Základní pojmy a veliinyDOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE
OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
OSTRAVA 2007
Publikace je urena pro poradenskou innost a je zpracována v rámci Státního programu (program
od vedením Prof. Ing. Karla Sokanského, CSc. z VŠB-TU Ostrava, Fakulty elektrotechniky a
Ing. Tomáš Novák, Ph.D.
ladký
EFEKT) na podporu úspor energie a vyuití obnovitelných zdroj energie pro rok 2007 – odstavec G2 – publikace, píruky a informaní materiály v oblasti úspor energie.
P informatiky vypracoval tým autor:
Ing. František Dostál
Ing. Alena Muchová
1
1. ÚVOD Svtlo patí k dleitým faktorm, které významn podmiují úrove ivotního prostedí. Vyvolává v lovku fyziologické a psychologické reakce, které jsou ovlivovány mnostvím svtelné energie, jejím asovým a prostorovým rozloením, druhem svtla a jeho barevnou jakostí. Pomocí zraku lovk získává a 90% informací o prostedí, které ho obklopuje.
V souasnosti je umlé osvtlení v budovách zajišováno pomocí elektiny. Podíl spoteby elektrické energie (dodané spotebitelm) pro umlé osvtlení je v evropských zemích mezi 10 a 14 % a je pedpoklad, e s rozšiováním sortimentu kvalitnjších a efektivnjších zdroj svtla a svítidel se bude v dlouhodobém výhledu mírn sniovat. V R je podíl spoteby elektrické energie (dodané spotebitelm) pro umlé osvtlení cca 11 %.
Prmrná roní spoteba elektrické energie v R za rok 2006 byla 59,4 TWh. To znamená, e roní spoteba elektrické energie v R pro osvtlování je více ne 6,5 TWh.
Význam umlého osvtlení vyplývá i ze skutenosti, e tento druh spoteby elektiny velmi výrazn ovlivuje celkovou spotebu elektrické energie v dob energetických špiek a to zejména v zimním období. Potvrzují to i výsledky odborných šetení a przkumu Státní energetické inspekce, podle ní se umlé osvtlení me na maximu odbru výkonu elektrizaní soustavy R podílet i více ne 20-ti %. I z tohoto dvodu je nezbytné neustále narstající kvantitativní a kvalitativní poadavky na umlé osvtlení ešit s maximální hospodárností pi respektování hlediska minimalizace energetické náronosti. Cílem této píruky je seznámit odbornou i laickou veejnost s monostmi sniování energetické náronosti osvtlovacích soustav. Osvtlovací soustavy nás v bném ivot doprovázejí na kadém kroku, tudí je nutné v rámci publikace rozebrat jak osvtlovací soustavy pro vnitní osvtlování, tak soustavy pro venkovní prostedí. V obou pípadech se pedevším jedná o monostech svítidel a svtelných zdroj a moností jejich ízení a údrby. Píruka se vnuje i novým monostem v oblasti osvtlování, které se v poslední dob prosazují díky rozmachu nových technologií (zejména informaních a polovodiových).
1.1. Zrakový systém z pohledu mnoství penášené informace Vidní neboli zrakové vnímání je proces poznávání okolního prostedí. Jedná se o proces píjmu zrakové informace rozlišením rozdílu jas (kontrastu) barev a tvar. Na základ rozlišení dochází k identifikaci a analýze, co je poznávání pedmt a vztah mezi nimi a zaazení do našeho vdomí, bu k okamitému pouití pro danou innost, nebo k uloení do pamti. Cílem vidní je tedy rozpoznávání. Mnoství informace získané zrakem a penášené do mozku lovka je mono charakterizovat informaním výkonem. Jeho velikost stoupá se zvyšujícími se osvtlenostmi a tudí i jasy pozorovaných objekt.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
2
Informaní výkon stoupá se zvyšující se osvtleností, ale jeho nárst je limitován maximální penosovou kapacitou informaního kanálu. Na nárst informaního, resp. zrakového výkonu má proto podstatn vtší vliv zvýšení osvtlenosti v oblasti relativn nízkých hladin okolo 50 lx, ne zvyšování pomrn vysokých osvtleností v oblasti nad 500 lx. Tyto skutenosti je teba mít na zeteli pi navrhování osvtlovacích soustav umlého osvtlení z pohledu maximální efektivity vyuití spotebované energie. To znamená, e je nutné mít na zeteli transformování elektrické energie na mnoství penášené informace, nikoliv pímo transformaci elektrické energie na svtlo. Kivka závislosti mnoství penášeného výkonu toti ukazuje, e navrhování osvtlovacích soustav na osvtlenosti vyšší ne 5 000 lx má smysl pouze v odvodnných pípadech (nap. operaní sály, atd.).
Obr. 1. 1. Závislost mnoství penášené informace na osvtlenosti
1.2. Základní svteln-technické veliiny a pojmy z pohledu jejich vlivu
na spotebu elektrické energie
Mrný svtelný výkon [ηv] = lm.W-1 (lumen na watt) Udává, s jakou úinností je ve zdroji svtla elektina pemována na svtlo, tj. kolik lm svtelného toku se získá z 1 W elektrického píkonu.
P Φ
kde Φ je svtelný tok P je elektrický píkon
U zdroj bez pedadník, to znamená árovek, je výkon zdroje totoný s píkonem svítidla, u zdroj s pedadníkem, jako jsou záivky anebo výbojky, je nutno k píkonu svtelného zdroje piíst píkon pedadníku. Nap. svítidlo osazené jednou trubicí o výkonu 36 W má pi provozu s klasickým pedadníkem píkon cca o 5 W vyšší. Navýšení píkonu pokrývá ztráty v pedadníku (tlumivce). Mrný výkon má zásadní vliv na velikost spotebované energie.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
3
Teplota chromatinosti (náhradní teplota chromatinosti u výbojových zdroj) [Tc] = K (Kelvin)
Teplotou chromatinosti zdroje je oznaována ekvivalentní teplota tzv. erného záie (Planckova), pi které je spektrální sloení záení tchto dvou zdroj blízké. Zvýší-li se teplota absolutn erného tlesa, zvýší se podíl modré ásti vyzaovaného spektra a sníí se jeho ervený podíl. Napíklad árovka se spojitým spektrem svtla má teplotu chromatinosti 2700 K, zatímco záivka se svtlem podobným dennímu má teplotu chromatinosti 6000 K. Tato veliina má výrazný vliv na vhodnost pouití svtelného zdroje pro konkrétní zrakové innosti. Se zvyšující se teplotou chromatinosti uritého typu svtelného zdroje klesá díky kivce spektrální citlivosti lidského oka jeho svtelný tok, tedy i mrný svtelný výkon a naopak.
Index podání barev [Ra] = - (bezrozmrná veliina) Kadý svtelný zdroj by ml podávat svým svtelným tokem barvy okolí vrohodn, jak je známe u pirozeného svtla nebo od svtla árovek. Mítkem pro tuto vlastnost se stává všeobecný index podání barev Ra daný rozsahem 100 ÷ 0. Index podání barev 100 mají takové svtelné zdroje, které zobrazují barvy vrn, to znamená stejn jako svtlo denní. Index podání barev 0 mají naopak svtelné zdroje, které vyzaují veškerý svtelný tok na jedné vlnové délce, tudí neme docházet k rozeznání barev, protoe tyto barvy nejsou ve spektru obsaeny. Napíklad pro pracovišt ve vnitních prostorách s trvalým pobytem osob je pedepsán index podání barev vyšší ne 80. Obecn platí e u konkrétních typ svtelných zdroj má zvyšující se index podání barev vliv na sníení svtelného toku a tedy mrného svtelného výkonu.
ivot svtelného zdroje [T] = h (hodina) ivot svtelného zdroje je doba funkce zdroje do okamiku, kdy pestal splovat stanovené poadavky. Obvykle se vyjaduje v hodinách. V prbhu innosti probíhají ve svtelném zdroji rzné procesy, které zpsobují postupné zmny jeho parametr, a urují tak dobu jeho funkce. V této souvislosti se pouívá pojem uitený a fyzický ivot. Ukazatelem je kivka úmrtnosti, která udává, kolik zdroj z daného souboru svítí v asovém prbhu a do 50% výpadk.
