působu vniku optického áření se rodělují světelné droje na: teplotní (inkadescentní) optické áření vniká ahřátím pevné látky na vysokou teplotu, výbojové optické áření vniká vybuením atomů plynů nebo par kovů v elektrickém výboji, luminiscenční optické áření vniká luminiscencí (světélkováním) pevných látek, kvantové generátory lasery. Podrobné rodělení světelných drojů je schématicky náorněno na obr. 9.3.

5 Obr. 9.3: Rodělení světelných drojů

6 Podle působu vniku optického áření se rodělují světelné droje na teplotní, výbojové, luminiscenční a lasery Teplotní světelné droje Světlo u teplotních drojů vniká ahřátím pevné látky na vysokou teplotu. Mei teplotní droje patří: žárovky, halogenové žárovky, níkovoltové halogenové žárovky. Klasické žárovky jsou jedním nejvíce rošířených světelných drojů s povrchovou teplotou až 250 C. K jejich výhodám patří jednoduchá instalace a údržba. Nedostatkem žárovek je níký měrný výkon a níká životnost. Tyto nedostatky odstraňují halogenové žárovky využívající halogenového regeneračního cyklu. Jejich nevýhodou je vysoká cena. Povrchová teplota halogenových žárovek dosahuje 600 C. Pro níká napětí (12 V, resp. 24 V) se používají níkovoltové halogenové žárovky, k jejichž výhodám patří dlouhá životnost, stálost světelného toku, možnost stmívání, jednoduché rovody aj. K nevýhodám níkovoltových halogenových žárovek patří náročná výroba a nutnost transformátoru při jejich apojování Výbojové světelné droje Světlo u výbojových drojů vniká vybuením atomů plynů nebo par při elektrickém výboji, který probíhá a níkého nebo vysokého tlaku. Z hlediska velikosti tlaku se výbojové droje dělí na: níkotlaké tj. ářivky, svíticí trubice a níkotlaké sodíkové výbojky, vysokotlaké tj. výbojky rtuťové, sodíkové směsové, s velmi vysokým tlakem a xenonové. Za účelem výšení měrného výkonu některých výbojových drojů a lepšího barevného podání se používají tv. luminifory (tj. pevné látky nanášené na vnitřní povrch trubice nebo baňky) Luminiscenční světelné droje Luminiscenční droje světla se dělí na: fotoluminiscenční využití luminiforů (tj. fluorescence a fosforescence), elektroluminiscenční měrný výkon (1 5) lm W -1, radioluminiscenční aplikace v místech be elektrické energie s negativními účinky radioaktivního áření. 9.4 Svítidla Svítidlo je aříení skládající se e světelného droje a ostatních částí, které slouží ke měně světelného toku, upevnění a ochraně světelného droje a připojení světelného droje k elektrickým rovodům. Stínidlo (clona) abraňuje přímému pohledu na světelný droj. Svítidlo je definováno jako aříení skládající se e světelného droje a ostatních pomocných částí.

7 Důležitým parametrem svítidla je jeho účinnost. Světelný tok vyařovaný svítidlem je vlivem optických trát systému svítidla menší než světelný tok světelných drojů instalovaných ve svítidle. Potom účinnost svítidla η s [ ] je dána poměrem: s η s =, (9.19) kde s je světelný tok vyařovaný svítidlem a celkový světelný tok všech světelných drojů, pro který je svítidlo určeno Rodělení svítidel Svítidla se rodělují podle růných kritérií: a) podle světelně technických vlastností: hlediska roložení světelného toku existuje 5 tříd roložení světelného toku (vi tab. 9.1) na ákladě usměrněného světelného toku U [%] do dolního poloprostoru celkového vyařovaného světelného toku svítidla. Podle těchto tříd se svítidla dělí do pěti druhů. Třída Druh svítidla U [%] I přímé nad 80 II převážně přímé III smíšené IV převážně nepřímé V nepřímé do 20 Tab. 9.1: Rodělení svítidel podle třídy roložení světelného toku hlediska tvaru křivky svítivosti křivka koncentrovaná, hluboká, kosinová, pološiroká, široká, rovnoměrná, sinusová. Obr. 9.4: Tvary křivek svítivosti (a koncentrovaná, b hluboká, c kosinová, d pološiroká, e široká, f rovnoměrná, g sinusová)

