Projektowanie oświetlenia hali przemysłowej

Projektowanie oświetlenia – wymagania normatywne

Procesy produkcyjne stają się coraz bardziej złożone, dlatego projektowanie oświetlenia powinno uwzględniać szeroki zakres zadań wzrokowych pracowników oraz być dostosowane do stopnia trudności wykonywanej pracy. Przede wszystkim należy podkreślić, że normy oświetleniowe podają wyłącznie minimalne dopuszczalne wymagania. Wyższe poziomy natężenia oświetlenia są dozwolone, a w niektórych przypadkach wręcz pożądane. Wiele badań potwierdza, że liczba wypadków przy pracy znacznie maleje wraz ze wzrostem tego parametru.

Wytyczne zawarte w normie PN-EN 12464-1 „Światło i oświetlenie. Oświetlenie miejsc pracy. Część 1: Miejsca pracy we wnętrzach” stanowią jasno, że komfort widzenia oraz wydolność wzrokowa są bardzo ważnymi kryteriami w projektowaniu oświetlenia. Nowoczesne rozwiązania pozwalają jednak na więcej – redukują koszty przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej jakości oświetlenia, umożliwiają indywidualne dostosowanie się do pracowników, np. poprzez zapewnienie większej ilości światła dla osób starszych, a także gwarantują elastyczność, dzięki możliwości dopasowania do zmieniających się procesów produkcyjnych w halach.

Aby projektowanie oświetlenia hali przemysłowej było opracowane w sposób profesjonalny, oprócz wskazanych wartości, należy mieć na uwadze również znaczenie poszczególnych wymagań normatywnych:

• natężenie oraz równomierność oświetlenia – odgrywają znaczącą rolę w ustalaniu, jak szybko, solidnie i łatwo wykonywana jest praca wzrokowa. Mogą być one mierzone na płaszczyznach wertykalnych i horyzontalnych. Średnie natężenie oświetlenia określone w normach obejmuje wartości eksploatacyjne, które powinny być zawsze utrzymywane;
• rozkład luminancji – wpływa na zdolność i komfort widzenia. Luminancja różnych powierzchni w otoczeniu zależy od ich współczynnika odbicia oraz realizowanego na nich natężenia oświetlenia. Dlatego przy takim samym oświetleniu białego i ciemnego pokoju, ten pierwszy sprawia wrażenie jaśniejszego;
• olśnienie – może być bezpośrednie – spowodowane przez oprawy oświetleniowe lub inne, zbyt jaskrawo świecące przedmioty bądź pośrednie – wywołane przez odbicia od jaskrawych powierzchni. Oba rodzaje olśnienia wpływają negatywnie na komfort widzenia i wydolność wzrokową;
• modelowanie oświetlenia – natężenie oświetlenia, jego kierunkowość oraz powstające cienie muszą tworzyć odpowiedni, harmonijny efekt, aby twarze pracowników oraz obiekty w przestrzeni były rozpoznawane w trzech wymiarach. Dobre modelowanie wymaga zatem odpowiedniego zbilansowania światła bezpośredniego i rozproszonego;
• temperatura barwowa – emitowana przez źródła światła lub oprawy oświetleniowe, wyrażana jest w Kelwinach [K]. Rozróżnić można barwę ciepło-białą, białą neutralną i chłodno-białą (inaczej dzienną);
• wskaźnik oddawania barw – determinuje sposób postrzegania barw oświetlanych przedmiotów;
• światło dzienne – ma istotne znaczenie w projektowaniu oświetlenia – w miejscu pracy wspomaga dobowy rytm organizmu.

Projektowanie oświetlenia, zgodnie z wytycznymi zawartymi w normie PN-EN 12464-1, obowiązkowo powinno również obejmować zalecenia dotyczące jego konserwacji (poprzez określenie właściwego współczynnika utrzymania). Należy mieć na uwadze, że systematyczna pielęgnacja systemów oświetleniowych może dostarczyć cennych informacji i kluczowych wskazówek również dla przyszłych projektów.

Projektowanie oświetlenia i związane z nim zabiegi powinny również dążyć do uzyskania niskiego zużycia energii. To jedna z najbardziej pożądanych charakterystyk nowego systemu oświetleniowego. Efektywne rozwiązania oświetleniowe oraz inteligentne użycie światła dziennego chronią środowisko, redukują koszty operacyjne przedsiębiorstwa, a tym samym przyczyniają się do jego sukcesu.

