W funkcjonalnym oświetleniu wnętrz lampami LED ważne jest uzyskanie światła białego określonej jakości.
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia dotyczące kryteriów projektowania energooszczędnych systemów oświetlenia wnętrz użyteczności publicznej. Rozwiązania wykorzystujące źródła LED stwarzają możliwości lepszego dostosowania ilości i jakości światła do potrzeb i oczekiwań użytkowników wnętrz. Dobór właściwych parametrów fotometrycznych, kolorymetrycznych i elektrycznych lamp i opraw LED zapewnia uzyskanie funkcjonalnego i atrakcyjnego otoczenia świetlnego, charakteryzującego się dużą trwałością i efektywnością energetyczną.
ABSTRACT
The article presents selected issues regarding the criteria for designing energy-saving indoor lighting systems in public buildings. The solutions that use LED sources create opportunities to adapt the amount and quality of light to the needs and expectations of interior occupants in a better way. The selection of the appropriate photometric, colorimetric and electric parameters of lamps and LED light fixtures provides a functional and attractive lighting environment, characterized by high durability and energy efficiency.
Fot. 1. Centrum handlowe Posnania, Poznań [3]
Konieczność optymalizacji zużycia energii elektrycznej skutkuje dążeniem do poszukiwania efektywnych, energooszczędnych rozwiązań oświetleniowych. Nie może się to jednak odbywać kosztem jakości, estetyki i atrakcyjności oświetlenia.
Rozwój nowoczesnych technologii produkcji źródeł światła i opraw oświetleniowych, głównie z zastosowaniem diod elektroluminescencyjnych, stwarza nowe możliwości realizacji energooszczędnego oświetlenia wnętrz, zgodnego z aktualnymi wymaganiami. Dobre warunki oświetleniowe wpływają na odpowiedni poziom percepcji otoczenia przez człowieka. Aktywność ludzi już od dawna nie jest podporządkowana zmiennemu rytmowi pór dnia i nocy, ponieważ światło sztuczne pozwala obecnie w dowolny sposób kreować otoczenie świetlne, zastępując światło naturalne. Od jakości tego oświetlenia zależy efektywność wykonywanych czynności, koncentracja na pracy, poczucie bezpieczeństwa, a także zdrowie.
Wymagania oświetleniowe, sprowadzające się do konieczności zapewnienia odpowiednich warunków widzenia na stanowiskach pracy i w całym wnętrzu, zawarte są w normie [1]. Należy podkreślić, że podawane w normach poziomy oświetlenia nie zapewniają optymalnych warunków pracy wzrokowej, ale jedynie minimalne – tj. takie, poniżej których nastąpi wyraźne pogorszenie wydajności, wygody i bezpieczeństwa pracy wzrokowej. Obecnie często wiek użytkowników pomieszczeń powoduje konieczność stosowania wyższych, niż podane w normach, poziomów oświetlenia. Jest to naturalną konsekwencją wydłużającej się aktywności zawodowej pracowników oraz starzenia się społeczeństwa. Celowe jest zatem znalezienie równowagi między koniecznością racjonalizacji kosztów i potrzebą zadbania o odpowiednią jakość oświetlenia, zgodną ze współczesnymi oczekiwaniami.
Fot. 2. Sala oświetlona lampami LED
W wielu wnętrzach oświetlenie pełni funkcje nie tylko użytkowe, ale również dekoracyjne, nakierowane na budowanie nastroju, eksponowanie światłem detali architektonicznych, tworzenie w przestrzeni wnętrza swoistego przewodnika wzrokowego po ważniejszych jego elementach. Ogólny wygląd wnętrza jest korzystny, gdy przestrzenne struktury, osoby i obiekty są oświetlone w sposób tworzący wyrazisty i przyjemny obraz. Jest to również istotne dla budowy atrakcyjnego wyglądu obiektu. Oświetlenie nie powinno być ani zbyt kierunkowe, tworzące ostre cienie, ani zbyt rozproszone, tracące efekt modelowania, tworzące monotonne otoczenie. Oznacza to, że dopełnieniem podstawowego oświetlenia miejsc pracy, zgodnego z normą, powinno być oświetlenie przestrzeni, w której przebywają ludzie. Jest to niezbędne dla poprawienia wyglądu osób przebywających we wnętrzu. Opisują te warunki pojęcia: „średnie cylindryczne natężenie oświetlenia”, „modelowanie” i „oświetlenie kierunkowe” [1].
