Pilotný projekt LED osvetlenia cestného tunela Horelica
Začiatok výstavby cestných tunelov na Slovensku spadá do polovice 90. rokov minulého storočia a je spätý s programom výstavby diaľnic. Podľa zoznamu cestných tunelov osadených vysokotlakovými sodíkovými výbojkami máme v prevádzke deväť takýchto diaľničných tunelov – tunely Branisko, Horelica, Sitina, Lučivná, Bôrik, Šibenik, Svrčinovec, Poľana a Považský Chlmec. Čo sa týka diaľničných úsekov vo výstavbe, sú tunely Ovčiarsko, Žilina, Višňové a Čebrať navrhnuté takisto s konvenčnými výbojkami. Na príklade prestavby diaľničného tunela Horelica však možno načrtnúť novú epochu osvetlenia cestných tunelov na Slovensku LED svietidlami.
Na úvod treba pripomenúť, že od apríla 2012 sa na základe dokumentu ErP (Energy related Product) európskej legislatívy (Commision Regulation (EC) No 245/2009) uskutočnilo sťahovanie neefektívnych vysokotlakových výbojok z trhu v niekoľkých fázach. Od toho roku je zakázaná výroba štandardných vysokotlakových sodíkových výbojok a štandardných halogenidových výbojok – prípustné je len dopredávanie zásob, ktoré sa dostali do distribučnej siete.
Samozrejme, za vyradené výbojky existuje náhrada takých, ktoré spĺňajú požiadavky nariadenia EcoDesign, týkajúceho sa aj svetelných zdrojov, a podporujú energetickú účinnosť a efektívnosť z pohľadu vplyvu na životné prostredie a znižovanie uhlíkových emisií. Na vysvetlenie treba povedať, že v sťahovaných vysokotlakových výbojkách sa nachádza ortuť a iné ťažké kovy.
V nerozbitom stave nie sú škodlivé, ak sa však rozbijú, ortuť sa spolu s ďalšími toxickými látkami, ktoré sa v nich nachádzajú, odparuje a dostáva sa do ovzdušia a okolia. Tým sa nielen znečisťuje životné prostredie, ale vdychovanie týchto látok poškodzuje aj ľudské zdravie. Preto je dôležité s týmito výbojkami zaobchádzať opatrne a odovzdávať nefunkčné kusy do separovaného zberu.
Na úvod treba pripomenúť, že od apríla 2012 sa na základe dokumentu ErP (Energy related Product) európskej legislatívy (Commision Regulation (EC) No 245/2009) uskutočnilo sťahovanie neefektívnych vysokotlakových výbojok z trhu v niekoľkých fázach. Od toho roku je zakázaná výroba štandardných vysokotlakových sodíkových výbojok a štandardných halogenidových výbojok – prípustné je len dopredávanie zásob, ktoré sa dostali do distribučnej siete.
Samozrejme, za vyradené výbojky existuje náhrada takých, ktoré spĺňajú požiadavky nariadenia EcoDesign, týkajúceho sa aj svetelných zdrojov, a podporujú energetickú účinnosť a efektívnosť z pohľadu vplyvu na životné prostredie a znižovanie uhlíkových emisií. Na vysvetlenie treba povedať, že v sťahovaných vysokotlakových výbojkách sa nachádza ortuť a iné ťažké kovy.
V nerozbitom stave nie sú škodlivé, ak sa však rozbijú, ortuť sa spolu s ďalšími toxickými látkami, ktoré sa v nich nachádzajú, odparuje a dostáva sa do ovzdušia a okolia. Tým sa nielen znečisťuje životné prostredie, ale vdychovanie týchto látok poškodzuje aj ľudské zdravie. Preto je dôležité s týmito výbojkami zaobchádzať opatrne a odovzdávať nefunkčné kusy do separovaného zberu.