Projektowanie oświetlenia – wytyczne

Profesjonalne projektowanie oświetlenia ma na celu zapewnienie dobrych warunków pracy od momentu pierwszego uruchomienia systemu oraz ich utrzymanie przez długi czas. Projektanci oświetlenia, w porozumieniu z innymi branżami, powinni starać się, aby zawarte w dokumentacji założenia były przestrzegane zarówno podczas instalacji, jak i eksploatacji oświetlenia. Ponadto, w idealnym przypadku, projekt powinien wskazywać co należy zrobić ze sprzętem oświetleniowym po zakończeniu jego użytkowania. Recykling i przyjazna środowisku utylizacja zwiększają trwałość rozwiązania.

Projektowanie oświetlenia przemysłowego wymaga indywidualnego podejścia, ponieważ nie istnieją uniwersalne rozwiązania. Projekt powinien uwzględniać rodzaj, szczegółowość i trudność wykonywanej pracy.

Planowanie oraz projektowanie oświetlenia odbywa się w kilku etapach, na które składa się:

• opracowanie koncepcji oświetlenia i wybór właściwych typów opraw do jej realizacji,
• dobór odpowiedniej liczby opraw oświetleniowych i ich rozmieszczenie,
• sporządzenie założeń dotyczących sterowania oświetleniem w poszczególnych obszarach,
• określenie wytycznych harmonogramu konserwacji,
• porównanie propozycji/projektów oświetlenia – w najprostszym przypadku na podstawie wskaźnika efektywności energetycznej, czyli mocy jednostkowej skorygowanej dla poszczególnych pomieszczeń i obszarów (tj. W/m²|100 lx).

Projektowanie oświetlenia wymaga przestrzegania wielu wytycznych i powinno zapewniać:

• odpowiedni poziom natężenia oświetlenia, równomierności oraz ochrony przed olśnieniem – parametry te mają ostateczny wpływ na to, jak dokładnie i szybko mogą być wykonywane zadania wzrokowe;
• komfort widzenia – aby uzyskać jego należyty poziom, trzeba zadbać o harmonijne oświetlenie zarówno płaszczyzn wertykalnych, jak i horyzontalnych, wysoki wskaźnik oddawania barw oraz odpowiednią ochronę przed olśnieniem. Kierunkowość oświetlenia, powstające cienie oraz barwa światła determinują końcowy efekt oświetlenia w pomieszczeniu;
• dopasowanie oświetlenia do biologicznego rytmu organizmu – najlepszym rozwiązaniem jest zawsze światło dzienne, wraz z jego naturalnym rytmem, barwą i natężeniem. Oświetlenie elektryczne również wpływa na zegar biologiczny, rytm dnia i nocy oraz wiele innych funkcji życiowych. Właściwie dobrane i zaprojektowane efektywne biologicznie oświetlenie bazujące na zmianie natężenia oświetlenia oraz barwy światła, zgodnie z naturalnym rytmem dobowym, może znacząco poprawiać motywację w miejscu pracy;
• właściwy strumień świetlny opraw oświetleniowych – strumień świetlny maleje z biegiem czasu. Ma na to wpływ wiele czynników, od charakterystyki źródeł LED po warunki w jakich pracują oprawy (czas świecenia, zabrudzenie itd.). Z tego powodu projekt oświetlenia potwierdza osiągnięcie eksploatacyjnych wartości natężenia oświetlenia z uwzględnieniem współczynnika utrzymania. Oznacza to, że w rzeczywistości poziomy natężenia oświetlenia dla nowej instalacji będą odpowiednio wyższe, aby wartości eksploatacyjne mogły zostać utrzymane przez długi czas.

Profesjonalny projekt oświetlenia powinien zawierać również analizę ekonomiczną całkowitych kosztów posiadania TCO (ang. Total Cost of Ownership), aby móc porównać różne warianty oświetlenia. Celem jest tu opracowanie kompleksowego planu zawierającego wyliczenia opłacalności dla poszczególnych wariantów projektu. Na podstawie danych i wynikających z nich obliczeń, można wybrać optymalną strategię inwestycji w oświetlenie.

Fachowe projektowanie oświetlenia a programy wspomagające projektowanie

Nacisk na profesjonalizm i fachową wiedzę projektantów oświetlenia jest bardzo ważny, zwłaszcza w czasach powszechnego dostępu do oprogramowania wspomagającego proces projektowy, tj. DIALux czy RELUX. Praktyka inżynierska pokazuje dobitnie, że brak podstawowej wiedzy u osób posługujących się programami do symulacji oświetlenia prowadzi do zakłamań i znacznych różnic pomiędzy danymi zawartymi w projekcie, a końcowym efektem oświetlenia po realizacji.

