Světlo a osvětlování Ing. Tomáš Mlčák, Ph.D. Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB TUO Katedra elektrotechniky http://fei1.vsb.cz/kat420 Technická zařízení budov III Fakulta stavební
ZÁKLADNÍ VELIČINY A POJMY 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 nebo kmitočtem f, mezi kterými platí vztah c f Kde je vlnová délka (m) f je kmitočet (Hz) c je rychlost šíření světla ve vakuu (m.s-1) (299 792 458 m/s)
ZÁKLADNÍ VELIČINY A POJMY Tři základní vlastnosti světla (a elektromagnetického vlnění vůbec) jsou svítivost (amplituda), barva (frekvence) a polarizace (úhel vlnění). Elektromagnetické spektrum zahrnuje elektromagnetické záření všech možných vlnových délek. Quantum elektromagnetického záření o konkrétní vlnové délce (frekvenci) nazýváme foton. Foton je elementární částice, kterou popisujeme kvantum elektromagnetické energie. Foton má energii E E h f Kde E je energie fotonu (J) f je kmitočet (Hz) h = 6.6252 10 34 J s = 4.1 μev/ghz je Planckova konstanta
ZÁKLADNÍ VELIČINY A POJMY Druh záření Označení Vlnová délka Kmitočet (nm) f (Hz) UV C 100 280 (30 10,7).10 14 Ultrafialové UV B 280 315 (10,7 9,5).10 14 UV A 315 380 (9,5 7,89).10 14 fialová 380 430 (7,89 6,98).10 14 modrá 430 490 (6,98 6,12).10 14 Viditelné zelená 490 570 (6,02 5,26).10 14 žlutá 570 600 (5,26 5,0).10 14 oranžová 600 630 (5,0 4,76).10 14 červená 630 780 (4,76 3,84).10 14 IR A 780 1 400 (3,84 2,14).10 14 Infračervené IR B 1 400 3. 10 3 (2,14 1,0).10 14 IR C 3. 10 3 10 4 (1,0 0,3).10 14
ZÁKLADNÍ VELIČINY A POJMY
ZÁKLADNÍ VELIČINY A POJMY Světelný tok Světelný tok udává, kolik světla vyzáří světelný zdroj do všech směrů a vyjadřuje schopnost zářivého toku způsobit zrakový vjem. Jednotka je lumen (lm) a značka. Prostorový úhel Prostorový úhel je úhel při vrcholu kužele a má hodnotu 1 steradián, když vyřízne z kulové plochy koule o poloměru 1 m plochu 1 m 2. Jednotka je steradián (sr) a značka. Φ I (cd; lm, sr) Svítivost, křivky svítivosti Svítivost udává, kolik světelného toku vyzáří světelný zdroj nebo svítidlo do prostorového úhlu v určitém směru. Vystihuje rozložení světelného toku zdroje nebo svítidla v prostoru. Jednotka je kandela (cd) a značka I. Křivky svítivosti jsou řezy plochy svítivosti, které procházejí světelným středem svítidla a v polárních souřadnicích zobrazují vyzařování svítivosti svítidla.
ZÁKLADNÍ VELIČINY A POJMY Osvětlenost, intenzita osvětlení Osvětlenost udává kolik světelného toku dopadá na plochu 1 m2, to znamená, jak je určitá plocha osvětlována. Jednotka je lux (lx) a značka E. E Φ S (lx; lm, m2) Světlení Světlení stanovuje velikost světelného toku vycházejícího z plochy. Jednotka je lumen na metr čtvereční (lm.m-2) a značka H. Jas Jas je měřítkem pro vjem světlosti svítícího nebo osvětlovaného tělesa, jak je vnímá lidské oko. Jednotka je kandela na metr čtvereční (cd.m-2) a značka L. L I S p kde Sp je viditelná svítící plocha v m2.
ZÁKLADNÍ VELIČINY A POJMY Měrný výkon Měrný výkon světelného zdroje je podíl vyzařovaného světelného toku a příkonu světelného zdroje, a vyjadřuje kolik lumen světelného toku se získá z 1 W elektrického příkonu svítidla. Jednotka je lumen na watt (lm.w-1) a značka v. η v Φ P (lm.w-1; lm, W), kde P je elektrický příkon svítidla. Akomodace, adaptace, zraková ostrost Akomodace oka je jeho přizpůsobení vzdálenostem pozorovaných předmětů změnou zakřivení oční čočky. Akomodační schopnost s věkem pozorovatele klesá. Adaptace je přizpůsobení se oka různým osvětlenostem. Rozeznáváme adaptaci na světlo, která může trvat sekundy a minuty a na tmu, která může trvat minuty. Zraková ostrost je schopnost oka rozlišovat zřetelně předměty, jejichž vzájemná vzdálenost je malá. Zraková ostrost vzrůstá s přibývajícím jasem a s věkem pozorovatele ubývá.
