Wstępne założenia do audytu oświetlenia drogowego Preliminary Assumptions for the Audit by Road Lighting

Marcin Chrzanowicz

Politechnika Warszawska, Wydzia Elektryczny

WSTPNE ZAOENIA DO AUDYTU

OWIETLENIA DROGOWEGO

Rkopis dostarczono, kwiecie 2013

Streszczenie: W niniejszym artykule poruszono kwesti celowoci wykonywania kompleksowej

oceny jakoci owietlenia drogowego w kontekcie poprawy bezpieczestwa ruchu drogowego w porze nocnej oraz zwikszenia efektywnoci wykorzystania energii elektrycznej. Podano kryteria owietleniowe i elektryczne podlegajce kontroli i ocenie. Zosta przedstawiony sposób wykonywania bada na drodze (w oparciu o normy i zalecenia). Przedstawiono równie wyniki pomiarów wraz z analiz jakoci owietlenia dla przykadowego odcinka drogowego. Wskazano dalsze kierunki rozwoju majce na celu zwikszenie rzetelnoci wykonywania oceny. Nawizujc do zalece Komisji Europejskiej jako istotny czynnik uwzgldniono energochonno instalacji owietleniowej.

Sowa kluczowe: technika wietlna, pomiary owietleniowe, owietlenie drogowe

1. CEL WYKONYWANIA AUDYTU OWIETLENIA

DROGOWEGO

W celu zapewnienia waciwego poziomu jakoci owietlenia drogowego niezbdna jest weryfikacja jego parametrów wietlnych bezporednio po montau oraz kontrola w zaoonych interwaach czasowych (co 1 - 3 lat). Do oceny stanu instalacji owietlenia zalecane jest wykonanie kompleksowego audytu, który oprócz wskaników czysto owietleniowych uwzgldni 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 sprztu pomiarowego jest gwarancj rzetelnego wykonania i funkcjonowania instalacji owietlenia ulicznego oraz poprawy bezpieczestwa ruchu drogowego w porze nocnej. Racjonalne gospodarowanie energi elektryczn (poprzez wykorzystanie efektywnych technologii) pozwala na oszczdnoci ekonomiczne oraz ogranicza emisj szkodliwych substancji do atmosfery. Jednak naley pamita ze oszczdnoci finansowe nie mog usprawiedliwia niespenienia norm owietleniowych (np. wyczanie czci owietlenia).

wystpowania o dotacj na modernizacj owietlenia ulicznego. Dalsze prace badawcze maj na celu opracowanie kryteriów i wytycznych do wykonywania kompleksowego audytu owietlenia drogowego, którego zakres obecnie nie jest jasno i precyzyjnie sformuowany.

2. PARAMETRY WIETLNE PODLEGAJCE OCENIE

Pomiary owietlenia ulicznego powinny by przeprowadzone zgodnie z Polsk Norm PN-EN 13201-2:2007 „Owietlenie dróg”, w której zawarte wymagania dotycz nastpujcych kryteriów:

a)kryterium natenia owietlenia, b)kryterium luminancji.

Zastosowanie kryterium (nateniowego lub luminancyjnego) zaley od klasy owietleniowej danej ulicy.

W przypadku pomiarów parametrów natenia owietlenia wykonuje si je za pomoc wzorcowanego miernika natenia owietlenia. Badania s prowadzone w cile okrelonej norm siatce punktów pomiarowych. Po dokonaniu pomiaru obliczane s parametry uyteczne uwzgldniane w wymaganiach fotometrycznych norm owietleniowych.

W przypadku parametrów luminancji pomiar moe by wykonywany za pomoc punktowych (klasycznych) lub matrycowych (matryca wielu punktów uzyskiwana z jednego pomiaru) mierników luminancji. Szczegóowe wymagania dotyczce sposobu pomiaru jak i wymagania luminancyjne dotyczce owietlenia ulicznego zawarte w Polskiej Normie dla wybranych (najwyszych) klas ME/MEW zdefiniowano w postaci nastpujcych kryteriów:

a)- luminancja rednia jezdni, Lr [cd/m2], b)- równomierno luminancji cakowita, UO, c)- równomierno luminancji wzduna, UL. Ponadto istniej wymogi dotyczce:

a)- wskanika wzrostu wartoci progowej kontrastu, TI [%], b)- wskanika owietlenia poboczy, SR.

