Badanie wpływu parametrów świetlnych i użytkowych opraw oświetleniowych ze źródłami nowej generacji (diodami elektroluminescencyjnymi - LED) na warunki pracy wzrokowej. (zadanie 1.A.08)

Kierownik tematu: mgr inż. A. Pawlak.

Głównym celem zadania badawczego było zbadanie wpływu parametrów świetlnych i użytkowych oprawy oświetleniowej z diodami świecącymi (LED) na warunki pracy wzrokowej. Osiągnięcie tego celu było możliwe poprzez opracowanie nowatorskiej metody wyznaczania kształtu odbłyśnika obrotowo-symetrycznego opartej na metodzie strumieniowej, w której uwzględniono specyfikę diod świecących dużej mocy. Wykorzystując tę metodę opracowano algorytm a następnie program obliczeniowy, który posłużył do wyznaczenia profili odbłyśników. Przy obliczeniach założono, że parametry świetlne układu, tj. kąt wypromieniowania strumienia świetlnego oraz kształt krzywej światłości powinny zapewnić równomierność oświetlenia w obszarze pola zadania powyżej wartości 0,7 przy poziomie natężenia oświetlenia rzędu 300 lx oraz luminancję oprawy nie przekraczającą 200 cd/m² powyżej przyjętego kąta granicznego 55°. Postawiono także hipotezy poznawcze dotyczące możliwości uzyskania:
- jednoodbłyśnikowych obrotowo-symetrycznych układów świetlno-optycznych uwzględniających specyfikę diod święcących dużej mocy,
- co najmniej pośredniej barwy światła emitowanego przez oprawę.
Aby praktycznie zweryfikować uzyskane rezultaty wykonano model oprawy złożony z 36 diod świecących oraz zbadano jego podstawowe parametry świetlne. Przeprowadzone badania fotometryczne wykonanego modelu oprawy wykazały dobrą równomierność oświetlenia w polu zadania (d=0,74) przy poziomie natężenia oświetlenia E = 320 lx, pośrednią barwę światłą (Tc =3556 K), oraz dobre oddawanie barw (Ra=81). Natomiast uzyskana średnia wartość luminancji (L = 308 cd/m² pod kątem 55° wyznaczonym od pionu) zapewnia znaczne ograniczenie olśnienia co umożliwia stosowanie tej oprawy do oświetlania stanowisk pracy o średnim stopniu trudności pracy wzrokowej np. z monitorami ekranowymi.
Następnie zbadano wpływ parametrów świetlnych modelu oprawy na warunki pracy wzrokowej na stanowisku z komputerem. W badaniach eksperymentalnych uczestniczyło 26 osób (7 kobiet i 19 mężczyzn), którzy przez 2 godziny czytali teksty na ekranie i na dokumentach oraz obsługiwali klawiaturę na stanowisku pracy z komputerem oświetlonym modelem oprawy. Badane osoby dokonywały oceny subiektywnej warunków pracy wzrokowej zarówno na eksperymentalnym stanowisku, jak i na swoim stałym stanowisku pracy (oświetlonym za pomocą świetlówkowych opraw z kloszem). Wyniki oceny subiektywnej oświetlenia wykazały, że około 19% badanych wykonuje pracę wzrokową przy mniejszym wysiłku (przy oświetleniu pola zadania za pomocą modelu nowej oprawy) w porównaniu z oświetleniem oprawami świetlówkowymi z kloszem. Żadna z badanych osób nie stwierdziła występowania olśnienia przykrego oraz olśnienia odbiciowego pochodzących od modelu oprawy. Jedynie istotnie statystycznie różnice wystąpiły przy ocenie barwy światła obu systemów oświetleniowych. Około 39% osób badanych gorzej oceniło barwę światła emitowanego przez model nowej oprawy w porównaniu z neutralną barwą światła opraw z kloszem. Pomimo tego spostrzeżenia były one oceniane na poziomie średnio i mało uciążliwym.
Wyniki przeprowadzonych pomiarów oraz badań wskazały na konieczność poprawy barwy światła emitowanego oraz uzyskania założonej wartości luminancji (L=200cd/m²) poprzez zastosowanie odbłyśników o większym stopniu rozproszenia. W tym celu dokonano stosownych modyfikacji w metodzie projektowania układu świetlno-optycznego oprawy oraz w programie obliczeniowym. Za pomocą symulacji komputerowych wykazano możliwość uzyskania odbłyśników o powierzchni odbijającej strumień świetlny w sposób kierunkowo-rozproszony z rozpraszaniem w założonym kącie rozpraszania nie przekraczającym 30°, przy jednoczesnym uzyskaniu krzywych światłości zapewniających równomierność oświetlenia w obszarze pola zadania powyżej wartości 0,7 i ograniczeniu luminancji oprawy do 200cd/m² powyżej przyjętego kąta granicznego 55°. Wyniki symulacji wskazują, że analizowane modele zjawisk optycznych, które wykorzystano w algorytmie, mogą być stosowane w praktyce.
Przeprowadzona analiza teoretyczna wykazała, że możliwa jest regulacja (sterowanie) barwą światła emitowanego przez oprawę w zakresie światła białego w zależności od dodatkowo zastosowanych diod o innych barwach światła oraz otrzymanie wskaźnika oddawania barw (Ra) na poziomie bardzo dobrym, tzn. Ra 90. Z dziesięciu diod białych, dwóch czerwono-pomarańczowych i jednej pomarańczowej uzyskano temperaturę barwową Tc=2912 K (barwa ciepło-biała) oraz bardzo dobry wskaźnik oddawania barw Ra=90, przy zapewnieniu skuteczności świetlnej na poziomie 30 lm/W. Otrzymaną barwę światła można zakwalifikować do grupy barw ciepłych, natomiast uzyskany wskaźnik oddawania barw tej oprawy, zgodnie z normą PN-EN 12464:2004-1, umożliwia stosowanie jej w pomieszczeniach, w których pracownicy przebywają przez dłuższy czas, a nawet w takich gdzie rozróżnianie barw ma istotne znaczenie.
Podsumowując, stwierdzono, że po dokonaniu korekt w układzie świetlno-optycznym oprawa będzie mogła zapewnić wyższy poziom eksploatacyjnego natężenia oświetlenia E = 500lx, ograniczenie olśnienia przykrego (L = 200cd/m²) powyżej kąta 55° oraz bardzo dobry wskaźnik oddawania barw (Ra=90) i ciepłą barwę światła (Tc = 3000 K).