P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I W A R S Z A W S K I E J z. 96 Transport 2013

Marcin Chrzanowicz

Politechnika Warszawska, Wydzia� Elektryczny

WST�PNE ZA�O�ENIA DO AUDYTU O�WIETLENIA DROGOWEGO

R�kopis dostarczono, kwiecie� 2013

Streszczenie: W niniejszym artykule poruszono kwesti� celowo�ci wykonywania kompleksowej oceny jako�ci o�wietlenia drogowego w kontek�cie poprawy bezpiecze�stwa ruchu drogowego w porze nocnej oraz zwi�kszenia efektywno�ci wykorzystania energii elektrycznej. Podano kryteria o�wietleniowe i elektryczne podlegaj�ce kontroli i ocenie. Zosta� przedstawiony sposób wykonywania bada� na drodze (w oparciu o normy i zalecenia). Przedstawiono równie� wyniki pomiarów wraz z analiz� jako�ci o�wietlenia dla przyk�adowego odcinka drogowego. Wskazano dalsze kierunki rozwoju maj�ce na celu zwi�kszenie rzetelno�ci wykonywania oceny. Nawi�zuj�c do zalece� Komisji Europejskiej jako istotny czynnik uwzgl�dniono energoch�onno�� instalacji o�wietleniowej. S�owa kluczowe: technika �wietlna, pomiary o�wietleniowe, o�wietlenie drogowe

1. CEL WYKONYWANIA AUDYTU O�WIETLENIA DROGOWEGO

W celu zapewnienia w�a�ciwego poziomu jako�ci o�wietlenia drogowego niezb�dna jest weryfikacja jego parametrów �wietlnych bezpo�rednio po monta�u oraz kontrola w za�o�onych interwa�ach czasowych (co 1 - 3 lat). Do oceny stanu instalacji o�wietlenia zalecane jest wykonanie kompleksowego audytu, który oprócz wskaników czysto o�wietleniowych uwzgl�dni aspekt ekonomiczny oraz ekologiczny (emisja szkodliwych substancji do atmosfery). Profesjonalnie przeprowadzony audyt, czyli wykonany zgodnie z Polsk� Norm�, przez odpowiednio przeszkolony personel oraz z wykorzystaniem certyfikowanego sprz�tu pomiarowego jest gwarancj� rzetelnego wykonania i funkcjonowania instalacji o�wietlenia ulicznego oraz poprawy bezpiecze�stwa ruchu drogowego w porze nocnej. Racjonalne gospodarowanie energi� elektryczn� (poprzez wykorzystanie efektywnych technologii) pozwala na oszcz�dno�ci ekonomiczne oraz ogranicza emisj� szkodliwych substancji do atmosfery. Jednak nale�y pami�ta� ze oszcz�dno�ci finansowe nie mog� usprawiedliwia� niespe�nienia norm o�wietleniowych (np. wy��czanie cz��ci o�wietlenia).

Wykonanie audytu o�wietleniowego jest te� cz�sto wymogiem koniecznym do

118 Marcin Chrzanowicz

wyst�powania o dotacj� na modernizacj� o�wietlenia ulicznego. Dalsze prace badawcze maj� na celu opracowanie kryteriów i wytycznych do wykonywania kompleksowego audytu o�wietlenia drogowego, którego zakres obecnie nie jest jasno i precyzyjnie sformu�owany.

2. PARAMETRY �WIETLNE PODLEGAJ�CE OCENIE

Pomiary o�wietlenia ulicznego powinny by� przeprowadzone zgodnie z Polsk� Norm� PN-EN 13201-2:2007 „O�wietlenie dróg”, w której zawarte wymagania dotycz� nast�puj�cych kryteriów:

a)kryterium nat��enia o�wietlenia, b)kryterium luminancji.

Zastosowanie kryterium (nat��eniowego lub luminancyjnego) zale�y od klasy o�wietleniowej danej ulicy.

W przypadku pomiarów parametrów nat��enia o�wietlenia wykonuje si� je za pomoc� wzorcowanego miernika nat��enia o�wietlenia. Badania s� prowadzone w �ci�le okre�lonej norm� siatce punktów pomiarowych. Po dokonaniu pomiaru obliczane s� parametry u�yteczne uwzgl�dniane w wymaganiach fotometrycznych norm o�wietleniowych.

