FOGO IV rev2 - Dokumentacja Techniczna Modułu - Als

ARTYKUŁY TECHNICZNE:
INNOWACJE W OŚWIETLENIU HAL
Mało ludzi zdaje sobie sprawę, jaki wpływ na ich życie ma oświetlenie. Również projektanci hal nie doceniają tego
elementu wyposażenia.
Dobierając odpowiednie oświetlenie do danej powierzchni, projektanci hal najczęściej kierują się wartościami podanymi w normach, które określają
jedynie minimalne wymagania. Taka praktyka związana jest oczywiście z kosztami, jakie należy ponieść w momencie realizowania inwestycji, oraz
później, w czasie eksploatacji. Zapomina się jednak, że środki wydane na dobre oświetlenie mogą w bardzo krótkim czasie przynieść wymierne
korzyści w postaci lepszej produktywności, zmniejszenia odpadów czy mniejszej liczby wypadków. Fakt, że człowiek jest podatny na światło, jest
znany od dawna. Każdy z nas z pewnością tego doświadczył, wiemy, z jaką łatwością wstaje się z łóżka w piękny słoneczny poranek, a jak trudno
się do tego zmusić, gdy za oknem panuje szaruga. Do niedawna jednak brakowało jedynie naukowego wyjaśnienia działania tego mechanizmu. W
2002 roku David Berson odkrył, że w oku oprócz dwóch od dawna znanych receptorów (pręcików i czopków) istnieje trzeci, który wpływa na
okołodobowy rytm życia człowieka, zwany potocznie zegarem biologicznym. Tym trzecim „detektorem” światła są komórki zwojowe umieszczone w
siatkówce. Okazało się również, że ich pobudzenie niebieskim światłem sprawia, że człowiek staje się bardziej aktywny. Aby to lepiej wyjaśnić,
należy wspomnieć o dwóch hormonach, które sterują ludzkim cyklem okołodobowym. Pierwszy – kortyzol – a działanie pobudzające. Największe
jego stężenie we krwi jest nad ranem. Z upływem dnia jego zawartość maleje, a wzrasta poziom melatoniny, drugiego hormonu, który obniża naszą
aktywność i powoduje senność (ryc. 1).
Ryc. 1. Wykres poziomu parametrów ludzkiego ciała w czasie cyklu okołodobowego [2]
Niedługo po poznaniu mechanizmów tego cyklu pojawiły się pomysły, aby nim sterować, zwłaszcza u ludzi pracujących na nocną zmianę. Okazało
się, że oświetlenie z dużą zawartością niebieskiego promieniowania przesuwa wydzielanie melatoniny o kilka godzin, co sprawia, że pracownik
podczas nocnej zmiany nie jest śpiący, a po powrocie do domu nie ma problemów z zaśnięciem. Przekłada się to bezpośrednio na liczbę błędów i
wypadków spowodowanych obniżoną czujnością. Nie można jednak mówić, że duża zawartość światła niebieskiego wystarczy, by zapobiec
senności pracowników podczas nocnej zmiany. By praca człowieka była wydajna, oświetlenie musi spełniać jeszcze inne wymagania.
Najważniejszy jest poziom oświetlenia. Norma PN-EN 12464 określa wartości minimalne oświetlenia dla danego typu pracy. Niestety, nie
uwzględnia ona ludzkiego wieku, a w dobie starzejącego się społeczeństwa jesteśmy zmuszeni pracować coraz dłużej. Problem polega na
mętnieniu i żółknięciu soczewki oka wraz z wiekiem, a im człowiek starszy, tym mniej światła, zwłaszcza niebieskiego, pada na siatkówkę. Prowadzi
to do tego, że osoba w wieku 60 lat potrzebuje aż sześć razy więcej światła niż dwudziestolatek (ryc. 2 i 3).
