W artykule scharakteryzowano wymagania oświetleniowe dla terenów zewnętrznych, ujęte w normie CIE S 015/E: 2005 „Lighting of Outdoor Work Places” [1]. Wymagania oświetleniowe zawarte w tej normie uwzględniają aktualny stan wiedzy w tym zakresie. Scharakteryzowano kryteria projektowania oświetlenia zewnętrznego związane z tworzeniem otoczenia świetlnego: rozkład luminancji, natężenie oświetlenia, olśnienie, kierunkowość światła, oddawanie barw, barwę światła i migotanie światła. Scharakteryzowano też kryteria związane ze światłem intruzyjnym, konserwacją oświetlenia, aspektami energetycznymi, potrzebami zrównoważonego rozwoju i oświetleniem awaryjnym.

W Polsce wymagania oświetleniowe dla terenów zewnętrznych są regulowane w ograniczonym zakresie. Norma PN-EN 12193: 2002 (U) „Oświetlenie stosowane w obiektach sportowych” [2], reguluje wymagania jedynie w tego rodzaju obiektach, a norma PN-EN 12464-1: 2004 „Światło i oświetlenie. Oświetlenie miejsc pracy. Część 1: Miejsca pracy we wnętrzach” [3], która formalnie zastąpiła normę PN-71/E-02034 „Oświetlenie elektryczne terenów budowy, przemysłowych, kolejowych i portowych oraz dworców i środków transportu publicznego” [4], reguluje wymagania miejsc pracy we wnętrzach. Nieregulowana jest zatem cała grupa terenów i obiektów zewnętrznych, która ujęta była w normie PN-71/E-02034. W obecnej praktyce, projektanci oświetlenia przyjmują najczęściej wymagania przestarzałe, obejmujące tylko poziomy natężenia i równomierności oświetlenia, zawarte w normie PN-71/E-02034. Sytuacja taka jest niezadowalająca i powinna ulec szybkiej zmianie. Konieczne jest projektowanie oświetlenia zewnętrznego w oparciu o wymagania aktualne, uwzględniające aktualny stan wiedzy w tym zakresie. W 2005 roku Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa (CIE) wydała normę CIE S 015/E: 2005 „Lighting of Outdoor Work Places”, w której zawarto wymagania oświetleniowe dla terenów zewnętrznych.
Normy opracowywane przez CIE są wynikiem międzynarodowej współpracy osób zajmujących się oświetleniem. Zawarte w nich ustalenia uwzględniają wyniki najnowszych badań z zakresu oświetlenia prowadzonych na całym świecie. Stanowią odniesienie dla innych organizacji i komitetów wprowadzających standardy oświetleniowe, m.in. CEN i ISO. Norma dla terenów zewnętrznych została opracowana przez komitety techniczne Dywizji 5 CIE i 169 CEN. Została zatwierdzona przez komitety krajowe zrzeszone w CIE.

Kryteria projektowania oświetlenia

Właściwe oświetlenie terenów zewnętrznych w porze nocnej powinno umożliwiać skuteczne wykonywanie czynności wzrokowych. Postrzeganie obiektów i komfort widzenia zależą w znacznej mierze od rodzaju wykonywanej czynności wzrokowej i czasu jej trwania. Wymagania zawarte w normie określone są dla szerokiego zakresu czynności wzrokowych i rodzajów terenów zewnętrznych. Spełnienie wymagań zawartych w normie powinno prowadzić do wystąpienia pożądanych ilościowych i jakościowych cech oświetlenia, a w konsekwencji do zapewnienia wysokiego komfortu widzenia i wydolności wzrokowej u użytkowników oświetlanych terenów zewnętrznych.
Kryteria projektowania oświetlenia określono przez podanie podstawowych wymagań i zaleceń związanych z tworzeniem otoczenia świetlnego. Podstawowe wymagania i zalecenia dotyczą:
• rozkładu luminancji,
• natężenia oświetlenia,
• olśnienia,
• kierunkowości światła,
• oddawania barw,
• barwy światła,
• migotania światła.
W normie, zwrócono także uwagę na problematykę:
• światła intruzyjnego,
• konserwacji oświetlenia,
• aspektów energetycznych,
• potrzeb zrównoważonego rozwoju,
• oświetlenia awaryjnego.

