S V Ě T L O A O S V Ě T L O V Á N Í

Transkript

1 VŠB - TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra obecné elektrotechniky S V Ě T L O A O S V Ě T L O V Á N Í 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, říjen 2006 Ing. Ctirad Koudelka

2 1. ÚVOD Elektromagnetické záření je vyzařování a šíření energie ve formě periodických vln, které se mohou šířit i ve vakuu. Vzniká např. při urychlování nabité elementární částice a spočívá v periodických změnách elektrického a magnetického pole. Existují různé druhy elektromagnetického záření, lišící se vzájemně vlnovou délkou. Největší vlnovou délku, a tudíž nejmenší frekvenci i energii mají dlouhé rádiové vlny. Za rádiovými vlnami následuje viditelné světlo, po něm rentgenové a největší frekvenci a energii má záření gama. Této řadě různých typů elektromagnetického vlnění se říká elektromagnetické spektrum. Kmitočet f Vlnová délka λ - rozhlas, televize, VKV, UKV 30 khz 3 GHz 10 km 0,1 m - mikrovlny (3 300) GHz) 100 mm 1 mm - infračervené záření Hz 1 mm 1 µm - viditelné záření Hz 400 nm 900 nm - ultrafialové Hz 400 nm 10 nm - rentgenovo záření Hz 10 nm 0,1 nm - paprsky gamma Hz m 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 km.s -1 = m.s -1 Jednotlivé složky optického záření jsou uvedeny v následující tabulce: 2

3 Druh záření Označení Vlnová délka λ (nm) Kmitočet F (Hz) UV C (30 10,7) Ultrafialové UV B (10,7 9,5) UV A (9,5 7,89) fialová (7,89 6,98) modrá (6,98 6,12) Viditelné zelená (6,02 5,26) žlutá (5,26 5,0) oranžová (5,0 4,76) červená (4,76 3,84) IR A (3,84 2,14) Infračervené IR B (2,14 1,0) IR C (1,0 0,3) 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 T c (K), která je základním ukazatelem světelného spektra - všeobecný index podání barev R a, 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) - 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 R a Měrný výkon (lm.w -1 ) Teplota chromatičnosti (K) Životnost (h) Svíticí dioda - 0,2-0, Doutnavka - 1, Žárovka 100 9,2-15, Žárovka halogenová ,5-24, Zářivka lineární Zářivka kompaktní Rtuťová výbojka Halogenidová výbojka Sodíková výbojka

4 Přehled zdrojů světla je uveden v následujícím schématu: ZDROJE SVĚTLA PLYNY A PÁRY KOVŮ SAMOSTATNÝ ELEKTRICKÝ VÝVOJ OBLOUKOVÝ VE ZŘEDĚNÉM PLYNU VYSOKOTLAKÝ VÝBOJKY S KRÁTKÝM OBLOUKEM RTUŤOVÉ, SODÍKOVÉ, HALOGENIDOVÉ NÍZKOTLAKÝ ZÁŘIVKY SODÍKOVÉ VÝBOJKY ZA ATMOSFÉRICKÉHO TLAKU OBLOUKOVKY: UHLÍKOVÉ, WOLFRAMOVÉ DOUTNAVKOVÝ NÍZKOTLAKÝ SVÍTÍCÍ TRUBICE DOUTNAVKY PEVNÉ LÁTKY LUMINISCENCE FOTOLUMINISCENCE LUMINOFORY RUBÍNOVÝ LASER ELEKTROLUMINISCENCE SVÍTÍCÍ DIODY POLOVODIČOVÝ LASER INKADESCENCE ELEKTRICKÁ ENERGIE ŽÁROVKY VAKUOVÉ PLNĚNÉ PLYNEM S HALOGENEM BEZ HALOGENU CHEMICKÁ ENERGIE BLESKOVKY Ve světelném zdroji vzniká viditelné optické záření třemi způsoby: - 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 rtuťové, sodíkové a halogenidové výbojky a zářivky. - 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. - Inkadescencí, kdy průchodem proudu dochází k zahřátí pevné látky - kovu - na teplotu, při které látka vysílá optické záření. Představitelem takového zdroje světla je žárovka. Z uvedených principů jsou dnes hromadně využívaný první a třetí, což jsou zdroje výbojkové a teplotní. 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, 4