Ryc. 2. Porównanie wydajności osoby młodej i starej w zależności od trudności zadania [1]
Strona 1/4
ARTYKUŁY TECHNICZNE:
INNOWACJE W OŚWIETLENIU HAL
Ryc. 3. Zależność łatwości czytania drukowanego tekstu od wieku oraz transmisja światła przez ludzkie oko o długości światła 560 nm w zależności
od wieku [1]
Typowa wartość sztucznego oświetlenia to około 500 lx, tymczasem natężenie światła słonecznego waha się w granicach od kilku do kilkudziesięciu
tysięcy luksów. Najnowsze badania pokazują, że ilość światła bezpośrednio wpływa na naszą produktywność. Zmiana poziomu oświetlenia z 300 lx
do 500 lx powoduje zwiększenie produktywności o 3-11%. Jeszcze większe przyrosty wydajności możemy osiągnąć, zwiększającnatężenie
oświetlenia do 2000 lx. Może się to przełożyć na wzrost produktywności na poziomie 15-20%. Jeżeli weźmiemy pod uwagę nocne zmiany, przyrosty
wydajności mogą sięgnąć nawet ponad 20%. Szczegółowe wyniki przedstawiono w tabeli 2.
Źródło światła
Wydajność [lm/W]
Wydajność
[bodźce okołodobowe/W]
Świetlówka 3000K
100
74
Swietlówka 7500K
100
157
Żarówka
12
12
Żarówka rtęciowa
45
18
Dioda LED niebieksa 470nm
15
418
Iluminant D65
70
Tabela 1. Porównanie różnych źródeł światła z uwzględnieniem kodźców okołodobowych [3]
Typ pracy
Poziom oświetlenia [lx]
133
Wzrost wydajności [%]
Zmniejszenie liczby odpadów [%]
1000
7
-
1000
8
-
100
1000
30
18
Przed
Po
Montaż aparatów fotograficznych
370
Konfekcjonowanie skóry
350
Przygotowanie do druku
Montaż precyzyjny
500
1500
28
-
Przemysł metalurgiczny
300
2000
16
29
Skomplikowane zadania
w przemyśle metalurgicznym
500
1600-2500
10
20
Montaż małych części
500-1000
4000
-
90
Przędzalnia
250
1000
7
Tabela 2. Wzrost wydajności pracy w zależności od jej typu i poziomu oświetlenia [1]
-
Wydajniejsza praca i mniejsza ilość odpadów to niejedyne zalety dobrego oświetlenia. Zyskać możemy też na zmniejszeniu liczby wypadków
podczas pracy. Zasada jest prosta – im większy poziom oświetlenia, tym mniej uwagi człowiek poświęca procesowi widzenia i jest bardziej
skoncentrowany na pracy (ryc. 4).
Strona 2/4
ARTYKUŁY TECHNICZNE:
INNOWACJE W OŚWIETLENIU HAL
Ryc. 4. Liczba wypadków określonego typu w funkcji natężenia oświetlenia [1]
Równie ważna jak poziom oświetlenia jest jego równomierność. Częstą praktyką jest doświetlanie tylko gniazd produkcyjnych, natomiast resztę
powierzchni oświetla się w minimalnym stopniu. Niestety, takie rozwiązanie ma poważną wadę – prowadzi do problemów z adaptacją oka do
zmiennych warunków oświetlenia. Czas potrzebny do odzyskania pełnej zdolności widzenia podczas przejścia z obszaru zaciemnionego do
obszaru jasnego wynosi około minuty. Gdy pracownik przemieszcza się w drugą stronę, proces ten może trwać nawet kilkadziesiąt minut.
Wychodząc z obszaru dobrze oświetlonego na słabo oświetloną ścieżkę komunikacyjną, przez dłuższą chwilę nie mamy pełnej zdolności widzenia,
co niejednokrotnie jest przyczyną wypadku. Podobnie jest z olśnieniem pochodzącym od dużo jaśniejszych obiektów (np. źle dobrane oprawy
oświetleniowe). Chyba każdy z nas był kiedyś oślepiony przez nadjeżdżające auto z włączonymi światłami drogowymi. Przypomnijmy sobie, jak
długo po tym nic nie widzieliśmy. Większe ryzyko wypadku wynikające z nierówności oświetlenia to niejedyna wada takiego rozwiązania. Duża
nierównomierność światła prowadzi do większego wysiłku poświęcanego procesom widzenia, a to bezpośrednio wpływa na produktywność.