Modulárny systém LED svietidiel v tuneloch
S nástupom bielych svetelných diód (LED) – s použitím fosforového materiálu sa mení monochromatické svetlo modrej LED na širokospektrálne biele svetlo – a novátorských ovládacích jednotiek LED modulov sa v alpských krajinách objavili prvé projekty prevádzkového osvetlenia tunelov s protismernými obdĺžnikovými a symetrickými priamkovými LED svietidlami z plechu z nehrdzavejúcej ocele V4A (podľa DIN 17440 z materiálu č. 1.4571 s vysokou mechanickou pevnosťou a odolnosťou proti korózii).
Tu treba pripomenúť, že telesá LED svietidiel vyhotovené z hliníkovej zliatiny povrchovo upravenej práškovou farbou sú vo vjazdovom adaptačnom pásme a vo vnútornom pásme v podmienkach horských tunelov neprípustné. Je zrejmé, že optimálny modulárny systém LED svietidiel musí vyžarovať svetelný tok v rozpätí typového radu svietidiel s vysokotlakovými sodíkovými výbojkami. Typový rad modulárnych LED svietidiel musí zároveň umožniť voľbu šošovkovej optiky v súlade s medzinárodnými požiadavkami na osvetlenie tunelov.
Všetky svetelné diódy majú byť pritom vybavené rovnakými šošovkami na požadované rozloženie svetelného toku. Preto aj pri stmievaní sa pri danom počte a vyhotovení svetelných diód v svietidle dosahujú rovnaké tvary kriviek svietivosti. Na doskách s plošnými spojmi LED modulov je umiestnený rôzny počet svetelných diód v konfiguráciách, ktoré prispievajú k homogénnemu rozloženiu tepla na ploche.
K lepšiemu rozptylu tepla do okolia prispieva chladič s eloxovaným povrchom s vysokou kvalitou. Ide o dôležitý prvok svietidla ovplyvňujúci menovitý život a svetelný tok celého systému. Pochopiteľne, chladič vyhotovený z hliníkovej zliatiny je galvanicky oddelený od telesa LED svietidla, aby sa zabránilo obojstrannej korózii rôznych materiálov.
Oddelenie dosky s plošnými spojmi LED modulov od ovládacieho zariadenia (ovládacie zariadenie sa skladá z napájacieho zdroja a riadiacej jednotky) prispieva k najchladnejšiemu, a tak aj k najvýkonnejšiemu riešeniu svietidla. V tomto prípade sa časti svietidla prepojené káblom navzájom teplom neovplyvňujú. Nižšia hmotnosť samostatných častí svietidla znamená zároveň jednoduchú montáž a nenáročnú konštrukciu inštalačných prvkov tunelovej rúry.
A napokon, pri rôznom menovitom živote prepojených častí svietidla ich možno samostatne nahradiť. Konštrukcia samostatných častí svietidla s krytím IP66 poskytuje aj väčšiu bezpečnosť. Ploché bezpečnostné sklo s odolnosťou proti zmene teploty a nárazu je vhodné na čistenie modulárnych LED svietidiel motorizovanou kefou pri tlaku prúdiacej vody 6 bar. Vyhovujúce je automatické stmievanie protismerných a symetrických LED svietidiel riadiacou jednotkou, ktorá je oddelená od napájacej jednotky ovládacieho zariadenia.
Autonómne ovládacie zariadenie modulárnych LED svietidiel možno pohodlne inštalovať, používať a udržiavať v inštalačnej skrini umiestnenej v priečnych prepojeniach spájajúcich dve tunelové rúry. V tomto prípade možno kontrolu elektrického zariadenia svietidiel vykonať bez dopravného obmedzenia v tuneli. Na montáž LED svietidiel na nosník slúžia konzoly vyrobené z plechu z nehrdzavejúcej ocele. Pripojenie LED svietidiel sa realizuje pomocou technológie plug-and-play. Opraviteľné, rozoberateľné LED svietidlá treba otvárať osobitným náradím v technologických dielňach výrobcu.