W przypadku parametrów luminancji pomiar mo�e by� wykonywany za pomoc� punktowych (klasycznych) lub matrycowych (matryca wielu punktów uzyskiwana z jednego pomiaru) mierników luminancji. Szczegó�owe wymagania dotycz�ce sposobu pomiaru jak i wymagania luminancyjne dotycz�ce o�wietlenia ulicznego zawarte w Polskiej Normie dla wybranych (najwy�szych) klas ME/MEW zdefiniowano w postaci nast�puj�cych kryteriów:

a)- luminancja �rednia jezdni, L�r [cd/m2], b)- równomierno�� luminancji ca�kowita, UO, c)- równomierno�� luminancji wzd�u�na, UL.

Ponadto istniej� wymogi dotycz�ce: a)- wskanika wzrostu warto�ci progowej kontrastu, TI [%], b)- wskanika o�wietlenia poboczy, SR.

Potrzeba wykonania bada� z uwzgl�dnieniem wszystkich przedstawionych powy�ej parametrów o�wietleniowych jest elementem niezb�dnym audytu o�wietleniowego.

Dodatkowo wprowadzony zosta� aspekt pomiarów wspó�czynników barwy emitowanego �wiat�a (parametry nie wymagane przez norm� o�wietleniow�):

a)rozk�ad widmowy promieniowania �wietlnego, b)wspó�czynnik oddawania barwy CRI, c)wspó�rz�dne trójchromatyczne, d)temperatura barwowa.

Rozk�ad widmowy �wiat�a emitowanego przez oprawy o�wietleniowe wyposa�one w pó�przewodnikowe ród�a �wiat�a (LED) zosta� przedstawiony na rys. 1.

Wst�pne za�o�enia do audytu o�wietlenia drogowego 119

Rys. 1. Rozk�ad widmowy oprawy wyposa�onej w ród�a �wiat�a typu LED

Wymagane poziomy luminancji oraz równomierno�ci rozk�adu (zgodnie z wymaganiem Polskiej Normy) dla przyk�adowej klasy ME (przewidzianej do stosowania na drogach dla ruchu ko�owego, na których dopuszczone i dozwolone s� �rednie i wysokie pr�dko�ci poruszania si� pojazdów) zosta�y przedstawione w tablicy nr 1.

Tablica 1

Parametry luminancyjne klas o wietleniowych ME

Klasa L�r [cd/m2]

Uo UL TI [%]

ME1 � 2 � 0,7 � 0,7 � 10 ME2 � 1,5 � 0,4 � 0,7 � 10

ME3a � 1 � 0,4 � 0,7 � 15 ME3b � 1 � 0,4 � 0,6 � 15 ME3c � 1 � 0,4 � 0,5 � 15 ME4a � 0,75 � 0,4 � 0,6 � 15 ME4b � 0,75 � 0,4 � 0,5 � 15 ME5 � 0,5 � 0,35 � 0,4 � 15 ME6 � 0,5 � 0,35 � 0,4 � 15

3. PARAMETRY ELEKTRYCZNE ORAZ ASPEKTY EKOLOGICZNE PODLEGAJ�CE OCENIE

W celu wykonania rzetelnego audytu o�wietlenia poza kryteriami o�wietleniowymi niezb�dne jest wykonanie analizy ekonomicznej, której zadaniem jest danie odpowiedzi na pytanie dotycz�ce skuteczno�ci �wietlnej o�wietlenia (ilo�ci �wiat�a wyra�onej w jednostkach nat��enia o�wietlenia lub luminancji odniesionej do mocy jednostkowej zainstalowanych róde� �wiat�a, wyra�onej w watach). Wynik uzyskany z analizy kryteriów o�wietleniowych odniesiony do ilo�ci zu�ywanej energii okre�la efektywno�� energetyczn� instalacji o�wietlenia drogowego i mo�e by� wskanikiem do raportów ekonomicznych. Innymi s�owy wskanikiem jest:

120 Marcin Chrzanowicz

a) moc zainstalowanych opraw (róde� �wiat�a) [W] przy za�o�eniu spe�nienia wymaga� normy o�wietleniowej,

b) redukcja emisji CO2 oraz innych szkodliwych substancji. W tablicy nr 2 zosta�y przedstawione obliczone warto�ci redukcji emisji szkodliwych substancji powsta�e w wyniku modernizacji o�wietlenia drogowego. W przyk�adowej kalkulacji za�o�ono:

a) ilo�� opraw podlegaj�cych modernizacji - 100 sztuk, b) redukcja zapotrzebowania na moc elektryczn� (dla ka�dej oprawy - np.

