Bogdan ŚLĘK Philips Lighting Poland S.A. Czy tradycyjna żarówka może być energooszczędna? Streszczenie. Poniższy artykuł podnosi kwestie dotyczące toczącej się debaty dotyczące zastąpienia tradycyjnej żarówki przez energooszczędne źródła światła. Jednocześnie stanowi przegląd istniejących technologii, które mogą zastąpić żarówkę Abstract. Article covers resent discussion regarding the end of history of incandescent lamps and energy saving substitutes like compact fluorescent lamps as well energy saving halogen lamps. (Could the traditional incandescent lamp be an energy saver?). Słowa kluczowe: żarówka, energooszczędność, świetlówka, energia. Keywords: incandescent lamp, energy saving, CFL-I, energy labelling. Wstęp Przez ostatnie stulecie żarówka, wynalazek Edisona, była najbardziej popularnym źródłem światła używanym przez człowieka. Czy nadchodzi kres jej użytkowania? W ostatnim czasie w wielu krajach na całym świecie toczy się debata na temat konieczności zastąpienia tradycyjnej żarówki energooszczędnymi źródłami światła. Mając na uwadze toczącą się obecnie dyskusje na temat negatywnego wpływu działalności człowieka na środowisko naturalne, a w szczególności zmian klimatycznych związanych z ocieplaniem się klimatu na wskutek zwiększonej emisji gazów cieplarnianych, specjaliści zwrócili uwagę na fakt, że oświetlenie odpowiada za 19% zużycia energii elektrycznej na świecie. Sztuczne oświetlenie pojawiło się we wszystkich dziedzinach życia człowieka i jest nieodłącznym elementem rozwoju cywilizacji również w XXI wieku. Bez wątpienia najbardziej popularnym źródłem światła używanym do oświetlenia wnętrz jest tradycyjna żarówka, która jest powszechnie stosowana w oświetleniu gospodarstw domowych. Mimo, że jest ona systematycznie wypierana przez inne bardziej energooszczędne źródła światła, to w dalszym ciągu, co roku w krajach Unii Europejskiej sprzedawanych jest ponad 2 miliardy tradycyjnych żarówek. Skumulowana wartość energii zużywanej przez żarówki jest znaczna. Szacuje się, że Ich wymiana na bardziej efektywne źródła światła, tylko w przypadku krajów Unii Europejskiej, przyniosłaby oszczędności rzędu ponad 3 mld EUR rocznie oraz redukcję emisji CO 2 o 20 milionów ton. Żarówka tradycyjna Mimo, że od czasu, kiedy w roku 1879 Edison wynalazł żarówkę ze skrętką ze zwęglonego włókna bambusowego jej parametry znacznie się poprawiły to z uwagi na zasadę działania żarówka jest bardzo nieefektywnym źródłem światła. Żarówka w swojej podstawowej części jest szczelna bańką szklaną zawierającą drut wolframowy zwany potocznie żarnikiem lub skrętką, który jest podgrzewany przez przepływający przez niego prąd elektryczny do wysokiej temperatury. Im wyższa jest temperatura skrętki tym więcej zostaje wyemitowanej energii elektromagnetycznej, z której część stanowi promieniowanie widzialne, czyli światło. Taki sposób emisji światła nazywamy temperaturowym wytwarzaniem światła (inkadescencją). Niestety jest to jednak sposób bardzo niedoskonały, bowiem jedynie kilka procent energii elektrycznej jest zamieniona na światło. Pozostałe dziewięćdziesiąt kilka procent jest zamienione na promieniowanie cieplne i straty przewodzenia. Równocześnie przy temperaturze powyżej 3300 stopni Celsjusza wolfram zaczyna parować. Skrętka staje się coraz cieńsza, aż do momentu jej przepalenia. W konsekwencji trwałość tradycyjnej żarówki szacuje się na około 1000 h świecenia. Rys.1. Tradycyjna żarówka na trzonku E27 i E14 Etykiety energetyczne dla źródeł światła W dniu 27 stycznia 1998 roku weszła w życie Dyrektywa Komisji 98/11/WE wykonująca dyrektywę Rady 92/75/EWG w zakresie etykietowania energii lamp gospodarstwa domowego. Zgodnie z ustawodawstwem Unii Europejskiej wszystkie źródła światła zasilane napięciem sieciowym i przeznaczone do stosowania w gospodarstwie domowym podlegają obowiązkowej kwalifikacji z uwagi na efektywność energetyczną. Rys.2. Etykieta energetyczna dla źródła światła Klasy energetyczne (klasy efektywności energetycznej) oznacza się literami od A do G. Etykieta jest umieszczona lub nadrukowana czy załączona do pojedynczego opakowania lampy. Klasy energetyczne wyznacza się ze stosunku rocznego zużycia energii przez dane urządzenie 68
