Nové přístupy k návrhu osvětlení

Ing. Petr Žák, Ph.D., ETNA s. r. o.

1. Úvod

Předmětem příspěvku je snaha o vymezení pojmu „kvalita osvětlovací soustavy“, dále určení vlivů, které působí na kvalitu osvětlovací soustavy, a popis možných přístupů, které vedou k jejímu zlepšení.

Světelná technika je poměrně specifický technický obor a návrh osvětlení vyžaduje široký přehled a orientaci v mnoha oborech i velmi dobrou znalost technických prostředků (světelných zdrojů, svítidel atd.). Základy návrhu osvětlení principiálně vycházejí z vlastností zrakového systému člověka a fyzikálních vlastností optického záření. To jsou základní, ale zdaleka ne jediné znalosti potřebné pro návrh osvětlení. Další zásadní informace je třeba získat analýzou osvětlovaného prostoru, jeho účelu a analýzou vykonávaných činností.

Vzhledem k relativně velkému množství vazeb mezi parametry osvětlení, funkcí prostoru, vykonávanými zrakovými činnostmi a jejich časovými charakteristikami lze pro návrh osvětlení vymezit pouze poměrně obecná pravidla a požadavky. Teprve pro konkrétní aplikační oblasti, jako jsou např. administrativní prostory, průmyslové prostory, obchodní nebo výstavní prostory, lze s větší podrobností stanovit, které světelnětechnické parametry je nutné a vhodné sledovat a jakých mají dosahovat úrovní. V závislosti na použití se také mění preference a vhodnost určitých typů osvětlovacích soustav, způsobu osvětlení i technických prostředků.

2. Kvalita osvětlovací soustavy

Jednou z prvních konferencí na téma kvality osvětlení byla konference CIE First CIE Symposium on Lighting Quality, která se konala v roce 1998 v Kanadě [1]. Z jednotlivých přednášek a příspěvků publikovaných ve sborníku je zřejmé, že pojem „kvalita osvětlení“ je chápan v různých úrovních a je na něj nahlíženo z různých pohledů v závislosti na zkušenostech a profesi autora. Následující úvaha, která se snaží vymezit pojem „kvalita osvětlovací soustavy“, navazuje na příspěvek [2], ze kterého myšlenkově vychází a jenž popisuje kategorie, v rámci kterých by bylo možné analyzovat světelné prostředí.

Osvětlený prostor vyvolává v člověku komplexní vizuální zážitek, který zprostředkovává světlené záření. Podoba tohoto zážitku velkou měrou souvisí, vedle charakteristik prostoru, povrchů a prostředí, také s charakterem osvětlení. Pozorovatel je v daném prostoru schopen slovně vyjádřit určité charakteristiky osvětlení, ale zpravidla není schopen tento komplexní vizuální vjem analyzovat.

Následující úvaha popisující „kvalitu osvětlovací soustavy“ nejen vychází z výsledného vizuálního účinku osvětlení, ale také zahrnuje parametry použitých technických prostředků. Je založena na třech základních projevech osvětlovací soustavy, kterými ji lze z laického i odborného hlediska charakterizovat:

1. zjevné projevy,
2. skryté projevy,
3. parametry technických zařízení.

2.1 Zjevné projevy
Zjevné projevy osvětlovací soustavy přímo souvisejí s osvětlením nebo osvětlovací soustavou. Pozorovatel, který se nachází v daném prostoru, je schopen tyto projevy slovně popsat bez ohledu na to, zda jeho vzdělání nebo profese spadají do oboru osvětlování či nikoliv. Tyto projevy lze charakterizovat takto:

• osvětlení je dostatečné/nedostatečné (týká se zrakového úkolu),
• prostor je potemnělý/prosvětlený (celková úroveň osvětlení),
• osvětlení je s rušivými prvky/bez rušivých prvků (oslnění, odlesky),
• osvětlení je chladné/teplé (teplota chromatičnosti),
• osvětlení je dramatické/klidné (směrové vlastnosti osvětlení),
• osvětlení je přiměřené/nepřiměřené (estetický účinek),
• svítidla vizuálně ruší/neruší (estetický účinek).

2.2 Skryté projevy
Skryté projevy osvětlovací soustavy souvisejí s optickým zářením, ale přímo neovlivňují vizuální vjem pozorovatele v rámci daném prostoru. Zde lze rozlišit dva základní případy. V prvním tyto projevy působí mimo daný prostor, ve druhém nejsou vizuální povahy. Mezi uvedené projevy osvětlovací soustavy, které je zpravidla schopna posoudit již jen odborná veřejnost, patří:

• biologické účinky světla na člověka (biologické hodiny),
• účinky optického záření na citlivé materiály (výstavní prostory),
• účinky světla dopadajícího mimo osvětlovaný prostor (obtěžující světlo),
• tepelné zatížení prostoru.

