Navrhování osvětlení pro interiérové květiny

univerzita v Brně, Zahradnická fakulta v Lednici

 

V článku Osvětlení okrasných rost­lin v interiérech, uveřejněném v časopise Světlo, č. 4/2010, byly zhodnoceny mož­nosti použití různých běžných světel­ných zdrojů k osvětlování rostlin. S roz­vojem nových světelných zdrojů, bílých světelných diod (LED), je vhodné posou­dit ještě možnosti uplatnění těchto zdro­jů pro osvětlování rostlin. Rozsáhlý vý­zkum zdrojů LED se soustřeďuje přede­vším na oblast konstrukčního uspořádání zářících čipů, zejména z hlediska jejich účinného chlazení, a na vývoj luminoforů, což jsou chemické látky, které převádějí záření modrých nebo ultrafialových diod na celé světelné spektrum. A právě lumi­nofory umožňují vyrábět bílé LED v celé škále náhradních teplot chromatičnosti, od 2 500 K (teple bílá) až po 7 000 K (den­ní světlo). Spektrum LED je spojité, takže obsahuje úplnou škálu barev a jejich od­stínů. Díky tomu lze dosahovat vysokých hodnot indexů podání barev.

 

Na obr. 1 jsou spektra několika bílých zdrojů LED. Zdroje teple bílé soustře­ďují převážnou část emitovaného záření do oblasti největší citlivosti lidského oka, ale preferují dlouhovlnnější část spektra. Zdroje neutrální nebo chladně bílé opět největší část záření vysílají v oblasti nej­větší citlivosti oka, ale preferují krátko­vlnné záření. Všechny tyto zdroje mají propad emitované energie v oblasti asi 470 až 520 nm. Hloubka tohoto propadu závisí na účelu použití zdrojů LED. Pro venkovní osvětlování, zejména komuni­kací, je snaha co nejvíce energie soustře­dit k vlnové délce 550 nm, pro kterou je lidské oko nejcitlivější. To se dělá omeze­ním uvedené oblasti okolo 500 nm, násled­kem čehož je výrazné zhoršení indexu po­dání barev (u spektra na obr. 1, křivka 2, R_{a= 65). Zdroje pro interiérové osvětlování mají spektrum vyrovnanější, maxima jsou nižší, propad v} oblasti okolo 500 nm není tak hluboký, index podání barev dosahu­je hodnoty R_{a= 80. Ve} vývoji jsou i zdro­je LED s luminofory, které při náhradní teplotě chromatičnosti 5 500 K dosahují indexu podání barev až R_{a= 97.}

 

Spojité široké a energeticky vyrovna­né spektrum je velmi vhodné i pro všech­ny fotobiologické procesy v rostlinách. Je velice příznivé, že i při vyšších teplotách chromatičnosti dosahuje část spektra až k vlnové délce 800 nm, což má význam­ný vliv na indukci květů a kvetení všech rostlin, i dlouhodenních, jejichž tzv. fy­tochrom far red vyžaduje ke své aktivaci právě toto dlouhovlnné červené záření.

 

Vhodnost světelných zdrojů pro foto­periodické ozařování je hodnocena inde­xem fotoperiodické radiace IFPR. To je procentuální podíl záření v rozmezí vl­nových délek 550 až 780 nm (FPR), které aktivují fytochromy red a far red, k foto­synteticky aktivnímu záření v rozmezí vl­nových délek 400 až 700 nm (FAR), tedy IFPR = FPR/FAR.

 

Hodnoty IFPR pro doporučované zdroje jsou v tab. 1, jejíž obsah a význam budou v dalším textu vysvětleny.

 

Dostatečný podíl záření v červené i modré oblasti u doporučovaných LED skýtá dostatek energie k fotosyntetickým procesům. Absence záření nejkratších vl­nových délek ve fialové, popř. ultrafia­lové oblasti u některých LED zdrojů by mohla mít nepříznivý vliv na fotomorfo­genetické procesy snad jen u vysokohor­ských rostlin, ale tato oblast rostlinné říše není z hlediska jejich použití v inte­réru zajímavá.

 

Zdroje LED jsou vhodné pro směrové osvětlení s menším nebo větším úhlem po­loviční svítivosti. To umožňuje volit jed­noduchá svítidla s malou závislostí rozlo­žení svítivosti na těchto svítidlech. Vzhle­dem k tomu, že uvedené zdroje s jejich chladicím systémem mají zpravidla vel­mi působivý design, je příjemné je pou­žít i bez svítidel, pouze s vhodně krytou objímkou.

