Umělé osvětlení z pohledu projektanta

2011
Ing. Viktor Zwiener, Ph.D.

Nedílnou součástí našeho každodenního života je umělé osvětlení, které ale nemůže zcela nahradit osvětlení denní. I přesto má umělé osvětlení ve velké míře vliv na bezpečnost a produktivitu práce. Umělé osvětlení se rovněž používá pro účely estetické a architektonické při dotváření vnímání prostorů a zajištění zrakové pohody. 

Umělé osvětlení se dělí na:

• celkové – rovnoměrné osvětlení prostoru bez ohledu na zvláštní místní požadavky,
• odstupňované – v části prostoru zesílené na vyšší intenzitu (obvykle v místě pracovního úkolu),
• místní – osvětlení podle zrakového úkolu, které doplňuje celkové osvětlení a lze jej samostatně ovládat,
• nouzové – určené pro použití v případě poruchy normálního osvětlení.

Základní veličinou, kterou se hodnotí umělé osvětlení, je intenzita osvětlení E (dle ČSN EN 12665 nazývaná též osvětlenost). Pro bodový zdroj o svítivosti I [cd] s paprsky dopadajícími pod úhlem α [°] k normále plochy ve vzdálenosti r [m] platí (viz také obr. 1):
E = I . cos α / r²

Ze vztahu plyne, že osvětlenost se úměrně snižuje se zvětšujícím se úhlem dopadu a nepřímo úměrně s kvadrátem vzdálenosti mezi zdrojem a srovnávací rovinou. Intenzita osvětlení je teoretickou veličinou. V praxi je osvětlenost ovlivněna mnoha dalšími faktory souhrnně vyjádřenými udržovacím činitelem dle vztahu:
z = z_z . z_s . z_p . z_fz
kde
z_z je součinitel stárnutí světelných zdrojů (stanoveno na základě údajů výrobce)
z_s je součinitel znečištění zdroje
z_p je součinitel znečištění ploch osvětlovaného prostoru
z_fz je součinitel funkční spolehlivosti zdroje
 

 Obr. 01 – Veličiny související s umělým osvětlením

Hodnocení umělého osvětlení pro účely hygieny se tak provádí veličinou zvanou udržovaná osvětlenost Ēm [lx], což je průměrná hodnota osvětlenosti, pod kterou nesmí osvětlenost poklesnout v okamžiku provedení naplánované údržby (obvykle očištění zdroje, obnova vnitřních povrchů místnosti, výměna zdroje). Udržovaná osvětlenost se hodnotí v úrovni srovnávací roviny = rovina, na které obvykle probíhá pracovní úkol. Srovnávací rovina může mít různou orientaci a sklon. Nejčastěji se používá horizontální rovina ve výšce 20 cm nad podlahou (např. chodby, tělocvičny), 45 cm nad podlahou (např. pracovny dětí v mateřských školách) nebo 85 cm (např. pracovní místa v administrativních prostorech a školách, obr. 01). Vertikální srovnávací roviny se umisťují např. na tabule ve školách. Požadované hodnoty udržované osvětlenosti jsou uvedeny v ČSN EN 12464-1. Hodnoty pro některé běžné prostory jsou v tab. 01.

Tab. 01 – Požadavky na udržovanou osvětlenost vybraných prostorů, úkolů nebo činností

Udržovaná osvětlenost se posuzuje jak v místě zrakového úkolu, tak také v bezprostředním okolí úkolu, které je tvořeno pásem o šířce nejméně 0,5 m okolo místa zrakového úkolu (obr. 01), ale pouze uvnitř zorného pole tab. 02.

