Analiza rozkładu luminancji wybranego odcinka drogi dwujezdniowej oświetlonego przez system latarni ulicznych

Transkrypt

1 Marcin Chrzanowicz 1 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny Piotr Tomczuk 2 Politechnika Warszawska, Wydział Transportu Analiza rozkładu luminancji wybranego odcinka drogi dwujezdniowej oświetlonego przez system latarni ulicznych 1. WSTĘP Nowoczesne oprawy oświetleniowe poza aspektami estetycznymi muszą zapewniać właściwe warunki oświetleniowe. Wiąże się to ze spełnieniem szeregu wymogów formalnych (zawartych w normie oświetleniowej), co powinno wiązać się z przeprowadzeniem badań kontrolnych po wykonaniu instalacji. Kontrola stanu oświetlenia drogi lub ulicy jest kluczowym czynnikiem utrzymania wysokich standardów oświetlenia oraz bezpieczeństwa ruchu zarówno kierowców, jak i pieszych. Jest czynnikiem nie mniej ważnym od wymogów energochłonności instalacji. Złe rozwiązania oświetleniowe w znacznym stopniu przyczyniają się do niekorzystnej w Polsce liczby wypadków [2] z udziałem pieszych w porze nocnej. Obecnie prowadzone pomiary oświetlenia ulicznego [1] mają miejsce głównie przy odbiorze nowo projektowanych instalacji. Niezbędna jest także kontrola stanu oświetlenia eksploatowanych już instalacji pod kątem utrzymania założonych parametrów oświetlenia [3, 4] i przeprowadzenia ewentualnej ich konserwacji. Na podstawie otrzymanych wyników można podjąć decyzje dotyczącą konserwacji opraw lub ich wymiany. Efektywne pozyskiwanie funduszy na wymianę instalacji oświetleniowych także powinno się wiązań z ustaleniem aktualnego stanu oświetlenia [7]. Merytoryczne podejście do oceny stanu faktycznego może być podstawą do pozytywnego zaopiniowania wniosku o taką inwestycję. Formalnie może istnieć potrzeba wykonania badań potwierdzających jakość zastosowanych rozwiązań oświetleniowych. Instalowane oświetlenie musi spełniać oprócz kryterium ceny szereg innych kryteriów związanych z wieloletnią eksploatacją instalacji. Miedzy innymi należy kierować się kosztami związanymi z konserwacją opraw, co w przypadku rozwiązań LED jest często czynnikiem decydującym o ich wyborze. Wymagania oświetleniowe dotyczące dróg zawarto w Polskiej Normie [3], która do chwili obecnej jest normą uznaniową. Pomimo tego faktu projektanci oświetlenia ulicznego często stosują jej zapisy podczas podejmowania decyzji o warunkach oświetleniowych. Dla oświetlenia ulic i dróg w klasach ME/MEW [3, 4] przyjmuje się następujące kryteria projektowania i oceny stanu oświetlenia: luminancję średnią jezdni, L śr [cd/m 2 ], równomierność luminancji całkowitą, U O, równomierność luminancji wzdłużną, U L. Ponadto istnieją wymogi dotyczące: wskaźnika wzrostu wartości progowej kontrastu, TI [%], wskaźnika oświetlenia poboczy, SR. Wymagania dla klas oświetleniowych ME przedstawiono w tabeli 1. Dotychczas istniały ograniczenia dotyczące pozyskiwania danych fotometrycznych, a w szczególności parametrów związanych z luminancją nawierzchni jezdni. Wykorzystanie klasycznych mierników luminancji (np. LMT1009 lub LS-110) zmuszało do stosowania procedury pomiarowej wymagającej od operatora precyzji ustawienia przyrządu i przeznaczenia znaczącego czasu potrzebnego na wykonanie pomiarów dla przyjętej liczby określonych punktów pomiarowych na jezdni. Wykonanie pomiarów według wskazówek zawartych w normie [3], szczególnie w warunkach ciągłej eksploatacji jest trudne do 1 marcin.chrzanowicz@ee.pw.edu.pl 2 ptomczuk@wt.pw.edu.pl Logistyka 4/

