Seminar Straßen- und Außenbeleuchtung" 2. SB-Planung im Praxisvergleich - klassische Lampentechnik und LED-Technik Christoph Heyen freiberufl. Ingenieur für Lichttechnik Mitarbeiter im DIN FNL 11 Ch. Heyen 1
Provokante Fragestellungen Ist die Norm DIN EN 13201 auch in Straßenbeleuchtungs-Projekten mit LED-Leuchten anzuwenden? Gelten für LED-Lichtquellen auch die physikalischen Grundlagen der Lichttechnik? Ch. Heyen 2
Beleuchtungsstärke E und Leuchtdichte L in der Straßenbeleuchtung Horizontale Beleuchtungsstärke E: einfallendes Licht für das Auge unsichtbar (gemessen mit Luxmeter) Lichtimmissionen, Himmelsaufhellung Blendung aber auch Gesichtserkennung L E Leuchtdichte L: reflektiertes Licht für das Auge sichtbar (gemessen mit Leuchtdichtemesser) Ch. Heyen 3
Planungs Grundlagen ( 1 ) Verhältnis der Lichtpunkthöhe zur Fahrbahnbreite ~ 1 : 1 Lichtpunkthöhe Lichtpunktabstand Fahrbahnbreite Lichtpunktüberhang Foto: Ch. Heyen Ch. Heyen 4
Planungs Grundlagen ( 2 ) DIN 13201-1 6 Anforderungen an die Beleuchtung Wenn eine Fahrbahn als eigenständige betrachtete Fläche definiert wurde, sollen angrenzende Verkehrsflächen immer ebenfalls definiert werden, um eine adäquate Beleuchtung der Verkehrsumgebung im Verhältnis zur Fahrbahn sicherzustellen. Foto: Ch. Heyen Wenn keine Verkehrsflächen mit eigenen Anforderungen an die Fahrbahn angrenzen und eine ME-Klasse ausgewählt wurde, ist das Umgebungsverhältnis der Beleuchtungsstärke (SR-Wert) zu berechnen. Ch. Heyen 5
Planungs Grundlagen ( 3 ) DIN 13201-1 6.3 Angrenzende Flächen Zwischen angrenzenden Flächen darf die Differenz zwischen den vergleichbaren Klassen nicht größer als zwei sein. Tabelle 3 Beleuchtungsklassen von vergleichbarem 1) Beleuchtungsniveau ME 1 ME2 ME 3 ME 4 ME 5 ME 6 2,0 cd/m² 1,5 cd/m² 1,0 cd/m² 0,75 cd/m² 0,5 cd/m² 0,3 cd/m² CE 0 CE 1 CE 2 CE 3 CE 4 CE 5 50 lx 30 lx 20 lx 15 lx 10 lx 7,5 lx S 1 S2 S 3 S 4 S 5 S 6 15 lx 10 lx 7,5 lx 5 lx 3 lx 2 lx 1) Reflexionstabellen für Straßenoberflächen, die für ME- oder MEW-Klassen verwendet werden, findet man in CIE-Publikation 66: 1984, Tabelle C.2. Beispiel: Fahrbahn ME 3 ~ CE 3 bzw. S 1 (E m = 15 lx) Gehweg S 1 (+2) = S 3 (E m = 7,5 lx) = 100 % = 50 % Ch. Heyen 6
Planungs Grundlagen ( 4 ) ε I (γ) r γ I( γ ) E h = x cos ε r 2 h E h a/2 Ausstrahlungswinkel γ = Lichteinfallwinkel ε Zeichenerklärung: E h horizontale Beleuchtungsstärke [lx] I (γ) Lichtstärke [cd] a Lichtpunktabstand [m] h Lichtpunkthöhe [m] r Abstand Lampe Messpunkt [m] Lichtpkt.- abstand a a/2 : h γ = ε cos ε 2 x h 1 45 0,707 4 x h 2 63,4 0,448 5 x h 2,5 68,2 0,371 6 x h 3 71,6 0,316 8 x h 4 76 0,242 Ch. Heyen 7
