Környezetbarát iroda energiatakarékos világításának tervezése
2010/7-8. lapszám | Szórádi Bence | 7634 |
Figylem! Ez a cikk 14 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A LED-es technológia fejlődése bámulatra méltó, csak az elmúlt egy évben óriási előrelépéseknek lehettünk tanúi. Jelen cikk fő témája egy 30 nm-es iroda világításának kialakítása, a lehető legkörnyezetbarátabb és energiatakarékosabb módon. A tisztán...
A LED-es technológia fejlődése bámulatra méltó, csak az elmúlt egy évben óriási előrelépéseknek lehettünk tanúi. Jelen cikk fő témája egy 30 nm-es iroda világításának kialakítása, a lehető legkörnyezetbarátabb és energiatakarékosabb módon.
A tisztánlátás végett kezdjük néhány alapvető információval a LED-ek világából. Már az elején érdemes leszögezni, hogy lényeges különbség van különböző LED-ek élettartama között. Sajnos általánosan elfogadott értékként 50 000-100 000 üzemórát jelölnek meg a LED-ek élettartamának, mindazonáltal kutatásaink és saját tapasztalataink alapján lényeges eltérés van a különböző tokozású LED-ek élettartamai között. Ezen különbséget még hangsúlyosabbakká teszik a különböző nagyságú meghajtó áramok, és eltérő hűtési megoldások alkalmazása.
Mivel a LED-ek lényegében ésszerű körülmények között használva nem égnek ki, csak jelentősen elhalványulnak, így az élettartam végének azt a pillanatot tekintjük mikor a LED-ek fényárama a kezdeti érték 70%-ára csökken: a cikk további részében az élettartam fogalma alatt ezt a pillanatot értjük. Kutatásaink és saját tapasztalataink alapján a leggyakrabban használt epoxy házas DIP LED-ek élettartama 3000- 8000 üzemóra közé tehető. A legújabb, magas minőségű és teljesítményű LED-ek élettartama viszont már valós körülmények között is meghaladhatja az 50 000 üzemórát. Az SMD LED-ek élettartama valahol e két érték között helyezkedik el a hővezetésük és az anyagminőségük függvényében.
Érdemes odafigyelni arra, hogy ezen élettartamok pusztán csak a LED-ek élettartamai. A LED-es fényforrásoknál figyelembe kell venni a meghajtó áramkörben található alkatrészek élettartamát is. Az egyik leggyengébb pont az elektrolit kondenzátor, amelyek élettartama csak pár tízezer üzemórára tehető. Ennél fogva a gyengébb minőségű LED-ek alkalmazása esetén még a LED élettartama szabja meg a fényforrás várható élettartamát, míg fejlett, jó hővezetéssel rendelkező teljesítmény LED-ek esetén már leginkább a meghajtó áramkör határozza meg a LED-es fényforrás élettartamát.
Szerencsére ilyen esetben akár egyszerűen, a meghajtó áramkör cseréjével tovább üzemeltethető a fényforrás. Fontos még kiemelni az epoxy házas DIP LED-ek drasztikus fényáram veszteségét: a névlegesnél magasabb meghajtó áram esetén, és/vagy magas üzemeltetési hőmérséklet mellett akár 1000 üzemóra után is 50% alá csökkenhet ezen LED-ek fényárama. Az ok kettős, egyik okozó az epoxy lencse oxidációja, amely egyre kevesebb fényt enged át, másik fő ok a pumpáló (kék) LED intenzitás-csökkenése, mely a diszlokációk vándorlásával függ szorosan össze. A diszlokációk vándorlása a magas maghőmérsékletek és meghajtó áramok esetén felgyorsulhat, így drasztikussá téve a fényáram-veszteséget. A magas maghőmérséklet oka DIP tokozás esetén a tokozás nagy hőellenállása, amely a 200 K/W értéket is meghaladhatja. Ez azt jelenti, hogy a mag hője nem jut ki a tokozásból, így a záróréteg hőmérséklete lényegesen magasabb marad. Kezünkbe fogva e típusú LED-eket, hőmérsékletük kéz meleg, atomi szinteken mégis extrém hőmérsékletek uralkodhatnak. Sajnos optimális üzemeltetési körülmények mellett is elmondható, hogy a DIP LED-ek élettartama a legrövidebb a LED-ek között.