ZÁKLADNÍ VELIČINY A POJMY Oslnění jednotné hodnocení oslnění UGR Je to nepříznivý stav zraku, který ruší zrakovou pohodu a zhoršuje nebo i znemožňuje vidění. Jeho příčinou je přílišný jas vzhledem k adaptaci oka. Rozlišujeme oslnění: A) Psychologické, kde se jedná o oslnění rušivé, které vzniká tím, že zdroj vyššího jasu v pohledovém poli vzbuzuje nepříjemný pocit, odpoutává pozornost od pozorovaného předmětu B) Fyziologické rozeznáváme - omezující, které se projevuje snížením zrakové schopnosti, rozlišitelnosti a ostrosti vidění - oslepující, které znemožňuje vidění po nějakou dobu i po zániku příčiny Odraz, prostup, pohlcení Světelně technické vlastnosti látek jsou charakterizovány činiteli odrazu, činitelem prostupu a činitelem pohltivosti. Pro činitele platí + + = 1 Světelný tok dopadající na plochu se dělí na 3 části a to na světelný tok který se odrazí, který látkou prostoupí a který látka pohltí.
ZÁKLADNÍ VELIČINY A POJMY Chromatičnost světla Pro účely osvětlování se světelné zdroje dělí podle chromatičnosti světla, která je charakterizována: - teplotou chromatičnosti Tc, která má jednotku Kelvin (K) a vyjadřuje barevnou jakost světla - indexem podání barev Ra, který je vyjádřen číslem od 0 do 100. Index podání barev Ra = 100 ukazuje na světelný zdroj, který podává věrohodně všechny barvy ve spektru.
NORMY Základní normy vztahující se k osvětlení: ČSN EN 12 665 - Světlo a osvětlení - Základní termíny a kritéria pro stanovení požadavků na osvětlení ČSN EN 12464-1 - Světlo a osvětlení - Osvětlení pracovních prostorů - Část 1: Vnitřní pracovní prostory ČSN EN 12464-2 - Světlo a osvětlení - Osvětlení pracovních prostorů - Část 2: Venkovní pracovní prostory ČSN EN 1838 - Světlo a osvětlení - Nouzové osvětlení ČSN 36 0020 - Sdružené osvětlení
ELEKTRICKÉ SVĚTELNÉ ZDROJE Na světelné mikroklima a tím i na světelnou pohodu mají vliv vlastnosti světelného zdroje, který je charakterizován těmito parametry: - teplota chromatičnosti (teplota barvy) vyzařovaného světla Tc (K), která je základním ukazatelem světelného spektra - index barevného podání Ra, který udává srovnatelnost barevného podání při osvětlení zvoleným světelným zdrojem s barevným podáním při osvětlení denním světlem - stupeň jakosti podání barev, který je srovnatelný s indexem barevného podání - světelný tok vyjadřuje schopnost zářivého toku způsobit zrakový vjem. Jednotkou je lumen (lm) - 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
ELEKTRICKÉ SVĚTELNÉ ZDROJE Světelný zdroj Index R a Jakost podání barev Měrný výkon (lm.w -1 ) Teplota chromatičnosti (K) Životnost (h) LED 70-90 - 150 2 500 6 600 100 000 Doutnavka - - 1,0-80 000 Žárovka 100 1 10-15 2 800 1 000 Žárovka halogenová 100 1 25 3 000 2 000 Zářivka lineární 40-95 1-4 40-95 2 900 6 500 5 000 12 000 Zářivka kompaktní 80-95 1-2 60-80 2 700 4 000 5 000 Rtuťová výbojka 40-70 3-4 32-60 3 000 4 000 8 000 2 000 Halogenidová výbojka 65-85 2-3 70-100 3 000 5 200 5 000 6 000 Sodíková výbojka 23-80 2-5 60-180 2 500 5 000-12 000
ZDROJE SVĚTLA PLYNY A PÁRY KOVŮ SAMOSTATNÝ ELEKTRICKÝ VÝBOJ 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
ELEKTRICKÁ SVÍTIDLA Kvalitního a energeticky úsporného osvětlení dosáhneme nejen vhodnou volbou světelných zdrojů, ale také odpovídajících svítidel. Účelem svítidel je zajistit: - rozložení a usměrnění světelného toku podle požadavků osvětlovaného prostoru - omezení možnosti oslnění od elektrického zdroje - ochranu osob před úrazem elektrickým proudem při manipulaci se svítidlem - vyloučení možnosti vzniku požáru způsobeného od světelného zdroje - bezpečné upevnění světelného zdroje včetně jeho elektrického napojení - výtvarné doplnění osvětlovaného prostoru
ELEKTRICKÁ SVÍTIDLA 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.
ELEKTRICKÁ SVÍTIDLA Na základě poměru světelného toku usměrněného do dolního poloprostoru k celkovému světelnému toku vyzařovaného svítidlem rozdělujeme svítidla dle následující tabulky: Třída rozložení světelného toku Název třídy rozložení světelného toku Poměr světelného toku usměrněného do dolního poloprostoru k celkovému světelnému toku svítidla (%) I Svítidlo přímé 90-100 II Svítidlo převážně přímé 60-90 III Svítidlo smíšené 40-60 IV Svítidlo převážně nepřímé 10-40 V Svítidlo nepřímé 0-10
ELEKTRICKÁ SVÍTIDLA 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.