Tab. 02 – Osvětlenost úkolu a bezprostředního okolí úkolu

U prostorů, kde předem nejsou definována místa zrakového úkolu, se za místo zrakového úkolu považuje celý prostor a bezprostřední okolí zrakového úkolu je tak součástí zrakového úkolu. Mezi takové prostory patří např. nájemní openspace kanceláře, u nichž v době projektu není rozmístění pracovišť známo. Při našich měřeních umělého osvětlení se s takovými prostory setkáváme. V některých případech není návrh umělého osvětlení vůbec proveden a v rámci úspor je použit minimální počet svítidel. Ta bývají v podhledu osazena v pravidelném rastru nerespektujícím základní požadavek na udržovanou osvětlenost zrakového úkolu nebo jeho bezprostředního okolí. Příčinou bývají nevhodná svítidla a velká osová vzdálenost svítidel. Dalším požadavkem na umělé osvětlení je jeho rovnoměrnost. Oproti dennímu osvětlení, kde se pod pojmem rovnoměrnost rozumí poměr minimální a maximální hodnoty činitele denní osvětlenosti (definice v původní české normě ČSN 73 0580-1), je u umělého osvětlení rovnoměrnost definována jako poměr minimální a průměrné osvětlenosti povrchu (definice v evropské normě ČSN EN 12464-1). Terminologie ČSN tedy ještě není sjednocena s terminologií evropské normy. U umělého osvětlení musí být rovnoměrnost osvětlení úkolu nejméně 0,7 (-), rovnoměrnost osvětlení bezprostředního okolí úkolu nejméně 0,5 (-) a doporučuje se splnění rovnoměrnosti osvětlení v prostoru nejméně 0,3 (-). Toto doporučení platí pro mezilehlá místa u prostorů s definovanými pracovními místy. U prostorů bez definovaných míst zrakového úkolu může být splnění požadavku rovnoměrnosti někdy problematické, protože platí pro celý prostor nejpřísnější hodnota 0,7 (-), která obvykle vede k použití více svítidel v menších osových vzdálenostech.

Pokud se v zorném poli oka vyskytují povrchy s velkým jasem, povrchy s velkým rozdílem jasů nebo povrchy s časovým kontrastem jasů, které překračují možnosti adaptability zraku, vzniká oslnění. Tento jev bývá častý u denního osvětlení pracovních míst orientovaných kolmo na okna.  Osoba se dívá na tmavší monitor a v pozadí je velice jasné okno. Pokud nejsou okna opatřena vnitřními stínicími prvky, může se problém oslnění přenést také na umělé osvětlení, protože okno se v noci stává zrcadlem, které může odrážet jasné plochy mimo zorné pole osoby. Obdobné to je při umístění svítidla s nevhodným úhlem clonění do zorného pole osoby – na obr. 01 naznačeno úhlem β. Požadovaný úhel β závisí na jasu světleného zdroje, viz tab. 03.

Tab. 03 – Minimální úhly clonění svítidel dle jasu světelného zdroje

Oslnění se hodnotí indexem oslnění UGR_L (-). Požadované hodnoty jsou uvedeny v ČSN EN 12464-1 a pro příklad v tab. 01. Posouzení se neprovádí na srovnávací rovině místa zrakového úkolu, ale rovina se posouvá do výšky očí osoby (např. sedící osoba 120 cm, stojící osoba 150 cm apod.). Oslnění se posuzuje výpočtově nebo se dopočítává na základě změřených jasů ploch v obvyklém směru pohledu osoby. Pro měření jasu se používají jasoměry.

Dalším důležitým parametrem umělého osvětlení je teplota chromatičnosti Tcp. Světlo dané teploty chromatičnosti vytváří barevně nejpodobnější zrakový vjem jako tepelné záření vyzařované absolutně černým tělesem zahřátým na tuto teplotu. Většina pevných látek začíná vyzařovat viditelné záření od teploty 525°C (Draperův bod), tzn. až po zahřátí na tuto teplotu je těleso viditelné pouhým oken v absolutní tmě. Příklady teplot chromatičnosti a barevný tón některých zdrojů světla jsou v tab. 04.

Tab. 04 – Teplota chromatičnosti a barevný tón některých zdrojů světla

Věrnost barevného vjemu (podání barev) světelného zdroje se hodnotí všeobecným indexem podání barev R_a. Je to průměrný barevný posun zjištěný mezi osvětlením daným světelným zdrojem a standardizovaným bílým světlem o stejné teplotě chromatičnosti. Maximální hodnota je 100 a vyjadřuje úplnou shodu daného a referenčního zdroje z hlediska podání vzorových barev. Příklady indexů podání barev vybraných zdrojů jsou v tab. 05.

