Maksymalizacja efektywności energetycznej oświetlenia. Wiesława Pabjańczyk. Kielce, r.

Transkrypt

1 SPOTKANIE BRANŻOWE Maksymalizacja efektywności energetycznej oświetlenia Wiesława Pabjańczyk Kielce, r. Projekt Perspektywy RSI Świętokrzyskie - IV Etap jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu 1 Społecznego

2 Plan wykładu 1. Metody/sposoby zmniejszenia zużycia energii elektrycznej w instalacjach oświetleniowych 2. Maksymalizacja efektywności energetycznej instalacji oświetleniowych 3. Aktualne tendencje wdrażania w oświetleniu innowacyjnych technik (LED, OLED, inne) 4. Przykładowe analizy techniczno-ekonomiczne wymiany oświetlenia na energooszczędne 5. Ogólna analiza i interpretacja norm i regulacji prawnych w zakresie oświetlenia wnętrzowego Kielce, 42 lipca 2014

3 Struktura zużycia energii na cele oświetleniowe w budynkach w biurach ok. 50% w szpitalach 20% 30% w szkołach 10% - 15% w przemyśle 15% Są to obiekty, w których do celów oświetleniowych stosuje się głównie świetlówki 3

4 Efektywność energetyczna oświetlenia powstaje w procesie: Projekt oświetleniowy Weryfikacja projektu projekty zgodne z normami i kryteriami efektywności energetycznej Normy EN pozwalają na pełną swobodę projektanta do wykorzystywania innowacyjnych technologii- potrzebna wiedza Wykonawstwo projektu Odbiór instalacji wykonywanie instalacji zgodnie z projektem Eksploatacja Konserwacja obowiązek użytkowania i konserwacji instalacji zgodnie z wymogami projektu 4

5 Sposoby zmniejszenia energochłonności i kosztów eksploatacji oświetlenia profesjonalny projekt oświetlenia (do 30% oszczędności kosztów inwestycyjnych) nowa i modernizowana instalacja wybór rodzaju i jakość źródła światła (ekologia) rodzaj układu zapłonowo-stabilizującego dla lamp wyładowczych (stateczniki magnetyczne i elektroniczne) konstrukcja, sprawność i jakość opraw oświetleniowych (sprawdzone parametry) system sterowania strumieniem świetlnym (obwody oświetleniowe, grupy opraw, pojedyncze oprawy, systemy inteligentne) konserwacja instalacji oświetleniowej 5

6 Sposoby zmniejszenia energochłonności i kosztów eksploatacji oświetlenia uzupełnienia bądź likwidacji niektórych punktów świetlnych (konieczność sprawdzenia parametrów oświetlenia na podstawie pomiarów symulacje komputerowe lub pomiary), właściwy sposób montażu i rozmieszczenia opraw oświetleniowych (oświetlamy stanowiska pracy, wysokie wnętrza oprawy zwieszakowe, systemy szynowe zmiana konfiguracji wraz ze zmianą ustawienia stanowisk, grupowanie opraw, różne klasy oświetlenia wnętrza, itp.) problematyka sieciowa-instalacja zasilająca oprawy oświetleniowe (straty sieciowe moc czynna i bierna, obciążenie faz, wyższe harmoniczne, konfiguracja obwodów oświetleniowych, rezerwowanie sieci) 6

7 2. Maksymalizacja efektywności energetycznej instalacji oświetleniowych Metodyka obliczania charakterystyki energetycznej budynków r. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącego samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej [Dz.U nr 201 poz z późn. zm.] 7

8 Podstawowe wskaźniki oceny energetycznej budynków Całkowite roczne zapotrzebowanie na energię pierwotną dla budynku wyznacza się ze wzoru: Q P = Q P,H + Q P,W +Q P,C +Q P,L [kwh/rok] Ogrzewanie i wentylacja Podgrzewanie wody Chłodzenie i wentylacja Oświetlenie wbudowane 8