8 b) podle třídy ochrany před nebepečným dotykovým napětím neživých částí třídy 0 (minimální ochrana), I, II a III (poue pro napětí 12 V, resp. 24 V). c) podle krytí proti vnikání ciích předmětů a vody. Onačuje se písmeny IP a dvěmi čísly a těmito písmeny. První číslo charakteriuje krytí proti vnikání ciích předmětů (včetně prachu) a nabývá hodnot od 0 (nechráněno) do 6 (prachotěsné). Druhé číslo charakteriuje krytí proti vniknutí vody a nabývá hodnot od 0 (nechráněno) do 8 (možnost trvalého ponoření svítidla do vody). d) podle působu připevnění svítidla pevná (např. nástěnná, stropní a ávěsná) nebo přemístitelná (např. stolní, ruční a přilbová). e) podle požární bepečnosti hlediska montáže svítidel na hořlavý nebo nehořlavý materiál. f) podle ostatních kritérií např. podle umístění svítidel (vnitřní nebo venkovní prostory), druhu osvětlení (tn. celkové, místní nebo kombinované), místa jejich použití (např. pro byty, průmysl a společenské prostory) apod. 9.5 Světelně technické výpočty Cílem světelně technických výpočtů je návrh osvětlovacích soustav (tn. stanovení příkonu a počtu světelných drojů a svítidel) nebo jištění, da kvalita osvětlení odpovídá normám a předpisům v konkrétním případě. Světelně technické výpočty se provádí metodou poměrných příkonů, tokovou metodou a bodovou metodou Metoda poměrných příkonů Metoda poměrných příkonů se používá poue pro předběžný návrh osvětlovací soustavy pomocí tabulek poměrných příkonů (vi tab. 9.2). Tyto tabulky udávají hodnoty poměrných příkonů [W m -2 ], které jsou potřebné pro stanovení určité osvětlenosti E (pravidla 100 lx) na jednotkové osvětlované ploše pro daný typ osvětlení. Celkový příkon všech světelných drojů se následně stanoví na ákladě poměrného příkonu, požadované osvětlenosti pro konkrétní rakový úkol a velikosti pracovní plochy, která je pro tento rakový úkol určena. Žárovkami X Zářivkami Stěny Stěny Osvětle Světlé Tmavé Tmavé Světlé Tmavé ní Strop Strop Tmavé Světlý Světlý Tmavý Světlý Světlý Tmavý Přímé Převážně přímé ,5 Smíšené Převážně nepřímé , Nepřímé X Hodnoty platí pro žárovku 100 W a výše Tab. 9.2: Hodnoty poměrných příkonů [ W.m -2 ] pro E = 100 1x

9 9.5.2 Toková metoda Tokovou metodou le stanovit průměrnou osvětlenost vnitřních prostorů, průměrný jas stěn a stropu, průměrnou osvětlenost komunikace a průměrný jas voovky. Při návrhu osvětlovací soustavy ve vnitřním prostoru pomocí tokové metody se vycháí e ákladního vtahu: E pk S c =, (9.20) η kde c je celkový světelný tok všech drojů, E pk místně průměrná a časově minimální osvětlenost v bodech srovnávací roviny, S plocha půdorysu vnitřního prostoru, η činitel využití osvětlovací soustavy při respektování mnohonásobných odraů světla a udržovací činitel. Cílem je stanovení celkového příkonu osvětlovací soustavy podle následujícího postupu: a) Stanoví se velikost půdorysné plochy S a poloha srovnávací roviny. b) Určí se velikost osvětlenosti E pk dle norem ČSN pro konkrétní rakový úkol. c) Zvolí se druh světelného droje. d) Zvolí se vhodný typ svítidla katalogových listů. e) Stanoví se světelný tok jednoho svítidla e vtahu: s = n, (9.21) kde je světelný tok jednoho droje a n počet drojů ve svítidle. f) Stanoví se činitel využití osvětlovací soustavy η, který ávisí na tvaru fotometrické plochy svítivosti svítidel, roměrech osvětlovaného prostoru a činitelích odrau světelně činných ploch. Hodnota činitele využití se dá jistit tabulek, které jsou součástí katalogového listu každého svítidla. g) Určí se udržovací činitel, který charakteriuje míru stárnutí, nečištění a poruchovosti osvětlovacího aříení a je definován rovnicí: = s f, (9.22) kde je činitel stárnutí světelných drojů, s činitel nečištění svítidel a f činitel funkční spolehlivosti. Činitel stárnutí světelných drojů je udáván výrobcem daného světelného droje. Pokud není tento činitel výrobcem uveden, u žárovek se uvažuje = 0,85, u ářivek a výbojek se předpokládá = 0,7. Velikost činitele nečištění svítidel s se stanoví grafických ávislostí a ávisí na době používání svítidla, umístění krytů na svítidle a na míře nečištění osvětlovaného prostoru. Činitel funkční spolehlivosti f je udán výrobcem nebo se stanoví na ákladě doby používání t, která uplyne e jmenovité doby životnosti t světelného droje podle následujících vtahů: t 0, 2t / 3 )... f = 1, (9.23) t 2t / 3, 4t / 3 )... f = 2 1,5t / t, (9.24) t 4 t / 3... f = 0. (9.25) h) Stanoví se celkový světelný tok c všech drojů rovnice (9.20). i) Určí se minimální potřebný počet svítidel n s rovnice: c n s =. (9.26) s