Planungs Grundlagen ( 5 ) DIN EN 13201-1 ME-Klassen für die Beleuchtung von Verkehrswege für motorisierten Verkehr für mittlere bis höhere Geschwindigkeiten Klasse Fahrbahnleuchtdichte bei trockener Straßenoberfläche Schwellenwert - Umgebungserhöhung Beleuchtungsstärkeverhältnis L in cd/m² U o U l TI in % a SR b [Wartungswert] [Mindestwert] [Mindestwert] [Höchstwert] [Mindestwert] ME 1 2,0 0,4 0,7 10 0,5 ME 2 1,5 0,4 0,7 10 0,5 ME 3a 0,7 ME 3b 1,0 0,4 0,6 15 0,5 ME 3c 0,5 ME 4a 0,6 0,75 0,4 ME 4b 0,5 15 0,5 ME 5 0,5 0,35 0,4 15 0,5 ME 6 0,3 0,35 0,4 15 keine Anforderung a b Tabelle 1a - ME-Beleuchtungsklassen Ein zusätzlich um 5 % erhöhter TI-Wert kann bei Verwendung von Lichtquellen mit gerínger Leuchtdichte zugelassen werden (Siehe Anmerkung 6). Dieses Kriterium ist nur zu verwenden, wenn keine Verkehrsflächen mit eigenen Anforderungen an die Fahrbahn angrenzen. Die Abschaltung jeder 2. Leuchte erzeugt unzulässige Längsgleichmäßigkeiten U l Ch. Heyen 8
Planungs Grundlagen ( 6 ) Beleuchtung der Nebenanlagen (Rad- / Gehweg, Parkstreifen) - Umgebungs-Beleuchtungsstärke-Verhältnis SR Vermeidung von Lichtimmissionen auf Fassaden Begrenzung des Lichtes in den oberen Halbraum (Vermeidung der Himmelsaufhellung) Maximale Energieeffizienz der Lichtquellen Optimale Lichtverteilungs-Charakteristik der Leuchten Wirtschaftlichkeit der SB-Anlagen durch langlebige Betriebsmittel Ch. Heyen 9
Normative Anforderungen - DIN EN 13201 ( 1 ) Ortsstraße in ländlichem Gebiet Beleuchtungssituation B2 Beleuchtungsklasse ME 5 L m U o 0,35 0,5 cd/m² U l 0,40 TI 15 % SR 0,5 Foto: Ch. Heyen Ch. Heyen 10
Normative Anforderungen - DIN EN 13201 ( 2 ) Anlieger- / Wohnstraße (30 km/h-zone) Beleuchtungssituation D3 Beleuchtungsklasse S 5 E m 3 lx max. E m = 1,5 x 3 lx = 4,5 lx E min 0,6 lx Foto: Ch. Heyen Ch. Heyen 11
Normative Anforderungen - DIN EN 13201 ( 3 ) Innerstädtische Verkehrsstraße Beleuchtungssituation B2 Beleuchtungsklasse ME 3c L m U o 0,40 1,0 cd/m² U l 0,50 TI 15 % SR 0,5 Foto: Ch. Heyen Ch. Heyen 12
Normative Anforderungen - DIN EN 13201 ( 4 ) Innerstädtische Kreuzung (Konfliktzone) Beleuchtungssituation B2 Beleuchtungsklasse ME 2 entspricht CE 2 E m 20 lx U o 0,40 Foto: Ch. Heyen Ch. Heyen 13
