Energetická náročnost osvětlovacích soustav

Osvětlení určitého vnitřního prostoru je třeba navrhnout tak, aby se v prostoru vytvořilo takové světelné prostředí (světelné mikroklima), které umožní zajistit uspokojení tři základních potřeb uživatelů, a to:

• dostatečný zrakový výkon při co nejnižší únavě a vysoké produktivitě,
• zrakovou pohodu vyplývající z realizace zrakově příjemného prostředí; zohlednit je třeba i skutečnost, že osvětlení ovlivňuje také biologické pochody (biorytmy) v organismu člověka,
• bezpečnost uživatelů zabráněním vzniku rušivých jevů, včetně oslnění, rušivých stínů aj.

Je zřejmé, že při posuzování energetické náročnosti osvětlení se pak musí přihlížet nejen k využití prostoru, zvláště s ohledem na zmíněný potřebný zrakový výkon (dodržení parametrů osvětlení požadovaných v předpisech a v normách, např. v normě [3]), ale musí se vzít v úvahu i další pro uživatele důležité okolnosti, mezi které patří, jak bylo uvedeno, zejména tvorba světelného mikroklimatu, neboť osvětlení je nedílnou součástí výtvarného řešení interiéru. To je důležité např. v divadlech, kinech, restauracích a v jiných společenských a kulturních zařízeních. V těchto situacích je nutno případná úsporná řešení dokonce konzultovat s autorem výtvarného řešení. Vždy je však nutno hledat a najít kompromisní řešení mezi představami tvůrců, požadavky a potřebami uživatelů prostoru [v každém případě při dodržení předepsaných parametrů osvětlení] na straně jedné a na straně druhé snahou zajistit co nejnižší energetickou náročnost navržené osvětlovací soustavy.

Posuzování energetické náročnosti umělého osvětlení budovy Hodnocení energetické náročnosti osvětlení v budovách se řídí normou ČSN EN 15 193 Energetická náročnost budov – Energetické požadavky na osvětlení. V zásadě přicházejí v úvahu dva stavy soustavy, a to: a) nová soustava, b) již existující, stávající soustava.

a) Hodnotí-li se nová osvětlovací soustava, je znám projektovaný instalovaný příkon osvětlení. Pro stanovení spotřeby elektrické energie pro osvětlení, se musí odhadnout jak doba využití, tak i skutečný provozní příkon. Z toho plyne, že spotřeba elektrické energie se pro novou osvětlovací soustavu musí odhadnout.

b) U stávající stavby by bylo možno stanovit spotřebu z naměřených hodnot, ale to by se spotřeba pro osvětlení musela měřit samostatně. To se však děje jen výjimečně, takže i v tomto případě se podíl spotřeby elektrické energie pro osvětlení na celkové spotřebě objektu jen odhaduje.

Z uvedeného vyplývá, že posuzování energetické náročnosti osvětlení vyžaduje ověřit instalovaný příkon svítidel, analyzovat charakter provozu objektu a provést rozbor časového využití příkonu osvětlovací soustavy v průběhu určitého období, např. roku. Návrhy na úsporná opatření i návratnost nezbytných investic jsou zásadně ovlivněny mírou nepřesnosti zmíněných odhadů. Pro objektivní hodnocení energetické náročnosti osvětlení objektu či jeho dílčích částí je tedy nutné přímé měření spotřeby elektrické energie pro osvětlení a pro podrobný rozbor je nutné zjistit i časový průběh spotřeby jednotlivých svítidel.

Výpočet spotřeby elektrické energie pro osvětlení

Pro výpočet lze použít buď rychlou nebo podrobnou metodu.

• Při aplikaci rychlé metody se hodnotí objekt jako celek. Vychází se pouze z celkové potřeby elektrické energie pro celý objekt a předpokládá se, že podíl spotřeby energie pro osvětlení na celkové spotřebě je relativně malý. Pak se ověřuje, zda spotřeba elektrické energie pro osvětlení odpovídá směrným hodnotám stanoveným pro referenční objekt.
• Při podrobné metodě se spotřeba elektrické energie pro osvětlení podrobně analyzuje ve zvolených časových obdobích pro jednotlivé typové místnosti (kanceláře, učebny, komunikační prostory aj.) v závislosti na charakteru jejich využití.

Podle normy [2] tvoří spotřebu W elektrické energie pro osvětlení dvě složky, a to:

1. W_L – spotřeba pro normální osvětlení,
2. W_P – spotřeba pro nabíjení svítidel nouzového osvětlení a pro krytí ztrát, včetně spotřeby pro ovládací systémy při vypnutých svítidlech normálního osvětlení.

Pro hledanou spotřebu W platí tedy vztah

V případě rychlé metody charakterizují parametry W_L a W_P spotřebu celého objektu.

