Udržiavací činiteľ osvetľovacích sústav z pohľadu normalizačnej činnosti

Návrh ani meranie osvetľovacích sústav nie sú mysliteľné bez zohľadnenia prevádzkových vplyvov, ktoré majú dopad na krátkodobé a dlhodobé zmeny parametrov osvetlenia počas života osvetľovacej
sústavy.

1. Úvod

Návrh ani meranie osvetľovacích sústav nie sú mysliteľné bez zohľadnenia prevádzkových vplyvov, ktoré majú dopad na krátkodobé a dlhodobé zmeny parametrov osvetlenia počas života osvetľovacej sústavy. K najvýznamnejším patria tie, ktoré predstavujú postupné znižovanie úrovne osvetlenia, dajú sa však kompenzovať údržbou osvetľovacej sústavy. Udržiavací činiteľ v sebe kombinuje viaceré takéto vplyvy. Vyjadruje najväčší pokles úrovne osvetlenia (osvetlenosti alebo jasu), o ktorú sa musí osvetľovacia sústava pri návrhu „predimenzovať“, aby v každom čase v rámci uvažovanej životnosti a za stanovených podmienok boli dodržané návrhové parametre osvetlenia.

I keď význam udržiavacieho činiteľa možno chápať ako podstatný, doteraz nebola vypracovaná žiadna medzinárodná (alebo európska) norma, ktorá by túto problematiku riešila. V praxi sa tak používajú odporúčania Medzinárodnej komisie pre osvetlenie CIE – pre vnútorné osvetľovacie sústavy platí technická správa CIE 97:2005 [1], pri vonkajších osvetľovacích sústavách sa uplatňuje CIE 154:2003 [2]. Oba tieto dokumenty sú navyše zastaralé, neodrážajú súčasnú technickú úroveň svetelných zdrojov a svietidiel, nie sú v súlade s charakteristikami čistoty prostredia a vážnejšie problémy možno nájsť aj v samotnom vymedzení pojmu udržiavacieho činiteľa, resp. jeho zložiek.

Je zrejmé, že vzhľadom na význam udržiavacieho činiteľa a jeho aplikáciu v praxi je nevyhnutné vypracovať medzinárodne dohodnuté postupy a požiadavky. To je úlohou príslušných normalizačných organizácií, plne v súlade s cestovnou mapou ISO a CEN pre normalizáciu v oblasti svetla a osvetlenia [4].

2. Prevádzkové zmeny osvetľovacích sústav

Všetky osvetľovacie sústavy sa od okamihu uvedenia do prevádzky postupne znehodnocujú (obr. 1). Straty sú spôsobené usadzovaním nečistôt, starnutím svetelných zdrojov a svietidiel atď. Ak tento jav nebude braný do úvahy, úroveň osvetlenia sa postupne zníži na veľmi nízke hodnoty, osvetľovacia sústava sa stane energeticky neúčinnou a neestetickou. Keďže znižovanie úrovne osvetlenia je postupné, užívatelia priestoru ho nemusia registrovať. To však za nejaký čas môže vyvolávať zrakovú únavu, zvýšiť chybovosť, a dokonca aj viesť k úrazom. Časovú stratu svetelného toku treba odhadnúť už v etape projektovania osvetľovacej sústavy a do výpočtu zahrnúť príslušnú opravu vo forme udržiavacieho činiteľa. Svetelnotechnický projekt musí byť vypracovaný tak, aby bral do úvahy celkový udržiavací činiteľ vypočítaný pre zvolenú osvetľovaciu sústavu, dané prostredie a stanovený plán údržby. Udržiavací činiteľ závisí od pracovných charakteristík svetelných zdrojov a predradníkov, svietidiel, charakteru prostredia a plánu údržby.

Obr. 1. Zmena osvetlenosti v priebehu života osvetľovacej sústavy: príklad pre priemyselné svietidlo s horným reflektorom pre lineárnu žiarivku pri individuálnej výmene svetelných zdrojov (čitelnější obrázek je na konci stránky v galerii!)