2 zrealizowania, a w warunkach nasilonego ruchu miejskiego praktycznie niemożliwe do przeprowadzenia bez zamknięcia danej arterii komunikacyjnej. Tabela. 1. Parametry klas oświetleniowych ME Klasa L śr [cd/m 2 ] Uo U L TI [%] SR ME1 2 0,7 0,7 10 0,5 ME2 1,5 0,4 0,7 10 0,5 ME3a 1 0,4 0,7 15 0,5 ME3b 1 0,4 0,6 15 0,5 ME3c 1 0,4 0,5 15 0,5 ME4a 0,75 0,4 0,6 15 0,5 ME4b 0,75 0,4 0,5 15 0,5 ME5 0,5 0,35 0,4 15 0,5 ME6 0,3 0,35 0,4 15 Brak wymagań Źródło: opracowanie na podstawie [3]. Opracowana dokumentacja techniczna ulicy jest podstawą do wykonania obliczeń w programach wspomagających projektowanie oświetlenia. Na podstawie sytuacji oświetleniowej dokonuje się wyboru klasy oświetleniowej [3, 4]. Po zweryfikowaniu wstępnych projektów następuje wybór optymalnego rozwiązania. Efektem wszystkich tych działań jest funkcjonująca instalacja oświetleniowa, której kontrola powinna być prowadzona zarówno na etapie inwestycyjnym, jak i eksploatacyjnym z założonym harmonogramem. Efektywne oświetlenie uliczne to nie tylko sama oprawa, ale także jej właściwa instalacja i jej eksploatacja. Już w fazie montażu mogą mieć miejsce błędy (niewłaściwe parametry geometryczne wynikające z niestarannego montażu) powodujące niespełnienie założonych w fazie projektu parametrów oświetleniowych. 2. POMIARY W celu zapoznania czytelnika z problemami związanymi z eksploatacją oświetlenia drogowego przedstawiono wyniki pomiarów rozkładu luminancji jednej z głównych dróg krajowych (trasa S8 ok 80 km od Warszawy), wykonane dla wybranego odcinka drogi dwujezdniowej, dwupasowej oświetlonej przez system latarni ulicznych. Lokalizację obszaru pomiarowego przedstawiono na rysunku 1. Odcinek pomiarowy oświetlony był nowymi oprawami oświetleniowymi typu ACRON 200S2 Firmy ELGO (rys. 2) wyposażonej w wysokoprężne lampy sodowe VIALOX NAV T SUPER 4Y o mocy 250 W. Wysokość montażu opraw nad jezdnią wynosiła 12 m, na słupie stalowym o wysokości 10 m i wysięgniku dwuramiennym 180º o wysokości 2 m i długości ramienia 2,5 m. Odstęp pomiędzy oprawami na odcinku pomiarowym wynosi 42 m. Ustawienie opraw oświetleniowych było dwustronnie w pasie dzielącym, 2 oprawy na słupie, każda skierowana na jedną jezdnię. Łączna szerokość jednej jezdni wynosiła 7m. Kąt pochylenia oprawy oświetleniowej wynosił 10º. Nie występowały przeszkody dla światła, lecz istniała możliwość występowania światła obcego, pochodzącego od lamp przednich pojazdów samochodowych z sąsiedniej jezdni. Instalacja zapewnia poprawne prowadzenie wzrokowe kierowców. Nawierzchni Rys. 1. Lokalizacja odcinka pomiarowego 1754 Logistyka 4/2014