Rozkład luminancji

Rozkład luminancji w polu widzenia wpływa na poziom adaptacji i postrzeganie obiektów. Wyrównany rozkład luminancji decyduje o skutecznym postrzeganiu obiektów i komforcie widzenia. Zawsze zatem pożądane jest dążenie do wyrównanego rozkładu luminancji w polu widzenia użytkowników oświetlanych terenów zewnętrznych. Powinien on zapewniać dobrą ostrość widzenia, czułość kontrastową i poprawne funkcjonowanie układu wzrokowego. Powinno unikać się nadmiernych kontrastów w polu widzenia. W normie nie podano szczegółowych wymagań lub zaleceń związanych z wytworzeniem pożądanego, wyrównanego rozkładu luminancji.

Natężenie oświetlenia

Poziom natężenia oświetlenia i jego rozkład w polu pracy wzrokowej i jego bezpośrednim otoczeniu wpływają na szybkość, dokładność, komfort i bezpieczeństwo postrzegania obiektów i wykonania pracy wzrokowej. Na podstawie rozkładów natężenia oświetlenia w polu pracy i jego bezpośrednim otoczeniu określa się wartości średniego natężenia oświetlenia i równomierności oświetlenia dla tych pól. W normie określono wymagane wartości tych parametrów.

Natężenie oświetlenia w polu pracy
W normie podano wymagane wartości średniego eksploatacyjnego natężenia oświetlenia w polu pracy w zależności od rodzaju terenu, zadania wzrokowego lub wykonywanej czynności. Wartości te zestawiono w układzie tabelarycznym dla piętnastu grup terenów zewnętrznych: strefy komunikacyjne, porty lotnicze, tereny budowy, kanały, śluzy i porty, farmy, stacje paliw, tereny przemysłowe i magazynowe, platformy wydobywcze ropy i gazu, parkingi, tereny przemysłu petrochemicznego i inne niebezpieczne, elektrownie, ciepłownie, gazownie itp., tereny kolejowe i inne szynowe, tartaki, stocznie i doki, elektrownie wodne i stacje oczyszczania ścieków.
Podane dla pól pracy, wymagane wartości średniego natężenia oświetlenia nie mogą być mniejsze od rzeczywistych wielkości występujących w całym okresie użytkowania urządzenia oświetleniowego, niezależnie od jego wieku i zanieczyszczenia. Wymagane wartości natężenia oświetlenia określono dla normalnych warunków widzenia, związanych z przeciętną trudnością pracy wzrokowej dla danej czynności. Przyjęto następującą skalę stopniowania poziomów natężenia oświetlenia zewnętrznego: 5 – 10 – 15 – 20 – 30 – 50 – 75 – 100 – 150 – 200 – 300 – 500 – 750 – 1000 – 1500 – 2000 lx.
Dopuszczono podniesienie lub obniżenie wymaganych wartości średniego natężenia oświetlenia w polu pracy o co najmniej jeden stopień w przyjętej skali, gdy warunki widzenia odbiegają od normalnych. Podano sytuacje, w których dopuszczono podniesienie lub obniżenie wymaganych wartości średniego natężenia oświetlenia w polu pracy.

Natężenie oświetlenia w bezpośrednim otoczeniu pola pracy
Wartości średniego natężenia oświetlenia w bezpośrednim otoczeniu pola pracy uzależniono od wartości średniego natężenia oświetlenia w polu pracy. Dopuszcza się niższe wartości w bezpośrednim otoczeniu pola pracy. Określone w normie, wymagane wartości średniego natężenia oświetlenia w bezpośrednim otoczeniu pola pracy powinny zapewniać wystąpienie wyrównanego rozkładu luminancji w polu widzenia użytkowników oświetlanych przestrzeni. Wymagane wartości średniego natężenia oświetlenia w bezpośrednim otoczeniu pola pracy (tabela 1) są wartościami eksploatacyjnymi.