Energooszczędność oświetlenia, wyrażająca się uzyskaniem odpowiednich parametrów fotometrycznych przy możliwie niskim zużyciu energii elektrycznej oraz niskich kosztach eksploatacyjnych, zależy głównie od rodzaju zastosowanych źródeł światła i opraw, sposobu sterowania oświetleniem oraz od przyjętych zasad konserwacji urządzeń oświetleniowych.
Najczęściej dotychczas stosowanym źródłem światła w oświetleniu wnętrz użyteczności publicznej są świetlówki liniowe, charakteryzujące się stosunkowo wysoką skutecznością świetlną i trwałością, zróżnicowanymi cechami, dotyczącymi barwy światła oraz możliwością regulacji strumienia świetlnego. Obecnie coraz częściej wykorzystywane są lampy i oprawy LED. Stało się to możliwe, ponieważ w porównaniu z wcześniejszymi rozwiązaniami nastąpiła wyraźna poprawa jakości wytwarzanego światła. Dodatkowe zalety – takie jak niewielkie rozmiary, różnorodność barw, łatwość sterowania, możliwość prawie dowolnego kształtowania opraw oraz wyjątkowa efektywność i trwałość – przesądzają o ich coraz szerszym stosowaniu.
Fot. 3. Oświetlenie sali szkolnej światłem o chłodniejszej barwie – skupienie, koncentracja [3]
Fot. 4. Oświetlenie sali szkolnej światłem o cieplejszej barwie – rozmowa [3]
W funkcjonalnym oświetleniu wnętrz lampami LED ważne jest uzyskanie światła białego określonej jakości. Istnieje wiele coraz doskonalszych metod jego otrzymywania. Do najczęściej wykorzystywanych należą:
- metoda addytywna – polegająca na mieszaniu światła otrzymywanego z chipów LED o różnych barwach, co w efekcie daje promieniowanie będące mieszaniną (sumą) wykorzystanych barw;
- metoda hybrydowa – polegająca na zmieszaniu częściowo przepuszczonego promieniowania diody o barwie niebieskiej z promieniowaniem luminoforu, pobudzonego pochłoniętą częścią promieniowania diody. Zwykle wykorzystuje się luminofor emitujący światło w zakresie barwy żółtej. Coraz częściej dla uzyskania ciepłej barwy światła oraz wysokiego wskaźnika oddawania barw wykorzystuje się mieszaninę luminoforów, np. emitujących światło w zakresie barwy żółtej i czerwonej lub emitujących światło o barwie zielonej i czerwonej.
Każda z wymienionych metod ma swoje zalety i wady, również pod względem energooszczędności i trwałości użytkowej. Najwcześniej wykorzystywana metoda addytywna charakteryzuje się brakiem strat w luminoforze, związanych z przetworzeniem wzbudzającego promieniowania diody na promieniowanie o innym rozkładzie widmowym. W zależności od liczby zastosowanych diod uzyskuje się szerokie możliwości tworzenia zróżnicowanych barw, w tym światła białego o różnych cechach barwy światła.
|
Tab. Grupy wrażenia barwy światła
|
Metoda ta jest jednak wykorzystywana głównie w systemach oświetlenia dynamicznego, ponieważ wymaga drogich, skomplikowanych układów zasilania. Każda z grup diod danej barwy potrzebuje osobnego zasilania i sterowania, co wynika z różnej ich efektywności, różnych charakterystyk starzeniowych i różnego wpływu temperatury na ich parametry. Jedną z zalet metody addytywnej jest brak strat w luminoforze. Najczęściej obecnie stosowaną metodą otrzymywania światła białego jest wykorzystanie promieniowania niebieskiej diody pokrytej żółtym luminoforem. Luminofor emituje promieniowanie dające, w połączeniu z częściowo przepuszczanym promieniowaniem samej diody, światło białe. Dużą zaletą tej metody jest wysoka skuteczność świetlna, stosunkowo niewielka zależność od temperatury oraz prosta konstrukcja urządzeń.