do standardowego zużycia energii przez tego typu urządzenia określonego odpowiednimi przepisami. Klasą A oznacza się urządzenia najbardziej efektywne a klasą G najmniej efektywne. Najpopularniejsza w Polsce żarówka 100W emitująca 1360 lumenów światła posiada klasę energetyczną E. Dla porównania Energooszczędna świetlówka kompaktowa świecąca tak samo jasno i posiadająca klasę A może zużywać nie więcej niż 22,86 Watów. Rysunek nr 2 przedstawia wygląd etykiety energetycznej dla źródła światła. Oprócz klasy efektywności energetycznej na etykiecie znajduje się informacja o strumieniu świetlnym lampy, jej mocy i trwałości. Przykładem nowoczesnych lamp żarowych są żarówki halogenowe, które dzięki zastosowaniu regeneracyjnego cyklu halogenowego osiągają do 25% wyższą skuteczność świetlną oraz 2-4 razy większą trwałość niż tradycyjne żarówki. Wśród żarówek halogenowych możemy wyróżnić grupę lamp zasilanych napięciem sieciowym 220V oraz lampy niskonapięciowe. Rys.3. Żarówka halogenowa na napięcie sieciowe - HalogenA Żarówki halogenowe na napięcie sieciowe HalogenA Rodzina lamp halogenowych HalogenA przeznaczona do pracy na napięciu sieciowym jest bezpośrednim zamiennikiem tradycyjnych żarówek. Żarnik halogenowy został zaprojektowany na napięcie 230V i umieszczony w bańce szklanej przypominającej gabarytami żarówkę. Lampy typu HalogenA występują na naszym rynku oświetleniowym w kilku wersjach, które stanowią bezpośredni zamiennik tradycyjnych żarówek zarówno w bańce A60 (HalogenA BTT), jak również G95 (HalogenA GLOB) oraz żarówek zwierciadlonych (HalogenA PAR). Tabela 1. Porównanie lamp HalogenaA z tradycyjnymi żarówkami Żarowki reflektorowe PAR HalogenA PAR 38 PAR 38 R95 PAR 30L R60/63 PAR 20 R50 PAR 16 Lampy halogenowe HalogenA charakteryzują się większą skutecznością świetlną i dwukrotnie większą trwałością niż odpowiadające im żarówki tradycyjne. Pozwala to w sposób bardzo prosty poprawić warunki oświetleniowe w miejscach, gdzie stosowano do tej pory żarówki tradycyjne. Oprócz żarówek halogenowych Halogena A na rynku pojawiły się również inne typy halogenów na napięcie sieciowe niebędące bezpośrednimi zamiennikami tradycyjnych żarówek. W ciągu ostatnich lat rozwija się dynamicznie cała rodzina żarówek halogenowych na napięcie sieciowe. Można śmiało powiedzieć, że mamy do czynienia z nowym trendem w przypadku konstrukcji opraw konsumenckich. Jeszcze do niedawna podstawowym źródłem światła do opraw konsumenckich były żarówki oraz niskonapięciowe żarówki halogenowe. Te ostatnie, z uwagi na większą skuteczność świetlną, pozwalały na uzyskanie ciekawych efektów świetlnych oraz miniaturyzacje opraw. Jednakże podstawową trudnością przy konstrukcji opraw oświetleniowych była konieczność stosowania transformatora. Niektórzy konstruktorzy korzystali ze stosunkowo tanich transformatorów toroidalnych, które są jednak dość ciężkie. Inni preferowali użycie lekkich transformatorów elektronicznych, te jednak z uwagi na wyższą cenę powodowały, że koszt oprawy był duży. Nowe źródła halogenowe na napięcie sieciowe dokonały rewolucji na rynku. Reflektorowe źródła halogenowe w wersjach z aluminiowym i zimnym