WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA INSTYTUT OPTOELEKTRONIKI Ocena możliwości zastosowania lamp ulicznych Model SCH i SCH-RFK firmy EvoLucia do oświetlania ulic i obiektów zewnętrznych. Autorzy: mgr inż. Maksymilian Włodarski dr inż. Miron Kaliszewski inż. Marcin Mamajek mgr inż. Piotr Głogowski prof. dr hab. inż. Zygmunt Mierczyk płk. dr inż. Krzysztof Kopczyński 1
1. Podstawa wykonania pracy Lampy dostarczone przez dystrybutora. Warszawa, dn. 20.01.2011 r. 2. Obiekt badań Obiektem badań były lampy uliczne Model SCH i SCH-RFK firmy EvoLucia przeznaczona do oświetlenia autostrad, dróg szybkiego ruchu, parkingów a także dróg lokalnych oraz chodników o dużym natężeniu ruchu pieszych. 3. Zakres pracy Zakres pracy obejmował pomiary przestrzennego rozkładu natężenia promieniowania lampy, pomiary widma emisji oraz wyznaczenie parametrów kolorymetrycznych lampy, a także rzeczywistego poboru mocy. 4. Opis obiektu badań Obiektem badań były lampy uliczne model SCH i model SCH-RFK firmy EvoLucia. Moduły LED umieszczone są na aluminiowej powierzchni w celu odprowadzenia nadmiaru ciepła, co korzystnie wpływa na wydłużenie czasu życia źródeł. Moduły posiadają trzy rodzaje układów optycznych pozwalających na oświetlenie określonych stref na drodze. Zasilanie lamp realizowane jest za pomocą dwóch stałoprądowych zasilaczy LP1090-36-GG-170 firmy High Perfection Tech. Co., Ltd. Zasilacz wyposażony jest w zabezpieczenie przeciw przegrzaniu i spełnia warunki: UL 1310 / UL48 Class 2. Obudowa zasilacza posiada stopień ochrony IP 66. Napięcie zasilania wynosi 100-277 VAC. 2
5. Kryteria oceny możliwości zastosowania oświetlenia drogowego dla różnych sytuacji oświetleniowych Zgodnie z polską normą PKN-CEN/TR 13201-1:2007 Oświetlenie dróg - Część 1 Wybór klas oświetlenia [1] niezbędne jest określenie sytuacji oświetleniowej, dla której podstawą oceny jest określenie rodzaju głównych użytkowników dróg, rodzaju ruchu i typowych prędkości oraz natężenia ruchu, a także ocena występujących lub nie środków uspokojenia i regulacji ruchu oraz stopnia zagrożenia. Klasyfikację sytuacji oświetleniowych przedstawiono w tabeli 5.1. Tabela 5.1. Klasyfikacja sytuacji oświetleniowych Typowe prędkości głównych użytkowników wysoka umiarkowana niska Typy użytkowników w obrębie rozważanej powierzchni Inni Sytuacje Główny Wykluczeni dopuszczeni użytkownik użytkownicy użytkownicy - SCP A1 M S CP A2 SCP - A3 MS CP - B1 MSC P - B2 C P MS C1 - SC D1 MP SC - D2 MC SP - D3 MSCP - - D4 bardzo niska - MSC E1 P MSC - E2 wysoka: > 60 km/h M: ruch zmotoryzowany umiarkowana: między 30 km/h a 60 km/h S: wolno jadące pojazdy niska: między 5 km/h a 30 km/h C: rowerzyści bardzo niska: odpowiadająca prędkości marszu P: piesi Na drogach przeznaczonych dla ruchu samochodowego z umiarkowaną lub wysoką prędkością przewidziane są do stosowania klasy oświetleniowe ME, dla których kryteria oceny oparte są na luminancji jezdni. Klasy te przedstawiono w Tabeli 5.2. 3
Tabela 5.2. Klasy oświetleniowe ME L w [cd/m 2 ] (wartość Klasa najniższa, wartość oczekiwana) ME1 2,0 ME2 1,5 ME3a Luminancja jezdni suchej Uo (wartość najniższa) Ul (wartość najniższa) 0,7 Przyrost wartości progowej TI w % 1) (wartość największa) 10 Stosunek natężenia oświetlenia otoczenia SR 2) (wartość najniższa) ME3b 1,0 0,4 0,6 ME3c 0,5 ME4a 0,6 0,75 ME4b 0,5 ME5 0,5 0,35 0,4 ME6 0,3-1) Dodatkowy wzrost TI o 5% może być dopuszczony przy stosowaniu źródeł światła o małej luminancji 2) To kryterium jest tylko do zastosowania, gdy nie graniczy z jezdni± żadna powierzchnia ruchu ze swoimi wymaganiami 15 0,5 Oświetlenie obszarów kolizyjnych oparte jest na kryterium natężenia oświetlenia - Tabela 5.3. Tablica 5.3. 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 ulicach osiedlowych, parkingach, strefach dla pieszych oraz rowerzystów, klasy oświetlenia oparte zostały na ocenie wg kryterium natężenia oświetlenia - Tabela 5.4. 4