5 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, 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. Používají se například v reflektorech automobilů, ve výkladních skříních apod. 2.2 Světelné zdroje výbojkové Vysokotlaké - Vysokotlaké rtuťové výbojky Světlo u tohoto typu výbojek vzniká obloukovým výbojem v parách rtuti při tlaku řádu 10 5 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. - 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 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 Nízkotlaké 5

6 - 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 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 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 luminiscencí 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 apod. - 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 6

7 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: Na základě poměru světelného toku usměrněného do dolního poloprostoru k celkovému světelnému toku vyzařovaného svítidlem rozdělujeme svítidla dle následující tabulky. 7

8 Třída rozložení světelného toku Název třídy rozložení světelného toku Poměr světelného toku usměrněného do dolního poloprostoru k celkovému světelnému toku svítidla (%) I Svítidlo přímé II Svítidlo převážně přímé III Svítidlo smíšené IV Svítidlo převážně nepřímé V Svítidlo nepřímé 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, 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. 8

9 Podle požární bezpečnosti se svítidla dělí na ta, která jsou určena pro bezprostřední montáž na hořlavý materiál a svítidla pro montáž na nehořlavý materiál. Svítidla určená pro přímou montáž na hořlavý materiál jsou označena trojúhelníkem uvnitř s písmenem F. 4. UMĚLÉ OSVĚTLENÍ VNITŘNÍCH PROSTORŮ Aby lidé mohli vykonávat zrakové úkoly účinně a přesně, musí jim být poskytnuto vhodné osvětlení. Osvětlení může být poskytnuto denním osvětlením, umělým osvětlením nebo jejich kombinací. Úroveň viditelnosti a pohody požadovaná pro velké množství pracovních prostorů závisí na druhu a době trvání činnosti. Norma pro osvětlení pracovních prostorů platí pro pracovní prostory, tedy s přítomností zaměstnanců, doporučuje se však, aby byla uplatněna také pro většinu činností ve všech vnitřních prostorech. 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 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 9

10 Světelný tok (Φ) veličina 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 = d Ω 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. 2π dφ E = = LcosΘdΩ da 0 Udržovaná osvětlenost (E m ) hodnota průměrné osvětlenosti, pod kterou nesmí osvětlenost poklesnout; je to minimální osvětlenost v okamžiku, kdy má být provedena údržba. Znamená to, že osvětlenost povrchu nesmí nikdy po celou dobu existence osvětlovací soustavy klesnout pod normou požadovanou hodnotu. 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 (R a ), 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. Chromatičnost vlastnost barevného podnětu definovaná trichromatickými souřadnicemi nebo náhradní nebo doplňkovou vlnovou délkou a čistotou Teplota chromatičnosti teplota černého tělesa, jehož záření má stejnou chromatičnost jako daný barevný předmět. Místo zrakového úkolu dílčí místo na pracovišti, na němž se nachází zrakový úkol. Výška místa zrakového úkolu na běžných kancelářských stolech je doporučena 0,75 m. Bezprostřední okolí úkolu pás o šířce alespoň 0,5 m okolo místa zrakového úkolu. 10

11 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 % % 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. Hlavní parametry určující světelné prostředí: 11

12 - 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 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 0,6 až 0,9, - stěny 0,3 až 0,8, - pracovní roviny 0,2 až 0,6, - podlaha 0,1 až 0, 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 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: - psychofyziologických hledisek jako zrakové pohody a celkové pohody, 12

13 - 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 : 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. Za neobvykle dlouhou dobu vykonávání úkolu se považuje stav, kdy je zrakový úkol vykonáván v prostoru s nedostatečným denním osvětlením po dobu delší než 4 hodiny, nebo několik kratších období s celkovou dobou vyšší než 4 hodiny. Za neobvykle krátkou dobu nelze považovat např. obvyklý pobyt po chodbách. V prostorech s trvalým pobytem osob nesmí být udržovaná osvětlenost menší než 200 lx (tzv. hygienické minimum ) 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) Osvětlenost bezprostředního okolí úkolu (lx) E úkolu 13

