2 Analiza ef. energ oœwiet M Górczewska - Pol

2 Analiza ef. energ oœwiet M Górczewska - Pol

Małgorzata Górczewska
Politechnika Poznańska, Zakład Techniki Świetlnej
60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3a, tel. 0-61 665 23 98
e-mail: [email protected]
Ocena efektywności energetycznej oświetlenia drogowego
1. Wstęp
Głównym zadaniem oświetlenia drogowego jest uzyskanie odpowiednich warunków
widzenia, zapewniających bezpieczne i wygodne poruszanie się wszystkich uczestników
ruchu. Nakazem czasu jest dąŜenie do osiągnięcia tego celu przy moŜliwie niskim zuŜyciu
energii elektrycznej.
Za miarę efektywności energetycznej stosowanych rozwiązań moŜna przyjąć związek
pomiędzy poziomem zainstalowanej mocy systemu oświetleniowego a uzyskanym
poziomem oświetlenia na rozwaŜanej powierzchni.
Na energochłonność przyjętego rozwiązania oświetleniowego wpływają głównie:
- wymagania normatywne,
- rodzaje zastosowanych źródeł światła i opraw oświetleniowych,
- przyjęte procedury eksploatacji i konserwacji,
- geometria systemu oświetlenia.
2. Wymagania normatywne dotyczące oświetlenia drogowego
Ilościowe i jakościowe parametry świetlne, mające istotny wpływ na sposób
rozwiązania urządzeń oświetleniowych, zawarte są w obowiązujących wymaganiach
normatywnych.
Dotychczas (stan na dzień 1.04.2007) przyjęte zostały następujące normy:
- PKN-CEN/TR 13201-1:2007 Oświetlenie dróg – Część 1: Wybór klas oświetlenia,
- PN-EN/ 13201-2:2005 (U) Oświetlenie dróg – Część 2: Wymagania oświetleniowe,
- PN-EN/ 13201-3:2005 (U) Oświetlenie dróg – Część 3: Obliczenia oświetleniowe,
- PN-EN/ 13201-4:2005 (U) Oświetlenie dróg – Część 4: Metody pomiarów
parametrów oświetlenia.
Zgodnie z aktualnie obowiązującą normą, na oświetlanych drogach stosowane są
wymagania ilościowe oparte na kryterium luminancyjnym lub na kryterium natęŜenia
oświetlenia.
Na drogach przeznaczonych dla ruchu samochodowego z umiarkowaną lub wysoką
prędkością wykorzystuje się klasy oświetleniowe ME, dla których kryteria oceny oparte
są na luminancji jezdni - Tablica 1.
Dla tego rodzaju ulic efektywność energetyczna oświetlenia będzie zaleŜała równieŜ
od rodzaju stosowanej nawierzchni ( stopnia jasności i kierunkowości odbicia światła).
Tablica 1. Klasy oświetleniowe ME
Luminancja jezdni suchej
Klasa
ME1
ME2
ME3a
ME3b
ME3c
ME4a
ME4b
ME5
ME6
L w [cd/m2]
(wartość najniŜsza,
wartość oczekiwana
Uo
(wartość
najniŜsza)
Ul
(wartość
najniŜsza)
2,0
1,5
1,0
Stosunek natęŜenia
oświetlenia otoczenia
SR 2)
(wartość najniŜsza)
10
0,7
0,4
0,6
0,5
0,6
0,5
0,4
0,75
0,5
0,3
Przyrost wartości
progowej
TI w % 1)
(wartość
największa)
0,35
0,5
15
-
Oświetlenie obszarów kolizyjnych, tj. np. skrzyŜowań, rond itp. oparte jest na kryterium
natęŜenia oświetlenia – klasy CE - Tablica 2.
