Energooszczędna modernizacja oświetlenia a wymagania pomiarowe

Wstęp

W dobie zwiększających się kosztów energii elektrycznej – na co wpływ mają m.in. wysoka inflacja, uwarunkowania prawne i coraz wyższe koszty produkcji energii – odbiorcy indywidualni, przedsiębiorstwa i samorządy zostali zmobilizowani do poszukiwań rozwiązań mających na celu redukcję wydatków i zapotrzebowania na energię elektryczną. Od kilku lat jednym z bardzo popularnych sposobów jest wymiana źródeł oświetlenia. Nic przecież tak nie działa na wyobraźnię (i ma decydujący wpływ na podejmowane decyzje inwestycji w energooszczędność) jak wizja zmniejszonych rachunków. Czy jest to rzeczywiście tak proste? Zastanówmy się nad tym.

Typy źródeł światła

Światło od wieków jest niezbędne dla człowieka, wywiera wpływ na funkcjonowanie ludzi, ich otoczenia oraz funkcjonowania miejsc pracy. Najbardziej „zdrowe” jest światło naturalne dostarczane w sposób optymalny. Jednym z jego podstawowych naturalnych źródeł jest oczywiście Słońce, które na skutek reakcji fuzji jądrowych zachodzących w jego wnętrzu emituje energię. Energia ta dociera do naszej planety w postaci promieniowania, czyli strumienia fal elektromagnetycznych i cząstek elementarnych. To, co zwyczajowo nazywamy światłem, to ta część promieniowania elektromagnetycznego, którą odbiera siatkówka ludzkiego oka. Wieloletnie badania pozwoliły na określenie długości fal widzianych gołym okiem: jest to pasmo w zakresie ok. 380 – 780 nm.

Wiedząc, czym jest światło słoneczne, i mając świadomość, jaki jest jego wpływ na funkcjonowanie życia na Ziemi, ludzkość dążyła do stworzenia własnych źródeł oświetlenia. Przez wiele lat mrok i ciemność były rozświetlane pochodniami i ogniskami, a następnie lampami na różnego rodzaju oleje i świece. Już w 1668 roku w centrum Londynu wprowadzono oświetlenie uliczne z wykorzystaniem latarń olejowych. Kolejny wielki skok nastąpił w 1853 roku, kiedy to we Lwowie polski farmaceuta Ignacy Łukasiewicz wynalazł lampę naftową. Obecnie na szeroką skalę stosowane są różnego typu żarówki elektryczne i diody LED. Ich rozwój trwa nieprzerwanie, a jednym z głównych celów tego procesu jest wytworzenie produktu zużywającego jak najmniej energii przy jednoczesnym wytworzeniu jak największego strumienia świetlnego.

Dziś największą popularnością cieszy się oświetlenie wykorzystujące źródła światła typu LED. Są one uznawane za najbardziej energooszczędne. Aby uzyskać ten sam strumień świetlny, co 9-watowa żarówka LED, żarówka wyładowcza (świetlówka) musiałaby pobierać moc ok. 13 W, a żarówka z żarnikiem wolframowym – ok. 70 W.

Poszukiwanie oszczędności i wymogi stawiane oświetleniu

Mając na uwadze zwiększające się koszty życia w gospodarstwach domowych oraz koszty funkcjonowania przedsiębiorstw i samorządów, dąży się do podejmowania kroków mających na celu ograniczenie dotkliwości tych podwyżek. Jednym z takich działań jest modernizacja oświetlenia. W przypadku gospodarstw domowych najczęściej następuje zmiana samego źródła oświetlenia lub oprawy z tradycyjnych żarówek z żarnikiem na odpowiedniki typu LED. Dokonując takich zmian, oprócz kryterium ceny należy brać pod uwagę przed wszystkim takie aspekty jak:

• charakter pomieszczenia, w którym nastąpi modernizacja,
• moc emitowanego strumienia świetlnego,
• temperatura barwowa,
• rodzaj trzonka do obecnej lampy.

Dodatkowymi atrybutami są:

• wskaźnik oddawania barw Ra,
• kąt strumienia świetlnego,
• ilość cyklów włączeń,
• możliwość przygaszania,
• żywotność.