14 rovnoměrnost osvětlení: 0,7 rovnoměrnost osvětlení: 0, Rovnoměrnost osvětlení 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. Doporučuje se, aby poměr průměrných osvětleností při celkovém nebo odstupňovaném osvětlení mezi sousedními propojenými prostory (např. dveřmi) nebyl menší než 1 :5 (0,2). 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 Rušivé oslnění Index oslnění přímo od svítidel osvětlovací soustavy vnitřního prostoru musí být stanoven jednotným systémem hodnocení oslnění tabulkovou metodou CIE (UGR) podle vzorce : 2 0,25 L ω UGR = 8log10( Σ ) 2 L p b Kde L b je jas pozadí v cd.m -2 vypočítaný jako E ind /π, E ind svislá nepřímá osvětlenost očí pozorovatele, L jas svítící části každého svítidla ve směru očí pozorovatele v cd.m -2, ω prostorový úhel (ve steradiánech) svíticí části každého svítidla vzhledem k očím pozorovatele, p 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, které jsou maximální Mezní hodnoty UGR jsou vybírány z řady 16, 19, 22, 25, 28, kde 16 je nejnižší požadovaná hodnota zejména pro prostory s monitory a 28 pro prostory nejméně náročné Omezení oslnění cloněním 14

15 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 ( ) 20 až < až < 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 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 Směrované osvětlení zrakových úkolů Osvětlení z určitého směru může vyjevit detaily zrakového úkolu, zlepšit jejich viditelnost a usnadnit vykonávání zrakového úkolu Hlediska barev Jakost barvy světla světelných zdrojů smluvně bílého světla se charakterizuje dvěma příznaky: - vnímaným barevným tónem světla samotného zdroje, 15

16 - jakostí podání barev, které ovlivňuje barevný vzhled předmětů osvětlovaných světelným zdrojem. Tyto dva příznaky musí být uvažovány odděleně Barevný tón světla Barevný tón světla světelného zdroje se vztahuje k zdánlivé barvě (chromatičnosti) vyzařovaného světla. Ta se kvantifikuje náhradní teplotou chromatičnosti (T cp ). Barevný tón může být popsán také podle následujícím tabulky. Barevný tón světla Náhradní teplota chromatičnosti T c (K) teple bílý do neutrálně bílý až chladně bílý nad 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 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 R a. Maximální hodnota R a 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 Míhání a stroboskopické jevy Míhání a stroboskopické jevy zvyšují únavu lidí a nebezpečí úrazu. 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 ani 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. 16

17 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. Udržovací činitel z se stanoví jako součin dílčích činitelů: z = z z. z s. z p. z fz kde z z je činitel stárnutí světelných zdrojů, z s činitel znečištění svítidel, z p činitel znečištění ploch osvětlovaného prostoru, činitel funkční spolehlivosti světelných zdrojů. z fz 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, možnost regulace a využití dostupného denního světla. 6. POŽADAVKY NA OSVĚTLENÍ Tabulka č. 1 Požadavky na osvětlení pro místnosti (prostory), úkoly a činnosti (výběr) ČSN EN ( ) Referenčn í číslo Druh prostoru, úkolu nebo činnosti E m UGR L R a Komunikační zóny a společné prostory uvnitř budov komunikační prostory a chodby schodiště, eskalátory, pohyblivé chodníky kantýny, spíže odpočívárny šatny, umývárny, koupelny, toalety provozní místnosti, rozvodny expedice a balírny regálové sklady uličky s obsluhou uličky bez obsluhy Průmyslové činnosti a prostory svařování hrubé a střední strojní opracování, tolerance 0,1 mm jemné strojní opracování, broušení, tolerance 0,1 mm

18 orýsování, kontrola výroba nářadí a řezných nástrojů montážní práce - střední jemné velmi jemné Administrativní prostory (Kanceláře) zakládání dokumentů, kopírování, atd psaní, psaní na stoji, čtení, zpracování dat technické kreslení konferenční a zasedací místnosti archivy Obchodní prostory prodejní prostory prostory u pokladen Dokumentace návrhu osvětlení k realizaci a posouzení vlastností osvětlení pro prostory s trvalým pobytem pracovníků má obsahovat minimálně následující údaje o jednotlivých místnostech prostorech: - název a popis prostoru a činnosti, - rozměry prostoru včetně případných stínicích překážek, - referenční číslo podle normy, - míru znečištění prostoru, - popis a rozmístění uvažovaných míst zrakových úkolů, - vlastnosti denního osvětlení, - činitele odraznosti ploch prostoru, - osvětlenosti a rovnoměrnosti osvětlení míst zrakového úkolu, - osvětlenosti a rovnoměrnosti osvětlení míst bezprostředního okolí úkolu, - osvětlenosti a rovnoměrnosti osvětlení prostoru, - činitel oslnění UGR v předpokládaných místech výskytu a směrech pohledu, - způsob provádění a intervaly údržby, - typ svítidel a světelných zdrojů, - rozmístění svítidel, - udržovací činitel, - další potřebné údaje (např. teplota, je-li neobvyklá). 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 18

