Jakie powinno być nowoczesne oświetlenie uliczne?

Lampy uliczne służą do oświetlenia drogi oraz sąsiednich obszarów zewnętrznych w taki sposób, aby umożliwić kierowcom, rowerzystom i pieszym wyraźne dostrzeżenie przeszkód oraz niebezpieczeństw.

Odbieranie światła przez ludzkie oko

Światło jest odbierane przez siatkówkę oka. Komórki stożkowe w oku działają w jasnym świetle i rejestrują kolor, podczas gdy inna grupa komórek działa w słabym świetle i rejestruje samą obecność światła. Siatkówka z kolei jest chroniona przed nadmiernym światłem przez źrenicę. Źrenica zmienia swóją wielkość w reakcji na zmieniający się poziom światła. Tak więc źrenica jest duża w słabym świetle i staje się bardzo mała w jasnym świetle - kontrolując w ten sposób ilość światła wpadającego do oka i chroniąc siatkówkę przed nadmierną ilością światła.

Mięśnie źrenic są najbardziej rozluźnione w słabym świetle i są najbardziej zwiężone w jasnym świetle. Stąd też mięśnie te szybko się męczą przy nadmiernym świetle.

Z tego względu łlampy powinny:

• Produkować światło dobrej jakości, aby zapewnić wysoki kontrast między obiektami i dobre rozróżnianie kolorów
• Zapewnia stały poziom oświetlenia. Zmieniający się poziom światła powoduje, że mięśnie źrenicy szybko się męczą.

Kilka poniższych czynników odgrywają zasadniczą rolę w określaniu jakości percepcji wzrokowej oraz funkcjonowaniu opraw oświetleniowych:

• Strumień świetlny lampy
• Odbicie światła od drogi i innych powierzchni
• Stopień oddawania barw
• Stosunek między maksymalnym, średnim a minimalnymi struminiem świetlnym
• Równomierny rozkład światła
• Kąt nachylenia lampy
• Wysokość słupa oświetleniowego - optymalna wysokość słupa jest ważna dla prawidłowej gęstości oświetlenia. Wraz ze wzrostem wysokości słupa montażowego rośnie obszar oświetlenia, ale maleje gęstość światła

Jasność oświetlenia drogowego

Jasność to strumień światła lampy. Mała lampa wytwarzająca dużo światła zapewnia większą jasność i w konsekwencji powstaje zjawisko olśnienia, gdy patrzy się na nią bezpośrednio. Z drugiej strony systemy oświetleniowe LED składają się z wielu punktów świetlnych, co zmniejsza ryzyko olśnienia.

Światło i kąt powyżej Nadiru

Nadir jest reprezentowany przez medianę lampy i prostopadły do ziemi. Klasyfikacja IES światła jako „całkowicie odcięte”, „częściowo odcięte” i „nie odcięte” opiera się na rozproszeniu światła 80 i 90 stopni powyżej nadiru.

Poniższa tabela przedstawia procentowe poziomy światła i ich związek z klasyfikacją opraw.

Jakie jest znaczenie pełnego odcięcia światła?

Całkowicie odcięte światło minimalizuje zanieczyszczenie środowiska i pomaga zaoszczędzić pieniądze, które zostały wykorzystane do rozświetlenia nieba. Zmniejszenie poziomu światła otoczenia na niebie sprawia, że niebo jest „przyjazne dla nocy”, umożliwiając m. in. obserwowanie ciał niebieskich przez astronomów i zmniejszenie wpływu światła antropogenicznego na rytm dobowy nocnych zwierząt i roślin.

To zdjęcie metropolii zrobione w nocy. "Wycieki" światła oświetlającego niebo są wyraźnie widoczne. Zanieczyszczenie światłem tego nocnego nieba jest dużym wyzwaniem dla astronomów. Całkowicie odcięte oświetlenie zainstalowane prawidłowo przeciwdziała temu problemowi.