Tab. 05 – Index podání barev vybraných zdrojů

Světelné zdroje s indexem podání barev menším než 80 se nesmějí používat v prostorech s dlouhodobým pobytem osob. Index podání barev bývá uvedený přímo na zdroji (obr. 02) nebo ho musí uvádět výrobce v průvodní dokumentaci. Hodnota se tedy nepočítá, ale slouží projektantovi k návrhu vhodného zdroje dle využití prostoru. Přípustné hodnoty pro jednotlivé prostory jsou uvedeny v ČSN EN 12464-1 a pro příklad v tab. 01.

Obr. 02 – Příklady označování indexu podání barev a teploty chromatičnosti na zdrojích (nahoře standardní zářivka, dole plnospektrální zářivka)

Poslední parametr umělého osvětlení, který má vliv na fyziologické potřeby a bezpečnost práce, je míhání světla. Míhání světla lze obvykle zamezit použitím stejnosměrného proudu nebo použitím proudu o větším kmitočtu (cca 30 kHz až 50 kHz). Dříve používané tlumivky, startéry a kompenzační kondenzátory jsou dnes nejčastěji nahrazeny elektronickými předřadníky.

Návrh umělého osvětlení

Návrh umělého osvětlení lze přirovnat k řešení rovnice o několika neznámých, tzn. pro úspěšné vyřešení je třeba některé neznámé vhodně zvolit. To samozřejmě vyžaduje zkušenosti osvětlovacího technika. Do návrhu vstupují tyto neznámé, viz také obr. 01:

• vlastnosti svítidla,
• vlastnosti zdroje,
• rozměry místnosti a poloha pracovního úkolu,
• barevné řešení vnitřních povrchů místnosti,
• rozměry pracovního úkolu a typ činnosti,
• výška srovnávací roviny (v),
• výška svítidla nad srovnávací rovinou (r),
• vzájemná osová vzdálenost svítidel a vzdálenost svítidla od stěn (a, b),
• udržovací činitel (z).

Vliv některých parametrů si ukážeme na příkladu návrhu umělého osvětlení třídicí linky tonerů tiskáren, zbudované v rámci modernizace skladovací haly. Hala má půdorysné rozměry 213 m×70 m a výšku 12 m. Třídicí linka je vybudována v jedné ze středních lodí haly o půdorysných rozměrech 43,5 m×70 m. Osvětlení haly je řešeno výhradně střešními světlíky. Rozmístění světlíků je patrno z obr. 03. Protože se ale jedná o halu skladovací, není počet světlíků dostatečný pro splnění požadavků na denní osvětlení dle ČSN 73 0580-1 pobytových prostorů.

Obr. 03 – Půdorys haly s vyznačenými světlíky, regály a třídicí linkou rozdělenou na sekce

Při převažujícím horním osvětlení se nehodnotí pouze minimální hodnota osvětlenosti, ale je třeba posoudit také průměrnou hodnotu, která je obecně velice přísná. Osvětlení převážně shora lze z hlediska kvality považovat za horší než boční osvětlení. Lokálně, pod světlíky lze na srovnávací rovině dosáhnout vysokých hodnot osvětlenosti, které se ale směrem od světlíku rychle snižují, bývá tedy problém splnit také požadavek rovnoměrnosti denního osvětlení. Výpočtově bylo prokázáno, že pro splnění požadavků by muselo být na střechu doplněno řádově několik desítek světlíků. Z konstrukčního hlediska to je nereálný požadavek.

V jižní části haly, kde je kumulováno více světlíků, jsou ale splněny požadavky na sdružené osvětlení dle ČSN 36 0020. Při sdruženém osvětlení je možno u rekonstrukcí a modernizací místa trvalého pobytu umístit i tam, kde je nižší úroveň denního osvětlení (zpravidla 30 % požadované hodnoty denního osvětlení), ale pouze za předpokladu doplnění vyhovujícího umělého osvětlení. Práce na třídicí lince je technologicky členěna do třech etap. Časově nejnáročnější je část příjmu, rozbalování, hrubého třídění, práce s odpady a recyklace, která byla umístěna do jižní části Expertní a znalecká kancelář haly – sekce A. Časově méně náročné dotřiďování a balení jsou ve střední části (sekce B) a severní části (sekce C) haly, viz obr. 03. Na lince může najednou pracovat max. 20 osob, které se v jednotlivých sekcích střídají.