przy zastosowaniu opraw ze ród�ami typu LED) - 10 [W], moc oprawy przed modernizacj� - 73 [W], moc oprawy po modernizacji - 63 [W]

c) czas pracy oprawy - 10 [h/dob�] d) zu�ycie energii elektrycznej przed modernizacj� - 73 [W] x 3650 [h] x 100 szt. =

26645 [kWh] e) zu�ycie energii elektrycznej przed modernizacj� - 63 [W] x 3650 [h] x 100 szt. =

22995 [kWh] f) redukcja zu�ywanej mocy - 13,7 [%] g) obliczenie emisji: Ey = Eely x Wey

gdzie: Ey – roczna wielko�� emisji szkodliwej substancji y [Mg], Eely - roczne zu�ycie energii elektrycznej (MWh/rok), Wey - wskanik emisji wyra�ony w [Mg/MWh]

Tablica 2

Redukcja emisji szkodliwych substancji spowodowana modernizacj o wietlenia

Lp. Emitowany zwi�zek

Wskanik emisji

u�redniony dla regionu centralnego

Emisja przed modernizacj� o�wietlenia ulicznego

Emisja po modernizacji o�wietlenia ulicznego

Redukcja emisji spalin

redukcja [%]

Nazwa [g/kWh] [kg/rok] [kg/rok] [kg/rok]

1 Popió� lotny 0,07 1,87 1,61 0,26

2 SO2 2,44 65,15 56,11 9,04

3 NOx 1,36 36,31 31,27 5,04

4 CO 0,3 8,01 6,90 1,11

5 CO2 915 24430,27 21040,43 3389,85 14%

Podsumowuj�c niewielka modernizacja (ma�a ilo�� opraw oraz nieznaczna redukcja

mocy jednostkowej pobieranej przez opraw�) daje du�y efekt ekonomiczny i ekologiczny (bez utraty w�a�ciwo�ci o�wietleniowych instalacji).

Wst�pne za�o�enia do audytu o�wietlenia drogowego 121

4. METODYKA WYKONYWANIA POMIARÓW

W poni�szym rozdziale przedstawiono najwa�niejsze aspekty, które s� istotne podczas wykonywania audytu o�wietlenia drogowego - warunki wykonywania pomiarów:

Nawierzchnia drogi powinna by� sucha, uprz�tni�ta z zalegaj�cego piachu oraz charakteryzowa� si� dobrym stanem technicznym.

W celu unikni�cia wp�ywu �wiat�a obcego na wynik pomiaru zalecane jest ca�kowite wstrzymanie ruchu na odcinku drogi na której przeprowadza si� pomiary o�wietlenia. Najkorzystniejszym przypadkiem jest wybór prostego odcinka jezdni o minimalnej d�ugo�ci ok. 250m. Obszar pomiarowy zawiera si� najcz��ciej pomi�dzy dwoma kolejnymi oprawami (s�upami o�wietleniowymi).

Obserwator wraz z miernikiem luminancji powinien znajdowa� si� w osi ka�dego pasa ruchu 60 metrów przed pocz�tkiem obszaru pomiarowego (od strony ruchu pojazdów) co zosta�o przedstawione na rysunku nr 2. Obiektyw aparatu nale�y zainstalowa� na wysoko�ci 1,5m nad nawierzchni� jezdni (rys. nr 3). W celu wykonania poprawnych zdj�� nale�y korzysta� ze statywu i zdalnego wyzwalania migawki analizatora obrazu CCD. Nowo�ci� w prezentowanych pomiarach jest uwzgl�dnienie rzeczywistych warunków panuj�cych na drodze (czynniki �rodowiskowe).

Rys. 2. Szkic sposobu ustawienia przyrz�du pomiarowego w stosunku do nawierzchni drogi, na której wykonywany jest pomiar o�wietlenia

Rys. 3. Zdj�cie prawid�owego ustawienia analizatora obrazu wzgl�dem nawierzchni jezdni

122 Marcin Chrzanowicz

Granice (naro�niki) obszaru pomiarowego nale�y oznakowa� za pomoc� znaczników (dowolny obiekt o wysokim wspó�czynniku odbicia - odblask) Znaczniki umo�liwi� dok�adn� identyfikacj� pola pomiarowego na zdj�ciach luminancji co u�atwia póniejsz� obróbk� wyników pomiaru (rys. nr 4).