Uitený ivot je doba funkce zdroje, bhem ní si jeho parametry zachovávají hodnoty leící v uritých stanovených mezích. Nap. u záivek je uitený ivot definován jako doba, bhem ní neklesne jejich svtelný tok pod 70% poátení hodnoty.
Fyzický ivot je celková doba svícení do okamiku úplné ztráty provozuschopnosti (nap. u árovek do perušení vlákna, u výbojek do ztráty schopnosti zapálit výboj).
Je zejmé, e ím vtší je doba ivota svtelného zdroje, tím jsou menší i náklady na údrbu osvtlovacích soustav.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
4
tvercový a kosinv zákon Osvtlenost od bodového zdroje v daném bod lze vypoítat pomocí tvercového a kosinova zákona (viz Obr.1.2) dle následujícího vztahu (1.2). Tento vztah je nutno chápat tak, e osvtlenosti ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Pi navrhování osvtlovacích soustav je tedy vdy nutné vycházet z minimální moné závsné výšky svítidel tak, aby nedocházelo k oslování a byly také dodreny poadavky na rovnomrnost osvtlení. Vztah (1.2) také vypovídá o tom, e osvtlenosti ubývá podle goniometrické funkce kosinus pokud se bude zvyšovat úhel β dle Obr.1.2.
2P l cos.I
Osvtlenost lze povaovat pi navrhování osvtlovacích soustav za nejdleitjší veliinu, protoe pro jednotlivé pracovní innosti a prostory je její velikost pedepsána v normách a pro projektanty jsou tyto hladiny osvtlenosti závazné.
Svteln technické vlastnosti látek Svtelný tok Φ, který dopadá na povrch njakého tlesa se od tohoto povrchu ásten odrazí Φρ, ásten projde Φτ a ást tohoto toku je tlesem pohlcena Φα. initelé odrazu ρ, propustnosti τ a pohlcení α jsou dáni vztahy:
Φ
Φ Φ
Φ Φ
=α α [-; lm, lm] (1.5)
Mezi tmito initeli platí vzájemná souvislost, kterou lze chápat jako zákon o zachování energie.
ρ + τ + α = l (1.6)
Rozloení svtelného toku, odraeného od povrchu urité látky, me mít rzný charakter. Nejjednodušším pípadem je tzv. zrcadlový odraz, kdy se svtelné paprsky od daného
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
5
povrchu odráejí pod stejným úhlem, pod kterým na povrch dopadly. Další jednoduchý pípad je, kdy se rozdlí svtelný tok odraený od uritého elementu povrchu tak, e jas tohoto elementu uvaované plochy je ve všech smrech stejný. Jde o rovnomrn rozptylný, neboli difuzní odraz. Svítivost takového ideálního rozptylovae je maximální v kolmém smru. V ostatních smrech je svítivost Iγ urena kosinovým zákonem viz. vztah (1.2). U difuzních povrch je dleitá souvislost mezi jejich osvtleností E, jasem L a odrazností povrchu ρ.
π . L = ρ . E [cd.m-2; -, lx] (1.7) Zkoumáme-li prostup svtla uritým materiálem, zjišujeme, e u nkterých látek irých nebo dokonale prhledných (nap. optická skla, tenké vrstvy vody apod.) dochází k pímému prostupu, kdy látkou prošlé paprsky vycházejí v pvodním, i kdy rovnobn posunutém smru. Mnohé látky však jimi prošlý svtelný tok ásten nebo úpln rozptylují. V pípad ideálního rovnomrn rozptylného prostupu svtelných paprsk se rozloení svítivosti ídí také kosinovým zákonem. To znamená, e svteln-technické vlastnosti takového povrchu jsou pak stejné, jako vlastnosti povrchu difúzn odráejícího. Prakticky ovšem neexistují ani ideální zrcadla, ani ideální rozptylovae. Zrcadla v rzném stupni také svtlo ponkud rozptylují a naopak matné, mdlé i drsné povrchy pouívané k rozptýlení svtla vykazují uritý zrcadlový úinek. Odrazné a propustné vlastnosti látek mají výrazný vliv na celkový píkon osvtlovacích soustav a to zejména u malých vnitních prostor, kde vlivem odraznosti povrch, dochází na základ mnohonásobných odraz ke zvýšení osvtlenosti na srovnávací rovin.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
6
2. ÚINNOST SVÍTIDEL A MONOSTI JEJÍHO ZVYŠOVÁNÍ Svítidla jsou elektrické pístroje, které tvoí základní prvky osvtlovacích soustav. Skládají se z ástí svteln inných, ástí konstrukních a ástí elektrických. Svteln inné ásti slouí ke zmn rozloení svtelného toku, k rozptylu svtelného toku, k zábran oslnní, sníení jasu, popípad ke zmn spektrálního rozloení svtla. Konstrukní ásti svítidla slouí k upevnní svtelného zdroje, k upevnní svteln inných ástí, k instalaci elektrických ástí, ke krytí svtelných zdroj, svteln-inných a elektrických ástí, ped vniknutím cizích pedmt a vody a k ochran ped nebezpeným dotykovým naptím. Svítidla musí splovat podmínky jednoduché a snadné montáe, jednoduché údrby, dlouhého ivota a spolehlivosti. 2.1. Svteln technické parametry svítidel 2.1.1. Svtelný tok svítidla Svtelný tok svítidla ΦSV, který je svítidlem opticky upravena, je dán rozdílem svtelného toku všech zdroj ΦZ umístných ve svítidle a svtelného toku ztraceného ΦZTR, který se ztratil pi optickém zpracování. 2.1.2. Úinnost svítidla Úinnost svítidla charakterizuje hospodárnost svítidla a její hodnota je dána pomrem svtelného toku svítidla ke svtelnému toku zdroj dle vztahu:
Z
Φ =η , [-; lm, lm] (2.1)
kde ΦSV … svtelný tok svítidla ΦZ … svtelný tok všech zdroj svtla ve svítidle
Maximální úinnost by ml z tohoto hlediska holý svtelný zdroj v objímce. Ten však není moné pouít s ohledem na oslnní, nevhodné smrování vyzaovaného svtelného toku a nedostatenou ochranu ped povtrnostními vlivy a mechanickým poškozením. Z hlediska maximálního vyuití dodávané elektrické energie je teba dosahovat vysokých hodnot této veliiny. U bných svítidel se v souasnosti pohybuje úinnost v rozmezí od 0,3 do 0,9. Upozornní - záivky mají svtelný tok závislý na teplot a dle CIE se pro záivková svítidla definuje optická a provozní úinnost. Optická úinnost se stanovuje z hodnot svtelného toku svítidla a zdroj pi provozních teplotách. Provozní úinnost je urena svtelným tokem svítidla pi provozní teplot a tokem zdroje pi jmenovité teplot, která se uvauje pro záivky 25 °C.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
7
2.1.3. Svítivost svítidel Prostorové rozloení svítivosti svítidla je soumrné anebo nesoumrné. Soumrné rozloení me být rotaní anebo soumrné k jedné anebo více axiálním rovinám.
Svítivosti se udávají nejastji pomocí fotometrického systému C-γ. U svítidel s rotan symetrickou plochou svítivosti postaí kivka v jedné fotometrické rovin. U záivkových svítidel se zpravidla udávají dv kivky a to v rovinách C0 a C90. U venkovních svítidel se z dvod zábrany oslnní pedepisují pro dané stupn oslnní maximální hodnoty svítivosti a to pro urité smry ve vybraných rovinách v soustav C-γ. Rozloení svítivosti daného svítidla lze té znázornit pomocí izokandelového diagramu.
