Dobieranie źródeł światła i opraw oświetleniowych

4.1. Źródła światła

4.1.1. Materiał nauczania

Wielkości świetlne

W technice świetlnej stosuje się następujące wielkości świetlne:

− strumień świetlny φ [lm];

− światłość I [cd];

luminancja

Powyższe wielkości charakteryzują źródło światła. Strumień świetlny określa ilość światła

wypromieniowaną przez źródło. Światłość określa ilość światła wypromieniowaną

w określonym kierunku (lub w określonej przestrzeni - kącie bryłowym). Luminancja jest

wielkością, która określa, jak dużo światła wypromieniowuje dana powierzchnia źródła

(np. jeżeli ta sama ilość światła wypromieniowana jest przez świetlówkę i żarówkę

halogenową, to większą luminancję posiadać będzie żarówka halogenowa ze względu na małą

powierzchnię). Duża luminancja jest zjawiskiem niepożądanym, gdyż prowadzi zwykle do

powstania olśnienia.

Parametrami dodatkowymi charakteryzującymi źródła światła są:

− skuteczność świetlna określająca, ile światła można uzyskać z mocy elektrycznej tego

źródła; im wyższa skuteczność świetlna, tym źródło bardziej wydajne,

− współczynnik oddawania barw, który określa wierność oddawania barw przedmiotów

oświetlanych tym źródłem w odniesieniu do światła słonecznego.

W przypadku elektrycznych źródeł światła podaje się moc elektryczną, napięcie znamionowe

oraz rodzaj przyłącza (np. gwint E27).

Podstawowymi parametrami charakteryzującymi oświetlenie obiektów są:

natężenie oświetlenia

− równomierność oświetlenia.

Właściwości źródeł światła

W oświetleniu elektrycznym stosowane źródła światła emitują promieniowanie świetlne

wykorzystując trzy różne sposoby:

− poprzez promieniowanie cieplne (na skutek nagrzewania się włókien żarowych),

− poprzez wyładowania elektryczne zachodzące w gazach, przy czym w lampach tych

można wykorzystać bezpośrednio wyładowanie elektryczne lub też zastosować luminofor

świecący pod wpływem fotonów pochodzących z wyładowania elektrycznego.

Pierwszy rodzaj źródeł nazywać będziemy żarówkami, zaś drugi lampami wyładowczymi.

W technice oświetleniowej stosuje się również kompilację wyżej wymienionych źródeł, czyli

lampy żarowo - wyładowcze.

Lampy żarowe (żarówki)

Są źródłami światła, w których elementem emitującym światło jest żarnik rozgrzany pod

wpływem przepływu prądu elektrycznego. Żarnik wykonany jest najczęściej z domieszkowanego

wolframu. W celu zwiększenia trwałości włókna bańki żarówek wypełnione są gazem (przy

wyższych mocach żarówek) lub też pozbawione gazu (próżnia) w żarówkach mniejszych

mocy. Żarówki głównego szeregu produkowane są na napięcie 230 V. Oprócz tego żarówki

produkowane są na napięcia: 2,5 V, 3 V, 3,5 V, 6 V, 12 V, 24 V. Moc żarówek waha się od

15 do 1500 W. Typowe mocowanie żarówek w oprawach dokonywane jest za pomocą gwintu

(o oznaczeniach E: 40, 27, 14, 10, 5) lub bagnetu, w przypadku żarówek narażonych na

wstrząsy.

Wszystkie żarówki charakteryzuje bardzo dobre oddawanie barw. Wadą żarówek jest duża

wrażliwość na wahania napięcia oraz niewielka trwałość.

Odrębną grupę żarówek stanowią żarówki halogenowe, które uzyskują wysoką trwałość ze

względu na regeneracyjny cykl halogenowy. Aby cykl mógł zachodzić, konieczne jest

spełnienie dwóch warunków: wypełnienie bańki żarówki halogenkami oraz wytworzenie

temperatury powyżej 2500 C. Tak wysoką temperaturę uzyskuje się zmniejszając wymiary

bańki. Konieczne jest wówczas wykonanie jej z kwarcu.

