Verejné osvetlenie je v súčasnosti v každej obci a meste na Slovensku. Poplatky za jeho prevádzku predstavujú významnú časť z rozpočtu miest a obcí. Prevádzkovatelia sa preto snažia hľadať spôsoby, ako znížiť náklady a zvýšiť efektivitu prevádzky. V minulosti sa efektivita zvyšovala najmä používaním efektívnejších svetelných zdrojov a kvalitnejšími materiálmi optických častí. V súčasnosti sú rekonštrukcie zamerané na výmenu svietidiel s výbojkovými zdrojmi za účinnejšie s LED.

Ďalší potenciál na zníženie spotreby a zvýšenie efektívnosti je adaptívne riadenie verejného osvetlenia. Najjednoduchší systém riadenia je založený na zmene požiadaviek v neskorých nočných hodinách. Riadiaci systém znižuje svetelný tok a tým aj príkon svietidla. Tento postup využíva princíp nižších požiadaviek na osvetlenie v čase menšej premávky, keď môže byť komunikácia preklasifikovaná na inú triedu osvetlenia. Regulovanie výkonu svietidiel sa realizuje individuálne vo svietidlách (stmievateľný predradník) alebo centrálne v rozvádzači (regulátor napätia).

V súčasnosti najviac diskutovaný spôsob zvyšovania efektívnosti prevádzky verejného osvetlenia predstavuje adaptívne osvetlenie. Pri tomto type riadenia je výkon svietidla regulovaný podľa využívania komunikácie (chodci, resp. účastníci premávky). Tento systém reguluje úroveň osvetlenia na minimum (zvyčajne 10 %) v čase, keď sa komunikácia vôbec nevyužíva. Aktuálna spotreba svietidiel závisí od aktuálneho svetleného profilu. Adaptívne osvetlenie mení svoj príkon pomerne často a v širokom rozsahu, a preto jeho rozšírenie úzko súvisí s rozvojom LED svietidiel.

Najnovšie spôsoby riadenia verejného osvetlenia predstavujú systémy prepojené na ďalšie snímače a komunikačné prvky (napr. koncept inteligentného mesta). V takýchto prípadoch môže byť výkon svietidla zvýšený alebo znížený oproti štandardnej hodnote. Môže ísť o prípady, keď je na ceste nehoda, sanitka, polícia alebo hasiči. Toto zvýšenie sa týka bezpečnosti vodičov a chodcov. Zmenu výkonu môže spôsobiť aj zmena povrchu vozovky v prípade dažďa alebo snehu a pri zmene viditeľnosti (hmla). Tieto systémy predstavujú sofistikované riešenia, ktoré sú v štádiu výskumu.

Spínacie profily na adaptívne osvetlenie

Problematika spínacích profilov je zachytená v norme STN EN 13201-5. Typické profily sú:

  • Plný riadiaci profil. Používa sa v sieťach verejného osvetlenia už mnoho rokov. Je to najjednoduchší spôsob riadenia. Osvetlenie je spínané prostredníctvom fotobuniek alebo časovačov. Tento spôsob riadenia by sa pri nových a rekonštruovaných sieťach mal využívať len na komunikáciách s nepretržitým pohybom používateľov a nemožnosťou preklasifikovania (napr. dopravné uzly).
  • Viacúrovňový spínací profil. Pozostáva z dvoch alebo viacerých časových intervalov v rámci denného priebehu, počas ktorých majú svietidlá rôzny príkon a poskytujú rôzne úrovne osvetlenia v súlade so zatriedením komunikácií do tried osvetlenia (podľa STN EN 13201-2) pre každý z týchto intervalov. Tento profil je vhodný pre väčšinu komunikácií, kde sa predpokladá nižšia hustota vozidiel v noci. Na stmievanie možno použiť rôzne typy regulácie (individuálna alebo centrálna).
  • Nočné vypnutie osvetlenia. Niekedy sa používa (najmä v menších obciach) z dôvodu šetrenia elektriny. Z hľadiska bezpečnosti sa však tento spôsob nedá akceptovať, a preto nie je v norme STN EN 13201-5 uvedený. Vypnutím osvetlenia stráca verejné osvetlenie zmysel, pre ktorý bolo navrhnuté a budované, t. j. pocit bezpečia. Úplne vypnuté osvetlenie predstavuje riziko aj pre vodičov. Pri vypnutom osvetlení je ťažké spozorovať prekážku na vozovke (chodci, zvieratá a pod.). Tento profil je akceptovateľný len na miestach astronomických pozorovaní, kde by mohlo svetelné znečistenie ohrozovať kvalitu pozorovaní nočnej oblohy.
  • Riadenie osvetlenia pomocou snímačov vozidiel a osôb. Na riadenie osvetlenia sa využívajú snímače prejazdu vozidiel a pohybu osôb. Plný alebo viacúrovňový regulovaný riadiaci profil sa „vyrezáva“ v čase, keď nie je premávka detegovaná. Svietidlá sa vtedy prepínajú do nižšej úrovne osvetlenia. V nočných hodinách sa za týmto účelom definuje nová, tretia úroveň osvetlenia, ktorá predstavuje bezpečnostné minimum (na bezpečný pohyb v prípade straty detekcie, pri pohľade z okien von, aby nebola tma…) a ktorá udržiava svietidlá v pohotovostnom stave svietenia. Tento režim sa zvlášť hodí pre LED svietidlá, ktoré sa dajú veľmi ľahko riadiť na rôznych úrovniach. Výrezy na obr. 4 závisia od detekcie a nie sú periodické. Tento riadiaci profil sa hodí predovšetkým pre obytné oblasti.

Efektivita adaptívneho riadenia

Pri plnom riadiacom profile sa zvyčajne uvažuje s ročným prevádzkovým časom osvetlenia 4 000 hodín. Pri iných prevádzkových režimoch stačí skombinovať ročný prevádzkový čas jednotlivých úrovní osvetlenia s príslušným systémovým príkonom a v prípade systémov so snímačmi aj s pravdepodobnosťou detekcie. Týmto spôsobom sa počíta koeficient prevádzky osvetlenia cop. Typické hodnoty koeficienta prevádzky osvetlenia pre rôzne riadiace profily uvádza tab. 1, pričom boli určené za týchto predpokladov:

  • plný profil: 4 000 hodín pri plnom príkone P,
  • dvojúrovňový profil: 2 175 hodín pri plnom príkone P a 1 825 hodín pri zníženom príkone 0,7 P s úrovňou osvetlenia zníženou na 50 %,
  • vypnutie osvetlenia v noci: podobne ako pri dvojúrovňovom profile, ale s nulovým príkonom počas nočných 1 825 hodín (strata služby),
  • trojúrovňový profil so snímačmi: 2 175 hodín dvojúrovňového riadenia medzi 100 % a 60 % systémového príkonu s pravdepodobnosťou detekcie 80 % a 1 825 hodín zníženého dvojúrovňového riadenia medzi 20 % a 60 % systémového príkonu s pravdepodobnosťou detekcie 20 %.

Uvedené hodnotenie sa používa na výpočet AECI (Annual Energy Consumption Indicator). Z tab. 1 je vidieť potenciál úspor pri použití rôznych úrovní riadenia.

Vplyv počasia na povrch komunikácie

Pri komplexnom riadení osvetlenia treba zohľadniť aj zmenu povrchu komunikácie spôsobenú vplyvmi počasia. Ak je vozovka pokrytá súvislou vrstvou snehu, možno pozorovať zvýšenie jasu vozovky a tiež jasu pozadia a okolia. Tento efekt je pozitívny a svietidlá môžu byť prevádzkované na nižšej úrovni, čo predstavuje pokles príkonu a spotreby. Pri presnom definovaní zmien jasu (pokles alebo nárast) treba zvážiť všetky bežné vplyvy:

  • nový alebo ujazdený sneh,
  • súvislá vrstva snehu alebo vyjazdené pásy v snehu,
  • rovnomernosť a množstvo snehu.

Mokrá vozovka patrí k najčastejším zmenám, ktoré sa môžu vyskytnúť. Dážď a mokrá vozovka majú negatívny vplyv na viditeľnosť, pretože zvyšujú riziko oslnenia od ostatných vozidiel, verejného osvetlenia a iných zdrojov svetla. Hlavné vplyvy na jas počas mokrej vozovky sú:

  • voda vo vyjazdených koľajach,
  • vodná hmla od ostatných vozidiel,
  • kaluže.

