Články, TZB

Veřejné osvětlení 1 – Pojmy, prvky a přehled světelných zdrojů

Veřejné osvětlení je veřejnou službou, která je poskytována občanům zdarma a zahrnuje osvětlení veřejných komunikací a prostranství. Veřejné osvětlení tedy slouží především ke zvýšení bezpečnosti a komfortu na veřejných místech. Pro správný chod veřejného osvětlení sledujeme řadu parametrů, nejdůležitější jsou ty technické a ekonomické, pro řadu míst je důležité i estetické vnímání jednotlivých prvků. V současné době je nejvýznamnější změnou prudký rozvoj nových polovodičových světelných zdrojů (LED), které poskytují řadu výhod i řadu výzev.

Pojmy a prvky veřejného osvětlení

Pro popis a porovnání veřejného osvětlení je důležité znát několik základních termínů, především světelný tok, jas, osvětlenost (intenzita osvětlení), měrný výkon, dobu života, teplotu chromatičnosti, index podání barev, a prvky veřejného osvětlení: stožár, zapínací místo, svítidlo, světelný zdroj, předřadník a další pojmy související se svítidly.

Světelný tok
Světelný tok odpovídá množství světla, které vyzařuje světelný zdroj nebo svítidlo. Udává se v lumenech (lm). Světelný tok je hlavním parametrem označujícím výkon světelného zdroje nebo svítidla ve světelnětechnických jednotkách. Např. 70W vysokotlaká sodíková výbojka má světelný tok 6600 lm.

Jas
Jas je měřítkem reakce lidského oka na světlo na sledované ploše. Jednotkou jasu je kandela na metr čtvereční (cd/m²). Jasem se hodnotí úroveň osvětlení na komunikacích vyšších tříd určených pro motorovou dopravu. Požadované průměrné hodnoty jasu povrchu se pohybují v rozmezí 0,3 až 2 cd/m².

Osvětlenost
Osvětlenost (intenzita osvětlení) je měřítkem světelného toku dopadajícího na osvětlovanou plochu. Udává se v luxech (lx). Osvětleností se hodnotí úroveň osvětlení na komunikacích s omezenou rychlostí vozidel, komunikace pro chodce či cyklisty. Požadované hodnoty osvětlenosti se pohybují v rozmezí 2–50 lx.

Veřejné osvětlení křižovatky, LED osvětlení v německém Bensheimu (foto Osram)Patice sloupu, instalace ELTODO (foto ELTODO)Rozvaděč veřejného osvětlení, instalace ELTODO (foto ELTODO)

Měrný výkon
Měrný výkon světelného zdroje udává účinnost přeměny elektrické energie na světlo. Je to tedy poměr světelného toku a elektrického příkonu a jednotkou je lumen na watt (lm/W). Měrný výkon je důležitý parametr pro porovnání účinnosti jednotlivých druhů světelných zdrojů. Např. 70W vysokotlaká sodíková výbojka má měrný výkon 92 lm/W.

Doba života
Doba života světelného zdroje se udává v hodinách a je to doba, po kterou světelný zdroj splňuje stanovené požadavky. Tyto požadavky souvisejí buď se samotnou funkčností světelného zdroje, nebo s postupným poklesem světelného toku v průběhu života, neboť světelný tok každého světelného zdroje v provozu postupně klesá. Pro popis podílu výpadků zdrojů ze zkoušeného souboru se používá tzv. střední doba života, po jejímž uplynutí zůstává ještě 50 % světelných zdrojů funkčních. Efektivní doba života popisuje dobu, po které poklesne světelný tok o určitou hodnotu, pro veřejné osvětlení se obvykle používá 70–90 %. Pro popis LED svítidel se v praxi užívá označení provozního života jako kombinace střední doby života a efektivní doby života, označuje se např. L70B50.

Teplota chromatičnosti
Teplota chromatičnosti charakterizuje bílý tón vyzařovaného světla. Označuje se Tc a udává se v kelvinech (K). Teplota chromatičnosti se obvykle rozděluje do tří skupin: teple bílý tón (méně než 3300 K), neutrálně bílý tón (3300–5300 K) a chladně bílý tón s modrým nádechem (nad 5300 K). Např. vysokotlaká sodíková výbojka má teplotu chromatičnosti cca 2000 K, naopak světelné diody (LED) mohou být v širokém rozpětí od 3000 do 6000 K i více.

Index podání barev
Index podání barev označuje schopnost věrně podat barvy. Označuje se Ra či CRI a udává se bezrozměrně na stupnici 0–100. Světelný zdroj s nulovým indexem podání barev neumožňuje rozlišovat barvy. Dokonalé podání barev (Ra = 100) zaručují teplotní světelné zdroje (např. Slunce). Např. vysokotlaká sodíková výbojka pro veřejné osvětlení umožňuje částečné podání barev (Ra = 25), světelné diody pro veřejné osvětlení mají obvykle Ra v rozmezí 60–70.