2.3 Parametry technických zařízení
Mezi technická zařízení v rámci osvětlovací soustavy patří svítidla, světelné zdroje, řídicí systémy atd. Jejich kvalitu a parametry je zpravidla schopna posoudit opět jen odborná veřejnost. Projevují se v těchto oblastech:

• bezpečnost,
• energetická náročnost,
• náročnost údržby,
• elektrické, akustické, teplotní parametry,
• ovládání a řízení.

3. Základy kvality osvětlovací soustavy

Cílem předchozí analýzy bylo určení toho, z jakých pohledů může kvalitu osvětlovací soustavy vnímat laická i odborná veřejnost a jakým způsobem ji může hodnotit nebo popisovat. Aby bylo možné kvalitu osvětlovací soustavy ovlivňovat, je třeba popsat příčiny, které se podílejí na vytváření zmíněných projevů. Pro praxi je vhodné tyto příčiny sloučit do určitých tematických celků (hledisek), z nichž by návrh osvětlení vycházel. Míra významu jednotlivých hledisek zpravidla závisí na oblasti použití. V rámci předchozí úvahy byly příčiny ovlivňující kvalitu osvětlení zařazeny do těchto skupin:

1. světelnětechnické hledisko,
2. architektonické hledisko,
3. provoznětechnické hledisko,
4. hledisko sekundárních vlivů.

3.1 Světelnětechnické hledisko
Do této skupiny patří světelnětechnické veličiny přímo charakterizující světelné prostředí. Ty lze rozdělit do dvou skupin: normativní a doporučené veličiny. Normativní veličiny jsou základní světelnětechnické veličiny, které zpravidla souvisejí s bezpečností a zrakovým výkonem, doporučené veličiny většinou souvisejí s kvalitativními charakteristikami osvětlení.

3.2 Architektonické hledisko
Architektonické hledisko souvisí s estetikou a obecným komplexním vjemem prostoru. Převážně je vyjadřováno slovně, popř. graficky – jako popis určité atmosféry. U architektonického hlediska lze rozlišovat jednak přímé světelné účinky osvětlení a jednak vizuální působení technických prostředků, zpravidla svítidel. Architektonické hledisko výrazně ovlivňuje výsledný vizuální charakter prostoru a prostředí, ale nepodléhá doporučením ani normám.

3.3 Provoznětechnické hledisko
Mezi provoznětechnická hlediska patří parametry a provozní vlastnosti svítidel, světelných zdrojů a dalších technických zařízení, které jsou součástí osvětlovací soustavy. Část technických parametrů charakterizujících bezpečnost provozu podléhá normám. Jde např. o krytí svítidel, třídu izolace atd.

3.4 Hledisko sekundárních vlivů
Sekundární vlivy zahrnují projevy osvětlovací soustavy, které nesouvisejí s vlastním osvětlením řešeného prostoru. Jednou z příčin těchto projevů je viditelné záření, které dopadá mimo osvětlovaný prostor a určitým, zpravidla negativním způsobem ovlivňuje okolní prostředí. Druhou příčinou je mimovizuální účinek osvětlovací soustavy, který opět může ovlivňovat dané prostředí (působení UV záření, biologický vliv osvětlení na člověka, tepelné zatížení prostoru apod.).

4. Zvýšení kvality osvětlovací soustavy

Z předchozího popisu hlavních hledisek návrhu osvětlení, které různou měrou ovlivňují kvalitu osvětlovací soustavy, lze vyvodit závěry:

1. V případě, že se návrh osvětlení striktně drží pouze požadavků norem, je zřejmé, že z uvedených čtyř hledisek jsou respektovány pouze dvě, světelnětechnické a provoznětechnické. Navíc jsou tato hlediska většinou respektována pouze částečně.

2. Z hlediska světelné techniky lze kvalitu osvětlovací soustavy zvyšovat využíváním (vedle normativních parametrů) doporučených parametrů, kterými je možné popisovat další charakteristiky světelného prostředí. Dále lze kvalitu návrhu osvětlení ovlivňovat využíváním nových výsledků výzkumů v oblasti světelné techniky.

3. Osvětlovací soustavu a návrh osvětlení nelze z pohledu výsledné kvality redukovat pouze na hledisko energetické náročnosti, vizuálního působení nebo sekundárního vlivu osvětlovací soustavy.

4. Pro kvalitu návrhu osvětlení je důležitá mezioborová spolupráce, hlavně v případě celkového vzhledu prostředí a jeho atmosféry a v případě sekundárních vlivů osvětlovací soustavy.