Równomierność oświetlenia w polu pracy i jego bezpośrednim otoczeniu
Równomierność oświetlenia pola pracy powinna być możliwie wysoka. Zdefiniowano ją ilorazem minimalnej i średniej wartości natężenia oświetlenia w polu pracy. W normie podano wymagane wartości równomierności oświetlenia w polu pracy w zależności od rodzaju terenu, zadania wzrokowego lub wykonywanej pracy, w układzie tabelarycznym, tak jak wymagane wartości średniego natężenia oświetlenia w polu pracy.
Równomierność oświetlenia w bezpośrednim otoczeniu pola pracy, zdefiniowana podobnie ilorazem minimalnej i średniej wartości natężenia oświetlenia w tym polu, nie powinna być niższa od 0,1.
Uznano, że w przypadku niektórych terenów kolejowych zachodzi potrzeba określenia dodatkowego wymagania związanego z równomiernością oświetlenia. Taką równomierność, charakteryzującą jakość oświetlenia, zdefiniowano ilorazem minimalnej i maksymalnej wartości natężenia oświetlenia na rozpatrywanej powierzchni.

Olśnienie

Nadmiernie jaskrawe obiekty występujące w polu widzenia użytkowników terenów zewnętrznych mogą prowadzić do wystąpienia olśnienia. Może ono pochodzić bezpośrednio od instalacji oświetleniowej (prowadząc do olśnienia przeszkadzającego lub przykrego) lub od nadmiernie jaskrawych odbić światła na powierzchniach odbijających w sposób zbliżony do kierunkowego (prowadząc do olśnienia odbiciowego lub odbić dekontrastujących).
W normie określono wymagania, spełnienie których powinno zapobiegać błędnemu postrzeganiu obiektów i występowaniu wypadków oraz zmęczeniu użytkowników. Zwrócono uwagę na potrzebę stosowania specjalnych środków w ograniczaniu olśnienia, gdy typowy kierunek obserwacji użytkowników skierowany jest w górną półprzestrzeń (powyżej płaszczyzny poziomej oczu).

Olśnienie przeszkadzające
Parametrem charakteryzującym stopień olśnienia przeszkadzającego jest wskaźnik olśnienia GR. Do obliczeń wskazuje się metodę oceny olśnienia CIE, scharakteryzowaną w publikacji CIE nr 112-1994 [5]. Wskaźnik olśnienia GR należy obliczać na podstawie zależności:

Gdzie:
L_VL – całkowita luminancja zamglenia (cd/m²) wywołana oprawami instalacji oświetleniowej, będąca sumą luminancji zamglenia od poszczególnych opraw instalacji.
L_ve – ekwiwalentna luminancja zamglenia otoczenia (cd/m²), przy założeniu, że odbicia otoczenia mają charakter rozproszony.
L_vi – luminancja zamglenia pochodząca od i-tej oprawy oświetleniowej (cd/m²).
E_eyei – natężenie oświetlenia od i-tej oprawy oświetleniowej (l_x), wytworzone w płaszczyźnie prostopadłej do osi wzrokowej, która jest nachylona pod kątem 2^o w dół względem płaszczyzny horyzontalnej.
Q_i – kąt płaski (deg) pomiędzy osią wzrokową obserwatora o odcinkiem łączącym i-tą oprawę oświetleniową z okiem obserwatora.
r – uśredniony współczynnik odbicia oświetlanej płaszczyzny.
Ehav – średnie poziome natężenie oświetlenia oświetlanej płaszczyzny.
Wskaźnik olśnienia GR należy obliczać w punktach siatki obliczeniowej przyjętej do obliczeń rozkładu natężenia oświetlenia, na wysokości oka wynikającej z typowej pozycji pracy. W każdym punkcie siatki obliczeniowej należy obliczyć wartości wskaźników olśnienia dla zmiennych kierunków patrzenia, poczynając od kierunku równoległego do dłuższego boku rozpatrywanego terenu co 45o wokół pionowej osi obserwatora.
W projekcie oświetlenia należy podać wszelkie założenia, które przyjęto do obliczeń wskaźnika olśnienia GR. Obliczone wartości wskaźników olśnienia GR nie powinny przekraczać wartości wymaganej dla danego rodzaju terenu lub czynności. Wymagane, graniczne wartości wskaźnika olśnienia GRL zestawiono w układzie tabelarycznym dla piętnastu grup terenów zewnętrznych.