Diody elektroluminescencyjne większych mocy są wykorzystywane do produkcji zamienników wielu tradycyjnych źródeł światła – żarówek, świetlówek kompaktowych i liniowych. Coraz częściej zastępują również lampy wyładowcze wysokoprężne.
W wielu przypadkach najprostszym sposobem uzyskania znaczących oszczędności w zużyciu energii jest zastosowanie w istniejących oprawach bardziej efektywnych lamp, wykorzystujących technologię LED. Diodowe zamienniki świetlówek dostępne są w wielu wersjach, odpowiadających dotychczas stosowanym świetlówkom T8 i T5. Przy wymianie lamp trzeba uwzględnić możliwą różnicę w rozsyle światła, co może skutkować zmianą sposobu oświetlenia powierzchni.
Najbardziej efektywnym sposobem obniżenia energochłonności oświetlenia jest wymiana przestarzałych opraw świetlówkowych na nowoczesne oprawy LED, o odpowiednio dobranych rozsyłach światła, zapewniających nie tylko wymagany poziom oświetlenia funkcjonalnego, ale również odpowiedni sposób oświetlenia przestrzeni wnętrza.
W doborze rodzaju lamp LED, oprócz wskaźników energetycznych, ważną sprawą jest ocena i dobór źródeł o barwie światła możliwie najlepiej dostosowanej do określonych zastosowań.
Rys. 1. Względny widmowy rozkład promieniowania diody niebieskiej z różnymi proporcjami emisji promieniowania luminoforu. Strzałkami zaznaczono zakresy braków promieniowania o barwie niebiesko-zielonej i czerwonej
Cechy jakościowe barwy lamp o świetle białym są charakteryzowane przez dwa niezależne parametry:
- barwę światła samych źródeł,
- właściwości oddawania barw, które wpływają na barwny wygląd obiektów i oświetlanych osób.
Barwa światła lampy odpowiada wyglądowi barwy emitowanego światła. Liczbowo parametr ten jest określany przez podanie temperatury barwowej najbliższej TCP (tab.).
Wybór barwy światła zależy od wielu czynników, takich jak zalecenia normatywne, indywidualne preferencje, ocena tego, co wydaje się naturalne. Wybór zależy również od poziomu natężenia oświetlenia, kolorystyki pomieszczenia i jego wyposażenia, od spodziewanego efektu oświetleniowego.
W rozwiązaniach oświetleniowych z zastosowaniem opraw LED można wykorzystać psychologiczne oddziaływanie barwy światła: chłodniejsza barwa światła i wysoki poziom oświetlenia sprzyja koncentracji uwagi, cieplejsze światło i niższy poziom oświetlenia tworzą nastrój relaksu, spokoju, odreagowania stresu. Można również przez zmianę barwy światła modelować zmiany zachodzące w oświetleniu naturalnym. Oddawanie barw stanowi ważną cechę źródeł światła stosowanych w oświetleniu wnętrz użyteczności publicznej. W większości zastosowań sztucznego oświetlenia dla wydolności wzrokowej i komfortu widzenia oraz dla dobrego samopoczucia ważne jest, aby barwy otoczenia, przedmiotów oraz ludzkiego ciała wyglądały naturalnie i atrakcyjnie. Dlatego w normach podawane są wymagania lub zalecenia odnośnie do stosowania źródeł o odpowiednich parametrach barwy światła.
Dla obiektywnego określania oddawania barw przez źródła światła stosuje się ogólny wskaźnik oddawania barw Ra, którego maksymalna wartość – odpowiadająca najlepszemu oddawaniu barw – wynosi 100. Wartość ta maleje przy pogarszającej się jakości oddawania barw.
