Energetická náročnost osvětlovacích soustav

Problematice energetické náročnosti a úsporám elektrické energie je pozornost věnována již řadu let. V posledním desetiletí se v důsledku diskuse o globálním oteplování a jeho dopadech zvýšil tlak na rychlejší zavádění postupů týkajících se snižování energetické náročnosti budov a jejího hodnocení do praxe. Příspěvek popisuje vztah mezi světelnětechnickými parametry a energetickou náročností osvětlení a hodnotí možné směry v hledání energeticky účinných osvětlovacích soustav.

Návrh osvětlení vnitřních i venkovních prostorů primárně vychází z jejich využití. Cílem návrhu osvětlení je vytvoření vhodných světelných podmínek pro danou zrakovou činnost – čtení, psaní, obrábění, lékařské zákroky apod. Aby bylo možné stanovit, jaké světelné podmínky jsou pro konkrétní zrakovou činnost dostatečné, byla uskutečněna řada odborných i vědeckých studií a experimentů. Na základě statistických vyhodnocení jejich výsledků byly pro jednotlivé zrakové činnosti stanoveny hodnoty světelnětechnických parametrů, které se pak staly součástí národních i mezinárodních norem. Důležitou skutečností je, že současné světelnětechnické parametry obsažené v normách a doporučeních nejsou hodnotami optimálními, ale jsou kompromisem mezi ekonomickými možnostmi společnosti a optimálními zrakovými podmínkami [1].

Optimální hodnoty světelnětechnických parametrů jsou v porovnání s normativními výrazně vyšší. Na obr. 1 jsou uvedeny výsledky některých experimentů zaměřené na hodnocení dostatečné úrovně osvětlení ve vnitřním pracovním prostředí, určeném pro obvyklé kancelářské práce. Zatímco doporučené hodnoty osvětleností v normách pro tyto zrakové úkoly se pohybují okolo 500 lx, optimální hodnoty jsou až okolo 2 000 lx.

Obr. 1: Výsledky výzkumů subjektivního hodnocení hladin osvětleností ve vnitřních pracovních prostorech při zářivkovém osvětlení vyjádřené procentuálním počtem spokojených lidí v závislosti na hladině osvětlenosti

Charakter osvětlení
Návrh osvětlení je poměrně komplexní záležitost zahrnující řadu dílčích tematických oblastí, které ovlivňují výslednou podobu osvětlení. Tato témata lze shrnout do následujících hledisek:

• Hledisko vizuálně-architektonické – postihuje vizuální vzhled osvětlovací soustavy, tedy pohledové uplatnění svítidel v daném prostoru i vzhled osvětleného prostoru.
• Hledisko světelnětechnické – zahrnuje volbu světelnětechnických parametrů podle účelu a využití řešeného prostoru. Tyto parametry primárně zohledňují fyziologické a bezpečností požadavky, ale také požadavky psychologické. V poslední době se začíná hovořit i o požadavcích biologických.
• Hledisko provozně-technické – zahrnuje energetickou náročnost osvětlovací soustavy, její provoz a údržbu a také problematiku investičních i provozních nákladů.
• Hledisko vnějších vlivů – postihuje skutečnost, že osvětlení může mít vedle své primární funkce i vedlejší účinky, které mohou nepříznivě ovlivňovat řešený prostor, předměty v něm umístěné nebo prostory sousedící. Jde například o kontrolu UV záření při osvětlování citlivých exponátů v muzeích a galeriích, oslnění uživatelů sousedících prostorů apod.

Charakter osvětlení v řešeném prostoru se může lišit nejen podle využití prostoru, ale také podle toho, jakou roli hrají fyziologické, psychologické či biologické požadavky pozorovatelů. Osvětlení, kde hlavní roli hrají fyziologická hlediska, vychází ze světelnětechnických parametrů uvedených v normách. Příkladem je osvětlení kancelářských prostorů či průmyslových objektů. Osvětlení, které je primárně založeno na psychologických hlediscích, slouží k vytvoření určité světelné atmosféry v daném prostoru a je zpravidla součástí výtvarného řešení interiéru. Takovýto charakter osvětlení se vyskytuje například ve společenských a kulturních prostorech, jako jsou divadla, kina, restaurace apod. Poměrně složitá subjektivní povaha takového typu osvětlení neumožňuje jeho zjednodušené objektivní vyjádření současnými světelnětechnickými parametry.