Ďalším negatívnym vplyvom mokrej vozovky je striedanie jasných a tmavých miest. Ľudské oko nie je schopné adaptovať sa na rýchle zmeny jasu a nedokáže v takýchto prípadoch detegovať prekážky na vozovke. Tento fakt nemožno v súčasnosti jednoznačne kvantifikovať.

Vplyv okolitých zdrojov svetla

Okolité objekty ovplyvňujú úroveň osvetlenia na cestách. Tento efekt je v priebehu dňa premenlivý. Zvýšenie jasu okolitých objektov a budov je zvyčajne večer, pričom tento jav môže byť pozitívny aj negatívny. Svetlo z okolitých budov môže prispievať k osvetleniu komunikácií, ako sú napr. chodníky na uliciach s veľkými výkladmi. Na druhej strane sa môže objavovať aj negatívny vplyv v podobe nerovnomernosti osvetlenia a oslnenia. V takom prípade treba zvýšiť úroveň verejného osvetlenia. Takýmto postupom sa môže eliminovať aj nebezpečenstvo oslnenia (zvýšenie jasu pozadia). Medzi najčastejšie vplyvy z okolia patria:

  • iluminácie,
  • osvetlenie reklamných plôch,
  • osvetlenie výkladov,
  • sezónne osvetlenie,
  • svetlomety.

Osvetlenie komunikácií často ovplyvňujú aj listnaté stromy vytvárajúce clony, na druhej strane v zime netvoria prekážku.

Technické riešenie adaptívneho osvetlenia

Adaptívne osvetlenie opisujú viaceré štúdie. Nástup tejto technológie do praxe je však pomalý. Ide o výrazné investície, pričom technológia nie je ešte dostatočne vyladená.
Jedno z možných riešení je na obr. 6. Na stožiaroch sú umiestnené snímače pohybu, ktoré detegujú pohyb a podľa nastavených algoritmov zvyšujú výkon svietidiel tak, aby boli dodržané normatívne hodnoty jasu a osvetlenosti. Pri návrhu algoritmov spínania treba zohľadniť:

  • výhľad používateľa v smere chôdze alebo jazdy,
  • výhľad za používateľa,
  • výhľad na okolie, t. z. chodníky, iné jazdné pruhy, okolie komunikácie,
  • výhľad na všetky smery z križovatiek.

Pokročilejšie technológie môžu separátne riadiť osvetlenie v jednotlivých častiach komunikácie. Napríklad osvetlenie cesty nemusí byť na 100 % v prípade, ak ide chodec po chodníku a na ceste nie je žiadne vozidlo. Takéto algoritmy vyžadujú riadenie jednotlivých LED čipov.

V prípade použitia laserových detektorov možno vyhodnocovať aj veľkosť pohybujúceho sa objektu, jeho rýchlosť, smer a vzdialenosť od snímača. Celé technické riešenie vyžaduje, aby bola medzi snímačmi a svietidlami zabezpečená komunikácia. Zber údajov zo snímačov a riadenie svetelného toku zvyčajne zabezpečuje riadiaca jednotka umiestnená v rozvádzači. V prípade riešenia rozľahlejšej oblasti treba zabezpečiť komunikáciu medzi jednotlivými riadiacimi jednotkami a zladiť ich súčinnosť.

Technické limity

V súčasnosti je najväčším problémom vhodný výber snímačov pohybu, ich citlivosť a možnosti nastavenia. Pri detekcii pohybu sa využívajú:

  • pasívne infračervené snímače,
  • optické brány,
  • mikrovlnné snímače,
  • laserové snímače.

Tieto snímače sú dnes na vysokej úrovni, ale zvyčajne sa vyvíjajú na detekciu osôb v interiéri alebo v spojení s inými snímačmi na ochranu exteriéru pred nepovolenými vstupmi. Prispôsobenie na detekciu pohybu osôb na komunikáciách by vyžadovalo takmer vždy určité úpravy, aby sa eliminovali chybné detekcie, napr. vplyvom:

  • počasia (dážď, sneženie, hmla),
  • pohybu zelene a stromov počas vetra,
  • pohybu zvierat.