Nevratné zmeny sú vlastné osvetľovacej sústave a nedajú sa zlepšiť bežnou údržbou alebo nie je ekonomické ich zlepšovať. K nevratným zmenám patrí napr. starnutie a degradácia materiálov (žltnutie a matnutie plastov, korózia kovových povrchov, strata odrazivosti hliníkových plechov atď.). Pokladajú sa za všeobecne nevýznamné (<3 %), ale pri vypracúvaní projektovej dokumentácie osvetľovacej sústavy ich treba zohľadniť spolu s plánom údržby a s výberom zariadenia pre dané prostredie.

V súčasnosti je potrebné k nevratným zmenám zaradiť aj zmeny svetelného toku LED zdrojov, ktoré nie sú vo svietidlách vymeniteľné. Pokles svetelného toku LED a ich funkčnú spoľahlivosť je preto nutné vztiahnuť na predpokladanú (menovitú) životnosť LED svietidla. Tým sa však mení koncepcia doterajších prístupov pri stanovení udržiavacieho činiteľa.

Vratné zmeny sa dajů zlepšiť rutinnou údržbou. Patrí sem znečistenie svietidiel, znečistenie povrchov miestností, pokles svetelného toku zdrojov atď. V pláne údržby je potrebné presne špecifikovať tieto zmeny a spôsob ich odstránenia (vrátane časového plánu).

Existujú tiež prípady, keď sa vplyv prostredia výrazne podpisuje na degradácii materiálov svetelnočinných častí svietidiel. Ide napr. o svietidlá prevádzkované v špinavom a mastnom prostredí, kde sa
častice prachu a oleja pod vplyvom vysokej teploty svetelného zdroja zapečú do povrchu reflektora či difúzora. Bežnými postupmi údržby tieto zmeny nie je možné odstrániť. Niekedy je riešením výmena svetelnočinných častí na náhradné diely, čo ale musí byť podložené technicko-ekonomickým výpočtom. Ináč je potrebné plánovať kratšiu životnosť svietidla alebo akceptovať trvalé zníženie svetelného toku svietidla, ktoré sa časom môže spomaliť až ustáliť.

Na úroveň osvetlenia pôsobia aj ďalšie prevádzkové vplyvy, ktoré s údržbou nesúvisia. Ide napr. o napätie v svetelnom obvode a teplotu prostredia. Tieto vplyvy môžu mať pritom stochastický aj predikovateľný charakter. Pri napätí môže ísť o úbytok napätia v obvode pri známej vzdialenosti od zdroja napájania (treba napr. zohľadniť trvalé podpätie v sieti pri väčšej vzdialenosti od transformačnej stanice), podobne sa dá zohľadniť trvale/dlhodobo predpokladaná zvýšená alebo znížená teplota prostredia. Náhodné zmeny, ako je kolísanie napätia či krátkodobé prevádzkové fluktuácie, sa vyhodnocujú ťažšie.

Prevádzkové vplyvy, ktoré nesúvisia s údržbou osvetľovacej sústavy, nie sú súčasťou udržiavacieho činiteľa. Natíska sa potom otázka, či majú byť jeho súčasťou nevratné zmeny, ktoré nie je možné údržbou napraviť. Pri LED zdrojoch teda aj ich životnostné charakteristiky, ktoré v súlade so súčasnými prístupmi súčasťou udržiavacieho činiteľa sú.

3. Udržiavací činiteľ a jeho zložky

Udržiavací činiteľ f_M (Maintenance Factor,
MF) sa skladá z týchto zložiek:
- činiteľ starnutia svetelných zdrojov f_LLM (Lamp Luminous Flux Maintenance Factor, LLMF),
- činiteľ funkčnej spoľahlivosti svetelných zdrojov f_LS (Lamp Survival Factor, LSF),
- činiteľ znečistenia svietidiel f_LM (Luminaire Maintenance Factor, LMF),
- činiteľ znečistenia povrchov miestnosti f_RSM (Room Surface Maintenace Factor, RSMF).
Udržiavací činiteľ MF sa vypočíta súčinom jeho jednotlivých zložiek:

Udržiavací činiteľ má zásadný vplyv na energetickú účinnosť osvetľovacej sústavy. Predpoklady použité na stanovenie hodnoty udržiavacieho činiteľa musia byť optimalizované tak, aby viedli k jeho vysokým hodnotám. Všetky predpoklady však musia byť zdokumentovateľné a obhájiteľné. Ak sa udržiavací činiteľ poddoccení, na konci obdobia medzi údržbami nebudú dosiahnuté normou požadované (alebo návrhové) parametre osvetlenia. Ak sa naopak precení, výsledkom budú neodôvodnené vysoké investičné a prevádzkové náklady osvetlenia.

