Slutredovisning Korridorsbelysning plan 08 och 09 Sundsvall sjukhus Innehållsförteckning 1. Bakgrund... 1 2. Valda tekniker... 1 3.Återledaren (noll ledaren) och övertoner... 2 3.1 Allmänt... 2 3.2 Uppkopplingar med enbart tre armaturer... 2 4. Återledaren och övertoner i korridorer... 3 4.1 Äldre armatur (gamla lysrör 2*36 W)... 3 4.2 Nya armaturer med HF-don, IDMAN 6612-128 (1*28 W)... 4 5. Energibesparing... 6 5.1. Äldre armaturer (gamla lysrör 2*36W på varje fas)... 6 5.2. Nya armaturer med HF-don, IDMAN 6612-128 (1x28 W)... 7 5.3 Totalt energibehov i korridorer plan 08 och plan 09... 8 6.Elektriska växelfält... 10 7.Magnetfält... 10 8.PE-ledaren (Jord)... 11 9.Ljusutbytet före och efter ombyggnad... 11 10. Ekonomi... 11 11. Projektör... 11 12. Entreprenörer... 11 13. Slutsatser... 12
Sammanfattning Projektets mål har varit att byta ut belysning i korridorer vid Sundsvalls sjukhus mot ett mer energisnålt alternativ. Den nya anläggningen har bland annat inneburit: Fördelar Energibesparing med 85% av förbrukningen före ombyggnad Lika eller bättre ljusutbyte Övertonsströmmar i återledaren (nollan) minskar med 85 % Minskning av övertoner i faserna med 85% Halvering av elektriska växelfält från armaturen i 50 Hz området Halvering av magnetfälten från armaturen Styrning av ljusmängden med hjälp av dimbara HF-R don och rörelsedetektorer För maximal utnyttjning av lysrör sker roterande tändning av faser nattetid. Varmstart på T5 lysrören Personsäkerheten har höjts avsevärt pga bättre kapsling i elskåpen Nackdelar En fördubbling av strömmen i Pe (skyddsjord) Läckströmmar i Pe i khz området ökar kraftigt. Dessa beror huvudsakligen på HF-R donens arbetsfrekvens 48-90 khz Elektriska växelfälten i khz området ökar kraftigt Härnösand i februari 2002 Jan Lindberg tel. 0611-802 90 e-mail: jan.e.lindberg@lvn.se
1. Bakgrund Korridorsbelysning vid Sundsvalls sjukhus ersätts med ny energisnål teknik. Under sommar och höst 1999 har belysningsbyte utförts i korridorer på plan 08 och 09. Totalt har 1055 gamla armaturer ersatts. Den nya belysningsanläggningen är försedd med rörelsedetektorer och teknik för styrning av ljusstyrka. Entreprenaden har omfattat: Armaturer Demontering av belysningsarmaturer inklusive kablage Leverans och montering av belysningsarmaturer inklusive kablage Styrning och matning. Leverans och montage av apparatskåp som innehåller centraler och övrig centralutrustning inklusive utrustning för belysningsstyrning. Anslutning till befintlig gemensamt nät för tidsstyrningar. Leverans och montage av rörelsedetektorer inklusive kablage. Utprovning av funktioner för belysningsstyrning. De nya ljusarmaturerna är försedda med elektroniska driftssdon av märket Philips HF-R och aktiva filter för övertoner. Totalt för korridorer på plan 08 och 09 behövdes 863 armaturer, som är av fabrikatet Idman. Alla lysrör är av fullfärgstyp. Lysrören är av märket Philips TL5 28W/827 HE, ljusfärg varmvit (3000K). 2. Valda tekniker Följande tekniker har valts för att åstadkomma eleffektivisering. Användning av T5 rör Rörelsedetektorer fabrikat CeTelab typ SRN-2000E Indelning i olika sektioner som tänds när rörelsedetektor indikerar Belysningsstyrning med reglerbara HögFrekvensdon (Philips HF-R). På korridorplan 08, där närvarofrekvensen är relativt låg, arbetar dagtidsstyrningen för samtliga armaturer mellan 20% och 50% av full effekt. Nattetid styrs 1/3 av armaturerna på roterande fas mellan 20% och 50% beroende av närvaro. På korridorplan 09, som bl.a ansluter till garaget, är närvarofrekvensen högre. Dagtid lyser samtliga armaturer med 80% av full effekt. Nattetid styrs 1/3 av armaturerna på roterande fas mellan 20% och 80% beroende av närvaro.
