Aktuální vydání

Číslo 4/2021 vyšlo tiskem 14. 4. 2021. V elektronické verzi na webu 3. 5. 2021. 

Téma: Inteligentní budovy; Elektroinstalace; Zabezpečovací technika

Hlavní článek
Elektrické a úžitkové vlastnosti komerčných primárnych alkalických článkov

Číslo 2/2021 vyšlo tiskem
9. 4. 2021. V elektronické verzi na webu 19. 4. 2021.

Denní světlo
Denné osvetlenie novostavby telocvične pomocou GLASSFLOOR

Příslušenství osvětlovacích soustav
DALI LINK – inteligentní a ekonomické řízení osvětlení pro samostatné místnosti
Napájecí zdroje LED s bezdrátovým rozhraním v nabídce MEAN WELL

Ovládání veřejného osvětlení

4. 2. 2021 | Ing. Petr Žák, Ph.D., Ing. Teodor Terrich | ČVUT F | www.fel.cvut.cz

Při pohledu do minulosti byla problematika ovládání a provozu veřejného osvětlení (VO) ve starších technických normách poměrně jasně a jednoduše popsána [1]. Každý provozovatel měl mít zpracován časový plán osvětlení s přihlédnutím k hustotě zástavby, provozu a případným dalším parametrům.

Při pohledu do minulosti byla problematika ovládání a provozu veřejného osvětlení (VO) ve starších technických normách poměrně jasně a jednoduše popsána [1]. Každý provozovatel měl mít zpracován časový plán osvětlení s přihlédnutím k hustotě zástavby, provozu a případným dalším parametrům. Současně byly také přesně definovány doby zapnutí a vypnutí buď podle západu a východu slunce, nebo podle úrovně vodorovné osvětlenosti. V dnešních technických normách [2] takové parametry definovány nejsou a doporučované postupy pro jejich stanovení jsou složité a v praxi nepoužitelné. Vedle této neurčitosti současných technických norem se poměrně rychle ve veřejném osvětlení rozšiřují světelné diody, které nabízejí daleko větší možnosti při volbě typů, barevných vlastností i způsobů ovládání. Nástup světelných diod je doprovázen novou terminologií, některé pojmy jsou nejasné a někdy chybějí české překlady. Souběžně s uvedenými tématy se objevuje další poměrně neuchopitelné téma: Smart City. Zmíněná témata se podílejí na tom, že oblast ovládání a provozu veřejného osvětlení je nejasná a nepřehledná z pohledu jak terminologie, možností řešení, tak technických prostředků. Z uvedených důvodů se jeví jako užitečné pokusit se vyjasnit problematiku související s ovládáním veřejného osvětlení.

1. Způsoby ovládání veřejného osvětlení

Ovládání veřejného osvětlení (VO) může mít různou míru složitosti od jednoduchého zapínání a vypínání signálem HDO po pokročilé systémy, které umožňují reagovat na měnící se podmínky provozu, okolního prostředí nebo klimatické podmínky, a jeho součástí mohou být různé funkce. U ovládání veřejného osvětlení lze rozlišit tři základní funkce:
– spínání,
– řízení,
– monitoring

Spínání je základní úroveň ovládání veřejného osvětlení, která je nutná pro každou soustavu VO. Další úrovně jsou již nadstavbou a nejsou pro provoz osvětlovací soustavy nezbytné. Řízení zahrnuje změnu parametrů osvětlovací soustavy na základě přednastaveného provozního režimu nebo na základě monitorování aktuální situace v osvětlovaném prostoru. Monitoring představuje sběr informací o osvětlovací soustavě, zahrnující poruchové stavy, sledování spotřeby elektrické energie nebo aktuálních provozních stavů.

Dalším důležitým hlediskem je úroveň ovládání VO. U veřejného osvětlení lze rozlišit tři úrovně:
– centrální (dispečink),
– lokální (zapínací místa),
– individuální (světelná místa).