Do zakłamań w procesie komputerowej symulacji oświetlenia może dojść na wielu etapach i każdy z nich znacząco wpływa na wyniki końcowe. Inwestorzy powinni bezwzględnie zwracać na to uwagę przy zapoznawaniu się z dokumentacją. Mowa tu przede wszystkim o:

• doborze właściwych współczynników odbicia powierzchni,
• prawidłowym rozmieszczeniu płaszczyzn obliczeniowych i określeniu właściwego rozmiaru siatek pomiarowych,
• ustaleniu prawidłowego współczynnika utrzymania,
• doborze odpowiednich opraw oświetleniowych,
• użyciu właściwych, zweryfikowanych plików fotometrycznych rzeczywistych opraw oświetleniowych,
• właściwym rozmieszczeniu opraw i ich nakierowaniu, zgodnie z przeznaczeniem oraz z uwzględnieniem ochrony przed olśnieniem,
• właściwej prezentacji i interpretacji wyników.

Biorąc pod uwagę tak wiele istotnych czynników, ważna jest zatem świadomość, że symulacja oświetlenia nie jest projektem, a jedynie jedną z jego składowych.

Projektowanie oświetlenia – sprzęt oświetleniowy

W ostatnich latach można było zauważyć rewolucję w branży oświetleniowej, a związana ona była z dynamicznym rozwojem źródeł światła typu LED. Przyczyniło się to do powstania wielu nowych firm produkujących bądź sprowadzających sprzęt oświetleniowy. Niestety nie zawsze oferowane przez nie produkty były i są odpowiedniej jakości. Z tego powodu wybierając sprzęt oświetleniowy warto postawić na renomowane marki specjalizujące się w produkcji oświetlenia przemysłowego, proponujące rozwiązania będące wynikiem wieloletniego doświadczenia oraz współpracy z użytkownikami. Firmy takie, oprócz fachowego doradztwa, oferują profesjonalny serwis, a także umożliwiają zgłaszanie ewentualnych reklamacji.

Działające oświetlenie jest podstawowym wymogiem bezpieczeństwa w każdej hali produkcyjnej czy magazynowej. Przy czym należy zwrócić uwagę, że warunki otoczenia w różnych obszarach przemysłowych mogą znacznie się między sobą różnić. Dlatego przed podjęciem decyzji o wyborze systemu oświetleniowego należy sprawdzić warunki otoczenia, w jakim będzie pracował osprzęt i ocenić, jakie właściwości, aspekty konstrukcyjne oraz materiały należy uwzględnić w przypadku korpusów, uszczelek oraz kloszy opraw oświetleniowych.

Oprawy przemysłowe LED

Wybór odpowiedniego narzędzia, w tym przypadku oprawy oświetleniowej, jest gwarancją bezpieczeństwa pracy, dlatego powinien zostać dokonany w sposób rzetelny i profesjonalny. Rynek oświetlenia LED jest pełen różnych rozwiązań. Nie ma natomiast jednej konstrukcji, która byłaby zdolna do pracy w każdych warunkach środowiska przemysłowego.

Mówiąc o konstrukcji w główniej mierze chodzi o materiały użyte do jej budowy – nie ma bowiem takich, które są odporne na wszystkie rodzaje zagrożeń – lista związków chemicznych oraz ich wpływu na tworzywa jest bardzo obszerna. Dlatego, z punktu widzenia projektowego, zawsze należy dokładnie ocenić wszystkie potencjalne zagrożenia. Przykładowo surowce, takie jak polimetakrylan metylu (PMMA) lub poliamid (PA) sprawdzą się w środowiskach agresywnych. Natomiast tam gdzie przeprowadza się obróbkę metali i wykorzystywane są, np. smary czy oleje, należy unikać stosowania systemów oświetleniowych, w których istotne elementy byłyby wykonane z poliwęglanu (PC), ponieważ może on ulec uszkodzeniu.

W wielu dziedzinach przemysłu muszą być także stosowane oprawy oświetleniowe z ochroną przeciwwybuchową, np. w dużych zakładach chemicznych, na platformach wiertniczych lub w rafineriach, ale także w młynach zbożowych, silosach lub w tartakach.