 

Podání barev rostlin osvětlovaných zdroji LED ukazuje obr. 2. K osvětlení byly zvoleny zdroje s teplotami chroma­tičnosti 2 700, 4 000 a 5 600 K. Z obráz­ku je zřejmé, že i u zdrojů LED je dávána přednost zdrojům s vyšší teplotou chro­matičnosti (nejméně 4 000 K), tak jako je tomu u dříve uvedených běžných zdrojů.

 

Zdroje LED se vyrábějí buď rotačně sy­metrické, nebo jako světelné lišty, zpravi­dla s délkami od 30 cm, velmi často jako stavebnicové, s možností spojit několik lišt za sebou. I světelné lišty již bývají konstruovány tak, že se použijí samostat­ně, bez svítidla, někdy jen s clonou pro­ti oslnění. Příklad některých dnešních zdrojů LED vhodných k ozařování rost­lin je v tab. 2.

 

Zdroje LED mají ještě další příznivé vlastnosti. Jejich příkon a spotřeba ener­gie při osvětlování rostlin mohou být zpra­vidla menší než u jiných zdrojů a jejich doba života je 20 000 až 50 000 h, což při osvětlování rostlin činí deset až dvacet let.

 

Z dosud uvedeného vyplývá, že výběr zdrojů pro osvětlování rostlin je dost ši­roký. Ne vždy jsou ale vhodné zdroje do­stupné ve všech obchodech. Po postup­ném zákazu výroby žárovek se výrobci i obchodníci snaží nabízet zejména kom­paktní zářivky, které se svým barevným podáním co nejvíce podobají žárovkové­mu světlu. Naproti tomu ale psychologo­vé a oční lékaři přinášejí stále více poznat­ků o potřebě vnést do interiérů sluneční světlo, tedy denní světlo s teplotou chro­matičnosti 5 000 až 6 500 K, které obsa­huje co největší podíl spojitého spektra v celé viditelné oblasti. Tam, kde je denního světla nedostatek, do­poručují používat světelné zdro­je s uvedenými teplotami chroma­tičnosti. Takové zdroje sice v sou­ladu s Kruithoffovým diagramem vyžadují vyšší intenzity osvětlení než zdroje teplých barev, ale při­spívají ke klidné náladě, omezu­jí podrážděnost a stresové situa­ce, vedou k lepší soustředěnosti při náročné práci a při učení, ze­jména u hyperaktivních dětí. Vli­vem většího podílu modrého zá­ření, které má vliv na odbourává­ní hormonu spánku (melatoninu), ulehčují ranní vstávání, zlepšují překonávání nepříznivého vlivu zimního období u lidí s klimatic­kou závislostí, jsou uváděny i pří­znivé vlivy na fyziologické pro­cesy lidí a snižování nemocnosti v zimním období.

 

Hlasy odborníků již akceptu­jí i některá doporučení pro osvět­lování škol, dětských školek, ne­mocnic a kanceláří, takže v blízké budoucnosti snad potíže s do­stupností zdrojů se studeným (neutrálním) a denním světlem pominou.

 

U běžných zdrojů (zářivek, vý­bojek) s vyšší teplotou chromatič­nosti (nad 5 000 K) může pokles­nout podíl emitovaného záření v červené oblasti (viz tab. 1, IFPR = 0,33 až 0,38). To by mohlo po­někud negativně ovlivnit indukci květů. Proto i po rozšíření použí­vání zdrojů s vyšší teplotou chro­matičnosti bude pro osvětlování rostlin dávána přednost zdrojům s teplotou chromatičnosti 4 000 až 5 000 K (s označením neutrál­ní nebo chladně bílé, cool white, CW, 842, 942).

 

Rostliny v interiéru mají dvojí účel. V pracovních prostorách (kanceláře, kabi­nety a laboratoře vědeckých a vývojových pracovníků) je oceňováno především jejich psychologické působení na pracovní schop­nosti a invenci v tvůrčí práci. Ve veřejně pří­stupných prostorách (haly, auly, přednáš­kové sály, obchodní kanceláře) je důležité estetické působení květin. A v domácnos­tech je to obojí, jak estetické, tak psycholo­gické působení, ovlivňující hezkou životní pohodu i intenzivní odpočinek.