Odbicia dekontrastujące i olśnienie odbiciowe
Nadmiernie jaskrawe odbicia światła na powierzchniach pracy z reguły pogarszają widoczność szczegółu lub przedmiotu pracy. W normie podano, na zasadzie zaleceń, ogólnie znane środki prowadzące do ograniczania odbić dekontrastujących i olśnienia odbiciowego:
• odpowiednie rozmieszczanie opraw oświetleniowych względem pól pracy,
• stosowanie matowych powierzchni,
• ograniczanie luminancji opraw oświetleniowych,
• stosowanie opraw wielkopowierzchniowych.

Oświetlenie kierunkowe

Oświetlenie kierunkowe stosuje się w celu uwidocznienia (zogniskowania) obiektów w oświetlanej przestrzeni, uwidocznienia faktury powierzchni i obiektów oraz poprawy wyglądu osób. Oświetlenie kierunkowe przedmiotów pracy wzrokowej może prowadzić do poprawy ich widoczności. Uzyskiwanie efektów oświetleniowych za pomocą światła określa się terminem „modelowanie”.

Modelowanie
Modelowanie jest ważnym kryterium projektowania oświetlenia. Obiekty i ludzie występujące w oświetlanej przestrzeni powinny być dokładnie postrzegane, poprzez uwidocznienie ich cech, takich jak uwypuklenie kształtu, głębi i tekstury w przypadku obiektów a wyglądu twarzy w przypadku ludzi. W przypadku kierowania światła z jednego kierunku (oświetlenie kierunkowe) modelowanie jest z reguły silne i prowadzi do wytworzenia cieni. Równomierne oświetlenie miejsc pracy za pomocą wielu opraw, najczęściej o szerokim rozsyle strumienia świetlnego, (oświetlenie rozproszone) prowadzi do słabego modelowania. W większości przypadków należy dążyć do uzyskania umiarkowanego modelowania, gdyż zbyt ostre cienie mogą prowadzić do niekorzystnego efektu oświetleniowego a zbyt słabe modelowanie może wprowadzać monotonię.

Oświetlenie kierunkowe przedmiotów pracy wzrokowej
Poprawa widoczności przedmiotów pracy wzrokowej (szczegółów i całych obiektów) ma zasadnicze znaczenie przy stosowaniu oświetlenia kierunkowego. Przy stosowaniu oświetlenia kierunkowego należy zwracać szczególną uwagę na odbicia dekontrastujące i olśnienie odbiciowe, kierując się zaleceniami podawanymi przy omawianiu tematyki dotyczącej olśnienia.

Barwa światła i oddawanie barw

Barwa światła i oddawanie barw związane są z jakością światła emitowanego przez źródła światła. Wymagania oświetleniowe omawia się osobno dla każdego z tych aspektów.

Barwa światła
Barwa światła jest jednym z głównych czynników oświetleniowych tworzących otoczenie świetlne. Uważa się, że poprzez jej dobór można wpływać na odczucia ludzi – psychologiczne oddziaływanie otoczenia świetlnego. Barwa postrzegana światła emitowanego przez źródło charakteryzowana jest za pomocą temperatury barwowej najbliższej (TCP). Powszechnie przyjęty związek pomiędzy postrzeganą barwą światła a temperaturą barwową najbliższą źródła światła przedstawiono w tabeli 2.
Wybór barwy światła może zależeć od wielu czynników. Decydujące znaczenie przy wyborze barwy światła źródeł mają czynniki psychologiczne i estetyczne.

