Ocena efektywności energetycznej oświetlenia drogowego

Transkrypt

1 Małgorzata Górczewska olitechnika oznańska, Zakład Techniki Świetlnej oznań, ul. iotrowo 3a, tel 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 ) przyjęte zostały następujące normy: - KN-CEN/TR :2007 Oświetlenie dróg Część 1: Wybór klas oświetlenia, - N-EN/ :2005 (U) Oświetlenie dróg Część 2: Wymagania oświetleniowe, - N-EN/ :2005 (U) Oświetlenie dróg Część 3: Obliczenia oświetleniowe, - N-EN/ :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).

2 Tablica 1. Klasy oświetleniowe ME Klasa L w [cd/m2] (wartość najniŝsza, wartość oczekiwana Luminancja jezdni suchej Uo (wartość najniŝsza) Ul (wartość najniŝsza) rzyrost wartości progowej TI w % 1) (wartość największa) Stosunek natęŝenia oświetlenia otoczenia SR 2) (wartość najniŝsza) ME1 2,0 10 ME2 1,5 0,7 ME3a ME3b 1,0 0,4 0,6 0,5 ME3c 0,5 ME4a 0,75 0,6 15 ME4b 0,5 ME5 0,5 0,35 0,4 ME6 0,3 - 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 ,4 CE ,4 CE ,4 CE ,4 CE ,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] S S S3 7,5 1,5 S4 5 1 S5 3 0,6 S6 2 0,6 S7 nie wymaga się nie wymaga się

3 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] 200 Skuteczność świetlna Rodzaj źródła światła 150 NiskopręŜne lampy sodowe Lampy metalohalogenkowe WysokopręŜne lampy sodowe WysokopręŜne lampy rtęciowe 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 ro 100, 150, 250, 400W

4 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 ( hilips) 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 oczątkowe 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). MF L t L 0 MF E t E 0 gdzie: L t, E t - parametry oświetlenia po czasie t, L 0, E 0 - parametry początkowe. Współczynnik ten jest iloczynem cząstkowych współczynników utrzymania dotyczących:

5 - 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 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 ublikacji 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.) 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 Świetlówkowe - halofosforany 0,95 0,82 Świetlówki kompaktowe 0,91 0,88 0,86 0,85 0,84 0,94 0,78 0,93 0,74 0,92 0,72 0,91 0,71 Tablica 5. Współczynniki wygasania lamp (LSF). Typ lampy Czas świecenia ( tys. godz.) 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 Świetlówkowe - halofosforany 0,99 0,99 0,99 0,98 0,99 0,93 0,98 0,86 0,96 0,70 Świetlówki kompaktowe 0,98 0,94 0,90 0,78 0,50

6 Na podstawie analizy danych zawartych w Tablicy 4 i Tablicy 5 moŝna stwierdzić, Ŝe odpowiadają one parametrom źródeł światła o przeciętnej jakości 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 I komory lampy. Typowe wartości współczynników utrzymania LMF dla szeregu opraw, zaczerpnięte z ublikacji CIE 154:2003, podano w Tablicy 6. Tablica 6. Współczynniki utrzymania związane z zabrudzaniem się opraw (LMF). I oprawy Zanieczyszczenie środowiska Czas pracy ( w latach.) 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 DuŜe 0,53 0,48 0,45 0,43 0,42 I2X 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 I5X 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 I6X 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 mikrogramów na m 3. - średnie umiarkowane zapylenie i zadymienie, ruch umiarkowany do duŝego. Zawartość zanieczyszczeń nie przekraczająca 600 mikrogramów na m 3. - duŝe zapylenie lub zadymienie generowane w pobliŝu i oddziałujące na oprawy 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

7 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. arametry 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. oza tym, przy stosowaniu duŝych kątów pochylenia opraw znaczna część strumienia świetlnego opraw jest skierowana poza jezdnię i stanowi przyczynę "zaśmiecania" nieboskłonu światłem rys.4c.

8 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) e E A L [W/m 2 na 1cd/m 2 ] (2) m e E A E [W/m 2 na 1lx] m gdzie: - e E - miara efektywności energetycznej systemu oświetlenia, - moc systemu oświetlenia [W], - A powierzchnia oświetlana [m 2 ], - L m - poziom luminancji po określonym czasie eksploatacji [cd/m 2 ], - E m - poziom natęŝenia oświetlenia po określonym czasie eksploatacji [lx]. Dla typowych sytuacji w oświetleniu drogowym moŝna przyjąć, Ŝe moc odpowiada mocy pojedynczej oprawy opr (lampy i statecznika) a powierzchnia oświetlana stanowi powierzchnię prostokąta o bokach odpowiadających odpowiednio szerokości oświetlanej drogi i odległości pomiędzy kolejnymi oprawami. w s

9 Wartości luminancji i natęŝenia oświetlenia moŝna zapisać jako: L m L o x MF L o x LLMF x LMF E m E o x MF E o x LLMF x LMF ZaleŜności (1) i (2) przyjmą następującą postać: (3) (4) e e E E W opr opr [W/m 2 na 1cd/m 2 ] W s L s E o MF MF W W s L s E o o LLMF LLMF LMF opr opr [W/m 2 na 1lx] o LMF 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 W/m 2 na 1cd/m 2 0,9 - dla wymagań opartych na natęŝeniu oświetlenia W/m 2 na 1lx 0,06 Według autorów raportu, tak przyjęte wartości eliminują moŝliwość stosowania źródeł rtęciowych oraz otwartych opraw o niskim stopniu ochrony I. 6. odsumowanie Na koszty eksploatacji oświetlenia zewnętrznego ma wpływ szereg czynników. roponowany 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.

10 Literatura 1. Górczewska M. Techniczno-ekonomiczne aspekty modernizacji oświetlenia drogowego. Materiały Konferencji N -T Oświetlenie zewnętrzne, Kołobrzeg Górczewska M. Wymagania normatywne dotyczące oświetlenia drogowego. Materiały Konferencji TiREE Oświetlenie drogowe Sposoby zarządzania systemami oświetlenia na terenie kraju, oznań, Morawski. WysokopręŜne lampy wyładowcze w oświetleniu zewnętrznym. Materiały Konferencji N-T Oświetlenie zewnętrzne, Kołobrzeg Ślęk B. Układy stabilizacyjno-zapłonowe w oświetleniu zewnętrznym. Materiały Konferencji N-T Oświetlenie zewnętrzne, Kołobrzeg Ślęk B. Białe światło i przyszłe systemy w oświetleniu zewnętrznym. Materiały Konferencji N-T Sztuka oświetlania. Kołobrzeg ubl. CIE Guide to the Lighting of Urban Areas. 7. ubl. CIE The maintenance of outdoor lighting systems.