V případě metody podrobné jde o údaje platné pro jednotlivé celky či místnosti a celková spotřeba se pak získá součtem zjištěných dílčích spotřeb.

Spotřeba W_L elektrické energie pro normální osvětlení se stanovuje z rovnice

kde je

P_n

– celkový instalovaný příkon svítidel [W]

t_D

– doba provozu s denním světlem [h]

t_N

– doba provozu bez denního světla [h]

F_D

– činitel respektující využití denního světla [–]

F_O

– činitel respektující obsazení prostoru [–]

F_C

– činitel charakterizující vliv regulace osvětlovací soustavy na konstantní osvětlenost.

Pro dílčí spotřebu W_P platí vztah

kde je

P_pc

– celkový instalovaný ztrátový příkon ovládacích zařízení [W],
  (není-li k dispozici přesnější údaj, uvažuje je směrná hodnota P_pc = 5 kWh.m⁻².rok⁻¹)

P_em

– celkový instalovaný nabíjecí příkon svítidel nouzového osvětlení [W],
  (není-li k dispozici přesnější údaj, uvažuje je směrná hodnota P_em = 1 kWh.m⁻².rok⁻¹)

t_D

– doba provozu s denním osvětlením [h],

t_N

– doba provozu bez denního světla [h],

t_y

– standardní roční doba v hodinách, činí 8760 h,

t_em

– doba nabíjení nouzového osvětlení [h].

Měrná spotřeba elektrické energie pro osvětlení

Je to spotřeba energie pro osvětlení připadající na 1 m² osvětlované plochy. Norma [2] zavádí číselný ukazatel měrné spotřeby energie pro osvětlení označovaný LENI, takže platí

kde je

W

– celková roční spotřeba elektrické energie pro osvětlení [kWh.rok⁻¹]

A

– celková osvětlovaná podlahová plocha budovy [m²].

Vypočtená hodnota ukazatele LENI se pak porovná se směrnými hodnotami uvedenými v normě [2] pro typové prostory (viz přílohu F normy [2]). Úsporná opatření se navrhují až po posouzení energetické náročnosti celého objektu. Pro komplexní hodnocení celkové energetické náročnosti budovy a zahrnutí dílčí spotřeby pro osvětlení do celkové energetické bilance (udávané obvykle v GJ.rok⁻¹) se zjištěná spotřeba elektrické energie pro osvětlení W [kWh/rok] přepočítá na veličinu EP_Light podle rovnice

Příklady směrných hodnot měrného příkonu pro různé typy budov a třídy kvality osvětlení při ručním ovládání bez systému pro hlídání konstantní osvětlenosti jsou uvedeny v následující tab. 1.

Tab. 1 Příklady směrných hodnot celkového měrného příkonu P_N [W.m⁻²]
a měrné roční spotřeby LENI [kWh.m⁻².rok⁻¹] pro osvětlení

Typ prostoru	Třída kvality osvětlení	PN [W.m−2]	LENI [kWh.m−2.rok−1]
Administrativní budovy	*	15	42,1
	**	20	54,6
	***	25	67,1
Vzdělávací zařízení	*	15	34,9
	**	20	44,9
	***	25	54,9
Zdravotnická zařízení	*	15	70,6
	**	25	115,6
	***	35	160,6
Průmyslové provozy	*	10	43,7
	**	20	83,7
	***	30	123,7

Třídy kvality osvětlení, vyznačené v tab. 1 jednou až třemi hvězdičkami, vyžadují:

* dodržet

• Ē_m [hodnoty udržované osvětlenosti srovnávací roviny (v místě zrakového úkolu)]
• UGR (hodnoty ukazatele omezení rušivého oslnění),

   vyloučit

• nevhodné kolísání světelného toku (míhání) a stroboskopický jev.

** proti předchozí třídě zajistit navíc:

• lepší podání barev (vyšší hodnotu indexu podání barev),
• dobrou modelaci (kvalitu vjemu trojrozměrných předmětů),
• vhodné rozložení jasů,
• omezení vzniku závojových jasů,
• zabránu vzniku oslnění odrazem.

*** proti předchozím třídám navíc:

• zajistit vhodné rozlišení obličejů,
• věnovat zvláštní pozornost zdravotním hlediskům.

Možnosti úsporných opatření

Spotřeba elektrické energie pro osvětlení za rok se stanoví ze vztahu

kde je

P_n

– celkový provozní příkon svítidel [kW],

t₀

– provozní doba [hod.rok⁻¹].

Ze vzorce (6) vyplývá, že úspory lze hledat jak v samotném příkonu P_n osvětlovací soustavy, tak v době t₀ jejího využití.

Úsporná opatření mohou být proto zaměřena na následující oblasti:

1. volba osvětlovací soustavy
2. volba technických prostředků
3. kontrola dimenzování osvětlovací soustavy
4. využití denního světla
5. kontrola přítomnosti osob
6. využití časových režimů.