Tablica 2. Zalecane parametry oświetleniowe dla klas CE
Klasa oświetleniowa
Eśr [lx]
Uo [Emin/Eśr]
CE 0
50
0,4
CE 1
30
0,4
CE 2
20
0,4
CE 3
15
0,4
CE 4
10
0,4
CE 5
7,5
0,4
Na drogach przeznaczonych dla uŜytkowników poruszających się z niewielką prędkością,
tj. np. na ulicach osiedlowych, parkingach, w strefach dla pieszych, rowerzystów itp. przyjęto
klasy oświetlenia S, oparte równieŜ na ocenie wg kryterium natęŜenia oświetlenia - Tablica 3.
Tablica 3. Zalecane parametry oświetleniowe dla klas S
Klasa
Eśr [lx]
Emin [lx]
S1
15
5
S2
10
3
S3
7,5
1,5
S4
5
1
S5
3
0,6
S6
2
0,6
S7
nie wymaga się
nie wymaga się
3. Źródła światła i oprawy stosowane w oświetleniu drogowym
Najczęściej stosowanym obecnie źródłem światła w oświetleniu drogowym są
wysokopręŜne lampy sodowe, charakteryzujące się bardzo wysoką skutecznością świetlną –
rys.1, trwałością oraz stosunkowo niewielkim spadkiem strumienia świetlnego w okresie
eksploatacji – rys.2.
[lm/W] Skuteczność
świetlna
200
Rodzaj źródła
światła
NiskopręŜne lampy
sodowe
150
WysokopręŜne lampy
sodowe
100
Lampy
metalohalogenkowe
WysokopręŜne lampy
50
rtęciowe
1950
1960
1970
1980
1990
Rys.1. Skuteczność świetlna podstawowych rodzajów źródeł światła stosowanych w
oświetleniu drogowym
Zmiany strumienia świetlnego
%
Godziny świecenia
Rys.2. Zmiany strumienia świetlnego lamp sodowych SON-T Pro 100, 150, 250, 400W
W wielu rozwiązaniach, w których poŜądanym parametrem jakościowym jest białe
światło i dobre oddawanie barw, zastosowanie znajdują lampy metalohalogenkowe, mimo
niŜszej skuteczności świetlnej i gorszych cech eksploatacyjnych – niŜszej trwałości i
szybszego obniŜania się strumienia świetlnego.
Rodzaj i kształt oświetlanych powierzchni oraz warunki eksploatacji oświetlenia
drogowego sprawiają, Ŝe na jego jakość i trwałość istotny wpływ ma rodzaj zastosowanych
opraw.
WydłuŜony kształt oświetlanej drogi i częściowo kierunkowy charakter odbicia
większości nawierzchni wymagają odpowiednio ukształtowanego, uwydatnionego rozsyłu
opraw. Niezmienność tego rozsyłu w czasie jest uzaleŜniona od rodzaju i jakości materiału
odbłyśnika oraz od ograniczenia niekorzystnego wpływy zanieczyszczeń ( pył, wilgoć)
zarówno na odbłyśnik jak i na klosz oprawy.
Oprawy drogowe ( Philips)
Cechy uŜytkowe zastosowanych lamp i opraw mają decydujący wpływ na jakość,
trwałość i energochłonność przyjętego systemu oświetlenia, poniewaŜ zgodnie z
wymaganiami normatywnymi odpowiedni poziom parametrów musi być zapewniony w
całym okresie eksploatacji oświetlenia.
4. Eksploatacja oświetlenia drogowego
Początkowe parametry oświetlenia ulegają eksploatacyjnym zmianom, tj. pogarszają się
wskutek obniŜania się strumienia świetlnego i wygasania lamp oraz w wyniku zabrudzania się
lamp i opraw oświetleniowych.
Zmiany parametrów oświetlenia są uwzględniane w wartości przyjętego współczynnika
utrzymania – MF ( Maintenance Factor).
L
MF = t
L0
gdzie:
MF =
Et
E0
Lt , Et - parametry oświetlenia po czasie t,
L0 , E0 - parametry początkowe.
Współczynnik ten jest iloczynem cząstkowych współczynników utrzymania dotyczących:
- strumienia świetlnego lampy LLMF ( Lamp Lumen Maintenance Factor ),
- wygasania lamp LSF (Lamp Survival Factor),
- zabrudzania lampy i oprawy LMF ( Luminaire Maintenance Factor),
- zabrudzania powierzchni SMF (Surface Maintenance Factor).