W oświetleniu wnętrz można przyjąć następujące oceny oddawania barw, zależnie od wartości wskaźnika Ra:
Ra ≥ 90 – bardzo dobre oddawanie barw,
80 ≤ Ra<90 - dobre oddawanie barw,
50 ≤ Ra<80 - dostateczne oddawanie barw.
Zgodnie z wymaganiami obowiązującej normy, dotyczącej oświetlenia miejsc pracy we wnętrzach, lampy o wskaźniku oddawania barw poniżej Ra = 80 nie powinny być stosowane w pomieszczeniach, w których ludzie pracują lub przebywają przez dłuższy czas.
a) Ra = 82, R9 = 18 b) Ra = 97, R9 = 94
Rys. 2. Wskaźniki oddawania barw lamp LED: a) standardowej, b) o podwyższonych parametrach [2]
Cechy barwy światła, uzyskiwanego w lampach LED w efekcie mieszania promieniowania diody niebieskiej i żółtego luminoforu, zależą od proporcji między promieniowaniem diody i emisją luminoforu. Im barwa światła jest cieplejsza, tym większy staje się udział promieniowania luminoforu. Skutkiem tego obniża się skuteczność świetlna, ale poprawia się jakość światła – wskaźnik oddawania barw jest wyższy. Jednak, jak pokazano na rys. 1, występują zakresy widma z wyraźnymi deficytami promieniowania – głównie dla barwy niebiesko-zielonej i dla czerwieni – co ma wpływ na subiektywny odbiór tego typu światła przez użytkowników.
W odniesieniu do lamp LED ogólny wskaźnik oddawania barw Ra, zgodnie z przyjętą metodą, wyznaczany dla ośmiu nienasyconych barw, nie zawsze właściwie opisuje jakość wyglądu barw nasyconych obserwowanych w ich świetle. We wnętrzach użyteczności publicznej szczególnie ważna jest barwa czerwona. Niedostateczny udział czerwieni w widmie promieniowania lamp wpływa niekorzystnie na wygląd ludzkiej skóry, a więc pośrednio na samopoczucie osób w takim otoczeniu świetlnym.
Z tego powodu, tam gdzie jest to uzasadnione, przy doborze źródeł światła do oświetlenia stref, w których przebywają ludzie, a więc również do ogólnego oświetlenia wnętrz obiektów użyteczności publicznej korzystne jest wykorzystywanie lamp o wysokim wskaźniku oddawania barwy czerwonej – opisanym przez wskaźnik R9 (rys. 2). Eksploatacyjne zmiany parametrów oświetlenia mają istotny wpływ na jego energooszczędność. Zmiany te w fazie projektowania są uwzględniane przez szacowanie stopnia wpływu poszczególnych czynników na obniżanie się poziomu oświetlenia. W rezultacie przyjmowany jest odpowiedni stopień przewymiarowania oświetlenia, powiązany z harmonogramem prowadzenia zabiegów konserwacyjnych.
Przyczyny powodujące zmiany parametrów oświetleniowych związane są z wieloma czynnikami, takimi jak: temperatura otoczenia, właściwości stateczników i zasilaczy, starzenie się materiałów, obniżanie się współczynników odbicia powierzchni, eksploatacyjne zmiany parametrów lamp, zabrudzanie się opraw oświetleniowych itp.
Rys. 3 Określanie trwałości użytkowej lamp i opraw LED na podstawie zmian strumienia świetlnego
Stopień obniżenia poziomu natężenia oświetlenia, po określonym czasie użytkowania urządzenia oświetleniowego, odniesiony do poziomu natężenia oświetlenia dla nowego urządzenia, określa współczynnik utrzymania. Wartość tego współczynnika decyduje o stopniu początkowego przewymiarowania poziomu oświetlenia, a więc o zwiększeniu zużycia energii. Można wyróżnić dwie grupy czynników wpływających na pogarszanie się oświetlenia:
- pierwsza grupa obejmuje czynniki, takie jak starzenie się elementów opraw, zależne od ich konstrukcji oraz od jakości materiałów, z których wykonane są optycznie czynne powierzchnie;
- druga grupa obejmuje czynniki, których wpływ można ograniczyć przez dobór odpowiedniego sprzętu oraz w wyniku prowadzenia planowych, okresowych zabiegów eksploatacyjnych. W ogólnym ujęciu dotyczą one wymiany źródeł światła i uszkodzonych elementów osprzętu, czyszczenia lamp i opraw oświetleniowych oraz odnawiania ścian pomieszczeń.