Osvětlení, které vychází z biologických hledisek uživatelů, není primárně zaměřeno na vytvoření světelného prostředí pro určitý zrakový úkol, ale využívá osvětlení pro ovlivnění biologického systému člověka (obr. 2) [5]. Návrh tohoto typu osvětlení vychází z jiných požadavků, než jsou požadavky vizuální, a energetická náročnost takovéhoto typu osvětlení je vyšší než energetická náročnost běžných osvětlovacích soustav.

Obr. 2: Poměrná spektrální citlivost receptorů v lidském oku v závislosti na vlnové délce záření C – křivka citlivosti cirkadiánních receptorů, V – křivka citlivosti fotopických receptorů – čípků (denní vidění), V´ – křivka citlivosti skotopických receptorů – tyčinek (denní vidění)

Energetická náročnost osvětlení je při posuzování osvětlovacích soustav pouze vedlejším hlediskem, které lze formulovat tak, že požadovaných světelnětechnických parametrů by mělo být dosaženo energeticky co možná nejúčinnějším způsobem. Požadavky na nižší energetickou náročnost osvětlení nelze v žádném případě nadřazovat nad požadavky světelnětechnické.

Posouzení energetické náročnosti
Úvahy o energetické náročnosti osvětlení se liší podle toho, zda se hodnotí navrhovaný, popřípadě nově realizovaný objekt, nebo zda se posuzuje energetická náročnost stávající budovy. V prvním případě je přesně znám instalovaný příkon osvětlovací soustavy, ale dobu využití a případně i skutečný provozní příkon je třeba určit na základě informací o předpokládaném charakteru provozu daného objektu. Spotřeba elektrické energie je tedy stanovena odhadem. V případě stávajících budov lze energetickou náročnost osvětlení stanovit z naměřených hodnot spotřeby elektrické energie, ale vzhledem k tomu, že ve většině případů není měření spotřeby elektrické energie pro osvětlení samostatné, je potřeba tento podíl spotřeby opět odhadnout (obr. 3). Následně je třeba se pokusit stanovit (na základě instalovaného příkonu a charakteru provozu objektu), jaké je časové využití příkonu osvětlovací soustavy v průběhu určitého časového období, například roku.

V obou případech se tedy pracuje s přibližnými hodnotami. Pro následný postup při hledání úsporných opatření a stanovení jejich návratnosti je důležité stanovit míru nepřesnosti tohoto odhadu. Aby tedy v budoucnu bylo možné objektivně hodnotit energetickou náročnost osvětlení objektů, je třeba zajistit přímé měření spotřeby elektrické energie pro osvětlení (obr. 4).

Obr. 4: Příklad podrobnějšího zpracování výsledků měření spotřeby elektrické energie pro umělé osvětlení v měsíčních časových intervalech ve sledovaném ročním období

Pokud jsou požadovány informace o využití dílčích částí osvětlovací soustavy, je třeba použít řídicí systémy osvětlení, které jsou schopny zaznamenat průběh spotřeby jak celé osvětlovací soustavy, tak i jednotlivých svítidel (obr. 5). Pro objektivnější hodnocení energetické náročnosti stávajících budov je potřeba vytvářet soubory statistických údajů o využití a charakteru provozu v jednotlivých typech budov, které popisují chování uživatelů z pohledu ovládání osvětlení.

