Megújulók

Örökzöld téma: energiatakarékosság VIII. - Világítástechnika

2012/1-2. lapszám | Chiovini György |  7207 |

Figylem! Ez a cikk 12 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Ha odafigyeléssel és az irányítástechnika nyújtotta lehetőségek kihasználásával elérjük, hogy csak szükséges esetben és csak a szükséges mértékben működik a mesterséges világítás, akkor nagy lépést teszünk a világítási célú energiafelhasználás ésszerű csökkentése érdekében. A „fénnyel” nem takarékoskodhatunk jobban. De ugyanazt a világítási feladatot megvalósíthatjuk kevesebb villamos energiával, hatékonyabb fényforrásokkal és lámpatestekkel is. Új világítási rendszer létesítésénél vagy egy meglévő rendszer korszerűsítésénél azonban nem az energiatakarékosság az egyetlen, sőt az elsődleges szempont. A világítással szemben a legfontosabb követelmény a jó látási körülmények biztosítása. Megvilágítás Az elmúlt évtizedekben végzett sok-sok vizsgálat nyomán ma már rendelkezésre állnak a szükséges adatok arra vonatkozóan, hogy milyen látási feladathoz milyen megvilágításra, megvilágítási szintre van szükség. A tervezőt kötelező előírások és ajánlások vezetik. A takarékosság rossz értelmezése lenne, ha ettől eltérnénk, a szükségesnél kisebb megvilágítást használnánk. Lényeges, hogy munkahelyen, lakásban stb. számos látási feladat értelmezhető egy adott helyiségen, helyszínen belül is.

Ez lehetőséget ad arra, hogy a teljes téren belül jobban és kevésbé jobban megvilágított zónákat alakítsunk ki. Ügyelni kell azonban arra, hogy a túlzott egyenetlenség zavaró, adott esetben akár balesetveszélyes is lehet. Két módszer is alkalmas a jó, kompromiszszumos megoldás megtalálására. Az egyik a mozgatható lámpák – például állólámpák – alkalmazása. A másik módszerben nagy lehetőségek vannak, de jelentős a beruházási költsége: a lámpatestek egy világításautomatizálási rendszerhez kapcsolódnak, a fényforrások fényárama változtatható. A kívánt működés programozással állítható be, és bármikor gyorsan módosítható. Gyakran használt világítási „szituációk” programozhatók be, és szükség szerint egyetlen utasítással kiválaszthatók, alkalmazhatók.

Káprázás
Szemünk fénysűrűséget érzékel. Ahhoz, hogy a látott tárgyakat felismerjük, fénysűrűség-különbségre, kontrasztra van szükség. Ha azonban a látótérben túl nagy a fénysűrűség, ez látási kényelmetlenséget vagy zavart, elvakítást okoz. A fényforrások káprázást okozhatnak. Különösen azok, melyek nagy fénysűrűséggel jellemezhetők. Ebből a szempontból kedvező a fénycsövek 5-30 kcd/m2 értéke, és kedvezőtlen például fémhalogén fényforrások 10-70 ezer kcd/m2 értéke.

Elkerülhetjük a kápráztató hatást a lámpatestek megfelelő elhelyezésével. Ha a lámpatest nem kerül a látómezőbe, nem okozhat káprázást. Egy másik megoldási lehetőség a lámpatest megfelelő kialakítása, lámpabura vagy fényterelő rácsok alkalmazása. Sajnos ezek veszteséget okoznak, csökkentik a lámpatest hatásfokát.

Szín, színhőmérséklet
Minden érzékszervünkre szükségünk van, de talán a látás hiánya okozza a legnagyobb nehézséget. A látás alapja az az egyszerű tény, hogy létezik egy fizikai jelenség, az elektromágneses sugárzás. Ez jellemezhető a hullámhoszszal és a frekvenciával. A fény esetében az előbbi a használatos. Nagy hullámhosszúságúak például a rádióhullámok. Rövid hullámhosszúságú többek között a Röntgen-sugárzás.