Lampy fluorescencyjne

Lampy fluorescencyjne (świetlówki) są to źródła światła, w których światło emitowane

jest przez luminofor, którym pokryta jest wewnętrzna strona bańki. Luminofor świeci pod

wpływem promieniowania ultrafioletowego, będącego efektem uwalniania elektronów

z atomów rtęci znajdujących się wewnątrz świetlówki. Światło emitowane przez świetlówki

ma długość od 400 do 700 nm i jej barwa zależy od rodzaju użytego luminoforu. Ze względu

na to, że światło emitowane przez świetlówkę jest „skupione” w niewielkim zakresie długości

fal, posiada ona dużo większą sprawność niż żarówka, która emituje światło w szerokim

zakresie długości fal. Ze względu na duże wymiary świetlówka ma bardzo małą luminancję

i w zasadzie nie wywołuje olśnienia. Głównymi zaletami świetlówek jest więc duża

skuteczność, mała luminancja oraz duża trwałość (zwykle podawana w cyklu 12 godzinnym).

Częste załączanie i wyłączanie świetlówki powoduje znaczne obniżenie jej trwałości.

Do podstawowych wad świetlówek zaliczyć można tętnienie strumienia świetlnego, słabe

oddawanie barw oraz skomplikowany układ zasilający. O ile żarówki można podłączyć

bezpośrednio do źródła napięcia, świetlówki wymagają zastosowania statecznika oraz

zapłonnika. Ze względu na to, że w świetlówce występuje wyładowanie elektryczne,

konieczne jest wywołanie przepięcia elektrycznego. W tym celu prąd płynący przez

statecznik (dławik) jest przerywany przez zapłonnik, co wytwarza falę przepięciową

niezbędną do zapalenia świetlówki. Statecznik w czasie normalnej pracy służy również

do ograniczenia prądów wyładowczych. Zapłonniki wykonuje się w wersji lampowej

(elementem przerywającym obwód jest termobimetal) lub w wersji elektronicznej. Obecnie

powszechnie stosowane są świetlówki kompaktowe, w których zapłonnik elektroniczny

i statecznik oraz sama świetlówka umieszczone są w jednej obudowie z gwintem E27,

co przypomina kształtem żarówkę. W celu ograniczenia tętnienia strumienia świetlnego

świetlówki zasila się napięciem o wysokiej częstotliwości i wówczas w obudowie znajduje się

również przetwornik częstotliwości. Obecnie lampy fluorescencyjne są grupą źródeł światła,

która rozwija się bardzo dynamicznie. Kolejne generacje tych lamp pokazują trendy

rozwojowe w projektowaniu źródeł światła. Obecnie nowością na rynku są lamy posiadające

wewnętrzny odbłyśnik kształtujący strumień świetlny oraz lampy bezelektrodowe o bardzo

dużej trwałości dochodzącej do 60000 h. Świecenie luminoforu w tych lampach wywołane

jest przez silne pole magnetyczne.

Lampy rtęciowe

Lampy rtęciowe (LR) są źródłami światła o wyładowaniu łukowym. W lampie rtęciowej

łuk elektryczny pomiędzy elektrodami pali się w oparach rtęci, emitując światło widzialne.

W celu poprawy barwy światła niektóre lamy rtęciowe posiadają zewnętrzną bańkę pokrytą

luminoforem (LRF).

Ze względu na ograniczone widmo promieniowania lampy rtęciowe posiadają bardzo

duży strumień świetlny (skuteczność świetlna wynosi ok. 60 lm/W) przy ograniczonym

współczynniku oddawania barw (lampy rtęciowe emitują światło niebiesko-zielone). Zaletą

lamp rtęciowych jest ich duża trwałość sięgająca 12000 godzin. Podstawową wadą lamp

rtęciowych jest skomplikowany zapłon (wymagają one podobnych układów zasilających jak

świetlówki) oraz duża wrażliwość na zanik napięcia zasilającego. Lampa rtęciowa osiąga

zapłon po 3-5 minutach, wtedy gdy temperatura wewnątrz bańki osiąga ok. 6000 C.

W przypadku wystąpienia przerwy w obwodzie zasilającym ponowny zapłon lampy jest

możliwy dopiero po jej wystudzeniu. Lampy rtęciowe przeznaczone są do stosowania na

zewnątrz. W pomieszczeniach mają one bardzo ograniczone stosowanie i dopuszcza się ich

użytkowanie w pomieszczeniach wyższych niż 4 m.

Lampy sodowe

Zasada działania lampy sodowej jest identyczna jak lampy rtęciowej. Jarznik lampy

sodowej wypełniony jest parami sodu i rtęci, co powoduje, że całe światło emitowane przez

lampę sodową skupione jest praktyczne na długości ok. 590 nm, co z kolei odpowiada żółtej

barwie światła.