Vzor zo susedného Rakúska
Kompletnú topológiu LED osvetlenia cestného tunela a vodiaceho LED osvetlenia komunikácie v tuneli predviedla firma Broll Systemtechnik z Regensburgu v júni 2018 na 9. ročníku medzinárodnej konferencie s názvom Bezpečnosť a vetranie v tuneli, ktorá sa konala v meste Graz. Následne v júli 2018 sme sa so zástupcami NDS, a. s., BBF elektro, s. r. o., OBO BETTERMANN, s. r. o., a ELHYCO, s. r. o., zúčastnili na prezentácii LED osvetlenia tunela TrIIIple vo Viedni na diaľničnom úseku A4.
Prezentáciu tohto tunela s kompletnou výbavou LED svietidiel zabezpečil so súhlasom spoločnosti ASFiNAG (Autobahnen- und Schnellstrasen-Finanzierungs-Aktiengesellschft), ktorá je zložkou Spolkového ministerstva pre dopravu, inovácie a technológie Rakúska, projektant tunelového osvetlenia M. Wagner a majiteľ firmy Broll Systemtechnik E. Niederhofer.
Získané poznatky sa využili v spolupráci s M. Wagnerom a A. Cossovou (ELHYCO, s. r. o.) pri spracovaní svetelnotechnického projektu LED osvetlenia diaľničného tunela Horelica. Koncept osvetlenia cestného tunela HorelicaTunel Horelica sa nachádza na trase diaľnice D3. Bol otvorený 29. októbra 2004 v polovičnom profile spolu s obchvatom Čadce s dĺžkou 6,4 km, čím nahradil cestu I/11 prechádzajúcu cez Čadcu. V súčasnosti sa pripravuje verejné obstarávanie na dostavbu novej pravej tunelovej rúry (PTR) a úpravu ľavej tunelovej rúry (LTR).
Návrh osvetlenia PTR a LTR cestného tunela Horelica s protismernými (v adaptačnom pásme) a symetrickými LED svietidlami (použitými na denné a nočné osvetlenie prejazdového pásma) firmy Broll Systemtechnik som vykonal overeným softvérom ReluxTunel, ktorý je súčasťou balíka programov novej verzie ReluxDesktop, prezentovanej firmou Relux Informatik na medzinárodnom veľtrhu Light + Building 2018 na výstavisku Messe Frankfurt.Kategórie dvojpruhových jednosmerných tunelových rúr sú podľa STN 73 7507 takéto: PTR T8 – 10 m, LTR T9 – 11 m.
Na prevádzkové osvetlenie (vjazdového adaptačného pásma a vnútorného pásma) sú svietidlá umiestnené v dvoch radoch, protismerné LED svietidlá v osi klenby tunela, symetrické svietidlá sú posunuté 0,5 m od pravého jazdného pruhu smerom k ľavej stene. Výška plochého bezpečnostného skla svietidiel nad úrovňou komunikácie je 5,5 m. Poloha svietidiel bráni stroboskopickému efektu a oslneniu vodičov. Návrhová rýchlosť pri jednosmernej premávke je 80 km/h. Dĺžka brzdnej dráhy je 65 m.
Počíta sa s najvyšším jasom približovacieho pásma na úrovni 5 000 cd/m2 (stanovil sa na základe štatistických hodnôt fotometrického merania LTR počas jedného roka) a najvyšším jasom medzného pásma 200 cd/m2. Najnižší jas prejazdového pásma cez deň by mal byť 6 cd/m2 a v noci 3 cd/m2 (50 %). Počíta sa s udržiavacím činiteľom 0,8. Šesťstupňová plynulá regulácia osvetlenia adaptačného pásma (100/83,3/66,7/50/33,3/16,7 %) sa nastavuje podľa jasu približovacieho pásma určeného meraním vonkajšími jasomermi L20 pri oboch dopravných smeroch.