Obr. 2.1: Kivky svítivosti ve fotometrických systémech A-α, B-β, C- γ
Rozdlení svítidel podle tvaru kivky svítivosti Pro vystiení tvaru kivky svítivosti svítidla se pouívá initel tvaru kivky KF a úhlové pásmo maximální svítivosti. initel tvaru kivky je dán pomrem maximální svítivosti Imax a stední svítivosti Ist dle vztahu:
st
Tvar kivky svítivosti
oznaení název Úhlové pásmo maximální
svítivosti [ ° ] initel tvaru kivky svítivosti
a koncentrovaná 0 a 15 KF ≥ 3 b hluboká 0 a 30, 150 a 180 2 ≤ KF < 3 c kosinusová 0 a 35, 145 a 180 1,3 ≤ KF < 2 d pološiroká 35 a 55, 125 a 145 1,3 ≤ KF e široká 55 a 85, 95 a 125 1,3 ≤ KF
f rovnomrná 0 a 180 KF ≤ 1,3, piem Imin > 0,7 Imax
g sinusová 70 a 90, 90 a 110 1,3 < KF, piem Imin < 0,7 Imax
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
8
Obr. 2.2 Píklady kivek svítivosti
Rozdlení svítidel podle rozloení jejich svtelného toku Rozdlení svítidel podle tvaru kivky svítivosti lze provádt nejen podle initele tvaru kivky, ale také podle rozloení svtelného toku do horního a dolního poloprostoru (viz. Tab. 2.2 a Obr. 2.3) a podle tzv. BZ – klasifikace svítidel (svítidla jsou rozdlena podle tvaru kivek svítivosti do 10-ti tíd, jak je zejmé z Tab. 2.3).
Tab. 2.2: Rozdlení svítidel podle rozloení jejich svtelného toku
Oznaení svítidla Svtelný tok do
dolního poloprostoru (%)
Znaení podle DIN 5040
pímé 90 a 100 0 a 10 A peván pímé 60 a 90 10 a 40 B smíšené 40 a 60 40 a 60 C peván nepímé 10 a 40 60 a 90 D nepímé 0 a 10 90 a 100 E
Obr. 2.3: Rozdlení svítidel podle rozloení jejich svtelného toku
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
9
Tab. 2.3: BZ - klasifikace svítidel
Oznaení Tvar kivky svítivosti BZ 1 Iγ = I0 cos4 γ BZ 2 Iγ = I0 cos3 γ BZ 3 Iγ = I0 cos2 γ BZ 4 Iγ = I0 cos1,5 γ BZ 5 Iγ = I0 cos γ BZ 6 Iγ = I0 (1 + 2cos γ) BZ 7 Iγ = I0 (2 + cos γ) BZ 8 Iγ = konst. BZ 9 Iγ = I0 (1 + sin γ) BZ 10 Iγ = I0 sin γ
2.1.4. Jas svítidel Jas svítidla je definován jako podíl svítivosti v daném smru a velikosti prmtu svítící plochy do roviny kolmé ke smru pozorování viz vztah (2.3).
γ γ
L = , [cd.m-2; cd, m2], (2.3)
kde Iγ je svítivost svazku svtelných paprsk (svítící plochy) A.cosγ je velikost prmtu pozorované svítící plochy
U svítidel pro osvtlování vnitních prostor se pro kontrolu oslnní udávají asto jasy v kritické oblasti úhl od 45 °do 85 °ve vodorovném smru pohledu. Sniování jas za úelem zmenšení oslnní v kritických úhlech pohledu se u svítidel provádí dvma zpsoby. První zpsob spoívá ve zvtšení prmtu svteln inné plochy pod pozorovaným kritickým úhlem (pouití difuzor). Druhý zpsob omezuje svítivost do daného úhlu pouitím vhodn tvarovaných míek. 2.1.5. Úhel clonní Úhel clonní δ, udává míru zaclonní svtelného zdroje svítidlem. Je to nejmenší ostrý úhel mezi vodorovnou rovinou a pímkou spojující okraj svítidla se svtelným zdrojem. U iré árovky je to její vlákno, u opálové záivky nebo výbojky je to povrch baky.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
10
Obr. 2.4: Úhel clonní u svítidla. a) árovkové svítidlo b) výbojkové svítidlo s výbojkou s irou bakou c) svítidlo s výbojkou opatenou luminoforem nebo s opálovou árovkou Doplkový úhel do 90° k úhlu clonní se nazývá úhel otevení svítidla. 2.1.6. Tídní svítidel Svítidla je moné rozdlit do skupin podle jejich vlastností, piem lze volit rzná kriteria. Podle pouitého svtelného zdroje rozeznáváme svítidla árovková, záivková, výbojková, pop. i jiná. Podle oblasti pouití je moné rozlišit svítidla na vnitní a venkovní. Podstatou tídní svítidel je rozbor jejich svteln-technických vlastností. Nejjednodušší svteln technické tídní svítidel je tídní zaloené na prostorovém rozloení svtelného toku do horního a dolního poloprostoru a na definování tvaru kivky svítivosti viz. kapitola 2.1.3. Rozdlení svítidel podle elektrotechnických vlastností odpovídá elektrotechnickým pedpism. Podle ochrany ped nebezpeným dotykovým naptím tak lze v souladu SN EN 60 598-1 rozlišit svítidla tídy 0, I, II a III.
Tída 0 má pouze základní izolaci, to znamená, e nemá prostedky na pipojení ochranného vodie.
Tída I znamená, e svítidlo má prostedek pro pipojení vodivých ástí na ochranný
vodi.
Tída II obsahuje jako ochranu ped nebezpeným dotykem dvojitou nebo zesílenou izolaci.
Tída III oznauje svítidla na bezpené naptí.
Svítidla musí být konstruována tak, aby jejich ivé ásti nebyly pístupné, je-li svítidlo instalováno a pipojeno pro normální pouívání, ani kdy je svítidlo otevené za úelem výmny svtelných zdroj nebo pedadník. Ochrana ped úrazem elektrickým proudem musí být zachována pi všech zpsobech montáe a polohách svítidla.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
11
Pro krytí svítidel platí SN EN 60 529 (33 0330), podle ní se druh krytí svítidla oznauje zkratkou IP (International Protection) a dvojíslím. První íslice (od 0 do 6) vyjaduje ochranu ped nebezpeným dotykem ivých nebo pohybujících se ástí a ped vniknutím cizích pedmt, druhá (od 0 do 8) ochranu ped vniknutím vody. Nejmenší dovolené krytí svítidel na nízké naptí je IP 20. Pro venkovní prostedí je teba krytí ped deštm, tedy alespo IP 23. Krytí IP 54 je bné krytí svítidel proti stíkající vod. Konstrukn obdobn jsou tvoena svítidla s krytím IP 65, která však mají mnohem vyšší uitnou hodnotu. Vyšší ochrana proti vniknutí prachu a vody znamená prodlouení ivotnosti optického systému svítidla a sníení náklad na jeho údrbu (ištní).
Tab. 2.4: Význam íslic pro krytí svítidel - kód IP První íslice
Stupe ochrany ped nebezpeným dotykem a vniknutím cizích pedmt
Druhá íslice
0 bez ochrany 0 bez ochrany
1 ped vniknutím pevných tles vtších ne 500 mm (hbetu ruky) 1 ped svisle kapající vodou
2 ped vniknutím pevných tles vtších ne 12,5 mm (prstu) 2 ped kapající vodou pi sklonu 15°
3 ped vniknutím pevných tles vtších ne 2,5 mm (jemného nástroje) 3 ped dopadající vodou pi sklonu
60° (déš)
4 ped vniknutím tles vtších ne 1 mm (drátu) 4 ped stíkající vodou (z libovolného
smru)
5 ped prachem (ásten, prach však neme narušit funkce svítidla) 5 ped tryskající vodou (tj. tlakovou
vodou) 6 úpln ped prachem 6 ped intenzivn stíkající vodou
7 pi doasném ponoení (pi ureném tlaku a ase)
8 pi trvalém ponoení Pouití svítidel do uritého prostedí musí být dáno platnými normami SN EN. Zvláštní kategorii tvoí svítidla v nevýbušném provedení, která se mohou pouívat v prostorách s nebezpeím výbuchu, nap. v dolech. Podle poární bezpenosti se svítidla dlí na ta, která jsou urena pro bezprostední montá na holavý materiál a svítidla pro montá na neholavý materiál, která musí být odpovídajícím zpsobem oznaena. 2.1.7. Konstrukní prvky svítidel Konstrukní prvky a materiály, pouívané pro všechny druhy svítidel, mají krom svých vlastních funkcí splovat ješt další poadavky:
svtelnou stálost, teplotní stálost, odolnost proti korozi, mechanickou pevnost.