Tabela 5.4. 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 6. Metoda pomiaru Pomiary natężenia oświetlenia przeprowadzono przy użyciu luksomierza Hioki 3423 LUX HiTESTER. Umożliwiającego pomiar w zakresie od 20 lx do 200 klx w pięciu zakresach. Dokładność wskazań miernika wynosi ±4% ±1 dgt. Pomiary przeprowadzono na płaszczyźnie o wymiarach 2,5 m x 2,5 m w siatce o gęstości 0,5 m. Badana lampa umieszczona została równolegle i w odległości 0,82 cm od powierzchni podłoża. Następnie zmierzone wartości przeliczono zgodnie ze wzorem (1) na wartości natężenie oświetlenia odpowiadające odległości lampy od podłoża równej 8 m. E= 1/r 2 (1) gdzie: I strumień świetlny na wysokości 0,82 m, r docelowa odległość lampy od podłoża równa 8 m. W każdym z tych punktów wykonano dziesięć pomiarów, z których wyznaczono wartości średnie natężenia oświetlenia. Badania spektralne lampy zostały przeprowadzone za pomocą spektrometru FS 900 firmy Edinbourgh Instruments. Widmo zostało zmierzone z rozdzielczością i krokiem 1 nm w zakresie światła widzialnego (380 780 nm). Pomiary rozkładu widmowego lampy, współrzędnych trójchromatycznych x,y, temperatury barwowej, oraz współczynnika oddawania barw wykonano zgodnie z zaleceniami Komisji Oświetleniowej CIE 1995. 7. Wyniki pomiarów 7.1. Wyniki pomiarów widmowych lampy SCH 5
Widmo jest typowe dla źródeł światła białego typu LED. Zawiera dwa maksima emisyjne 440 nm i 545 nm. Na rysunku 7.1 przedstawiono przebieg widma białych diod LED znajdujących się w oprawie oświetleniowej. Na podstawie zmierzonego widma zostały wyznaczone składowe trójchromatyczne XYZ, a następnie współrzędne barwowe x,y zgodnie z zaleceniami Komisji Oświetleniowej CIE 1931 (Tabela 7.1). 160.00 140.00 120.00 100.00 Intensywność 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 380 430 480 530 580 630 680 730 780 l [nm] Rys. 7.1. Widmo promieniowania emitowanego przez lampę LED. Na rysunku 7.2 przedstawiono wykres we współrzędnych trójchromatycznych z zaznaczeniem punktu odpowiadającego współrzędnym badanej lampy. Na tej podstawie określono wskaźnik oddawania barw na poziomie 62 oraz temperaturę barwową wynoszącą 5500 K. 6
y 520 0.8 530 510 540 0.7 550 560 0.6 0.5 500 Green Yellowish green Yellow green 570 Yellow Greenish yellow 580 Orange yellow 0.4 0.3 0.2 490 Bluish green Greenish blue 10000 K White 5500 K 6500 K 4000 K Purplish pink 3000 K Pink Orange Purplish red 590 Reddish orange Red 600 Yellowish pink 610 620 630 640 650-780 0.1 0 480 Purplish blue 470 Blue 460 450 Purple Reddish purple 440-380 x 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Rys. 7.2. Współrzędne barwowe x, y promieniowania lampy na płaszczyźnie barw. Tabela. 7.1. Parametry kolorymetryczne lampy LED. Parametr Wartości Współrzędne trójchromatyczne x = 0,33; y = 0,36 Temperatura barwowa 5500 K Współczynnik oddawania barw CRI 62 Wartość współczynnika oddawania barw wynosząca 62 zapewnia jakość światła spełniającą wymagania dla opraw oświetleniowych stosowanych do oświetlania dróg. Temperatura barwowa wynosząca 5500 K odpowiada barwie chłodnej bieli. 7.2. Wyniki pomiarów parametrów spektroradiometrycznych lampy SCH W tabeli 7.2 zestawiono wyniki pomiarów natężenia oświetlenia lampy ulicznej SCH firmy EvoLucia. Jako x oznaczono odległości od lampy w płaszczyźnie równoległej, natomiast jako y odległości od lampy w płaszczyźnie prostopadłej. 7
