HENRI HAKKARAINEN LEDIEN KÄYTTÖMAHDOLLISUUDET TIEVALAIS- TUKSESSA

I HENRI HAKKARAINEN LEDIEN KÄYTTÖMAHDOLLISUUDET TIEVALAIS- TUKSESSA Diplomityö Tarkastaja: professori Teuvo Suntio Tarkastaja ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 9. joulukuuta 2009

II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma HAKKARAINEN, HENRI: Ledien käyttömahdollisuudet tievalaistuksessa Diplomityö, 71 sivua Kesäkuu 2010 Pääaine: Teollisuuden sähkönkäyttötekniikka Tarkastaja: professori Teuvo Suntio Ohjaaja: lab. ins. Tapani Nurmi Avainsanat: Led, tievalaistus, valovirta, valotehokkuus, valonjako Ledien kehitystyö on ollut viime vuosina erittäin vilkasta. Niiden ominaisuudet ovat kehittyneet jo tasolle, jossa niitä voidaan käyttää perinteisten valaisintyyppien ohella yleisvalaistuksessa. Muutama vuosi sitten markkinoille tuli myös ulko- ja katuvalaistukseen tarkoitettuja led-valaisimia. Tämän työn tavoitteena on selvittää ledien soveltuvuutta tievalaistukseen, ja vertailla niitä nykyisin käytössä oleviin tievalaisimiin. Työ on luonteeltaan kirjallisuusselvitys; lähteinä on käytetty Tiehallinnon julkaisuja ja määräyksiä tievalaistuksesta, led-katuvalaisimia valmistavien yritysten esitteitä tuotteistaan, sekä valaistusalan ammattilaisten raportteja led-valaisimista. Lisäksi työtä varten on haastateltu muutamaa led-katuvalaisinvalmistajaa, sekä kyselty käyttökokemuksia muutamista kunnista, jotka ovat testanneet ledejä kokeilukäytössä katuvalaistuksessa. Työ keskittyy pääasiassa tarkastelemaan tievalaistuksen määräyksiä Suomessa, ja täällä markkinoilla olevia led-katuvalaisimia. Ledit eroavat monin tavoin muista valonlähteistä; niiden suurimmat edut yleisvalaistuksessa verrattuna perinteisiin valaisintyyppeihin ovat korkea elinikä ja värintoisto, sekä mekaaninen kestävyys. Heikkoutena on vielä toistaiseksi alhainen valotehokkuus yleisvalaistuksessa, kehittymätön valonjako sekä hinta. Led-tievalaisimien valotehokkuus on toistaiseksi yli 30 % alhaisempi nykyisiin tievalaisimiin verrattuna. Mutta mikäli kehitys jatkuu entisenlaisena, saatetaan nykyisten tievalaisimien valotehokkuus saavuttaa jo viiden vuoden sisällä, ja päästä lopulta lähes kaksinkertaiseen valotehokkuuteen. Nykyisin käytössä olevia tievalaisimia on kehitetty jo vuosikymmeniä, joten niiden valonjakauma on saatu kehitettyä äärimmilleen. Ledejä on toisaalta käytetty vasta muutamia vuosia katuvalaistuksessa, joten ledien valonjakoa on varaa parantaa huomattavasti. Ledien valo on erittäin tarkasti suunnattua, joten ongelmana on valon suuntaaminen muuallekin kuin vain valaisinpylvään kohdalle, eikä sitä saada suunnattua tasaisesti koko tien suuntaisesti. Huolellisella suunnittelulla ledien valo on kuitenkin mahdollista saada suunnattua tehokkaammin tielle kuin nykyisillä tievalaisimilla, johtuen juuri ledien tarkasti rajatusta valonjaosta. Ledejä on käytetty jo kokeilumielessä alhaisimmissa tieluokissa, esimerkiksi kevyen liikenteen väylillä. Toistaiseksi niiden ominaisuudet eivät kuitenkaan riitä vielä esimerkiksi moottoriteiden valaistukseen. Ledien ominaisuuksien kehittyessä nykyisellä vauhdilla ne tulevat kuitenkin yleistymään moottoriteilläkin 5 10 vuoden kuluessa. Tällöin hintakaan ei tule olemaan esteenä, sillä nykyään suurin syy led-tievalaisimien korkeaan hintaan on niiden alhaiset valmistusmäärät. Ledien kehittyessä ja massavalmistuksen myötä niiden hinta on mahdollista saada nykyisten tievalaisintyyppien tasolle.

III ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Electrical Engineering HAKKARAINEN HENRI: The possibilities to use leds in the road lighting Master of Science Thesis, 71 pages June 2010 Major: Power Electronics Examiner: Professor Teuvo Suntio Instructor: Tapani Nurmi Keywords: Leds, road lighting, luminous flux, luminous efficacy, photometric diagram The development of leds has been extremely rapid during the last few years. Their properties have developed already to the level in which they can be used in addition to traditional light fixture types in the general lighting. A few years ago the led light fixtures that were meant for outdoor and road lighting also came onto the market. The objective of this thesis is to clear the suitability of leds for the road lighting and to compare them with existing road light fixtures they use nowadays. The character of the work is a literature report; the publications of Finnish Road Administration and orders on the road lighting have been used as sources on the thesis, as well as product brochures of the companies which manufacture led road light fixtures and also reports on the led light fixtures from the professionals of the lighting field. Furthermore, a few led road light fixture manufacturers have been interviewed for the thesis and use experiences have been asked from a few municipalities which have tested leds in the road lighting. The thesis concentrates on mainly to examine the regulations of the road lighting and the led road light fixtures here on the market in Finland. The leds differ in many ways from other light sources; their biggest advantages compared to the traditional light fixture types are the high lifetime and color rendering, and the mechanical permanence. Their weaknesses are still low luminous efficacy, undeveloped light distribution and the high price. The luminous efficacy of the led road light fixtures is more than 30 % lower compared to the present road light fixtures. If the development continues like the previous one the luminous efficacy of the present road light fixtures may be reached already within five years and nearly the double luminous efficacy may be achieved eventually. The road light fixtures in use nowadays have been developed already for decades so their light distribution has been developed to the maximum. The leds on the other hand have been used only for a few years in the road lighting, so their light distribution can be considerably improved. The light of leds is extremely directed, so the problem is to direct the light to the whole road uniformly. However, with careful planning it is possible to get the light of leds more effectively directed to the road than with the present road light fixtures due to the light distribution of leds that is accurately directed. The leds have been used already experiment-wise in the lowest road classes, for example on the routes of the light traffic. For the present their properties are not yet enough for example for the lighting of motorways. However, if the properties of the leds are developing as quickly as present they become common also on the motorways within 5-10 years. In that case the price will not be an obstacle either because nowadays the biggest reason for the high price of led road light fixtures is their low production amounts. It is possible to get their price to the level of the present road light fixtures with the mass production and by developing the leds even more.

IV ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty kirjallisuusselvityksenä Tampereen Teknillisen Yliopiston Sähköenergiatekniikan laitokselle. Työn keskeisenä tavoitteena oli tarkastella ledvalaisimien nykytilaa ja niiden mahdollisuuksia tievalaistuksessa. En olisi saanut aiheesta tarpeeksi kattavaa kuvaa ilman alalla toimivien ihmisten apua. Siksi kiitänkin kaikkia apuaan tarjonneita ammattilaisia, niin led-valaisimien valmistajia, kuntien valaistuksesta vastaavia henkilöitä, sekä kaikkia muita valaistusalalla toimivia ihmisiä antamastaan avustaan. Erityiskiitokset haluan antaa vihjeistä ja vinkeistä Suomen Valoteknillisen Seuran Lediryhmän puheenjohtajalle Jaakko Ketomäelle, Ylöjärven projekti-insinööri Mirko Harjulalle, Sito Oy:n ulkovalaistuksen johtavalle konsultille Pentti Hautalalle, sekä Easy Led Oy:n tuotekehitys- ja teollisuusmyyntijohtaja Mika Nummenpalolle. Lisäksi kiitän työn ohjaajaa, Lab.Ins. Tapani Nurmea ohjeistuksesta ja johdatuksesta aiheeseen. Olen myös kiitollinen perheeni sekä lähipiirini ihmisten tuesta ja motivaation ylläpitämisestä. Teidän avullanne sain edes välillä rentoutua työn lomassa, ilman jatkuvaa keskittymistä kirjoitusprosessiin. Tampereella huhtikuun 29. päivänä 2010 Henri Hakkarainen