Tab. 1. Jas stropu (cd/m²) a míra oslnění pro svíticí stropy a rovnoměrné nepřímé osvětlení při osvětlenosti srovnávací roviny E_av = 1 000 lx

4.1 Doporučené světelnětechnické parametry
V následující části je uveden příklad, jak je možné návrh osvětlení zlepšit využitím nových doporučení v oblasti oslnění. V současné době se pro hodnocení oslnění ve vnitřních pracovních prostorech používá metoda UGR. Ta je použitelná pro určité rozmezí vyzařovacích ploch svítidel. V běžných interiérech ji lze použít pro zdroje světla s vyzařovací plochou v rozsahu přibližně od 0,005 do 1,5 m³ [3]. Pro malé zdroje světla je metoda UGR příliš přísná a pro zdroje světla s rozlehlou vyzařovací plochou je příliš tolerantní. V praxi se vyskytují případy, např. oslnění od holé žárovky nebo od svítícího stropu, kdy tuto metodu není možné použít.

V rámci technické skupiny CIE TC 3-01, mimo jiné zmiňovaná v TNI 36 0450 [4], byla vydána technická zpráva CIE 147/2002 [3], ve které je navržen možný způsob řešení. Navržené řešení vychází ze současné stupnice UGR pro hodnocení oslnění, čímž je usnadněno vzájemné porovnávání hodnot. Výsledky výzkumů a experimentálních měření potvrdily, že u bodových zdrojů světla oslnění souvisí se svítivostí oslňujícího zdroje, ne s jeho jasem. Na základě zmíněného zjištění byla navržena tato úprava ve vzorci pro stanovení UGR:

Kde I je svítivost zdroje světla směrem k pozorovateli (cd), L jas zdroje světla směrem k pozorovateli (cd/m2), w prostorový úhel, pod kterým je vidět zdroj světla (sr), p činitel polohy (–), r vzdálenost zdroje světla od pozorovatele (m).

Ve zprávě je uveden případ hodnocení oslnění od 15W čiré žárovky v konkrétní poloze s definovaným jasem pozadí. Jestliže se v tomto případě použije pro hodnocení oslnění běžný vzorec UGR, je míra rušivého oslnění UGR = 39. Při úpravě běžného vzorce UGR vztahem (1) je UGR = 22.

Druhým důležitým případem jsou osvětlovací soustavy se svítidly, jejichž vyzařovací plocha je větší než 1,5 m². Pro tuto situaci je zaveden nový parametr určující míru oslnění GGR. Stupnice hodnocení míry oslnění u GGR je významově totožná se stupnicí UGR.

Kde CC je činitel pokrytí stropu svítidly (0,152 až 1), L jas zdroje světla směrem k pozorovateli (cd/m²), w prostorový úhel, pod kterým je vidět zdroj světla (sr), p činitel polohy, E_d přímá osvětlenost v rovině oka od zdroje světla (lx), E_i nepřímá osvětlenost v rovině oka (lx), GGR míra oslnění pro velké zdroje (great-room) glare rating.

V tab. 1 jsou porovnány rozdíly v hodnocení oslnění pomocí UGR a GGR pro svíticí stropy nebo pro rovnoměrné nepřímé osvětlení místnosti při těchto vstupních parametrech: osvětlenost srovnávací roviny E_av = 1 000 lx, činitele odrazu r_stropu = 0,7, r_podlahy = 0,2.

5. Závěr

Cílem příspěvku bylo představit obecnější pohled na kvalitu osvětlovací soustavy a na návrh osvětlení. Příspěvek se snaží nalézt způsoby, jak vyjádřit podstatu kvality osvětlovací soustavy tak, aby toto vyjádření bylo co nejkomplexnější a přitom jednoduché a pochopitelné. Z rozboru použitých úvah je zřejmé, že pro navržení kvalitní a promyšlené osvětlovací soustavy nestačí pouze dodržet požadavky norem, ale že je třeba respektovat a kontrolovat mnoho dalších hledisek.

Literatura:
[1] CIE x015-1998. Proceedings of the First CIE Symposium on Lighting Duality, National Research Council Canada, Ottawa/Ontario, Canada, květen 1998, ISBN 3900734917.
[2] HABEL, J. – ŽÁK, P.: Perspektivy světelné techniky. Kurz osvětlovací techniky XXIV, Ostrava, 2005.
[3] 146:2002/147:2002 CIE Collection on Glare 2002, ISBN 3901906150.
[4] TNI 36 0450 Rušivé oslnění při osvětlení vnitřních prostorů. ČNI, říjen 2004.

(Tento příspěvek autor přednesl na Kurzu osvětlovací techniky XXV v Ostravě v říjnu 2006.)