Potrzeba wykonania bada z uwzgldnieniem wszystkich przedstawionych powyej parametrów owietleniowych jest elementem niezbdnym audytu owietleniowego.

Dodatkowo wprowadzony zosta aspekt pomiarów wspóczynników barwy emitowanego wiata (parametry nie wymagane przez norm owietleniow):

a)rozkad widmowy promieniowania wietlnego, b)wspóczynnik oddawania barwy CRI,

c)wspórzdne trójchromatyczne, d)temperatura barwowa.

Rozkad widmowy wiata emitowanego przez oprawy owietleniowe wyposaone w póprzewodnikowe róda wiata (LED) zosta przedstawiony na rys. 1.

Rys. 1. Rozkad widmowy oprawy wyposaonej w róda wiata typu LED

Wymagane poziomy luminancji oraz równomiernoci rozkadu (zgodnie z wymaganiem Polskiej Normy) dla przykadowej klasy ME (przewidzianej do stosowania na drogach dla ruchu koowego, na których dopuszczone i dozwolone s rednie i wysokie prdkoci poruszania si pojazdów) zostay przedstawione w tablicy nr 1.

Tablica 1

Parametry luminancyjne klas o wietleniowych ME

Klasa Lr [cd/m2] Uo UL TI [%] ME1 Ÿ 2 Ÿ 0,7 Ÿ 0,7  10 ME2 Ÿ 1,5 Ÿ 0,4 Ÿ 0,7  10 ME3a Ÿ 1 Ÿ 0,4 Ÿ 0,7  15 ME3b Ÿ 1 Ÿ 0,4 Ÿ 0,6  15 ME3c Ÿ 1 Ÿ 0,4 Ÿ 0,5  15 ME4a Ÿ 0,75 Ÿ 0,4 Ÿ 0,6  15 ME4b Ÿ 0,75 Ÿ 0,4 Ÿ 0,5  15 ME5 Ÿ 0,5 Ÿ 0,35 Ÿ 0,4  15 ME6 Ÿ 0,5 Ÿ 0,35 Ÿ 0,4  15

3. PARAMETRY ELEKTRYCZNE ORAZ ASPEKTY

EKOLOGICZNE PODLEGAJCE OCENIE

W celu wykonania rzetelnego audytu owietlenia poza kryteriami owietleniowymi niezbdne jest wykonanie analizy ekonomicznej, której zadaniem jest danie odpowiedzi na pytanie dotyczce skutecznoci wietlnej owietlenia (iloci wiata wyraonej w jednostkach natenia owietlenia lub luminancji odniesionej do mocy jednostkowej zainstalowanych róde wiata, wyraonej w watach). Wynik uzyskany z analizy kryteriów owietleniowych odniesiony do iloci zuywanej energii okrela efektywno energetyczn instalacji owietlenia drogowego i moe by wskanikiem do raportów ekonomicznych. Innymi sowy wskanikiem jest:

a) moc zainstalowanych opraw (róde wiata) [W] przy zaoeniu spenienia wymaga normy owietleniowej,

b) redukcja emisji CO2 oraz innych szkodliwych substancji.

W tablicy nr 2 zostay przedstawione obliczone wartoci redukcji emisji szkodliwych substancji powstae w wyniku modernizacji owietlenia drogowego. W przykadowej kalkulacji zaoono:

a) ilo opraw podlegajcych modernizacji - 100 sztuk,

b) redukcja zapotrzebowania na moc elektryczn (dla kadej oprawy - np. przy zastosowaniu opraw ze ródami typu LED) - 10 [W], moc oprawy przed modernizacj - 73 [W], moc oprawy po modernizacji - 63 [W]

c) czas pracy oprawy - 10 [h/dob]

d) zuycie energii elektrycznej przed modernizacj - 73 [W] x 3650 [h] x 100 szt. = 26645 [kWh]

e) zuycie energii elektrycznej przed modernizacj - 63 [W] x 3650 [h] x 100 szt. = 22995 [kWh]

f) redukcja zuywanej mocy - 13,7 [%] g) obliczenie emisji: Ey = Eely x Wey

gdzie: Ey – roczna wielko emisji szkodliwej substancji y [Mg], Eely - roczne zuycie energii elektrycznej (MWh/rok), Wey - wskanik emisji wyraony w [Mg/MWh]