3. Återledaren (noll ledaren) och övertoner 3.1 Allmänt Det svenska elnätet består av tre faser, frekvensen är 50 Hz och spänningarna och strömmarna i de tre faserna är fasförskjutna 120º i förhållande till varandra. Fasvridningen gör att det inte uppstår någon ström då de adderas i återledaren, nollan. En ström uppstår dock i återledaren om det är snedbelastning mellan faserna eller om de övertoner som kvarstår inte är fasförskjutna 120 o. I extremfall, då övertonerna helt saknar fasförskjutning i förhållande till varandra, ökar strömmen i nollan med en faktor tre jämfört med övertonens ström i fasen. Detta sker t ex vid enbart lysrörsinstallationer på alla tre faserna. För att ta reda på hur nollströmmar och övertoner förändras har mätningar utförts på gamla och nya armaturer. 3.2 Uppkopplingar med enbart tre armaturer I uppkopplingarna används trefas för att kunna undersöka vad som händer i den gemensamma nollan. En lysrörsarmatur kopplades på varje fas enligt bilden nedan. Därefter gjordes mätningar av spänningar och strömmar i respektive fas. Samtidigt uppmättes även den sammanlagrade strömmen i återledaren dvs nollan. Uppkoppling skedde enligt bild, men en strömtång kopplades in även på kanal D för att mäta strömmar i nollan. Instrumentet som använts vid samtliga mätningarna är DRANETZ Power Platform, model 4300.
4. Återledaren och övertoner i korridorer 4.1 Äldre armatur (gamla lysrör 2*36 W) Övertoner i fas A De gamla armaturerna var av två modeller. Öppen armatur utan reflektor (plan 08) och inkapslad armatur med reflektor (plan 09). Båda modellerna bestyckade med två lysrör. I diagram 1 framgår hur mycket övertoner, huvudsakligen udda, som bildas. Grundtonens (H01) effektivvärde var 0,49 A och det totala effektivvärdet (THD abs) för alla övertoner var 0,14 A. Den tredje övertonen (H03) stod för 0,07 A. 0.5 Amp Övertoner fas A för gammal lysrörsarmatur 2x36W 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 THDabs H05 H10 H15 H20 CHA Amp Total RMS: 0.50 Amps DC Level : -0.01 Amps Fundamental(H1) RMS: 0.49 Amps Total Harmonic Distortion (H02-H50): 0.14 Amps RMS Even contribution (H02-H50): 0.01 Amps RMS Odd contribution (H03-H49): 0.14 Amps RMS Diagram 1 Timed event vid 2000-04-28 15:00:24,000 Övertoner i gemensam återledare I diagram 2 (nedan) syns att de sammanlagda övertonerna (THD abs) som i de enskilda faserna totalt är 0,14 A ökade till 0,28 A i nollan. Detta beror på den sammanlagring som nämnts tidigare. Den tredje övertonen (H03), som i de enskilda faserna är endast ca 0,07 A, ökar till hela 0,21 A. Den tredje övertonen är helt dominerande och därmed också ett problem. Problemet kan bli stort då många lysrörsarmaturer samverkar och ger upphov till stora strömmar i nollan. Resultatet kan jämföras med mätningar som utförts i korridorerna i Sundsvall. Förhållandena är där likartade eller till och med sämre då det finns en snedbelastning mellan de olika faserna. Snedbelastningen kan bero på felaktiga drosslar och trasiga lysrör.
0.5 Amp Övertoner i nollan för gammal lysrörsarmatur 2x36W 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 THDabs H05 H10 H15 H20 CHD Amp Total RMS: 0.28 Amps DC Level : -0.00 Amps Fundamental(H1) RMS: 0.05 Amps Total Harmonic Distortion (H02-H50): 0.28 Amps RMS Even contribution (H02-H50): 0.02 Amps RMS Odd contribution (H03-H49): 0.28 Amps RMS Diagram 2. Timed event vid 2000-04-28 15:00:24,000 Tredje (H03) övertonen ligger på ca 130 grader för de olika faserna. Detta gör att de i princip adderas i nollan. Den nionde (H09) och femtonde (H15) övertonen vilka är multiplar av tredje (H03) är också stora p g a att fasförskjutning är liten. Den tredje övertonen är dock den dominerande. 4.2 Nya armaturer med HF-don, IDMAN 6612-128 (1*28 W) Övertoner i fas A Diagram 3 visar övertoner i fas A. Enligt mätningar blev grundtonens effektivvärde 0,143 A, och det totala effektivvärdet för alla övertoner 0,021 A. Den tredje övertonen stod för 0,010 A. Eftersom den totala strömförbrukningen här är mindre än för de gamla armaturerna så är övertonernas storlek lägre. Men även procentuellt sett är övertonerna mindre. Tredje övertonen för nya armaturer är ca 1/7 av värdet för de gamla lysrörsarmaturerna. (jämför med diagram 1).