V SISÄLLYS 1. Johdanto...1 2. Valaistustekniset suureet ja peruskäsitteet...3 2.1. Valovirta ja valovoima...3 2.2. Valonjakokäyrä...4 2.3. Valaistusvoimakkuus...5 2.4. Luminanssi...5 2.5. Häikäisy...5 2.6. Värilämpötila ja värintoisto...6 2.7. Valotehokkuus...7 3. Nykyinen tievalaistus...8 3.1. Tievalaistuksen tarve...8 3.2. Valaistusteknilliset vaatimukset...9 3.2.1. Luminanssi...10 3.2.2. Häikäisy...11 3.2.3. Valaistusvoimakkuus...11 3.2.4. Valaistusluokat...11 3.3. Omistus ja ylläpito...13 3.4. Tievalaistuksen ohjaus...14 3.5. Valaisimille asetetut vaatimukset...15 3.6. Yleisimmät tievalaisintyypit...17 3.7. Loistehon kompensointi...19 4. Ledit...20 4.1. Historiaa...20 4.2. Toimintaperiaate...21 4.3. Ledien virta ja jännite...22 4.4. Valon väri...22 4.5. Värintoistoindeksi...23 4.6. Valontuotto ja valotehokkuus...24 4.7. Energiankulutus...25 4.8. Lämpenemä...26 4.9. Elinikä...27 4.10.Hinta...28 4.11.Teholedit...29 4.12.Ledien tulevaisuus...30 5. Ledien käyttö tievalaistuksessa...32 5.1. Valmistajat...32 5.2. Valontuotto...33 5.3. Elinikä...35 5.4. Mekaaninen kestävyys...37

5.5. Värintoisto...38 5.6. Liitäntälaitteet...40 5.7. Modulaarisuus...41 5.8. Säädettävyys...42 5.9. Muuta...44 5.10.Maailmalta...46 6. Ledien ongelmat tievalaistuksessa...48 6.1. Valonjako...48 6.2. Valotehokkuus...52 6.3. Lämmöntuotto...53 6.4. Hinta...54 6.5. Muita ongelmia...56 7. Esimerkkitoteutuksia...59 7.1. Kittilä...59 7.2. Salo...61 7.3. Ylöjärvi...61 7.4. Kerava...62 8. Yhteenveto...65 Lähteet...67 VI

VII LYHENTEET, TERMIT JA NIIDEN MÄÄRITELMÄT AL-luokat LED Luminanssi PWM Valaistusvoimakkuus Valonjakokäyrä Valovirta Valovoima Värilämpötila Värintoistoindeksi Autoliikenteen valaistusluokat. Loistediodi, (eng. Light Emitting Diode), valoa säteilevä puolijohdekomponentti. Kuvaa tarkasteltavan kappaleen pintakirkkautta, yksikkö kandela neliömetriä kohden (cd/m 2 ). Pulssinleveysmodulaatio (eng. Pulse-Width-Modulation). Kuvaa tarkasteltavalle pinnalle tulevan valovirran suhdetta pinnan alaan, yksikkö luksi (lx). Napakoordinaatistoon piirretty, lampun tai valaisimen valovoiman jakautumista eri suuntiin havainnollistava graafinen esitys. Säteilyvirran kyky synnyttää valoisuusaistimukseen johtava ärsytys. Yksikkö lumen (lm). Valovoima tiettyyn suuntaan on pistemäisen valonlähteen määräsuuntaiseen äärettömän pieneen kartioon säteilemän valovirran suhde kartion avaruuskulmaan, yksikkö kandela (cd). Valon värilämpötila vastaa sitä täydellisen säteilijän (mustan kappaleen) lämpötilaa, jossa täydellisen säteilijän valo on värisävyltään samanlaista kuin tarkasteltava valonlähteen valo, yksikkö kelvin (K). Värintoistoindeksi ilmoitetaan lukuarvona välillä 0 100, ja se ilmoittaa, paljonko kyseisen valonlähteen ja värilämpötilaltaan samanlaisen vertailuvalon värintoisto-ominaisuudet poikkeavat toisistaan.

1 1. JOHDANTO Energiatehokkuudesta on tullut viime vuosina yksi tärkeimmistä tavoitteista, kun uutta teknologiaa ollaan kehittämässä. Uusia energiansäästökohteita löytyy jatkuvasti, ja eräs niistä on valaistus, jonka osalta on jo hehkulampuille asetettu myyntikieltoja. Lisäksi ulkovalaistuksessa elohopealamppujen myynti tullaan kieltämään EU-alueella vuodesta 2015 lähtien. Suuri osa Suomen tie- ja katuvalaisimista on elohopealamppuja, joten valaistuksesta vastaavien tahojen on tehtävä päätöksiä millä nykyisin käytössä olevat elohopealamput tullaan jatkossa korvaamaan. Tämän työn tarkoituksena on tarkastella ledien mahdollisuuksia korvata nykyiset tievalaisimet. Ledien käytöllä ei pyritä pelkästään energiankulutuksen vähentämiseen, vaan ledeillä on muitakin hyödyllisiä ominaisuuksia verrattuna perinteisiin valaisinratkaisuihin. Näitä ominaisuuksia ovat muun muassa pitkä polttoikä, turvallisuus, iskunkestävyys, himmennettävyys, välitön uudelleensyttyminen, ja valo myös toistaa värit luonnollisemmin kuin kilpailevat valaisintyypit. Tämä diplomityö rajoittuu tarkastelemaan aihetta pääasiassa kotimaan osalta; maailmalla ollaan kehityksessä muutaman vuoden edellä ja tässä työssä esitellään lyhyesti vain muutama edistyksellisin asennuskohde maailmalta. Suomen tarkat tievalaistusmääräykset saavat aikaan sen, että maailmalla menestyvät led-valaisimet eivät välttämättä edes sovellu meille tievalaistusratkaisuiksi. Led-valaisimia ei ole vielä käytetty tievalaistukseen Suomessa, ja katuvalaisimiakin on testattu vain muutamilla yksittäisillä kaduilla. Näin ollen tämä diplomityö rajoittuu kirjallisuustarkasteluksi, jossa tarkastellaan alan nykytilannetta, ja pyritään ennustamaan, koska ledejä olisi mahdollista käyttää kustannustehokkaasti tievalaistukseen. Valaistusalan asiantuntijat ovat julkaisseet joitakin raportteja ledien käytöstä tie- ja katuvalaistuksessa, ja näitä raportteja käytetäänkin tämän työn kirjallisuuslähteinä. Lisäksi työtä varten on haastateltu led-valaisimien valmistajia ja saatu heiltä arvokasta tietoa alan nykytilanteesta ja led-teknologian mahdollisuuksista. Käyttökokemuksia ledeistä katuvalaistuskohteissa on saatu sekä valaistusalan ammattilaisilta, että kokeilukuntien katuvalaistuksesta vastaavilta projekti-insinööreiltä. Työn aluksi esitellään valaistusteknisiä suureita ja peruskäsitteitä, joita käytetään työn myöhemmässä vaiheessa kuvaamaan tievalaistukseen liittyviä ominaisuuksia. Suomessa nykyisin käytössä oleva tievalaistus esitellään työn kolmannessa luvussa käyttäen lähteenä pääasiassa Tiehallinnon julkaisuja. Tässä kolmannessa luvussa kerrotaan millaisia valaisimia tievalaistuksessa käytetään ja mitä vaatimuksia niille on asetettu. Neljäs luku esittelee led-teknologiaa yleisellä tasolla. Tämä luku kertoo muun muassa ledien toimintaperiaatteesta ja ominaisuuksista. Ledien ominaisuuksia esiteltäessä sivutaan jonkin verran myös merkkivalokäyttöä, mutta pääasiassa pyritään esittelemään vain ledien ominaispiirteitä yleisvalaistuksessa.