Lampy sodowe posiadają bardzo dużą skuteczność świetlną (do 120 lm/W). Dodatkową

zaletą lamp sodowych jest bardzo duża trwałość (do 20 000 godzin) oraz zapewnienie dużego

kontrastu widzenia, co powoduje ich masowe zastosowanie w oświetleniu ulic. W oświetleniu

wnętrz lamp sodowych praktycznie się nie stosuje.

4.2. Oprawy oświetleniowe

4.2.1 Materiał nauczania

Dla potrzeb eksploatacji źródeł światła są one umieszczane w oprawach oświetleniowych.

Oprawy oświetleniowe są konstruowane w zależności od przeznaczenia i warunków,

w których mają pracować. Oprawy oświetleniowe spełniają następujące funkcje:

− mocują źródła światła,

− przyłączają źródła światła do zasilania,

− formują strumień świetlny,

− chronią źródła światła przed wpływem czynników zewnętrznych,

− wywołują efekt estetyczny.

Ze względu na zastosowanie oprawy oświetleniowe dzieli się na:

− oprawy do oświetlenia zewnętrznego,

− oprawy do oświetlenia wnętrz,

− oprawy przemysłowe,

− oprawy do pomieszczeń użyteczności publicznej,

− oprawy specjalne.

Oprawy oświetleniowe dzielimy również ze względu na podział strumienia świetlnego

emitowanego przez oprawę. Pod tym względem oprawy dzielimy na:

− oprawy I klasy (oświetlenie bezpośrednie), które emitują w dół od 90 do 100%

całkowitego strumienia świetlnego - stosowane głównie w wysokich pomieszczeniach,

− II klasy (oświetlenie przeważnie bezpośrednie), które emitują w dół od 60 do 90%

całkowitego strumienia świetlnego,

− III klasy (oświetlenie pośrednie), które emitują w dół od 40 do 60 % całkowitego

strumienia świetlnego. Oprawy te stosowane są głównie w pomieszczeniach użyteczności

publicznej i pomieszczeniach mieszkalnych,

− IV klasy (oświetlenie przeważnie pośrednie), które emitują w dół od 10 do 40%

całkowitego strumienia świetlnego,

− V kategorii, które emitują w dół jedynie do 10 % całkowitego strumienia świetlnego

(światło odbite jest od sufitu). Ze względu na zastosowanie światła rozproszonego

stosowane są głównie w pomieszczeniach mieszkalnych oraz użyteczności publicznej

jako oświetlenie ogólne.

Innymi ważnymi parametrami oprawy oświetleniowej są:

− sprawność oprawy, która mówi jaka część strumienia świetlnego pochodzącego ze źródła

światła jest emitowana przez oprawę. Określa się ją wzorem:

gdzie η -

sprawność oprawy, Φuż - strumień użyteczny emitowany przez oprawę, Φc - strumień

całkowity emitowany przez nieosłonięte źródło światła,

− kąt ochrony δ, który określa kąt pod którym źródło światła przestaje być widoczne,

− krzywa światłości określająca strumień świetlny emitowany w określonym kierunku.

− stopień ochrony IP przed wilgocią oraz pyłem (np. oprawa zwykła posiada stopień

ochrony przed zanieczyszczeniami IP20, oprawy o podwyższonej odporności na wodę

odpowiednio IPX3, IPX4 itd.).

W tym zakresie oprawy dzieli się na :

− oprawy zwykłe (IP 20),

− oprawy odporne na wodę (od IPX2 - oprawa kroploodporna do IPX7 - oprawa

wodoszczelna),

− oprawy pyłoodporne (IP5X),

− oprawy pyłoszczelne (IP6X).

W zależności od przeznaczenia oprawy dzielimy na:

− przemysłowe,

− zewnętrzne,

− do pomieszczeń użyteczności publicznej,

− projektory oświetleniowe,

− specjalnego przeznaczenia.

Oprawy oświetleniowe muszą spełniać szereg wymagań związanych przede wszystkim

z bezpieczeństwem instalowania oraz użytkowania, trwałością, parametrami świetlnymi oraz

estetyką.

Wytyczne dotyczące montażu opraw oświetleniowych [2]:

1. umocowanie oprawy oświetleniowej powinno być trwałe, jeżeli do mocowania oprawy

zwieszakowej użyto rury to przewody zasilające powinny być prowadzone wewnątrz tej

rury. Niedozwolone jest łączenie przewodów wewnątrz rury.