W większości obszarów na całym świecie wszystkie warianty oprócz całkowiecie odciętego światła mogą być nielegalne.

Na przykład przpisy w wybranych stanach USA (Kolorado) wymagają, aby wszystkie oprawy oświetleniowe do oświetlenia zewnętrznego (oprócz tych określonych) miały całkowicie odcięte światło zgodnie z definicją IES. Oświetlenie dróg ma na celu nie tylko zapewnienie odpowiednich warunków nocą, ale także ochronę przeciętnego użytkownika, który może cieszyć się pięknem nocnego nieba z gwiazdami. 

Problem z pomiarem strumienia świetlnego lamp w lumenach

Metoda obliczania mocy świetlnej z lamp zakłada zerowe odbicie światła. W rzeczywistości w zależności od koloru powierzchni mogą być odbijane różne ilości światła, co skutkuje różną jasnością. Jeśli na przykład światło w kolorze żółtym oświetla obiekt w kolorze zielonym, całe światło zostanie pochłonięte, a obiekt będzie wyświetlany w kolorze czarnym. Jeśli zielony przedmiot zostanie umieszczony na czarnej powierzchni - wówczas w ogóle nie będzie on widoczny!

W praktyce zielony przedmiot - na przykład trawa składa się z kilku pigmentów - chlorofilu, karotenoidów i ksantofilów itp. Odbija on niewielką ilość żółtego światła i ma szarawy kolor. Jest to jeden z powodów, dla których wymagana jest bardzo wysoka moc świetlna, podczas, gdy lampy LPS są używane do oświetlenia drogowego, ponieważ lampy te wytwarzają tylko jeden kolor spektrum światła. Z drugiej strony światła LED mają pełniejsze spektrum. Różnice kolorów między przedmiotami są zatem podświetlone, przyczyniając się do kontrastu i powodując wrażenie lepszej ostrości wzroku, większego poczucia bezpieczeństwa przy mniejszej liczbie lumenów. Wówcas ma zastosowanie koncepcja skotopowych lumenów, która definiuje lepszą wydajność świateł o wysokim CRI dzięki odpowiedzi komórek oka. W efekcie do oświetlenia obszaru potrzeba znacznie mniej lumenów.

Współczynnik S / P ma kluczowe znaczenie przy określaniu jasności źrenicy (pupil lumens). Stosunek S / P dla lamp sodowych HPS wynosi 0,62, a dla lamp LED 1,9.

Pupil Lumens = strumień fotopowy * [S/P] 0.78

1 lumen fotopowy emitowany przez lampę HPS = 0.69 pupil lumens

1 lumen fotopowy emitowany przez lampę LED = 1.65 pupil lumens

Innymi słowy, jeśli chodzi o widzenie, każde światło fotopowe wytwarzane przez lampę LED odpowiada 1,65 / 0,69 = 2,4 lumenom fotopowym wytwarzanym przez lampę HPS. W Wisconsin lampy HPS 19 000 lumenów zastąpiono lampami LED o mocy 8040 lumenów. Użytkownicy oświetlanego parkingu odczuli wyraźną poprawę oświetlenia. Stosunek 19000/8040 = 2,36 jest bardzo zbliżony do teoretycznego współczynnika 2,4 obliczonego powyżej. Oczywiście poprawa polegała na tym, że światło z opraw LED było lepiej kontrolowane i jednolite.

Wiele gmin wdrożyło duże programy modernizacyjne około 2 dekady temu. Wiele lamp i opraw zainstalowanych zbliża się do końca ich użytkowania. Bardzo ważne jest, aby dobrać oświetlenie LED z wielką starannością, aby niewłaściwy wybór nie doprowadził do marnowania energii lub intensywnych prac konserwacyjnych przez następne 20-30 lat. 

Wybierając technologię oświetleniową, jak LED, należy również wziąć pod uwagę przyszły rozwój w dziedzinie oświetlenia. Oto niektóre z najbardziej obiecujących rozwiązań.