Elektronický předřadník pro výbojková svítidla (Osram)Vícečipová dioda (foto Osram)LED modul (Osram)

Světelný zdroj
Světelný zdroj je zařízení přeměňující elektrickou energii na světlo. Mezi základní parametry patří elektrický příkon, světelný tok, měrný výkon, doba života, index podání barev a teplota chromatičnosti. Ve veřejném osvětlení se nejvíce používají výbojové světelné zdroje (vysokotlaká sodíková výbojka, halogenidová výbojka) nebo polovodičové světelné zdroje (LED).

Svítidlo
Svítidlem se rozumí technické zařízení, které slouží ke správnému nasměrování vyzařovaného světla a případně k dalším úpravám světla, např. omezení vysokých jasů světelných zdrojů a tím snížení oslnění. Součástí svítidel jsou mimo světelných zdrojů a příslušných optických částí také díly potřebné pro upevnění a elektrické předřadné zařízení (nazývá se zkráceně předřadník).

Ve veřejném osvětlení lze podle účelu rozlišit dva základní typy svítidel. První typ slouží pro osvětlení komunikací a účelem je co nejúčinněji osvětlit jejich povrch (a zabránit vyzařování jiným směrem). Druhý typ je určen pro osvětlení veřejných prostorů a účelem je nejen osvětlení komunikací, ale také okolních ploch, fasád, zeleně apod.

Účinnost svítidla
Účinnost svítidla vyjadřuje míru využití světelného toku zdroje nebo zdrojů. Je to tedy poměr celkového světelného toku vyzařovaného svítidlem a světelného toku světelných zdrojů či zdroje. Např. účinnost svítidel určených pro motorovou dopravu se pohybuje v rozsahu 80–90 %.

Udržovací činitel
V průběhu života se svítidlo postupně špiní, dochází k degradaci optických částí a světelným zdrojům postupně klesá vyzařovaný světelný tok. Jelikož technické parametry musí být splněny v průběhu celé doby provozu veřejného osvětlení, dimenzují se parametry na počátku na vyšší hodnoty. Míru tohoto zvýšení určuje udržovací činitel.

Činitel využití
Činitel využití označuje míru využití světelného toku svítidla pro osvětlení dané komunikace. Vyjadřuje tak skutečnost, že světelný tok svítidla dopadá i do přilehlého okolí mimo osvětlovanou komunikaci.

Vyzařovací charakteristika
Vyzařovací charakteristika popisuje, jak svítidlo vyzařuje světelný tok do prostoru. Někdy se také nazývá světelná charakteristika či křivky svítivosti. Charakter vyzařování svítidel určuje jejich použití, neboť např. komunikace pro motorovou dopravu či osvětlení v parku mají jiné požadavky a vyžadují jiné vyzařování svítidel.

Krytí svítidla (IP)
Krytí svítidla se označuje zkratkou IP a dvěma číslicemi. První číslice (0–6) udává ochranu před nebezpečným dotykem a vniknutím cizích předmětů, druhá číslice (0–8) udává ochranu před vniknutím vody. Čím vyšší číslice, tím je stupeň ochrany vyšší. Vyšší krytí je zárukou zvýšené životnosti svítidla, protože se špiní a degradují pomaleji. Např. obvyklá svítidla pro veřejné osvětlení mají krytí IP65 či IP66.

Mechanická odolnost (IK)
Třída mechanické odolnosti určuje robustnost svítidla a jeho schopnost odolat nárazům. Označuje se písmeny IK a číslem v rozmezí 00 až 10 (od nulové odolnosti po nejvyšší). Nejvyšší třídy mechanické odolnosti jsou vhodné zejména pro oblasti s hojnými útoky vandalů.

Výbojkové svítidlo (foto ELTODO)

Nosné konstrukce
Svítidla je třeba mechanicky upevnit a umístit na příslušnou nosnou konstrukci, nejčastěji stožár, výložník či převěs. Nosné konstrukce jsou důležité i z urbanistického a estetického hlediska, zejména v centrech měst.

Výška stožárů veřejného osvětlení obvykle bývá 4–12 m. Součástí stožárů bývá i elektrické příslušenství (stožárová rozvodnice, uzemnění). Stožáry lze rozdělit na stožáry s paticí překrývající rozvodnici a stožáry bezpaticové, kde je rozvodnice umístěna uvnitř stožáru. Životnost stožáru významně ovlivňuje kvalita povrchové úpravy (nátěry, žárové zinkování apod.).

Výložníky se vyrábějí v mnoha provedeních, jednoramenné i víceramenné. Obvykle je výložník připevněn na stožár, může být připevněn i na jiné nosné konstrukce (např. na fasádu budovy).