Przy podejmowaniu decyzji o wyborze typu oprawy oświetleniowej powinno się zatem uwzględniać wiele istotnych cech, takich jak:

• skuteczność świetlna – tylko wydajne oprawy pozwalają na obniżenie kosztów operacyjnych, w praktyce decydujące znaczenie ma nie tylko skuteczność świetlna źródła światła, lecz całego systemu składającego się również z klosza oprawy, optyki i układu sterowania,
• optymalne oświetlenie powierzchni roboczych – można je uzyskać poprzez zastosowanie wysokowydajnych układów optycznych oraz rozwiązań umożliwiających ukierunkowanie światła niezależnie od miejsca montażu,
• wysoka klasa oprawy LED, jako urządzenia elektrycznego – świadczą o tym certyfikaty (np. ENEC, VDE), informacje dotyczące współczynnika mocy, prądu rozruchowego, współczynnika zawartości harmonicznych – THD,
• trwałość – zarówno źródła światła, jak i innych elementów elektronicznych w oprawie, które decydują o cyklach konserwacji,
• ergonomia produktu – łatwość instalacji i konserwacji, estetyka,
• sposób uszczelnienia oprawy – powinien zapewniać możliwość jej bezawaryjnej pracy przez długi czas.

W przypadku oświetlenia LED często reklamowane są nierealistycznie wysokie skuteczności świetlne diod elektroluminescencyjnych. Są to jednak wartości uzyskane w warunkach laboratoryjnych. Nie można ich osiągnąć w praktyce ze względu na straty elektryczne, optyczne, a zwłaszcza termiczne. Dlatego porównując oprawy oświetleniowe należy zawsze zwracać uwagę na strumień świetlny emitowany przez oprawę, a nie przez źródła LED.

Trzeba również pamiętać, że skuteczność świetlna oprawy nie jest odpowiednią podstawą do oceny efektywności energetycznej, ponieważ nie całe emitowane światło faktycznie pada na płaszczyznę roboczą. Mając to na uwadze, należy zawsze wykonać obliczenia wskaźnika efektywności dla rozpatrywanego obszaru.

Gdziekolwiek emitowane jest światło tam również generowana jest temperatura. Musi być ona zatem skutecznie rozpraszana, aby zapewnić długą żywotność opraw LED i ich maksymalny strumień świetlny. Odpowiedzialni producenci już na etapie projektowania opraw uwzględniają dobre zarządzanie temperaturą za pomocą właściwych konstrukcji obudów i radiatorów opraw. Im niższa temperatura, tym dłuższa żywotność diod LED, wyższa skuteczność świetlna oraz większy strumień świetlny. W przypadku opraw LED, jako gotowych urządzeń, należy ponadto wziąć pod uwagę trwałość i wskaźnik awaryjności elektronicznych układów zasilających.

Oprawy LED rzadko ulegają całkowitym awariom, ale ich strumień świetlny maleje z biegiem czasu, podczas ich pracy. Znamionowa trwałość (podawana jako Lx) opisuje czas, w którym strumień świetlny diody LED spada do określonej wartości. W oświetleniu ogólnym typowe wartości to L80 lub L70. Średnia znamionowa trwałość użytkowa zostaje osiągnięta, gdy strumień świetlny oprawy osiągnie 70% swojej wartości początkowej.

System sterowania oświetleniem

Dzięki nowoczesnym systemom sterowania oświetleniem, zgodnym z protokołem DALI, hale przemysłowe mogą wykorzystywać wszystkie zalety opraw LED. Już nawet prosta kontrola światła dziennego i obecności, z wykorzystaniem odpowiednich czujników pozwala na uzyskanie 80% oszczędności z tytułu zużycia energii elektrycznej, w stosunku do starych systemów oświetleniowych. Obszary obiektów przemysłowych, które nie są w ciągłym użyciu, stanowią wysoki potencjał oszczędności. Mogą to być np. magazyny, ciągi komunikacyjne, szatnie czy pomieszczenia sanitarne.

Dzięki możliwości elastycznego dostosowania nowoczesnych systemów oświetleniowych, można spełnić wymagania różnych obszarów hali przemysłowej, od montowni po centra logistyczne, co pozwala na szybką i łatwą zmianę oświetlenia stref produkcyjnych. Ważne, aby do zagadnienia sterowania oświetleniem poszczególnych obszarów obiektu, podobnie jak do samego oświetlenia, podchodzić w sposób indywidualny.

Łącząc wszystkie dotychczasowe informacje powstaje koncepcja miejsca pracy Industry 4.0. Nowoczesne oświetlenie przemysłowe LED dostosowuje się tutaj do rosnących wymagań przedsiębiorstw. Możliwości dynamicznej regulacji barwy światła, natężenia oświetlenia i ukierunkowywania światła na różnych etapach pracy, a także cyfrowe połączenie maszyn oraz systemów sterowania w sposób ciągły wspierają obszar produkcji. Miejsce pracy z oświetleniem dostosowanym do wykonywanych czynności zwiększa zatem wydajność pracowników, jednocześnie zmniejszając liczbę błędów oraz poprawiając ogólne warunki pracy.