Dla większości przypadków oświetlenia zewnętrznego współczynnik MF zaleŜy od
współczynników utrzymania strumienia lampy LLMF i zabrudzania oprawy LMF.
4.1. Źródła światła
Strumień świetlny dowolnej lampy ulega obniŜeniu w trakcie jej eksploatacji. Stopień tych
zmian zaleŜy od rodzaju i jakości źródła światła oraz, dla lamp wyładowczych, od układu
stabilizacyjno-zapłonowego. Szczegółowych danych powinni dostarczać producenci.
W Publikacji CIE 154:2003 podano typowe dane dotyczące zmian strumienia świetlnego
LLMF - Tablica 4 i wygasania LSF – Tablica 5, dla większości wykorzystywanych w
praktyce źródeł.
Tablica 4. Współczynniki utrzymania strumienia świetlnego lamp (LLMF).
Typ lampy
Czas świecenia ( tys. godz.)
4
6
8
10
12
Sodowe wysokopręŜne
0,98
0,97
0,94
0,91
0,90
Metalohalogenkowe
0,82
0,78
0,76
0,74
0,73
Rtęciowe wysokopręŜne
0,87
0,83
0,80
0,78
0,76
Sodowe niskopręŜne
0,98
0,96
0,93
0,90
0,87
Świetlówkowe – trójpasmowe
0,95
0,94
0,93
0,92
0,91
Świetlówkowe - halofosforany
0,82
0,78
0,74
0,72
0,71
Świetlówki kompaktowe
0,91
0,88
0,86
0,85
0,84
Tablica 5. Współczynniki wygasania lamp (LSF).
Typ lampy
Czas świecenia ( tys. godz.)
4
6
8
10
12
Sodowe wysokopręŜne
0,98
0,96
0,94
0,92
0,89
Metalohalogenkowe
0,98
0,97
0,94
0,92
0,88
Rtęciowe wysokopręŜne
0,93
0,91
0,87
0,82
0,76
Sodowe niskopręŜne
0,92
0,86
0,80
0,74
0,62
Świetlówkowe – trójpasmowe
0,99
0,99
0,99
0,98
0,96
Świetlówkowe - halofosforany
0,99
0,98
0,93
0,86
0,70
Świetlówki kompaktowe
0,98
0,94
0,90
0,78
0,50
Na podstawie analizy danych zawartych w Tablicy 4 i Tablicy 5 moŜna stwierdzić, Ŝe
odpowiadają one parametrom źródeł światła o przeciętnej jakości.
4.2. Oprawy oświetleniowe
Na zabrudzanie się opraw i lamp ma wpływ poziom zanieczyszczenia środowiska, w jakim
pracują, oraz ich podatność na zabrudzanie się, zaleŜna głównie od stopnia ochrony IP
komory lampy.
Typowe wartości współczynników utrzymania LMF dla szeregu opraw, zaczerpnięte z
Publikacji CIE 154:2003, podano w Tablicy 6.
Tablica 6. Współczynniki utrzymania związane z zabrudzaniem się opraw (LMF).
IP
oprawy
IP2X
IP5X
IP6X
Czas pracy ( w latach.)
Zanieczyszczenie
środowiska
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
DuŜe
0,53
0,48
0,45
0,43
0,42
Średnie
0,62
0,58
0,56
0,54
0,53
Małe
0,82
0,80
0,79
0,78
0,78
DuŜe
0,89
0,87
0,84
0,80
0,76
Średnie
0,90
0,88
0,86
0,84
0,82
Małe
0,92
0,91
0,90
0,89
0,88
DuŜe
0,91
0,90
0,88
0,85
0,83
Średnie
0,92
0,91
0,89
0,88
0,87
Małe
0,93
0,92
0,91
0,90
0,90
Określenie zanieczyszczenia środowiska:
-„małe” – brak znaczącego zapylenia i zadymienia, niewielki ruch samochodów.