Jednotlivá svítidla na stožáru či výložníku tvoří tzv. světelné body.

Rozvaděče
Rozvaděče obsahují důležitou elektrickou výzbroj pro veřejné osvětlení a slouží ke spínání a jištění. Obvykle rozvaděč obsahuje také elektroměry, spínací hodiny či fotobuňku a případně další regulační prvky. Rozvaděč tvoří tzv. zapínací místo, na které je napojeno obvykle několik desítek světelných bodů.

Tabulka: Obvyklé parametry světelných zdrojů pro veřejné osvětlení

Světelný zdroj

Rtuťová
výbojka

Zářivka

Halogenidová výbojka

Vysokotlaká sodíková
výbojka

Světelná
dioda

Měrný výkon
[lm/W]

50

65–95

70–100

70–115

100–160

Doba života L70B50
[h]

20 000

20 000

20 000

24 000

až 70 000

Teplota
chromatičnosti
[K]

3500–4200

2700–6500

3000–4000

2000

2600–8500

Barevný tón
[–]

Neutrálně bílá

Teple
až chladně bílá

Teple
až neutrálně
bílá

Teple bílá

Teple
až chladně
bílá

Index podání barev
[–]

50

80

80

25

70–80

Poznámka

Nedostupné
od dubna 2015
dle nařízení
č. 245/2009 

Hodnoty pro typy
s elektronickým
předřadníkem

Některé typy
dosahují
i vyšších dob
života
a měrného
výkonu

Některé typy
dosahují
i vyšších dob
života
a měrného
výkonu

Údaje platné
pro rok 2015

Světelné zdroje a svítidla

Druhy světelných zdrojů jsou klíčové pro posouzení či návrh veřejného osvětlení a významně ovlivňují vyzařované světlo, podobu svítidel, energetickou náročnost, cenu i náklady na údržbu.

Rtuťové výbojky
Vysokotlaké sodíkové výbojky jsou jedním z prvních typů výbojek užívaných pro veřejné osvětlení. Světlo rtuťových výbojek není příliš kvalitní, chybí v něm červená složka a index podání barev je maximálně Ra = 50. Rovněž měrný výkon není z dnešního pohledu vysoký (cca 50 lm/W) a střední doba života je 20 000 hodin. Vysokotlaké rtuťové výbojky nesplňují parametry evropského nařízení č. 245/2009 a od dubna 2015 platí zákaz jejich umisťování na trh unie. V České republice je zastoupení rtuťových výbojek ve veřejném osvětlení velmi nízký (cca 4 %).

Kompaktní zářivky, lineární zářivky
Kompaktní zářivky i lineární zářivky jsou světelné zdroje, které průchodem proudu v parách rtuti při nízkém tlaku vyzařují v ultrafialové oblasti spektra a luminoforem naneseným v trubici transformují záření do viditelné oblasti. Měrný výkon zářivek se pohybuje v rozmezí 65–95 lm/W a střední doba života 10 000 hodin při využití klasického elektromagnetického předřadníku a 20 000 hodin při využití elektronického předřadníku. Zářivky mají dobré podání barev (nejčastěji Ra = 80). Pro veřejné osvětlení mají zářivky dvě zásadní omezení. Zaprvé, jejich světelný tok klesá při nižších teplotách a vzhledem k častějšímu provozu v zimních měsících nejsou zářivky vhodné pro osvětlení důležitých komunikací. Zadruhé, rozměry zářivek jsou oproti ostatním světelným zdrojům velké a tedy nevhodné pro přesnější optické směrování. Od roku 2017 bude v EU platit zákaz kompaktních zářivek pracující se elektromagnetickým předřadníkem a je tak vhodné preferovat již nyní elektronické předřadníky s nižší spotřebou. V České republice se lineární zářivky ve veřejném osvětlení nepoužívají a kompaktní zářivky se používají pro osvětlení především vedlejších komunikací. Zastoupení zářivek ve veřejném osvětlení v České republice je cca 6 %.

Halogenidové výbojky
Halogenidové výbojky jsou vylepšené vysokotlaké rtuťové výbojky. Mimo rtuť jsou ve výbojkách také příměsi halových prvků a vzácných zemin. Mají kvalitní podání barev (Ra v rozmezí 60–90), měrný výkon 70–100 lm/W, střední dobu života 

10–20 tisíc hodin i více. Kvalitní bílé světlo halogenidových výbojek se využívá zejména pro osvětlení center měst, pro osvětlení přechodů pro chodce a křižovatek. Nevýhodou halogenidových výbojek je zejména jejich vyšší cena. Zastoupení halogenidových výbojek v České republice je cca 5 %.