Při centrálním ovládání se z centrálního místa (dispečink) ovládá celá osvětlovací soustava. Podle struktury ovládacího systému VO se rozlišuje hloubka ovládání, která může být minimální, při níž se ovládá celá osvětlovací soustava bez rozlišení dílčích částí, střední, představující úroveň zapínacích míst (ZM), nebo maximální, představující úroveň jednotlivých světelných míst (SM). Lokální ovládání je realizováno z jednotlivých zapínacích míst. Podle hloubky ovládání může být opět minimální, při níž se ovládá celé zapínací místo bez rozlišení, nebo střední, při které se samostatně ovládají jednotlivé vývody, a maximální, při které lze ovládat jednotlivá světelná místa. Při individuálním ovládání jsou ovládací prvky integrovány přímo do svítidel veřejného osvětlení. Uvedené ovládací prvky mohou sloužit ke spínání nebo i k řízení svítidel. Při tomto ovládání musí být světelná místa trvale pod napětím. Individuální spínání se používá hlavně v zemích, které nemají vybudovanou samostatnou distribuční síť pro VO. V našich podmínkách se používá pouze ve výjimečných případech, kdy je třeba instalovat svítidlo veřejného osvětlení, ale v dosahu není jeho síť.

Obr. 1. Veřejné osvětlení LED svítidly s autonomním řízením v Husově ulici, Pardubice (svítidla WOW, iGuzzini, 4 000 K)
Obr. 1. Veřejné osvětlení LED svítidly s autonomním řízením v Husově ulici, Pardubice (svítidla WOW, iGuzzini, 4 000 K)

2. Spínání

Používají se dva způsoby spínání veřejného osvětlení, časové spínání a spínání podle světelných podmínek. První způsob vychází z časů východů a západů slunce. Druhý způsob vychází z monitoringu reálných úrovní denního osvětlení. V minulosti se používalo také ruční spínání VO.

Časové spínání (astronomické hodiny)

Časové spínání vychází ze známých časů východů a západů slunce v průběhu roku v dané lokalitě. Nevýhodou tohoto způsobu spínání je, že neumožňuje zohlednit místní geografické podmínky (např. vysoký kopec), které částečně cloní přístup denního světla při východu nebo západu slunce. Také není schopen brát ohled na klimatické podmínky ovlivňující venkovní světelné podmínky (např. bouřka, opar, sněžení), které mohou mít významný vliv na úroveň denního osvětlení a viditelnost zejména při svítání nebo soumraku.

Spínání podle světelných podmínek (fotobuňky)

Při tomto způsobu spínání se prostřednictvím fotobuněk monitoruje úroveň denního osvětlení. Zapnutí a vypnutí veřejného osvětlení je vázáno na konkrétní úrovně osvětlení. U rozsáhlejších urbanistických celků s různou hustotou zástavby se úrovně denního osvětlení v různých částech liší. To je buď třeba zohlednit definováním odlišných úrovní denního osvětlení pro spínání dílčích částí VO, nebo použít větší počet fotobuněk. Pro zajištění správné funkce fotobuněk je nutná jejich pravidelná kontrola a údržba.

Kombinované spínání

Kombinované spínání je kombinace časového spínání a spínání podle světelných podmínek. Tento způsob lze použít při centrálním spínání VO nebo při skupinovém řízení velkých celků z důvodu bezpečnosti zapnutí/vypnutí osvětlovací soustavy a nebo pro spínání některých částí osvětlovací soustavy v předstihu, např. místního osvětlení přechodů pro chodce. Hlavním spínacím prvkem je fotobuňka, která se z důvodu bezpečnosti zpravidla zálohuje. Časové řízení funguje jako záložní pro případy selhání fotobuněk.

Úrovně, ze kterých je distribuován signál pro zapnutí nebo vypnutí veřejného osvětlení, mohou být centrální, lokální nebo individuální. Při centrálním spínání je řídicí signál distribuován z centrálního řídicího systému a tento systém může při nastavování doby zapnutí a vypnutí kombinovat informace z více fotobuněk i údaje o reálném čase a na základě těchto informací spínat dílčí části osvětlovacích soustav. Při lokálním spínání jsou spínací prvky (astronomické hodiny, fotobuňky) instalovány v každém zapínacím bodě a osvětlení v jednotlivých zapínacích místech je vzájemně nezávislé. Spínání může být i individuální, kdy každé místo nebo vybraná světelná místa obsahují spínací prvky (astronomické hodiny, fotobuňku). V tomto případě musí být světelné místo trvale pod napětím. Uvedený způsob lze použít např. tam, kde není světelné místo napájeno ze sítě veřejného osvětlení, nebo tam, kde je třeba odlišit dobu zapnutí dílčí části osvětlovací soustavy (např. osvětlení přechodů). Individuální spínání je nákladné, a proto se používá pouze v ojedinělých případech. Nejčastějším způsobem je lokální spínání veřejného osvětlení. V praxi se také používá centrální časové spínání v podobě signálu HDO, poskytovaného distributorem elektrické energie. Systém HDO využívá pro přenos informace silová vedení energetické sítě. Přijímač HDO je obvykle umístěn v elektroměrovém rozváděči u odběratele. Nízká frekvence, na které je HDO provozováno, dostačuje jen na jednoduché povely, ale šíření signálu je v desítkách i stovkách kilometrů. Při rádiovém přenosu informace se systém označuje jako RHDO.