Työn aiheen kannalta oleellisimmat luvut viisi ja kuusi käsittelevät ledien erityispiirteitä tievalaistuskäytössä. Viides luku esittelee nykyisin myynnissä olevien ledkatuvalaisimien ominaispiirteitä ja vertailee niiden eroja nykyisin käytössä oleviin katuvalaisimiin. Ledien tulevaisuuden kehityssuuntaa pyritään myös ennustamaan, sillä ledtekniikka kehittyy nopeasti. Tällöin päästään arvioimaan, koska led-tievalaisimet voisivat yleistyä suuremmassa mittakaavassa. Led-katuvalaisimien ongelmia käsitellään kuudennessa luvussa, ja käydään läpi syitä sille, miksei ledejä ole vielä mahdollista käyttää kustannustehokkaasti tievalaistuksessa. Viidennen ja kuudennen luvun sisältö esittelee pääasiassa parhaita nykyisin markkinoilla olevia led-katuvalaisinmalleja. Lähteenä on käytetty enimmäkseen ledkatuvalaisimia myyvien yritysten kotisivuja, sekä heidän tuote-esitteitään. Vaikka tässä esitelläänkin led-katuvalaisimien parhaita ominaisuuksia, kehittyvät tuotteet nykyään niin nopeasti tällä alalla, että tilanne voi muuttua jo yhden vuoden aikana huomattavasti. Tämän diplomityön seitsemäs luku esittelee muutamia esimerkkitoteutuksia, missä ledejä on kokeiltu katuvalaistuksessa. Kohteet ovat pääasiassa yksittäisiä katuosuuksia, jossa kunnat kokeilevat ledien soveltuvuutta korvaamaan nykyisin käytössä olevat elohopealamput. Aineistoa tätä lukua varten on saatu kuntien projekti-insinööreiltä, ja pääosin nämä led-kokeilut jatkuvat edelleen. 2

3 2. VALAISTUSTEKNISET SUUREET JA PE- RUSKÄSITTEET Tässä luvussa esitellään valaistustekniikan perusteisiin kuuluvia keskeisimpiä suureita ja yleistä sanastoa. Tämä on tarpeen siksi, että näitä suureita tullaan käyttämään myöhemmissä luvuissa kuvaamaan valaisimien ominaisuuksia. Ledien ominaisuudet ja toiminta poikkeavat niin paljon muista valonlähteistä, että ledeillä valaistuksen laadun arviointimenetelminä ei joissain tapauksissa voida tyydyttävästi käyttää nykyisiä periaatteita. Tässä työssä ei ole kuitenkaan tarkasteltu erillisiä mittausmenetelmiä ledejä kuvaaville suureille, sillä niistä ei ole vielä juurikaan yhtenäistä kantaa valaistustekniikan ammattilaisten keskuudessa. Toiseksi, tällaisia vaihtoehtoisia mittausmenetelmiä ei ole vielä edes kehitetty, koska vasta viime vuosina on herätty siihen tosiasiaan, että perinteiset valaistuksen mittausmenetelmät eivät välttämättä koske ledejä. Valaistustekniikassa valaisimella tarkoitetaan sitä laitetta, joka sisältää kaikki lamppujen kiinnittämiseen, suojaamiseen ja verkkoon kytkemiseen tarpeelliset osat. Valaisin siis jakaa, suodattaa tai muuntaa yhdestä tai useammasta lampusta tulevan valon valaistustarkoitukseen. Lamppu toimii valaisimen valonlähteenä, ja monesti samassa valaisimessa on mahdollista käyttää erityyppisiä lamppuja. [1] 2.1. Valovirta ja valovoima Valovirta Ф ilmaisee valonlähteen säteilytehon lasketun kyvyn synnyttää valoisuusaistimukseen johtava ärsytys. Säteilyn eri aallonpituudet on siis otettava huomioon kertomalla ne silmän spektriherkkyydellä. Valovirran yksikkönä käytetään lumenia (lm). [2, s.15] Valovoima I tiettyyn suuntaan on pistemäisen valonlähteen määräsuuntaiseen äärettömän pieneen kartioon säteilemän valovirran suhde kartion avaruuskulmaan. Matemaattisesti valovoima voidaan merkitä seuraavasti: Φ I = lim, (1) ω 0 ω jossa Ф on valaisimen säteilemä valovirta määräsuuntaan, ja ω on tämä nollaa kohti pienenevä avaruuskulma. Suure kuvaa valon voimakkuutta tähän suuntaan, eli valovoima kasvaa, mikäli valaisimen valovirta kootaan ja keskitetään tiettyyn suuntaan. Valovoiman yksikkö on kandela (cd). [1]

4 2.2. Valonjakokäyrä Lampun tai valaisimen valovoiman jakautumista eri suuntiin voidaan havainnollistaa valonjakokäyrällä. Valonjakokäyrä esittää valaisimen valonjako-ominaisuudet, eli valovoiman eri suuntiin. Valovoima mitataan ja määritellään C-γ-järjestelmässä. Koordinaatiston origo on valaisimen optiikan keskipisteessä. C-tasot kiertyvät valaisimen kautta kulkevan pystyakselin ympäri ja C-tasolla olevat korkeuskulmat ilmoitetaan kulmalla γ. Valovoiman jakautuma voidaan esittää sekä numeerisesti, että graafisesti valonjakokäyrillä. Valonjakokäyrä on valovoiman jakautuma piirrettynä napakoordinaatistoon. [3] Valonjakokäyrien valovoima-asteikko esitetään tavallisesti ikään kuin valaisimessa olisi lamppu, josta lähtee 1000 lumenin valovirta. Tällöin eri valaisimien valonjakoja voidaan verrata suoraan toisiinsa. Alla olevassa kuvassa 1 esitetään tyypillinen tievalaisimen valonjakokäyrä. [1] Kuva 1. Tyypillinen valonjakokäyrä. [4] Kuvan 1 valonjakokäyrä on Schrederin valmistamasta Tiehallinnon hyväksymästä tievalaisimesta Saphir2-HST250. Valonjakokäyrältä nähdään, että esimerkiksi kulmaan 0, eli suoraan alaspäin, tämä valaisin lähettää noin 200 kandelan valovoiman, mikäli valaisimessa olisi 1000 lm tuottava lamppu. Valaisin lähettää sekä oikealle että vasemmalle sivulle vielä 70 kulmaan lähes tasaisesti 200 cd valovoiman 1000 lm kohden. Valaisimen pitkittäissuunnassa valo suuntautuu selkeästi eteenpäin, esimerkiksi taaksepäin korkeuskulmassa 30 valovoima on vain noin 100 cd 1000 lm kohden, kun suoraan eteenpäin kulmassa 60 valovoima on lähes 300 cd. Kuvasta nähdään, että kyseisen valaisimen optinen hyötysuhde on 79 %. Optinen hyötysuhde on valaisimen antaman ja lampun valovirran suhdeluku. Tällä kertoimella otetaan siis huomioon häviöt valaisimessa. [2, s.179; 4] Numeerista valovoiman jakautumaa voidaan käyttää esimerkiksi laskentaohjelmissa, joille syötetään tarkasteltavan valaisimen valonjakotiedosto. Tällaisia valaistuksen laskentaohjelmia ovat esimerkiksi Calculux-Road- ja Dialux-ohjelmat. Niillä saadaan las-