Głównie przedmieścia, obszary wiejskie. Zawartość zanieczyszczeń nie przekraczająca 150
3
mikrogramów na m .
-„średnie” – umiarkowane zapylenie i zadymienie, ruch umiarkowany do duŜego.
3
Zawartość zanieczyszczeń nie przekraczająca 600 mikrogramów na m .
-„duŜe” –zapylenie lub zadymienie generowane w pobliŜu i oddziałujące na oprawy.
4.3. Dobór współczynnika utrzymania
Eksploatacyjne zmiany parametrów oświetlenia powinny być uwzględniane w fazie
projektowania przez dobór odpowiednich opraw i źródeł światła dla danych warunków
eksploatacyjnych. Dla dobranego sprzętu naleŜy określić program konserwacji urządzeń
oświetleniowych, tj. głównie rodzaj wymiany źródeł światła oraz okresy czyszczeń opraw i
dla takiego programu wyznaczyć współczynnik utrzymania. Współczynnik ten w większości
przypadków będzie iloczynem:
MF = LLMF x LMF
Jak wynika z danych zawartych w tablicy 4 i tablicy 6, współczynnik ten moŜe przybierać
znacząco róŜne wartości i w ten sposób istotnie wpływać na energochłonność oświetlenia
drogowego.
5. Geometria systemu oświetlenia
Wymagania normatywne dotyczące oświetlenia dróg, ulic, chodników, itp., oparte są
zarówno na kryterium luminancyjnym jak i na kryterium natęŜenia oświetlenia. W obu tych
przypadkach, a szczególnie przy kryterium luminancyjnym, efektywność oświetlenia,
wyraŜająca się uzyskaniem odpowiednich parametrów fotometrycznych przy moŜliwie
niskich kosztach eksploatacyjnych, będzie zaleŜeć od parametrów urządzeń oświetleniowych
i oświetlanej drogi oraz od przyjętej geometrii urządzeń oświetleniowych.
Geometria urządzeń oświetlenia drogowego – rys.3, dotyczy:
- sposobu rozmieszczenia opraw (jednostronne, obustronne, itd.),
- odległości pomiędzy słupami,
- wysokości zamontowania opraw oświetleniowych,
- długości i kątów pochylenia wysięgników.
δ
h
w
a
s
Rys.3. Parametry geometryczne oświetlenia drogi
Najogólniej moŜna stwierdzić, Ŝe oprawy powinny być zamontowane nad jezdnią – rys.4a, a w
skrajnym przypadku nad krawęŜnikiem – rys.4b, w pozycji poziomej lub z niewielkim kątem
pochylenia. W przeciwnym przypadku sprawność oświetlenia wyraźnie maleje [1]. RównieŜ obniŜa
się poziom bezpieczeństwa, poniewaŜ wyraźnie pogarsza się widoczność przeszkód na oświetlonej
drodze. Poza tym, przy stosowaniu duŜych kątów pochylenia opraw znaczna część strumienia
świetlnego opraw jest skierowana poza jezdnię i stanowi przyczynę "zaśmiecania" nieboskłonu
światłem – rys.4c.
a) - najkorzystniejsza b) - dopuszczalna
c) - niekorzystna
Rys.4. Geometria montaŜu opraw oświetlenia drogowego
5. Ocena efektywności energetycznej oświetlenia
Jeśli za miarę efektywności energetycznej stosowanych rozwiązań przyjąć związek
pomiędzy poziomem mocy stosowanego systemu oświetleniowego a uzyskanym poziomem
oświetlenia na rozwaŜanej powierzchni, to związek ten dla parametrów oświetlenia
drogowego, tj. poziomu luminancji i poziomu natęŜenia oświetlenia, przyjmie postać:
(1)
eE =
P
A ⋅ Lm
2
2
[W/m na 1cd/m ]
(2)
eE =
P
A ⋅ Em
2
[W/m na 1lx]
gdzie: - eE - miara efektywności energetycznej systemu oświetlenia,
- P – moc systemu oświetlenia [W],
2
- A – powierzchnia oświetlana [m ],
- Lm - poziom luminancji po określonym czasie eksploatacji [cd/m2],
- E m - poziom natęŜenia oświetlenia po określonym czasie eksploatacji [lx].