Wyniki modernizacji podlegają subiektywnej ocenie mieszkańców gospodarstwa. Niewłaściwy dobór oświetlenia może nieść za sobą skutki związane z estetyką pomieszczeń, prawidłowym odbiorem barw, ale również wpłynąć negatywnie na samopoczucie i pracę organizmu. Natomiast dobór prawidłowy ma szansę nadać pomieszczeniom nowy charakter, a także pozytywnie wpłynąć na nasz komfort. Natomiast koszty zostaną poniesione tylko raz i zaczną zwracać się natychmiast w postaci niższych rachunków za energię elektryczną.

W przypadku przedsiębiorstw i innych miejsc pracy powodem chęci wykonania modernizacji oświetlenia jest przede wszystkim energooszczędność, zwiększenie wydajności i bezpieczeństwo pracy. Koszty zużycia energii elektrycznej potrzebnej do oświetlenia całego obiektu wewnątrz (stanowiska pracy, korytarze) i na zewnątrz (iluminacje świetlne, parkingi, drogi) stale rosną. W odróżnieniu od gospodarstw domowych, miejsca pracy podlegają specjalnym przepisom określającym wymogi stawiane oświetleniu (ale oczywiście aspekty jak dla gospodarstw domowych również mają tutaj swoje znaczenie).

Ważnym pierwszym krokiem przed podjęciem zmian jest przeprowadzenie audytu energetycznego przedsiębiorstwa, który będzie zawierał informacje w zakresie inwentaryzacji obecnego rozmieszczenia opraw i użytych typów źródeł (również oświetlenia awaryjnego), parametrów jakościowych istniejącej instalacji elektrycznej i poziomu zużywanej energii (w audycie pomogą m.in. analizatory jakości zasilania serii Sonel PQM oraz wielofunkcyjne mierniki parametrów instalacji Sonel MPI z modułem rejestratora). Według rozporządzenia Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 26 września 1997 r. w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy, pracodawca powinien przeprowadzić pomiary oświetlenia na stanowiskach pracy, na podstawie których będzie mógł potwierdzić, iż pracownikom zostało zapewnione oświetlenie elektryczne o parametrach zgodnych z Polskimi Normami. Według normy PN-EN 12464-1 i z PN-EN 12464-2 pomiary natężenia powinny być wykonane po modernizacji oświetlenia m.in. w następujących sytuacjach:

• po zmianie rodzaju oświetlenia, np. z jarzeniowego na energooszczędne lub po wymianie zużytych żarówek na nowe, ale o innej mocy,
• po zmianie aranżacji pomieszczenia, np. po wybudowaniu (lub wyburzeniu) w nim ścianek działowych itp., kiedy natężenie oświetlenia może się pogorszyć.

Do wykonywania takich badań zaleca się wykorzystanie odpowiedniego sprzętu pomiarowego. Sonel S.A. w swojej ofercie posiada aż trzy modele mierników natężenia oświetlenia (illuminancji). Są to Sonel LXP-2 – dedykowany do podstawowych pomiarów stanowisk pracy i oświetlenia ogólnego, Sonel LXP-10B – dedykowany również do pomiarów oświetlenia awaryjnego oraz Sonel LXP-10A – zapewniający najdokładniejsze pomiary w klasie A. Te same możliwości pomiarowe posiadają również wielofunkcyjne mierniki parametrów instalacji Sonel MPI-540-PV, MPI-540, MPI-530-IT oraz MPI-530 (przy zastosowaniu sond opcjonalnych).

Oświetlenie zaliczane jest do czynników uciążliwych w środowisku pracy, wobec czego nie stosuje się do niego zapisów rozporządzenia Ministra Zdrowia z dnia 2 lutego 2011 r. w sprawie badań i pomiarów czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz. U. Nr 33, poz. 166), które wyraźnie określa, jakie jednostki takie pomiary mogą wykonywać. Oznacza to, że pomiarowiec nie musi posiadać specjalnych zaświadczeń i certyfikatów. Należy jednak pamiętać, że prawidłowe wykonanie pomiarów zapewnia nie tylko odpowiedni sprzęt, ale również wykwalifikowany pomiarowiec. Od niego bowiem wymaga się wiedzy z zakresu pomiarów fotometrycznych, aby wyniki można było uznać za rzetelne, a pracę za wykonaną zgodnie ze sztuką.