Požadavky na umělé osvětlení pracovišť třídicí linky dle ČSN EN 12464-1 jsou uvedeny v posledním řádku tab. 01. V hale jsou již instalována původní průmyslová svítidla, každé se dvěma zářivkami o výkonu 58 W. Svítidla jsou ve výšce 10,5 m v rastrech 8×9 ks a 1×4 ks. Rozmístění svítidel a výsledky výpočtu udržované osvětlenosti (lx) jsou na obr. 04. Součinitele odraznosti stěn a stropu jsou uvažovány hodnotou 0,5 (-), podlahy 0,3 (-) a regálů 0,3 (-).Z obrázku je patrné, že pro účely třídicí linky jsou hodnoty nízké (udržovaná osvětlenost je cca 100 lx a požaduje se min. 300 lx). Proto je třeba vhodně doplnit svítidla.

 
Obr. 04 – Udržovaná osvětlenost v hale s původními svítidly (výška srovnávací roviny je 85 cm nad podlahou)

Požadavkem investora při návrhu bylo použití jednoho typu svítidel a zdrojů pro osvětlení všech sekcí třídicí linky. V sekci A není poloha pracovišť přesně definována. Pracovníci v ní převážně stojí. Za místo pracovního úkolu i bezprostředního okolí pracovního úkolu je považována celá plocha pod svítidly. V sekci B (max. 20 míst) i C (max. 5 míst) je umístění pracovišť dáno, s tím, že je umožněn jejich posun o cca ±1,0 m. Za místo pracovního úkolu i bezprostředního okolí pracovního úkolu je opět považována celá plocha pod svítidly. Rozměry, barevné řešení prostoru a přibližné umístění pracovišť jsou dány. Po zvolení typu svítidla je třeba stanovit počet, výšku a osovou vzdálenost svítidel. V sekci A se pohybují vysokozdvižné vozíky a minimální výška svítidel je 4,0 m nad podlahou. V sekcích B a C může být minimální výška 3,5 m. Pro osvětlení byla zvolena obdobná svítidla jako stávající. Specifikace svítidel je v tab. 06.

Tab. 06 – Specifikace navržených svítidel a zdroje

Nejsložitější byl návrh v sekci B. Postupně byly uvažovány varianty s jednou řadou svítidel umístěných nad pohyblivým pásem orientovaných buď kolmo nebo rovnoběžně na pás. Bylo uvažováno s 8 ks, 10 ks, 12 ks nebo 14 ks svítidel umístěných ve výškách 3,5 m, 4,0 m a 4,5 m nad podlahou. Následně byla uvažována varianta se dvěma řadami 8 ks a 10 ks svítidel umístěných rovnoběžně po obou stranách pásu. Pro všechny varianty byl proveden výpočet udržované osvětlenosti a indexu oslnění. Výsledky výpočtu jsou v tab. 07. Předpokládá se čisté prostředí s intervalem čištění svítidel jednou za 2 roky s individuální výměnou zdrojů a intervalem obnovy povrchů jednou za 4 roky. Na základě těchto hodnot je udržovací činitel 0,70 (-).