2. oprawy do oświetlenia ewakuacyjnego muszą być oznaczone żółtym pasem o szerokości

2 cm. Oprawy te muszą być podłączone bezpośrednio do źródła zasilania,

3. oprawy oświetleniowe przeznaczone do umieszczenia na zewnątrz należy zamontować

w sposób uniemożliwiający ich kołysanie,

4. przy wprowadzeniu do oprawy jednofazowej obwodów wielofazowych przewody faz

niewykorzystanych powinny być prowadzone przelotowo bez przecinania w oprawie,

5. oprawy oświetleniowe oświetlenia podstawowego umieszczone w pomieszczeniach

innych niż suche na wysokości mniejszej niż 250 cm i zasilane napięciem wyższym od

napięcia bezpiecznego muszą mieć konstrukcję uniemożliwiającą bezpośrednie dotknięcie

źródła światła,

6. typ oprawy musi być dostosowany do warunków panujących w pomieszczeniu.

4.3. Projektowanie oświetlenia

4.3.1. Materiał nauczania

Zasady oświetlenia wewnętrznego

Projektując oświetlenie należy brać pod uwagę następujące czynniki:

− charakter pomieszczenia (lub terenu zewnętrznego),

− wymogi przepisów prawa (w szczególności norm),

− estetykę oświetlenia,

− względy ekonomiczne.

Do podstawowych parametrów branych pod uwagę przy projektowaniu oświetlenia

wewnętrznego należą:

− natężenie oświetlenia Eśr rozumiane jako średnia wartość natężenia oświetlenia na

płaszczyźnie roboczej. Wybrane wartości przedstawiono w tabeli poniżej,

− współczynnik zapasu (K) określa się ze względu na zmniejszanie się strumienia

świetlnego w funkcji czasu spowodowanego zabrudzeniem opraw.

W oświetleniu wnętrz najczęściej stosowane są następujące metody:

− metoda sprawności oświetlenia,

− metoda punktowa.

Metoda sprawności oświetlenia.

Metodę sprawności oświetlenia stosuje się do obliczania oświetlenia ogólno w pomieszczeniach,

w których światło odbite od ścian, sufitu i podłogi odgrywa znaczącą rolę. Metoda ta polega

na obliczenia całkowitego strumienia świetlnego potrzebnego do uzyskania wymaganego

normą średniego natężenia oświetlenia. Sumień ten oblicza się ze wzoru:

gdzie Eśr - średnie natężenie oświetlenia na płaszczyźnie roboczej, S - pole

powierzchni płaszczyzny roboczej, K - współczynnik zapasu, ηos - sprawność oświetlenia.

Sprawność oświetlenia jest cechą charakterystyczną opraw i podawana jest w katalogach

opraw oświetleniowych. W tabeli poniżej podano przykładowe wartości sprawności

Pole płaszczyzny roboczej oblicza się ze wzoru: S = PQ, gdzie P oznacza szerokość

pomieszczenia, zaś Q jego długość.

Wartość sprawności oświetlenia zależy od:

− rodzaju oprawy,

− wskaźnika pomieszczenia w, który oblicza się ze wzoru:

gdzie Hm -wysokość zawieszenia opraw nad płaszczyzną roboczą.

− ekwiwalentnych współczynników odbicia ścian, sufitu i płaszczyzny roboczej.

Ekwiwalentny współczynnik odbicia zależ od materiału, z którego wykonano okładziny

ścian, sufitu i podłogi oraz ich powierzchni. Ekwiwalentny współczynnik odbicia ścian

oblicza się ze wzoru:

gdzie ρn - współczynnik odbicia

pasów ścian (tapety, boazerie, okna, farby), Sn - pole powierzchni poszczególnych pasów

Aby obliczyć oświetlenie metodą sprawności należy:

1. obliczyć pole powierzchni roboczej w pomieszczeniu,

2. wyznaczyć zgodnie normą natężenie oświetlenia,

3. dobrać oprawy i źródła światła,

4. dobrać wysokość zawieszenia opraw,

5. obliczyć wskaźnik pomieszczenia w,

6. wyznaczyć współczynniki odbicia ρ,

7. obliczyć ekwiwalentne współczynniki odbicia ścian, sufitu i płaszczyzny roboczej,

8. określić korzystając z katalogu opraw sprawność oświetlenia η,

9. obliczyć całkowity strumień świetlny,

10. obliczyć liczbę opraw ze wzoru:

Metoda punktowa.

Metoda punktowa obliczania oświetlenia stosowana może być wszędzie tam, gdzie można

pominąć odbicia światła. Metoda ta polega na obliczeniu natężenia oświetlenia w

wyznaczonych punktach powierzchni roboczej pochodzącego od wszystkich opraw

znajdujących w pomieszczeniu.