Ezeket szemünk nem észleli, nem látjuk. Van azonban egy hullámhossz-tartomány, ami a szemünk számára érzékelhető, ezt nevezzük fénynek. A tartományt a 780 nm-nél nagyobb hullámhosszúságú infravörös sugárzás, és a 380 nm-nél kisebb hullámhosszúságú ultraibolya sugárzás határolja. A különböző hullámhosszúságú fényhez látásunk színérzetet kapcsol. A világot színesben látjuk. A skála a vöröstől az ibolyáig tart, ezt nevezzük színképnek. A szín és az energiatakarékosság között többszörös összefüggés van. Az egyik abban áll, hogy a szemünk nem egyformán érzékeny a különböző színekre.

Összhangban azzal, hogy 780 nm és 380 nm felett és alatt egyáltalán nem látjuk az elektromágneses sugarakat, a szem érzékenysége a tartomány közepe táján a legjobb, a két szélén a legrosszabb. Ezt írja le a láthatósági függvény. Két összefüggés is kiemelhető. A világítástechnika szempontjából a világosra alkalmazkodott, szemre jellemző függvénynek van nagyobb jelentősége. A legérzékenyebb a szem az 555 nm-es, zöldessárga színű fényre.

Ennek ellenére nem cél, hogy a mesterséges világítás nem fehér, hanem ilyen színű legyen. Az viszont lényeges, hogy fényforrásaink színképe igazodik-e a láthatósági függvényhez. Ebből a szempontból az a kedvező, ha a színképen belül a nagy intenzitású összetevők a függvény középső részéhez vannak közel, és nem a szélére, sőt azon kívülre esnek. Ezért nem jó az, ha a fényforrás színképében jelentős az ultraibolya vagy infravörös terület.

Az alkalmazónak természetesen nem kell a színképeket tanulmányozni, mert a hatékonyságot jól mutatja a fényforrás fényhasznosítási értéke (lm/W).A fénykeltés egyik módja a testek hevítése. A kibocsátott elektromágneses sugárzás színképe függ a test hőmérsékletétől.

Kellő hőmérséklet mellett megjelenik a látható tartomány, a test fényt (is) bocsát ki, izzik. Beszélünk vörös izzásról, fehér izzásról. A szín- hőmérséklet ebben az esetben tényleges hőmérsékletet jelent. Más fényforrásoknál a színhőmérséklet nem a fényt kibocsátó szerkezeti rész hőmérsékletére utal.

Ezeknek a fényforrásoknak a fényét egy velük azonos színbenyomást keltő hőmérsékleti sugárzó színhőmérsékletével jellemezzük. Sajátos körülmény, hogy a kisebb színhőmérsékletű fényt érezzük melegnek. A 3300 K-nél kisebb színhőmérsékletű fényforrásokat meleg fényűeknek nevezzük. Az 5400 K-nél nagyobb érték az ún. hideg fényre utal (3. ábra). Energiatakarékossági vonzata van annak a körülménynek, hogy összefüggés van a színhőmérséklet és a megvilágítás között is. Meleg fényű fényforrás esetén már kisebb megvilágítást is megfelelőnek találunk.

Minél nagyobb a színhőmérséklet, annál nagyobb az a megvilágítás, amit elegendőnek érzünk.A különböző hullámhosszúságú fények mindig „színesek”, fehér közöttük nem található. A természetben fehér szín nincsen. Viszont a szemünk fehérnek érzékeli azt a fényt, amelyikben a kék, #D6D6D6a piros és a zöld azonos intenzitással jelenik meg. Ez az ún. additív színkeverés (2. ábra). Az izzók színképe folytonos, ezért fényük közelít a fehérhez. A fénycsövekben a fénypor hozza létre a látható sugárzást. Anyagától függ a színkép és a színhőmérséklet.

A nagynyomású kisülő fényforrásokban a forró plazma sugároz. A plazmát alkotó elemek határozzák meg a színképet és a színhőmérsékletet. A nagynyomású nátriumlámpa lényegében a nátriumnak megfelelő 590 nm-es hullámhosszon bocsát ki fényt. Ez okozza jellegzetes sárga színét. A fémhalogén lámpák színképében ezzel szemben egyenletesebben vannak jelen a különböző összetevők. A LED-ek anyaga nagyon sokféle, az anyag meghatározza a keletkező fény színét. A színes LED-ek viszonylag szűk hullámhossztartományon belül sugároznak.