5 kettua halutun tieosuuden valaistusteknisiä arvoja, kun ohjelmalle syötetään tarvittavat tiedot valaisimesta, pylväsvälistä, tienpinnasta ja muista olosuhteista. [5, s.9] 2.3. Valaistusvoimakkuus Valaistusvoimakkuus E kuvaa tarkasteltavalle pinnalle tulevan valovirran suhdetta tämän pinnan alaan, ja valaistusvoimakkuuden yksikkö on luksi (lx). Yhden luksin valaistusvoimakkuus on yhden lumenin valovirta jakautuneena tasaisesti yhden neliömetrin alalle. [1] Valaistusvoimakkuus kuvaa siis pinnalle tulevan valon määrää, ja se riippuu valonlähteen ja pinnan välisen etäisyyden neliöstä sekä pinnan ja valonsäteiden välisestä kulmasta. Pinnalle tulee usein valoa useasta eri valonlähteestä eri suunnista. Valaistusvoimakkuus ottaa huomioon kaikkien valonlähteiden yhteensä tuottaman valon tarkasteltavalle pinnalle, eikä vain pelkästään yhtä valonlähdettä. [1; 2, s.16] 2.4. Luminanssi Luminanssi L kuvaa tarkasteltavan kappaleen pintakirkkautta, eli osoittaa, kuinka valoisalta tietty pinta näyttää. Luminanssilla mitataan pinnasta lähtevää valoa, ja sen yksikkö on kandela neliömetriä kohden (cd/m 2 ). Tarkasteltavan kappaleen pinta näyttää sitä kirkkaammalta, mitä suurempi luminanssi pinnalla on. Tarkasteltava kappale voi olla esimerkiksi valaisimen pinta, työkohde tai tien pinta. [1; 2, s.17] Pinnan heijastussuhde vaikuttaa aina luminanssiarvoon. Ihmisen näköaisti toimii logaritmisesti, eli jos koemme pinnan kirkkauden kaksinkertaistuneen, on luminanssi todellisuudessa kasvanut kymmenkertaiseksi. [1] 2.5. Häikäisy Häikäisy aiheuttaa epämukavuutta näkemisessä ja vaikeuttaa yksityiskohtien näkemistä. Häikäisy syntyy sopimattomasta näkökentän luminanssijakautumasta tai määrästä, tai kun nämä muuttuvat liian nopeasti. Myös liian voimakkaat kontrastit aiheuttavat häikäisyä. [5, s.131] Kiusahäikäisy aiheuttaa epämukavuutta näkemisessä, ja se johtuu näkökentän suurista luminansseista ja luminanssieroista. Kiusahäikäisyn suuruus riippuu pääasiassa valonlähteen luminanssista, ympäristön keskimääräisestä luminanssista, valonlähteen alasta jonka silmä näkee, valonlähteen sijainnista näkökentässä, valonlähteen ympäristön luminanssijakautumasta sekä valonlähteen muodosta. [5, s.131] Häikäisyn arvostelemiseksi on kehitetty useita eri menetelmiä, joita kannattaa käyttää eri kohteissa ja valaistustavoissa. Ulkotyö- ja urheilualueiden valaistusten häikäisyn aste ilmoitetaan GR-arvolla. Häikäisyn aste GR voidaan määrittää empiirisestä yhtälöstä Lv1 GR = 27 + 24log, (2) 0,9 ( Lve)

6 jossa L v1 on harsoluminanssi, jonka kaikki valaisimet yhdessä synnyttävät havaitsijan silmien verkkokalvolle (cd/m 2 ), ja L ve kuvaa ympäristön aiheuttamaa harsoluminanssia (cd/m 2 ). Lukuarvoltaan GR voi vaihdella välillä 10 90, jolloin 90 kuvaa sietämätöntä häikäisyä, ja 10 on huomaamaton. Häikäisyä ei ole aina mahdollista tai taloudellisesti edes tarkoituksenmukaista välttää täysin kaikilta katsomispaikoilta kaikkiin katsomissuuntiin. Tällöin valaistus on suunniteltava siten, ettei voimakasta häikäisyä esiinny alueilla, joilla työturvallisuus vaarantuu tai työn teko vaikeutuu. [5, s.131] Estohäikäisy heikentää näkemistä. Häikäisynlähteen lähettämät valonsäteet hajaantuvat silmässä ja pienentävät katselukohteen kontrasteja. Häikäisynlähde sopeuttaa silmää korkeampaan luminanssitasoon, kuin näkökohteen keskimääräinen luminanssi edellyttäisi. Tämän seurauksena näkökohteessa tarvitaan suurempi luminanssiero yksityiskohtien havaitsemiseksi. Estohäikäisyn aste voidaan käytännössä ilmoittaa suhteellisena kynnyskontrastin kasvuna. Esimerkiksi tievalaistuksessa käytetään tunnuslukua TI, joka riippuu häikäisevien valaisimien silmän verkkokalvolle tuottamasta harsoluminanssista ja ajoradan pinnan keskimääräisestä luminanssista. Tästä tunnusluvusta TI kerrotaan vielä lisää luvussa 3.2.2. [5, s.131] 2.6. Värilämpötila ja värintoisto Värilämpötila T on käsite, jolla kuvataan valon väriä. Sen yksikkönä käytetään kelvinasteita (K). Valaisimen säteilemän valon värilämpötila vastaa sitä täydellisen säteilijän (mustan kappaleen) lämpötilaa, jossa täydellisen säteilijän valo on värisävyltään ja kylläisyydeltään samanlaista kuin tarkasteltava valonlähteen valo. Tarkalleen ottaen värilämpötilan käsite soveltuu vain sellaisten valonlähteiden värinmääritykseen, joiden valontuotto vastaa täydellistä säteilijää, lähimpänä tällaista ovat lämpöliike- eli termiseen säteilyyn perustuvat valonlähteet, kuten hehkulamput. Mitä suurempi värilämpötilan arvo on, sitä sinisempää, eli kylmempää valo on. Lämpimän valon värilämpötila on matalampi, noin 2600 3600 K, jolloin valo näkyy hieman keltaisen sävyisenä. [1] Päivänvalon värilämpötila on noin 5000 7500 K, ja yleisesti noin 5000 K valo on osoittautunut miellyttävimmäksi valaisinkäytössä. Tällöin valaisinlähteen valaistusvoimakkuus lukseina tulee sovittaa yhteen värilämpötilan kanssa. Suurilla valaistusvoimakkuuksilla värilämpötilan tulisi olla suuri, ja päinvastoin pienillä valaistusvoimakkuuksilla, 300 500 lx, lämpimät värisävyt koetaan luonteviksi. [1; 6] Yleinen värintoistoindeksi R a ilmoitetaan lukuarvona välillä 0 100, ja se ilmoittaa, paljonko kyseisen valonlähteen ja värilämpötilaltaan samanlaisen vertailuvalon värintoisto-ominaisuudet poikkeavat toisistaan. Vertailuvalona voidaan käyttää esimerkiksi päivänvaloa tai hehkulamppua. Mitä suurempi värintoistoindeksin arvo on, sitä luonnollisempina värit toistuvat. Lampun värintoisto-ominaisuuksia pidetään erittäin hyvinä, jos värintoistoindeksi on vähintään 85. [1] Lampun värilämpötila ja värintoistoindeksi ovat toisistaan riippumattomia. Markkinoilla on esimerkiksi päivänvaloa jäljitteleviä päivänvalolamppuja, jotka eivät välttä-

7 mättä kuitenkaan takaa hyvää värintoistokykyä, vaikka värilämpötila olisikin miellyttävä. [1] 2.7. Valotehokkuus Valaisimien ja lamppujen kuluttamaa sähkötehoa mitataan watteina (W). Valotehokkuus saadaan, kun valonlähteen tuottama valovirta jaetaan kulutetulla teholla, ja se kertoo kuinka tehokkaasti valonlähde muuttaa sähkön valoksi. Valotehokkuuden yksikkö on näin ollen lumenia wattia kohden (lm/w). Kulutettuun kokonaistehoon tulisi ottaa huomioon myös valaisimen liitäntälaitteen kuluttama teho. Lampun ja liitäntälaitteen yhdistelmän osalta puhutaan järjestelmän valotehokkuudesta. Perinteisten valonlähteiden osalta valotehokkuus ilmoitetaan yleisimmin vain pelkän lampun osalta. [1] Kun lamppu asennetaan valaisimeen, kaikki lampun tuottama valovirta ei pääse valaisimen ulkopuolelle, vaan osa valosta jää valaisimen sisään. Tällöin koko valaisimen valotehokkuus on huonompi kuin vain pelkän lampun. Tuotettu valovirta tulisikin laskea koko valaisimen osalta, tällöin tätä suuretta kutsutaan hyötyvalovirraksi ja se ottaa huomioon valaisimen optisen hyötysuhteen. Esimerkiksi led-valaisimien kohdalla valmistajat ilmoittavat lähes aina valotehokkuuslukeman, johon otetaan huomioon koko valaisin.