A LED-ek fejlődését tovább követve megállapítható, hogy az SMD-tokozások élettartama szerencsére már lényegesen jobban alakul. Az SMD-tokozásoknál már az epoxy lencsét elhagyták, így a két, fényáram csökkenést kiváltó okból egyet megszüntettek, tehát már jelentősen nőtt a fénymegtartás, így az élettartam is. A hétköznapi szóhasználatban vett SMD LED-ek esetén a másik fényáram csökkenést okozó tényező hatása nagyon eltérő lehet. A számottevő eltérés oka az, hogy a különböző SMD-tokozások között lényeges eltérés van, mely hővezetési paraméterekben fokozottan nyilvánul meg. Az eltérő SMD LED-ek hőellenállása széles skálán mozoghat – akár ~75-15 K/W között.
Világítási feladatok megoldására leginkább az egyre fejlettebb, már speciálisan világítás célú, teljesítmény LED tokozású LED-ek alkalmasak. A teljesítmény LED-ek hőellenállása már elég alacsony, akár 3-4 K/W is lehet. Az alacsony hőellenállásnak köszönhetően optimális esetben élettartamuk valóban több tízezer üzemórában mérhető. A jó hővezetés mellett e típusok lényegesen különböznek a „mezei” SMD LED-ektől.
Ismét rendelkeznek optikai lencsével, mely most már nem epoxy, hanem szilícium alapú, így kiküszöbölve az epoxy lencsék fényáram-csökkenést okozó hatását.
A bevezetőt követően a cikkben megvizsgáljuk egy irodaházban található, 30 nm-es iroda energiatakarékos és környezetbarát világításának tervezését.
Három különböző lehetőséget tekintünk meg.
- 18 W-os T8-as Polylux fénycsövek EVG-előtéttel (2x60 cm tükörrácsos armatúra).
- 9 W-os T8-as SMD LED-es fénycsövek (2x60 cm szabadon sugárzó armatúra).
- 4 W-os MC-E teljesítmény LED-del szerelt, 100°-os LED-spotok (5x1-es mélysugárzó).
A cél a szabványban rögzített 500 Lux megvilágítás elérése a legenergiatakarékosabb módon. A világítás tervezéséhez 3D világítástervező programot használtunk, a fényforrások fotometriai adatait közvetlenül a gyártóktól kértük be. A szimulációt lefuttatva a 18W-os fénycsőből 16 db szükséges, két sorban 4-4 db lámpatesttel. Az összteljesítmény így ~ 288 W.
Kíváncsiságból a szimulációt lefuttattuk azonos kiosztással, de LED-es fénycsövekre. A munkasíkon helyenként akár több mint 100 Lux eltérést tapasztaltunk! Ebből jól látszik, hogy a LED-es fénycsövek nem minden esetben váltják ki 1:1 arányban a hagyományos fénycsöveket.
Az 500 Lux eléréséhez jelen esetben 20db LED-es fénycsőre volt szükség, két sorban 5-5 db lámpatesttel. Összteljesítmény 180 W.
A legjobb eredményt a 4 W-os, 6500 K színhőmérsékletű spot fényforrásoktól vártuk, mivel a vizsgált megoldások között ezek rendelkeznek a legmagasabb fényhasznosítással. E típusú LED-es fényforrások elérhetők 3200 K színhőmérsékletben is, azonban LED-eknél fontos kérdés a színhőmérséklet megválasztása, mivel nem csak esztétikában, hanem fényhasznosításban is eltérés van a meleg és hideg fényű LED-ek között. Általánosságban elmondható, hogy a melegebb színhőmérsékletet és a jobb színvisszaadást villanyszámlában fizetjük meg. A fent említett 4 W-os LED-es spotokból az 500 Lux eléréséhez 30 db-ra volt szükség, 6 db, 5-ös mélysugárzó lámpatesttel. Összteljesítmény csupán 120 W.