 

Podle jejich účelu jsou rostliny umís­ťovány. Mají-li působit především na pra­covní výkonnost, musí být na takovém místě, aby zasahovaly do zorného pole pracovníků ve chvílích jejich odpočin­ku, soustředění, přemýšlení. Umísťují se nejčastěji na nízké skříňky a jsou osvět­lovány stojanovými svítidly (obr. 3a, b). Vhodné jsou i poličky upevněné na stě­nách osvětlované lineárními světelnými zdroji nebo i nábytkové stěny s lineární­mi zářivkami (obr. 3c, d). Pro estetické účely, zvláště ve větších prostorách, jsou působivé květiny umístěné ve velkých ná­dobách na podlaze, nízkých parapetech nebo i květinové stěny osvětlené stropní­mi nebo nástěnnými svítidly (obr. 3e, f). Součástí všech svítidel by měl být časový a soumrakový spínač, aby bylo možné au­tomaticky řídit dobu zapínání a vypínání osvětlení a jeho vypnutí při dostatečném přírodním denním osvětlení.

 

Při navrhování osvětlení je třeba znát optimálně nebo minimálně účinné in­tenzity fotosynteticky aktivního záření (FAR) pro vybrané rostliny. Tyto hodnoty jsou vyjadřovány buď jako intenzita ozá­ření ve spektrálním pásmu 400 až 700 nm (W·m^{–2 FAR), nebo jako intenzita toku fo­tonů v} pásmu FAR, sdílených molekulám 1 mikromolu aktivních látek (CO_{2, H2O), které vstupují do} procesu asimilace. Fyzi­kální jednotkou intenzity toku fotonů je s^{–1·m–2. Z} nepochopitelných důvodů byla ale zavedena jednotka μmol·s^{–1·m–2, kterou používají i} výrobci světelných zdrojů urče­ných k přisvětlování skleníkových rostlin.

 

Vzájemný vztah obou jednotek vyplý­vá z rovnic:

 

Rovnice (1)

 

kde

e_λje spektrální intenzita ozáření (W·m^–3),

E_FAR intenzita ozáření ve spektrálním pásmu 400 až 700 nm (W·m^–2),

E_mol intenzita fotonového toku ve spek­trálním pásmu 400 až 700 nm (μmol·s^–1·m^–2).

 

Obě hodnoty nemají k sobě konstant­ní poměr, protože jsou závislé na spekt­rálním složení záření světelných zdrojů. Právě tak nejsou v konstantním pomě­ru s fotometrickými jednotkami (lumen, lux), jejichž prostřednictvím se provádě­jí světelnětechnické výpočty. Pro uvažo­vané světelné zdroje pro osvětlování inte­riérových rostlin je poměr energetických a fotonových jednotek v rozmezí 0,220 až 0,231, takže v podstatě příliš nezáleží na tom, které jednotky jsou pro hodno­cení fotosyntetických dějů použity. Jiná situace je ve vztahu energetických nebo fotonových jednotek k fotometrickým jednotkám. Tento vztah již značně závi­sí na emisním spektru světelných zdrojů.

 

Přepočítávací činitele energetických a fotonových jednotek na fotometrické jsou pro doporučované zdroje v tab. 1. Fotometrické hodnoty intenzity osvětle­ní (lx) se vypočítají:

 

E_lx = (1000E_FAR)/k_FAR

 

E_lx = (1000E_mol)/k_mol     (2)

 

kde

 

Pro výpočet umístění světelných zdro­jů nad skupinami rostlin je důležitý také způsob hodnocení ozářenosti (osvětle­nosti). Při výpočtu pracovního osvětlení se hodnotí intenzita osvětlení na pracov­ní ploše, zpravidla vodorovné, ale i jinak orientované, je-li to důležité z hlediska vy­tváření zrakového vjemu. Důležité je vždy to světlo, které se odráží od pozorovaného předmětu. Při osvětlování rostlin je důleži­té záření, které je rostlinou pohlceno. Cha­rakteru působení světla na rostliny nejlépe odpovídá hodnotit světlo tak, jak dopadá na povrch polokoule, jejíž osa je vždy na­točena ke světelnému zdroji. Protože ale vlivem indexu lomu rostlinné tkáně se při větších úhlech dopadu světla značně zvět­šuje jeho odraz, bere se v úvahu, že světlo využitelné pro fotobiologické procesy do­padá na povrch kulového vrchlíku o výšce 3/5 poloměru polokoule. Při respektování této úvahy je intenzita využitelného světla rovna 7/10 světla dopadajícího na plochu kolmou k dopadajícím paprskům.