Svetelný tok svietidiel sa pritom znižuje v režime 100 % (zap.)/50 %/0 % (vyp.). Denné a nočné osvetlenie prejazdového pásma predstavuje jedna skupina svietidiel s dvojstupňovou reguláciou (100 % a 50 %). V LTR treba umiestniť 52 ks symetrických LED svietidiel s nominálnym príkonom 177,1 W, svetelným tokom f = 17 038 lm, merným výkonom svietidla h = 96,21 lm/W a s rozstupom 11,7 m. Spolu s celkovým príkonom 9,2 kW.
Predpokladaný počet protismerných LED svietidiel v LTR je 70 ks v takejto skladbe:
- 46 ks: 316,7 W, f1 = 40 500 lm, h1 = 127,88 lm/W,
- 24 ks: 158,4 W, f2 = 20 250 lm, h2 = 127,84 lm/W.
Ich celkový príkon bude 18,4 kW. Spolu tak bude v LTR príkon 27,6 kW. V PTR treba umiestniť 48 ks symetrických LED svietidiel s nominálnym príkonom 177,1 W, svetelným tokom f = 17 038 lm, merným výkonom svietidla h = 96,21 lm/W a s rozstupom 11,7 m. Spolu s celkovým príkonom 8,5 kW.
Predpokladaný počet protismerných LED svietidiel v PTR je 66 ks v takejto skladbe:
- 42 ks: 316,7 W, f1 = 40 500 lm, h1 = 127,88 lm/W,
- 24 ks: 158,4 W; f2 = 20 250 lm; h2 = 127,84 lm/W.
Ich celkový príkon bude 17,1 kW. Spolu tak bude v PTR príkon 25,6 kW.
Na porovnanie, podľa firmy Artechnic-Schréder, a. s., (odborný časopis Světlo č. 01/2004) bola osvetľovacia sústava jednej tunelovej rúry (LTR, starej) navrhnutá pri jednom smere s najvyšším uvažovaným jasom približovacieho pásma 2 760 cd/m2 a pri opačnom smere s najvyšším uvažovaným jasom približovacieho pásma 3 500 cd/m2. Celkový príkon starej rúry (LTR) so štandardnými vysokotlakovými sodíkovými výbojkami je 94 kW. Teoretický príkon LTR pri obojsmernej premávke s LED svietidlami by bol 44,7 kW (spolu LTR: 27,6 kW + celkový príkon 17,1 kW protismerných LED svietidiel v PTR) pri cca dvojnásobnej úrovni celkového osvetlenia v tuneli Horelica.
Fámy o vyššej spotrebe elektrickej energie v prípade použitia LED svietidiel sú teda zjavne nepodložené! Podľa spoločnosti ASFiNAG prináša osvetlenie cestných tunelov protismernými obdĺžnikovými a symetrickými priamkovými LED svietidlami úspory elektrickej energie nielen v normálnej prevádzke, ale aj v prípade dymovej skúšky sa ukázalo, že viditeľnosť v zadymenej zóne je vyššia ako v prípade osvetľovacej sústavy so štandardnými vysokotlakovými sodíkovými výbojkami.
Na orientačné bodové osvetlenie a označenie smeru úniku sa používajú kombinované evakuačné svietidlá firmy Broll Systemtechnik vyhotovené z nehrdzavejúcej ocele (z materiálu č. 1.4571) s čírym kaleným sklom. Tieto svietidlá sú súčasťou dopravného značenia. Rozmery bezpečnostnej značky sú 350 × 250 mm (pozn.: okrem Slovenska sú na celej Transeurópskej magistrále „TEM“ jednotné rozmery bezpečnostnej značky 300 × 300 mm). Zdanlivá plocha bočných stien je 20 × 250 mm, resp. 20 × 300 mm. Kombinované evakuačné svietidlá sa umiestňujú nad chodník na strane núdzových východov (t. j. pri vstupe do priečnych prepojení) vo výške 1 m.