ELEKTRICKÁ 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.
ELEKTRICKÁ SVÍTIDLA 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.
UMĚLÉ OSVĚTLENÍ VNITŘNÍCH PROSTORŮ Pro osvětlení vnitřních prostorů můžeme použít tři druhy osvětlení: denní osvětlení, které využívá přírodní světlo, které se do prostoru dostává otvory ve stavební konstrukci, jako jsou okna, světlíky a pod. Navrhuje se nezávisle na umělém osvětlení. umělé osvětlení, které využívá světlo od umělých světelných zdrojů. Navrhuje se nezávisle na denním osvětlení. sdružené osvětlení, které využívá současně jak denní, tak umělé osvětlení. Umělé osvětlení musí denní vhodně doplňovat.
OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY Hlavní parametry určující světelné prostředí: - rozložení jasu, - osvětlenost, - směrovost světla, - podání barev a barevný tón světla, - míhání světla, - denní světlo. 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 0,5.
OSVĚTLOVACÍ SOUSTAVY 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) 750 500 500 300 300 200 200 E úkolu rovnoměrnost osvětlení: 0,7 rovnoměrnost osvětlení: 0,5
Referenční číslo Druh prostoru, úkolu nebo činnosti E m UGR L R a Komunikační zóny a společné prostory uvnitř budov 1.1.1 - komunikační prostory a chodby 100 28 40 1.1.2 - schodiště, eskalátory, pohyblivé chodníky 150 25 40 1.2.1 - kantýny, spíže 200 22 80 1.2.2 - odpočívárny 100 22 80 1.2.4 - šatny, umývárny, koupelny, toalety 200 22 80 1.3.1 - provozní místnosti, rozvodny 200 25 60 1.4.2 - expedice a balírny 300 25 60 1.5.1 - regálové sklady uličky s obsluhou 150 22 60 1.5.2 uličky bez obsluhy 20-40 Průmyslové činnosti a prostory 2.13.3 - svařování 300 25 60 2.13.4 - hrubé a střední strojní opracování, tolerance 0,1 mm 300 22 60 2.13.5 - jemné strojní opracování, broušení, tolerance 0,1 mm 500 19 60 2.13.6 - orýsování, kontrola 750 19 60 2.13.10 - výroba nářadí a řezných nástrojů 750 19 60 2.13.11 - montážní práce - střední 300 25 80 - jemné 500 22 80 ČSN EN 12464-1 - velmi jemné 750 19 80
VÝPOČET UMĚLÉHO OSVĚTLENÍ 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 tabulky. Požadovaný příkon pak vypočteme dle vzorce: P p S E pk 100 kde P je požadovaný příkon osvětlovací soustavy (W) p je poměrný příkon dle tabulky (W m -2 ) S je plocha místnosti (m -2 ) Epk je požadovaná osvětlenost (lx)
VÝPOČET UMĚLÉHO OSVĚTLENÍ Metoda toková U tokové metody se určuje světelný tok zdrojů potřebný pro zjištění požadované osvětlenosti. Světelný tok jednotlivých zdrojů je uveden v následující tabulce: světelný zdroj výkon světelný světelný zdroj výkon (W) světelný (W) tok (lm) tok (lm) žárovka 60 730 výbojka 80 3 800 100 1 380 rtuťová 125 6 300 200 3 000 250 12 000 halogenová 60 780 400 22 000 žárovka 75 1 000 výbojka 400 30 000 100 1 350 halogenidová 1000 90 000 150 2 400 2000 200 000 250 4 000 3500 370 000 zářivka 18 1 150 výbojka 50 3 600 liniová 36 2 850 sodíková 70 5 800 58 4 600 150 14 000
VÝPOČET UMĚLÉHO OSVĚTLENÍ Metoda toková Potřebný počet svítidel se pak určí dle vzorce: n s E pk os S z 1 Φ s Z tabulky na základě k 0,45 0,65 kde ns je počet svítidel osvětlovací soustavy (ks) s je světelný tok všech zdrojů jednoho svítidla (lm) Epk je osvětlenost prostoru (lx) S je plocha prostoru (m2) os je činitel využití osvětlovací soustavy (%), který je uváděn v katalogových listech výrobců svítidel v závislosti na činiteli místnosti a odraznosti povrchů místnosti z je udržovací činitel, který se stanoví jako součin dílčích činitelů zz světelných zdrojů, zs znečištění svítidel, zp znečištění ploch osvětlovaného prostoru zfz funkční spolehlivosti svítidel
VÝPOČET UMĚLÉHO OSVĚTLENÍ Metoda toková Činitel místnosti se určí: k 5 h a ( a m m m ) b m b kde h je závěsná výška (m) a určí se ze vztahu h = hm h1 h3, ve kterém hm je výška místnosti (m), h1 je vzdálenost svítidla od stropu (m), h3 je výška srovnávací roviny (m), am šířka místnosti (m), bm délka místnosti (m).
Děkuji za pozornost Nashledanou