Obr. 5: Příklad podrobného zpracování výsledků měření skutečného příkonu Pci (W) vybraného svítidla sledované soustavy umělého osvětlení

Energetické hodnocení osvětlovací soustavy má dvě základní úskalí. Prvním úskalím je to, že osvětlovací soustava nemusí být uživateli využívána podle standardních předpokladů a její spotřeba elektrické energie může být výrazně nižší, než jsou předepsané směrné hodnoty [2]. To ale nevylučuje možnost, že instalovaný příkon osvětlovací soustavy může být výrazně vyšší, než jsou předepsané směrné hodnoty pro instalovaný příkon [2, 3]. Pokud by došlo ke změně chování uživatelů, může dojít také k překročení směrných hodnot měrné spotřeby elektrické energie na osvětlení. Vždy tedy vyvstává otázka, zda má případný návrh úsporných opatření význam, neboť jejich efekt závisí na chování uživatelů.

Druhým úskalím je složitost vzájemného oddělení skutečného provozního příkonu pro osvětlení a doby využití tohoto příkonu. Na této informaci závisí případná volba účinných úsporných opatření. Pokud tyto informace nebudou s dostatečnou přesností odlišeny, zvyšuje se míra nepřesnosti při stanovení účinnosti a návratnosti navržených úsporných opatření.

Strategie úsporných opatření
Pro volbu strategie při návrhu úsporných opatření lze vyjít ze základního vztahu vyjadřujícího spotřebu elektrické energie pro osvětlení za určité časové období. Například pro jeden rok lze proto stanovit

W = P_n . t₀    (kWh/rok)
kde

P_n je průměrný provozní příkon svítidel (kW),
t₀ – provozní doba (h/rok).

Z uvedeného vztahu je zřejmé, že strategie hledání úspor ve spotřebě elektrické energie pro osvětlení může vycházet z hledání úspor v provozním příkonu nebo v době využití osvětlovací soustavy, popřípadě z kombinace obou parametrů. Úsporná opatření určují tyto parametry: volba osvětlovací soustavy, volba technických prostředků, kontrola dimenzování osvětlovací soustavy, využití denního světla, kontrola přítomnosti osob a využití časových režimů.

Posuzování energetické náročnosti osvětlení má smysl pouze v případě, že osvětlení, a tedy i světelnětechnické parametry v daném prostoru odpovídají jeho účelu a využití. V projektové fázi jsou dokladem o parametrech osvětlení protokoly světelnětechnických výpočtů. U již realizovaných budov jsou dokladem protokoly o měření provedené autorizovanou osobou.

Volba typu osvětlovací soustavy
Osvětlovací soustava umělého osvětlení je soubor technických zařízení, která primárně slouží k vytvoření požadovaného světelného prostředí. Tento soubor tvoří svítidla, světelné zdroje, předřadníky, řídicí systémy a příslušenství. Zmíněná technická zařízení využívají ke svému provozu elektrickou energii, kterou přeměňují v energii světelnou. Osvětlovací soustavy lze rozlišit podle jejich typu a charakteru. Jak typ, tak i charakter osvětlovací soustavy ovlivňuje její energetickou náročnost. Osvětlovací soustavu lze realizovat třemi způsoby: jako celkovou osvětlovací soustavu, odstupňovanou soustavu nebo jako soustavu kombinovanou.

Možnosti využití jednotlivých typů soustav souvisejí s oblastí aplikace a charakterem osvětlovaného prostoru. Nejvyšší energetickou náročnost vykazuje celková osvětlovací soustava, nejmenší kombinovaná osvětlovací soustava. Celkové osvětlení zajišťuje požadovanou horizontální osvětlenost s předepsanou rovnoměrností v celém prostoru. Za požadovanou osvětlenost se v tomto případě považuje předepsaná osvětlenost pro nejnáročnější zrakový úkol v řešeném prostoru.