9 Oświetlenie wbudowane Oświetlenie funkcjonalne ma na celu zapewnienie właściwych - do określonego charakteru pracy wzrokowej - warunków oświetleniowych, zgodnie z normą PN-EN na stanowiskach pracy w różnych wnętrzach lub z normą PN-EN dla wnętrz sportowych. Oświetlenie awaryjne ma na celu zapewnienie minimalnych warunków do bezpiecznego dokończenia prac, bądź ewakuacji w stanie wyłączenia oświetlenia podstawowego, zgodnie z normą PN-EN

10 Oświetlenie wbudowane Dla oświetlenia wbudowanego oblicza się kolejno: 1) Energię użytkową E L 2) Energię końcową E K,L 3) Nieodnawialną energię pierwotną Q P,L 10

11 Metodyka obliczania charakterystyki energetycznej - OŚWIETLENIE E L = F C P N /1000 [(t D F O F D ) + (t N F O )] [kwh/m 2 rok] t D - czas użytkowania oświetlenia w ciągu dnia, [ h/rok] t N - czas użytkowania oświetlenia w ciągu nocy, [ h/rok] F O - współczynnik uwzględniający nieobecność użytkowników w miejscu pracy, F D - współczynnik uwzględniający wykorzystanie światła dziennego w oświetleniu 11

12 Metodyka obliczania charakterystyki energetycznej - OŚWIETLENIE F C - współczynnik uwzględniający obniżenie natężenia oświetlenia do poziomu wymaganego, obliczany ze wzoru (2). W przypadku braku regulacji prowadzącej do utrzymywania natężenia oświetlenia na poziomie wymaganym wartość współczynnika F C wynosi 1. F C = (1+MF)/2 (2) gdzie: MF współczynnik utrzymania poziomu natężenia oświetlenia, przyjmowany na podstawie projektu; gdy stosowana jest regulacja natężenia przyjmuje się 0,8 0,9; gdy nie ma regulacji przyjmuje się 1,0 12

13 3. Aktualne tendencje wdrażania w oświetleniu innowacyjnych technik Nowości w źródłach światła urządzeniach oświetleniowych systemach oświetleniowych 13

14 Rewolucja LED w oświetleniu profesjonalnym i konsumenckim Dużo większa trwałość Mniejsze koszty konserwacji Większa skuteczność świetlna niż źródeł żarowych, również halogenowych Niewielkie rozmiary, elastyczność w projektach Nasycone barwy bez filtrów Odporne mechanicznie Dynamiczne sceny- regulowacja w zakresie 0-100% Natychmiastowy zapłon, brak migotania światła Brak rtęci - ekologia Brak promieniowanie IR i UV Praca w temperaturach do -30 C Zasilane niskim (bezpiecznym) napięciem 14

15 Wady LED * Duża luminancja (olśnienie) staranność przy projektowaniu Nagrzewanie się (radiatory), wentylacja, oddychanie opraw Obciążenie systemów klimatyzacji Zniekształcenia prądu z sieci (zasilacze) Charakter pojemnościowy instalacji 15

16 Normy dotyczące wymagań ogólnych i bezpieczeństwa LED i modułów LED PN-EN Moduły LED do ogólnych celów oświetleniowych Wymagania bezpieczeństwa PN-EN Lampy samostatecznikowe LED do ogólnych celów oświetleniowych na napięcie > 50V. Wymagania bezpieczeństwa prpn-pren Lampy LED bez stateczników. Część 1: Wymagania bezpieczeństwa. PN-EN Różnorodne oprawki lampowe. Cześć 2-2: Wymagania szczegółowe. Złącza do modułów LED. PN-EN Oprawy oświetleniowe. Ogólne wymagania i badania PN-EN Urządzenia do lamp. Część 2-13: Wymagania szczegółowe dotyczące elektronicznych urządzeń sterujących 16 zasilanych prądem stałym lub prądem przemiennym do modułów LED.

