Marcin Chrzanowicz 1 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny Wymagania normalizacyjne dotyczące oświetlenia elektrycznego pojazdów szynowych w systemach transportu publicznego (PN-EN 13272:2012) oraz analiza wybranych systemów oświetleniowych 1. WSTĘP Współczesne oświetlenie wnętrz pojazdów szynowych wymaga spełnienia szeregu wymagań zawartych w normie oświetleniowej PN-EN 13272:12, która zastąpiła, a właściwie rozszerzyła kryteria zdefiniowane w 2001 r. Spełnienie zaleceń ma korzystny wpływ zarówno na ilość światła (zdefiniowane poziomy natężenia oświetlenia w poszczególnych rejonach pociągu), jak i na jego jakość (aspekty temperatury barwowej, współczynnika oddawania barwy i ograniczenia olśnienia). Suma czynników ma zapewnić odpowiedni poziom bezpieczeństwa i komfortu przebywających osób. Należy zauważyć, że norma stawia wysokie wymagania dotyczące jakości światła (parametry barwy), co często wykluczało z zastosowań źródła światła o wysokiej klasie skuteczności świetlne, na korzyść tych mniej sprawnych energetycznie, ale zapewniających właściwe rozkłady widmowe (zawierające wszystkie, lub większość barw występujących w otaczającym świecie). Z tego powodu przez długie lata nie można było stosować opraw wyposażonych w półprzewodnikowe źródła światła typu LED. W niniejszej publikacji przedstawiono podstawowe (wybrane) wymagania dotyczące wiązki świetlnej normy oświetleniowej poprzedniej (2001 rok) i uaktualnionej (2012 rok). Omówiono wprowadzone zmiany i ich wpływ na dobór źródeł światła. Przedstawiono stosowane systemy oświetleniowe i zbadano parametry barwy poszczególnych typów źródeł światła w aspekcie spełnienia wymagań. Na rysunku 1 zostało przedstawione widmo promieniowania w części widzialnej (światło). Zakres widzialny dla człowieka to 380 nm do 780 nm. Poszczególne długości fali odpowiadają barwie światła począwszy od fioletu (ok 380 do 440 nm) poprzez niebieski do zielonego a następnie żółty, pomarańczowy i na skraju widma czerwony (ok 630 do 780 nm). Poniżej zakresu widzialnego znajduje się nadfiolet (poniżej 380 nm) a powyżej zakresu widzialnego podczerwień (powyżej 780). Nadfiolet wpływa niekorzystnie na odbłyśniki projektorów i może uszkadzać wzrok obserwatora (zależnie od zakresu) przez co powinien być eliminowany przy pomocy specjalnych filtrów optycznych. Podczerwień to typowa strata energii (z punktu widzenia oświetlenia), która jest generowana w postaci ciepła. Człowiek widzi poszczególne barwy z różną intensywnością (krzywa czułości widmowej oka). Najczulszy jest zakres w okolicy 555 nm, co odpowiada barwie pomarańczowej (takie światło generują lampy sodowe, które charakteryzują się wysoką skutecznością świetlną, ale niestety bardzo słabym oddawaniem barwy, co umożliwia ich stosowanie jedynie do oświetlenia drogi w transporcie kołowym). Skupienie całej energii promieniowania w zakresie wysokiej czułości widmowej oka skutkuje wysoką sprawnością oświetlenia lecz jest to okupione niskim współczynnikiem CRI (oddawanie barwy). Z tej analizy wynika, że aby spełnić wymagania oświetlenia wnętrz pociągów pasażerskich należy zastosować źródła światła o możliwie najbardziej pełnym widmie promieniowania (ideał to zwykła żarówka). To niestety skutkowałoby niską skutecznością świetlną źródła, co niekorzystnie wpływa na zużycie energii i wymusza rozbudowywanie systemu zasilania oświetlenia (zasilacze, akumulatory itp.). Należy mieć świadomość, że obecne rozwiązania są kompromisem pomiędzy oszczędnością a jakością światła. Dzięki olbrzymiemu postępowi w rozwoju półprzewodnikowych źródeł światła typu LED możliwe jest obecnie łączenie cech jakości i energooszczędności (wysoka skuteczność świetlna przy CRI powyżej 85). 1 marcin.chrzanowicz@ee.pw.edu.pl Logistyka 4/2014 1743