A fehér LED hosszú fejlesztőmunka eredménye. Az egyik módszer fényport használ. A LED-morzsa kék fényű, ezt fényporral fedik. A kék fény egy része a poron áthaladva átalakul sárgává. Az eredő kék és sárga fény, amit szemünk fehérnek érzékel. A másik módszer az additív fénykeverés. Különböző színű LED-morzsák képeznek egy egységet. Az egyes színek intenzitását úgy állítják be, hogy az eredő fehér legyen. Ezek alapján érthető, hogy a hőmérsékleti sugárzók és a nátriumlámpa színhőmérséklete erősen meghatározott (1. ábra). A többi fény- forrásnál viszont lehetőség van meleg és hideg fényű változatok előállítására is.

Színvisszaadás
Számos esetben fontos, hogy a tárgyak színét helyesen lássuk. Napfényben ez magától értetődő, nem így mesterséges világítás mellett. A tárgyak visszaverik a rájuk eső fényt, és színük attól függ, milyen hullámhosszúságú, azaz milyen színű a visszavert fény. A téglát azért látjuk pirosnak, mert a visszavert fény ennek a színnek megfelelő hullámhosszúságú. Ha a téglát olyan fény érné, melyben éppen ez a hullámhosszúság hiányzik, nem pirosnak látnánk.

Mivel a napfény színképében minden szín jelen van, a napfényben a tárgyak színe hibátlanul érvényesül. Sajnos fényforrásaink színképe ettől többé-kevésbé eltérő. Érthető módon a hőmérsékleti sugárzók színképe áll a legközelebb a Napéhoz. A fényforrások színvisszaadási tulajdonságának mérőszáma a színvisszaadási index. Értéke 0-tól 100-ig terjed, minél nagyobb a szám, annál jobb a színvisszaadás. A 80-nál nagyobb indexű fényforrásokat kiválónak, a 60-nál nagyobb indexűeket jónak nevezzük. E tekintetben a legjobbak az izzók (4. ábra). A fejlesztők nagy erőfeszítéseket tesznek, hogy a többi, lényegesen jobb fényhasznosítású fényforrás is megközelítse ezt a szintet. Nem mindegy, hogy egy színvisszaadás tekintetében igényes alkalmazásnak mennyi a villamosenergia-költsége.

Színfiziológia
A látás alapvetően a tájékozódást szolgálja, a szem felépítése és működése ennek felel meg. Emellett sajátos fiziológiai hatása is van a fénynek. Szervezetünk, hormonháztartásunk alkalmazkodott a sötét és világos napszakok váltakozásához. A szakirodalom cirkadián ritmusnak nevezi ezt. A napfény aktivizáló hatású.

Ez a hatás elsősorban a napfényben megtalálható kék színtől ered. Delelés után a horizont felé tartó Nap fényében a kék részaránya csökken, a sárga és piros válik jellemzővé. Ezzel párhuzamosan csökken az aktivizáló hatás, szervezetünkben az ébrenlét aktivitását lassan felváltja a pihenés, alvás időszaka.

Ma viszont a legtöbb ember nem a szabadban, hanem valamilyen épületben tartózkodik a nap folyamán. Ott, ahol közvetlen napfény nem vagy csak kevéssé éri. A láthatóság érdekében működő mesterséges világítás fiziológiai hatása is lehet hasonló a napfényéhez. Szemünk a tárgyakat legjobban a zöldessárga fényben ismeri fel, ennek hullámhossza 555 nm.

A legnagyobb aktivizáló hatása a kék, 460 nm-es fénynek van. A láthatósági v( ) függvénynek megfelel a c( ) cirkadián függvény. Már gyártanak olyan fényforrásokat, melyek színképe jelentős kék összetevőt tartalmaz (5. ábra). A tapasztalatok szerint ezek munkahelyen alkalmazva jó hatással vannak a dolgozók teljesítményére.