17 Normy dotyczące wymagań funkcjonalnych LED, modułów LED i opraw LED IEC Moduły LED do ogólnych celów oświetleniowych. Wymagania funkcjonalne (wymagania bezpieczeństwa w 62031) prpn-pr EN Lampy samostatecznikowe LED do ogólnych celów oświetleniowych na napięcie > 50V. Wymagania funkcjonalne. (wymagania bezpieczeństwa w 62560) pren Lampy LED bez stateczników. Część 1: Wymagania funkcjonalne. (wymagania bezpieczeństwa w ) PN-EN A1. Elektroniczne urządzenia sterujące zasilane prądem stałym lub przemiennym do modułów LED. Wymagania funkcjonalne. IEC Luminaire performance. Part 2-1:Particular requirements for LED luminaires. (wymagania funkcjonalne dla wszystkich opraw w ) pren LED-sortowanie diod.część 17 1: wymagania ogólne i biała siatka.

18 Wymagania dotyczące bezpieczeństwa fotobiologicznego, EMC, pól magnetycznych IEC Photobiological safety of lamps and lamp system (PN-EN 62471:2010P. Bezpieczeństwo fotobiologiczne lamp i systemów lampowych) IEC Bezpieczeństwo fotobiologiczne lamp i systemów lampowych Część 2: Wytyczne dotyczące wymagań bezpieczeństwa promieniowania optycznego odnoszących się do produkcji układu nie laserowego IEC Application of IEC to light sources and luminanres for the assessment of blue light hazard) IEC Assessment of lighting equipment related to human exposure to elektromagnetic fields (pol. Ocena sprzętu oświetleniowego związane z narażeniem człowieka na działanie pól elektromagnetycznych) PN-EN Sprzęt do ogólnych celów oświetleniowych -- Wymagania dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej 18

19 Przepisy europejskie dotyczące ekoprojektu dla wyrobów oświetleniowych ROZPORZĄDZENIE KOMISJI (WE) NR 244/2009 z dnia 18 marca 2009 r. w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla bezkierunkowych lamp do użytku domowego ROZPORZĄDZENIE KOMISJI (WE) NR 859/2009 z dnia 18 września 2009 r. zmieniające rozporządzenie (WE) nr 244/2009 w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu w zakresie promieniowania ultrafioletowego bezkierunkowych lamp do użytku domowego ROZPORZĄDZENIE KOMISJI (UE) NR 1194/2012 z dnia 12 grudnia 2012 r. w sprawie wykonania dyrektywy 2009/125/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla lamp kierunkowych, lamp z diodami elektroluminescencyjnymi i powiązanego wyposażenia 19

20 Przepisy europejskie dotyczące ekoprojektu dla wyrobów oświetleniowych ROZPORZĄDZENIE KOMISJI (WE) NR 245/2009 z dnia 18 marca 2009 r. w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla lamp fluorescencyjnych bez wbudowanego statecznika, dla lamp wyładowczych dużej intensywności, a także dla stateczników i opraw oświetleniowych służących do zasilania takich lamp, oraz uchylające dyrektywę 2000/55/WE Parlamentu Europejskiego i Rady ROZPORZĄDZENIE KOMISJI (UE) NR 347/2010 z dnia 21 kwietnia 2010 r. zmieniające rozporządzenie Komisji (WE) nr 245/2009 w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla lamp fluorescencyjnych bez wbudowanego statecznika, lamp wyładowczych dużej intensywności oraz stateczników i opraw oświetleniowych służących do zasilania takich lamp 20

21 Innowacyjne technologie OLED Cechy OLED: Wysoka skuteczność świetlna wynosząca do 100 lm/w) Wysokiej jakości światło, Ra w granicach 80 Światło emitowane przez całą powierzchnię Natychmiastowe włączenie i wyłączenie (pełny strumień świetlny po włączeniu) Bardzo cienka i elastyczna powierzchnia świecąca Powierzchnia przeświecalna (50%) w momencie braku emisji światła Emituje światło we wszystkie strony 21

22 Lampy ksenonowe jako nowość w oświetleniu przemysłowym konkurencja dla LED? 22

23 Lampy ksenonowe Skuteczność świetlna lm/w Współczynnik RA 80 Temperatura otoczenia od - 50 C ~ + 65 C Śladowa zawartość rtęci (certyfikat ROHS) Odporność na skoki napięcia Natychmiastowe załączanie Żywotność od h h (jednego jarznika) UCD statecznik 4-stopniowy system zapłonowy 23