3 jezdni pokryta była asfaltem bitumicznym o ciemnej strukturze. Nawierzchni drogi była w dobrym stanie technicznym (okres eksploatacji wynosił około 1 roku), lecz posiadała nieznaczne wytarcie asfaltu spowodowane intensywną eksploatacją. Na jezdni istniało pozostawione tymczasowe oznakowanie poziome oraz widoczne ślady po zmianie oznakowania. Pomiary luminancji przeprowadzono na wybranym, reprezentatywnym odcinku pomiarowym usytuowanym pomiędzy kolejnymi oprawami, oznaczonymi numerem 01 i 02. Szkic odcinka pomiarowego z oznaczeniem kierunków pomiarowych przedstawiono na rysunku 3. Rys. 2. Wygląd oprawy ACRON 200S2 Firmy ELGO Źródło: opracowanie [3]. Rys. 3. Szkic odcinka pomiarowego Poniżej przedstawiono wyniki dla dwóch kierunków pomiaru, tożsamymi z kierunkami ruchu pojazdów zgodnie z zaleceniami normy [1]. Obserwator wraz z miernikiem luminancji znajdował się na środku każdego pasa jezdni. Odległość pomiędzy obserwatorem a początkiem obszaru pomiarowego wynosiła 60m. Usytuowanie obserwatora oznaczono literą x (rys. 3), kierunek obserwacji oznaczono strzałką. Kamerę do pomiaru luminancji umieszczono nad jezdnią na wysokości 1,5m. Rysunki 4 i 5 prezentują widok badanej drogi oświetlonej oprawami drogowymi, w danych kierunkach obserwacji. Rys. 4. Widok obszaru pomiarowego z pozycji obserwatora 1 Logistyka 4/

4 Rys. 5. Widok obszaru pomiarowego z pozycji obserwatora 2 Obrazy rozkładu luminancji na nawierzchni drogi dla dwóch pozycji obserwatora przestawiono na rysunkach 6 i 8. Obok zdjęć obrazów luminancji znajduje się skala liniowa o zakresie 0 3 cd/m 2. Na rysunkach 7 i 9 przedstawiono transformowany widok z góry obszaru pomiarowego z naniesiona siatką pomiarową. Rys. 6. Rozkład luminancji obszaru pomiarowego z pozycji obserwatora 1. Skala liniowa, jednostka [cd/m 2 ] 1756 Logistyka 4/2014

5 Rys. 7. Transformowany do widoku z góry rozkład luminancji dla obszaru pomiarowego z pozycji obserwatora 1 z naniesioną siatką pomiarową. Skala liniowa, jednostka [cd/m 2 ] Rys. 8. Rozkład luminancji obszaru pomiarowego z pozycji obserwatora 2. Skala liniowa, jednostka [cd/m 2 ] Logistyka 4/

6 Rys. 9. Transformowany do widoku z góry rozkład luminancji dla obszaru pomiarowego z pozycji obserwatora 2 z naniesioną siatką pomiarową. Skala liniowa, jednostka [cd/m 2 ] Do obliczeń parametrów badanej drogi posłużono się siatką pomiarową składającą się z 66 punktów pomiarowych (6 x 11, odległość pomiędzy punktami pomiarowymi wzdłuż jezdni wynosi 7 m, w poprzek 1 m). Otrzymane dane w postaci luminancji zostały wyeksportowane do programu kalkulacyjnego, gdzie uzyskano końcowe wyniki rozkładu luminancji w punktach pomiarowych siatki. Wartości naniesiono schematycznie na rysunek drogi dla dwóch pozycji obserwatora (rys. 10). Rys. 10. Uzyskane wyniki luminancji dla dwóch pozycji obserwatora [cd/m 2 ] Wyniki obliczeń zgodne z wymogami normy [3] dla dwóch pozycji obserwatora 1 i 2 oraz całej nawierzchni jezdni zestawiono i zaprezentowano w sposób zbiorczy w tabeli 2. Przedstawienie tych danych może być przydatne projektantom i wykorzystane do potwierdzenia wyników obliczeń symulacyjnych uzyskanych z programów wspomagających projektowanie oświetlenia Logistyka 4/2014