3. Řízení veřejného osvětlení

Veřejné osvětlení z pohledu parametrů osvětlovací soustavy může být teoreticky řízeno podle tří základních parametrů:
– kvantitativních (světelný tok),
– spektrálních (spektrální složení světla),
– směrových (čára svítivosti).

Řízení světelného toku

Řízení světelného toku souvisí s nastavením požadované hladiny osvětlení (osvětlenost, jas). Její úroveň souvisí s účelem osvětlované komunikace (např. sběrná, obslužná), s parametry dopravy (rychlost, intenzita dopravy apod.), s uspořádáním dopravního prostoru (hustota křižovatek, směrové rozdělení komunikace apod.) a s parametry okolního prostředí (jasnost okolí apod.). Pro nejnepříznivější hodnoty těchto parametrů se stanovuje tzv. normální třída osvětlení s definovanými světelnětechnickými parametry. Některé z parametrů se v průběhu noci mění (intenzita dopravy, skladba dopravního proudu apod.) a tím se mohou měnit i požadavky na hladiny osvětlení (tzv. adaptivní třídy osvětlení). V průběhu noci se zpravidla snižují požadavky na úroveň osvětlení. Existují ale i kritické situace, např. dopravní nehody, kdy může být požadováno i zvýšení úrovně osvětlení nad požadavky normální třídy osvětlení. S řízením světelného toku rovněž souvisí řízení příkonu svítidla s ohledem na stárnutí světelných zdrojů, při kterém klesá světelný tok. U osvětlovacích soustav s výbojovými světelnými zdroji se tento problém řešil předimenzováním osvětlovací soustavy. U moderních LED svítidel lze pokles světelného toku kompenzovat postupným zvětšováním provozního proudu a tím i příkonu svítidla. Tato funkce se označuje iniciálovou zkratkou CLO (constant light output), tedy jako funkce konstantního výstupního světelného toku.

Řízení spektrálních vlastností

Spektrální vlastnosti osvětlení se ve VO promítají do dvou oblastí. První oblast souvisí s fyziologickými účinky světla, tedy s vlastním viděním (tzv. mezopické vidění). Při nízkých úrovních osvětlení, typických pro veřejné osvětlení, se mění spektrální citlivost lidského zraku. Lidské oko je při těchto podmínkách citlivější na chladnější barevné tóny. Využití světla s vyšší teplotou chromatičnosti je tedy z pohledu fyziologického účinnější. Druhá oblast souvisí s biologickými účinky světla. Světelné podmínky nastavují biologický systém člověka do stavu aktivity nebo relaxace. Chladně bílé světlo je v porovnání s teple bílým účinnější při aktivaci lidského organismu. Vzhledem k tomu, že v nočních podmínkách se má lidský organismus nacházet ve stavu relaxace, jsou z pohledu biologického vhodnější teple bílé barevné tóny světla. Zjednodušeně řečeno, vyšší teploty chromatičnosti umožňují účinnější využití světelného toku lidským zrakem v nočních podmínkách, teplejší barevné tóny jsou v noční době vhodnější z hlediska biologického systému člověka. Z pohledu bezpečnosti je tudíž vhodné dopravně důležité komunikace osvětlovat v době večerních špiček světlem s vyšší náhradní teplotou chromatičnosti (asi 4 000 K). Mimo dopravní špičku v pozdních nočních hodinách lze náhradní teplotou chromatičnosti světla snížit (asi 3 000 K). Změnu teploty chromatičnosti je možné ve VO využít také na společensky a kulturně významných veřejných prostranstvích, kde lze změnou barevného tónu světla změnit atmosféru venkovního prostoru. Změnu barevného tónu je rovněž možné využít k upozornění na potenciálně nebezpečné místo (stavební práce, dopravní nehoda).