Tablica 2

Redukcja emisji szkodliwych substancji spowodowana modernizacj o wietlenia

Lp. Emitowany zwizek Wskanik emisji uredniony dla regionu centralnego Emisja przed modernizacj owietlenia ulicznego Emisja po modernizacji owietlenia 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%

Podsumowujc niewielka modernizacja (maa ilo opraw oraz nieznaczna redukcja mocy jednostkowej pobieranej przez opraw) daje duy efekt ekonomiczny i ekologiczny (bez utraty waciwoci owietleniowych instalacji).

4. METODYKA WYKONYWANIA POMIARÓW

W poniszym rozdziale przedstawiono najwaniejsze aspekty, które s istotne podczas wykonywania audytu owietlenia drogowego - warunki wykonywania pomiarów:

Nawierzchnia drogi powinna by sucha, uprztnita z zalegajcego piachu oraz charakteryzowa si dobrym stanem technicznym.

W celu uniknicia wpywu wiata obcego na wynik pomiaru zalecane jest cakowite wstrzymanie ruchu na odcinku drogi na której przeprowadza si pomiary owietlenia. Najkorzystniejszym przypadkiem jest wybór prostego odcinka jezdni o minimalnej dugoci ok. 250m. Obszar pomiarowy zawiera si najczciej pomidzy dwoma kolejnymi oprawami (supami owietleniowymi).

Obserwator wraz z miernikiem luminancji powinien znajdowa si w osi kadego pasa ruchu 60 metrów przed pocztkiem obszaru pomiarowego (od strony ruchu pojazdów) co zostao przedstawione na rysunku nr 2. Obiektyw aparatu naley zainstalowa na wysokoci 1,5m nad nawierzchni jezdni (rys. nr 3). W celu wykonania poprawnych zdj naley korzysta ze statywu i zdalnego wyzwalania migawki analizatora obrazu CCD. Nowoci w prezentowanych pomiarach jest uwzgldnienie rzeczywistych warunków panujcych na drodze (czynniki rodowiskowe).

Rys. 2. Szkic sposobu ustawienia przyrzdu pomiarowego w stosunku do nawierzchni drogi, na której wykonywany jest pomiar owietlenia

Granice (naroniki) obszaru pomiarowego naley oznakowa za pomoc znaczników (dowolny obiekt o wysokim wspóczynniku odbicia - odblask) Znaczniki umoliwi dokadn identyfikacj pola pomiarowego na zdjciach luminancji co uatwia póniejsz obróbk wyników pomiaru (rys. nr 4).

Rys. 4. Znaczniki odblaskowe wyznaczajce obszar pomiaru luminancji

5. ANALIZA JAKOCI OWIETLENIA DROGI NA

PRZYKADZIE WYBRANEGO ODCINKA JEZDNI

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

Rys. 5. Obszar pomiarowy wyznaczony dla reprezentatywnego odcinka jezdni

Obrazy rozkadu 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.

Rys. 6. Uzyskany rozkad luminancji [cd/m2] dla kierunku obserwacji 1

Rys. 7. Uzyskany rozkad luminancji [cd/m2] dla kierunku obserwacji 2

Rys. 8. Uzyskany rozkad luminancji [cd/m2] przykadowo dla kierunku 2 po transformacji wraz z siatk punktów pomiarowych