Tab. 07 – Výsledky výpočtů různých variant umístění svítidel

Z tab. 07 lze vysledovat určité závislosti, které také plynou ze vztahu. S rostoucí výškou svítidla nad podlahou se snižuje udržovaná osvětlenost srovnávací roviny. Současně se zvyšuje rovnoměrnost osvětlení. Svítidla svítí z větší výšky na větší plochu, která je ale méně osvětlena. Při použití jednořadých variant umístění svítidel se zvětšením výšky svítidel zvyšuje také minimální hodnota osvětlenosti (používá se k výpočtu rovnoměrnosti). Zvýšení mezi výškou svítidla 4,0 m a 4,5 m je ale výrazně menší než mezi výškou 3,5 m a 4,0 m. Pro výšku svítidla 5,0 m lze již uvažovat se snižující se hodnotou. U varianty svítidel umístěných ve dvou řadách se zvětšením výšky snižuje také minimální hodnota osvětlenosti a osvětlení je také rovnoměrnější oproti jednořadé variantě. Z tab. 07 je také patrné, že všechny jednořadé varianty nevyhovují na udržovanou osvětlenost úkolu a v některých případech také na rovnoměrnost. Vyhovující je dvouřadá varianta s 10 ks svítidel v řadě s výškami 3,5 m, 4,0 m nebo 4,5 m. Z návrhu vzešly následující počty a výšky svítidel:

• sekce A: 3 řady po 8 ks svítidel umístěných ve výšce 4,0 m nad podlahou
• sekce B: 2 řady po 10 ks svítidel umístěných ve výšce 3,5 m nad podlahou
• sekce C: 3 řady po 5 ks svítidel umístěných ve výšce 3,5 m nad podlahou

Instalace osvětlovací soustavy byla provedena v lednu 2011. Na obr. 05 až 08 je interiér haly. 

Obr. 05 – Sekce B: původní stav	Obr. 06 – Sekce B: s realizovanou doplňující osvětlovací soustavou
Obr. 07 – Sekce A: s realizovanou doplňující osvětlovací soustavou (krabice s tonery přichystané na rozbalování a hrubé třídění)	Obr. 08 – Sekce B: s realizovanou doplňující osvětlovací soustavou – pohled na pás

Pro účely kolaudace bylo nutno provést měření umělého osvětlení. Měření bylo provedeno dle požadavků ČSN 36 0011-1 a ČSN 36 0011-3. Při té příležitosti byly do výpočtového modelu zaneseny body, ve kterých bylo měření prováděno a byla provedena konfrontace vypočítaných a naměřených hodnot. Na obr. 09 jsou vyneseny body měření a vypočítané hodnoty udržované osvětlenosti. Porovnání je v tab. 08.

 
Obr. 09 – Body měření a vypočítané hodnoty: v sekci A je 40 bodů v rozteči 3,5×1,7 m, v sekci B jsou na každém z 20 pracovišť 4 body v rozteči 1,0×1,0 m a v sekci C je na každém z 5 pracovišť 10 bodů v roztečí 1,0×1,0 m

Tab. 08 – Porovnání vypočítaných a naměřených hodnot

Návrh umělého osvětlení s použitím výpočtového programu byl v tomto případě na straně bezpečnosti, protože z tabulky je zřejmé, že vypočítané hodnoty udržované osvětlenosti pracovišť jsou nižší než hodnoty změřené. Na závěr bychom ještě doplnili informaci, že v současné době probíhá revize některých evropských norem na osvětlení. Jednou z revidovaných norem je také citovaná EN 12464-1. Nové znění by mělo nabýt platnosti na podzim 2011.

Podklady

[1] Nařízení vlády 361/2007 Sb. kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci
[2] ČSN EN 12665 (36 0001) Světlo a osvětlení – Základní termíny a kritéria pro stanovení požadavků na osvětlení
[3] ČSN 36 0011-1 Měření osvětlení vnitřních prostorů – Část 1: Základní ustanovení
[4] ČSN 36 0011-3 Měření osvětlení vnitřních prostorů – Část 3: Měření umělého osvětlení
[5] ČSN 36 0020 Sdružené osvětlení – Základní požadavky
[6] ČSN EN 12464-1:2004 (36 0450) Světlo a osvětlení – Osvětlení pracovních prostorů – Část 1: Vnitřní pracovní prostor
[7] ČSN 73 0580-1 Denní osvětlení budov – Část 1: Základní požadavky
[8] ČSN 73 0580-4 Denní osvětlení budov – Část 4: Denní osvětlení průmyslových budov
[9] prEN 12464-1:2011 Light and lighting – Lighting of work places – Part 1: Indoor work places