Kolejnym, równie niedocenianym, parametrem jest migotanie światła. Występuje ono głównie w oprawach świetlówkowych bez statecznika
elektronicznego. O dziwo, problem ten dotyczy również diod LED, które są bezpośrednio zasilane z napięcia sieciowego. Migotanie światła (ang.
fickering) u niektórych osób może powodować migrenę albo wręcz stany padaczkowe, jednak tylko niewielki ułamek populacji jest wrażliwy na to
zjawisko. Dużo większy problem stanowi wpływ takiego oświetlenia na szybko poruszające się elementy. Powstający efekt stroboskopowy
uniemożliwia poprawną ocenę położenia elementu i może prowadzić do wypadków. Migotanie można dość łatwo wyeliminować, stosując stateczniki
elektroniczne lub diody LED z zasilaniem słaboprądowym. Wiąże się to z większymi kosztami, ale na bezpieczeństwie pracy nie powinno się
oszczędzać. Za droższymi rozwiązaniami przemawia również dużo lepsza sprawność energetyczna. Współczynnik oddawania barw Ra (ang. CRI)
jest ostatnim z wymienionych w tym artykule parametrów, na które należy zwrócić uwagę. Im jest on bliższy wartości 100, tym kolor oświetlanego
przedmiotu jest bliższy kolorowi w naturalnym oświetleniu słonecznym. Wspomniałem wcześniej, że światło niebieskie pobudza i powinno być go
jak najwięcej. Problem polega jednak na tym, że w czystym świetle niebieskim nie da się rozróżnić wszystkich kolorów (bardzo małe Ra) i dłuższa
praca w takim świetle jest bardzo męcząca. Rozwiązaniem może być zastosowanie światła białego z odcieniem niebieskawym, zwanym „zimnym
białym”. Trzeba jednak bardzo rozsądnie wykorzystywać takie światło. Powszechnie obecnie stosowane świetlówki oraz – coraz częściej – diody
LED o świetle zimnym mają często Ra poniżej 80. Taka wartość współczynnika często jest określana przez normy jako minimum wymagane w wielu
pomieszczeniach przemysłowych. Tam, gdzie praca wymaga prawidłowego rozróżniania kolorów, Ra powinno być jeszcze większe i wynosić
minimum 90. Instalując nowe oświetlenie, zwłaszcza to oparte na diodach LED, upewnijmy się, czy mają Ra odpowiednie do naszych wymagań.
Istnieją oczywiście systemy oparte na diodach LED z dużą ilością światła niebieskiego i dużym Ra, ale są one droższe i mniej wydajne. Duże Ra
zmniejsza liczbę błędów produkcyjnych oraz bezpieczeństwo pracy. W takim świetle dużo łatwiej jest rozpoznać zagrożenie. Niedługo po
zrozumieniu mechanizmu fototransdukcji (wpływu światła na cykl okołodobowy) powstało oświetlenie przeznaczone specjalnie do hal ze
zwiększoną ilością promieniowania niebieskiego. Na przykład w Holandii w Brabant Distribution Center zostały zainstalowane specjalne świetlówki,
które zmieniają emitowane światło w zależności od pory dnia. Nowe oświetlenie zostało bardzo dobrze przyjęte przez pracowników. Nastąpił też
wzrost wydajności pracy o 10%. Jest to jeden z wielu przykładów, gdzie odpowiednie oświetlenie przyniosło wymierne korzyści. Od niedawna rynek
Strona 3/4
ARTYKUŁY TECHNICZNE:
INNOWACJE W OŚWIETLENIU HAL
oświetlenia przemysłowego zaczynają podbijać diody LED dużej mocy. Związane jest to z ich dużą niezawodnością, wydajnością, łatwością
kształtowania rozkładu światła oraz dużą ilością stymulującego promieniowania niebieskiego (na ryc. 5 widać wyraźny pik dla tej długości fali).
Ryc. 5. Charakterystyka świetlówki Activiva zastosowana w Brabant Distribution Center w porównaniu do typowej białej diody LED [3]
Czas życia diod LED w wypadku renomowanych producentów wynosi co najmniej 50 000 h, czyli prawie 6 lat pracy non stop. Nie należy tego
jednak mylić z okresem działania całej oprawy, co niestety jest najczęściej wykorzystywane rzez producentów. Zwykle podaje się czas życia samych
diod jako czas życia całej oprawy. W wypadku tańszych produktów najczęściej sam zasilacz przestaje pracować po znacznie krótszym czasie.