Normative Anforderungen - DIN EN 13201 ( 5 ) Geschäftsstraße (Konfliktzone) Beleuchtungssituation B2 Beleuchtungsklasse ME2 entspricht CE2 E m 20 lx U o 0,40 Foto: Ch. Heyen Ch. Heyen 14
Normative Anforderungen - DIN EN 13201 ( 6 ) Geschäftsstraße wenn dann KEINE Konfliktzone! Beleuchtungssituation D3 Beleuchtungsklasse S1 E m E min 15 lx 5,0 lx Foto: Ch. Heyen Ch. Heyen 15
Normative Anforderungen - DIN EN 13201 ( 7 ) Fußgängerzone mit Lade- und Zubringerverkehr Beleuchtungssituation E2 Beleuchtungsklasse S2 E m E min 10 lx 3,0 lx Umgebungsleuchtdichte als Funktion der Schaufensterbeleuchtung! Foto: Ch. Heyen Ch. Heyen 16
Wartungsart / Wartungsfaktor / Gleichmäßigkeiten 1. Lampen - Einzelaustausch = Lampen werden nur nach Totalausfall ausgewechselt Relevante Kennlinie: Lichtstrom Hinweis: keine normgerechte Betriebsart wegen großer Leuchtdichteunterschiede! 2. Lampen - Gruppenaustausch = Lampen werden zyklisch komplett ausgetauscht ohne zusätzliche Einzel-Entstörung Relevante Kennlinien: Lichtstrom + Lampenausfall Hinweis: keine normgerechte Betriebsart wegen großer Ungleichmäßigkeiten! 3. Lampen - Gruppenaustausch mit Einzelaustausch = Lampen werden zyklisch komplett ausgetauscht mit zusätzlicher Einzel-Entstörung Relevante Kennlinie: Lichtstrom Hinweis: einzige normgerechte Betriebsart! Ch. Heyen 17
Wartungsfaktor ( 1 ) DIN EN 13201-2 Abschnitt 3.11 Wartungswert Niveau, unter welches der Wert der entsprechenden Größe zu keiner Zeit während des Betriebes absinken darf. E / L Neuwert 1 Neuwert 2 Wartungswert = E m bzw. L m = Mindestwert 143 % 121 % 100 % Wartungsinterval Wartungswert t ( h ) Neuwert 1 = z.b. Lampe m. starkem Lichtstromrückgang und Leuchte m. geringer Schutzart b. mittlerer Umgebungsbelastung Neuwert 2 = z.b. Lampe m. geringem Lichtstromrückgang und Leuchte m. hoher Schutzart b. mittlerer Umgebungsbelastung Ch. Heyen 18
Wartungsfaktor ( 2 ) DIN EN 13201-3 Abschnitt 7.1 und Abschnitt 7.2 MF Maintenancefactor = WF Wartungsfaktor Produkt aus Lampenlichtstromwartungsfaktor und Leuchtenwartungsfaktor LSF = 1,0 bei zeitnahem Einzelaustausch WF = LLMF x LSF x LMF L L M F = Lampen-Lichtstrom-Wartungs-Faktor L S F = Lampen-Überlebens-Faktor L M F = Leuchten-Wartungs-Faktor Der Neuwertfaktor ist der Reziprokwert des Wartungsfaktors NWF = 1 / WF Hinweis: Der Wartungsfaktor führt zu einer Überdimensionierung der Straßenbeleuchtungs-Anlage im Zeitpunkt 0! Ch. Heyen 19