Dla typowych sytuacji w oświetleniu drogowym moŜna przyjąć, Ŝe moc P odpowiada
mocy pojedynczej oprawy Popr (lampy i statecznika) a powierzchnia oświetlana stanowi
powierzchnię prostokąta o bokach odpowiadających odpowiednio szerokości oświetlanej
drogi i odległości pomiędzy kolejnymi oprawami.
w
s
Wartości luminancji i natęŜenia oświetlenia moŜna zapisać jako:
Lm = Lo x MF = Lo x LLMF x LMF
Em = Eo x MF = Eo x LLMF x LMF
ZaleŜności (1) i (2) przyjmą następującą postać:
(3)
eE =
(4)
eE =
Popr
=
W ⋅ s ⋅ L o ⋅ MF
Popr
=
W ⋅ s ⋅ E o ⋅ MF
Popr
W ⋅ s ⋅ L o ⋅ LLMF ⋅ LMF
Popr
W ⋅ s ⋅ E o ⋅ LLMF ⋅ LMF
2
2
[W/m na 1cd/m ]
2
[W/m na 1lx]
Tak wyznaczone wskaźniki mogą słuŜyć do analizy porównawczej róŜnych rozwiązań
oświetleniowych. Mogą równieŜ stanowić podstawę klasyfikacji efektywności energetycznej
przy przyjęciu odpowiednich wartości stanowiących kryterium oceny.
Ten sposób oceny w odniesieniu do funkcjonalnych opraw oświetlenia drogowego
stanowi obecnie przedmiot prac zespołu ELC/CELMA. W opublikowanym przez ten zespół
raporcie z 2006 roku proponuje się przyjęcie następujących kryteriów przyznawania dla
opraw europejskiego znaku jakości CE:
- dla wymagań opartych na luminancji drogi
2
2
W/m na 1cd/m ≤ 0,9
- dla wymagań opartych na natęŜeniu oświetlenia
2
W/m na 1lx ≤ 0,06
Według autorów raportu, tak przyjęte wartości eliminują moŜliwość stosowania źródeł
rtęciowych oraz otwartych opraw o niskim stopniu ochrony IP.
6. Podsumowanie
Na koszty eksploatacji oświetlenia zewnętrznego ma wpływ szereg czynników.
Proponowany sposób oceny efektywności energetycznej, uwzględniający cechy jakościowe
zastosowanych opraw i źródeł światła, warunki ich pracy oraz przyjęty sposób realizacji
systemu oświetlenia, umoŜliwia przeprowadzenie porównawczej oceny róŜnych rozwiązań.
Literatura
1. Górczewska M. Techniczno-ekonomiczne aspekty modernizacji oświetlenia drogowego.
Materiały Konferencji N -T Oświetlenie zewnętrzne, Kołobrzeg 2003
2. Górczewska M. Wymagania normatywne dotyczące oświetlenia drogowego. Materiały
Konferencji PTPiREE Oświetlenie drogowe – Sposoby zarządzania systemami
oświetlenia na terenie kraju, Poznań, 2006
3. Morawski P. WysokopręŜne lampy wyładowcze w oświetleniu zewnętrznym. Materiały
Konferencji N-T Oświetlenie zewnętrzne, Kołobrzeg 2003
4. Ślęk B. Układy stabilizacyjno-zapłonowe w oświetleniu zewnętrznym. Materiały
Konferencji N-T Oświetlenie zewnętrzne, Kołobrzeg 2003
5. Ślęk B. Białe światło i przyszłe systemy w oświetleniu zewnętrznym. Materiały
Konferencji N-T Sztuka oświetlania. Kołobrzeg 2004
6. Publ. CIE 136 - 2000. Guide to the Lighting of Urban Areas.
7. Publ. CIE 154 - 2003. The maintenance of outdoor lighting systems.