Svtelná stálost je dleitou veliinou, která uruje u mnoha materiál jejich ivot. Stálým psobením svtelného a ultrafialového záení, zesíleného teplem a vlhkostí, dochází k trvalým zmnám, nap. loutnutí, vyblení, zkehnutí, tvoení trhlin nebo praskání.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
12
Tepelotní stálost konstrukních prvk má zvláštní význam, protoe provozní teploty na svítidle dosahují asto hodnot na hranicích pípustnosti. Pokud jsou tyto hodnoty pekroeny, dochází k trvalým zmnám, nap. k deformaci, zkehnutí, zuhelnní a praskání - tvoení trhlin. Odolnost kov proti korozi musí být zajištna úelnou povrchovou ochranou, která také ovlivuje vzhled a svteln technické vlastnosti materiálu. Aby bylo vyhovno pípustným podmínkám pouití, poadovaným svteln-technickým parametrm a estetickým poadavkm, pouívají se následující povrchové úpravy: lakování, poniklování, pochromování, emailovaní, pozinkování, kadmiování, nanášení umlých hmot, leštní a eloxování. U plast je odolnost proti korozi zaruena, a proto nevyadují dodatená opatení. Mechanická pevnost je mírou stability konstrukních prvk, pedevším u plast a kemenných skel. Vlivem záení, tepla, chladu a vlhkosti se me zmnit mechanická pevnost, a tím i spolehlivost svítidla. Konstrukní prvky se dlí na ti skupiny:
svteln-technické (svteln inné), elektrotechnické, mechanické.
K pouívaným odrazovým materiálm svteln inných ástí se pouívají:
sklenná zrcadla, lakované povrchové plochy, opálová svtlo rozptylující skla, plasty nebo tkaniny.
Obr. 2.5: Píklad svteln inné ásti svítidla pro osvtlování komunikací
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
13
Pro propustné materiály ve svteln inných ástech svítidel se pouívají:
kemenné sklo (iré sklo, katedrálové sklo, opálové sklo, matované sklo, refraktorové sklo),
svtlo propouštjící plasty, svtlo propouštjící tkaniny.
Elektrotechnické ásti svítidel slouí k pipojení, upevnní a provozu svtelných zdroj a svítidel. Patí sem: objímky árovek, vypínae, zásuvky a vidlice, vnitní vedení vodie, vnjší vedení, pipojovací a propojovací svorky, svítidlové krabice, pedadné pístroje, zapalovae a kondenzátory. Jednotlivé ásti musí odpovídat pouitým svtelným zdrojm. Pouitím jiných svtelných zdroj se mní i pipojovací podmínky. Mechanické ásti svítidel slouí jako ochranné nebo nosné ásti svtelných zdroj a svteln- technických a elektrotechnických konstrukních prvk. Podstatné konstrukní díly svítidel, které se poítají k mechanickým konstrukním prvkm, jsou: ochranná skla, ochranná mí, nosná konstrukce, zaostovací zaízení, závsy, upevovací ásti, vidlice, klouby a stojany pro svítidla pro místní osvtlení. Protoe jednotlivé díly mají velmi rozdílný význam a jsou rzn zatíeny, najdou zde pouití rzné materiály. Svítidla musí mít potebnou mechanickou pevnost a musí být odolná vi korozi, vyhovt pedepsaným oteplovacím zkouškám a být elektromagneticky sluitelná. 2.2. Monosti zvyšování úinnosti svítidel Úinnost svítidel lze zvyšovat dvma zpsoby:
zvyšováním úinnosti optických ástí, sniováním ztrát v elektrických ástech.
2.2.1. Základní principy usmrnní svtelného toku U vtšiny svítidel se k usmrnní svtelného toku svtelných zdroj pouívají následující principy viz Obr. 2.6.
Obr. 2.6: Základní typy svteln aktivních ploch
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
14
2.2.2. Reflektory Reflektory vyívají k usmrnní svtelného toku zrcadlový odraz. Peván se k tmto úelm pouívá vysoce istý hliník (99,8%) s povrchovou úpravou zaruující odraznost a 98% (ALANOD - MIRO SILVER). Pro konstrukci reflektor se hojn vyuívá i tzv. difuzních povrchových úprav s rznou hodnotou difuzní sloky. Tyto materiály na rozdíl od lesklých materiál se pouívají tam, kde není poteba vysoké pesnosti pi výrob reflektor pi zachování vysoké odraznosti reflektoru. Pro navrhování reflektor je nejdleitjší , krom ji výše zmínné volby vysoce odrazných materiál, také kvalitní tvarování reflektoru. Toto tvarování souvisí s minimem potu odraz svtelného paprsku na reflektorové ploše, zamezení zptného odrazu svtelného paprsku smrem do svtelného zdroje (toho lze také docílit zmenšováním svtelných zdroj – nap. souasný trend zmenšování prez záivkových trubic z 26 mm – T8 na16 mm – T5 – viz. Obr. 2.7.) a také s jeho distribucí do místa zrakového úkolu (kivka svítivosti).
Obr. 2.7: Záivkové reflektorové svítidlo osazené svtelným zdrojem T5 z dvodu minimálního stínní zdroje samotného
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
15
2.2.3. Refraktory Svtelný tok se zde neusmruje pomocí odrazných vlastností pouitých materiál, ale k jeho usmrnní dochází díky propustným vlastnostem optických materiál.
Obr. 2.8: Píklad typu refraktoru Jejich konstrukce je zamena na usmrnní svtelného toku na principu lomu svtla tak, aby byla dosaena poadovaná kivka svítivosti. Z nejpouívanjších materiál je nutné zmínit PMMA (polymetalakrylát), který má sice vysokou propustnost avšak ne zcela vyhovující mechanické vlastnosti. Z tohoto dvodu se nejastji pouívá PC (polykarbonát) jeho propustné vlastnosti jsou o cca 10% horší, ale mechanické vlastnosti pro konstrukci svítidel jsou mnohem píznivjší. Propustnost tchto materiál však závisí na jejich tloušce a na smru prostupu (délce prostupu) svtelného paprsku a lze ji korektn vyíslit spektrofotometrickým mením. Vezmeme-li v potaz, e propustnost jednoho irého tabulového okenního skla v pímém smru je 92 %, pak všechny prsvitné neprhledné materiály mají propustnost ješt menší. Srovnáme-li nejlepší propustnost 92 % s nejlepšími odraznými vlastnostmi reflektor 95%, pak dojdeme k závru e úinnosti refraktorových svítidel jsou obecn niší, ne úinnosti svítidel s reflektorovým usmrnním svtelného toku. Pi návrhu svítidel s refraktory, je z hlediska jejich úinnosti nutné dbát krom volby materiál s maximální úinností i na fakt, e svtelný paprsek by v tomto materiálu ml urazit co nejkratší cestu. To znamená, e refraktor by pokud mono ml být umísován kolmo na dopadající paprsky jdoucí ze svtelného zdroje a být co nejtení.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
16
2.2.4. Rozptylovae Vyuívají k usmrnní svtelného toku difuzního odrazu. Stejn jako u zrcadlového odrazu se k tmto úelm pouívá vysoce istý hliník (99,8%) s povrchovou úpravou vytváející difuzní odraz. Za materiály s difuzním odrazem se povaují ty materiály, které difuzn odráejí 60 - 90% dopadajícího svtelného toku (zbytek zrcadlov). Nejlepší materiály s difuzním odrazem dosahují podobn jako materiály se zrcadlovým odrazem vysokou celkovou odraznost a 94%. Vzhledem k nejlepším vlastnostem difuzor (celková odraznost a 94%) se tyto materiály pi výrob svítidel hojn pouívají. Jejich základní pednost tkví v tom , e nejsou kladeny tak vysoké nároky na pesnost tvaru odrazné plochy (zamezení ostrých zlom v kivkách svítivosti). Svítidla díky svým vlastnostem vykazují rovnomrný jas a to jako svítidla refraktorová a ve vtšin pípad (spojeno s velkým prmtem svteln-inné plochy) neoslují.
Obr. 2.9: Píklad svítidla s rozptylovaem
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
17
3. VHODNÁ VOLBA SVTELNÝCH ZDROJ Z POHLEDU KVALITATIVNÍCH A KVANTITATIVNÍCH PARAMETR
Jednou z nejdleitjších oblastí ovlivujících spotebu elektrické energie osvtlovacích soustav jsou svtelné zdroje. Mezi hlavní parametry, které se u svtelných zdroj sledují patí mrný výkon, doba ivota, index podání barev, monost stmívání a rozmry.