Oddawanie barw
Barwy oświetlanych przedmiotów, obiektów i skóra twarzy ludzi powinny być odbierane w sposób możliwie dokładny i przyjemny. Dobre oddawanie barw może wpływać na wydolność wzrokową, komfort widzenia oraz ogólne samopoczucie ludzi przebywających w oświetlanej przestrzeni.
Parametrem charakteryzującym oddawanie barw oświetlanych obiektów jest ogólny wskaźnik oddawania barw Ra. Źródła światła charakteryzujące się wskaźnikiem oddawania barw nie mniejszym od 90 bardzo dobrze oddają barwy oświetlanych obiektów. Niższe wartości wskaźnika Ra oznaczają niższą wierność oddawania barw. Wymagane, graniczne wartości wskaźnika Ra zestawiono w układzie tabelarycznym dla piętnastu grup terenów zewnętrznych. Barwy znaków bezpieczeństwa powinny być zawsze oddawane wiernie. Wartość wskaźnik oddawania barw Ra nie powinna w takich zastosowaniach spadać poniżej 20.
Przykładowe, nakazowe wymagania oświetleniowe podawane w rozdziale 5 normy CIE S 015/E: 2005 zaprezentowano w tabeli 3.

Migotanie światła i efekty stroboskopowe

Migotanie światła może prowadzić do rozdrażnienia, zmęczenia i innych dolegliwości u osób przebywających w oświetlanej przestrzeni. Efekty stroboskopowe mogą prowadzić do sytuacji niebezpiecznych dla osób pracujących przy maszynach obrotowych lub postępowo – zwrotnych. Projekt oświetlenia powinien uwzględniać konieczność ograniczania migotania światła i niwelowania efektów stroboskopowych. Stosowanie elektronicznych układów wysokoczęstotliwościowych do zasilania lamp wyładowczych najczęściej prowadzi do pożądanych efektów.

Światło intruzyjne

Światło elektryczne powinno być stosowane racjonalnie. W przypadku terenów zewnętrznych powinno być kierowane na pola wymagające oświetlenia, a tylko w nieznacznym stopniu lub nie powinno być wcale kierowane w innych kierunkach [6]. Nieracjonalnie stosowane światło (ang. obtrusive light) prowadzi do tzw. zanieczyszczania środowiska naturalnego i sztucznego ludzi, fauny i flory. Takie światło wywołuje dyskomfort, rozproszenie uwagi lub zmniejszenie zdolności postrzegania informacji z otoczenia. Zanieczyszczanie środowiska światłem związane jest z emitowaniem światła z opraw w półprzestrzeń górną oraz ze światłem rozproszonym i odbitym. W normie wprowadzono zalecenia oświetleniowe związane z ograniczaniem światła intruzyjnego mogącego wywoływać problemy u ludzi oraz fauny i flory (tabela 4).
W normie wprowadzono także zalecenia oświetleniowe związane z ograniczaniem światła intruzyjnego dla użytkowników dróg od instalacji oświetleniowych nie będących instalacjami oświetlenia drogowego – tabela 5.

Współczynnik utrzymania

Projekt oświetlenia zewnętrznego powinien uwzględniać spadek poziomu natężenia oświetlenia w trakcie eksploatacji urządzenia oświetleniowego. Wyznaczona wartość współczynnika utrzymania, charakteryzująca ten spadek, powinna wynikać z uwzględnienia charakterystyk zanieczyszczenia środowiska, sprzętu oświetleniowego i przyjętych okresów konserwacyjnych. Publikacja CIE 154-2003 [10] podaje wytyczne dotyczące systemu konserwacji zewnętrznych instalacji oświetleniowych.
Projektant oświetlenia jest zobligowany do:
• podania w projekcie wyznaczonej wartości współczynnika utrzymania i założeń przyjętych do jego wyznaczenia,
• wyboru sprzętu oświetleniowego odpowiedniego do charakterystyki zanieczyszczenia środowiska,
• podania racjonalnego systemu konserwacji, obejmującego sposoby i okresy konserwacyjne.

