Oświetlenie energooszczędne

Podczas planowania budowy domu, przy ciągle rosnących cenach energii elektrycznej, coraz częściej analizuje się możliwość wykorzystania energooszczędnych technologii oświetleniowych.

Do głównych parametrów umożliwiających porównanie właściwości różnych technologii oświetleniowych należy wskaźnik oddawania barw Ra lub CRI (ang. Colour Rendering Index) kształtujący się w przedziale od 0 dla światła monochromatycznego do 100 dla światła białego z ciągłym widmem (światło słoneczne). Im wskaźnik oddawania barw jest wyższy, tym oświetlane przedmioty będą miały barwę bliższą tej postrzeganej w pełnym oświetleniu słonecznym. Za bardzo dobre uznaje się źródła światła o wskaźniku oddawania barw równym lub wyższym 80. Podczas oświetlania miejsc, w których jakość widzianych kolorów jest szczególnie istotna, jak w np. pracowniach plastycznych, warsztatach lakierniczych, gabinetach stomatologicznych etc., zalecane jest stosowanie źródeł światła o wskaźniku oddawania barw CRI przekraczającym 90.

Drugim parametrem opisującym jakość oświetlenia jest temperatura barwowa źródeł światła. Jest to parametr opisujący temperaturę ciała doskonale czarnego emitującego światło o barwie najbardziej zbliżonej do światła analizowanego źródła, w jednostkach temperatury bezwzględnej — Kelwinach [K]. Niskie temperatury barwowe, zbliżone do temperatury lamp żarowych (2600–3300 K), określane są mianem temperatury ciepłobiałej, wysokie (5300–6500 K) natomiast — zimnych białych. Z kolei temperatury pomiędzy tymi zakresami określane są mianem neutralnych lub po prostu białych. Temperatura barwowa wpływa na nastrój ludzi, dlatego najczęściej barwy ciepłe stosuje się w miejscach wypoczynku, a barwy ziemne lub neutralne w miejscach pracy.

Kolejnym parametrem oświetlenia wpływającym na komfort (lub dyskomfort) przebywających w oświetlanym pomieszczeniu jest poziom natężenia oświetlenia mierzony w luksach [lx]. Wymiarem natężenia oświetlenia jest iloraz natężenia strumieni świetlnych źródeł światła wyrażony w lumenach [lm] przypadający na powierzchnię oświetlaną [mkw.]. Wymieniając dotychczasowe źródło światła, np. lampę żarową na lampę LEDową, dla zachowania zbliżonego poziomu natężenia oświetlenia, należy zwrócić uwagę, czy nowe źródło światła ma zbliżony strumień świetny [lm].

Duży wpływ na komfort oświetlenia ma zjawisko tętnienia, tzw. efekt stroboskopowy, od którego w dużym stopniu zależy m.in. zmęczenie wzroku. Efekt ten zawdzięczamy sposobowi zasilania źródeł światła — zasilaniu zmiennemu o wysokiej częstotliwości 50 Hz.

Innymi parametrami, których znaczenie jest szczególnie ważne podczas projektowania oświetlenia, są równomierność oświetlenia oraz olśnienie (przykre, oślepiające lub przeszkadzające).

Przegląd dostępnych technologii

Lampy żarowe, potocznie nazywane żarówkami, to najbardziej znane źródła światła sztucznego dla pomieszczeń mieszkalnych. Ich budowa jest stosunkowo prosta: lampa składa się z żarnika najczęściej wolframowego, drutów kontaktowych podpórki i szklanej bańki. Lampy te mogą emitować jedynie światło o ciepłej barwie (ok. 2700 K), a emitowane widmo pozwala na dobre odwzorowywanie barw, CRI>95. Lampy żarowe są źródłami światła o jednej z najniższych skuteczności świetlnych — od 8 do 16 lm/W. Dodatkowo ok. 95 proc. emitowanej energii ma postać ciepła. Jednocześnie żarówki te charakteryzują się najkrótszą żywotnością — do 1000 h. Posiadają zazwyczaj skuteczność świetlną na poziomie do 12 lm/W. Lampy żarowe dzięki dużej bezwładności cieplnej żarnika nie powodują efektu tętnienia.