lustrem, pojawiły się na rynku opraw konsumenckich kilka lat temu. Przykładem takich źródeł są lampy typu Twistline. Charakterystyczny trzonek typu GU (wersja aluminiowa) i GZ (wersja z zimnym lustrem) pozwala na bardzo prosty montaż i wymianę źródła. Od kilku lat na rynku pojawiły się kapsułki halogenowe na trzonku G9. Pierwsze kapsułki były stosunkowo duże w porównaniu do znanych źródeł niskonapięciowych. Jednakże postępująca miniaturyzacja sprawiła, że w roku 2002 pojawiła się zminiaturyzowana wersja kapsułek halogenowych typu Clickline (maksymalna długość 44 mm). Daje to jeszcze większą swobodę producentom opraw w tworzeniu nowych konstrukcji oraz szybką adaptacje istniejących konstrukcji z uwagi na fakt, że gabaryty lamp Clickline są porównywalne z kapsułkami niskonapięciowymi. Rys.4. Kapsułki halogenowe Clickline na napięcie sieciowe (wersja matowana i przezroczysta) Nowe żarówki Clickline są wykonane ze specjalnego szkła kwarcowego pochłaniającego promieniowanie nadfioletowe i mają długość niewiele większą od niskonapięciowych. Ponadto posiadają w torze prądowym opatentowany bezpiecznik zabezpieczający przed potencjalną eksplozja lampy przy końcu jej trwałości zgodnie z normą IEC 432-2. Dzięki temu zgodnie z normą IEC 598-1 żarówki halogenowe Clickline mogą być stosowane w oprawach otwartych. Dzięki możliwości bezpośredniej pracy na tradycyjnych, tanich ściemniaczach nadają się do tworzenia różnych efektów oświetleniowych. Należy jednak pamiętać, że żarówki halogenowe na napięcie sieciowe są mniej wydajne energetycznie od halogenów niskonapięciowych i mają od nich krótszą żywotność. 69
Nowa generacja energooszczędnych żarówek halogenowych Prowadzone przez Philips Lighting prace w dziedzinie technologii materiałowej doprowadziły do uzyskania technologii powłok interferencyjnych mających właściwości odbijania promieniowania podczerwonego. Opatentowane pokrycie odbijające promieniowanie podczerwone składa się z kilku warstw tantalu i dwutlenku krzemu naniesionych na szkło żarnika żarówki halogenowej. Celem pokrycia jest zawracanie ciepła (promieniowania podczerwonego) z powrotem na żarnik lampy halogenowej, poprzez co uzyskuje się znaczne większą skuteczność świetlną (lm/w) niż w przypadku tradycyjnych żarówek halogenowych. Tabela 2. Porównanie MASTER PAR Electronic E20 z tradycyjną żarówką i standardowym halogenem. Na targach oświetleniowych po raz pierwszy pojawiły się żarówki halogenowe MASTER Classic, które zostały zaprojektowane w oparciu o sprawdzoną technologię integracji elektronicznego transformatora z energooszczędną, niskonapięciową kapsułką halogenową. Źródła światła z rodziny Master Classic mają kształt i gabaryty typowej, tradycyjnej żarówki. Rys.5. Zasada działania technologii powłok interferencyjnych Korzyści uzyskane ze stosowania tej innowacyjnej technologii to: a) większy strumień świetlny (przy tej samej mocy lampy), b) mniejsza moc lampy (przy identycznym strumieniu świetlnym), c) dłuższa trwałość (identyczny strumień świetlny) lub kombinacja w/w korzyści. Powyższa technologia jest stosowana przez firmę Philips w niskonapięciowych żarówkach halogenowych z rodziny MASTER. Lampy MASTER Line ES o identycznym strumieniu świetlnym co tradycyjne niskonapięciowe żarówki halogenowe MR16 zużywają o 40% mniej energii elektrycznej i emitują 40% mniej ciepła. Równocześnie trwałość MASTER Line ES wynosi 5000 h świecenia, podczas, gdy trwałość dla standardowych halogenów nie przekracza 2000-3000 h. I tak halogenową żarówkę z zimnym lustrem o mocy 50W możemy zastąpić energooszczędnym ekwiwalentem o mocy 30W uzyskując identyczną ilość światła. Wśród energooszczędnych odpowiedników żarówek halogenowych są