Návrh odstupňované soustavy vychází ze zónování vnitřního prostoru. Zóny jsou funkčně vymezené části prostoru, lišící se charakterem a náročností zrakové činnosti, které jsou v nich vykonávány (obr. 6). Každou funkčně vymezenou část je třeba přesně popsat z pohledu zrakové činnosti a požadovaných světelnětechnických parametrů. Jedním z pomocných parametrů, který může usnadnit toto zónování, je rozložení denní osvětlenosti v prostoru. Příkladem aplikace zónování je velkoprostorová kancelář, jejíž prostor lze rozdělit na pracovní a komunikační zóny.

Kombinovaná soustava je kombinací celkové nebo odstupňované soustavy a soustavy místního osvětlení. Kombinovaná osvětlovací soustava je energeticky nejúčinnějším způsobem osvětlení. Hlavní oblastí použití této soustavy jsou prostory, kde se na velké ploše nachází relativně malý počet pracovišť nebo kde jsou pro daný zrakový úkol požadovány vysoké hladiny osvětlenosti.

Na obr. 6 je uveden příklad velkoprostorové kanceláře o rozloze 20 × 6 m. Požado­vané osvětlenosti 500 lx v místě pracovního úkolu lze dosáhnout celkovou osvětlovací soustavou (varianta a), soustavou odstupňovanou (varianta b) nebo kombinovanou soustavou (varianta c). Již jen z jednoduché úvahy o osvětlovaných plochách zón a požadovaných hladinách osvětlenosti ­vyplývá, že energetická náročnost kombinované osvětlovací soustavy je ve srovnání s celkovou soustavou osvětlení přibližně poloviční. 

Z pohledu charakteru se osvětlovací soustavy dělí na přímé, přímo-nepřímé nebo nepřímé. Přímé osvětlení je z hlediska ­dosažení kvantitativních parametrů osvětlení energeticky nejúčinnější, nepřímé osvětlení je nejméně účinné. Při úvahách o volbě nebo změnách charakteru osvětlení je třeba vzít v úvahu jeho vliv na vzhled osvětlova­ného prostoru a kvalitativní parametry osvětlení.

Energetická náročnost osvětlení velkoprostorové kanceláře (obr. 6) osvětlené na stejnou hladinu osvětlenosti

Volba technických prostředků
Základními technickými prostředky, které tvoří osvětlovací soustavu a ovlivňují energetickou náročnost, jsou světelné zdroje, předřadné přístroje, svítidla a řídicí systémy.

Světelné zdroje se z hlediska energetické účinnosti přeměny elektrické energie v energii světelnou posuzují měrným výkonem η (lm/W). U skupiny světelných zdrojů s vlastním reflektorem, které se používají pro směrové osvětlení, například ve výstavních nebo obchodních prostorech, není pro posuzování jejich energetické účinnosti zásadní měrný výkon, ale osová svítivost a úhel poloviční svítivosti. Technické parametry, kterými se popisují světelné zdroje, se uvádějí pro definované podmínky okolí a jejich měření se provádí mimo svítidlo. Při provozu ve svítidle se parametry některých světelných zdrojů mění – například vlivem teploty (zářivky, LED). Některé typy světelných zdrojů potřebují ke svému provozu předřadné přístroje, které umožňují start a stabilní provoz světelného zdroje nebo přizpůsobují napájecí napětí či proud. Podle konstrukce lze předřadné přístroje rozdělit na elektronické a elektromagnetické. Energeticky se předřadné přístroje popisují ztrátovým příkonem PZ (W). Příkony světelných zdrojů se obvykle uvádějí bez ztrát v předřadných přístrojích. Při porovnávání energetické náročnosti různých typů světelných zdrojů je proto třeba uvažovat nejen příkon samotného světelného zdroje, ale i příkon všech předřadných zařízení nezbytných po provoz hodnoceného zdroje.  

Svítidla jsou technická zařízení, která svými optickými prvky rozdělují, filtrují či mění světlo vyzařované jedním nebo více světelnými zdroji. Kromě světelných zdrojů obsahují všechny díly nutné pro upevnění a ochranu světelných zdrojů, případně pomocné obvody včetně prostředků potřebných pro jejich připojení k síti.