Mimo wprowadzenia całkowitego zakazu produkcji i sprzedaży lamp żarowych w całej Unii Europejskiej (obowiązującego od 1 września 2012 r.) obecnie w sprzedaży detalicznej możemy zakupić wstrząsoodporne lampy żarowe nieprzeznaczone do użytku domowego, a do użytku przemysłowego.

Lampy halogenowe to źródła światła działające na podobnej zasadzie jak lampy żarowe: posiadają żarnik wolframowy, który dodatkowo znajduje się w środowisku wypełnionym gazem szlachetnym z niewielką ilością halogenu (fluorowce, np. jod). Połączenie umożliwia zachodzenie tzw. halogenowego cyklu regeneracyjnego zwiększającego: temperaturę żarnika (w stosunku do typowych lamp żarowych), czas eksploatacji (blisko dwukrotnie), a także skuteczność świetlną. Lampy halogenowe posiadaną zazwyczaj ciepłe temperatury barwowe i wysoki wskaźnik oddawania barw, a tym samym wpływają na wysokie walory użytkowe. Ponadto niewielkie rozmiary pozwalają na ich szerokie zastosowanie.

Świetlówki kompaktowe to kompaktowe lampy fluorescencyjne (wyładowcze), które są już dobrze znanymi i szeroko stosowanymi źródłami światła sztucznego. Świetlówki kompaktowe to połączenie tradycyjnej świetlówki (lampy wyładowczej) o specyficznym kształcie (spirala, litera U), zapewniającym niewielkie rozmiary, z układem zapłonowym i stabilizującym, standardowo znajdującym się w oprawie tradycyjnej świetlówki. Takie połączenie umożliwia ich szerokie zastosowanie jako zamienników zwykłych lamp żarowych bez konieczności jakiejkolwiek ingerencji w instalację elektryczną. Świetlówki kompaktowe są zdecydowanie sprawniejsze od lamp żarowych emitujących porównywalną ilość światła, mogą emitować światło o barwie zarówno ciepłej, jak i ziemnej. Co istotne, świetlówki nie dają od razu po włączeniu pełnego strumienia świetlnego, a czas ich rozświetlania jest zależny od producenta i jakości wykonania. W związku z tym nie nadają się do miejsc, w których często światło jest włączane i wyłączane — to bowiem skraca ich żywotność i przyczynia się do większego poboru energii podczas rozświetlania. Ponadto zawierają rtęć, więc muszą być odpowiednio utylizowane. Światło emitowane przez świetlówki posiada właściwość tętnienia strumienia świetlnego powodującego zjawisko stroboskopowe wywołujące szybsze zmęczenie oka ludzkiego, a widmo światła emitowanego (szczególnie przez starszego typu świetlówki) znacznie odbiega od tego emitowanego przez naturalne światło słoneczne, co wpływa na niski współczynnik oddawania barw Ra

Lampy ledowe są potocznie nazywane żarówkami ledowymi. Mimo że pierwsza dioda LED o widzialnym (czerwonym) widmie opatentowana została w 1962 r., to lampy ledowe stanowią stosunkowo nowy segment źródeł światła białego do oświetlenia mieszkań. Źródłem światła w tego typu lampach są elektryczną stałego, niskiego napięcia. Duża część dostępnych lamp ledowych występuje w obudowach przystosowanych do zastępowania tradycyjnych lamp żarowych (E27 — tzw. duży gwint, E14 — tzw. mały gwint, G9, GU10, MR16 i inne), czyli posiadających przetwornicę impulsową, zmieniającą zasilanie zmienne 230V na stałe niskiego napięcia. Ze względu na to, że diody lamp ledowych zasilane są napięciem stałym, nie posiadają efektu migotania (stroboskopowego), nie wpływają na zmęczenie oka ludzkiego. Ich budowa pozwala na bardzo długi okres działania — do ok. 50 000 h. Obecnie dostępne na rynku lampy ledowe posiadają temperatury ciepłe, neutralne oraz zimne. Charakteryzują się również wysokim, bo przekraczającym 80, współczynnikiem oddawania barw CRI.