Rys. 1. Widmo promieniowania świetlnego (dla światła białego) Źródło: opracowanie [3]. 2. WYMAGANIA NORMALIZACYJNE DOTYCZĄCE OŚWIETLENIA WNĘTRZ POJAZDÓW SZYNOWYCH Poniżej przedstawiono wybrane, zdaniem autora najbardziej istotne parametry świetlne, zdefiniowane w normie dotyczącej oświetlenia wnętrza pojazdu szynowego (przed i po zmianach w 2012 roku). Podstawowe wymagania oświetleniowe zawarte w normie PN-EN 13272:2001 (norma sprzed aktualizacji): Wymagania oświetleniowe zawarte w normie PN-EN 13272:2001 [1] dla pociągów głównych magistrali kolejowych oraz linii podmiejskich przedstawiono w tabeli 1. Tabela. 1. Wymagania oświetleniowe dla pociągów głównych magistrali kolejowych oraz linii podmiejskich Lokalizacja strefy Natężenie oświetlenia [lx] Równomierność oświetlenia (max/średniej) [-] Miejsca siedzące (bez dodatkowego oświetlenia do czytania) 150 0,7 1,3 Miejsca siedzące z włączanym oświetleniem do czytania 100 0,7 1,3 Strefa czytania 150 0,7 1,3 Korytarz 50 0,5 2,5 wejścia - wiatrołap, platformy 75 0,8 1,2 Toalety, ubikacje 150 - Schodki wejściowe 75 0,8 1,2 Miejsca stojące, strefy wielofunkcyjne 75 0,5 2,5 Stoły 150 0,7 1,3 Źródło: opracowanie własne na podstawie [1]. pozostałe istotne wymagania oświetleniowe: ograniczenie olśnienia (od szyb pojazdu): o -systemy masowego transportu 300lx, o główne magistrale kolejowe 1000lx, temperatura barwowa oświetlenia ogólnego wnętrza: 3000 3300 K (może odbiegać od wymagań z uwagi na wystrój wnętrz w niektórych strefach, np. wagon restauracyjny), współczynnik oddawania barwy (Ra, CRI) 80 (może odbiegać od wymagań z uwagi na wystrój wnętrz w niektórych strefach, np. wagon restauracyjny). 1744 Logistyka 4/2014
Podstawowe wymagania zawarte w normie PN-EN 13272:2012 (norma po aktualizacji): Norma PN-EN 13272: 2012 została wprowadzona w kwietniu 2012 roku (zastępując obowiązującą normę PN-EN 13272: 2005) i ma status polskiej normy dotyczącej kolejnictwa o tytule: Oświetlenie elektryczne pojazdów szynowych w systemach transportu publicznego [2]. Wymagania oświetleniowe dla pociągów szybkiej kolei oraz klasycznych pociągów: W stosunku do wymagań normy PN-EN 13272:2001 zmiany są niewielkie, lecz w niektórych aspektach bardzo istotne. Poziomy natężenia oświetlenia zostały zachowane z poprzednich wymagań natomiast doszły nowe elementy: Ograniczenie olśnienia: System oświetleniowy należy tak projektować, aby zachować minimalny poziom olśnienia oraz uniknąć odbicia od szyb wagonu pociągu. Wprowadzono współczynnik UGR (Unified Glare Rating), który zgodnie z metoda tabelaryczną CIE S 008/ ISO 8995 nie powinien przekroczyć poziomu 22. Temperatura barwowa oświetlenia ogólnego wnętrza: 2800 7000K (dla komfortu wizualnego nie zaleca się przekraczania temperatury powyżej 5000K). W nowej normie nastąpiła wyraźna zmiana w wymaganiach. Rozszerzenie zakresu temperatury barwowej jeszcze bardziej ułatwia dobór źródła światła np. poprzez zastosowanie energooszczędnych półprzewodnikowych LED (większa grupa diod spełniających kryterium,a nie tylko te w wykonaniach specjalnych). Współczynnik oddawania barwy (Ra, CRI) pozostał na niezmienionym poziomie. poziom natężenia oświetlenia - uzupełniono: p. kładki: 5 lx, równomierność: nie zdefiniowano. Analizując zmiany wprowadzone w nowej normie można dojść do wniosku, że największy nacisk położono na zwiększenie komfortu obserwacji pasażerów poprzez wprowadzenie zdecydowanych ograniczeń dotyczących dopuszczalnego poziomu olśnienia pochodzącego od instalacji oświetleniowej pociągu. Wprowadzony współczynnik UGR, który jest określany przy