 

Intenzita osvětlení E_a v rovině vrcholů rostlin a ve vzdálenosti a od zdroje (vý­početní bod A) se pak počítá:

 

E_a = 0,7 k_opr(I_γ/a²)     (3)

 

kde

I_γje svítivost ve směru odkloněném o úhel γ od optické osy svítidla k výpočetní­mu bodu,

a vzdálenost výpočetního bodu A od sví­tidla.

 

Návrh osvětlení pokojových rostlin vy­chází z požadavků na potřebné intenzi­ty ozáření uvažovaných rostlin. Ty bývají udány v energetických nebo fotonových jednotkách. Jsou to vždy hodnoty pro fo­tosyntetické ozařování skleníkových rost­lin pro zvýšení rostlinné produkce. Jsou dostupné např. na www.dhlicht.de. Při osvětlování interiérových rostlin ale nejde o nárůst rostlinné hmoty, ale jen o udrže­ní základních biologických potřeb pro za­chování dobré kondice rostlin. Je pro ně tedy volena jen mezní hodnota ozáření, což je hodnota, která jen málo převyšuje světelný kompenzační bod u dané rostli­ny (rovnovážný bod mezi fotosyntézou a dýcháním rostliny). Tato hodnota bývá asi 70 až 50 % z hodnot uváděných pro skleníkové pěstování.

 

Někdy je uváděno jen dělení na rost­liny s vysokými, středními a nízkými svě­telnými nároky. V takovém případě je po­važováno:

V prostorách s omezeným pobytem lidí je možné pro udržení rostlin s ma­lými světelnými nároky volit i nižší hod­noty (uvádí se až jen 6 μmol·s^{–1·m–2), ale v} pracovnách i v bytech by nejmenší hod­noty po přepočtu na fotometrické jednot­ky neměly klesnout pod 800 lx.

 

 

Pro vybrané rostliny se stanovují po­třebné intenzity ozáření (W·m^-2 FAR nebo µmol·s^-1·m^-2) a rovnoměrnost osvětlení n. (Ve zde popisovaném případě se rovno­měrnost osvětlení rovná poměru mini­mální a maximální osvětlenosti výpočto­vé plochy.) Rovnoměrnost by v prosto­rách s dlouhodobým pobytem lidí, kde mají mít rostliny i psychologický účel, měla dosahovat alespoň 0,7. V prostorách s občasným pobytem lidí může být rov­noměrnost nižší, např. 0,5.

 

Jsou-li známy požadované hodnoty, výpočet začíná převedením hodnot foto­synteticky aktivní radiace na fotometric­ké jednotky Elx (podle tab. 1 a uvedených vzorců). Pak se stanovuje hodnota maxi­málního osvětlení:

 

E_max = (2E_lx)/(1 + n)     (4)

 

Z diagramu svítivosti pro zvolené sví­tidlo nebo reflektorový světelný zdroj se odečte svítivost pro úhel 0°, I₀(cd). U sví­tidel jsou obvykle uváděny diagramy svíti­vosti s poměrnými jednotkami cd/1 klm, takže odečtené hodnoty je nutné vynásobit ještě celkovým světelným tokem sví­tidla (klm) uvedeným v katalogu. V ka­talogových listech není u reflektorových zdrojů vždy uveden diagram svítivosti, ale jen hodnota maximální svítivosti I₀ v op­tické ose světelného zdroje a úhel polo­viční svítivosti. To je v diagramu svítivos­ti vrcholový úhel kužele s osou v optické ose zdroje, jehož povrchové přímky pro­tínají body křivky svítivosti s hodnotou I₀/2. Protože křivky diagramů svítivosti reflektorových zdrojů mají podobný průběh jako na obr. 4, je možné podle kata­logových parametrů nakreslit pravděpo­dobný průběh diagramu svítivosti, který je potřebný pro výpočty světelného pole.