Oświetlenie oparte na technologii ledowej to obecnie najprężniej rozwijający się sektor oświetlenia. Lampy z tej grupy charakteryzują się wysoką skutecznością świetlną sięgającą 150 lm/W. Technologia diod LED jest ciągle rozwijana, zwiększa się również ich skuteczność świetlna, czego dowodem jest osiągnięty laboratoryjnie wynik skuteczności świetlnej na poziomie 276 lm/W (firma Cree Lighting z USA).

Porównanie efektywności

Dla określenia energooszczędności źródeł światła służy parametr skuteczności świetlnej wyrażony w lumenach na wat [lm/W]. Nie zawsze jest on podawany na opakowaniu — w takim przypadku można go obliczyć zgodnie z definicją skuteczności świetlnej. Zgodnie z nią, wartość tę stanowi iloraz strumienia świetlnego wyrażonego w lumenach [lm] i poboru mocy wyrażonej w watach [W]. Oba te parametry powinny znajdować się na każdym opakowaniu źródeł światła, a także na obudowie produktu.

Wymiana źródeł światła na podstawie mocy, zakładając, że lampie żarowej o mocy 40 W (415 lm) odpowiada lampa LED o mocy 4 W, nie może zagwarantować zbliżonego poziomu natężenia oświetlenia. Lampa ledowa niskiej skuteczności świetlnej, o mocy 4 W, może emitować 200 lm światła, a lampa ledowa o wysokiej skuteczności świetlnej — 430 lm. Oznacza to, że do zastąpienia jednej lampy żarowej o mocy 40 W (415 lm) możemy zastosować jedną lampę ledową wysokiej skuteczności świetlnej, która będzie emitować więcej światła od żarówki. Z kolei w przypadku wykorzystania lamp niskiej skuteczności, zastosowanie nawet 2 lamp ledowych o mocy 4 W każda, sprawi, że emitowane będzie mniej światła niż w przypadku jednej lampy żarowej o mocy 40 W. Rozpiętość skuteczności świetlnej dobrej jakości i słabej jakości produktów dla tej samej technologii oświetleniowej może różnić się o ponad 200 proc. dla lamp ledowych i w mniejszym stopniu dla świetlówek kompaktowych.

W celu porównania energochłonności oświetlenia opartego na lampach żarowych, halogenowych, świetlówkach kompaktowych i lampach ledowych założono przyjęcie parametrów efektywności energetycznej cechującej produkty wysokiej jakości o dużej skuteczności świetlnej w każdym z porównywanych segmentów. W celu porównania kosztów oświetlenia dla różnych technologii założono potrzeby oświetleniowe mieszkania na poziomie 6 490 lm/rok. W przypadku lamp żarowych strumień ten odpowiadałby następującemu zestawieniu oświetlenia: 2 żarówki o mocy 75 W, 2 żarówki o mocy 60 W i 8 żarówek o mocy 40 W.

Obliczona moc źródeł światła w Tabeli 1 stanowi iloczyn wielkości założonego strumienia świetlnego i założonej skuteczności świetlnej. W obliczeniach założono, że średnie wykorzystanie pełnej mocy oświetlenia na poziomie 5 godzin na dobę i koszt energii elektrycznej w wysokości 0,58 zł/kWh.

Dane przedstawione w Tabeli 1 nie uwzględniają konkretnego producenta, a obliczona moc nie stanowi sumy mocy poszczególnych lamp zamieniających zakładany stan wyjściowy (12 lamp żarowych). Po wyborze konkretnych producentów, wymieniając lampy żarowe lub halogenowe na świetlówki kompaktowe bądź lampy ledowe, należy dobrać produkt o zbliżonym, ale nie mniejszym strumieniu świetlnym, zostawiając nadwyżkę rekompensującą spadki strumienia świetlnego w czasie eksploatacji.

Wizualizację możliwych oszczędności przy modernizacji oświetlenia lub wyborze na etapie projektowania innego typu, dla analizowanego przypadku, przedstawia Rysunek 1.