pomocy tabelarycznej metody opracowanej w wymaganiach przez komitet CIE. UGR jest miara olśnienia przykrego, które powoduje uczucie dyskomfortu i niewygody, lecz nie wpływa na pogorszenie warunków widzenia (olśnienie przeszkadzające). Najczęstszym źródłem olśnienia są widoczne i jaskrawe części oprawy oświetleniowej oraz szyby pojazdu szynowego. Na wielkość UGR mają wpływ następujące parametry: luminancja tła obserwacja [cd/m 2 ], luminancja świecących części oprawy (każdej w polu widzenia) w kierunku oka obserwatora, kąt bryłowy pomiędzy osią optyczną wzroku obserwatora a święcącymi rejonami każdej z opraw, wskaźnik położenia każdej z opraw. 3. SYSTEMY OŚWIETLENIOWE STOSOWANE W POJAZDACH SZYNOWYCH W prezentowanej części publikacji przedstawiono podstawowe systemy oświetleniowe stosowane do oświetlenia wnętrz pojazdów szynowych, ze szczególnym uwzględnieniem stosowanych źródeł światła. Rozkłady widmowe promieniowania elektromagnetycznego oraz parametry barwy zostały zmierzone przy pomocy miernika GL SPECTIS 1.0 touch firmy GL Optic [4] (przedstawiony na rysunku nr 2). Jest to spektrometr przenośny o niewielkich wymiarach wyposażony w kolorowy wyświetlacz, na którym można od razu odczytywać charakterystyki oraz parametry pomiarowe. Zakres pomiarów widma promieniowania zawiera się w przedziale 340 do 750 nm, a rozdzielczość fizyczna wynosi 1,7 nm, co umożliwia wykonywanie bardzo dokładnych rozkładów widmowych źródeł światła. Miernik wyświetla między innymi następujące dane pomiarowe: rozkład widmowy promieniowania (radiant wartości mocy w funkcji długości fali mwatt), natężenie oświetlenia [lx], CRI (współczynnik oddawania barwy) zgodny z CIE, CCT (temperaturę barwową) - wg standardów CIE, współrzędne trójchromatyczne - wg CIE 1931 oraz CIE 1964 (dodatkowa prezentacja graficzna na wykresie barwy). Logistyka 4/2014 1745
Rys. 2. Spektrometr GL Spectris 1.0 touch firmy GL Optic Precyzyjnie skalibrowany miernik dostarcza w krótkim czasie wielu danych pomiarowych, które następnie mogą być obrabiane w programie GL SPECTROSOFT, dołączonym do urządzenia. Oświetlenie halogenowe W transporcie występują często oprawy z lampami halogenowymi dichroicznymi, które w pełni spełniają wymagania dotyczące parametrów barwy emitowanego światła, charakteryzując się współczynnikiem CRI zbliżonym do 100 oraz temperaturą barwową 2800K (na przykładzie źródła firmy Osram). Przy poborze mocy 14 [W] źródło generuje strumień świetlny na poziomie 180[lm], co daje skuteczność świetlną na poziomie 13 [lm/w] (skuteczność świetlna określa sprawność źródła światła i może być wykorzystywana do porównania aspektów energochłonności poszczególnych rodzajów źródeł światła jest to strumień świetlny uzyskiwany z jednego wata energii elektrycznej). Trwałość źródła jest szacowana na ok 2000[h]. Źródło spełniania wszystkie wymagania, lecz zużycie energii elektrycznej jest wysokie (chodź i tak niższe o 30% w stosunku do żarówek konwencjonalnych). Wygląd źródła zostały przedstawiony na rysunku nr 3. Na rysunku nr 4 przedstawiono rozkład widmowy halogenowego źródła światła, wykonany w laboratorium fotometrycznym z wykorzystaniem spektroradiometru PR-680 SpectraDuo firmy Photo Research. Oświetlenie przy pomocy świetlówek kompaktowych lub liniowych Rys. 3. Widok dichroicznego źródła światła Źródło: opracowanie [3]. Świetlówki kompaktowe są względnie wydajne energetycznie (skuteczność świetlna na poziomie 30 50 lm/w), lecz ich światło nie jest zbyt wysokiej jakości (współczynnik CRI na poziomie 80 85 oraz temperatura barwowa na poziomie 2700 barwa ciepła do 4000 K). Ponadto układ zasilania generuje straty napięcia i przy niskiej jakości źródle zakłóca sieć elektryczną pojazdu. Na rysunku nr 5 przedstawiono rozkład widmowy i parametry barwy dla świetlówki kompaktowej. Pomiar wykonano spektrometrem GL spectris 1.0 touch, a wyniki zaprezentowano w dedykowanym programie GL SPECTROSOFT. Z rozkładu jednoznacznie widać, że nie wszystkie składowe barwy są reprezentowane w widmie co skutkuje przekłamaniami kolorów i nie oddawaniem pełnej palety barw. 1746 Logistyka 4/2014