Hogyan válasszunk?
Egy adott világítási feladathoz fényforrást választani az összes követelmény mérlegelésével kell. Ha találhatók olyan fényforrások, melyek színhőmérséklete és színvisszaadási indexe megfelelő, akkor természetesen közülük a költség-hatékonyabbat választhatjuk. A fényforrásban lejátszódó energiaátalakulást aszerint értékeljük, hogy a felhasznált villamos energia milyen arányban válik közvetlenül hővé, mennyi fordítódik elektromágneses sugárzás gerjesztésére, és ezen belül milyen a látható és nem látható részek aránya.

Elméletileg 1 W teljesítménnyel 683 lm zöldessárga színű (555 nm) fényáram hozható létre. Sárga (590 nm) fénynél a viszonyszám már rosszabb, 530 lm/W. Ugyanakkor a gyakorlatban a sárga fényű, egyébként a többi fényforráshoz képest nagyon jó fényhasznosítású kisnyomású nátriumlámpa ennek csak 38 százalékára, 200 lm/W-ra képes. A fehér fényű fényforrások fényhasznosítása ennél is kisebb (6. ábra).

A LED-fejlesztés reményt ad arra, hogy a különbség csökkenjen, megszűnjön.A fényforrások fényhasznosítási értékét a gyártók meghatározott üzemi hőmérsékletre adják meg. Ettől eltérő hőmérsékleten a hatékonyság romlik. Emiatt az adott – különösen hideg vagy meleg – alkalmazási helytől függően gazdaságosabb egy másik, azon a hőmérsékleten jobb fényhasznosítású terméket választani.A fényforrások is elhasználódnak. A folyamat jellege és intenzitása eltérő. Azonban minden fényforrásra igaz, hogy fényárama az üzemidő során egyre csökken. A legtöbb esetben kezdetben gyorsabban, majd kevésbé.

Ebben is a LED-ek azok a termékek, melyeknél ettől gyökeresen eltérő tulajdonságúak is előfordulnak. Az élettartam végén az e tekintetben jó fényforrások (törpefeszültségű halogénlámpa, nagynyomású nátriumlámpa) még a kezdeti fényáram 95 százalékát teljesítik, de más termékeknél ez akár 60 százalékra is lecsökkenhet.Fontos a beszerzési ár is, a döntésben a teljes élettartamköltség az irányadó. A várható üzemidőtől függ, hogy a drága, de jobb fényhasznosításút, vagy az olcsó, de rosszabb fényhasznosításút érdemes-e választani.

Az élettartam végén esedékes csere költségében nem csak a fényforrás árát kell mérlegelni. Ha például a csere munkadíja a kedvezőtlen beépítési körülmények miatt nagy, ez döntő szempont lehet. Az egyébként nagyon kedvező tulajdonságú izzólámpák élettartama elmarad a többi fényforrásétól (7. ábra). Így is csak évtizedek aprólékos fejlesztőmunkájával lehetett elérni, hogy a kulcs- alkatrész, a wolframszál néhány ezer óráig tudjon kb. 3000 0C-on izzva kellemes fehér fényt kibocsátani. A gyártók, alkalmazkodva a különböző igényekhez, egyes termékeket jobb fényhasznosítású, illetve nagyobb élettartamú változatban is gyártanak.A legtöbb esetben egy világítási feladat elvileg megoldható egy vagy több fényforrással (lámpatesttel).

A döntésben meghatározó, hogy az adott terméket milyen egységteljesítménnyel gyártják. Közismert, hogy a különböző fényforrások egységteljesítménye – akár fényáramban, akár villamos teljesítményben fejezzük ki – eltérő határok között mozog. Ha extrém értékekről van szó, akkor nagy valószínűséggel csak egy, esetleg két megoldás lehetséges (8., 9. ábra). Kezdetben volt az izzólámpa. A XX. század második felében számos területről teljesen kiszorította a fénycső. Más alkalmazásoknál szinte magától értetődő a nagynyomású kisülő fényforrások használata. Napjainkban fut fel a minden valószínűség szerint nagy jövő előtt álló LED- világítás. Kőbe vésett megoldások nincsenek. Tájékozódás, elemzés segít abban, hogy mindenhova megfelelő, egyéb jó tulajdonságai mellett energiatakarékos fényforrást válasszunk.

---