24 Lampy ksenonowe Podstawowe charakterystyki elektryczne i eksploatacyjne Napięcie zasilające a.c. 170 V ~ 265 V Prąd zasilania 0,32A przy 110V; 0,64A przy 230V Temperatura pracy -50 C ~ +65 C Zabezpieczenie przed przeciążeniem i przegrzaniem Natychmiastowy zapłon po podaniu napięcia Natychmiastowy zapłon po chwilowym zaniku napięcia Trwałość do h (jednego jarznika), w testach producenta do h Mała wrażliwość na wahania napięcia zasilającego 24

25 Lampy ksenonowe Podstawowe charakterystyki świetlne Wykres chromatyczności xy 25 Rozkład widmowy światła lampy ksenonowej 60W

26 Zastosowanie lamp ksenonowych Drogi, tunele, kolej, Dworce, lotniska, Obiekty użyteczności publicznej Parki, ogrody, szklarnie Przemysł rybacki Hale fabryczne, Magazyny, Tereny przemysłowe Obiekty sportowe Elewacje budynków Parkingi Mieszkania, biura Strefy zagrożone wybuchem np. Stacje benzynowe, Magazyny paliwowe Kopalnie 26

27 Lampy indukcyjne Grupa kompaktowych lamp fluorescencyjnych Świetlówki bezelektrodowe Światło powstaje w wyniku jonizacji par rtęci o niskim ciśnieniu spowodowanej polem elektromagnetycznym wysokiej częstotliwości wytworzonym w naczyniu wyładowczym oraz zamiany powstałego promieniowania ultrafioletowego na światło za pomocą luminoforu pokrywającego od wewnątrz naczynie 27

28 Lampy indukcyjne Budowa lampy indukcyjnej QL (wg katalogu Philips Lighting): A) Naczynie wyładowcze, B) złącze mocy (widoczne w przekroju na rysunku), C) generator wielkiej częstotliwości (2.65 MHz) 28

29 Lampy indukcyjne Najbardziej znane konstrukcje to QL (Philips), Endura (Ostram), Genura (GE) Lampa Pa-Look Ball YOU Lampa Dura-Lite firmy Tungda Lampa firmy firmy japońskiej Matsushita (Chiny) Hongyuan (Chiny) 29

30 Lampy indukcyjne Widok opraw do lamp indukcyjnych produkcji firmy LVD z Dubaju 30 Widok opraw przemysłowych do lamp indukcyjnych produkcji VOLTEA

31 Lampy indukcyjne Podstawowe zalety Długa trwałość użytkowa do 60 tys. godzin Niskie koszty eksploatacji instalacji oświetleniowych Małą wrażliwość na zmiany napięcia zasilającego. Pełny strumień świetlny lampy indukcyjne uzyskują w ciągu kilku sekund Łatwy zapłon nawet przy niskich temperaturach (do -25 stopni C) Stabilny strumień świetlny w szerokim zakresie temperatur otoczenia Mały spadek strumienia świetlnego w trakcie eksploatacji 31

32 Lampy indukcyjne Podstawowe zalety Brak wahań strumienia świetlnego (w.cz.) i efektu stroboskopowego Natychmiastowy zapłon po załączaniu napięcia oraz po chwilowym zaniku napięcia (systemy bezpieczeństwa, oświetlenie awaryjne) Emisja światła o temperaturach barwowych od 2700 K do 4000 K Wysoki wskaźnik oddawania barw Ra > 80, przy zachowaniu dużej stabilności barwy w trakcie eksploatacji. Skuteczność świetlna lamp indukcyjnych >70 lm/w 32

33 Lampy dwujarznikowe Ideą nowej konstrukcji było wydłużenie trwałości lampy i zwiększenie strumienia świetlnego Drugi jarznik ma za zadanie zapewnić świecenie lampy po zaniku napięcia zasilającego, zwiększając funkcjonalność instalacji oświetleniowej wysokoprężne lampy sodowe i metalohalogenkowe. Trwałość lamp dwujarznikowych tys.godzin (mniejsze koszty eksploatacji, dłuższy czas między wymianami lamp) 33