A fenti eredményekből jól látszik, a legenergiatakarékosabb megoldás magas fényhasznosítású teljesítmény LED-ek alkalmazása. Az energiatakarékosságot lényegében a fényforrás fényhasznosítása határozza meg, tehát az, hogy wattonként hány lumen fényáramot állít elő. LED-eknél ez a paraméter hihetetlenül széles skálán mozoghat. Léteznek olyan LED-ek, melyek már a 120 Lm/W fényhasznosítást is meghaladják, viszont 20 Lm/W fényhasznosítást el sem érő típusok is gyakran előfordulhatnak. A szimulációkat kiértékelve láthatjuk, hogy jelen körülmények esetén LED-es fénycsővel 37,5%-os energiamegtakarítás érhető el, míg ugyanúgy a LED-technológiát alkalmazó teljesítmény LED-ekkel akár 58,3%-os energiamegtakarítás is megvalósítható. Ezek a megtakarítási értékek is jól mutatják, milyen lényeges különbségek lehetnek LED és LED között!
Érdemes minden projektnél több lehetséges megoldást is megvizsgálni, majd 2, 3 vagy 5 éves intervallumra kiszámolni az összköltségeket. A LED-es fényforrások eltérő árai miatt a jelen cikkben a konkrét számításokat mellőzzük, általánosságban elmondható, hogy a jelenlegi árakkal, 40-50%-os energiamegtakarítás mellett a LED-es fénycsövek 20-30 000 üzemóra után térülhetnek meg. Érdemes mérlegelni a helyzetet, mivel ezen intervallumok közelítik a LED-es fénycsövek élettartamát, így akár kockázatos is lehet egy beruházás. Amit talán nyerhetünk, az az, hogy valamelyest csökken az energiafelhasználás, így a széndioxid-kibocsátás is.
Teljesítmény LED-ek esetén már teljesen más a helyzet. Teljesítmény LED-del szerelt fényforrások fényhasznosítása lényegesen meghaladhatja a DIP és SMD LED-ek fényhasznosítását. Magas fényhasznosítású teljesítmény LED-del megvalósított világítás jelenlegi árak mellett már 12-18 000 üzemóra után megtérülhet. Ez a megtérülési idő a már egyébként is energiatakarékosnak számító fénycsövekhez mért. A hagyományos izzók és halogén fényforrások esetén a megtérülés ideje jóval rövidebb lehet, akár 3-5000 üzemóra. A teljesítmény LED-ek óriási előnye a valóban extrém élettartamukban és a folyamatos fejlesztéseknek köszönhető egyre magasabb fényhasznosításban rejlik.
A fent megtervezett iroda esetén az utóbbi fényforrásokkal kialakított megoldás valósult meg.
A fenti iroda világítási szokásaival ez a megoldás volt 5 éves intervallumra számolva a legköltséghatékonyabb is. Eltérő világítási szokások esetén természetesen más eredmény is születhet, akár a hagyományos fénycsövek vagy LED-es fénycsövek javára. Érdemes mindig a világítás megtervezésével kezdeni, nagyon sok olyan eset lehetséges, mikor nincs értelme a fénycsöves világítást LED-es fénycsövekre cserélni a hosszú megtérülési idő miatt. Természetesen számos olyan alkalmazási terület is van, ahol a fénycsövek nem válthatóak ki LED-es megoldással, sőt a korszerű T5-ös fénycsövek alkalmazása esetén számos esetben megtérülésről sem beszélhetünk a LED-es fénycsövekkel szemben.
Napjaink fontos kérdése környezetünk védelme, így a környezetbarát világítás kialakításakor érdemes átgondolni a különböző technológiák környezetre gyakorolt hatását is. Tehát nem csak az energiafelhasználás csökkentése az egyetlen cél, hanem olyan fényforrás alkalmazása is, amely kevésbé terheli környezetünket, mind gyártás-technológiai, mind hulladéktermelési szempontból.
Világításunk átalakulóban van, a trendek azt mutatják, hogy az új LED-es megoldások már szakítanak a régi formákkal és foglalatokkal. Önálló egységként, lámpatesttel egybeépített LED-es megoldások fejlesztése zajlik számos gyártónál. Természetesen, amíg a régi foglalatok léteznek, addig szükség lesz az úgynevezett retrofit fényforrásokra is.