3.1 Činiteľ starnutia a činiteľ funkčnej spoľahlivosti svetelných zdrojov
Postupné znižovanie svetelného toku aj možnosť predčasného zlyhania počas života vykazujú všetky druhy svetelných zdrojov. Činiteľ starnutia svetelných zdrojov LLMF a činiteľ funkčnej spoľahlivosti svetelných zdrojov LSF je potrebné určiť z príslušných kriviek, ktoré poskytuje výrobca svetelných zdrojov. Údaje sú zvyčajne dostupné v tabuľkovej forme pre obmedzený výber prevádzkových časov, v prípade potreby sa však údaje dajú interpolovať. Údaje sú zverejnené napr. na internete alebo sú implementované do výpočtového programu pre návrh osvetlenia.

V prípade LED zdrojov sa nepredpokladá ich pravidelná výmena, preto sa údaje o poklese svetelného toku pre kratšie prevádzkové časy zvyčajne neuvádzajú alebo nie sú bežne dostupné. Miesto toho sa charakterizuje pokles svetelného toku na konci života LED zdroja alebo se naopak stanovuje menovitá životnosť zdroja pre vopred určený pokles svetelného toku.

Podobne to platí aj pre funkčnú spoľahlivosť LED zdrojov. Medzinárodné štandardy zatiaľ zavedené nie sú. Na celom svete sa akceptujú normy Severoamerickej svetelnotechnickej spoločnosti IESNA,
a to IES LM-79 [5], LM-80 [6] a TM-21 [7]. Vzhľadom na veľmi dlhú životnosť (asi 100 000 h) sa metodika merania životnostných parametrov opiera o akceleračné testy a následnú extrapoláciu údajov. Používajú sa tieto životnostné parametre:

Životnosť poklesu svetelného toku (L): koniec života sa dosiahne vtedy, keď svetelný tok zdroja bude na úrovni xx % počiatočnej hodnoty svetelného toku (napr. L80 alebo L70) (Lumen Depreciation Lifetime).

Životnosť spoľahlivosti svetelného toku (B) predstavuje časový interval, po uplynutí ktorého yy % svetelných zdrojov bude mať svetelný tok menší ako parameter Lxx (napr. B50) (Lumen Maintenance Lifetime).

Životnosť elektrickej spoľahlivosti (F) predstavuje časový interval, po uplynutí ktorého zz % svetelných zdrojov zlyhá úplne, t. j. nebude vôbec svietiť (napr. F10) (Electrical Failure Lifetime).

Keďže sa spoľahlivostné parametre viažu na konkrétny pokles svetelného toku, uvedené životnostné parametre sa musia uvádzať kombinovane, napr. L80 B50, L70 B50 F10 a pod.

Funkčná spoľahlivosť svetelných zdrojov sa doteraz neuplatňovala vo vonkajších osvetľovacích sústavách, kde sa používajú najmä jednozdrojové svietidlá a kde výpadok svietidla má výraznejší vplyv na rozloženie intenzity osvetlenia alebo jasu na porovnávacej rovine (svetlo je výrazne smerované, neodráža sa od stien a stropu). So zložkou udržiavacieho činiteľa LSF publikácia CIE 154 preto neuvažuje. S príchodom viaczdrojových LED svietidiel sa však situácia mení a za určitých podmienok sa dá uvažovať s menšími predčasnými zlyhaniami. Zlyhanie jedného LED zdroja však nesmie spôsobiť nefunkčnosť celého svietidla a nesmie sa výrazne narušiť rozloženie svetelného toku zo svietidla. Týmto podmienkam vyhovujú svietidlá s väčším počtom LED zdrojov, ktoré sa skladajú z viacerých rovnocenných LED modulov.