 

K získání hodnoty svítivosti ve směru optické osy zdroje se určí výška umístění světelného zdroje nad rostlinami h:

 

h = √[0,7k_opr(I₀/E_max)]     (5)

 

 

Jestliže je k osvětlování vo­lena lineární zářivka nebo lišta LED, odečte se hodnota oprav­ného koeficientu k_{opr z grafu na obr. 5.}

 

Po výpočtu výšky umístění světelného zdroje se počítají intenzity osvětlení v několika výpočetních bodech (A) výpo­čtové plochy. Protože květino­vé záhonky zpravidla bývají jen úzké, počítají se intenzity osvětlení jen v podélné ose zá­honku; u širších záhonků též po jejich podélném okraji. Je-li vypočtena hodnota, která je menší než přípustné minimum

 

 

je nutné volit dva nebo více zdrojů svět­la. Vypočtené hodnoty od každého z nich v každém výpočtovém bodě se pak sčítají.

 

Po zpracování technických výpočtů je možné sestavit květinový záhonek, jeho umístění a též umístění svítidla, které spl­ní vypočítané parametry. Pro doporučo­vané světelné zdroje bývá zdroj zpravidla ve výšce 40 až 140 cm nad vrcholy rostlin.

 

K osvětlování rostlin zdroji o příko­nu do 25 W lze volit jakékoliv stojanové svítidlo, pokud vyhovuje vypočítaným polohovým parametrům. Výhodnější by bylo ovšem volit speciální osvětlovací stojany, u nichž lze volit výšku umístění světelného zdroje a které by byly opat­řeny též zařízením pro spínání a vypíná­ní osvětlení v závislosti na denní době a intenzitě přírodního světla v místě vr­cholů rostlin.

 

Pro osvětlování stropními nebo ná­stěnnými svítidly vyrábějí některé firmy (DHLicht, Paulmann, Osram) speciál­ní svítidla. V podstatě ale lze pro strop­ní osvětlení použít každé svítidlo určené pro vybraný světelný zdroj (halogenidové výbojky musí mít ve svítidle předřadník), zvláště použije-li se reflektorový zdroj. Pro nástěnné osvětlení je možné použít také jakékoliv svítidlo s vyloženým ramínkem. Součástí stropního nebo nástěnného osvět­lení by měl být samostatný stojan s čidlem intenzity osvětlení, popř. i s vysílačem spí­nacího signálu.

[1] HAŠ, S.: Osvětlení okrasných rostlin v interi­érech. Světlo, 2010, č. 4.

[2] HAJZLER, M. – HAŠ, S.: Fotosynteticky aktivní osvětlovací soustava ve skleníku Fata Morgana. Světlo, 2008, č. 4.

[3] DVOŘÁČEK, V.: Světelné zdroje – světelné diody. Světlo, 2009, č. 5.

[4] Elektrotechnika VI – Elektrické světlo. Tech­nický průvodce. Vědecko-technické nakla­datelství, Praha, 1950.

[5] HARTMANN, P.: Technology of white LEDs for general lighting, architectural, and design application. Light and Engineering, č. 3, Znack Publishing House, Moscow, 2008.

[6] HENDRIKS, L.: Assimilationslicht. Thalac­ker Braunschweig, 1993.

[7] LIBERMAN, J.: Světlo, lék budoucnosti. Blue step spol. s r. o., Praha, 2006.

[8] MATOUŠ, M. – HUTLA, P.: Světlo a rost­lina. Světlo, 2002, č. 4.

[9] McCREE, K. J.: Test of current definitions of photosynthetically active radiation against leaf photosynthesis data. Agricultural and Forestry Meteorology, 1972, No 10.

[10] MEYER, J.: Pflanzenbelichtung. Mün­chen, 1994.

[11] Technická dokumentace Philips, Osram: Zdroje LED.

Recenze: Ing. Petr Hutla, CSc., Výzkum­ný ústav zemědělské techniky v Praze

 

Obr. 2. Podání barev rostlin osvětlených zdroji LED s různou náhradní teplotou chromatičnosti při osvětlenosti 800 až 1 000 lx

Obr. 3. Osvětlování květinových aranží v interiéru (a, b – stojanová svítidla, c – závěsná polička, d – nábytková stěna, e – závěsné stropní svítidlo, f – nástěnné svítidlo)

Obr. 4. Rozložení svítivosti zdroje Master LED­spot D7 – 50 W, 4 000 K, PAR 20 40D