Řízení směrových vlastností

Charakter vyzařování svítidel ovlivňuje směrové vlastnosti osvětlení i atmosféru osvětlovaných veřejných prostranství. Změnu směrových vlastností osvětlení lze teoreticky využít v řadě případů. Na pozemních komunikacích pro motorovou dopravu se při změně klimatických podmínek (déšť) mění odrazné vlastnosti jejich povrchu (mokrá vozovka). Povrch mokré vozovky funguje jako zrcadlo a při jejím osvětlení se zhoršují vizuální podmínky řidičů. Změnou charakteru vyzařování svítidel při mokré vozovce lze tento nepříznivý účinek omezit. Dalším případem, kde by bylo možné využít změnu charakteru vyzařování, jsou společensky důležitá veřejná prostranství, kde významnou roli, vedle osvětlení vlastního povrchu pozemní komunikace, hraje též prosvětlení prostoru, osvětlení vertikálních ploch i osvětlení osob. Toto osvětlení vedle toho, že přispívá ke zlepšení kvality osvětlení veřejných prostranství, přispívá i k určité míře zvýšení rušivého světla (tzv. světelného znečištění). Proto je logické po dobu, kdy je veřejné prostranství více společensky nebo kulturně využíváno, zvolit charakter vyzařování svítidla, který nejen zajišťuje osvětlení povrchu pozemní komunikace, ale také prosvětluje prostor a a osvětluje vertikální povrchy. Mimo tuto dobu je vhodné změnit charakter vyzařování svítidel tak, aby byly primárně osvětleny pouze povrchy pozemní komunikace a zajištěny základní bezpečností požadavky.

Adaptivní osvětlení

Při řízení veřejného osvětlení se používá termín adaptivní osvětlení, kdy osvětlení není v průběhu celé doby provozu konstantní, ale přizpůsobuje se aktuálním požadavkům. Podle způsobu určení požadavků osvětlení lze řízení adaptivního osvětlení rozdělit na režimové, dynamické a kombinované.

Režimové řízení
Režimové řízení veřejného osvětlení vychází ze statistických údajů o změnách parametrů ovlivňujících požadavky na úroveň osvětlení (třída osvětlení). Zdrojem informací může být např. sčítání dopravy, ze kterého lze stanovit změnu intenzity v noční době. Dále je možné zohlednit, jak se mění jas okolí nebo skladba dopravního proudu. Všechny tyto údaje mají jasné časové vymezení a vycházejí ze zkušeností nebo ze statistických údajů při sledování reálného provozu. Při tomto způsobu je osvětlovací soustava řízena na základě předem definovaných časových režimů. Režimové řízení osvětlení lze aplikovat na všech úrovních ovládání, tedy na centrální, lokální i individuální řízení (autonomní řízení).

Dynamické řízení
Dynamické řízení veřejného osvětlení vychází z monitorování změn reálných parametrů, které se používají při určování požadavků na osvětlení. Sledovanými parametry mohou být:
– intenzita dopravy,
– rychlost dopravy,
– skladba dopravního proudu,
– jasnost okolí,
– klimatické podmínky (déšť, opar, sněžení),
– přítomnost účastníků dopravy

Ke snímání uvedených parametrů se používají snímače pohybu a přítomnosti (ultrazvukové, mikrovlnné, infračervené), fotobuňky, snímače vlhkosti nebo kamerové systémy. Vzhledem k nákladům na pořízení čidel a snímacích prvků se dynamické osvětlení nepoužívá při individuálním způsobu řízení a výjimečně se používá při skupinovém řízení osvětlení. Při centrálním způsobu řízení je v současné době tento způsob řízení vhodný pouze pro vybrané pozemní komunikace a veřejná prostranství, např. pro pozemní komunikace s velkou intenzitou motorové dopravy nebo pro historická centra měst.

Kombinované řízení
Kombinované řízení veřejného osvětlení využívá režimový i dynamický způsob řízení. Například podle výsledků sčítání intenzity dopravy je zřejmý její pokles v průběhu noci podle určitých časových úseků. Podle těchto informací lze astronomickými hodinami nastavit úroveň osvětlení. V rámci těchto časových režimů lze pak sledovat aktuální intenzitu dopravy nebo jiné parametry provozu a na jejich základě dále řídit úroveň osvětlení.