Na Obr. 3.1 jsou uvedeny mrné výkony zdroj pro všeobecné osvtlování. Tyto závislosti ukazují velice dleitou vlastnost svtelných zdroj a sice míru pemny spotebované elektrické energie na vyzáený svtelný tok. Pro jednotlivé typy svtelných zdroj jsou zde uvedeny mrné výkony od doby zavedení do výroby a po dnešní dny.
Obr. 3.1:Vývoje mrných výkon svtelných zdroj pro všeobecné osvtlování
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
18
3.1. Základní parametry svtelných zdroj Parametry svtelných zdroj lze rozdlit na kvantitativní a kvalitativní:
Mezi kvantitativní parametry patí vyzaovaný svtelný tok Φ a elektrický píkon P. Pro vzájemné porovnání svtelných zdroj je velmi dleitou veliinou mrný výkon ηv. Tyto parametry jsou dleité zejména pro uivatele a projektanty, kteí potebují znát celkový píkon osvtlovací soustavy.
Kvalita svtelných zdroj se posuzuje podle délky jejich ivota T, podle indexu barevného podání a podle stálosti svteln-technických parametr.
Mezi dleité vlastnosti patí také geometrické rozmry, tvar, hmotnost, distribuce a monost úpravy svtelného toku. Samostatnou kapitolu pak tvoí poizovací a provozní náklady. Barevné podání (index podání barev), nebo také chromatinost svtelných zdroj je urena spektrálním sloením vyzaované energie. Vyjaduje se pomocí trichromatických souadnic anebo teploty chromatinosti. V praxi se však svtelné zdroje rozlišují pedevším podle barevného tónu vyzaovaného svtla. Jakost úrovn vjemu barev se íseln vyjaduje pomocí všeobecného indexu podání barev Ra (-). Podání barev je uspokojivé, je-li Ra vtší ne 40 a za dobré je povaováno je-li Ra vtší ne 80. Poadavky na index podání barev upravují normy zabývající se osvtlováním konkrétních prostor (a u vnitních i venkovních). Stálost svteln technických parametr souvisí s provozními vlastnostmi svtelných zdroj. Jedná se o asovou závislost, kterou lze definovat jako rychlou nebo pomalou:
Rychlými zmnami se rozumí zmny parametr nap. svtelného toku v závislosti na napájecím naptí o frekvenci 50 Hz. Svtelný tok kolísá s dvojnásobnou frekvencí a hloubka kolísání záleí na setrvaných vlastnostech svtelného zdroje. Tento jev me vyvolat stroboskopický efekt, který se stává nebezpenou záleitostí v nkterých provozech, zejména v provozech s toivými stroji. Mezi další rychlé zmny patí také zmny svtelného toku v závislosti na kolísání efektivní hodnoty naptí. Toto kolísání je zpsobeno provozem nkterých spotebi jako jsou nap. elektrické obloukové pece. Rušiv ovlivuje zrakový vjem zejména kolísání svtelného toku v oblasti frekvencí 8 – 12 Hz. Na kolísání naptí jsou nejcitlivjší árovky. Mezi rychlé zmny se také poítají zmny parametr v souvislosti s nábhem svtelného zdroje po zapnutí k napájecí síti. árovky nabíhají tém okamit, zatímco parametry výbojových svtelných zdroj se ustalují a po nkolika minutách.
Pomalými zmnami se rozumí závislost parametr svtelných zdroj na statických
zmnách naptí, co se vyjaduje pomocí kíových charakteristik. Mezi pomalé zmny patí rovn zmny parametr zpsobené stárnutím svtelných zdroj. Bhem jejich doby ivota svtelný tok klesá. Napíklad u árovek se sníí po 1000 hod. provozu svtelný tok na 90 %. U výbojových zdroj se poaduje, aby po uplynutí doby ivota nepoklesl jejich svtelný tok pod 70 % jmenovité hodnoty.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
19
¨
Obr. 3.2: Píklad bodové árovky árovky jsou prvotními umlými zdroji svtla vyuívající technologii výroby, která je u víc jak 100 let stará. Princip technologie spoívá v tom, e do vnitku vyerpané sklenné baky (vakuum) je uloeno vlákno z wolframu, které je protékáno elektrickým proudem. Elektrický proud zpsobuje ohev vlákna a tím i vyzaování v oblasti viditelného spektra elektromagnetického vlnní. Moderní árovky mají vlákno ve tvaru spirály, která umouje vyšší úinnost a redukuje tepelné ztráty. Baky árovek jsou vyerpané na vysoké vakuum proto, aby bylo chránno vlákno ped slouením s kyslíkem a jeho hoením. Baky árovek vyšších výkon jsou plnny inertními plyny. Mrný výkon árovek se pohybuje okolo 10 lm.W-1. Se vzrstající teplotou vlákna vzrstá jeho hodnota a také teplota chromatinosti. První uhlíkové árovky mly mrný výkon 1,7 lm.W-1. ivot árovek se pohybuje okolo 1 000 hodin. Vlivem nových technologií navíjení vlákna a plnní bank inertními plyny doba ivota dále vzrstá. Rozdíly mezi spektrem denního svtla a spektrem árovky velice názorn ukazují píinu nízkého mrného výkonu árovek. Vtšina vyzáené energie se nepohybuje ve viditelné ásti spektra (380nm – 780 nm), ale a v oblasti infraerveného, tedy neviditelného záení. I svtelné zdroje jako árovky se v souasnosti stále inovují. Dlají se pokusy na sníení emise wolframových spirál s povlaky z hafnia. Moderní a úelné jsou zejména reflektorové multivrstvy bank árovek, u kterých zptný odraz infraerveného záení vyhívá vlákno. Relativn nové jsou také árovky multimirror s prmrem 51 mm na síové naptí. Tyto zdroje byly vyvinuty na základ vylepšení vlastností spirál tak, aby se dosáhlo vyšší mechanické stability vlákna.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
20
árovky se vyrábjí v širokém sortimentu výkon, rozmr a tvar pro speciální úlohy osvtlení a zvláštní nároky. Nové tvary a barevné odstíny dávají osvtlovaným prostorám píjemnou atmosféru. Na základ výše uvedeného technického popisu árovek je zejmé, e tyto svtelné zdroje mají nejen minulost, ale také souasnost a budoucnost. Jejich pouití smuje zejména do oblastí, kde je nutný okamitý nábh svtelného zdroje na 100% svtelného toku (chodby, sociální zaízení, atd…) a kde jsou vysoké nároky na index podání barev a teplou barvu svtla (spoleenské a reprezentativní prostory). Energetických úspor se dá dosahovat jejich stmíváním a kombinací s pohybovými idly, kdy tyto svtelné zdroje, které jsou relativn odolné vi astému spínání, pracují pouze v omezených asech pi astém stídání obsluhy v osvtlovaných prostorech. 3.3. Halogenové árovky Halogenové árovky jsou velmi kompaktní svtelné zdroje, z eho vyplývají široké monosti jejich pouití, zejména v oblasti pesného smrování svtelných paprsk. Mají mrný výkon o cca 100 % vyšší ne standardní árovky. Ve standardní árovce se wolfram z vlákna árovky vypauje a pokrývá povrch baky, ím se sniuje svtelný tok árovky. Kruhový proces uvnit baky zpsobuje, e vypaený wolfram se pi povrchu baky sluuje s halovým prvkem a vytváí halogenid a vlivem teplotního pole se wolfram vrací chaoticky zpt na vlákno. Tím se nejen zvyšuje svtelný tok, ale prodluuje se také doba ivota halogenových árovek.