Tabela 7.2. Wyniki pomiaru natężenia oświetlenia lampy w odległości 0,82 m od powierzchni oświetlanej. x/y -2,5-2,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0,0 114 242 330 475 1140 2000 1140 475 330 242 114 0,5 280 800 1160 885 940 1720 940 885 1160 800 280 1,0 181 395 461 384 360 400 360 384 461 395 181 1,5 66 92 89 86 123 132 123 86 89 92 66 2,0 34 36 40 42 57 57 57 42 40 36 34 2,5 20 27 27 27 28 29 28 27 27 27 20 W tabeli 7.3 zestawiono wartości natężenia oświetlenia lampy SCH przeliczone dla odległości lampy od podłoża równej 8 m obliczone zgodnie ze wzorem 1. Tabela 7.3. Obliczone wartości natężenia oświetlenia lampy w odległości 8 m od powierzchni oświetlanej x/y -24,4-19,5-14,6-9,8-4,9 0,0 4,9 9,8 14,6 19,5 24,4 0,0 1,2 2,5 3,5 5,0 12,0 21,0 12,0 5,0 3,5 2,5 1,2 4,9 2,9 8,4 12,2 9,3 9,9 18,1 9,9 9,3 12,2 8,4 2,9 9,8 1,9 4,1 4,8 4,0 3,8 4,2 3,8 4,0 4,8 4,1 1,9 14,6 0,7 1,0 0,9 0,9 1,3 1,4 1,3 0,9 0,9 1,0 0,7 19,5 0,4 0,4 0,4 0,4 0,6 0,6 0,6 0,4 0,4 0,4 0,4 24,4 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,2 Na rysunku 7.3 przedstawiono rzut wartości natężenia napromienienia na oświetlaną płaszczyznę, przy założeniu umiejscowienia lampy w punkcie (0,0). 8
Rys. 7.3. Lampa SCH. Rzut wartości natężenia napromienienia na oświetlaną płaszczyznę. Na skali zaznaczono zakresu wartości luminancji odpowiadające poszczególnym kolorom. 7.3. Wyniki pomiarów widmowych lampy SCH-RFK Widmo jest typowe dla źródeł światła białego typu LED. Zawiera dwa maksima emisyjne 450 nm i 575 nm. Na rysunku 7.5 przedstawiono przebieg widma białych diod LED znajdujących się w oprawie oświetleniowej. Na podstawie zmierzonego widma zostały wyznaczone składowe trójchromatyczne XYZ, a następnie współrzędne barwowe x,y zgodnie z zaleceniami Komisji Oświetleniowej CIE 1931 (Tabela 7.4). 9
160.00 140.00 120.00 100.00 Intensywność 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 380 430 480 530 580 630 680 730 780 l [nm] Rys. 7.5. Widmo promieniowania emitowanego przez lampę LED. Na rysunku 7.6 przedstawiono wykres we współrzędnych trójchromatycznych z zaznaczeniem punktu odpowiadającego współrzędnym badanej lampy. Na tej podstawie określono wskaźnik oddawania barw na poziomie 76 oraz temperaturę barwową wynoszącą 4300 K. 10
y 520 0.8 530 510 540 0.7 550 560 0.6 0.5 500 Green Yellowish green Yellow green 570 Yellow Greenish yellow 580 Orange yellow 0.4 0.3 0.2 490 Bluish green Greenish blue 10000 K White 5500 K 6500 K 4000 K Purplish pink 3000 K Pink Orange Purplish red 590 Reddish orange Red 600 Yellowish pink 610 620 630 640 650-780 0.1 0 480 Purplish blue 470 Blue 460 450 Purple Reddish purple 440-380 x 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Rys. 7.6. Współrzędne barwowe x, y promieniowania lampy na płaszczyźnie barw. Tabela. 7.4. Parametry kolorymetryczne lampy LED. Parametr Wartości Współrzędne trójchromatyczne x = 0,37; y = 0,37 Temperatura barwowa 4300 K Współczynnik oddawania barw CRI 76 Wartość współczynnika oddawania barw wynosząca 76 zapewnia jakość światła spełniającą wymagania dla opraw oświetleniowych stosowanych do oświetlania dróg. Temperatura barwowa wynosząca 4300 K odpowiada barwie neutralnej bieli. 7.4. Wyniki pomiarów parametrów spektroradiometrycznych lampy SCH-RFK W tabeli 7.5 zestawiono wyniki pomiarów natężenia oświetlenia lampy ulicznej SCH- RFK firmy EvoLucia. Jako x oznaczono odległości od lampy w płaszczyźnie równoległej, natomiast jako y odległości od lampy w płaszczyźnie prostopadłej. 11