7 Tabela. 2. Wyniki pomiarów luminancji L.p. Nazwa parametru Wynik Jednostka 1. Luminancja minimalna 1 pasa jezdni 1,294 cd/m 2 2. Luminancja maksymalna 1 pasa jezdni 2,317 cd/m 2 3. Luminancja średnia 1 pasa jezdni 1,718 cd/m 2 4. Całkowita równomierność wzdłużna luminancji 1 pasa jezdni 0, Równomierność ogólna 1 pasa jezdni 0, Przyrost progowy luminancji 1 pasa jezdni 8,4 % 7. Luminancja minimalna 2 pasa jezdni 1,300 cd/m 2 8. Luminancja maksymalna 2 pasa jezdni 1,956 cd/m 2 9. Luminancja średnia 2 pasa jezdni 1,536 cd/m Całkowita równomierność wzdłużna luminancji 2 pasa jezdni 0, Równomierność ogólna 2 pasa jezdni 0, Przyrost progowy luminancji 2 pasa jezdni 8,1 % 13. Luminancja minimalna całej jezdni 1,294 cd/m Luminancja maksymalna całej jezdni 2,317 cd/m Luminancja średnia całej jezdni 1,627 cd/m Całkowita równomierność wzdłużna luminancji całej jezdni 0, Równomierność ogólna całej jezdni 0, Przyrost progowy luminancji całej jezdni 8,25 % 3. WNIOSKI Przeprowadzone pomiary i wykonana analiza wyników fotometrycznych oświetlenia zainstalowanego na drodze krajowej wykazuje, że zrealizowano założone cele oświetleniowe. Wymogi normy PN-EN 13201:2007 [3] zostały spełnione w każdym z analizowanych zakresów (wartości średnich, równomierności ogólnej, równomierności wzdłużnej, przyrostu wartości progowej kontrastu). Nadmienić należy, że wykonane pomiary fotometryczne przeprowadzone zostały bez dostępu do dokumentacji projektowej. Skutkuje to brakiem wiedzy o wyborze przez projektanta oświetlenia obszarów reprezentatywnych dla badanej instalacji. Norma PN-EN 13201:2007 zakłada, że pomiary kontrolne zostaną przeprowadzone właśnie w tych obszarach. Jeżeli wybór obszarów pomiarowych nie pokrywa się z projektem można założyć, że zaistnieje pewne odstępstwo od pełnego zrealizowania wszystkich wymogów fotometrycznych. Ze względu na symetryczny układ instalacji oświetleniowej w obszarze pomiarowym zdecydowano się na przeprowadzenie pomiaru na jednej z reprezentatywnych jezdni. Przeprowadzone pomiary fotometryczne zostały wykonane w pełnej zgodności z wymaganiami normy [3] oraz pozwoliły na jednoznaczną ocenę stanu oświetlenia nawierzchni drogowej, a sam proces pomiaru był zrealizowany szybko i sprawnie (droga została zamknięta jedynie na krótki czas pomiaru wynoszący ok 10 minut) z wykorzystaniem kamery do pomiaru luminancji LMK Mobile Advanced typu CCD (wyniki opracowano przy użyciu oprogramowania LMK 2000) [6]. Porównując wymagania normy zawarte w tabeli 1 z otrzymanymi wynikami pomiarów (tabela 2) należy stwierdzić, że jakość oświetlenia odcinka drogowego jest dobra (dla klasy ME2 Lśr = 1,627 cd/m 2 1,5 cd/m 2 założone wymaganiach oraz odpowiednio: U 0 = 0,795 0,5; U l = 0,72 0,7; TI = 8,25% 10) Wykonane badania potwierdziły, że oświetlenie wykorzystujące nowoczesne oprawy oświetleniowe zainstalowane na drodze jest w stanie realizować założone funkcje oświetleniowe na jezdni, ale jedynie przy zachowaniu dokładności i staranności montażu opraw (wniosek jest odniesieniem do badań nie prezentowanych w niniejszej publikacji, z których wynikało niespełnienie wymagań normy spowodowane niewłaściwym ustawieniem kąta pochylenia oprawy względem jezdni, co skutkowało lepszym oświetleniem pobocza kosztem spadku jakości na lewym pasie ruchu a w efekcie nie zrealizowania kryterium normy). W przypadku zastosowanych w powyższej instalacji opraw o precyzyjnie dobranych bryłach światłości każda niedokładność w montażu może przyczynić się do niezrealizowania założonych funkcji oświetleniowych. Logistyka 4/