Základné rozstupy svietidiel sú 25 m. Zároveň sa v bezprostrednej blízkosti každého núdzového východu musí nachádzať aspoň jedno svietidlo (do 2 m), a to z oboch strán. V LTR s dĺžkou 576 m treba počítať s počtom cca 23 svietidiel + 4 ks svietidiel pre dva núdzové východy. V PTR s dĺžkou 562 m sa žiada maximálne 22 ks svietidiel + 4 ks svietidiel pre dva núdzové východy. Bezpečnostná značka a bočné steny svietidla svietia trvale.
Počas prevádzky sú nastavené dva regulačné stupne zodpovedajúce 25 % (počas dňa a nočných hodín) a 100 % (evakuačné návestné osvetlenie) maximálneho svetelného výkonu. Orientačné bodové osvetlenie sa pri detekcii požiaru v tuneli automaticky zapne. LED svietidlá na vodiace osvetlenie komunikácie v tuneli sú umiestnené pri hrane núdzových chodníkov tak, že jednou stranou svietia v smere jazdy (biela farba svetla) a druhou stranou proti smeru jazdy (oranžová farba svetla).
Obojsmerné svietenie s jednosmernou premávkou je nevyhnutné na vizuálne ohraničenie cestnej komunikácie pri pohľade do spätného zrkadla. Rozstupy medzi svietidlami v adaptačnom pásme sú 12,5 m a v prejazdnom pásme 25 m (svietidlá sa umiestňujú v strede medzi kombinovanými evakuačnými svietidlami).
Počet LED svietidiel na vodiace osvetlenie komunikácie v LTR pri dĺžke adaptačného pásma 193,20 m je 2 × 15 = 30 ks + na úseku s dĺžkou 382,80 m je to 2 × 15 = 30 ks, tzn. spolu 60 ks (30 ks s bielou farbou svetla a 30 ks s oranžovou farbou svetla). Počet LED svietidiel na vodiace osvetlenie komunikácie v PTR pri dĺžke adaptačného pásma 191 m je 2 × 15 = 30 ks + na úseku 371 m je to 2 × 15 = 30 ks, tzn. spolu 60 ks (30 ks s bielou farbou svetla a 30 ks s oranžovou farbou svetla).
Celkovo sa teda na vodiace osvetlenie použilo 120 ks LED svietidiel. V štandardnom režime vodiace osvetlenie komunikácie v tuneli trvalo svieti. Možno ho však prepnúť do pomalého (interval 5 s) alebo rýchleho (interval 0,5 s) blikania. Svietidlá sú nastavené na tri regulačné stupne zodpovedajúce 20 % (počas nočných hodín), 50 % (počas dňa) a 100 % (pri evakuačnom návestnom osvetlení) maximálneho svetleného výkonu.
Sú napájané cez záložný zdroj tak, aby boli v prevádzke aj pri výpadku elektrickej energie či v prípade požiaru.Návestné osvetlenie núdzového východu je označené trojicou bodových svietidiel zelenej farby z oboch strán východu. Tieto svietidlá sú umiestnené na bočnej stene tunelovej rúry vo výške 55, 130 a 200,5 cm nad úrovňou chodníka, bezprostredne vedľa núdzového východu.
Každý núdzový východ sa teda označí šiestimi svietidlami, spolu to bude 2 × 6 = 12 ks. Svietidlá sú nastavené na dva regulačné stupne zodpovedajúce 25 % (pri bežnej prevádzke tunela) a 100 % (pri evakuačnom návestnom osvetlení) maximálneho svetelného výkonu. Podlahu pred dverami núdzového východu môže osvetliť LED svietidlo firmy Zumtobel group s príkonom 114 W.