Tabela 7.5. Wyniki pomiaru natężenia oświetlenia lampy w odległości 0,82 m od powierzchni oświetlanej. x/y -2,5-2,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0,0 98 195 290 575 1135 2240 1135 575 290 195 98 0,5 332 990 1538 1120 1138 1900 1138 1120 1538 990 332 1,0 196 392 626 525 475 487 475 525 626 392 196 1,5 88 129 125 127 143 157 143 127 125 129 88 2,0 42 46 54 53 69 70 69 53 54 46 42 2,5 25 34 36 35 34 38 34 35 36 34 25 W tabeli 7.6 zestawiono wartości natężenia oświetlenia lampy SCH przeliczone dla odległości lampy od podłoża równej 8 m obliczone zgodnie ze wzorem 1. Tabela 7.6. Obliczone wartości natężenia oświetlenia lampy w odległości 8 m od powierzchni oświetlanej x/y -24,4-19,5-14,6-9,8-4,9 0,0 4,9 9,8 14,6 19,5 24,4 0,0 1,0 2,0 3,0 6,0 11,9 23,5 11,9 6,0 3,0 2,0 1,0 4,9 3,5 10,4 16,2 11,8 12,0 20,0 12,0 11,8 16,2 10,4 3,5 9,8 2,1 4,1 6,6 5,5 5,0 5,1 5,0 5,5 6,6 4,1 2,1 14,6 0,9 1,4 1,3 1,3 1,5 1,6 1,5 1,3 1,3 1,4 0,9 19,5 0,4 0,5 0,6 0,6 0,7 0,7 0,7 0,6 0,6 0,5 0,4 24,4 0,3 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,3 Na rysunku 7.7 przedstawiono rzut wartości natężenia napromienienia na oświetlaną płaszczyznę, przy założeniu umiejscowienia lampy w punkcie (0,0). 12
Rys. 7.7. Lampa SCH-RFK. Rzut wartości natężenia napromienienia na oświetlaną płaszczyznę. Na skali zaznaczono zakresu wartości luminancji odpowiadające poszczególnym kolorom. 7.5. Wyniki pomiarów parametrów elektrycznych lamp W tabeli 7.7 przedstawiono wyniki średniego rzeczywistego poboru mocy. Tabela 7.7. Obliczone wartości natężenia oświetlenia lampy w odległości 8 m od powierzchni oświetlanej Lampa SCH SCH-RFK Moc [W] 130 ± 6 W 128 ± 6 W 8. Wnioski Rozwój technologii oświetleniowej typu LED, w szczególności wzrost wydajności sprawia, że źródła te są coraz częściej i chętniej stosowane jako oświetlenia zarówno obiektów zewnętrznych jak i wnętrz. Badane lampy wykazują zbliżone rozkłady natężenia oświetlenia. Wartości współczynnika oddawania barw wynoszące odpowiednio 62 i 76 znacznie przewyższają 13
parametry źródeł sodowych i rtęciowych oraz są porównywalne ze źródłami metalohalogenkowymi, co zapewnia bliższe naturalnemu oddawanie barw. Temperatury barwowe wynoszące odpowiednio 5500 K i 4300 K odpowiadają barwie chłodnej i neutralnej bieli. Badane lampy należą do przełomowej technologii i stanowią nowoczesną alternatywę dla aktualnie stosowanych źródeł oświetlenia (lamp sodowych i rtęciowych). Ich istotnymi zaletami jest niskie zużycie energii, wysoka wierność oddawania barw, możliwość doboru temperatury barwowej do różnorodnych celów oświetleniowych, wysoka odporność mechaniczna (drgania, udary) oraz wysoka żywotność. W ostatnich latach obserwowane jest rosnące zainteresowanie techniką LED ze strony projektantów oświetlenia zarówno wnętrz jak i ulic i autostrad. Błyskawiczny postęp w tej dziedzinie sprawia, że technologia LED staje się dobrym zamiennikiem dotychczasowo stosowanych źródeł oświetlenia. Bibliografia [1] PKN-CEN/TR 13201-1:2007 Oświetlenie dróg -- Część 1: Wybór klas oświetlenia [2] PN-EN 13201-2:2007 Oświetlenie dróg -- Część 2: Wymagania oświetleniowe [3] PN-EN 13201-4:2007 Oświetlenie dróg -- Część 4: Metody pomiarów parametrów oświetlenia 14