Rušivé světlo Část 2. – „Ekologická“ svítidla

Ing. Tomáš Maixner, Siteco lighting s. r. o.

Clonění a účinnost svítidel

Obecně lze účinnost svítidla s popsat jako podíl světelného toku ze svítidla vycházejícího F_s ke světelnému toku ve svítidle nainstalovanému F_z (světelný tok zdroje). Obecně (sledujte obrázek 1a) světlo ze svítidla vystupuje otvorem (difuzorem) jednak přímo, jednak po odrazu od reflektoru (jehož činitel odrazu světla je r). Pro další sdělení budu předpokládat zjednodušení takové, že světelný zdroj vyzařuje rovnoměrně všemi směry. Světelný tok vystupující ze svítidla přímo pak bude úměrný prostorovému úhlu výstupního otvoru W_o a světelný tok vystupující ze svítidla po odrazu bude úměrný prostorovému úhlu reflektoru W_r. Bude-li reflektor umně vytvarován tak, že světlo opustí útroby svítidla po jednom odrazu, lze účinnost svítidla popsat takto:

h_s = (W_o + W_r r)/4p     (–)               (1)

Obr. 1a, b, c. Clonění a účinnost svítidel

Zvětšit clonění lze dvěma způsoby: změnou polohy světelného zdroje (obr. 1b) nebo zmenšením výstupního otvoru (obr. 1c). Vzroste-li úhel clonění z velikosti d₁ na hodnotu d₂ (d₃), zmenší se velikost prostorového úhlu otvoru. Důsledkem je snížení účinnosti svítidla.

Pro názornost uvedu příklad: Svítidlo mělo velikost prostorového úhlu otvoru W_o1 = 1,5p a činitel odrazu r = 0,8. Účinnost takového svítidla byla h_s1 = (1,5p + 2,5p 0,8)/4p = 0,875. Po zvětšení úhlu clonění se zmenší velikost prostorového úhlu otvoru na (dejme tomu) polovinu (W_o2 = 3p/4) – účinnost svítidla bude h_s2 = (3p/4 + 3,25 p 0,8)/4p = 0,838. Kdyby docházelo k vícenásobným odrazům uvnitř svítidla, bude účinnost klesat úměrně mocnině činitele odrazu reflektoru.

A ještě malá poznámka: Vliv clonění na účinnost svítidla je možné minimalizovat. Například svítidla podle obr. 2 a obr. 3 prvního dílu tohoto povídání [1] se v účinnosti liší o asi 6 %. Jde ovšem o skutečně špičková svítidla.

Povšimněme si jedné pozoruhodnosti. Při pohledu na obr. 1a až 1c je patrné, že přímé světlo je vyzařováno v rámci úhlu blízkého úhlu clonění. I odražené světlo, zejména v případě 1c, je do určité míry omezováno velikostí a polohou výstupního otvoru. To znamená, že s rostoucím cloněním se zmenšuje úhel vyzařování (někdy více, jindy méně – ale vždy se zmenšuje).

Obr. 2. Přerod „bachratce“ ve „správné“ svítidlo

Pro konkrétní svítidla podle obr. 2 je u klasického svítidla svítivost např. pro úhel 70° v rovině C-90 86 cd/klm, v rovině C180 je to 195 cd/klm. Pro svítidlo s plochým sklem jsou tyto hodnoty nižší: 58, resp. 137 cd/klm. Pro jiné (větší) úhly je tento rozdíl ještě větší.

Důsledek v praxi je takovýto: Je-li třeba zachovat určitou rovnoměrnost osvětlení, je nutné více cloněná svítidla umísťovat s menšími roztečemi než svítidla méně cloněná.

Další důsledek vyplývá ze zjištění, že účinnost klesá s cloněním svítidel. Je-li tedy na určitém prostranství zapotřebí zachovat danou hladinu osvětlení, je nutné více cloněná svítidla osadit výkonnějšími světlenými zdroji.

Shrnutí zmíněných důsledků pro praxi: Je-li soustava svítidel s určitým cloněním optimálně navržena (ideální rozteče svítidel a jejich výšky), je jisté, že zaručit rovnocenné osvětlení svítidly více cloněnými znamená:
Buď
osadit svítidla s menšími roztečemi (a ukazuje se, že i v menších výškách),
nebo
cloněnější svítidla umístit na vyšší stožáry a osadit je výkonnějšími světelnými zdroji.