10 j) Provede se vhodné (pravidla rovnoměrné) romístění svítidel nad osvětlovanou rovinu na ákladě doporučujících pravidel pro romístění svítidel. Obvykle nastane situace, že konečný skutečný počet svítidel je vyšší než vypočtený, tn. n sk > n s. k) Pro skutečný počet svítidel n sk se stanoví místně průměrná a časově minimální osvětlenost E : pk ck S E pk =, (9.27) η kde ck je celkový světelný tok všech drojů při skutečném počtu svítidel stanovený rovnice: ck = nsk s. (9.28) Dále se určí počáteční místně průměrná a časově maximální osvětlenost E p0 e vtahu: E pk E = p0. (9.29) l) Pro navrženou osvětlovací soustavu se stanoví hodnoty celkového příkonu P c a poměrného příkonu P: Pc = nsk Ps, (9.30) Pc P =, (9.31) S kde P s je příkon jednoho svítidla Bodová metoda Bodovou metodou se v daném kontrolním bodě kontroluje osvětlenost, popř. jasy. Tato kontrola se provádí v bodech vodorovných, svislých i obecně nakloněných rovin. Nevýhodou této metody je skutečnost, že v ískaných výsledcích nejsou ahrnuty odražené světelné toky. Bodová metoda navíc platí poue pro bodový droj světla, jehož roměry se blíží k nule. Skutečný droj světla má však určité roměry, což působuje chyby výpočtu. Aby tato chyba nebyla příliš velká, tak se tyto droje rodělují. Předpokládejme nyní bodový droj světla, a který le považovat svíticí prvek, jehož maximální roměr je menší než třetina vdálenosti svítidla od nejbližšího kontrolního místa. V takovém případě je chyba výpočtu do 10 %. Na obr. 9.5 a 9.6 je náorněn princip bodové metody, u které se stanoví osvětlenost v bodě P při šíření světla bodového droje Z. Předpokládejme nejprve řešení osvětlenosti v bodě P, který je součástí obecné roviny ρ (vi obr. 9.5). V tomto případě se osvětlenost v bodě P na rovině ρ určí rovnice: E I cos β I cos β p ρ = = l h +, (9.32) p kde I je svítivost droje při úhlu určená křivky svítivosti světelného droje, β úhel dopadu světla na kontrolní rovinu ρ a l, h, p vdálenosti (vi obr. 9.5 a 9.6). Křivky svítivosti jsou obvykle uvedeny pro referenční světelný tok = 1000 lm. Protože světelný tok všech drojů světla instalovaných ve svítidle se obecně liší od referenčního světelného toku, je nutno svítivost I stanovenou křivky svítivosti přepočítat na skutečný světelný tok svítidla podle rovnice: I = I = I. (9.33) 1000

11 Obr. 9.5: Stanovení osvětlenosti bodovou metodou v bodě obecné roviny ρ Obr. 9.6: Stanovení osvětlenosti bodovou metodou v bodě obecné roviny ρ 0 kolmé ke směru I 0

12 Druhou možností stanovení osvětlenosti v bodě P je proložit tento bod rovinou ρ 0, která je kolmá ke směru svítivosti I 0 (vi obr. 9.6). V tomto případě le osvětlenost v bodě P na rovině ρ 0 určit rovnice: 3 E I cos I cos h h 0 I I p ρ = = = = l h l. (9.34) 2 2 h + p ( ) Testové otáky ke kapitole 9 1. Definujte pojem umělé osvětlení. 2. Definujte veličinu svítivost. Uveďte dále její definiční vtah včetně výnamu a jednotek jednotlivých veličin. 3. Co nám náorňují křivky svítivosti? Jaké jsou typy náornění křivek svítivosti? Zakreslete tyto typy. 4. Definujte pojem osvětlenost. Dále uveďte jeho definiční vtah a výnam jednotlivých veličin. Napište vtahy pro kvadratický a kosinový (tn. Lambertův ákon) pro osvětlenost. Co nám tyto ákony vyjadřují? 5. Definujte pojmy ářivý tok, světelný tok, jas, osvit, světlení a měrný příkon světelného droje. Uveďte jejich definiční vtahy a výnamy jednotlivých veličin. 6. Nakreslete schéma energetické bilance při šíření světla. Definujte jednotlivé světelné činitele (včetně jejich vtahů) a napište vájemný vtah mei těmito činiteli. 7. Podle jakých hledisek se rodělují světelné droje. Proveďte rodělení světelných drojů podle těchto hledisek. Definujte jednotlivé typy světelných drojů a uveďte některé příklady daných typů světelných drojů. 8. Definujte pojem svítidlo. Podle jakých kritérií se rodělují svítidla? 9. Kolik je tříd roložení světelného toku? Jaký je typ svítidla a jaké je roložení světelného toku (v %) pro danou třídu? 10. Jak se rodělují svítidla hlediska tvaru křivky svítivosti? Vyjmenujte je. Zakreslete graficky jednotlivé tvary křivek svítivosti. 11. Vyjmenujte metody používané u světelně technických výpočtů. Popište princip metody poměrných příkonů. 12. Popište postup při návrhu osvětlovací soustavy tokovou metodou napište jednotlivé kroky včetně definičních vtahů daných veličin. 13. Popište postup výpočtu osvětlenosti bodovou metodou. Napište vtahy pro stanovení osvětlenosti bodovou metodou a nakreslete k tomu patřičné obráky.