Drugim aspektem jest deklarowanie, że takie oprawy są całkowicie bezobsługowe, przez co teoretycznie nie ponosi się dodatkowych kosztów w
czasie użytkowania tych opraw. Nie jest to prawdą, ponieważ nikt nie produkuje urządzeń całkowicie niezawodnych i od czasu do czasu będą się
zdarzać awarie. Oczywiście im lepsza oprawa, tym mniej przypadkowych uszkodzeń. Z czasem jednak każda oprawa się brudzi i w celu uzyskania
wysokiej sprawności trzeba ją czyścić. Wynika z tego, że dodatkowych kosztów związanych z serwisowaniem lamp LED nie da się uniknąć, wbrew
temu, co twierdzą niektórzy producenci w swoich obliczeniach całkowitych kosztów eksploatacji. Oczywiście koszty serwisowania na pewno będą
niższe niż w wypadku konwencjonalnych źródeł światła. Pamiętajmy jednak, że oprawy z diodami LED to cały czas nowość i brak jest dostatecznej
ilości danych, aby potwierdzić to w 100%. Przekonanie o wysokiej wydajności diod LED jest już od jakiegoś czasu zakorzenione w naszej
świadomości, jednak rzeczywistość jest trochę inna. Istnieje wiele źródeł światła, na przykład lampy sodowe, które są sprawniejsze. Przewaga
ujawnia się dopiero wówczas, gdy weźmiemy pod uwagę oprawę, w której kierunkowość emitowanego przez diody LED światła jest największą
zaletą. Porównując oprawy LED z lampami sodowymi, metalohalogenowymi czy fuorescencyjnymi, możemy zyskać na sprawności o 20-60%.
Początkowe koszty związane z zakupem oświetlenia są dość wysokie, ale czas zwrotu inwestycji wynosi od 2 do 6 lat, biorąc pod uwagę jedynie
oszczędności związane z mniejszymi rachunkami za prąd i konserwacją. Do tego dochodzą zyski trudne do oszacowania, takie jak zwiększona
wydajność pracy czy ochrona środowiska naturalnego. Dodatkowe oszczędności możemy osiągnąć, wprowadzając system sterowania poziomem
oświetlenia. Diody LED bardzo łatwo dają się sterować, przez co natężenie oświetlenia możemy dostosować do aktualnie panujących warunków.
Dodatkowo diody zaraz po włączeniu świecą maksymalną mocą, co również w niektórych zastosowaniach stanowi olbrzymią zaletę. Ciągłe
włączanie i wyłączanie takich opraw również nie wpływa na ich czas życia, dzięki czemu uzasadnione może być całkowite odłączenie oświetlenia
na krótką chwilę, np. podczas przerwy na posiłek. Pozostaje pytanie: czy inwestycje związane z polepszeniem oświetlenia są warte swojej ceny?
Najnowsze badania pokazują, że tak. Projektując nowe pomieszczenia, warto to uwzględnić i nie kierować się tylko wartościami minimalnymi,
podyktowanymi normami. Poniesione koszty zwrócą się w postaci większej wydajności oraz mniejszej liczby pomyłek i wypadków. Jeżeli jeszcze
dołożymy do tego oprawy oparte na diodach LED, koszty eksploatacji mogą pozostać na obecnym poziomie mimo znacznie większej ilości światła.
Przyszłość też wygląda obiecująco, ponieważ sprawność diod LED cały czas rośnie przy stale malejącej cenie.
Piśmiennictwo
1.
van Bommel Ir.W.J.M., van den Beld Ir. G.J., van Ooyen Ir. M.H.F.: Industrial Lighting and Productivity, 2002
2.
van Bommel Ir. W.J.M., van den Beld Ir G.J.: Lighting for Work: Visual and Biological Efects, „Lightin Research & Technology”, 2004, 4.
3.
Turlej Z. Elementy prozdrowotne w oświetleniu, Prace Instytutu Elektrotechniki, 2007, z. 232
Strona 4/4