0.5 Amp Övertoner i fas A för ny lysrörsarmatur med HF-don 1*28W 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 THDabs H05 H10 H15 H20 CHA Amp Total RMS: 0.14 Amps DC Level : -0.01 Amps Fundamental(H1) RMS: 0.14 Amps Total Harmonic Distortion (H02-H50): 0.02 Amps RMS Even contribution (H02-H50): 0.00 Amps RMS Odd contribution (H03-H49): 0.02 Amps RMS Diagram 3. Timed event vid 2000-05-02 16:30:34,000 Övertoner i gemensam återledare Att övertonerna har minskat i faserna betyder naturligtvis att de minskat även i nollan. Den totala delen övertoner blev 0,032 A varav den tredje, femte och femtonde övertonen står för ca. 0,018 A vardera (se diagram 4 nedan och jämför med diagram 2, vilket visar motsvarande för äldre armaturer). Byte från gammal armatur till ny gav som resultat att tredje övertonen (H03) minskade med drygt 90% i nollan dvs 1/10 av det ursprungliga. 0.5 Amp Övertoner i nollan för ny lysrörsarmatur med HF-don 1*28W 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 THDabs H05 H10 H15 H20 CHD Amp Total RMS: 0.03 Amps DC Level : 0.00 Amps Fundamental(H1) RMS: 0.00 Amps Total Harmonic Distortion (H02-H50): 0.03 Amps RMS Even contribution (H02-H50): 0.00 Amps RMS Odd contribution (H03-H49): 0.03 Amps RMS Diagram 4 Timed event vid 2000-05-02 16:30:34,000
5. Energibesparing 5.1. Äldre armaturer (gamla lysrör 2*36W på varje fas) I äldre armaturer är effektförbrukningen ca. 94 W och sammanlagt för tre armaturer 282 W, se diagram 5. Effektfaktorn är ca 0,83-0,84 (se diagram 6). Effektförbrukningen för driften av en lysrörsarmatur kräver ca. 23 %, dvs 22 W. Effektbehov för gamla armaturer 2*36 W kw 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 CHA W CHB W CHC W CHABC W 14:39 14:44 14:49 14:54 14:59 15:04 15:09 15:14 15:19 15:24 15:29 15:34 2000-04-28 14:40:00,00-2000-04-28 15:35:00,00 Diagram 5 Effektfaktor för gamla armaturer 2*36 W PF 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 CHA PF CHB PF CHC PF CHABC PF 14:39 14:44 14:49 14:54 14:59 15:04 15:09 15:14 15:19 15:24 15:29 15:34 2000-04-28 14:40:00,00-2000-04-28 15:35:00,00 Diagram 6
5.2. Nya armaturer med HF-don, IDMAN 6612-128 (1x28 W). I nya armaturer är effektförbrukningen ca. 32 W och sammanlagt för tre armaturer 96 W, se diagram 7. Effektfaktorn är här -0,92, dvs. kapacitiv (se diagram 8 nedan). De nya armaturerna har dels en högre effektfaktor och dels en total effekt som är enbart 34% av de gamla armaturerna. Effektbehov för nya armaturer 1*28 W kw 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 CHA W CHB W CHC W CHABC W 16:19 16:29 16:39 16:49 16:59 17:09 17:19 17:29 17:39 17:49 2000-05-02 16:20:00,00-2000-05-02 17:50:00,00 Diagram 7. Effektfaktor för nya armaturer 1*28 W PF -0.9100-0.9125-0.9150-0.9175-0.9200-0.9225-0.9250-0.9275-0.9300 CHA PF CHB PF CHC PF CHABC PF 16:19 16:29 16:39 16:49 16:59 17:09 17:19 17:29 17:39 17:49 2000-05-02 16:20:00,00-2000-05-02 17:50:00,00 Diagram 8. Noterbart är att effektfaktorn sjunker (kapacitivt) när ljusstyrkan i armaturerna styrs ned. Vid nedstyrning till 80% av full effekt på 48 armaturer (plan 09) sjönk effektfaktorn till 0,91. På plan 08 gav