Obr. 2. Veřejné osvětlení cyklostezky v Písku LED svítidly s autonomním řízením (svítidla Archilede, iGuzzini, 3 000 K)
Obr. 2. Veřejné osvětlení cyklostezky v Písku LED svítidly s autonomním řízením (svítidla Archilede, iGuzzini, 3 000 K)

4. Monitoring veřejného osvětlení

Při monitorování osvětlovací soustavy se zjišťují její provozní stavy. Na rozdíl od dynamického řízení se neshromažďují informace o parametrech osvětlovaného prostředí, ale informace o osvětlovací soustavě. Prostřednictvím monitorování je možné zjišťovat informace o spotřebě elektrické energie, o poruchách v osvětlovací soustavě (předřadník, svítidlo, napájení apod.) i o aktuálním provozním stavu (zapnuto, vypnuto, řízeno na určitou úroveň).

5. Závěr

Vyšší úroveň řízení a větší počet funkcí veřejného osvětlení umožňují lepší ovládání, správu i údržbu VO, dosažení významných úspor elektrické energie, omezení rušivého světla i snadnější integraci VO do systému Smart City. Naproti tomu klade větší požadavky na údržbu i na obsluhu a její odbornost. Realizace takových ovládacích systémů VO je doprovázena vyšší mi pořizovacími náklady na svítidla, řídicí prvky i na vybudování přenosových tras pro řídicí signály. Je třeba také počítat s vybudováním centrálního ovládacího místa, nákupem softwaru, jeho pravidelnými aktualizacemi a údržbou, personálními náklady na jeho obsluhu i na její pravidelné školení. Zároveň s vyšší centralizovanou úrovní ovládání jsou kladeny přísnější požadavky na pravidelnou údržbu a kontrolu ovládacích prvků a je také třeba počítat s jejich zálohou pro případ poruchy. U centrálního řízení je zapotřebí řešit bezpečnost celého systému VO, která při poruše může zasáhnout celou osvětlovací soustavu nebo její velkou část. V zapínacích místech a u svítidel musí být definovány provozní stavy pro situace při poruchách řídicího signálu tak, aby byly zajištěny základní úrovně osvětlení splňující požadavky technických norem. V případě úplného selhání celého systému musí být pověřená osoba schopna během krátké doby nastavit část nebo celou osvětlovací soustavu do výchozího stavu bez zásahu externích odborníků.

Z uvedených důvodů je při řešení způsobu ovládání VO velmi důležité zohlednit velikost obce. V malých městech a obcích nemá význam zavádět složité řídicí systémy VO. Tyto systémy nemají své opodstatnění z pohledu pořizovacích nákladů, dosažitelné míry úspor a nesou s sebou požadavky personálního zajištění. Pro menší města a obce přibližně do velikosti zhruba 10 000 obyvatel je dostačující veřejné osvětlení spínané lokálně v každém zapínacím místě fotobuňkou, popř. astronomickými hodinami, a se svítidly vybavenými autonomní regulací v závislosti na přednastavených časových režimech přímo ve svítidlech.

Právní předpisy, vyhlášky i technické normy související s veřejným osvětlením často nezohledňují nejnovější technický vývoj. Proto je třeba zajistit, aby navrhované ovládání VO bylo v souladu se všemi požadavky právních předpisů. Z pohledu řízení veřejného osvětlení je třeba uvést, že v současné praxi je již poměrně rozšířené řízení hladin osvětleností, které vychází z metodik uvedených v technických normách. Ve většině případů jde o již zmíněné autonomní řízení integrované do svítidel. Řízení teplot chromatičnosti a směrových vlastností je teoreticky i prakticky možné, ale v současné době není ve standardní nabídce běžných výrobců svítidel. Proto lze takové soustavy vybudovat v rámci pilotních projektů jako atypické řešení, ale není reálné v současné době počítat s plošným zavedením takových řešení. To neznamená, že v průběhu následujících let se taková řešení nemohou stát standardními.

Literatura:
[1] ČSN 36 0400. Veřejné osvětlení. 1984.
[2] ČSN EN 13201. Osvětlení pozemních komunikací – soubor norem. 2015.