Aspekty energetyczne

Instalacja oświetleniowa powinna być energooszczędna. Uzyskiwanie wysokiej jakości otoczenia świetlnego nie powinno prowadzić do marnotrawienia energii elektrycznej. Należy pamiętać, że nigdy oszczędzanie zużycia energii elektrycznej na potrzeby oświetlenia nie powinno być uzyskiwane na drodze obniżania jakości warunków oświetleniowych. Oszczędzanie zużycia energii elektrycznej może być uzyskiwane poprzez wybór energooszczędnych źródeł światła, opraw oświetleniowych i układów stabilizacyjno – zapłonowych, uwzględnienie możliwości sterowania oświetleniem oraz racjonalne użytkowanie oświetlenia w trakcie jego eksploatacji.

Aspekty związane z rozwojem zrównoważonym

Pojęcie oświetlenia zrównoważonego jest znane. Coraz powszechniej respektowane jest w projektach i eksploatacji instalacji oświetleniowych wnętrzowych (np. [11]). Związane jest m.in. z redukowaniem zużycia energii elektrycznej na potrzeby oświetlenia (aspekt energetyczny), stosowaniem przyjaznego środowisku sprzętu oświetleniowego, planowaniem recyklingu poszczególnych elementów instalacji oświetleniowej oraz redukowaniem światła intruzyjnego.

Oświetlenie awaryjne

W przypadku wystąpienia zakłóceń w normalnej pracy instalacji oświetleniowej (np. zanik napięcia zasilającego) należy przewidzieć oświetlenie awaryjne. Wymagania dotyczące oświetlenia awaryjnego regulują inne normy oświetleniowe. W tej normie, w aneksie E, podano wymagania oświetleniowe związane z bezpieczeństwem. Wymagania te ujęte są także w odrębnej normie CIE S 016/E: 2005 „Lighting of Outdoor Work Places – Lighting Requirements for Safety and Security” [12].

Podsumowanie

Przewiduje się, że w Polsce wymagania oświetleniowe dla terenów zewnętrznych zawarte w omawianej normie zaczną formalnie obowiązywać dopiero wraz z uznaniem normy EN 12464-2 za normę krajową. Wymagania zawarte w normie EN 12464-2 będą identyczne (bardzo zbliżone) z wymaganiami zawartymi w omawianej normie. Norma EN 12464-2 znajduje się obecnie na etapie projektu.
Należy pamiętać, że norma nie ogranicza możliwości projektantów oświetlenia w zakresie wprowadzania nowoczesnych technik projektowania i technologii sprzętowych, nie podaje także żadnych rozwiązań oświetleniowych. Rozbudowanie przez projektanta wymagań oświetleniowych, w dążeniu do wysokiej jakości oświetlenia, jest zawsze jak najbardziej wskazane w projektowaniu oświetlenia terenów zewnętrznych.

Piotr Pracki
Autor jest pracownikiem
Politechniki Warszawskiej
Wydział Elektryczny
Instytut Elektroenergetyki
Zakład Techniki Świetlnej

BIBLIOGRAFIA
[1] CIE S 015/E: 2005. „Lighting of Outdoor Work Places”.
[2] PN-EN 12193: 2002 (U). „Oświetlenie stosowane w obiektach sportowych”.
[3] PN-EN 12464-1: 2004. „Światło i oświetlenie. Oświetlenie miejsc pracy. Część 1: Miejsca pracy we wnętrzach”.
[4] PN-71/E-02034. „Oświetlenie elektryczne terenów budowy, przemysłowych, kolejowych i portowych oraz dworców i środków transportu publicznego”.
[5] Publikacja CIE 112. „Glare evaluation system for use within outdoor sports and area lighting”.
[6] Zalewski S. „Światło jako źródło zanieczyszczenia środowiska”, Elektrosystemy, 2/2005.
[7] Publikacja CIE 115. „Recommendations for the lighting of roads for motor and pedestrian traffic”
[8] Publikacja CIE 140. „Road lighting calculations”.
[9] Publikacja CIE 150. „Guide on the limitation of the effects of obtrusive light from outdoor lighting installations”.
[10] Publikacja CIE 154. „Maintenance of outdoor lighting systems”.
[11] Matusiak B., Pracki P. „Sustainable lighting in school buildings”, Konferencja LUX Europa 2005, Berlin.
[12] CIE S 016/E: 2005. „Lighting of Outdoor Work Places – Lighting Requirements for Safety and Security”.