Obr. 3.3: Píklad halogenové árovky
Kruhový proces je základem pro následující výrazné pednosti halogenových árovek:
s rostoucí teplotou vlákna roste svtelný tok, vlivem obnovy povrchu vlákna roste doba ivotnosti, tím e nedochází k usazování wolframu na povrchu baky, nedochází ke sniování
svtelného toku bhem doby ivotnosti, kompaktní tvar musí odpovídat tepelným poadavkm kruhového procesu.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
21
Halogenové árovky poskytují píjemné sví, bílé svtlo s teplotou chromatinosti 3000 K. Index barevného podání svtla halogenových árovek je Ra = 100. Halogenové árovky jsou hospodárnjší ne standardní árovky, jejich mrný výkon je cca 22 lm.W-1 a doba ivota se udává okolo 2000 hodin. Halogenové árovky s reflektory se vyrábjí pro rzné úhly vyzaování nap. 10°, 12°, 25°, 36° a 60°. Vyrábjí se i v širokém sortimentu výkon, na naptí 230 V i na nízké naptí. árovky na nízké naptí se staly módní záleitostí. Vyrábjí se bu bez odrazné plochy nebo s dichroickým zrcadlem, které omezuje tepelnou sloku ve vyzaovaném záení asi na 66 %, co je výhodné zejména pi osvtlování pedmt, které jsou citlivé na infraervené záení. Moderní halogenové árovky procházejí etapou boulivého vývoje. Pouívají reflexní selektivní povrchy - multivrstvy pro zptný odraz tepelného záení na vlákno, jeho cílem je zvýšení mrného výkonu halogenových árovek. Z podobných dvod je do bank moderních halogenových árovek dávkován i xenon. Do kemenného skla baky se dotuje certit na potlaení UV záení. Stále více se také uplatují moderní halogenové árovky na síové naptí, které se vyvinuly díky novým monostem uchycení mnohem slabších vláken ne se pouívají u halogenových árovek na nízké naptí. Hitem posledních let jsou i nízkotlaké halogenové árovky (niší degradace wolframu) a také halogenové árovky miniaturních rozmr. Energetických úspor lze dosahovat, stejn jako u klasických árovek stmíváním a pouitím v situacích s krátkou dobou provozu a astým spínáním. Na rozdíl od klasických árovek je jejich teplota chromatinosti vyšší a jejich svtlo studenjší. Z tohoto dvodu lze tyto svtelné zdroje pouívat v reklamním osvtlovaní (v kombinaci s výše uvedenými speciálními odraznými a pohltlivými plochami i v oblasti osvtlování muzeálních historicky cenných pedmt). 3.4. Kompaktní záivky Tyto svtelné zdroje mají tyto tyi základní výhody:
produkují svtelný tok s vyšším indexem podání barev, ve srovnání s árovkami dosahují výrazné úspory energie, dobe vypadají (velká vyzaovací plocha – nízké jasy), ve srovnání s árovkami mají výrazn vyšší dobu ivota.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
22
Obr. 3.4: Píklad kompaktní záivky
Kompaktní záivky spotebovávají výrazn mén elektrické energie ne klasické árovky, mají mnohem delší dobu ivota a vtšinou mohou být pouity na stejných místech jako obyejné árovky. Mrný výkon kompaktních záivek je v porovnání s bnými typy árovek piblin ptinásobn vyšší. Souasn dosahovaná stední doba ivota kompaktních záivek je 15 000 hodin, zatímco stední doba ivota árovek je 1000 hodin. Kompaktní záivky vyrábjí svtlo na stejném principu jako záivky. Páry rtuti jsou vlivem elektrického pole mezi elektrodami vybuzeny k emisi neviditelného UV záení. Vnitní strana skla je opatena vrstvou speciální látky - luminoforu, který pemuje UV záení na viditelné svtlo. Výbrem luminoforu je mono docílit rzných barev svtla. U kompaktních záivek se díky zahnutí a rozdlení sklenných trubiek podailo dosáhnout rozmr srovnatelných se standardními árovkami. Kompaktní záivky meme rozdlit do tí skupin:
kompaktní záivky s implementovaným pedadníkem jako úsporná alternativa árovek,
kompaktní záivky pro zvláš malá svítidla, kompaktní záivky jako zmenšená alternativa lineárních záivek. Jsou s nebo bez
zabudovaného zapalovae.
Provoz s kompaktních záivek s elektronickým pedadníkem zabezpeuje vysoký komfort:
okamitý start bez blikání, odolnost proti astému spínání, delší doba ivota, odstranní stroboskopického efektu a kmitání svtelného toku.
Výraznou nevýhodou kompaktních záivek v porovnání s árovkami, je rychlost jejich startu. Zatímco árovky nabíhají na jmenovitý svtelný tok tém okamit, kompaktní záivky po pipojení napájecího naptí nabhnou pouze na cca 50 % svtelného toku. To ukazuje na nevhodnost pouití kompaktních záivek v prostorech ve kterých je nutné dosáhnout okamit 100 % svtelného toku (nap. sociální zaízení). Další výrazná nevýhoda pi provozu kompaktních záivek je jejich vysoká teplotní závislost, ze které vyplývá nevhodnost pouití takovýchto svtelných zdroj v oblastech s nízkými teplotami. V našich zempisných šíkách
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
23
se do tchto prostor adí i venkovní prostory, ve kterých v zimních msících klesá teplota výrazn pod bod mrazu. V okolí této teploty se pohybuje svtelný tok záivek na cca 30% jmenovitého svtelného toku. Trendy vývoje v oblasti kompaktních záivek se specializují na tzv. 3/8“ technologii, kde se hledají ešení pro tvarované kompaktní záivky a kompaktní záivky s reflektorem i difuzorem. Také se pracuje na vývoji kompaktních záivek s velkým píkonem (v souasnosti nap. 200 W s integrovaným pedadníkem), co umouje miniaturizaci svítidel a nasazování kompaktních záivek i do aplikací, ve kterých se doposud pouívaly výbojky. Amalgámové technologie umoují rozšíení pouití v teplotách, které se výrazn odchylují od teplot pokojových. Takovéto kompaktní záivky jsou schopné produkovat 90% jmenovitého svtelného toku v rozsahu teplot od 10-ti do 50-ti stup Celsia. Vývoj se také zamuje na stmívatelné kompaktní záivky, kompaktní záivky opatené soumrakovým spínaem, i technologie omezující vliv spínacích cykl. Díky vysokému mrnému výkonu, lze dosahovat výrazných energetických úspor prostým nasazováním tchto svtelných zdroj místo árovek. Je ovšem nutné dbát na nemalá rizika zpsobená jinými rozmry, která mohou zpsobit zmnu distribuce svtelného toku jdoucího ze svítidla. Dále je nutné také uvaovat s omezeními, která vznikají pomalým nábhem svtelného toku, niším indexem barevného podání (speciální aplikace), teplotní závislostí a pulzním odbrem proudu u takovýchto svtelných zdroj. 3.5. Lineární záivky Lineární záivky vyrábjí okolo 70 % umlého svtla na celém svt. Jsou velice výhodné zejména z ekonomického hlediska, protoe se vyznaují vysokým mrným výkonem. Záivka spotebuje jen piblin ptinu elektrického proudu árovky se stejným svtelným tokem. Záivky jsou nízkotlaké rtuové výbojky, které vyzaují hlavn v oblasti ultrafialového záení. Toto se transformuje ve viditelné záení pomocí luminoforu. Princip funkce záivek je následující. Ve sklenné trubici jsou vlivem elektrického pole mezi elektrodami vybuzeny páry rtuti, ve kterých dochází k emisi neviditelného UV záení. Speciální látka - luminofor na vnitním povrchu sklenné trubice pemuje neviditelné UV záení na viditelné svtlo. Volbou luminoforu je moné ovlivnit barvu svtla záivky.
Obr. 3.5: Píklad kruhové lineární záivky
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
24
Jako všechny výbojky se ani záivky neobejdou bez pedadných pístroj. Po zapálení výboje je naptí na záivce niší ne napájecí naptí. Na tlumivce se vytvoí úbytek naptí, který omezí proud tekoucí záivkou. Záivky lze také provozovat s elektronickými pedadníky, které plní stejnou funkci na vysoké frekvenci. Moderní pln elektronické vysokofrekvenní pedadníky nahrazují tlumivky a startéry a pispívají tak k vtší hospodárnosti, vyššímu svtelnému komfortu a delší dob ivota záivek. Nové typy záivek T5 mají prmr trubice jen 16 mm, jsou o 50 mm kratší ne standardní trubice T8 s prmrem 26 mm. Nabízejí vyšší mrný výkon a 104 lm.W-1 a jsou ureny pouze pro provoz s elektronickými pedadníky. Záivky T5 dosahují úspor oproti záivkám T8 v následujících oblastech:
vyšší mrný výkon záivek T5, vyšší úinnosti svítidel vlivem nišího stínní odrazných materiál – záivky T5 jsou
o 40 % štíhlejší ne záivky T8 , úspornjší provoz s elektronickým pedadníkem, se systémem T5 je moné konstruovat štíhlejší svítidla s eho plynou další
materiálové úspory. Doba ivota záivek je siln ovlivnna potem zapnutí. Pi 30-ti spínacích cyklech denn me doba ivota poklesnout a na 50% jmenovité hodnoty. Nehodí se proto tam, kde dochází k astému zapínání a vypínání.