Rys. 4. Rozkład widmowy halogenowego źródła światła Rys. 5. Wyniki pomiaru parametrów barwy dla świetlówki kompaktowej przedstawione w programie GL spectrosoft Logistyka 4/2014 1747
Oświetlenie przy pomocy półprzewodnikowych źródeł światła typu LED Diody LED cechują się wysoką skutecznością świetlną (dochodzącą do 150 lm/w). Niewątpliwą ich zaletą jest trwałość szacowana na ponad 50 tyś godzin pracy, co zmniejsza koszty obsługi serwisowej. Należy mieć świadomość, że informacja o trwałości jest ciężka do zweryfikowania i nie wszyscy producenci przestrzegają zasady określającej żywotność źródła (źródło uznaje się za niezdatne do dalszej pracy przy redukcji początkowego strumienia świetlnego poniżej 70% dla połowy populacji diod L70B50). Na trwałość duży wpływ ma: stabilizowanie napięcia zasilania, wielkości prądu zasilającego (im niższa wartości prądu zasilania tym większa trwałość kwestie termiczne), właściwe odprowadzanie ciepła (silna zależność od temperatury). Niestety w klasycznych wykonaniach jakość światła jest na średnim poziomie (dużo koloru niebieskiego w widmie, widmo nieciągłe, współczynnik oddawania barwy na poziomie 67 do 85, wysoka temperatura barwowa powodująca wrażenie chłodnego światła ). Na rysunku nr 6 i 7 przedstawiono rozkłady widmowe i parametry barwy dla dwóch wybranych diod LED. Z pomiaru można wywnioskować, że różne diody mają zupełnie odmienne parametry barwy, chodź ich widma z natury pozostają podobne. Rys. 6. Wyniki pomiarów parametrów barwy dla diody LED typ 1 przedstawione w programie GL spectrosoft 1748 Logistyka 4/2014
Rys. 7. Wyniki pomiarów parametrów barwy dla diody LED typ 2 przedstawione w programie GL spectrosoft Z punktu widzenia kompromisu pomiędzy zużyciem energii elektrycznej a zapewnieniem minimum komfortu obserwacji diody LED są na dzień dzisiejszy, pomimo swoich wad najlepszym rozwiązaniem do zastosowania w oświetleniu wnętrz pojazdów szynowych. Na rysunkach 8 10 zaprezentowano diodę LED firmy CREE [5] oraz jej parametry, która zgodnie z informacjami podanymi przez producenta, zdaniem autora idealnie nadaje się do oświetlenia wnętrz pojazdów szynowych. Rys. 8. Widok diody LED firmy CREE Źródło: opracowanie [5] Logistyka 4/2014 1749
Rys. 9. Parametry oświetleniowe diody LED firmy CREE Źródło: opracowanie [5] Rys. 10. Rozkład widmowy diody LED firmy CREE Źródło: opracowanie [5] Wyniki pomiarów barwy badanych źródeł światła przedstawiono w tabeli 2. 1750 Logistyka 4/2014
Tabela. 2. Wyniki pomiarów barwy źródeł światła L.p. Parametr barwy Halogen Świetlówka Dioda 1 Dioda 2 1. Współrzędna trójchromatyczna x2 0,53 0,48 0,4 0,32 2. Współrzędna trójchromatyczna y2 0,38 0,42 0,37 0,35 3. Współczynnik oddawania barwy CRI (RA) 100 82,7 86,9 75,2 4. Temperatura barwowa CCT 2570 2554 3371 6026 4. WNIOSKI Wymagania normalizacyjne mają na celu zapewnienie bezpiecznego poziomu oświetlenia wnętrza pojazdu przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiego komfortu świetlnego przebywających w nim osób. Właściwy poziom jakości emitowanego światła wpływa korzystnie na samopoczucie ludzi, czyniąc podroż mniej uciążliwą. Nie dziwi więc fakt, ze ten aspekt parametrów wiązki świetlnej, związanych z barwa znalazł szczególne odzwierciedlenie w