Z pohledu energetického hodnocení svítidel je důležitá jejich účinnost η_sv (%), která udává podíl výstupního světelného toku svítidla a světelného toku světelných zdrojů měřeného za stanovených podmínek mimo svítidlo. Druhým důležitým parametrem je charakter vyzařování svítidla. Tento parametr se popisuje křivkami svítivosti, které znázorňují prostorové rozložení vyzařovaného světelného toku. Při hodnocení energetické náročnosti technických prostředků pro konkrétní účel je nejvhodnější posuzovat kompletní svítidla. Určitým vodítkem je měrný výkon svítidla označovaný LER (lm/W) [4], definovaný jako poměr výstupního světelného toku svítidla (lm) a elektrického příkonu (W) svítidla. Obdobně lze hodnotit celé osvětlovací soustavy měrným výkonem osvětlovací soustavy (lm/W), který se stanoví jako poměr světelného toku (lm) vyzařovaného všemi svítidly soustavy k jejich celkovému elektrickému příkonu (W).

V tabulce je uvedena energetická náročnost takovéto osvětlovací soustavy při použití různých typů podhledových mřížkových svítidel. V první variantě jsou použita svítidla 4 × 18 W s elektromagnetickými předřadníky, ve variantě 2 a 3 jsou použita svítidla s elektronickým předřadníkem pro zářivky 4 × 14 W, respektive 2 × 28 W.

Při použití řídicích systémů pro plynulou regu­laci se snižováním hladiny osvětlenosti a příkonu svítidel snižuje měrný výkon osvětlovací soustavy. Je to dáno tím, že závislost mezi výstupním světelným tokem a příkonem soustavy není lineární. Při příliš velké regulaci světelného toku na úroveň pod 20 % maximální hodnoty je pokles měrného výkonu tak výrazný, že provoz takto nastavené osvětlovací soustavy je z pohledu energetické účinnosti nehospodárný.

Kontrola dimenzování osvětlovací soustavy
Výsledná hodnota osvětlenosti na srovnávací rovině nebo v místě pracovního úkolu je na začátku provozu osvětlovací soustavy vždy vyšší, než jsou hodnoty uvedené v normách. Hlavním důvodem je, že požadované parametry osvětlení musejí být dodrženy po celou dobu životnosti osvětlovací soustavy. Vzhledem k tomu, že dochází ke stárnutí soustavy vlivem poklesu světelného toku světelných zdrojů, znečištěním svítidel a poklesem činitelů odrazů vnitřních ploch místností, musí být osvětlovací soustava předimenzovaná.

Dalším důvodem vyšších hodnot parametrů osvětlení je, že světelné zdroje a svítidla se vyrábějí v určitých výkonových řadách, a proto zpravidla nelze přesně dosáhnout požadovaných světelnětechnických parametrů, ale je třeba zvolit nejbližší vyšší výkonový stupeň daného technického zařízení. V praxi se také vyskytují prostory s flexibilním dispozičním uspořádáním, například velkoprostorové kanceláře, u kterých lze vytvářet různě velké prostorové jednotky. Velkoprostorovou kancelář je možno například změnit na řadu buňkových kanceláří a naopak. U takovýchto prostorů je třeba osvětlovací soustavu navrhnout pro nejnepříznivější situaci. Pokud se prostorové uspořádání liší od této nejnepříznivější situace, dochází ke zvýšení hodnot světelnětechnických parametrů, a tím k dalšímu předimenzování osvětlovací soustavy. Popsané předimenzování osvětlovací soustavy je možno eliminovat použitím stmívatelných svítidel připojených na řídicí systém osvětlení, který je schopen průběžný pokles světelného toku vyrovnávat postupným zvyšováním příkonu svítidel nebo umožňuje nastavit světelný tok svítidel podle použitých svítidel, případně podle aktuálního dispozičního uspořádání prostoru.