lampy MASTER Line 111 (lampa o mocy 60W jest odpowiednikiem standardowej lampy halogenowej Alu Line 111 100W), jak również kapsułki halogenowe MASTER Capsule (20W, 30W, 45W, 60W). Mamy, więc energooszczędne zamienniki tradycyjnych niskonapięciowych żarówek halogenowych. Stąd już tylko krok do prawdziwej rewolucji, jaką z pewnością staną się energooszczędne żarówki halogenowe na napięcie sieciowe. Energooszczędne żarówki halogenowe na napięcie sieciowe Dzięki zastosowaniu nowoczesnych podzespołów elektronicznych udało się zminiaturyzować gabaryty elektronicznych transformatorów do rozmiarów umożliwiających ich zintegrowanie z energooszczędnymi niskonapięciowymi kapsułkami halogenowymi MASTER. Pierwszą energooszczędną żarówką halogenową jest MASTER PAR Electronic E20. Lampa o mocy 20W stanowi energooszczędny ekwiwalent dla żarówek zwierciadlanych R63 60W oraz halogenów PAR20 50W. Rys.6. Halogenowa żarówka energooszczędna Philips Żarówka energooszczędna MASTER Classic przy emisji tej samej ilości światła co tradycyjna żarówka zużywa o 50% mniej energii elektrycznej i ma trzykrotnie większą trwałość. Tabela 3. Podstawowe dane techniczne lamp MASTER Classic Tym samym po raz pierwszy sformułowanie żarówka energooszczędna stało się najbardziej trafne (do tej pory wielu konsumentów nazywało tak energooszczędną świetlówkę kompaktową). Żarówki energooszczędne MASTER Classic zostały zaprojektowane jako bezpośrednie zamienniki najczęściej spotykanych żarówek tradycyjnych w bańce A55 o mocach 40W i 60W oraz standardowych żarówek w kształcie świeczki o mocy 40W. Po raz pierwszy od pojawienia się energooszczędnej świetlówki kompaktowej mamy do wyboru energooszczędną żarówkę, dzięki której można oszczędzać energię przy zachowaniu znakomitej jakości światła charakterystycznej dla lamp żarowych. Nowa generacja energooszczędnych żarówek MASTER Classic posiada klasę efektywności energetycznej B. Świetlówki kompaktowe zintegrowane Ta zupełnie nowa generacja źródeł światła będąca energooszczędną alternatywą dla tradycyjnych żarówek 70
została wprowadzona na rynek oświetleniowy na początku lat osiemdziesiątych i dokonała prawdziwej rewolucji w oświetleniu gospodarstw domowych Rys.7. Miniaturyzacja lamp fluorescencyjnych Świetlówki kompaktowe zintegrowane to lampy będące bezpośrednim zamiennikiem tradycyjnej żarówki, które mogą być bezpośrednio zamontowane w typowych oprawach oświetleniowych. W porównaniu z żarówkami świetlówki kompaktowe zużywają pięciokrotnie mniej energii elektrycznej czynnej, a ich średnia trwałość jest kilkakrotnie większa. Wśród stosowanych układów zapłonowych możemy wyróżnić trzy wersje: a) układ zapłonowy elektroniczny z przegrzewaniem elektrod, b) układ zapłonowy elektroniczny bez przegrzewania elektrod (tzw. zimny zapłon), c) układ zapłonowy klasyczny z przegrzewaniem elektrod (dławik indukcyjny wraz z zapłonnikiem). Na rysunku 8 przedstawiono ideowy schemat zasilania świetlówki kompaktowej w wersji elektronicznej z układem przegrzewania elektrod. Zmienny prąd zasilania po przejściu przez układ prostujący (1) ładuje kondensator elektrolityczny (2) do napięcia stałego około 300V. Napięcie na kondensatorze zasila generator wielkiej częstotliwości 40-50 khz wykonany z tranzystorami T1 i T2 w postaci kluczy. Prąd wielkiej częstotliwości przechodzi przez elektrody świetlówki i jest stabilizowany przez dławik indukcyjny. Dodatkowo elektrody lampy są przegrzewane za pomocą układu przegrzewania w celu uzyskania optymalnej temperatury elektrod przed zapłonem w gazie. Spowalnia to proces zużywania elektrod, co ma pozytywny wpływ na trwałość lampy. Świetlówki kompaktowe wyposażone w układ przegrzewania elektrod, są