Rys. 4. Znaczniki odblaskowe wyznaczaj�ce obszar pomiaru luminancji

5. ANALIZA JAKO�CI O�WIETLENIA DROGI NA PRZYK�ADZIE WYBRANEGO ODCINKA JEZDNI

Ilo�� uzyskanych wyników na skutek przeprowadzonego na drodze audytu jest na tyle obszerna, �e w niniejszym artykule zdecydowano si� na przedstawienie szczegó�owych pomiarów dla wybranego reprezentatywnego odcinka jezdni (rys. nr 5).

Rys. 5. Obszar pomiarowy wyznaczony dla reprezentatywnego odcinka jezdni

Obrazy rozk�adu luminancji na nawierzchni drogi dla dwóch kierunków pomiaru przestawiono na rys. nr 6 i 7 Obok zdj�� obrazów luminancji znajduje si� skala logarytmiczna log2 o zakresie 0 ÷ 3cd/m2.

3,3�cm

Wst�pne za�o�enia do audytu o�wietlenia drogowego 123

Rys. 6. Uzyskany rozk�ad luminancji [cd/m2] dla kierunku obserwacji 1

Rys. 7. Uzyskany rozk�ad luminancji [cd/m2] dla kierunku obserwacji 2

Rys. 8. Uzyskany rozk�ad luminancji [cd/m2] przyk�adowo dla kierunku 2 po transformacji wraz z siatk� punktów pomiarowych

124 Marcin Chrzanowicz

Wyniki opracowano za pomoc� oprogramowania LMK 2000 (dostarczanego wraz z analizatorem obrazu CCD), które umo�liwia wykonanie i naniesienie na obraz luminancji ustalonej siatki pomiarowej, która zawiera zdefiniowane punkty i strefy podlegaj�ce ocenie. W celu uzyskania widoku drogi w rzucie z góry wykonywana jest transformacja pola pomiarowego, co umo�liwia naniesienie siatki pomiarowej z wysok� precyzj�, przez co uzyskiwana jest du�a dok�adno�� po�o�enia pola pomiarowego (rys. nr 8). Po na�o�eniu siatki pomiarowej na obraz luminancji (rys. nr 6 i 7) otrzymywane s� dane niezb�dne do wykonania oblicze� parametrów rozk�adu luminancji. Do prezentacji wyników mo�liwe jest wykorzystanie dowolnej skali lub eksport plików graficznych do formatów *.JPG oraz transformacja wyników w postaci cyfrowej do programów obliczeniowych. Do oblicze� parametrów badanej drogi pos�u�ono si� siatk� pomiarow� sk�adaj�c� si� z 66 punktów pomiarowych (rozdzielczo�� programowa 6 x 11 punktów zdefiniowanych). Otrzymane dane w postaci luminancji zosta�y wyeksportowane do programu kalkulacyjnego, gdzie uzyskano ko�cowe wyniki rozk�adu luminancji w punktach pomiarowych siatki. Warto�ci naniesiono schematycznie na rysunek drogi dla dwóch kierunków obserwacji (rys. nr 9 i 10). Na rys. nr 11 przedstawiono ko�cowe zestawienie wyników pomiarów luminancji dla ca�ej nawierzchni jezdni. Zastosowanie graficznej prezentacji wyników (w postaci siatek na drodze) mo�e by� przydatne w procesie projektowania i wykorzystane do potwierdzenia wyników oblicze� symulacyjnych uzyskanych z programów wspomagaj�cych projektowanie o�wietlenia (pod warunkiem wyboru to�samych pól pomiarowych).

Rys. 9. Uzyskane wyniki rozk�adu luminancji [cd/m2] dla kierunku obserwacji 1

Rys. 10. Uzyskane wyniki rozk�adu luminancji [cd/m2] dla kierunku obserwacji 2

Wst�pne za�o�enia do audytu o�wietlenia drogowego 125

Rys. 11. Uzyskane wyniki rozk�adu luminancji [cd/m2] dla ca�ej jezdni (sumaryczne)

Wyniki oblicze� zgodne z wymogami normy dla kierunków pomiaru 1 i 2 oraz wypadkowe dla ca�ej nawierzchni jezdni zestawiono i zaprezentowano w sposób zbiorczy w tablicy nr 3.