3.2 Činiteľ znečistenia svietidiel
Činiteľ poklesu svetelného toku vplyvom znečistenia svietidla LMF sa v publikáciách CIE uvádza tabuľkovou formou v závislosti od miery znečistenia prostredia, konštrukčnej kategórie svietidla a intervalov čistenia. Aktuálne publikácie CIE 97 a CIE 154 boli síce vydané po roku 2000, údaje LMF v nich uvedené však pochádzajú z oveľa dávnejších období, 60. až 80. rokov 20. storočia. V dnešných podmienkach sú tieto údaje takmer nepoužiteľné, veď pri želaných cieľových hodnotách udržiavacieho činiteľa okolo f_M = 0,8 už len zložka LMF ukrojí príliš veľký podiel. Napríklad pri trojročných cykloch čistenia svietidiel v normálnom prostredí a pre bežné konštrukčné typy svietidiel tabuľka uvádza f_LM = 0,6 až 0,8. Súčasné pracoviská sú oveľa čistejšie tak v priemysle, ako aj v administratíve (klimatizované miestnosti). Prísnejšie požiadavky na čistotu ovzdušia sú aj vo vonkajšom prostredí, napr. na pozemných komunikáciách vyššie intenzity premávky kompenzujú podstatne nižšie emisie výfukových plynov, vo všeobecnosti nižšia je aj prašnosť od prejazdu vozidiel. To sa zatiaľ v hodnotách zložky LMF neodráža.

Prekážkou aktualizácie údajov LMF v publikáciách CIE je zatiaľ nedostatok publikovaných výsledkov z meraní znečistenia svietidiel, ktoré boli vystavené rôznym podmienkam prostredia. Dostupné údaje od prevádzkovateľov osvetľovacích sústav a od výrobcov svietidiel (ktorí takéto sledovania takisto realizujú) je potrebné skonsolidovať. Dá sa však uvažovať aj odlišný prístup: podobne ako pri svetelných zdrojoch, aj pri svietidlách sa určenie zložiek LMF pre rôznu čistotu prostredia dá položiť na plecia výrobcov svietidiel. Meraniu by sa musel podrobiť každý typový rad svietidla, merania sa by sa prípadne mohli zosúladiť so skúškami na stupeň krytia svietidla IP [8]. Musia sa však stanoviť presné podmienky a postupy takýchto skúšok. Naproti tomu získané údaje by boli veľmi presné pre konkrétny typ (typový rad) svietidla – so zohľadnením jeho konkrétnej konštrukcie, čo sa týka spôsobu prúdenia prachu okolo svietidla v daných termomechanických podmienkach, adhézie prachu a nečistôt na povrchu svetelnočinných častí a pod. 

Stále však zostáva problém dostatočného definovania čistoty prostredia. Tá je v súčasnosti v publikáciách CIE popísaná len vágne. Pre vnútorné osvetľovacie sústavy sa rozlišujú štyri kategórie (veľmi čisté, čisté, normálne, znečistené) iba prostredníctvom typických príkladov. Pre vonkajšie prostredie sa rozlišujú tri kategórie uvedené príkladmi a hodnotami suspenzie prachových častíc vo vzduchu takto:
- vysoké znečistenie (>600 μg/m³),
- stredné znečistenie (150 až 600 μg/m³),
- nízke znečistenie (≤150 μg/m³).

Takéto rozsahy hodnôt suspenzie sú v dnešných podmienkach neaplikovateľné – limitné hodnoty častíc PM10 z hľadiska ochrany ovzdušia sú výrazne nižšie! Chýba tu nadväznosť aj na ďalšie dôležiudržiavaná té normy, ako je STN 33 2000-5-51 [9] pre vonkajšie vplyvy v nadväznosti na normu STN EN 60721-3-3 [10], určujúcu klasifikáciu podmienok prostredia v miestach chránených pred poveternostnými vplyvmi (vnútorné prostredie), a normu STN EN 60721-3-4 [11], určujúcu klasifikáciu podmienok prostredia v miestach nechránených pred poveternostnými vplyvmi (vonkajšie prostredie). Pripomeňme, že vonkajšie vplyvy sa určujú protokolárne, sú východiskovým podkladom pre návrh elektroinštalácie a môžu rovnako dobre slúžiť ako podklad pre návrh osvetlenia, buď v rámci samostatnej dokumentácie, alebo ako súčasť projektu elektroinštalácie. Z hľadiska prašnosti prichádzajú do úvahy tieto vonkajšie vplyvy charakterizované nielen suspenziou prachu (v mg/m3), ale aj jeho sedimentáciou (usádzaním) na povrchoch (v mg/m²):
– AE4: malá prašnosť (10 až 35 mg/m², 5 mg/m³),
– AE5: stredná prašnosť (35 až 350 mg/m², 15 mg/m³),
– AE6: silná prašnosť (350 až 1 000 mg/m², 20 mg/m³).