Jednostki samorządu terytorialnego od kilku lat coraz częściej decydują się na częściową lub pełną modernizację oświetlenia na terenach miejskich i wiejskich. Na takie oświetlenie składa się m.in. oświetlenie dróg zmotoryzowanych, chodników i ścieżek rowerowych, placów, skwerów, parków itp. W zdecydowanej większości polskich miast, miasteczek i wsi dominowało oświetlenie sodowe, które obecnie wypierane jest przez nowoczesne rozwiązania typu LED. Zarówno sodowe, jak i ledowe źródła światła mają swoich zwolenników i przeciwników.

Do zalet lamp sodowych zalicza się m.in. większą efektywność świetlną, czyli strumień świetlny (moc świetlna) w lumenach, otrzymywany z 1 W energii. Jednak sama wartość lm/W nie oddaje rzeczywistych bodźców odbieranych przez ludzkie oko – jest to związane z bardzo wąskim widmem światła, czyli zakresem emitowanych długości fali. Zatem źródła sodowe muszą charakteryzować się znacznie większą mocą świetlną, aby zapewnić prawidłową widoczność.

Kolejnym kluczowym aspektem w obszarze oświetlenia drogowego jest współczynnik oddawania barw CRI (ang. Colour Rendering Index), oznaczany również jako Ra. Zapisuje się go w postaci liczbowej w zakresie 0-100, gdzie im wyższa wartość, tym barwy są lepiej oddawane. Wartość 100 odnosi się do światła białego i można przyjąć, że jest to odzwierciedlenie dla naturalnego światła słonecznego, gdzie oświetlane przedmioty wyglądają naturalnie. Współczynnik CRI równy 0 odpowiada światłu monochromatycznemu, a doznania wzrokowe są bardzo słabe, co powoduje, że obraz odbierany przez ludzkie oko jest zniekształcony i mało naturalny. Prowadzi to do szybszego zmęczenia organizmu przez wzmożoną pracę mózgu, który próbuje prawidłowo interpretować obraz docierający przez oczy. Lampy sodowe nisko- i wysokoprężne charakteryzują się bardzo niskim Ra na poziomie 10-25.

Źródła typu LED na potrzeby oświetlenia drogowego osiągają wartość Ra nawet 90. Zapewniają one szerokie pasmo widma światła, co przekłada się na mniejszą moc wystarczającą do zapewnienia wymaganej widoczności. Nowoczesne oświetlenie ledowe dodatkowo ma znacznie dłuższą żywotność oraz zdecydowanie mniejszy stopień degradacji w czasie (czyli tempo spadku wartości emitowanego strumienia światła). Przekłada się to bezpośrednio na znacznie rzadszą konieczność wymiany bądź naprawy źródeł.

Zanim padnie decyzja o zmianie oświetlenia z sodowego na ledowe, warto poddać analizie wszystkie parametry opraw i źródeł, bo zestawianie ze sobą tylko dwóch wybranych cech nie będzie miarodajne. Warto pamiętać, że projektowanie oświetlenia drogowego obecnie uwzględnia nie tylko spełnienie wymagań parametrów oświetleniowych, ale również aspekty środowiskowe, wpływ oświetlenia na otoczenie i kwestie związane z wyglądem instalacji (estetyka słupów i opraw oświetleniowych, sposób prowadzenia wzrokowego czy temperatura barwowa źródeł światła). Decydując się na modernizację oświetlenia, należy zwrócić uwagę, aby w przedstawionych ofertach zawarte były:

• wykonanie pomiarów oraz projektu oświetlenia zgodnego z przepisami i normami,
• wybór opraw, źródeł producentów uznanych, których produkty posiadają wszystkie niezbędne certyfikaty i atesty,
• demontaż starych opraw i źródeł światła, konstrukcji, a czasem nawet infrastruktury sieci elektrycznej zasilającej oświetlenie oraz montaż nowych elementów.