Diody elektroluminescencyjne charakteryzują się zasadniczo odmiennymi cechami eksploatacyjnymi niż dotychczas powszechnie stosowane źródła światła. W wyznaczaniu współczynnika utrzymania, w odniesieniu do tradycyjnych lamp, uwzględnia się spadek strumienia świetlnego oraz trwałość średnią – wyznaczaną jako czas, w którym ulegnie przepaleniu 50% testowanych egzemplarzy. Lampy LED mogą pracować ponad 100 tys. godzin i dalej będą emitowały ciągle obniżający się strumień świetlny. Stąd wynika potrzeba innego sposobu szacowania ich trwałości użytkowej, a w konsekwencji przyjmowanych współczynników utrzymania.
Zgodnie z obecnie przyjętymi zasadami okresowo wykonywane przez producentów pomiary strumienia świetlnego lamp, modułów i opraw LED umożliwiają prognozowanie trwałości użytkowej, przy założeniu określonego poziomu, do którego może się obniżyć strumień, zwykle wyrażany w procentach wartości początkowych. Najczęściej był to dotychczas poziom 70%, oznaczany jako L70 (rys. 3). Coraz częściej podawane są wartości L90 i L80, dotyczące spadku strumienia świetlnego odpowiednio do 90% i 80% wartości początkowej. Trwałość użytkowa opisana jako spadek strumienia świetlnego, np. do 80% wartości początkowej – L80, dotyczy średniej wartości dla badanej grupy lamp. Jednak strumienie świetlne pojedynczych lamp w tej grupie mogą się istotnie różnić, stąd w kartach katalogowych jest obecnie podawany parametr B zawierający informację o takich różnicach. Przykładowo opis L80B50 oznacza, że w określonym czasie strumień świetlny obniży się średnio do 80% wartości początkowej, ale 50% z tych lamp lub opraw będzie miało strumień świetlny poniżej wartości 80%. Jest to bardzo ważna informacja, umożliwiająca ocenę jakości i powtarzalności parametrów wykorzystywanych źródeł światła. Wysoki wskaźnik L, dotyczący spadku strumienia świetlnego lamp, ogranicza początkowe przewymiarowanie systemu oświetlenia, a więc obniża jego energochłonność. Wysoki wskaźnik B ogranicza możliwość wystąpienia lokalnego niedoświetlenia wnętrza i konieczność wcześniejszej wymiany lamp.
Podsumowanie. Postęp, jaki się dokonał w technologii produkcji diod elektroluminescencyjnych, powoduje, że stają się one efektywnym energetycznie źródłem światła o bardzo dobrych cechach jakościowych, co przesądza o ich coraz szerszym stosowaniu zarówno w funkcjonalnym, jak i dekoracyjnym oświetleniu wnętrz użyteczności publicznej.
Główną zaletą lamp LED jest wysoka skuteczność świetlna oraz wysoka trwałość, co się przekłada na możliwość uzyskania znaczącego obniżenia kosztów eksploatacji oświetlenia.
W dążeniu do poprawy energooszczędności systemów oświetleniowych równocześnie należy zapewnić nie tylko odpowiedni poziom, ale i odpowiednią jakość oświetlenia.
dr inż. Małgorzata Górczewska
Politechnika Poznańska
Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej
Literatura
- PN-EN 12464-1:2012 Światło i oświetlenie – Oświetlenie miejsc pracy – Część 1: Miejsca pracy we wnętrzach.
- http://www.yujiintl.com/img/graphics/stan- dard_led_cri.png dostęp 7.05.2017.
- Philips Lighting Poland (udostępnione do wykorzystania).