Bolo by dobré vybudovať nadväznosť kriviek LMF na systém vonkajších vplyvov. V praxi sa prašnosť, resp. znečistenie prostredia dá zisťovať meraním. Bude sa však musieť vyriešiť viacero súvisiacich otázok, ako napr. znečistenie inými polutantmi ako prachom a ich vplyv na svetelnočinné časti svietidiel (v špecifických priemyselných prostrediach), sedimentácia prachu na povrchoch svietidiel v hornej časti priestoru líšiaca sa od sedimentácie na horizontálnom povrchu v dolnej časti priestoru atď.

3.3 Činiteľ znečistenia povrchov miestnosti
Hneď na začiatku treba upozorniť, že činiteľ znečistenia povrchov miestnosti RSMF sa uplatňuje len vo vnútornom prostredí, neuvažuje sa vo vonkajšom prostredí podľa CIE 154. V prípade verejného osvetlenia je to pochopiteľné, ale je to správne pri iluminácii alebo tam, kde fasády majú dôležité miesto pri osvetlení námestia alebo uličky?

V publikácii CIE 97 sa zložka RSMF uvádza v závislosti od činiteľov odrazu všetkých hlavných povrchov (steny, strop, podlaha), rozloženia svetelného toku nainštalovaných svietidiel (tri stupne – priame, zmiešané a nepriame) a stupni znečistenia prostredia (štyri kategórie čistoty). Pre čistotu prostredia platia približne rovnaké úvahy ako pri zložke LMF pre svietidlá (viď bod 3.2), rozdiely sú v adhézii prachu na povrchy miestnosti a v sedimentácii prachu na rôzne časti týchto plôch v miestnosti (stredy stien, kúty).

Publikácia CIE 97 vôbec nerieši vplyv tvaru miestnosti na hodnotu RSMF, údaje uvádza paušálne pre faktor tvaru k = 2,5, čo je miestnosť tvaru kvádra s vyrovnaným pomerom jednotlivých strán. Je však viac než zrejmé, že vplyv úzkych vysokých miestností bude úplne iný ako v prípade veľkoplošných miestností bežnej výšky – tam bude vplyv stien v skutočnosti zanedbateľný a použitím hodnôt RSMF z publikácie CIE 97 bude zbytočne predimenzované osvetlenie. Aj klasifikácia osvetlenia na priame, zmiešané a nepriame je nadmerne zjednodušená a nezohľadňuje skutočnú mieru využitia povrchov miestnosti pri odraze svetla od svietidiel.

Činiteľ znečistenia povrchov miestnosti RSMF sa jednoznačne viaže na údržbu. Z praktických dôvodov však stojí za úvahu, či by nebolo lepšie zahrnúť znečistenie povrchov priamo do hodnoty odrazivosti – takýto prístup by dával aj presnejšie výsledky.

4. Aktuálne normalizačné aktivity v oblasti udržiavacieho činiteľa

Odborná verejnosť už dlho volá po modernizácii prístupov v oblasti udržiavacieho činiteľa, aktualizácii publikácií CIE 97 a CIE 154 a povýšení týchto dokumentov na normatívny status. To však vyžaduje realizáciu patričného objemu výskumných úloh, čo naráža na problémy technického aj finančného charakteru. Spomeňme napr. neúspešnú výzvu na vypracovanie technickej normy pre činiteľ znečistenia svietidiel LMF, ktoré sa malo uskutočniť pod mandátom Európskej komisie č. M/485. Podmienky výzvy boli špecifikované tak neurčito a nevýhodne, že verejného obstarávania na spracovanie normy sa nezúčastnil ani minimálny počet záujemcov, a to ani na tretíkrát. Takto možnosť vypracovania normy pod mandátom Európskej komisie nadobro zanikla. Téma udržiavacieho činiteľa je však v CEN (Európska komisia pre normalizáciu) identifikovaná ako požiadavka najvyššej priority, ako to uvádza aj cestovná mapa CEN pre normalizáciu v oblasti svetla a osvetlenia. 