8 3. NYKYINEN TIEVALAISTUS Tieonnettomuuksien lukumäärä on suhteellisesti suurempi pimeällä ja ne ovat vakavampia kuin valoisana aikana. Tievalaistuksen tavoitteena onkin pimeän ajan onnettomuuksien vähentäminen pyrkimällä saamaan teille aikaiseksi valoisan ajan olosuhteet. Suomessa Tiehallinto vastaa yleisistä teistä, ja on myös vastuullinen teiden valaisusta. Ajoneuvoliikennettä varten on useita eri tietyyppejä, joiden leveys vaihtelee, usein kaistojen lukumäärän mukaan. Näin ollen myös tievalaistus on rakennettava aina tietyypin mukaan. Tämä luku esittelee syitä tievalaistuksen rakentamiselle, niiden omistussuhteita, tievalaistukseen liittyviä kustannuksia, sekä valaistusteknisiä vaatimuksia joita tievalaisimille on asetettu. Luvussa esitellään myös nykyisin käytössä olevia tievalaisimia ja olosuhteita, joissa tievalaisimia käytetään. Tämä kolmannen luvun aineisto on kerätty pääosin Sito Oy:n ulkovalaistusosaston päällikön Pentti Hautalan Tiehallinnolle konsultoimasta ohjeesta Tievalaistuksen suunnittelu [3]. Lähdemateriaalina on käytetty myös Pentti Hautalan tekstiä Tievalaistus [5, s.131], joka on muokattu hänen VALO-lehteen kirjoittamistaan artikkeleista ja Suomen Kuntaliitolle tehdystä katuvalaistusselvityksestä. 3.1. Tievalaistuksen tarve Pimeällä tiellä heikentyneet näkemisedellytykset johtavat onnettomuusriskin kasvamiseen noin 1,5 3-kertaiseksi valoisaan aikaan verrattuna, ja pimeän ajan onnettomuuksien lukumäärä on keskimäärin 30 % kaikista onnettomuuksista. Tievalaistus vähentää pimeän ajan onnettomuuksia yleisillä teillä keskimäärin 30 %:lla, ja se lievittää eniten vakavia onnettomuuksia. Sen lisäksi, että tievalaistus parantaa liikenneturvallisuutta, se myös tasoittaa ja hieman lisää ajonopeuksia, parantaa ajoneuvoliikenteen palvelutasoa, sujuvuutta, ajomukavuutta ja vähentää ajoneuvojen häikäisyä. Myös tieympäristön yleinen turvallisuus kasvaa. Tievalaistuksen käyttö aiheuttaa aina kustannuksia, joten nämä kustannukset on suhteutettava saatuun hyötyyn, ja tarkasteltava näin tievalaistuksen tarvetta tietyllä tieosuudella. Tievalaistuksesta aiheutuvia kustannuksia ovat investointikustannukset, energian kulutus sekä huolto- ja kunnossapitokustannukset. Tievalaistuksen kannattavuutta voidaan tarkastella ajokustannussäästöjen avulla. Näitä ajokustannussäästöjä ovat onnettomuuskustannussäästöt ja aikakustannussäästöt. Onnettomuuskustannussäästöjen osuus on noin 80 90 %, ja aikakustannussäästöjen loput.

9 Onnettomuuskustannukset on arvostettu rahallisesti niiden vakavuuden mukaan, ja huomioon on otettu pylväisiin törmäämisestä aiheutuva onnettomuusriskin kasvaminen. On siis huomattava, että tievalaisimet vaativat lähes aina pylväät, joiden varaan valaisimet asennetaan, ja nämä pylväät tien varsilla aiheuttavat onnettomuusriskin autoilijoille. Ilman pylväitä tienpiennar olisi usein esteetön, eikä ulosajo aiheuttaisi suurta törmäysriskiä heti tien ulkopuolella. Asennuskustannusten vähentämisen lisäksi pylväiden lukumäärä tulisi saada minimiin myös onnettomuuskustannusten vähentämiseksi. Tievalaistuksen aikaansaamat aikakustannussäästöt ovat seurausta siitä, että liikenteen nopeus palautuu lähes päivätilanteen mukaiseksi, jolloin matka-aika lyhenee. Nopeuden muutos on kuitenkin yleensä vain noin 1 km/h riippuen olosuhteista. Valaistuksen rakentamisen kannattavuuslaskelma tehdään yleensä siten, että ajokustannussäästöjä verrataan valaistusmenoihin, ja tulokseksi saadaan kannattavuuden liikennemääräraja, joka kertoo kuinka monta ajoneuvoa vuorokaudessa tarkasteltavalla tiellä tulisi kulkea, jotta tievalaistuksen rakentaminen olisi kannattavaa. Liikennemääräraja lasketaan koskemaan valaistuksen käyttöiän puoliväliä. Yleensä tievalaistuksen käyttöajaksi lasketaan 20 tai 30 vuotta. 3.2. Valaistusteknilliset vaatimukset Suomessa tievalaistukselle asetetut vaatimukset ovat maailman korkeimpia. Meillä valaistusolosuhteet vaihtelevat huomattavasti, esimerkiksi luminen tienpinta heijastaa hyvin valoa, kun taas syksyisin sateisella säällä tienpinnan valaiseminen vaatii paljon valoa. Lisäksi pohjoisessa talvisin pimeää on suuri osa vuorokaudesta, joten valaisimien käyttöajat ovat korkeita. Valaistustason on oltava sellainen, että tienkäyttäjä havaitsee ajoissa ajoradalla tai sen välittömässä läheisyydessä olevan esteen, saa oikean käsityksen omasta asemastaan, liikkeestään ja nopeudestaan tiehen sekä muihin tienkäyttäjiin verrattuna. Valaistus ei saa kuitenkaan häiritä kulkijoita ja oleskelijoita. Taajaman ulkopuolella yleiset tiet valaistaan autonkuljettajan näkemisvaatimusten takia, kun taas taajamissa kaduilla on useita havaitsijoita eri suunnissa. Ajoradalla olevan esteen voi huomata silloin, kun taustan ja esteen välillä on riittävä luminanssikontrastiero. Ajoneuvojen valot valaisevat suoraan estettä, jolloin se erottuu vaaleana tummaa taustaa vasten. Tievalaistuksessa havaitsemistilanne kuitenkin vaihtelee; kohde erottuu joko vaaleana tummaa tai tummana vaaleata taustaa vasten. Heikkonäköiset kärsivät usein häikäisystä ja tarvitsevat muita paremman kontrastin. Näkemisvaatimukset vaihtelevat erilaisissa liikenneolosuhteissa, joten valaistustason on muututtava samassa suhteessa. Käytännön suunnittelua varten valaistus on jaettu luokkiin, jotka määritellään valaistusteknillisten perusteiden avulla. Näitä luokkia voidaan siten käyttää sopivasti vaihdellen eritasoisilla teillä ja kaduilla. Autoliikenteen valaistusluokat (AL-luokat) on tarkoitettu moottoriajoneuvon kuljettajille teillä ja kaduilla, joilla ajonopeus on korkeahko tai suuri. AE-luokat koskevat konfliktialueita, kiertoliittymiä ja mutkikkaita tasoliittymiä. K-luokat on tarkoitettu jalankulkijoille ja pyöräili-

10 jöille jalkakäytävillä, asunto- ja pihakaduilla, pysäköintialueilla, pihoilla ja vastaavilla. AL-luokista kerrotaan tarkemmin luvussa 3.2.4. 3.2.1. Luminanssi Tievalaistus suunnitellaan pääosin luminanssilaskelmalla, jolloin myös tiepäällysteen ominaisuuksilla on merkittävä vaikutus lopputulokseen. Luminanssi L osoittaa, miten valoisalta tien pinta näyttää. Keskimääräinen luminanssi L m on koko tarkasteltavan ajoradan luminanssiarvojen aritmeettinen keskiarvo. Mittaus tehdään jokaisen kaistan keskeltä, ja valaisimet mitoitetaan pienimmän arvon mukaan. Keskimääräisen luminanssin nostaminen pidentää näköetäisyyttä, parantaa havaitsemista, sekä lyhentää reaktioaikaa ja suhteellisen liikkeen arviointia. Kun keskimääräinen luminanssi kasvaa arvosta 0,7 cd/m 2 arvoon noin 2 cd/m 2, lisääntyy näkösuorituskyky jyrkästi. Jotta luminanssi ei alittaisi annettuja vaatimuksia ennen valaisimien huoltoa, käytetään laskennassa alenemakerrointa. Alenemakertoimen avulla saadaan valaisimen uusarvo valittua siten, että vaatimukset täyttyvät vielä välittömästi ennen huoltoa. Alenemakertoimeen vaikuttavat ympäristö, valaisimen rakenne (avoin tai suljettu), lampun vanheneminen sekä huoltotoimien ajoittaminen. Käytännössä valaistuksen alenemakerroin vaihtelee rajoissa 0,5 0,9. Ellei alenematekijöiden vaikutusta tunneta, suunnittelussa voidaan käyttää perusarvoa 0,75. Esimerkiksi jos 20 vuoden eliniälle lasketun valaisimen alenemakertoimena käytetään perusarvoa 0,75, tarkoittaa se sitä, että 20 vuoden kuluttua asennuksesta valaisimen tuottama luminanssi olisi enää 75 % uuden valaisimen arvosta. Käytännössä valaisimen tuottama luminanssi tien pinnalle laskee koko valaisimen eliniän ajan. Asennuksen alussa luminanssilla on tietty lähtötaso, josta luminanssi laskee lampun vanhenemisen myötä. Lampunvaihdossa luminanssi taas kasvaa, johtuen uuden lampun paremmasta valontuotosta, sekä siitä, että yleensä valaisimet pestään ryhmävaihdossa. Tiehallinnolla valaisimien pesemisestä huolehditaan tarkasti, mutta kuntien valaistusyksiköissä näin ei aina välttämättä ole. Yleensä ryhmävaihdon jälkeen ei valaistustasossa päästä kuitenkaan enää lähtötasolle johtuen esimerkiksi valaisinkupujen tummenemisesta. Luminanssin suuruus noudattaa siis laskevaa sahalaitakuviota ajan kuluessa. Näkösuorituskykyyn vaikuttaa myös luminanssin yleistasaisuus U 0, joka määritellään seuraavasti: L min Uo =, (3) Lm jossa L min on koko ajoradan pienin luminanssi ja L m koko ajoradan keskimääräinen luminanssi. Luminanssit määritellään ¼ ajoradan leveyden etäisyydeltä oikeasta reunaviivasta. Yleistasaisuus lasketaan jokaiselle kaistalle ja pienin arvo on mitoittava valaisimia valittaessa. Näkösuorituskyky alenee merkittävästi, kun yleistasaisuus huononee. Yleistasaisuuden pieneneminen esimerkiksi arvosta 0,4 arvoon 0,2 vaatii luminanssin nelinkertaistamista pienennyksen kompensoimiseksi.