19 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. žárovkové zářivkové stěny stěny Osvětlení světlé tmavé tmavé světlé tmavé tmavé strop strop světlý světlý tmavý světlý světlý tmavý přímé převážně přímé smíšené převážně nepřímé , nepřímé Požadovaný příkon pak vypočteme dle vzorce: P = E p S 100 kde P je požadovaný příkon osvětlovací soustavy (W) p poměrný příkon dle tabulky (W. m -2 ) S plocha místnosti (m 2 ) E osvětlenost (lx) 7.2 Metoda toková U tokové metody se určuje světelný tok zdrojů potřebný pro zjištění požadované osvětlenosti. Potřebný počet svítidel se pak určí dle vzorce: 19

20 n s Em = η os S z 1 Φ s kde n s je počet svítidel osvětlovací soustavy (ks) Φ s světelný tok všech zdrojů jednoho svítidla (lm) E m udržovaná osvětlenost prostoru (lx) S plocha prostoru (m 2 ) η os činitel využití osvětlovací soustavy (%), který je uváděn v katalogových listech výrobců svítidel v závislosti na činiteli místnosti a odraznosti povrchů místnosti z udržovací činitel (0,45 0,65), který se stanoví jako součin dílčích činitelů z z činitel stárnutí světelných zdrojů, z s činitel znečištění svítidel, z p činitel znečištění ploch osvětlovaného prostoru z fz činitel funkční spolehlivosti světelných zdrojů Světelný tok jednotlivých zdrojů je uveden v následující tabulce. světelný zdroj výkon (W) světelný tok (lm) světelný zdroj výkon (W) světelný tok (lm) žárovka výbojka rtuťová halogenová žárovka výbojka halogenidová zářivka liniová výbojka sodíková zářivka kompaktní Činitel místnosti se určí 5 h ( a + b k = m m ) am bm kde h je závěsná výška (m) a určí se ze vztahu 20

21 h = h m h 1 h 3, ve kterém h m je výška místnosti (m), h 1 vzdálenost svítidla od stropu (m), h 3 výška srovnávací roviny (m), a m šířka místnosti (m), délka místnosti (m). b m Příklady odraznosti vybraných povrchů v procentech (%) jsou uvedeny v následující tabulce: Malba, nátěry Dřevo Papír, tapety, tkaniny bílá dub přírodní bílý šedá světlá dub tmavý mořený světle žlutý šedá tmavá javor přírodní světle zelený žlutá světlá bříza přírodní světle modrý žlutá tmavá mahagon šedý 4 6 béžová překližka záclona bílá, světlá krémová sosnové prkno plátno černé 2 8 zelená světlá samet tmavý 1 4 zelená tmavá Stavební hmoty růžová pískovec světlý Sklo pískovec tmavý zrcadlo Omítka žula světlá průhledné, bezbarvé 6 8 bílá, čistá, nová 80 žula tmavá vzorované 7 20 bílá, špinavá, stará 30 vápenec světlý matové 6 15 světlá, čistá, nová 60 kámen světlý, nový mléčné světlá, špinavá, stará 20 kámen tmavý, starý 5 10 tmavá, nová 25 obkládačky bílé tmavá, stará 10 sádra bílá 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 = I l γ 2 V případě, že paprsky dopadají na osvětlovanou ploch pod určitým úhlem, platí Kosinový zákon = Iγ E cos γ 2 l 21

22 Ve vzorcích znamená: E osvětlenost (lx), l vzdálenost zdroje od osvětlované plochy (m), γ úhel mezi svislicí a kontrolním bodem ( ) I γ svítivost v daném směru (cd) 22