Wypracowane oszczędności dla analizowanego przypadku w wysokości 400–450 zł rocznie, pozwalają na zwrot inwestycji (wymiana 12 lamp żarowych), przy założonym średnim koszcie lamp ledowych na średnim poziomie 30 zł brutto/ szt. w czasie poniżej jednego roku, a dla świetlówek kompaktowych (przy założonym średnim koszcie zakupu na poziomie 10 zł brutto/szt.) w czasie poniżej pół roku. Należy jednak pamiętać, że krótszy czas zwrotu inwestycji nie oznacza większych oszczędności w dłuższej perspektywie czasu. Dla zobrazowania problemu dokonano analizy kosztów skumulowanych, obejmujących koszt inwestycyjny i sumę kosztów eksploatacyjnych dla kolejnych lat, dla poszczególnych przypadków. Wyniki analizy przedstawiono w Tabeli 2.

Wizualizacja kosztów przedstawiona została również na Rysunku 2, na którym wyraźnie widać, że koszt skumulowany przez pierwsze 4 lata jest najniższy dla oświetlenia opartego na świetlówkach kompaktowych, w 5. roku następuje jednak zamiana — najniższym kosztem skumulowanym będzie rozwiązanie oparte na oświetleniu LED. Co oznacza, że, kupując oświetlenie do mieszkania wynajmowanego na okres do 4 lat, koszt skumulowany będzie niższy dla oświetlenia z świetlówkami, a dla wykorzystania w dłuższej perspektywie sumarycznie tańsza będzie inwestycja w lampy ledowe.

Tak, jak funkcją systemu ogrzewania budynku jest zapewnienie odpowiedniego komfortu cieplnego, a nie po prostu dostarczenie odpowiedniej ilości ciepła, tak funkcją systemu oświetleniowego jest zapewnienie odpowiedniego komfortu oświetleniowego, a nie wyłącznie odpowiedniego strumienia świetlnego. W związku z powyższym dobór oświetlenia powinien uwzględniać nie tylko jego koszt, skuteczność świetlną [lm/W], ale również charakter pomieszczenia, a dzięki temu zapewnić odpowiedni dobór temperatury barwowej i satysfakcjonującego poziomu wskaźnika oddawania barw CRI czy odpowiedniego poziomu natężenia oświetlenia.

artykuł pochodzi z kwartalnika
Kreator Projekty wydanie 04/2013
więcej o kwartalniku czytaj na
Kreator Projekty.pl

Dla zapewnienia wysokiej energooszczędności oświetlenia niebagatelnego znaczenia nabiera skuteczność świetlna konkretnego produktu. Dobór odpowiedniej technologii oświetleniowej, np. lampa ledowa czy świetlówka kompaktowa, jest dalece niewystarczający, jeśli chcemy wybrać jak najbardziej energooszczędne rozwiązanie. Dobrej jakości świetlówka kompaktowa może być nawet ponad dwukrotnie bardziej energooszczędna w porównaniu do słabej jakości lampy ledowej. Z kolei dobrej jakości lampa ledowa może być trzykrotnie bardziej energooszczędna w stosunku do słabej jakości świetlówki kompaktowej. Założenie wyższej energooszczędności jednej technologii względem drugiej będzie prawdziwe jedynie przy skrajnych przypadkach, np. zastępowania lamp żarowych lampami ledowymi.

Świetlówki kompaktowe zazwyczaj są tańsze od swoich ledowych odpowiedników, ale to po stronie tych drugich można osiągnąć większe oszczędności i to właśnie one posiadają więcej zalet (m.in. brak efektu migotania, dłuższy czas pracy czy natychmiastowa gotowość do generowania pełnego strumienia świetlnego).

Koszt inwestycyjny związany z wymianą oświetlenia lamp żarowych czy halogenowych na wysokiej jakości lampy ledowe w miejscach, gdzie są wykorzystywane średnio 5 godzin na dobę, zwraca się w czasie krótszym niż rok.

Łukasz Zywar - krn.pl