wymaganiach normy. Negatywnym aspektem jest często konieczność dokonywania wyboru pomiędzy maksymalna redukcja zużycia energii elektrycznej a zapewnieniem przyjaznego człowiekowi rodzaju światła. Gdyby nie wymagania normalizacyjne szala przechylała by się w stronę rozwiązań ekonomicznych, zapominając o komforcie przebywających we wnętrzu osób. Zarówno rozważania teoretyczne jak i wykonane pomiary jednoznacznie wskazują, ze najwyższa jakość oświetlenia, poza światłem słonecznym dziennym wykazują źródła żarowe o temperaturowym sposobie wytwarzania światła (żarówki klasyczne, halogenowe, diachroniczne halogenowe). Ich widmo promieniowania ma charakter ciągły i zawiera wszystkie składowe związane z barwą, wskutek czego współczynnik CRI (RA) osiąga wartość maksymalna, bliską 100, co oznacza, ze wszystkie barwy w wyniku oświetlenia przez źródło są oddawane w sposób wierny, z pełną paletą kolorów. Każde zmniejszenie współczynnika CRI pozbawia obserwowany świat części barw zubożając obraz, co negatywnie odbija się na wrażeniach wzrokowych. Wadą jest to, ze duża część widma leży w podczerwieni (powyżej zakresu widzialnego) powodując nagrzewanie wnętrza w wyniku generowanych strat mocy elektrycznej (która powinna być w większej części skupiona na zakresie widzialnym) Jak wynika z pomiarów zarówno lampy diodowe jak i świetlówki kompaktowe maja widmo sprzyjające wysokiej efektywności energetycznej, lecz o słabych parametrach oddawania barwy. Zapisy normalizacyjne są próba wypracowania kompromisu pomiędzy efektywna ilością światła a jego jakością. Streszczenie W artykule zostały szczegółowo omówione wymagania świetlne zawarte w normie PN-EN 13272: 2012 Oświetlenie elektryczne pojazdów szynowych w systemach transportu publicznego. Zwrócono szczególną uwagę na wymagane poziomy natężenia oświetlenia i parametry związane z barwą światła (temperatura barwowa i współczynnik oddawania barwy oraz UGR). Przedstawiono systemy oświetleniowe oparte na diodach LED, lampach halogenowych oraz świetlówkach. Porównano ich parametry i dokonano oceny w aspekcie spełnienia kryteriów normalizacyjnych. Na koniec przedstawiono wnioski dotyczące doboru optymalnego systemu oświetlenia wnętrza wagonu pasażerskiego. Słowa kluczowe: oświetlenie w transporcie kolejowym, technika świetlna, kryteria normalizacyjne oświetlenia pojazdów szynowych, źródła światła. Logistyka 4/2014 1751
Requirements for standardization of electric lighting for rolling stock in public transport systems (PN- EN 13272:2012) and the analysis of the selected lighting systems Abstract The article discussed in detail light requirements of PN-EN 13272: 2012 "Electrical lighting for rolling stock in public transport systems." Particular attention was given to the required lighting levels and parameters associated with the color of light (color temperature and color rendering index and UGR). Presented lighting systems based on LEDs, halogen lamps and fluorescent lamps. Parameters were compared and have been evaluated in terms of the criteria for standardization. Finally there are presented the conclusions on the selection of the optimum lighting system inside the passenger car. Key words: lighting in rail, lighting technology, lighting criteria for standardization of rail vehicles, light source. LITERATURA [1] Norma oświetleniowa PN-EN 13272: 2001 Oświetlenie elektryczne pojazdów szynowych w systemach transportu publicznego. [2] Norma oświetleniowa PN-EN 13272: 2012 Oświetlenie elektryczne pojazdów szynowych w systemach transportu publicznego. [3] Dane katalogowe: www.osram,.pl [4] Dane katalogowe: www.gloptic.com.pl [5] Dane katalogowe: www.cree.com 1752 Logistyka 4/2014