Dodatkowym atutem jest zapewnienie konserwacji zmodernizowanej infrastruktury oświetleniowej przez wyznaczony okres. Należy podkreślić, że obecne rozwiązania z zakresu automatyki i sterowania oświetleniem ulicznym pozwalają na jego swobodną kontrolę i dostosowanie m.in. wartości natężenia oświetlenia (regulacja strumienia świetlnego) wedle godziny, aktualnej pogody czy decyzji zarządcy infrastruktury. Na rynku jest wiele firm, które obszar oferowanych usług skupiły na tej tematyce. W momencie podejmowania decyzji o modernizacji oświetlenia warto zastanowić się nad kompleksowym podejściem do tematu i wybranie opcji droższej, ale dającej zaawansowane możliwości zarządzaniem całą instalacją. Oferty takie obejmują m.in.:

• sterowanie włączaniem i wyłączaniem oświetlenia ulicznego,
• dostosowywanie mocy emitowanego strumienia świetlnego i tworzenie harmonogramu (profilu) działania poszczególnych opraw ulicznych,
• elastyczne tworzenie grup opraw i zarządzanie nimi,
• tworzenie map z naniesionymi punktami świetlnymi,
• pomiar i rejestracja zużycia energii oraz archiwizacja tych danych,
• alarmowanie o zdarzeniach wraz ze wskazaniem miejsca ich wystąpienia.

Na podstawie wielu przykładów z polskich samorządów można stwierdzić, że zwrot z inwestycji polegającej na wymianie samych źródeł światła na LED następuje już po trzech latach, a oszczędności widoczne są w postaci mniejszych rachunków za energię elektryczną. Wybranie oferty pełnego zarządzania oświetleniem drogowym jest zdecydowanie lepszym rozwiązaniem niż doraźne pomysły takie jak zupełne wyłączanie oświetlenia całych ulic lub dzielnic. Pogrążanie miast i wsi w ciemnościach może wpłynąć na spadek bezpieczeństwa i pogorszenie samopoczucia mieszkańców.

Podobnie jak w przypadku przedsiębiorstw, również samorządy dokonując modernizacji oświetlenia powinny wykonać pomiary natężenia oświetlenia. W wymaganiach projektowych czy ogłaszanych przetargach pojawia się m.in. konieczność wykonania pomiarów natężenia oświetlenia i przedstawienia raportów po wykonanych badaniach. Jedynie one będą pokazywały, czy obliczenia i wskazania w projekcie oraz wykonanie prac modernizacyjnych dały zamierzony efekt. Raport pozwala kierownikowi robót elektrycznych określić, czy prace zostały wykonane prawidłowo. Zakres, kryteria i sposób wykonania pomiarów oświetlenia drogowego określa norma PN-EN 13201, a dokładniej arkusze:

• PN-EN 13201-2 Oświetlenie dróg — Część 2: Wymagania eksploatacyjne,
• PN-EN 13201-4 Oświetlenie dróg — Część 4: Metody pomiaru efektywności oświetlenia.

W części drugiej normy określone zostały klasy oświetlenia obszarów, na których wykonywane są badania, oraz dopuszczalne wartości natężenia oświetlenia i luminancji. W części czwartej znajdziemy warunki i procedury pomiarowe do pomiaru fotometrycznych parametrów jakościowych instalacji oświetlenia drogowego, tj. parametrów, które określają ilościowo ich efektywność zgodnie z wyżej wspomnianymi klasami. Podobnie jak w pomiarach na stanowiskach pracy, badania natężenia oświetlenia drogowego można wykonać urządzeniami Sonel LXP oraz Sonel MPI-540-PV, MPI-540, MPI-530-IT i MPI-530 (przy zastosowaniu sond opcjonalnych).

Opłaty za energię czynną w dół, a za bierną w górę

Należy pamiętać, że ograniczenie zużycia energii czynnej przy korzystaniu ze źródeł typu LED nie jest jedynym elementem wpływającym na rachunki za energię elektryczną. Po modernizacji oświetlenia z tradycyjnego na rozwiązania ledowe liczniki energii elektrycznej odnotują zwiększoną generację mocy biernej pojemnościowej. To bardzo ważne, bo za każdy war wprowadzony do sieci naliczane są opłaty! Zmniejszy się natomiast generacja mocy biernej indukcyjnej.

W celu ograniczenia lub prawie całkowitego wyeliminowania generacji mocy biernej pojemnościowej zaleca się zastosowanie baterii kondensatorów lub dławików. Innymi rozwiązaniami są inteligentne systemy sterowania mocą bierną jak kompensatory, które na podstawie aktualnych odczytów mocy biernej, wykorzystując algorytmy obliczeniowe i działanie swoich podzespołów, dokonują modyfikacji parametrów jakościowych sieci. Przynosi to bardzo dobre skutki i bezpośrednio wpływa na wielkości opłat za moc bierną. W celu prawidłowego doboru baterii kondensatorów, dławików czy kompensatora należy przeprowadzić audyt energetyczny przy wykorzystaniu analizatorów jakości zasilania. Sonel S.A. posiada całą serię analizatorów o nazwie PQM oraz wielofunkcyjne mierniki MPI z modułem analizatora, które pozwalają na dokonanie tego w sposób rzetelny. Dołączone oprogramowanie Sonel Analiza 4 na podstawie otrzymanych wyników daje pełny wgląd w sytuację i pozwala na dobór odpowiednich rozwiązań do indywidualnych potrzeb.