8 Podczas instalacji należy uwzględnić wskazówki zawarte w projekcie oraz szczegółowe zalecenia projektanta. Po zakończonym montażu należy bezwzględnie przeprowadzić szczegółowe badania potwierdzające realizację założonych parametrów oświetleniowych. Taka procedura powinna być podstawą do przekazania instalacji do eksploatacji. Pomiar po wykonawczy, jak i badanie po określonym czasie eksploatacji jest ważnym elementem audytu oświetlenia drogowego [7], pozwalającym na stałe monitorowanie jakości urządzeń oświetleniowych, przez co wzrasta poziom bezpieczeństwa ruchu drogowego w porze nocnej, a optymalne wykorzystanie światła wpływa na zmniejszenie zużycia energii elektrycznej oraz redukcje emisji toksycznych związków do atmosfery [7]. Streszczenie W artykule przedstawiono wymagania oświetleniowe zawarte w normie PN-EN :2007 dotyczącej oświetlenia drogowego. Szczególną uwagę zwrócono na kryteria rozkładu luminancji, które występują w przypadku dróg, gdzie dopuszczalne są średnie I duże prędkości pojazdów. Zaprezentowano wyniki pomiarów rozkładu luminancji dla drogi dwujezdniowej o jednej z najwyższych kategorii jakości oświetlenia. Dokonano analizy jakości w odniesieniu do spełnienia kryteriów normalizacyjnych. Wszystkie wyniki zostały opatrzone komentarzem, oraz przedstawiono zalecenia do prawidłowego montażu i eksploatacji systemu oświetlenia drogowego. Słowa kluczowe: oświetlenie drogowe, technika świetlna, kryteria normalizacyjne w oświetleniu drogowym, pomiary w technice świetlnej. Analysis of the luminance distribution of the selected section of the dual carriageway illuminated by streetlights system Abstract The article presents the lighting requirements of PN-EN :2007 on road lighting. Particular attention was paid to the criteria of the luminance distribution that occurs in the case of roads, which are acceptable by medium and high-speed vehicles. The results of measurements of the luminance distribution for a dual carriageway with one of the highest category of quality lighting. An analysis of quality in relation for respecting the criteria of standardization. All results have been annotated, and made recommendations for the proper installation and operation of street lighting. Key words: Analysis of the luminance distribution of the selected section of the dual carriageway illuminated by streetlights system LITERATURA [1] Tomczuk P., Pomiary rozkładu luminacji na ulicy oświetlonej oprawami LED. Przegląd Elektrotechniczny, R. 87 Nr 4/2011 str , SIGMA-NOT. [2] Tomczuk P.: Wybrane zagadnienia oświetlenia przejść dla pieszych, Logistyka 4/2011 str [3] PN-EN :2007. Oświetlenie dróg. Część 2: Wymagania oświetleniowe. [4] Bąk J., Komentarz do raportu technicznego PKN-CEN/TR oraz do normy PN-EN , (2007), COSiW, Warszawa [5] Dane katalogowe (internet: 2014 r.). [6] Dane katalogowe (internet: 2014 r.). [7] Chrzanowicz M., Wstępne założenia do audytu oświetlenia drogowego. Międzynarodowa Konferencja Naukowa Transport XXI wieku, RYN , ISBN Str Logistyka 4/2014