34 Lampy dwujarznikowe Moc znamionowa lamp : 70W, 100W, 150W, 250W i 400W. Skuteczność świetlna do 140 lm/w Większy o 10-20% strumień świetlny od odpowiedników Większa odporność na wahania napięcia sieciowego Niższy spadek strumienia świetlnego w trakcie eksploatacji (cyrkonowy układ pochłaniania gazów) Mogą być montowane w oprawach do tradycyjnych lamp wyładowczych o odpowiedniej mocy 34

35 Lampy dwujarznikowe Czynniki zmniejszające trwałość lamp dwujarznikowych : częste włączanie/wyłączanie zbyt wysokie napięcie sieciowe wibracje wysoka temperatura otoczenia pracy statecznika i charakterystyki układu zapłonowego 35

36 Lampy dwujarznikowe Wady : 1) Robienie cieni od drugiego jarznika oraz od elementu eliminującego dystrybucję sodu - jarzniki nie znajdują się w osi oprawy powoduje to nierównomierny rozsył światła Może to spowodować pogorszenie równomierności oświetlenia na pasie drogowym. 2) Liczba spawów konstrukcji wsporczej jarzników jest trzykrotnie większa niż w zwykłej lampie sodowej, co może powodować zwiększoną zawodność tych lamp 36

37 4. Przykładowe analizy technicznoekonomiczne wymiany oświetlenia na energooszczędne 37

38 Inteligentny System Oświetlenia Wnętrzowego Inteligentne oświetlenie to ważny czynnik w ograniczeniu zużycia energii 38

39 Cechy systemu oświetleniowego Energooszczędne i nowoczesne oświetlenie Ekonomiczne i niezawodne w działaniu Dające stałe światło bez efektu migotania Brak uciążliwego efektu olśnienia Połączenie najnowszej technologii z funkcjonalnością Komfort i bezpieczeństwo użytkowania Przyjazne dla środowiska Łatwe w utylizacji jako sprzęt elektroniczny Nie emitujące szkodliwego promieniowania Zgodne z obowiązującymi normami oświetleniowymi 39

40 Porównanie zużycia energii elektrycznej przed i po modernizacji 40

41 Instalacja referencyjna inteligentnej oprawy LED w budynku Politechniki Łódzkiej Do celów pomiarowych został zmodernizowany cały korytarz oraz klatka schodowa. Przed modernizacją do oświetlenia wykorzystane były oprawy rastrowe o rzeczywistej mocy 90W. Oświetlenie na omawianej powierzchni utrzymane jest średnio przez 13h dziennie (od 6.00 do 19.00). Dzięki modernizacji z zastosowaniem energooszczędnych Inteligentnych Paneli LED uzyskaliśmy: zminimalizowanie czasu pracy punktów świetlnych pracujących w pełnym zużyciu energii, dzięki zastosowaniu automatycznego systemu sterowania światłem, umożliwiającego ściemnianie światła do zadanego poziomu bazowego zminimalizowanie zużycia energii, dzięki zastosowaniu automatyki pracy paneli LED, umożliwiającej włączanie światła w momencie detekcji ruchu szczególnie w godzinach zmniejszonego natężenia ruchu ( i ) zminimalizowanie czasu świecenia, jak również ilości pracujących jednocześnie punktów świetlnych, dzięki zastosowaniu czujników ruchu zminimalizowanie punktów świetlnych znaczne zmniejszenie zużycia energii elektrycznej do 96%!!!! 41