1. Inteligentne oświetlenie - z czujnikami ruchu lub czujnikami zdolnymi do zmiany mocy wyjściowej w zależności od poziomu oświetlenia otoczenia w celu utrzymania jednolitego oświetlenia. Możliwe jest opracowanie technologii sterowania, które pozwolą czujnikom dopasować moc światła do poziomu światła w otoczeniu - wykorzystując niewiele energii elektrycznej do wytworzenia niewielkich ilości światła wczesnym wieczorem i tuż przed świtem.

2. Wykorzystanie lamp jako punktów gromadzenia informacji - o warunkach meteorologicznych i ruchu drogowym.

3. Zastosowanie paneli fotowoltaicznych na słupach świetlnych w celu zapewnienia rozproszonego wytwarzania energii elektrycznej i dalszego zmniejszenia wpływu oświetlenia na środowisko.

4. Zastosowanie ręcznego sterowania lampami za pomocą kabli zasilających

Wymagania dotyczące emisji światła dla lamp ulicznych

Ilość światła emitowanego przez lampy uliczne na poziomie większym niż 75 stopni od nadiru powinna być zminimalizowana. Światło powyżej tego kąta może powodować bezpośrednie oślepianie kierowców. Lampy LED, które mają znacznie lepszą kontrolę nad światłem, są idealne do zmniejszenia zjawiska olśnienia. Często używane lampy HPS mają kąt dystrybucji większy niż 150 stopni i mogą powodować bezpośrednie olśnienie.

Zdjęcie powyżej pokazuje rozkład światła wówczas, gdy używane są szerokokątne światła HPS. Marnuje się znaczna ilość światła. Mieszkańcy domów w pobliżu drogi narzekają z powodu przedostawania się światła i muszą zasłaniać okna, aby poradzić sobie z nadmiernym i niepotrzebnym oświetleniem. Jednocześnie zanieczyszczenie światłem utrudnia życie astronomom i miłośnikom przyrody.

Światło z lamp LED lepiej skupia się w obszarze działania. Ludzie mieszkający w domach sąsiadujących z oświetleniem zewnętrznym nie muszą się martwić o stosowanie zasłon, ponieważ światło pada na obszar zewnętrzny i nie jest emitowane pod bardzo szerokim kątem.

Równomierność rozkładu światła

Równomierność rozkładu światła przez lampę uliczną może być zmierzone po jej instalacji. Równomierność zależy od właściwości optycznych źródła światła, jakości odbłyśników opraw, nakładających się obszarów między oprawami. Równomierność rozkładu światła można określić za pomocą trzech współczynników:

• Stosunek średniej do minimalnej intensywności światła
• Współczynnik natężenia światła maksymalnego do minimalnego i
• Współczynnik natężenia światła maksymalnego do średniego.

Pierwsze dwa z nich są łatwiejsze do zrozumienia i dlatego są częściej używane.

Równomierność rozkładu światła jest niezbędna do zmniejszenia olśnienia. Kontrola zjawiska olśnienia jest szczególnie ważna w zastosowaniach oświetleniowych. Olśnienie powoduje, że źrenica kurczy się, zmniejszając w ten sposób ilość światła wpadającego do oka. Zmrużenie oka, mruganie, używanie czapki z daszkiem, okularów przeciwsłonecznych to najczęstsze metody radzenia sobie z olśnieniem. Żadna z tych metod nie jest jednak odpowiednia dla kierowców i innych użytkowników dróg w nocy. 

Praktyczny przykład wpływu równomierności światła wytwarzanego przez lampy uliczne

Kiedy lampy uliczne LED zostały zainstalowane na parkingu w Wisconsin, światło LED wytwarzające zaledwie 8040 lumenów zastąpiło światło HPS wytwarzające aż 19 000 lumenów. Było to możliwe dzięki

1. Lepszemu rozsyłowi światła - Maksymalny:minimalny współczynnik natężenia światła wynosił 8:1 dla lamp Led, a dla lamp HPS 27:25

2. Lepsza skotopowa wydajność - średni poziom natężenia światła wynosił 1,01 lumenów fotopowych, co odpowiada około 1,7 lumenom źrenic lub 2,45 lumenom fotopowym wytwarzanych przez lampy HPS.