Využití denního světla
Osvětlení prostoru i místa zrakového úkolu se neposuzuje podle toho, zda je dosaženo umělým nebo denním osvětlením. Proto dobře navržené denní osvětlení prostoru umožňuje snížit požadavky na dobu provozu soustavy umělého osvětlení. V případě dostatečného denního osvětlení v řešeném prostoru lze dosáhnout významných úspor kontrolou úrovně denního osvětlení prostřednictvím řídicího systému. Informace ze světelných čidel umožňují omezit dobu provozu umělé osvětlovací soustavy, případně její výkon tak, aby nesvítila v době dostatečného denního osvětlení. Na základě informací ze světelných čidel může být osvětlovací soustava ovládána skokově nebo plynulým řízením výstupního světelného toku. Volba způsobu regulace souvisí s použitými světelnými zdroji a určuje technickou i finanční náročnost navrženého úsporného opatření.

Kontrola přítomnosti osob
Řada pracovních prostorů a pracovních míst není využívána po celou pracovní dobu. Často dochází k tomu, že v průběhu nepřítomnosti osob zůstává osvětlovací soustava zapnuta. Pokud uživatel není v místnosti přítomný, nemá význam, aby osvětlovací soustava byla v provozu. Pro kontrolu přítomnosti osob se používají pohybová čidla. Na základě informací z pohybových čidel se pak zapínají, respektive vypínají příslušná svítidla, osvětlovací soustava nebo její části, případně se omezuje jejich výkon. Základními technikami při tomto úsporném opatření je kontrola přítomnosti nebo nepřítomnosti osob [2].

Zavedení časových režimů
Osvětlovací soustavy plní svojí hlavní funkci zpravidla pouze po určitou část dne. Po skončení vymezené doby provozu přestávají plnit svoji funkci a je možné je vypnout nebo je přepnout do jiného režimu, v němž přejímají jinou funkci. Provoz osvětlovací soustavy pouze v určitém časovém intervalu, případně její automatické přepínání do jiného provozního režimu řídí časové ovládací prvky. Ty mohou, podle nastavení, ovládat osvětlovací soustavu jednoduchým zapínáním nebo vypínáním, případně mohou být součástí řídicího systému, který na základě informace z časového ovládacího prvku spouští přednastavené světelné scény. Příkladem mohou být výlohy obchodů, v nichž osvětlení slouží jako prostředek k propagaci určitého zboží. Tuto funkci plní do určité doby, například do půlnoci. Po této době je již účinnost osvětlení z pohledu obchodního minimální, a proto jej lze vypnout, respektive přepnout do redukovaného režimu, který plní například funkci bezpečnostní.

Závěr
Problematika energetické náročnosti osvětlení nabývá v poslední době na významu, stejně jako energetická náročnost všech systémů budov. Rostoucí cena energie a provozní náklady nutí majitele budov hledat úspory všemi dostupnými prostředky. Metody pro dosažení energetické efektivity by měly být součástí projektu budovy již při jejím plánování, pro už postavené budovy je však také dostupná řada opatření k zajištění jejího hospodárného provozu. Vždy by se však měl brát ohled nejen na energetickou spotřebu budovy, ale i na pohodlí a zdraví jejích obyvatel.

Ing. Petr Žák, Ph.D.
Autor působí ve společnosti Etna, s. r. o.
Recenzoval: prof. Ing. Pavol Horňák, DrSc.

Obrázky: archiv autora

Literatura
1. Habel, J. a kol.: Světelná technika a osvětlování. Praha: FCC Public, 1995.
2. ČSN EN 15193 Energetická náročnost budov – Energetické požadavky na osvětlení.
3. TNI 73 0327 Energetická náročnost budov – Energetické požadavky na osvětlení.
4. National Electrical Manufacturers Association: Procedure for Determining Luminaire Efficacy Ratings for Fluorescent Luminaires, NEMA LE 5-1993. Rev. 1995. Washington, D. C.: National Electrical Manufacturers Association, 1993.
5. Berman, S. M.: New Discoveries in Vision Affect Lighting Practice. Lawrence Berkeley National Laboratory.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.