Wyniki opracowano za pomoc oprogramowania LMK 2000 (dostarczanego wraz z analizatorem obrazu CCD), które umoliwia wykonanie i naniesienie na obraz luminancji ustalonej siatki pomiarowej, która zawiera zdefiniowane punkty i strefy podlegajce ocenie. W celu uzyskania widoku drogi w rzucie z góry wykonywana jest transformacja pola pomiarowego, co umoliwia naniesienie siatki pomiarowej z wysok precyzj, przez co uzyskiwana jest dua dokadno pooenia pola pomiarowego (rys. nr 8). Po naoeniu siatki pomiarowej na obraz luminancji (rys. nr 6 i 7) otrzymywane s dane niezbdne do wykonania oblicze parametrów rozkadu luminancji. Do prezentacji wyników moliwe 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 posuono si siatk pomiarow skadajc si z 66 punktów pomiarowych (rozdzielczo programowa 6 x 11 punktów zdefiniowanych). Otrzymane dane w postaci luminancji zostay wyeksportowane do programu kalkulacyjnego, gdzie uzyskano kocowe wyniki rozkadu luminancji w punktach pomiarowych siatki. Wartoci naniesiono schematycznie na rysunek drogi dla dwóch kierunków obserwacji (rys. nr 9 i 10). Na rys. nr 11 przedstawiono kocowe zestawienie wyników pomiarów luminancji dla caej nawierzchni jezdni. Zastosowanie graficznej prezentacji wyników (w postaci siatek na drodze) moe by przydatne w procesie projektowania i wykorzystane do potwierdzenia wyników oblicze symulacyjnych uzyskanych z programów wspomagajcych projektowanie owietlenia (pod warunkiem wyboru tosamych pól pomiarowych).

Rys. 9. Uzyskane wyniki rozkadu luminancji [cd/m2] dla kierunku obserwacji 1

Rys. 11. Uzyskane wyniki rozkadu luminancji [cd/m2] dla caej jezdni (sumaryczne) Wyniki oblicze zgodne z wymogami normy dla kierunków pomiaru 1 i 2 oraz wypadkowe dla caej nawierzchni jezdni zestawiono i zaprezentowano w sposób zbiorczy w tablicy nr 3.

Tablica 3

Zestawienie otrzymanych wyników rozkadów luminancji i wskaników obliczeniowych

Parametr Jednostka Warto

Parametry dla kierunku 1

LMin1 [cd/m2] 0,326 LMax1 [cd/m2] 1,523 Lr1 [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 Lr2 [cd/m2] 1,249 UL2 - 0,374 UO2 - 0,429 TI % 14,3

Parametry caej jezdni

LMinJ [cd/m2] 0,326 LMaxJ [cd/m2] 1,732 LrJ [cd/m2] 1,048 ULJ - 0,365 UOJ - 0,312 TI % 13,45

6. SPOSTRZEENIA I WNIOSKI KOCOWE

Wykonanie audytu owietlenia drogowego pozwolio na precyzyjn ocen stanu owietlenia drogi (przez oprawy wyposaone w póprzewodnikowe róda wiata LED). Analiza wyników wykazuje spenienie normy w zakresie wymaganego poziomu redniej wartoci luminancji nawierzchni jezdni. Jeeli chodzi o równomierno rozkadu luminancji kryteria nie zostay do koca spenione, na co zasadniczy wpyw mia stan nawierzchni drogi (wyeksploatowany lokalnie asfalt oraz duo zalgajcych zanieczyszcze). Mona stwierdzi, ze uporzdkowanie nawierzchni jezdni pozwoli na cakowite spenienie wymaga normy „owietlenie drogowe”. Bez wykonania audytu owietleniowego takie wnioski i sugestie nie byyby moliwe. Ponadto zastosowanie opraw wyposaonych w róda wiata typu LED pozwolio na redukcje mocy

jednostkowej oprawy o okoo 10 [W], co spowodowao zmniejszenie emisji CO2 o okoo

14%. Oszczdno energetyczna jest na podobnym poziomie.

Bibliografia

1. Bk 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 rozkadu luminacji na ulicy owietlonej oprawami LED, Przegld Elektrotechniczny, R. 87 Nr 4/2011 str. 110-113., SIGMA-NOT.

4. agan W., Czyewski D., Wykonanie pomiarów owietleniowych w ulicy Dzielnej w Warszawie oraz weryfikacja oblicze owietleniowych dla projektów bdcych w posiadaniu ZDM, (2009), ZDM Warszawa.

5. Dane katalogowe www.technoteam.de

6. Polska Norma PN-EN 13201-2:2007 Owietlenie dróg.

7. Narodowy Fundusz Ochrony rodowiska i Gospodarki Wodnej, materiay konkursowe z projektu, „SYSTEM ZIELONYCH INWESTYCJI (GIS – GREEN INVESTMENT SCHEME) CZ¡ ¢ 1) ZARZ£DZANIE ENERGI£ W BUDYNKACH UYTECZNO CI 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.