11 Ajo- ja näkömukavuuteen vaikuttaa lisäksi pitkittäistasaisuus U 1, joka lasketaan kunkin kaistan keskellä ja samassa kohdassa olevan havaitsemispisteen kautta kulkevalla suoralla olevien pienimmän ja suurimman luminanssin osamääränä, L min U 1 =, (4) L max jossa L max on siis ajoradan suurin luminanssi. Pitkittäistasaisuudenkin osalta pienin arvo on mitoittava. Valaistuksen kustannukset kasvavat voimakkaasti pitkittäistasaisuutta parannettaessa, ja siihen vaikuttaa suuresti valaisinväli. Lyhyellä valaisinvälillä pitkittäistasaisuus saadaan helpoiten täyttämään vaatimukset. 3.2.2. Häikäisy Estohäikäisyn vaikutusta arvostellaan kynnyskontrastin kasvulla. Kynnyskontrasti on pienin esteen ja taustan välinen kontrasti, joka tarvitaan esteen havaitsemiseksi tietyllä sopeutumisluminanssitasolla. Koska häikäisy kohottaa kynnyskontrastia, esteen ja taustan välistä kontrastia tulisi parantaa, jotta este havaittaisiin. Estohäikäisyn aste ilmoitetaan käytännössä suhteellisena kynnyskontrastin kasvuna. Se riippuu häikäisevien valaisimien silmän verkkokalvolle tuottamasta harsoluminanssista ja ajoradan pinnan keskimääräisestä luminanssista. Tunnusluku TI antaa eri valaistusluokissa prosentuaaliset enimmäisarvot, joilla suhteellinen kynnyskontrasti saa kasvaa. TI-arvo lasketaan jokaiselle kaistalle uusilla lampuilla, ja suurinta arvoa käytetään mitoituksen perusteena. 3.2.3. Valaistusvoimakkuus Tievalaistuksessa kiinnostaa yleensä vaakatason keskimääräinen valaistusvoimakkuus E m. Vaakatason valaistusvoimakkuus lasketaan ajoradan pinnan tasossa aritmeettisena keskiarvona. Tievalaistustaso tulisi mitoittaa yleensä luminanssiarvojen mukaan, mutta esimerkiksi liikenneympyröiden mitoitukseen luminanssiperiaate ei ole sovelias. Luminanssi ja valaistusvoimakkuus lasketaan samoissa pisteissä. Jos mitatut valaistusvoimakkuusarvot ovat samat kuin laskemalla saadut arvot, voidaan luminanssinkin olettaa täyttävän vaatimukset. Valaistusvoimakkuuksia käytetään tievalaistuksen laadunvalvonnassa. Ajoradan ulkopuolinen valaistusvoimakkuus lasketaan kaistalle, joka on pientareen levyinen, mutta kuitenkin vähintään 2 metriä. Valaistusvoimakkuuden laskennan osalta käytetään alenemakerrointa 0,75. 3.2.4. Valaistusluokat Tie- ja katuvalaistuksen hyödyt liikenneturvallisuudelle ja ympäristölle saadaan aikaan sopivan valaistusluokan avulla. Valaistusluokka riippuu väylän ja liikenteen ominaisuuksista. Siihen vaikuttaa pääasiassa se, onko kyseessä yleinen tie vai katu, tien poikkileikkaus, liikennelaji, ajonopeus, liittymäjärjestelyt ja ympäristön valoisuus. Valaistus pysyy luokassaan, kun valaistusteknilliset ominaisuudet täyttävät näkemisen ja havait-

12 semisen edellyttämät vaatimukset ja ovat keskenään oikeassa suhteessa. Autoilijoille tärkeimmät ominaisuudet ovat järjestyksessä luminanssin tasaisuus, keskimääräinen luminanssi ja häikäisyn rajoitus. Autoliikenteen valaistusluokat (AL-luokat) koskevat kuivan ja märän päällysteen teitä ja katuja, joilla ajonopeus on korkeahko tai suuri, vähintään 50 km/h. AL-luokan mitoitus tehdään luminanssilaskennan avulla jotta saavutetaan hyvä teknillinen ja taloudellinen tulos. Alla oleva Taulukko 1 kuvaa eri AL-luokille asetettuja vaatimuksia. Ympäristön valaistuksessa suhdeluku SR tarkoittaa ajoradan vieressä olevan puolen ajoradan levyisen kaistan valaistusvoimakkuutta jaettuna lähimmän ajokaistan valaistusvoimakkuudella. Taulukko 1. AL-luokat. [3] Luokka Kuivan ja märän ajoradan luminanssi Kuiva Märkä L m cd/m 2, min U 0 min U 1 min U 0 min Estohäikäisy TI % max Ympäristön valaistus SR min AL 1 2,0 0,4 0,6 0,15 10 0,5 AL 2 1,5 0,4 0,6 0,15 10 0,5 AL 3 1,0 0,4 0,6 0,15 15 0,5 AL 4a 1,0 0,4 0,4 0,15 15 0,5 AL 4b 0,75 0,4 0,4 0,15 15 0,5 AL 5 0,5 0,4 0,4 0,15 15 0,5 Moottoriväylillä, liikenteen ollessa pääasiassa moottoriajoneuvoliikennettä ja ajonopeudet yli 80 km/h, käytetään valoisassa ympäristössä valaistusluokkaa AL2 ja pimeässä ympäristössä luokkaa AL3. Ympäristö on valoisa, jos tien ulkopuolelta tulee häiritsevää valoa esimerkiksi läheisestä toisesta tie- tai katuvalaistuksesta, huoltoasemilta, pysäköintialueilta, urheilukentiltä, julkisivuvalaistuksista, mainosvaloista, valotaideteoksista tai vastaavista. Pääteillä, joilla nopeusrajoitus on vähintään 60 km/h ja liikenne voi sisältää moottoriajoneuvojen lisäksi polkupyörä- ja jalankulkuliikennettä, käytetään valoisassa ympäristössä luokkia AL1, AL2 ja AL4a. Pimeässä ympäristössä pääteiden vaatimukset ovat joko AL2, AL3 tai AL4a, riippuen tien poikkileikkauksesta. Muilla teillä, joilla nopeusrajoitus on alle 60 km/h, käytetään valaistusluokkia AL4a ja AL4b. Mikäli yleinen tie on taajaman sisäisen liikenneverkon osa, valitaan valaistustaso katuluokituksen avulla. Katuluokitukselle on olemassa oma taulukkonsa, josta katuosuudelle valitaan käytettävä valaistusluokka. Valaistusvoimakkuusarvot (AE-luokat) on tarkoitettu kiertoliittymiä, mutkikkaita tasoliittymiä ja vastaavia varten. Näillä alueilla havaitsemissuunnat vaihtelevat ja katseluetäisyys on lyhyt. Näkyvissä olevan, säännöllisen ajoradan osan pituus on alle 60 m, jolloin luminanssiin perustuva tarkastelu ei ole kovinkaan käyttökelpoinen. Tievalaisimet asennetaan lähes aina yhteen pylväsjonoon, joko yksirivisenä reunasijoituksena, tai keskikaista-asennuksena. Jos on käytettävä kaksirivistä reunasijoitusta,