Nelze provést přechod od soustavy se svítidly s klasickými vypouklými difuzory na soustavu s plochými skly prostou výměnou jednoho typu svítidla za druhý. Alespoň ne v případě, kdy byla původní soustava správně navržena.

Je běžné, že se určitá typová řada svítidel vyrábí s různými difuzory. Základní konstrukce tělesa svítidla je shodná, mění se pouze difuzory. Ploché sklo je v převážné většině případů upevněno do nosného rámečku. Použití tohoto rámečku je technologicky vynucené a vede k tomu, že se výstupní otvor svítidla zmenší. Zákonitě klesne účinnost.

Rozdíl v účinnosti konkrétních svítidel z obr. 2 je neuvěřitelný. Svítidlo s „bachratým„ krytem (opakujme si názvosloví) má účinnost 78,9 %, „správné“ svítidlo pouhých 64,2 %. Tento rozdíl však není způsoben pouze změnou velikosti výstupního otvoru. Významněji se na ztrátě účinnosti podílí další z nežádoucích vlastností světla – závislost činitele prostupu na úhlu prostupu.

Obr. 3. Vliv tvaru difuzoru na prostup světla

Sledujme obr. 3: Na levé polovině je neumělé schéma svítidla s klasickým difuzorem. Ten je tvarován tak, aby jím převážná část světla prostupovala co nejblíže kolmici. Pro materiály používané pro difuzory jsou ztráty prostupem pod hranicí 1 % tehdy, prochází-li světlo pod úhlem do 10° od normály. U svítidel uzavřených plochým sklem jsou úhly prostupu světla podstatně větší. Je-li úhel prostupu přibližně 80°, již 60 % odpovídajícího světelného toku neopustí svítidlo – je pohlceno nebo odraženo zpět do svítidla. Je zřejmé, že účinnost svítidla významně klesá.

Vlastnosti „ekologických„ svítidel

Z předešlých odstavců vyplývají základní vlastnosti tzv. ekologických svítidel. Tedy svítidel s clonou tvořenou plochým sklem. Tato svítidla mají ve srovnání s „klasickými„ svítidly téže kvalitativní kategorie:

1. Nižší účinnost.
2. Menší vyzařovací úhel.
Přidávám třetí nepříznivou vlastnost:
3. Horší schopnost vedení řidiče.

Vedením řidiče se rozumí to, že svítidla osvětlující komunikace jsou patrná z větší vzdálenosti. V místech se zástavbou, vyšším porostem či okolními nerovnostmi není vidět vozovku. Přesto svítidla „ukazují“, jaký tvar má komunikace. Řidič je s předstihem informován o směru své cesty. Pokud svítidlo nemá vypouklý difuzor, je podstatně méně patrné, než když ho má.

Obr. 4. Optické vedení řidiče

Malé „praktikum„: Příklad vedení „bachratcem„ je na obr. 4. Při zakrytí dolní části obrázku není vozovku vidět a přece pozorovatel ví, kam se bude stáčet. Pokud by na příkladné komunikaci byla instalována svítidla s plochým sklem, ta vzdálenější by nebyla patrná. Funkce vedení by se neprojevila.

Aktivista v této chvíli volá: „Již dost negativního hodnocení ekologických lamp!!„ A pokračuje slovy: „Správné lampy přece minimálně špiní oblohu a také neoslňují!„ Pardon, nepoužil by termín „špiní oblohu„, ale „minimalizují světelné znečištění“. Dokonce aktivisté svého času tvrdili, že „správné lampy„ nezpůsobují „světelné znečištění“ vůbec. Jazykem světelných techniků je možné aktivistova slova interpretovat jako následující body. Svítidla uzavřená plochým sklem oproti „klasickým„ s vypouklými difuzory:

4. Produkují méně rušivého světla vyzářeného na oblohu.
Dovolím si poznámku: Není tomu tak vždy.
5. Méně oslňují.
Dovolím si poznámku: Ani zde tomu tak není vždy.