Na osvetlenie dvoch únikových chodieb sú vhodné svietidlá z produkcie firmy Zumtobel group (P = 43 W, f = 3 224 lm, h = 74,98 lm/W). Svetelné podmienky (25 lx) sú dostatočné na pohyb osôb v priečnych prepojeniach, kde sú umiestnené aj inštalačné skrine s autonómnymi ovládacími zariadeniami modulárnych LED svietidiel.
V každej chodbe sú zariadenia pre jednu tunelovú rúru, a to:
- cca 7 ks ovládacích zariadení s príkonom 1,5 kW pre symetrické LED svietidlá;
- cca 8 ks ovládacích zariadení s príkonom 3 kW pre protismerné svietidlá.
Štyri LED svietidlá pod stropom v oboch priečnych prepojeniach sú pripojené k zálohovanému distribučnému okruhu. Osvetlenie v priečnych prepojeniach sa ovláda automaticky pomocou dverného kontaktu, resp. tlačidlom pri dverách alebo pomocou riadiaceho systému. Vypnutie sa riadi diaľkovo pomocou operátora z riadiaceho centra.
Vonkajšie osvetlenie pozemnej komunikácie pred a za portálmi tunela slúži na bezpečný prechod medzi hladinou osvetlenia zvonku a vnútri tunela, resp. naopak, v noci pri vjazde, resp. výjazde z tunela. Je umiestnené vo vzdialenosti, ktorá sa rovná približne dvojnásobku dĺžky brzdnej dráhy.
Na vonkajšie osvetlenie možno použiť LED svietidlá firmy FGH Group (P = 167 W, f = 18 300 lm, h = 109,58 lm/W, sklon = 0°) upevnené na osvetľovacích stožiaroch na okraji jazdného pruhu s výškou 10 m, a to pri dĺžke výložníkov 0,5 m a rozstupoch svietidiel v jednom rade cca 30 m (vždy 4 ks po oboch stranách diaľnice). Spolu je to 4 × 4 = 16 ks.
Šírka relevantnej oblasti je 7,50 m a trieda osvetlenia M2. Univerzálny držiak umožňuje nasadiť svietidlo na výložník. Vonkajšie osvetlenie pozemnej komunikácie sa spína súmrakovými spínačmi, umiestnenými pred portálmi vjazdovej časti tunelových rúr.
Záver
Možno konštatovať, že aplikácia LED svietidiel v cestných tuneloch je dnes absolútnym svetovým štandardom. K nesporným výhodám LED osvetlenia patria vynikajúce svetelnotechnické parametre, minimálne rozmery, odolnosť, smerové charakteristiky, šetrenie elektrickou energiou a nízky vplyv na životné prostredie. Výhodou LED svietidiel je takisto jednoduchá montáž, nenáročná údržba, minimálna potreba servisu a dlhá životnosť.
Koncept osvetlenia cestného tunela Horelica je dôkazom toho, že v súčasnosti možno osvetlenie cestných tunelov komplexne zabezpečiť LED svietidlami s náhradnou teplotou chromatickosti (CCT) Tcp = 4 000 K, resp. 5 000 K v prípade núdzových zálivov, so všeobecným indexom podania farieb (CRI) Ra = 70.Pri spracovaní svetelnotechnického projektu LED osvetlenia diaľničného tunela Horelica sa plne osvedčil najpoužívanejší balík programov novej verzie ReluxDesktop.
TEXT: prof. Ing. Pavol Horňák, DrSc. – PROMETEUS
FOTO: autor
Pavol Horňák sa venuje osvetleniu pozemných komunikácií, projektovaniu osvetlenia cestných tunelov, osvetleniu športovísk a meraniu svetelnotechnických vlastností osvetľovacích zariadení vo všetkých aplikáciách. Podieľal sa na spracovaní svetelnotechnického projektu LED osvetlenia diaľničného tunela Horelica.
Článok bol uverejnený v časopise Inžinierske stavby/Inženýrské stavby 5/2018.