Doba ivota záivek se mní i podle zpsobu provozu. Pi provozu s klasickým pedadníkem se doba ivota záivky pohybuje okolo 10 000 h zatímco pi provozu s elektronickým pedadníkem se pohybuje okolo 18 000h. Na rozdíl od árovek, u kterých svtelný tok dosahuje jmenovité hodnoty tém okamit, záivky dosahují jmenovité hodnoty a po cca 2 min. provozu. Záivky jsou také velmi teplotn závislé a proto se nehodí pro osvtlování venkovních prostor, ve kterých dochází k poklesm teplot do oblasti bodu mrazu a níe. Také v oblasti záivek je moné pozorovat výrazné trendy smující ke zlepšení vlastností tchto svtelných zdroj. Jde pedevším o další sniování mnoství rtuti a dokonce o vývoj bezrtuových technologií. Samozejmostí posledních let je pokrok v programu T5 – záivek s prmrem 16 mm. Vývoj smuje také do oblasti nových typ luminofor. Cílem je lepší vyuití záení výboje pro vznik svtla. Zajímavou oblastí je také vývoj nízkotlakých výbojových svtelných zdroj s promnlivou barvou svtla. Zkoumají se bezelektrodové technologie, které vyústily do vývoje indukních výbojek. V posledním období je moné pozorovat významný nárst doby ivota záivek (a do 50 000 h), dosaeny odlišnou konstrukcí elektrod a ochranou vrstvou na bace a luminoforu. Významné jsou také postoje k barv svtla záivek pro zrakov nejnáronjší pracovišt. Oekává se optimalizace náhradní teploty chromatinosti svtelných zdroj pro zrakov nároné práce v oblasti nad 6000 K. 3.6. Halogenidové výbojky Viditelné záení zde vzniká jednak v parách rtuti, ale hlavn záením produkt halogenid, to je slouenin halových prvk nap. s galiem, thaliem, sodíkem apod. Toto vede ke zvýšení indexu barevného podání a na Ra = 90 a mrného výkonu na 130 lm.W-1.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
25
Obr. 3.6: Píklad halogenidové výbojky
V kemenném hoáku vzniká cykl obdobný regeneranímu cyklu jako u halogenových árovek, ale opaný. Tlak rtuových par je cca 0,5 MPa a tlak pímsí 1,33.102 Pa. Vnjší baka je z borosilikátového skla a hoák z kemenného nebo jiného speciálního skla. Halogenidové výbojky pracují pi venkovní teplot –20 a 60 °C. Doba ivota tchto výbojek dosahuje a 15 000 hod.
=
Halogenidové výbojky jsou vzhledem k nároné technologii cca 4 krát draší ne vysokotlaké sodíkové výbojky a tudí pro masové nasazení do systém veejného osvtlení nevhodné. Pouití však nacházejí pi osvtlování velkých prostranství a architektonickém osvtlování objekt. Pouití moderních halogenidových výbojek pro osvtlování byt kanceláí a škol je v souasné dob ji reálné. Pi probíhající miniaturizaci (20, 35, 50W). Ustalování
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
26
barevných parametr bhem doby ivota a zvyšování indexu podání barev stále disponují nevýhodami, které zabraují jejich masivnímu nasazování v tchto prostorech:
nelze stmívat, relativn vysoké poizovací náklady na osvtlovací soustavy, nemonost okamitého znovuzápalu u teplých výbojek, pomalý nábh na 100 % svtelný tok (cca 4 min), niší doba ivota ne u záivek.
Energetické úspory lze u tchto svtelných zdroj dosahovat zejména v nasazování na osvtlování vnitních pracovních prostor s vysokými závsnými výškami, u kterých je kvalitativní normativní poadavek (SN EN 12464-1) na index podání barev vyšší ne 80. Tyto úspory jsou dosahovány na základ výše uvedených vlastností, které dovolují jednoduché smrování svtelného toku tchto svtelných zdroj. Stmívání pi kombinovaném provozu je ešeno pepínáním okruh tchto svítidel.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
27
3.7. Vysokotlaké sodíkové výbojky Výboj v parách sodíku je ze svteln technického hlediska velmi zajímavý. Nízkotlaký sodík se vyznauje intenzitním rezonanním dubletem ve luté ásti viditelného spektra s vlnovou délkou 589,0 a 589,6 nm.
Obr. 3.7: Píklad vysokotlaké sodíkové výbojky
Tchto vlastností, vedle nízkého budicího potenciálu uvedené áry, se vyuívá ji od ticátých let pi konstrukci nízkotlakých sodíkových výbojek, v nich tlak par sodíku pi pracovní teplot 270 °C dosahuje hodnoty asi 0,5 Pa. Pi zvyšování tlaku par sodíku svtelná úinnost klesá, prochází minimem a dále opt stoupá, take pi tlaku kolem 27 kPa dosahuje druhého maxima a v závislosti na dalších parametrech (sloení amalgamu sodíku, druh a tlak plnicího plynu, geometrické parametry hoáku, píkon výbojky apod.) me dosáhnout hodnoty a 150 lm.W-1. Pi rostoucím tlaku par sodíku dochází k výraznému rozšíení spektrálních ar a ke vzniku silného spojitého záení, piem zárove je absorbováno záení rezonanní. Se zvyšujícím se tlakem je stále zetelnjší asymetrie rozšiování rezonanních ar do dlouhovlnné ásti spektra. Spektrum záení je bohatší, co má za následek i lepší podání barev osvtlovaných pedmt. Tento druh výboje je vyuíván u moderních vysokotlakých sodíkových výbojek, které se výrazn prosadily zejména v uliním, ale i ve venkovním osvtlení. Vysokotlaké sodíkové výbojky jsou tedy svtelné zdroje, v nich svtlo vzniká hlavn záením sodíkových par s pracovním parciálním tlakem v rozmezí 3 a 60 kPa. Hoák je zhotoven z prsvitného korundu (alfa – modifikace Al2O3 s pímsí MgO). Trubice je na obou koncích uzavena proudovými prchodkami rzného provedení, které jsou ke korundové trubici pipájeny pomocí skelné pájky na bázi Al2O3 – CaO s nkterými dalšími pímsmi (nap. SrO, TiO2 , BaO). Kvalita pájky rozhodujícím zpsobem ovlivuje ivot výbojky. Prchodky musí odolávat dlouhodobému psobení sodíkových a rtuových par pi vysokých pracovních teplotách a velkým teplotním nárazm pi zapínání a vypínání výbojky. K elu niobové prchodky je pomocí titanu pipájena wolframová elektroda, na ní je nanesena emisní vrstva na bázi wolframu barya. Polohou elektrody v hoáku lze regulovat teplotu prostoru za elektrodami. Tato teplota uruje tlak par sodíku v hoáku, a tím i základní
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
28