Diskuse k těmto bodům je poměrně rozsáhlá, ponechám si ji na další díly seriálu. Prozatím jen stručné zdůvodnění mých poznámek.

K producentskému umu „ekologických„ svítidel:

Připomenu, že soustava s „ekologickými„ svítidly musí být realizována s menšími roztečemi nebo se stožáry větší výšky a výkonnějšími světelnými zdroji. Jak bude ukázáno v dalších dílech, narůstá instalovaný světelný tok o 5 až 35 % oproti „klasické“ soustavě. To podle typu komunikace a geometrických poměrů. Světlo se samozřejmě odráží od terénu. A tak není vzácný případ, kdy množství světla odraženého k obloze je pro soustavu s „ekologickými„ svítidly větší než množství světla, které na oblohu vyzáří „klasická“ osvětlovací soustava. „Klasická“ soustava sice vyzařuje určité procento světelného toku na oblohu přímo, ale vzhledem k tomu, že má lepší činitel využití, světla odkázaného k odrazu od terénu vyprodukuje méně. Součet přímé a nepřímé složky je pro „klasickou„ soustavu menší než odražená složka „ekologické“ soustavy.

Tvrzení, že „ekologická“ svítidla neoslňují (nebo jen velmi málo) je jedním z nejoblíbenějších argumentů aktivistů. Soustavy s takovými svítidly neoslňují o nic méně. Dokonce mohou nastat případy, kdy oslňují více než „klasická“ svítidla. A to nemám na mysli případ, kdy se pozorovatel zahledí do svítidla přímo a je oslněn hořákem zdroje.

Jednotlivá „ekologická“ svítidla oslňují obvykle méně než svítidla „klasická“. Avšak v soustavě jsou svítidla umístěna hustěji a níže nebo musí být osazena zdrojem o vyšším světelném toku. V prvním případě je v zorném poli pozorovatele více oslňujících zdrojů v méně příznivé poloze, v druhém je jich srovnatelný počet, avšak jsou jasnější – vlivem výkonnějšího světelného zdroje. V obou případech je reálné nebezpečí většího oslnění.

Optimální osvětlovací soustava

Návod, jak navrhnout optimální osvětlovací soustavu z pohledu minimalizace rušivých účinků, nelze předložit jinak než obecně. Nelze prohlásit, pokud nejsme aktivisty, že soustava sestavená ze svítidel s plochými skly je „ekologická“.

Osvětlovací soustava by tedy měla být navržena a optimalizována tak, aby byla složena z „ekologických„ svítidel. Vyhodnotí se míra rušivosti takové soustavy. Poté se navrhne osvětlovací soustava se svítidlem jiného typu, tím míním svítidlo jiné než s plochým sklem. I druhá soustava se optimalizuje, i druhá soustava se vyhodnotí z pohledu rušivého světla. Nemusím snad zdůrazňovat, že se porovnávají rovnocenné soustavy, tedy soustavy sestavené ze svítidel stejné kvalitativní třídy a zejména zajišťující požadavky na osvětlení.

Z porovnání navržených soustav vyplyne, jaká soustava je pro osvětlení daného prostoru vhodnější. Nesmí se však zapomenout přihlédnout k ekonomickým ukazatelům. Je vysoce pravděpodobné, že soustava „ekologických„ svítidel bude investičně i provozně náročnější oproti „klasické“ soustavě. Je třeba posoudit, jak velmi jsou v dané lokalitě ekologické požadavky nadřazeny ekonomickým. Není výjimkou, když je snížení světelného toku na oblohu o několik jednotek procent (tedy téměř neznatelně) vykoupeno nárůstem investičních a provozních nákladů o několik desítek procent (tedy velmi znatelně).

A jeden zásadní závěr – svítidla s plochým sklem nejsou zárukou minimalizace rušivých účinků světla. A dodatek z toho plynoucí – označovat taková svítidla jako „ekologická“ je matení (nejen) laické veřejnosti.

Foto: archiv Siteco Lighting s. r. o. a autor

Literatura:
[1] MAIXNER, T.: Rušivé světlo – část první – názvosloví a legislativa. Světlo, 5/2005, s. 50.