praktycznie niewrażliwe na częstość włączeń, jeżeli powtórne włączenie nie następuje wcześniej niż trzy minuty po zgaszeniu (czas stygnięcia elementów elektronicznych lampy). Ponieważ częstotliwość pracy świetlówek z elektronicznym zapłonem jest około 1000 razy większa od częstotliwości sieci zasilającej, dławik indukcyjny jest niewielki. Dzięki temu kompaktowa świetlówka elektroniczna ma małe rozmiary i jest bardzo lekka. Zastosowanie elektroniki umożliwia ponadto natychmiastowe i bezmigotliwe zaświecenie świetlówki. Elektroniczne układy zapłonowe bez przegrzewania elektrod są co prawda tańsze, lecz ich wrażliwość na częste włączanie i wyłączanie jest większa. Różnica w kształcie, wymiarach, sposobie zaświecania, masie i strumieniu emitowanego światła stwarzają dziś możliwość właściwego dobierania świetlówki kompaktowej w celu zapewnienia odpowiedniej jakości oświetlenia dla każdego i w każdej sytuacji, gdzie do tej pory używano tradycyjnych żarówek. Rys.8. Schemat świetlówki kompaktowej PL Electronic z elektronicznym układem zapłonowym Najnowsza generacja świetlówek kompaktowych pod względem gabarytów niewiele różni się od tradycyjnych żarówek (świetlówka Genie 5W ma długość 107mm), zaś świetlówki Ambiance swoim wyglądem zewnętrznym upodobniły się do żarówek. Rys.9. Zintegrowane świetlówki kompaktowe Świetlówki kompaktowe mogą być stosowane w większości standardowych opraw oświetleniowych, we wszystkich rodzajach pomieszczeń np. w mieszkaniach prywatnych, biurach, salach wystawowych, restauracjach, hotelach, korytarzach, jak również w oświetleniu zewnętrznym ogrodów, alejek, skwerów itp. Do oświetlenia zewnętrznego należy stosować lampy w szczelnych oprawach. Należy pamiętać, że świetlówki kompaktowe uzyskują pełny strumień świetlny parę minut po włączeniu. Lamp tego typu nie należy stosować w obwodach ze ściemniaczami światła, wyłącznikami elektronicznymi (istnieją na rynku świetlówki kompaktowe współpracujące ze ściemniaczami, lecz są one rzadko spotykane na rynku) oraz fotokomórką. Może to spowodować uszkodzenie świetlówki lub współpracującego urządzenia. W przypadku stosowania w instalacji dużej liczby świetlówek kompaktowych należy rozważyć kompensację pojemnościową poszczególnych obwodów w celu poprawy współczynnika mocy, który dla świetlówek kompaktowych wynosi 0.50-0.65. 71
Podsumowanie Na rynku oświetleniowym jak nigdy dotąd jest wiele alternatyw dla zwykłej żarówki. Jedną z nich są energooszczędne świetlówki kompaktowe dużo mniejsze, tańsze, o dużo wyższej jakości, niż pierwsze tego typu lampy. Philips ogłosił również wprowadzenie na rynek nowej generacji energooszczędnych halogenów, które zużywają 50% mniej energii elektrycznej w stosunku do żarówek i świecą trzykrotnie dłużej. Możemy śmiało powiedzieć, że technologicznie jesteśmy przygotowani do zastąpienia tradycyjnych żarówek przez energooszczędne źródła światła. Nie są to już tylko świetlówki kompaktowe, ale również prawdziwie energooszczędne żarówki. Dodatkowo, należy mieć na uwadze nowe technologie w zakresie wykorzystania fizyki ciała stałego, jakimi są systemy oświetleniowe wykorzystujące diody elektroluminescencyjne (LED, OLED), które w przyszłości gwarantować będą jeszcze większe oszczędności. Rys.10. Źródła światła do oświetlenia gospodarstwa domowego Rys.10. Źródła światła do oświetlenia gospodarstwa domowego LITERATURA [1] Praca zbiorowa PKOśw, Technika Świetlna 98 Poradnik- Informator. [2] Praca zbiorowa: Light Innovation & More. Philips Lighting, 2002. [3] Materiały niepublikowane Philips Lighting.. Autorzy: mgr inż. Bogdan Ślęk, Philips Lighting Poland S.A., ul. Kossaka 150, 64-920 Piła, E-mail: Bogdan.Slek@Philips.com 72