3. Lepsza optyczna kontrola oświetlenia - całe światło jest skierowane w dół. Dlatego nie ma potrzeby używania reflektorów do kierowania światła w dół. W konsekwencji unika się utraty mocy świetlnej z powodu ograniczeń wydajności reflektora.

Zarówno teoria, jak i praktyka pokazują zalety lamp drogowych LED. Zamiast toczyć wojnę „Lumenów” w ciemnościach, obecni menedżerowie i projektanci oświetlenia wybierają precyzyjne oświetlenie w technologii LED.

Ile kosztuje wymiana opraw drogowych na LED?

Należy uwzględnić wiele kosztów. Są to:

1. Koszt materiałowy żarówki, masztów, przewodów elektrycznych oraz koszt instalacji

Koszt instalacji jednego słupa zależy od wysokości słupa, mocy znamionowej, wydajności światła, rodzaju potrzebnego fundamentu i długości okablowania z najbliższego źródła energii elektrycznej. Kiedy najbliższe źródło energii elektrycznej znajduje się daleko, na przykład w rejonach wiejskich, rozsądnie jest zainstalować lampy zasilane energią odnawialną zamiast kłaść kilometry drutu w celu zasilenia światła. Rozwiązania z zakresu energii słonecznej są jednak znacznie droższe niż światło zasilane sieci.

2. Koszt energii zużywanej przez lampę

Zestaw o mocy 100 W, przeznaczony do zastąpienia metalohalogenkowej żarówki w istniejącej oprawie, zużywa 100 watów i wytwarza 15 550 lumenów wysokiej jakości światła. Dla porównania, 209 000 lamp ulicznych w Los Angeles zużywa ok 197 000 000 kWh energii elektrycznej rocznie w tempie 250 watów na godzinę. Oszczędności kosztów energii elektrycznej dzięki stosowaniu technologii LED napędzają Los Angeles i wiele innych miast.

Do tego dochodzi fakt, że niskoprężne lampy sodowe (LPS), które wytwarzają najwięcej światła na wat, mają współczynnik oddawania barw (CRI) równy „zero”. Aby zapewnić dobrą widoczność, należy je łączyć z lampami żarowymi. Współczynnik wydajności żarówek 5% obniża również wydajność lamp LPS. Światła LPS nie nadają się zatem do ogólnego oświetlenia drogowego.

Nieco lepsze są wysokoprężne żarówki sodowe, ale te lampy mają zwykle 2700K oraz CRI na poziomie 20-40. Jakość światła jest słaba i muszą wytwarzać dużo lumenów, aby zrekompensować słabą jakość oświetlenia. Metalohalogenkowe lampy są zwykle źródłem światła wyższej jakości, a niektóre żarówki mają CRI zbliżone do diody LED, jednak większość z nich ma około 60 CRI.

CRI lamp LED zazwyczaj zaczyna się od 70 lub więcej w skali od 0 do 100.

3. Koszt wymiany zużytych lamp i ich utylizacji

Możemy nie zdawać sobie z tego sprawy, ale koszt wymiany żarówek może być bardzo wysoki w przypadku świateł drogowych. Los Angeles wydaje 42 miliony dolarów na utrzymanie 209 000 lamp. Daje to ponad 200 USD na lampę rocznie.

Systemy zdalnego monitorowania ograniczają koszt fizycznej weryfikacji świateł, podczas gdy technologia LED wydłużyła żywotność każdej lampy do 12–15 lat w porównaniu z obecną średnią wynoszącą 5 lat. Wiele miast oszacowało, że oszczędności z kosztów utrzymania lamp ulicznych LED są nawet wyższe niż oszczędności z samej energii.