Tablica 3

Zestawienie otrzymanych wyników rozk�adów luminancji i wska�ników obliczeniowych

Parametr Jednostka Warto��

Parametry dla kierunku 1 LMin1 [cd/m2] 0,326

LMax1 [cd/m2] 1,523

L�r1 [cd/m2] 0,847

UL1 - 0,355

UO1 - 0,385

TI % 12,6

Parametry dla kierunku 2 LMin2 [cd/m2] 0,535

LMax2 [cd/m2] 1,732

L�r2 [cd/m2] 1,249

UL2 - 0,374

UO2 - 0,429

TI % 14,3

Parametry ca�ej jezdni LMinJ [cd/m2] 0,326

LMaxJ [cd/m2] 1,732

L�rJ [cd/m2] 1,048

ULJ - 0,365

UOJ - 0,312

TI % 13,45

126 Marcin Chrzanowicz

6. SPOSTRZE�ENIA I WNIOSKI KO�COWE

Wykonanie audytu o�wietlenia drogowego pozwoli�o na precyzyjn� ocen� stanu o�wietlenia drogi (przez oprawy wyposa�one w pó�przewodnikowe ród�a �wiat�a LED). Analiza wyników wykazuje spe�nienie normy w zakresie wymaganego poziomu �redniej warto�ci luminancji nawierzchni jezdni. Je�eli chodzi o równomierno�� rozk�adu luminancji kryteria nie zosta�y do ko�ca spe�nione, na co zasadniczy wp�yw mia� stan nawierzchni drogi (wyeksploatowany lokalnie asfalt oraz du�o zal�gaj�cych zanieczyszcze�). Mo�na stwierdzi�, ze uporz�dkowanie nawierzchni jezdni pozwoli na ca�kowite spe�nienie wymaga� normy „o�wietlenie drogowe”. Bez wykonania audytu o�wietleniowego takie wnioski i sugestie nie by�yby mo�liwe. Ponadto zastosowanie opraw wyposa�onych w ród�a �wiat�a typu LED pozwoli�o na redukcje mocy jednostkowej oprawy o oko�o 10 [W], co spowodowa�o zmniejszenie emisji CO2 o oko�o 14%. Oszcz�dno�� energetyczna jest na podobnym poziomie.

Bibliografia

1. B�k J., Komentarz do raportu technicznego PKN-CEN/TR 13201-1 oraz do normy PN-EN 13201-2, (2007), COSiW, Warszawa 2007.

2. Ekrias A., Eloholma M., Halonen L., An advanced approach to road lighting design, measurements and calculations, Report 53, Helsinki University of Technology, (2008), Espoo, Finland.

3. Tomczuk P., Pomiary rozk�adu luminacji na ulicy o�wietlonej oprawami LED, Przegl�d Elektrotechniczny, R. 87 Nr 4/2011 str. 110-113., SIGMA-NOT.

4. �agan W., Czy�ewski D., Wykonanie pomiarów o�wietleniowych w ulicy Dzielnej w Warszawie oraz weryfikacja oblicze� o�wietleniowych dla projektów b�d�cych w posiadaniu ZDM, (2009), ZDM Warszawa.

5. Dane katalogowe www.technoteam.de 6. Polska Norma PN-EN 13201-2:2007 O�wietlenie dróg. 7. Narodowy Fundusz Ochrony rodowiska i Gospodarki Wodnej, materia�y konkursowe z projektu,

„SYSTEM ZIELONYCH INWESTYCJI (GIS – GREEN INVESTMENT SCHEME) CZ¡¢ 1) ZARZ£DZANIE ENERGI£ W BUDYNKACH U�YTECZNOCI PUBLICZNEJ.

PRELIMINARY ASSUMPTIONS FOR THE AUDIT BY ROAD LIGHTING

Summary: This article addresses the issue of the advisability of performing a comprehensive assessment of the quality of street lighting in the context of road safety at night time and increase the efficiency of electricity use. There are presented the criteria for lighting and electrical inspected and evaluated. It has been shown how to perform tests taken on the road (on the basis of standards and guidelines). It has also presented the measurement results with the analysis of the quality of lighting for example road section. With reference to the recommendations of the European Commission as an important factor taken into account energy intensity of the lighting system. Keywords: lighting technology, lighting measurements, road lighting