Ďalšie komplikácie môžu predstavovať nečistoty na snímačoch. Použitie citlivých snímačov by vyžadovalo pravidelnú údržbu. V prípade menej citlivých snímačov by zase bolo potrebné použiť väčšie množstvo snímačov.

Výraznú komplikáciu adaptívneho riadenia osvetlenia predstavuje tienenie rôznymi stavbami a zeleňou. Často sa stáva, že v blízkosti komunikácie je hustá zeleň, billboardy a pod., ktoré môžu brániť detektoru pohybu, aby správne reagoval na blízkosť osôb.

Výber komunikácie na adaptívne osvetlenie

Je to jeden z najdôležitejších krokov pri riešení adaptívneho osvetlenia. Ak má ísť o racionálne riešenie, nie je vhodné, aby sa za každú cenu hľadalo riešenie pre zložité a husto využívané komunikácie.

Na obr. 7 je príklad vhodnej komunikácie, ktorá sa nachádza v obytnej zóne, čo predstavuje výrazný potenciál úspor. Osvetľovacia sústava je pred rekonštrukciou. Pri umiestnení snímačov v blízkosti svietidiel na stožiaroch nevznikajú problémy s prekážkami. Vzdialenosť stožiarov a šírka komunikácie nie je veľká, takže stačia štandardné snímače.

Medzi komunikácie nevhodné na adaptívne osvetlenie patria centrálne časti miest a komunikácie s častým pohybom osôb a vozidiel z dôvodu dlhej návratnosti investície. Tiež nie je vhodné inštalovať adaptívne osvetlenie do parkov a na kľukaté komunikácie. V týchto prípadoch by bolo nutné inštalovať veľké množstvo snímačov a je vyššia pravdepodobnosť chybnej detekcie, resp. nedetekcie pohybu.

Záver

Verejné osvetlenie je v súčasnosti projektované a prevádzkované tak, aby spĺňalo normatívne požiadavky. Často sa však stáva, že komunikácia je osvetľovaná aj v čase, keď sa na nej nikto nenachádza. Niektoré komunikácie sú osvetľované viac ako polovicu času bez využitia, čo predstavuje potenciál úspor. Nakoľko adaptívne osvetlenie je pomerne nová technológia, je nutné zodpovedne pristupovať k jej riešeniu, aby nevznikali rýchle a nedôsledné riešenia. Pozitívne je, že vznikajú prvé pilotné projekty, ktoré poskytnú projektantom praktické informácie a prevádzkovateľom skúsenosti, aby vedeli, čo od novej technológie očakávať, nakoľko inovatívnosť tejto technológie vzbudzuje v samosprávach obavy ohľadom spoľahlivosti tohto riešenia.

Tento príspevok vznikol s podporou Vedeckej grantovej agentúry Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu SR na základe zmluvy VEGA 1/0640/17 Sebestačné inteligentné siete a regióny a ich začlenenie do existujúcej elektrizačnej sústavy.

Literatúra

[1] STN EN 13201-5 Osvetlenie pozemných komunikácií. Časť 5: Ukazovatele energetickej účinnosti.

[2] Schreder: Smart Control for Efficient Lighting.

[3] CIE 115: Lighting of Roads for motor and Pedestrian Traffic, 2010.

[4] Skoda, J. – Baxant, P.: The reduction in electricity consumption through proper lighting. In: Proc. EPE – Electric Power Engineering 2009. Brno: University of Technology.

[5] Sokansky, K. – Novak, T.: Energy savings in public lighting. In: Przeglad Elektrotechniczny, 2008, 84 (8), pp. 72 – 74.

   
Ing. Peter Janiga, PhD.
peter.janiga@stuba.sk

doc. Ing. Dionýz Gašparovský, PhD.
dionyz.gasparovsky@stuba.sk

Ing. Lukas Lipnický
lukas.lipnicky@stuba.sk

Fakulta elektrotechniky a informatiky
Slovenská technická univerzita v Bratislave