13 valitaan vastakkainen sijoitus ennen vuoroittaista. Sähkönsyöttö valaisimille voidaan tuoda joko kaapelilla tai ilmajohdoilla. Ilmajohtoja suositellaan maaseutuympäristöön tai tummaa taustaa vasten. Ilmajohtoasennuksessa pitkää, yli 56 metrin pylväsväliä on vältettävä. Kaksiajorataisella tiellä valaistustyyppinä käytetään ensisijaisesti keskikaistaasennusta. Pylväskorkeus on yleensä 10 12 m. Esimerkiksi moottoriteillä, tie on yleensä kaksiajoratainen, ajoradan leveyden ollessa 7,5 m. Tällöin pylväskorkeutena käytetään 12 metriä. Yksiajorataisella tiellä käytetään yksirivistä reunasijoitusta varsipylväillä. Esimerkiksi valta- ja kantateillä, sekä taajaman pää- ja kokoojatiellä on valaistusluokka AL4a tai AL4b. Ajoradan leveys on yleensä 7 m, ja valaisinpylvään asennuskorkeus 10 m. Enimmillään pylväskorkeus voi olla yleisillä teillä jopa 18 m. [7] 3.3. Omistus ja ylläpito Suomen valtio on vastuullinen yleisten teiden valaistuksen hankinnasta, jos tievalaistusta pidetään tarpeellisena liikenneturvallisuuden, alueen muun valaistuksen tai varustelun kannalta. Valtion tienpitoviranomaisena toimii Tiehallinto, joka on liikenneministeriön hallinnonalalla toimiva virasto. Tiehallinto omistaa tievalaistuksen aina valta- ja kantateillä. [8; 9] Kuntien on mahdollista rakentaa itse tievalaistus Tiehallinnon luvalla alueille, mihin Tiehallinto ei katso valaistusta tarpeelliseksi. Mikäli kunta haluaa tievalaistuksesta ohjeiden mukaista korkealuokkaisemman, on sen vastattava lisäkustannuksista. Taajamaalueilla katuvalaistuksen omistaa kunta, ja yksityisillä alueilla maanomistaja on luonnollisesti myös valaistuksen omistaja. [8; 9] Tievalaistuksen käyttö- ja kunnossapitokustannuksista vastaa valaistuksen omistaja, ellei rakennusvaiheessa ole sovittu erikseen jotain muuta. Esimerkiksi valtio voi avustaa kunnan omistaman valaistuksen ylläpitoa, jos se katsotaan tarpeelliseksi liikenneturvallisuuden kannalta. Vuoden 2006 alussa Tiehallinnon hoidettavana oli yli 78 000 km maanteitä, ja Tiehallinnolla on valaistuja tieosia yhteensä noin 14 000 km. [9; 10; 11] Tiehallinnolla on useissa eri teholuokissa yhteensä noin 230 000 tievalaisinta, joista aiheutuu merkittäviä ylläpitokustannuksia. Näitä kustannuksia ovat sähköenergian hinta ja valaisimien huollon kustannukset. Vuotuinen sähköenergian kulutus on noin 150 GWh, ja sen osuus kaikista ylläpitokustannuksista on yleensä noin kaksi kolmasosaa. Vuodessa valaisimien sähköenergian kulutus maksaa Tiehallinnolle noin 15 miljoonaa euroa, huoltokustannuksiin kuluu 3 miljoonaa euroa. Ylläpitokustannukset riippuvat paljolti tietyypistä. Tiehallinnon mukaan vuonna 2004 2+2-kaistaisilla teillä tievalaistuksen käytön ja kunnossapidon kustannukset olivat 3100 6000 euroa vuodessa kilometriä kohden, kaksikaistaisilla teillä 1550 4300 euroa, ja kevyen liikenteen väylillä 1200 1900 euroa. [10; 12] Tievalaistuksen käyttöiäksi lasketaan yleensä 20 tai 30 vuotta, vaikka valaisimien elinikä saattaakin olla jopa 30 35 vuotta. Ihanteellisin tilanne olisi, että valaistuksen elinikä on tien eliniän mukainen. Tiehallinnon ohjeena on, että kaikki yli 20 vuotta van-

14 hat tievalaistukset tarkastetaan ja niiden saneeraustarpeet todetaan. Yleensä saneeraus tulee kysymykseen, kun valaistustaso on liian alhainen tieluokkaan nähden, valaistus kuluttaa energiaa selvästi enemmän kuin nykyaikainen valaistus, lamput ovat lyhytikäisempiä kuin vastaavat uudet tai valaisin on vikaherkkä, pylväät eivät ole törmäysturvallisia, tietä levennetään tai siirretään, tai kun halutaan erilainen ulkonäkö tai ilmajohdoista halutaan luopua. Saneerauksen osaltakin on tehtävä kannattavuuslaskelma, jossa tarkastellaan mikä tulisi olemaan kannattavin valaisintyyppi, vai kannattaako nykyistä valaisintyyppiä korvata ollenkaan uudella. Nykyisten valaisimien lamppuja vaihdetaan ryhmävaihtoina noin neljän vuoden välein, mutta tarvittaessa suoritetaan myös yksittäisiä lampunvaihtoja. [12] 3.4. Tievalaistuksen ohjaus Tievalaistusta olisi hyvä päästä säätämään ja ohjaamaan, jotta valaisimia ei pidetä turhaan päällä silloin, kun olosuhteet eivät vaadi valaistusta tien pintaan. Tällöin saadaan valaisimien kuluttamaa sähköä säästettyä, mutta samalla pitää huolehtia, että onnettomuuskustannukset eivät kasva. Valaistustason säätäminen tulee kysymykseen, kun valaistuksen ohjaaminen pois on liian suoraviivainen toimenpide. Ihmissilmä vaatii melko suuria valaistustason muutoksia, jotta muutokset huomataan. Siksi tievalaistuksen yhteyteen ei kannata rakentaa kovin monimutkaista säätöjärjestelmää pelkästään pieniä valaistustason muutoksia varten. Valaisimia tulisi pystyä säätämään valoisuuden mukaan, valoisuuteen vaikuttaa yleensä vuorokaudenaika ja sääolosuhteet. Esimerkiksi luminen tienpinta on huomattavasti valoisampi kuin märkä asvaltti. Valaisimia voidaan säätää myös liikennemäärän mukaan, erityisesti yöllä liikenne on vähäisintä vaikkakin silloin on pimeintä ja valoa tarvittaisiin eniten. Valaistuksen ohjaus voidaan toteuttaa paikallisesti hämäräkytkimillä ja kellolaittein, tai keskitetysti, jolloin ohjauskäskyt välitetään tievalaistusverkon, yleisen sähköverkon tai erillisen viestiverkon kautta. Osittainen tievalaistuksen sammuttaminen voisi tulla kysymykseen taloudellisista syistä, jos energiakustannukset jatkavat kasvamistaan. Sammutuskäytäntöön vaikuttaa usein myös paikallisen kunnan käytäntö. Yösammutusta käytetään vain tieosuuksilla, joilla liikennettä on yöllä vähän. Yösammutuksen myötä Tiehallinto voisi säästää sähköä 7 10 GWh vuodessa. [13] Älykkääksi tievalaistukseksi kutsutaan ohjausjärjestelmää, joka ottaa huomioon vallitsevat tie- ja liikenneolot, tienpinnan ominaisuudet ja olotilan, sekä lamppujen valovirran. Ajoradan luminanssia voidaan muuttaa liikennemäärän funktiona rakennussuunnitelmassa esitettävien toimivuus- ja laatuvaatimusten mukaan. Älykkään tievalaistuksen tavoitteena on energian ja hoitokustannusten säästö, tinkimättä valaistuksesta tai tieturvallisuudesta. Tällainen valaisimien ohjausyksikkö on yhteydessä Tiehallinnon keskustietokoneeseen, jonka avulla tehdään valaistuksenohjaus. Älykäs tievalaistus ei vaadi erillistä ohjauskaapelointia, sillä ohjauskäskyt valaisimille voidaan antaa sähköverkon