Wartungsfaktor ( 3 ) Longlife-Leuchtstoff- Lampen 18 W, 36 W + 58 W Betrieb an VVG (induktiv) LLMF (4a) = 0,92 LLMF (8a) = 0,88 Lichtstromrückgang und Ausfallrate in Abhängigkeit der Betriebsstunden Ch. Heyen 20
Wartungsfaktor ( 4 ) Wartungsfaktor einer LED - Leuchte Lebensdauer der LED s als Funktion der LED- Temperatur Lichtstrom 30 % nach ca. 55.000 h (ca. 14 Jahre) Lichtstrom 40 % nach ca. 80.000 h (ca. 20 Jahre) Prof. Khanh, TU Darmstadt WF 14 Jahre = LMF x LSF x LLMF = 0,90 x (? ) x 0,70 = 0,63 WF 20 Jahre = LMF x LSF x LLMF = 0,90 x (? ) x 0,60 = 0,54 LSF = Lampen-Überlebens-Faktor Ch. Heyen 21
Lichtstärke-Verteilungs-Kurven (LVK) ( 1 ) Himmelsaufhellung durch hohen oberen halbräumlichen Lichtstromanteil Opale Kugel-Leuchte Lampe: 1 x HSE 50 W Lichtstrom: 3.500 lm Anschlusswert: 62 W System-Lichtausbeute: 56,5 lm/w Ch. Heyen 22
Lichtstärke-Verteilungs-Kurven (LVK) ( 2 ) Blendung durch hohe Lichtstärke-Werte für alle C-Ebenen oberhalb γ = 70 Zylinder-Leuchte mit Lamellen-Optik Lampe: 1 x HME 80 W Lichtstrom: 4.000 lm Anschlusswert: 89 W System-Lichtausbeute: 44,9 lm/w Ch. Heyen 23
Lichtstärke-Verteilungs-Kurven (LVK) ( 3 ) Begrenzung der Lichtstärke-Werte für alle C-Ebenen oberhalb γ = 70 Blendungsbegrenzung Beispiel - LVK einer Kofferleuchte Maximale Lichtstärke- Werte für C0 C180 und für C30 bis C40 (γ = 40-55 ) Reduzierte Lichtstärke- Werte für γ = 0 Ch. Heyen 24
Lichtstärke - Verteilungs - Kurve C 0 - C 180 Lampe: 1 x NaH-T 70 W = 6,6 klm E = I x cos 3 ε x Φ x Μ F H 2 E P31 = 216 x 0,978 3 x 6,6 x 0,8 8 2 = 16,7 lx H = 8 m E P71 = 328 x 0,731 3 x 6,6 x 0,8 8 2 = 10,6 lx P01 P11 P21 P31 P41 P51 P61 P71 Ch. Heyen 25
Lichtstärke - Verteilungs - Kurve C 30 - C 210 Lampe: 1 x NaH-T 70 W = 6,6 klm E = I x cos 3 ε x Φ x Μ F H 2 H = 8 m E P64 = 401 x 0,707 3 x 6,6 x 0,8 8 2 = 11,7 lx P64 Ch. Heyen 26
Lichtstärke - Verteilungs - Kurve C 90 - C 270 Lampe: 1 x NaH-T 70 W = 6,6 klm E = I x cos 3 ε x Φ x Μ F H 2 H = 8 m E P26 = 149 x 0,766 3 x 6,6 x 0,8 8 2 = 5,5 lx P23 P26 Ch. Heyen 27
Leuchten für ME - Beleuchtungsklassen POSITIV = geringe Blendung durch tiefliegende Spiegelsysteme + flache Leuchtengläser! NEGATIV = schlechte optische Führung. Ch. Heyen 28
Leuchten für S - Beleuchtungsklassen POSITIV = gute Gesichtserkennung in Wohnstraßen und Fußgängerzonen! NEGATIV = starke Blendung, Lichtimmissionen und Himmelsaufhellung. Ch. Heyen 29
LED - Leuchten - Technologien Ch. Heyen 30