Rosnące wzajemne powiązanie maszyn i danych zmienia procesy produkcyjne oraz logistyczne, otwierając jednocześnie nowe możliwości dla firm. W inteligentnych budynkach oświetlenie odgrywa aktywną rolę – gromadzi dane o użytkowaniu, elastycznie reaguje na zmiany i zapewnia każdemu miejscu pracy optymalną jakość.

Projektowanie oświetlenia zgodnie z ideą Human Centric Lighting

Światło od zawsze oddziaływało na człowieka w sposób wielowymiarowy. Jest to fundamentem idei HCL (ang. Human Centric Lighting), której celem jest wspieranie ludzkiego zdrowia, dobrego samopoczucia i wydajności poprzez profesjonalne projektowanie oświetlenia uwzględniające wizualny, emocjonalny oraz biologiczny wpływ światła. Zgodnie z nią człowiek jest zawsze w centrum projektu oświetlenia. W HCL liczą się zatem najdrobniejsze szczegóły, związane z wpływem bodźców (wzrokowych, emocjonalnych, biologicznych) na jakość wykonywanej pracy.

Optymalna współpraca opraw przemysłowych LED z systemem sterowania oświetleniem DALI pozwala na realizację koncepcji oświetlenia w hali przemysłowej, zgodnie z opisaną ideą. To oświetlenie miejsca pracy powinno dostosować się indywidualnie do pracowników, a nie odwrotnie. Profesjonalny projekt oświetlenia, zgodny z Human Centric Lighting, zapewnia więc większe bezpieczeństwo produkcji, co przekłada się na lepszą wydajność i wyższą jakość pracy.

Projektowanie oświetlenia w podsumowaniu

Profesjonalny projekt oświetlenia hali przemysłowej prowadzi do osiągnięcia wielu korzyści, tj.:

• wysokiej efektywności energetycznej – w porównaniu do starych instalacji oświetleniowych (świetlówki liniowe T8, indukcyjne układy zasilające) można osiągnąć nawet powyżej 80% oszczędności z tytułu zużycia energii elektrycznej, dodatkowo znacznie spadają koszty związane z utrzymaniem wysokowydajnych opraw LED,
• większą produktywność – odpowiednie oświetlenie poprawia wydolność wzrokową pracowników, podnosi koncentrację, zapobiega zmęczeniu i redukuje stres, utrzymuje zdrowie i chroni przed wypadkami w miejscach pracy,
• elastyczność – dobrze zaprojektowane oświetlenie w połączeniu z systemem sterowania może być w prosty sposób adaptowane do zmieniających się warunków pracy,
• wyższy stopień niezawodności – odpowiedni projekt, wysokiej jakości komponenty, niezawodny system sterowania i trwałe oprawy LED podnoszą bezpieczeństwo pracy oraz wygodę użytkowania.

W skrócie, miejsce pracy jest postrzegane jako dobrze oświetlone kiedy:

• wszystkie stanowiska pracy, ciągi komunikacyjne i pomieszczenia służbowe są odpowiednio oświetlone, zgodnie z postawionymi wymaganiami
• uwzględnione są specjalne warunki oświetleniowe na stanowiskach pracy wymagających szczególnej precyzji i wydolności wzrokowej,
• światło pada równomiernie na ściany i sufit, bez przesadnych kontrastów luminancji,
• brak efektu olśnienia przeszkadzającego oraz powstawania nadmiernych cieni,
• używane są źródła światła o odpowiedniej temperaturze barwowej i wskaźniku oddawania barw,
• nie występuje efekt tętnienia światła.

Pracownicy, który widzą dobrze i znajdują się w przyjaznym otoczeniu są bardziej zmotywowani, mają większą koncentrację, a więc wyższy poziom zaangażowania. Jakość wykonywanej pracy wzrasta, co przekłada się na mniejszą liczbę pomyłek.

Podsumowując, nowoczesne systemy oświetleniowe istotnie przyczyniają się do poprawy efektywności energetycznej. Chociaż stają się one coraz bardziej skomplikowane, to jednocześnie trudniej jest podważyć ich wpływ na wydajność pracowników oraz jakość pracy w halach przemysłowych. Wysokiej jakości oświetlenie oddziałuje na wiele procesów psychologicznych związanych z widzeniem, ma wpływ na dobre samopoczucie, zdrowie oraz produktywność. Inwestycja w dobre oświetlenie przynosi zatem wiele korzyści zarówno dla obiektu, jak i jego pracowników.