nedstyrning till 50% av full effekt på 39 armaturer effektfaktorn 0,84. Nedstyrning till 20% av full effekt gav effektfaktorn -0,62. Vid fortsatt utbyggnad av ljusreglerbar belysningsutrustning rekommenderas att förändringar i induktiv/kapacitiv last följs upp. Vid ljusstyrning är strömövertonerna konstanta (absolutvärden) oavsett driftläge. Nedstyrning ger lägre strömförbrukning. Med konstant övertonshalt ökar den procentuella andelen mätt som % av grundton (THD, TotalHarmonicDistorsion). Vid ett minimum av ljus resulterar det i att THD värdet kan bli 2-4 ggr högre än vid full ljusstyrka. 5.3 Totalt energibehov i korridorer plan 08 och plan 09 För korridorer i Sundsvalls sjukhus har ny belysningsteknik medfört stor energibesparing. De nya armaturerna har, vid en ljusstyrka överstigande 50%, högre effektfaktor (kapacitiv last). Det elektroniska driftdonet, som ger möjlighet att ljusstyra belysningen, kräver idag endast ca 3-4 W i effekt jämfört med tidigare 22 W. Samtidigt ger ny armatur med ett lysrör på 28 W samma eller bättre ljusutbyte än gammal armatur bestående av 2 rör på 36 W. Effektbehov ny och gammal korridorsarmatur plan 08 På korridorplan 08 är rörelsefrekvensen relativt låg. Diagram 9 visar skillnaden i effektbehov mellan ny och gammal armatur. Samtliga armaturer styrs mellan 20% och 50% av full effekt beroende av närvaro. Nattetid 1/3 av armaturerna. Antalet armaturer har reducerats med 20%, från 551 st till 439 st (391 st 1*28 W och 48 st 2*28 W). Mätningar för ny belysningsutrustning är utförda under en vecka i januari-2000 på en grupp bestående av 39 armaturer. Mätresultatet har skalats upp att gälla samtliga armaturer. 55 Ursprungligt effektbehov 50 45 Timmedeleffekt kwh/h 40 35 30 25 20 15 Effektbehov efter ombyggnad med ljusstryrning 100% exkl. rörelsevakter 10 5 torsdag fredag lördag söndag måndag tisdag onsdag 0 2000-01-20 2000-01-21 2000-01-22 2000-01-23 2000-01-24 2000-01-25 2000-01-26 Diagram 9
Energibesparingen på plan 08 är hela 90% i förhållande till det ursprungliga behovet, se diagram 9 ovan. Här utgör utbytet av armaturer, plus att färre armaturer används, ca. 70% reduktion. Ljusstyrning och närvarodetektering tillför ytterligare 20% reduktion. Effektbehov ny och gammal korridorsarmatur plan 09 På korridorplan 09 (som ansluter till parkeringsgarage) är rörelsefrekvensen högre än på plan 08. Diagram 10 visar skillnaden i effektbehov mellan ny och gammal armatur. Dagtid lyser samtliga armaturer med 80% av full effekt. Nattetid styrs 1/3 av armaturerna på roterande fas mellan 20% och 80% beroende av närvaro. Antalet armaturer har reducerats med 16%, från 504 st till 424 st (359 st 1*28 W och 65 st 2*28 W). Mätningar för ny belysningsutrustning är utförda under en vecka i januari-2000 på en grupp bestående av 48 armaturer. Mätresultatet har skalats upp att gälla samtliga armaturer. 50 Ursprungligt effektbehov 45 40 Timmedeleffekt kwh/h 35 30 25 20 15 Effektbehov efter ombyggnad med ljusstryrning 100% exkl. rörelsevakter 10 5 0 måndag tisdag onsdag torsdag fredag lördag söndag Diagram 10 Energibesparingen på plan 09 är 80% i förhållande till det ursprungliga behovet, se diagram 10 ovan. Här utgör utbytet av armaturer, plus att färre armaturer används, ca. 66% reduktion. Ljusstyrning och närvarodetektering tillför ytterligare 14% reduktion.