Medzičasom sa normalizačných aktivít chopila Medzinárodná organizácia pre normalizáciu ISO v technickej komisii TC 274 Svetlo a osvetlenie. Počnúc posledným plenárnym zasadnutím tejto komisie v júli 2016 v Turíne sa začala vytvárať nová pracovná skupina WG3 Maintenance Factor (udržiavací činiteľ), ktorá začne svoju činnosť v prvom polroku 2017. Na činnosti pracovnej skupiny WG3 bude participovať Medzinárodná komisia pre osvetlenie CIE prostredníctvom prierezovej technickej komisie JTC (zrejme dostane číslo 10), ktorá sa aktuálne zakladá. Okrem toho sa v CIE uvažuje o vytvorení samostatných technických komisií, ktoré by riešili fundamentálne otázky udržiavacieho činiteľa – na rozdiel od ISO a JTC, ktoré budú zamerané na normatívne ustanovenia. Ani tu však ešte nie je celkom jasné, či výstupom CIE/ISO má byť technická norma, alebo len technická správa.

5. Záver

Vo svetelnotechnickej praxi má udržiavací činiteľ mimoriadny význam a absencia tak dôležitej normy v tejto oblasti je skutočne citeľná. Veľmi pozitívne treba preto hodnotiť všetky snahy o vypracovanie vhodného normatívneho dokumentu. Predovšetkým ale treba posilniť výskum udržiavacieho činiteľa – je to vďačný námet výskumu, veď otázok a problémov spomenutých v tomto článku je viac než dosť. A dali by sa nájsť ďalšie, o ktorých sa ešte toľko nehovorí, ale ich význam je nespochybniteľný, napr.:
– Ako zohľadniť prach pevne usadený v úzkych drážkach prizmatických difúzorov alebo Fresnelových šošoviek LED zdrojov, ktorý sa čistením nedá efektívne odstrániť?
– Ako zohľadniť zmenu rozloženia svetelného toku zo svietidla pri silnejších vrstvách usadeného prachu na svetelnočinných častiach, keď kritické nie je zníženie svetelného toku zo svietidla, ale zmeny v rozložení intenzity osvetlenia na porovnávacej rovine? Keď sa zo svietidla s dvojito parabolickou vysokoodraznou mriežkou stane takmer difúzor?

Literatúra:
[1] CIE 97:2005. Maintenance of Indoor Electric Lighting Systems. 2nd Edition.
[2] CIE 154:2003. The Maintenance of Outdoor Lighting Systems.
[3] STN EN 12464-1:2012. Svetlo a osvetlenie. Osvetlenie pracovísk. Časť 1: Vnútorné pracoviská.
[4] GAŠPAROVSKÝ, D. Cestovná mapa pre technickú normalizáciu v oblasti osvetlenia. Světlo, 1/2017, s. 39–41.
[5] IES LM-79:2008. Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products.
[6] IES LM-80:2008. Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources.
[7] IES TM-21:2011. Lumen degradation lifetime estimation method for LED light sources.
[8] STN EN 60529:1993. Stupne ochrany krytom (krytie – IP kód).
[9] STN 33 2000-5-51:2010. Elektrické inštalácie budov. Časť 5-51: Výber a stavba elektrických zariadení. Spoločné pravidlá.
[10] STN EN 60721-3-3:1999. Klasifikácia podmienok prostredia. Časť 3: Klasifikácia skupín parametrov prostredia a stupňov ich prísnosti. Oddiel 3: Stacionárne použitie na miestach chránených proti poveternostným vplyvom.
[11] STN EN 60721-3-4:1999. Klasifikácia podmienok prostredia. Časť 3: Klasifikácia skupín parametrov prostredia a stupňov ich prísnosti. Oddiel 4: Stacionárne použitie na miestach nechránených proti poveternostným vplyvom.

---

Vyšlo v časopise Světlo č. 2/2017 na straně 44.
Článek v elektronické listovací verzi časopisu Světlo č. 2/2017 naleznete zde.