elektrické a svtelné parametry výbojky. Rtu se sodíkem se do hoáku dávkuje v podob amalgámu píslušného sloení. Hoák se plní inertním plynem, jeho funkce je stejná jako u jiných vysokotlakých výbojek. Z hlediska mrného výkonu je nejvhodnjší xenon, protoe zajišuje nejmenší teplotní ztráty ve výboji a nejvtší mrný výkon. Hoák je vloen do vnjší baky, vyerpané na vysoké vakuum, které sniuje tepelné ztráty hoáku a souasn chrání niobové prchodky ped oxidací. Sortiment vysokotlakých sodíkových výbojek je velmi široký a pohybuje se v píkonových adách od 50-ti W do 1000W. Vysokotlaké sodíkové výbojky je nutné provozovat v obvodu s tlumivkou a vhodným zapalovacím zaízením, který vyhovuje mezinárodním normám CIE. Schéma zapojení je shodné se zapojením halogenidových výbojek. Pi dodrování provozních podmínek (povolené kolísání naptí menší ne 5%, správn dimenzované tlumivky) výbojky pedních výrobc dosahují ivota 16 000 a 32 000 hod. Ukonení ivota je dáno postupným nárstem naptí na výboji. Pi pekroení uritého pomru tohoto naptí vzhledem k napájecímu naptí sít výboj zhasne. Po vychladnutí výbojka znovu zapálí a celý cyklus se opakuje. Periodické zhasínání výbojek je píznakem ukonení ivota a výbojku je nutné vymnit. Zavedení vysokotlakých sodíkových výbojek do osvtlovací praxe pináší významné úspory elektrické energie. Podíl vysokotlakých sodíkových výbojek ve veejném osvtlení stále narstá. Je píjemné konstatovat, e eská republika patí v tomto smru k zemím s nejvyšším podílem. Novinku v oblasti vysokotlakých sodíkových výbojek jsou svtelné zdroje neobsahující rtu, oznaované jako „mercury free“. Tyto výbojky se provozují na standardních pedadnících. Jeliko výbojky neobsahují rtu, není nutno likvidovat vyhoelé zdroje jako nebezpený odpad. Od 80. let dvacátého století mají vysokotlaké sodíkové výbojky dominantní postavení ve svtelných zdrojích pro veejného osvtlení ve vtšin zemí. Tyto svtelné zdroje postupn nahradily mén úinné výbojky rtuové. Pouitím vysokotlakých sodíkových výbojek se na jednotlivých svtelných místech sníil instalovaný píkon a o dva píkonové stupn. Vysokotlaké sodíkové výbojky mají ve veejném osvtlení univerzální pouití, tj. jsou vhodné pro osvtlování veškerých komunikací, pších zón i osvcování fasád objekt. Výhodou vysokotlakých sodíkových výbojek je mrný výkon a 150 lm/W. Stední doba ivota, která se blíí a k 32 000 h umouje provádt hromadnou výmnu zdroj ve veejném osvtlení a po 4 letech. Uritou nevýhodou tchto zdroj je barva vyzaovaného svtla (index podání barev Ra=25), která zpsobuje horší barevné vnímání osvtlovaných pedmt. Pro veejné osvtlení se dnes pouívají vysokotlaké sodíkové výbojky nízkých píkon, a to v obcích 50 W a 70 W, na prtahu 100 W a 150 W, ve mstech také do 150 W a na širokých výpadovkách a 250 W. Další významnou výhodou vysokotlakých sodíkových výbojek je monost jejich stmívání a to a do 50-ti % jejich jmenovitého svtelného toku.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
29
3.8. Nízkotlaké sodíkové výbojky
U sodíkových výbojek nastává výboj ve výbojové trubici vyhotovené z polykrystalického anebo monokrystalického kysliníku hlinitého, která je naplnna argonem, neonem a sodíkem. Pi tlaku sodíkových par 0,5 Pa a teplot stny výbojové trubice 270 a 300 °C vyzáí monochromatické záení v pásmu vlnových délek 589 a 589,6 nm ve luté oblasti spektra. Vlnová délka vyzaování nízkotlaké sodíkové výbojky se nachází v blízkosti maxima spektrální citlivosti lidského oka a tudí je u tohoto svtelného zdroje dosahováno vysokých mrných výkon nad 200 lm.W-1. Vzhledem k monochromatinosti jejich vyzaování není v jejich svtle moné rozlišovat barvy (Ra = 0). Doba ivota výbojky dosahuje a 24 000 hod. Výbojová trubice sodíkových výbojek má kruhový prez a ohýbá se do tvaru písmena U nebo W. Venkovní baka tepeln izoluje výbojovou trubici, je jednoduchá a vyerpaná na vysoké vakuum.
Obr. 3.8: Píklad nízkotlaké sodíkové výbojky
Vyuití nízkotlakých sodíkových výbojek je velmi omezené. Lze je de – facto uplatnit ve veejném osvtlení a to s uritými omezeními. První omezení tkví v jejich velikosti vi svtelnému toku. Tento pomr je obdobný jako u záivek a tudí je velmi obtíné vyrobit svítidlo s vysokou úinností a distribucí svtelného toku, kterou vyaduje umístní na úzkých a dlouhých komunikacích. Druhé omezení souvisí, i pes znaný pokrok ve velmi nízkém podání barev. Jejich pouití se tedy omezuje na osvtlení výpadových silnic a dálnic. V souasné dob jsou rozšíeny zejména v zemích Beneluxu a ve Velké Británii. V naší republice, a na vzácné výjimky, nenašlo zatím osvtlení nízkotlakými sodíkovými výbojkami uplatnní vbec. Energetické uplatnní mohou nízkotlaké sodíkové výbojky nalézt práv ve výše uvedené oblasti dálniních pivad a výpadových silnic v okolí velkých aglomerací bez dopravního znaení.
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
30
3.9. Vysokotlaké rtuové výbojky UV záení vzniká u tchto zdroj obloukovým výbojem v parách rtuti pi tlaku 0,1 MPa ve výbojové trubici z kemenného skla. Toto záení se transformuje pomocí luminoforu do viditelné oblasti. Hlavní elektrody tvoí wolframový drát pokrytý emisní vrstvou kysliníku barya, stroncia a vápníku.
Obr. 3.9: Píklad vysokotlaké rtuové výbojky
Vysokotlaké rtuové výbojky vyzaují do viditelné oblasti asi 15% pivedené energie, jejich svtlo je modrobílé a modrozelené. ervená sloka svtla chybí a z tohoto dvodu se nanáší na vnitní stnu venkovní baky ortofosfátový luminofor pro zabezpeení transformace UV záení do ervené oblasti spektra. K ustálení výboje rtuových výbojek dochází a po 3 - 5 minutách. Výhodou tchto výbojek je malý pokles svtelného toku bhem ivota, odolnost proti zmnám teploty, odolnost proti otesm a menší poruchovost v dsledku menšího potu kontakt ve srovnání se záivkami. Doba ivota je a 20 000 hod, index barevného podání Ra = 50, mrný výkon 50 a 80 lm.W-1. Tyto výbojky mají nevýhodu v tom, e k ustálení parametr dochází asi a po 5 min po startu a jejich index barevného podání je neumouje pouívat ve vnitních pracovních prostorech. Díky tmto dvodm se nehodí k osvtlování vnitních prostor. Díky nízkému mrnému výkonu se jejich pouívání ukonuje i ve veejném osvtlení. Pestoe podíl tchto výbojek ve spoteb postupn stále klesá a jsou nahrazovány úinnjšími halogenidovými a zejména vysokotlakými sodíkovými výbojkami, lze oekávat jejich pouívání i v nejbliší budoucnosti pro pomrn nízkou cenu. Pro barevné odlišení se pouívají v rámci osvtlování v pších zón, park, nákupních pasáí, veejných prostor a parkovacích a píjezdových ploch shopping center. Z energetického hlediska nemají tyto svtelné zdroje ádný potenciál vyuití do budoucnosti. 3.10. Sirné výbojky Jedná se o vysokotlaké výbojky s náplní síry a kulovým svítícím tlesem o prmru od 5 do 29 mm. Vlastní výboj je buzen v kemenném hoáku majícím tvar koule, která rotuje v elektromagnetickém poli magnetronu (2,45 GHz). Výboj probíhá v parách síry, piem
DOMINANTNÍ VLIVY OVLIVUJÍCÍ SPOTEBU ELEKTRICKÉ ENERGIE OSVTLOVACÍCH SOUSTAV
31
spektrum vyzaovaného svtla se blíi slunenímu, pi vynikajícím mrném výkonu dosahujícím a 130 lm.W-1 a vysokém indexu podání barev Ra = 85. Doba ivota sírové výbojky je limitována spolehlivostí magnetronu a dosahuje hodnot pevyšujících 50 000 hodin. Úbytek svtelného toku na konci ivota je menší ne 10 %.
Obr. 3.10: Píklad sirné výbojky
S ohledem na technickou náronost provozu nemají v souasné dob tyto výbojky širší uplatnní. 3.11. Indukní výbojky Do okruhu nízkotlakých výbojových zdroj patí i svtelné zdroje vyuívající principu indukce. Tyto svtelné zdroje lze právem povaovat za svtelné zdroje budoucno