W ofercie firmy Sonel S.A. znajduje się również oprogramowanie Sonel Foton 3. Pozwala ono na wykonanie protokołów z pomiarów oświetlenia. Program zawiera wiele narzędzi ułatwiających oraz przyspieszających pracę podczas tworzenia dokumentacji oraz planowania pomiarów. Umieszczone w nim wymagania normatywne są wykorzystywane podczas tworzenia protokołu w celu oceny wyników pomiarów. Aplikacja umożliwia zarządzanie protokołami oraz bazą danych, w której przechowywane są informacje o użytkownikach instalacji, miernikach oraz pomiarowcach. Wykorzystywanie programu Sonel Foton 3 przez firmy i komórki odpowiedzialne za wykonywanie pomiarów oświetlenia pozwala na skrócenie czasu przygotowania dokumentacji powykonawczej, co przekłada się bezpośrednio na zmniejszenie kosztów pracy.

Podsumowanie

Przedsiębiorstwa, jednostki samorządu terytorialnego czy właściciele gospodarstw domowych w obliczu wzrostu kosztów za energię elektryczną muszą podjąć odpowiednie działania zapobiegawcze. Jednym z tych działań jest modernizacja oświetlenia. Tradycyjne typy źródeł światła zastępuje się rozwiązaniami opartymi o technologię LED, która jest mniej energochłonna, a jednocześnie zapewnia doznania wzrokowe o możliwościach większych, elastycznie dostosowywanych do potrzeb. Jak każda zmiana, ta również niesie za sobą pozytywne i negatywne skutki, przy czym pozytywnych jest zdecydowanie więcej.

Decyzja o modernizacji powinna być oparta o wcześniejsze badania, audyt energetyczny, aby wybrane rozwiązanie było najbardziej adekwatne do potrzeb i jednocześnie przyniosło spełnienie oczekiwanego celu: zmniejszenia opłat za energię elektryczną. Sonel S.A. posiada w ofercie narzędzia, które dzięki swoim możliwościom pomiarowym na każdym etapie modernizacji wspomogą pracę wszystkich zainteresowanych: od projektantów rozwiązań, przez wykonawców, po odbiorców. Wybór właściwego urządzenia i umiejętność prawidłowego jego wykorzystania zapewniają prawidłowe wykonanie pełnej modernizacji systemu oświetlenia.

Autor: Adam Szczepanik, Menedżer Produktu SONEL S.A.

Bibliografia:

1. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 26 września 1997 r. w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy (Dz.U. 1997 nr 129 poz. 844 ze zm.).

2. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 2 lutego 2011 r. w sprawie badań i pomiarów czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz.U. 2011 nr 33 poz. 166 ze zm.).

3. PN-EN 12464-1:2012, Światło i oświetlenie – Oświetlenie miejsc pracy – Część 1: Miejsca pracy we wnętrzach.

4. PN-EN 12464-1:2022-01, Światło i oświetlenie – Oświetlenie miejsc pracy – Część 1: Miejsca pracy we wnętrzach.

5. PN-EN 12464-2:2008, Światło i oświetlenie – Oświetlenie miejsc pracy – Część 2: Miejsca pracy na zewnątrz.

6. PN-EN 12464-2:2014-05, Światło i oświetlenie – Oświetlenie miejsc pracy – Część 2: Miejsca pracy na zewnątrz.

7. PN-EN 13201-2:2007, Oświetlenie dróg – Część 2: Wymagania oświetleniowe.

8. PN-EN 13201-2:2016-03, Oświetlenie dróg — Część 2: Wymagania eksploatacyjne.

9. PN-EN 13201-4:2007, Oświetlenie dróg – Część 4: Metody pomiarów parametrów oświetlenia.

10. PN-EN 13201-4:2016-03, Oświetlenie dróg – Część 4: Metody pomiaru efektywności oświetlenia.