42 Klatka schodowa na Wydziale EEIA Politechniki Łódzkiej, Łódź, ul. Stefanowskiego 18/22 Instalacja tradycyjna: 22 szt. oprawy rastrowe 4 x 18W, moc oprawy 90W Instalacja LED: 22 szt. opraw LED o mocy 55W, z czujnikami ruchu, sterowanie przez światło dzienne (okna na klatce schodowej), oprawy zapalają się z wyprzedzeniem dla osób korzystających z klatki, przygasanie światła do 50% po 30 sekundach, przygasanie całkowite po 2 minutach, gdy nie ma w zasięgu obserwacji czujników osób. Instalacja pracuje od 22 kwietnia 2013 roku. Oprawy nie pracują na całą mocą wykonano pomiary oświetlenia na klatce. Zastosowano oprawy produkcji polskiej o mocy znamionowej 55W. Oprawy są programowalne z pilota lub komputera. Podgląd bieżący na komputerze zużycia energii w każdym dniu. Oprawy zaprogramowano wg zasady: porównanie zużycia energii w ciągu każdego dnia, program wylicza energię dla obu instalacji przy założeniu rzeczywistego czasu pracy i rzeczywistego korzystania z korytarza, rejestrowanego dla instalacji LED. Przykładowe wydruki z rejestracji zdalnej w miesiącu maju i wrześniu 2013 roku 42

43 Klatka schodowa na Wydziale EEIA Politechniki Łódzkiej, Łódź, ul. Stefanowskiego 18/22 Przykładowe wydruki z rejestracji zdalnej w miesiącu maju 2013 roku Instalacja tradycyjna: 534,60 kwh/m-c Instalacja LED: 23,90 kwh/m-c, co stanowi 5% zużycia energii w instalacji tradycyjnej zmniejszenie zużycia energii: 22,37 razy 43

44 Klatka schodowa na Wydziale EEIA Politechniki Łódzkiej, Łódź, ul. Stefanowskiego 18/22 Przykładowe wydruki z rejestracji zdalnej w miesiącu wrześniu 2013 roku Instalacja tradycyjna: 572,22 kwh/m-c Instalacja LED: 22,34 kwh/m-c, co stanowi 4% zużycia energii w instalacji tradycyjnej zmniejszenie zużycia energii: 25,61 razy 44

45 5. Ogólna analiza i interpretacja norm i regulacji prawnych w zakresie oświetlenia wnętrzowego Wykaz podstawowych norm dotyczących oświetlenia wnętrzowego PN-EN Światło i oświetlenie. Oświetlenie miejsc pracy. Część 1: Miejsca pracy we wnętrzach PN-EN Światło i oświetlenie. Oświetlenie miejsc pracy. Część 2: Miejsca pracy na zewnątrz PN-EN Zastosowanie oświetlenia. Oświetlenie awaryjne PN-EN Światło i oświetlenie. Oświetlenie w sporcie PN-EN Efektywność energetyczna budynków. Energetyczne wymagania dla oświetlenia 45

46 5. Ogólna analiza i interpretacja norm i regulacji prawnych w zakresie oświetlenia wnętrzowego Wykaz podstawowych norm dotyczących oświetlenia wnętrzowego PN-EN Światło i oświetlenie. Podstawowe terminy oraz kryteria określania wymaga dotyczących oświetlenia PN-EN Kryteria środowiska wewnętrznego, obejmujące warunki cieplne, jakość powietrza wewnętrznego, oświetlenie i hałas PN-EN Zastosowanie oświetlenia. Oświetlenie awaryjne 46

47 5. Ogólna analiza i interpretacja norm i regulacji prawnych w zakresie oświetlenia wnętrzowego Wykaz podstawowych norm dotyczących oświetlenia wnętrzowego PN-EN Światło i oświetlenie. Pomiar i prezentacja danych fotometrycznych lamp i opraw oświetleniowych. Część 1: Pomiar i format pliku PN-EN Światło i oświetlenie. Pomiar i prezentacja danych fotometrycznych lamp i opraw oświetleniowych. Część 2: Prezentacja danych dla miejsc pracy wewnątrz i na zewnątrz budynków PN-EN Światło i oświetlenie. Pomiar i prezentacja danych fotometrycznych lamp i opraw oświetleniowych. Część 3: Prezentacja danych dla oświetlenia awaryjnego miejsc pracy. PN-EN (norma wieloarkuszowa). Oprawy oświetleniowe. Wymagania ogólne i badania. PN-EN (norma wieloarkuszowa). Urządzenia do lamp. Wymagania ogólne i bezpieczeństwa. 47

48 Żadna inwestycja w instalacji oświetlenia wnętrzowego nie może pogarszać ilościowych i jakościowych cech oświetlenia PN-EN :

49 Dziękuję za uwagę