Planungs-Beispiel 1-1 ( 1 ) Anlieger- / Wohn-Straße Beleuchtungssituation D3 Beleuchtungsklasse S5 E m 3 lx E min 0,6 lx max. E m = 1,5 x 3 lx = 4,5 lx Lichtpunktabstand a = 27,5 m 2,0 m 5,0 m 2,0 m Lichtpunkthöhe h = 6,0 m Lichtpunktüberhang s = - 0,50 m Ch. Heyen 31
Planungs-Beispiel 1-1 ( 2 ) LED-Leuchte Lichtstrom 3.075 lm Wartungsfaktor WF 0,70 Elektr. Anschlusswert 55 W System-Lichtausbeute 55,9 lm/w Ch. Heyen 32
Planungs-Beispiel 1-1 ( 3 ) Berechnungs-Ergebnisse E m 3,16 lx E min 0,62 lx Lichtstärkeklasse G 1 E max 11,2 lx Leuchtenanzahl / 1.000 m Straßenlänge 36,36 Elektr. Anschlusswert / 1.000 m Straßenlänge 2,000 kw ~ 8 m Ch. Heyen 33
Planungs-Beispiel 1-2 ( 1 ) Anlieger- / Wohn-Straße Beleuchtungssituation D3 Beleuchtungsklasse S5 E m 3 lx E min 0,6 lx max. E m = 1,5 x 3 lx = 4,5 lx Lichtpunktabstand a = 38,0 m 2,0 m 5,0 m 2,0 m Lichtpunkthöhe h = 6,0 m Lichtpunktüberhang s = - 0,50 m Ch. Heyen 34
Lampe HSE 50 W Planungs-Beispiel 1-2 ( 2 ) Dekorative Leuchte mit Spiegelsystem Lichtstrom 3.500 lm Wartungsfaktor WF 0,70 Elektr. Anschlusswert 62 W System-Lichtausbeute 56,5 lm/w Ch. Heyen 35
Planungs-Beispiel 1-2 ( 4 ) Berechnungs-Ergebnisse E m 3,58 lx E min 0,67 lx Lichtstärkeklasse G 5 E max 11,8 lx Leuchtenanzahl / 1.000 m Straßenlänge 26,32 Elektr. Anschlusswert / 1.000 m Straßenlänge 1,632 kw ~ 10 m Ch. Heyen 36
Planungs-Beispiel 1 Anliegerstraße Beleuchtungs-Klasse S 5 Variante 1-1 Variante 1-2 Lampe / elektr. Leistung / Lichtstrom LED / 55 W 3.075 lm HSE / 62 W / 3.500 lm System-Lichtausbeute 55,9 lm/w 56,5 lm/w Wartungsfaktor 0,70 0,70 Lichtpunkthöhe 6,0 m 6,0 m Lichtpunktabstand 27,5 m 38,0 m mittl. Beleuchtungsstärke E m 3,16 lx 3,58 lx max. Beleuchtungsstärke E max 11,2 lx 11,8 lx min. Beleuchtungsstärke E min 0,62 lx 0,67 lx Lichtstärkeklasse G1 G5 Leuchtenanzahl / 1.000 m Straße 36,34 St./km 26,32 St./km Prozentuale Bewertung 138 % 100 % elektr. Anschlusswert / 1.000 m Straße 2,000 kw/km 1,632 kw/km Prozentuale Bewertung 123 % 100 % Lichtstrom / m² Straße 22,36 lm/m² 18,22 lm/m² Ch. Heyen 37
Planungs-Beispiel 2-1 ( 1 ) Hauptverkehrs-Straße Beleuchtungssituation B2 Beleuchtungsklasse ME5 L m 0,50 cd/m² U l 0,40 U o 0,35 TI-Wert 15 % SR 0,50 Lichtpunktabstand a = 26,5 m Lichtpunktüberhang s = 0,00 m 2,0 m 6,5 m 2,0 m Lichtpunkthöhe h = 7,50 m Leuchtenaufneigung = 0 Ch. Heyen 38
Planungs-Beispiel 2-1 ( 2 ) LED-Kofferleuchte mit Spiegelsystem Lampe LED-Modul Fortimo LLM 4500 Lichtstrom (konstant) 4.500 lm Wartungsfaktor WF 0,90 Elektr. Anschlusswert Ø 62 W System-Lichtausbeute 72,6 lm/w Ch. Heyen 39