Summering av totala energibehovet Totalt för koridorer plan 08 och 09 (etapp1) har besparingen blivit: Besparing kwh Besparing % Korridorer plan 08 408 000 90 Korridorer plan 09 332 000 80 Besparing Totalt 740 000 85 Det ursprungliga energibehovet var 869 000 kwh per år. Det har reducerats till 129 000 kwh per år. 6. Elektriska växelfält Elektroniska apparater och belysningssystem som har switchade nätaggregat eller HF-don genererar ström i HF området (10-100 khz) till Pe (jorden). De filter som utrustningarna kan innehålla innebär också att HF-strömmar kapacitivt leds från Nolla till Pe. När en stor mängd HF-armaturer installeras i en anläggning kommer den totala effekten av läckströmar i HF-området att bli märkbar. Konsekvenser De elektriska växelfälten kommer att öka som en funktion av de potentialskillnader som finns i sjukhuset. Dessutom tillförs ett elektriskt växelfält som emitteras direkt från armaturen. Strömmar i HF-området kommer att börja cirkulera i installationen. En halvering för de elektriska växelfälten i band 1 som avser området 5 Hz - 2 khz. I band 2 som avser området 2 khz - 400 khz har det uppstått nya fält som inte fanns tidigare och det beror på den frekvens som härrör från HF-R donets arbetsfrekvens, vilket i det här fallet ligger på ca. 48 khz vid 100% ljus. Se tidigare arbete i rapport Garaget proj.nr. 803939 F. När man ljusreglerar stiger frekvensen upp till ca. 90 khz. Ökad arbetsfrekvens ökar elektronikkretsens impedans varvid strömförbrukningen liksom ljusstyrkan minskar. 7. Magnetfält Magnetfälten har reducerats med mer än hälften med de nya armaturerna. Se rapport Garaget proj.nr. 803939 F.
8. PE-ledaren (Jord) Här uppstår en fördubbling av läckströmmen genom PE-ledaren. Läckströmmar uppstår i khz området vilket beror på HF-donens arbetsfrekvens. Se rapport Garaget proj.nr. 803939 F. 9. Ljusutbytet före och efter ombyggnad Ljusutbytet vid full effekt är lika med eller bättre än tidigare. 10. Ekonomi Investeringskostnaden för att installera nya armaturer i korridorer plan 08 och 09 uppgick till 2 360 000 kronor inklusive konsultarvoden och besiktningar. Antalet armaturer, som installerats är 750 enrörsarmaturer och 113 tvårörsarmaturer. I genomsnitt innebär det 2735 kronor per armatur. Projektet innebär en årlig elbesparing på 740 000 kwh (ca. 85%). Med en elkostnad på 0,50 kr per kwh blir besparingen 370 000 kronor per år. Samtidigt kommer de årliga underhållskostnaderna att minska med 30 000 kronor. Den totala besparingen blir således 400 000 kronor per år. Med en kalkylränta på 4 % blir återbetalningstiden 8 år. Med närvarodetektering och teknik för ljusstyrning reduceras den totala energiförbrukningen med 15-20%. Merkostnaden för tekniken är i det här fallet ca. 10-15% av total kostnad. Tekniken är kostnadseffektiv och kommer användas i kommande projekt. 11. Projektör Scandiaconsult Sverige AB, Sundsvall 060-129300 12. Entreprenörer Generalentreprenör: Elpartner Nordic AB, Sundsvall, tel 060-175590 Underentreprenör: TAC Svenska AB, Sundsvall, tel 060-15 44 00
13. Slutsatser Projektet har inneburit ytterligare kunskap och erfarenhet av ny teknik. I det här projektet har elbesparingen uppgått till drygt 80% eller bättre än faktor 5. Jämförelsen är gjord mot gammal belysningsutrustning med drift på full effekt dygnet runt. En strategi för elnätet i sjukhuset för att undvika spridning av oönskade strömmar samt förorening av Pe (jorden) kan sammanfattas: Så små nät som möjligt för att minska sammanlagringseffekten. Separata matningar till HF-belysningen så långt tillbaka i systemet som möjligt. För känsliga grupper kan en transformator installeras som motverkar att övertoner och läckströmmar sprids i anläggningen. En strategi för elektriska växelfält är att: Kräva av leverantörer att de redovisar nivåer för växelfälten Att i vissa arbetsmiljöer välja armaturer med 90-100 % reduktion av de elektriska växelfälten.