15 välityksellä. Tämän ansiosta järjestelmä voidaan liittää myös olemassa oleviin valaistusasennuksiin. Tievalaistuksen älykkäät ohjausjärjestelmät voisivat säästää jopa 40 % tievalaistukseen käytetystä energiasta. Tällä hetkellä valaistusta säädellään lähinnä vain hämäräkytkimillä, ja älykästä tievalaistusta on käytössä vain yksittäisillä tieosuuksilla. Älykkään tievalaistuksen rakentamiskustannukset ovat noin 16 % suuremmat perinteiseen valaistukseen nähden. [11] Tiehallinto on uudistamassa tievalaistuksen ohjausjärjestelmää samalla kun se joutuu uusimaan lähes kolmasosan nykyisistä valaisimista. Uusi järjestelmä säätää tarkemmin lamppujen syttymis- ja sammumisaikoja, tällöin valojen polttoaikaa saadaan lyhennettyä aamuisin ja iltaisin. Valaisimia voidaan myös säätää esimerkiksi lumisena aikana. [13] 3.5. Valaisimille asetetut vaatimukset Tievalaisimilta vaaditaan yleensä hyvin erilaisia vaatimuksia kuin muilta valaisimilta. Muun muassa niiden on oltava päällä kerrallaan hyvin pitkiä aikoja, keskimäärin noin 12 tuntia vuorokaudessa. Tievalaisimien on kestettävä hyvin erilaisia sääolosuhteita, kuumaa auringonpaistetta ja Suomen olosuhteissa kovia pakkasia. Kosteus ja pöly pitäisi pystyä pitämään valaisimen ulkopuolella, joten valaisimen kotelointiluokan on oltava korkea. Tievalaisimien vaihtaminen on hankalaa ja kallista, johtuen niiden korkeasta sijainnista ja yleensä tarvitaan erikoisvälineistöä jotta valaisimet ylletään vaihtamaan. Valaisimien vaihtaminen ja huolto joudutaan melkein aina tekemään liikenteen alaisella tiellä, joten valaisimen on oltava nopea ja yksinkertainen vaihtaa ja huoltaa. Valaisimeen on tarvittaessa hyvä olla helposti saatavilla varaosia. Valaistuslaitteet valitaan ja sijoitetaan siten, että niiden rakennus- ja hoitokustannusten 20 vuoden nykyarvon summa tulee mahdollisimman pieneksi. Kohteeseen valitun valaistusluokan vaatimukset ja muut toimivuuteen, turvallisuuteen ja kestävyyteen liittyvät vaatimukset on myös täytettävä. Valaisimen ominaisuudet vaikuttavat aina merkittävästi valaistuksen laatuun ja taloudellisuuteen. Tekniikan ja menetelmien jatkuva kehitys vaikuttaa valaistustapoihin ja tyyppeihin, sekä valaistuksen elinkaarikustannuksiin. Valaistuslaitteita ovat kaikki valaistuksessa tarvittavat kiinteät rakenteet, laitteet ja kalusteet kuten lamput, valaisimet, pylväät, valaisinvarret, perustukset, sähkönjakelulaitteet sekä johtoverkko. Valaisimen tehtävä on valon suuntaaminen hyvällä hyötysuhteella lampusta ajoradalle ja sen lähiympäristöön, sekä valonlähteen suojaaminen erilaisilta rasituksilta. Valaisimen tulee olla kestävä ja helppohuoltoinen, myös sähköturvallisuusmääräykset on täytettävä. Tiehallinnolla on luettelo valaisimista, jotka ovat käyttökelpoisia tievalaistukseen, ja käytössä onkin usean eri valmistajan valaisimia. Valaisimia on tarkasteltu kaksirivisenä keskikaista-asennuksena ja yksirivisenä reunasijoituksena valaistusluokittain. Jokaiselle valaisimelle on myös annettu enimmäispylväsväli, joka täyttää kyseisen valaistusluokan vaatimukset kuivalla ja märällä päällysteellä. Yleisin pylväsväli on noin

55 m, ja yleensä käytössä olevat pylväsvälit ovat pituudeltaan 40 60 m, riippuen lampputyypistä. [7; 12] Valaistuksen kannalta lamppujen tärkeimmät ominaisuudet ovat valovirta, valotehokkuus liitäntälaitteineen, hyötypolttoikä, kuolleisuus, valovirran alenema, valon väri ja värintoisto, valon suunnattavuus sekä hinta. Tie- ja katuvalaistus on iso energiankuluttaja, joten siitä syystä valotehokkuudeltaan suuret valaisimet ovat saaneet merkittävän aseman käytössä. Valotehokkuus tulisi ilmaista koko valaisimen osalta sisältäen liitäntälaitteen, mutta monet valmistajat valitettavasti ilmoittavat pelkän lampun kuluttaman tehon, ja saavat näin korkeampia valotehokkuuslukemia valaisimilleen. Valaisimen hyötypolttoikä saavutetaan sillä hetkellä, kun valaistusvoimakkuus on lamppujen vuoksi laskenut 30 % alkuperäisestä. [1] Myös valaisimien liitäntäteho, eli nimellisteho + liitäntälaitteiden tehohäviöt on tarpeen olla tiedossa. Muita huomioon otettavia ominaisuuksia ovat muun muassa syttymiseen ja palamiseen tarvittavat lisälaitteet, syttymis- ja uudelleensyttymisaika, lämpötilavaihtelujen ja tärinän kestävyys ja kuvun lasin ominaisuudet. Valaisimen liitäntälaitteen välityksellä valaisin kytketään syöttävään sähköverkkoon, ja se voi sisältää yleensä lampputyypistä riippuen muuntajan, virranrajoittimia, sytytyslaitteita ja loistehon kompensointikondensaattorin. Tievalaistuslaitteiston liittymisteho on lamppujen ja liitäntälaitteiden yhteenlaskettu kuormitusteho, johon lisätään johtoverkossa ja laitteissa syntyvät tehohäviöt. Jos valaisimella on pieni nimellisteho ja valovirta, tarvitaan paljon valopisteitä, mikä lisää rakennus- ja kunnossapitokustannuksia. Suuri valotehokkuus, pitkä polttoikä ja pieni valovirran alenema vähentävät kustannuksia. Esimerkiksi valaisimille, joilla on suuri valovirta, voidaan käyttää suurta pylväsväliä, jolloin valaisimia tarvitaan vähän kilometriä kohden. Valon värillä on pääasiassa merkitystä ympäristön viihtyisyyden sekä jossakin määrin havaitsemisen ja häikäisyn kannalta. Valon väriä voidaan myös käyttää jossakin määrin opastuksen apuna korostamaan eri väylien luonnetta. Valon laji ja väri määritellään tie- ja katuvalaistuksen tarveselvityksessä tai tiesuunnitelman valaistustiedoissa. Lampputyyppi, lampun nimellisteho ja valovirta valitaan valaistavasta hankkeesta riippuen siten, että valaistusteknilliset vaatimukset täyttyvät mahdollisimman taloudellisesti. Mikäli tietyn tieosuuden laskelmiin lamppujen tehosta ja pylväsvälistä halutaan perehtyä tarkemmin, voidaan tiellä tehdä luminanssimittaus jokaisen kaistan keskellä. Tiellä tehty luminanssimittaus ei kuitenkaan sovellu kunnolla varsinaiseksi laatuvaatimukseksi, sillä mittaustulos riippuu voimakkaasti päällysteen kunnosta ja kosteudesta. Tievalaisimen valonjakokäyrä ei saa olla pyörähdyssymmetrinen, eli valovoima ei saa olla yhtä suuri esimerkiksi suoraan eteenpäin ja sivulle. Tievalaistuksessa on tärkeätä saada suunnattua valoa sivuttain tien suuntaisesti, eikä niinkään poikittain. Valaisimen hyötysuhde ja lampun valovirran alenemakerroin tulisivat olla mahdollisimman korkeita. Valaisimen kupu ei saisi kellastua tai harmaantua. Valaisimien tulisi kestää kaikki ulkoiset rasitukset, siksi yleisillä teillä käytetäänkin suljettuja valaisimia. Valaisimien tulee myös soveltua valittuun lampputyyppiin ja asennustapaan. Valaisi- 16