Berechnungs-Ergebnisse L m 0,50 cd/m² E m 6,76 lx U l 0,61 U o 0,41 TI-Wert 11,8 % SR 0,82 Leuchtenanzahl / 1.000 m Straßenlänge Planungs-Beispiel 2-1 ( 3 ) 37,74 Elektr. Anschlusswert / 1.000 m Straßenlänge 2,340 kw Beleuchtungsstärke-Verteilung Leuchtdichte- Verteilung B1 Ch. Heyen 40
Planungs-Beispiel 2-2 ( 1 ) Hauptverkehrs-Straße Beleuchtungssituation B2 Beleuchtungsklasse ME5 L m 0,50 cd/m² U l 0,40 U o 0,35 TI-Wert 15 % SR 0,50 Lichtpunktabstand a = 33,0 m Lichtpunktüberhang s = -0,50 m 2,0 m 6,5 m 2,0 m Lichtpunkthöhe h = 7,50 m Leuchtenaufneigung = 0 Ch. Heyen 41
Planungs-Beispiel 2-2 ( 2 ) Kofferleuchte mit Spiegelsystem Lampe CosmoPolis CPO-TW 60 W Lichtstrom 6.600 lm Wartungsfaktor WF 0,70 Elektr. Anschlusswert 65 W System-Lichtausbeute 101,5 lm/w Ch. Heyen 42
Berechnungs-Ergebnisse L m 0,51 cd/m² E m 8,49 lx U l 0,56 U o 0,48 TI-Wert 10,3 % SR 0,51 Leuchtenanzahl / 1.000 m Straßenlänge Planungs-Beispiel 2-2 ( 3 ) 30,3 Elektr. Anschlusswert / 1.000 m Straßenlänge 1,970 kw Beleuchtungsstärke-Verteilung Leuchtdichte- Verteilung B1 Ch. Heyen 43
Planungs-Beispiel 2 Hauptverkehrs-Straße Beleuchtungs-Klasse ME 5 Variante 2-1 Variante 2-2 Lampe / elektr. Leistung / Lichtstrom LED / 62 W 4.500 lm CPO / 65 W / 6.600 lm System-Lichtausbeute 72,6 lm/w 101,5 lm/w Wartungsfaktor 0,90 0,70 Lichtpunkthöhe 7,5 m 7,5 m Lichtpunktabstand 26,5 m 33,0 m mittl. Leuchtdichte L m 0,50 cd/m² 0,51 cd/m² Gesamtgleichmäßigkeit U o 0,41 0,48 Längsgleichmäßigkeit U l 0,61 0,56 Schwellenwerterhöhung TI 11,8 % 10,3 % SR-Wert 0,82 0,51 Leuchtenanzahl / 1.000 m Straße 37,74 St./km 30,3 St./km Prozentuale Bewertung 125 % 100 % elektr. Anschlusswert / 1.000 m Straße 2,340 kw/km 1,970 kw/km Prozentuale Bewertung 119 % 100 % Lichtstrom / m² Straße 26,12 lm/m² 30,77 lm/m² Ch. Heyen 44
Energieeffizienz in der Straßenbeleuchtung Die alleinige Bewertung von Lichtquellen aufgrund der Lichtausbeute ist nicht korrekt und führt immer zu falschen Ergebnissen! Eine Leuchtenbewertung mittels Betriebswirkungsgrad berücksichtigt nicht die Lichtstärkeverteilungs-Charakteristik und ist deshalb falsch! Die Bewertung von SB-Projekten erfordert deshalb grundsätzlich die Leuchtenbewertung gemäß der Lichtstärke-Verteilungs-Kurve (LVK) und eine Lampenauswahl unter Beachtung der System-Lichtausbeute und der Betriebscharakteristik Eine wirtschaftliche SB-Projektierung ist nur mit korrekten lichttechnischen Berechnungen möglich! Ch. Heyen 45