Vysokotlaké sodíkové výbojky
Princip fungování vysokotlakých sodíkových výbojek je založen na výboji v parách sodíku a rtuti. Parametry vysokotlakých sodíkových výbojek jsou velmi příznivé pro použití ve veřejném osvětlení. Mají vysoké měrné výkony (70–115 lm/W i více), dlouhou střední dobu života (25 000 hodin i více) a vysokou spolehlivost. Nevýhodou vysokotlakých sodíkových výbojek je nízký index podání barev (Ra = 25). V České republice se jedná o převládající druh světelného zdroje ve veřejném osvětlení (cca 85 %), který se používá pro osvětlení všech typů komunikací.

Světelné diody (LED)
Perspektivní druh světelného zdroje, který vyzařuje světlo luminiscencí polovodičového PN přechodu, a patří tak do skupiny polovodičových světelných zdrojů. Bílé světlo světelných diod je získáváno buď mísením základních barev, nebo dnes častěji jako vyzařování diody v modré části a transformací světla do ostatních částí spektra pomocí luminoforu (podobně jako v zářivkách). Dnešní světelné diody mohou dosahovat velmi vysokého měrného výkonu až 200 lm/W, nicméně v běžných provozních podmínkách jsou dnešní maxima kolem 160 lm/W pro chladně bílý barevný tón a 130 lm/W pro teple bílý barevný tón. Pro popis doby života je potřeba kombinace střední a efektivní doby života zahrnující výpadky i pokles světelného toku, např. doba života L80B10 = 50 tisíc hodin znamená, že po uplynutí této doby nastane pokles světelného toku o 80 % či nastane výpadek 10 % vzorků. Světlo LED má relativně dobré podání barev (obvykle Ra větší než 70). Výhodou světelných diod je velmi snadná (a levná) regulace a přesně směrování světelného toku. Výhodou je také možnost volby vhodného světelného toku (oproti pevně daným výkonovým řadám výbojek). Nevýhodou je vyšší cena. Světelné diody jsou stále ve vývoji a parametry LED se každým rokem posouvají.

Další druhy světelných zdrojů
Ve veřejném osvětlení se objevují v menší míře i další druhy světelných zdrojů. V centrech měst můžeme spatřit plynová historizující svítidla (viz též [1]). Na dálnicích či některých méně důležitých komunikacích (především mimo ČR) mohou být nízkotlaké sodíkové výbojky, které se vyznačují relativně vysokým měrným výkonem, ale nulovým indexem podání barev (vyzařují pouze jednobarevné oranžové světlo). V některých lokalitách se zkoušely indukční výbojky pracující obdobně jako zářivky, ale bez elektrod. Dosahují vysoké doby života, ale v ostatních parametrech jsou pro veřejné osvětlení méně výhodné.

Výbojková svítidla
Tradiční výbojková svítidla mohou mít dva druhy předřadníku: elektromagnetický a elektronický. Nejpoužívanějším typem je elektromagnetický předřadník s tlumivkou, jejich spotřeba energie je cca 20 % celé spotřeby svítidla. Elektronický předřadník má obvykle nižší spotřebu (cca o polovinu) a prodlužuje dobu života světelného zdroje. Stmívání u výbojkových svítidel vyžaduje speciální předřadník či vhodné doplnění předřadníku o regulační prvek. Výbojková svítidla mají vždy vyměnitelný světelný zdroj.

LED svítidla
Předřadná zařízení pro světelné diody jsou speciální zdroje pro LED označované někdy jako drivery. Jejich spotřeba je cca 10–15 % celé spotřeby svítidla. Stmívání je u LED svítidel obvykle jednoduché a je podporováno bez dodatečných úprav. U moderních LED svítidel existuje také funkce konstantního světelného toku – světelné diody jsou na počátku provozu napájeny nižším proudem a s narůstajícím počtem provozních hodin se proud postupně zvyšuje, aby kompenzoval úbytek světelného toku. Světelné diody v LED svítidle jsou obvykle sdruženy do modulů, které lze u některých výrobků vyměnit. Nicméně téměř 75 % poruch LED svítidel se týká předřadného zařízení, nikoliv samotných světelných diod.

MICHAL STAŠA

Literatura:
1) LUXA, František, Slavoj VRBICKÝ. Plynové osvětlení v Praze. Mate-riály pro stavbu, č. 6/2009, s. 45.
2) Světelné zdroje a svítidla pro veřejné osvětlení v roce 2012. SEVEn, Středisko pro efektivní využívání energie, o. p. s., 2012.
3) Veřejné osvětlení pro města a obce – manuál pro pracovníky místních samospráv. SEVEn, Středisko pro efektivní využívání energie, o. p. s., 2010.
4) Solid-State Lighting R&D Plan. Department of Energy of USA, 2015.

Michal Staša (*1979)
pracuje jako konzultant v oboru osvětlení.