Poznámky k jednotlivým možným opatřením:

1. Volba osvětlovací soustavy

Energetickou náročnost osvětlovací soustavy ovlivňuje její typ a charakter. Hlavní osvětlení vycházející z fyziologických požadavků uživatelů lze realizovat osvětlovací soustavou:

• celkového osvětlení – představuje největší energetickou náročnost,
• odstupňovaného osvětlení,
• kombinovaného osvětlení – představuje nejmenší energetickou náročnost.

2. Vliv technických prostředků

• světelné zdroje – posuzuje se měrný výkon světelných zdrojů η [lm.W⁻¹],
• předřadné přístroje a zařízení – bere se v úvahu jejich ztrátový příkon P_Z [W],
• svítidla – posuzuje se jejich účinnost η_sv [%] a charakter vyzařování (křivky svítivosti). Při hodnocení energetické náročnosti technických prostředků je nejvhodnější posuzovat kompletní svítidla, tj. hodnotit měrný výkon svítidla dříve označovaný LER [lm.W⁻¹], pro který se nyní zavedlo nové označení ℓ a který je roven poměru výstupního světelného toku svítidla a elektrického příkonu svítidla.
• celé osvětlovací soustavy – lze je též hodnotit měrným výkonem [lm.W⁻¹], tj. poměrem světelného toku vyzařovaného všemi svítidly soustavy (lm) a jejich celkového elektrického příkonu (W).
• řídicí systémy – do energetické bilance je třeba zahrnout i spotřebu ovládacích a řídicích systémů.

3. Kontrola dimenzování osvětlovacích soustav

V projektu je nutno světelné toky použitých světelných zdrojů a tudíž i navržených svítidel z řady důvodů zvýšit. Nejčastější důvody tohoto předimenzování jsou:

• pokles osvětlenosti v průběhu provozu a nutnost dodržet projektovanou hodnotu udržované osvětlenosti i na konci udržovacího období,
• volba nejbližšího vyššího výkonového stupně použitého zařízení,
• v prostorech, v nichž se požaduje flexibilní dispoziční uspořádání, se musí návrh osvětlení provést pro nejnepříznivější situaci.

Řešením je použití stmívatelných svítidel připojených na řídicí systém osvětlení.

4. Využití denního světla

Dobře navržené denní osvětlení prostoru umožňuje zkrátit dobu provozu soustavy umělého osvětlení. Úspory může přinášet kontrola úrovně denního osvětlení prostřednictvím světelných čidel řídicího systému. Osvětlovací soustava je pak ovládána podle potřeby buďto skokově nebo plynule (v závislosti na použitém typu světelných zdrojů a možnostech řídicího systému). Toto řešení je pochopitelně jak technicky, tak finančně náročnější.

5. Kontrola přítomnosti osob

V prostorech, které nejsou využívané nepřetržitě po celou pracovní dobu, lze umístit pohybová čidla, která zapínají a vypínají svítidla, popřípadě jen omezují jejich příkon.

6. Zavedení časových režimů

Osvětlovací soustavy plní svoji hlavní funkci zpravidla po určitou část dne. Instalované časové ovládací prvky mohou jednoduchým způsobem zapínat či vypínat osvětlovací soustavu, popřípadě mohou tvořit součást řídicího systému s přednastavenými světelnými scénami.

Na závěr je třeba zdůraznit, že v souladu s platnými předpisy a normami je úkolem osvětlení zajistit v daném prostoru co nejlepší podmínky jak pro práci zraku uživatelů, tak pro dosažení zrakové pohody a celkové bezpečnosti. Proto požadavky na nižší energetickou náročnost osvětlení nelze v žádném případě nadřazovat nad požadavky světelně technické. Nicméně je vždy třeba dbát na to, aby dodržení vyžadovaných světelně technických ukazatelů bylo dosaženo energeticky co nejúčinnějším způsobem.

Literatura

• [1] Habel J.: Domácí elektrospotřebiče a osvětlení. Sborník přednášek k základnímu vzdělávacímu kurzu pro energetické poradce. Energy Centre České Budějovice. České Budějovice 2013.
• [2] ČSN EN 15 193 Energetická náročnost budov – Energetické požadavky na osvětlení.
• [3] ČSN EN 12464 – 1 (360450) – Světlo a osvětlení – Osvětlení pracovních prostorů – Část 1: Vnitřní pracovní prostory.

Příspěvek je zpracován podle závěrečné části přednášky prof. Ing. Jiřího Habela, DrSc., s názvem „Domácí elektrospotřebiče a osvětlení“, kterou přednesl na jaře 2013 v rámci základního vzdělávacího kurzu pro energetické poradce, který pravidelně pořádá Energy Centre České Budějovice v Č. Budějovicích.