Zasady projektowania oświetlenia zewnętrznego

Oświetlenie zewnętrzne możemy podzielić na dwie zasadnicze grupy:

− oświetlenie ulic i ciągów komunikacyjnych, którego najważniejszym zadaniem jest

zapewnienie dobrego widzenia po zmroku,

− iluminacja obiektów, której głównym zadaniem jest wytworzenie odpowiedniego

wrażenia estetycznego.

W przypadku projektowania oświetlenia ulicznego należy wziąć pod uwagę przede

wszystkim parametry świetlne (natężenie oświetlenia, równomierność, luminancja), które

wpływają na dobór źródeł światła, opraw oświetleniowych oraz sposobu ich rozmieszczenia

oraz parametry elektryczne (moc, natężenia prądu, napięcie). Określając ilość oraz sposób

rozmieszczenia opraw posługujemy się metodami podobnymi, jak w oświetleniu wnętrz

uwzględniając ponadto szerokość jezdni, rodzaj zabudowy, infrastrukturę komunalną.

Najpopularniejszą metodą jest metoda sprawności oświetlenia, w której określa się całkowity

strumień świetlny, który powinien być wytworzony przez jedno źródło światła na

przypadającej mu powierzchni drogi. Dla przyjętego zawieszenia opraw (rozstaw, wysokość,

kąt pochylenia) odczytuje się dla danej oprawy strumień użytkowy, a następnie na jego

podstawie określa się średnie natężenie oświetlenia.

Wymagania stawiane oświetleniu awaryjnemu

Oświetlenie awaryjne jest oświetleniem działającym w warunkach braku zasilania

obwodów oświetleniowych głównych i jego zadaniem jest zapewnienie możliwości

bezpiecznego opuszczenia budynku. Oświetlenie awaryjne montowane jest zarówno

w pomieszczeniach, w których przebywają ludzie jak również w ciągach komunikacyjnych.

Ze względu na to, że oświetlenie awaryjne wpływa bezpośrednio na bezpieczeństwo ludzi,

jest ono niezwykle istotne w budynkach użyteczności publicznej. Parametry oświetlenia

awaryjnego określane są przez normę PN-EN 1838.

Do najważniejszych wymagań należą:

− konieczność wykonywania okresowych przeglądów i czynności konserwacyjnych nie

rzadziej niż raz w roku,

− czas działania oświetlenia awaryjnego nie może być krótszy niż 2 godziny,

− natężenie oświetlenia awaryjnego nie może być mniejsze niż 1lx,

− równomierność oświetlenia nie może być mniejsza od 40,

− zanik napięcia musi spowodować zadziałanie oświetlenia awaryjnego.

Ze względu na zasilanie, systemy oświetlenia awaryjnego dzieli się na oświetlenie

z oprawami z własnym zasilaniem (akumulatory) oraz zasilane ze źródła zewnętrznego

(bateria centralna).

Konserwacja oświetlenia

Zarówno oświetlenie wewnętrzne, jak i zewnętrzne wymaga okresowych przeglądów

oraz konserwacji. Podstawowymi czynnikami wpływającymi na pogorszenie jakości

oświetlenia są:

− uszkodzenie źródeł światła wynikające przede wszystkim z uszkodzeń mechanicznych,

− spadek strumienia świetlnego wynikający z procesów zużywania się elementów lamp

i żarówek,

− zabrudzenie opraw oświetleniowych,

− zużywanie się opraw oświetleniowych wynikające przede wszystkim z procesów

starzenia się elementów opraw oświetleniowych (odbłyśników, rastrów, kloszy),

− uszkodzenie lub zużycie układów zapłonowych lamp wyładowczych.

Czynności konserwacyjne polegają przede wszystkim na okresowym czyszczeniu opraw

oświetleniowych oraz wymianie źródeł światła. Wymianę tę stosuje się nawet wtedy, gdy

źródła jeszcze świecą. Najkorzystniejszą sytuacją jest możliwość wymiany grupowej,

w której wymienia się wszystkie źródła światła w danym pomieszczeniu lub otoczeniu

zewnętrznym. Wtedy też powinno być wykonane czyszczenie kloszy oraz odbłyśników.

Typowy czas pomiędzy okresową konserwacją oświetlenia wynosi od 6000 do 8000 godzin.

W przypadku uszkodzenia układu oświetlenia przyczyn szukać należy w:

− instalacji zasilającej lampę,

− instalacji zapłonowej (dotyczy źródeł wyładowczych),

− źródle światła.

---