Energieffektiv belysning med dagens teknik hösten 2011

Energieffektiv belysning med dagens teknik hösten 2011 Utarbetad av Susanne Strömberg, ECO konsult i Stockholm AB

Sammanfattning Energieffektiv är den belysning som med minst energi ger rätt belysning för aktuell synuppgift. Med dagens teknik för ljuskällor, armaturer och belysningsstyrning kan varje belysningsprincip bli energieffektiv. Det går inte att uppnå energieffektivitet genom att välja ut att ändra en enda parameter tex ljuskällan och jämföra den tagen ur sitt sammanhang. Inledning Belysningstekniken utvecklas snabbt. Nya armaturer innehållande LED belysning växer fram och själva ljuskällan utvecklas. De stora armaturfabrikanterna meddelar att 90 % av nyheterna 2012 är LEDarmaturer. Möjliga tillämpningar blir allt fler. Även traditionella armaturer med urladdningslampor utvecklas och styrningen av dessa likaså. Förstudien är en samlande rapport om dagens teknik för att belysa lokaler energieffektivt hösten 2011. Ljustekniska begrepp finns samlat i rapportens slut. Innehåll: Parametrar som påverkar belysningens energieffektivitet *Ljuskällor *Belysningsprinciper *Armaturer *Ytskikt *Belysningsstyrning *System

Ljuskällor Hur värderas en ljuskällas effektivitet? När man jämför ljuskällor använder man ljuskällans ljusflöde och tillförd effekt i enheterna lm/w (lumen per watt) s.k. ljusutbyte. Hur stort ljusutbyte en ljuskälla har beror på ljuskällans spektralfördelning. En ljuskälla som har mycket energi i våglängder runt 555nm är mest energieffektiv. Det beror på att de sammanfaller med ögats kännslighetskurva. Att värdera en ljuskälla så har under senare år ifrågasatts då grafen av ögats känslighetskurva är en starkt generaliserad modell men eftersom det saknas enighet runt en ny och mer komplett modell använder ljuskällefabrikanter modellen fortfarande.1w i våglängden 555nm ger 683 lm, kurvans topp värde 1. 1W i andra våglängder motsvarar procentuellt förhållande så i 610nm ger 1W 50 % av 683lm. Våglängder utanför de för ögat synliga ger 0lm Ögats känslighetskurva Sammanvägd (CIE) Spektralfördelningen hos en ljuskälla är också nyckeln till hur den återger färger från material som träffas av ljuset. En ljuskälla som har snedfördelat spektrum kan vara väldigt energieffektiv d.v.s. ge högt värde för ljusutbyte (lm/w) men återge färger mycket dåligt. Ett exempel på det är lågtrycksnatrium som används på motorvägar. Lågtrycksnatrium ger 167 lm/w men har bara energi i en våglängd (590 nm) och återger därför inga andra färger. Spektralfördelningar

För LED ska även anges ett kompletterande värde SDCM (Standard Deviation of Color Matching) för att kunna välja rätt kvalité. Metoden har CIEs färgtriangel som bas och varje värde för SDCM anger en elips inom vilken färgavvikelser kan förekomma. Ju lägre siffra ju färre färgskillnader. LED med bra färgåtergivning och låg färgtempretur har som regel sämre ljusutbyte än en med dålig färgåtergivning och hög färgtempretur Artificiellt ljus skiftar i kvalité utifrån färgtemperatur och förmåga att återge färg. Vilken ljuskälla som ska väljas kan inte avgöras endast utifrån dess effektivitet. Vanliga ljuskällors ljusutbyte På US Departement of Energy (DOE), Energy Efficiancy and Renewable Energy har man skapat ett program där man testar nya LED produkter på marknaden, CALiPER. Man testar LED som helhet i drift tillsammans med en armatur och drivdon och jämför med tex lysrörsarmatur. I studien Performance of T12 and T8 Flourecent Lamps and Troffers and LED Linear Replacement Lamps från januari 2009 (http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/troffer_benchmark_01-09.pdf) har man jämfört armaturer med reflektorer respektive diffusorer med lysrör och LED lampersättare Rapporten summerar att där fabrikantens rekommendation var ett byte lysrör LED ersättare 1:1 innebar det en 50 % minskning av ljusflödet.

Ersättningslampor med LED (s.k. LEDlampor) finns för alla typer av ljuskällor, inte bara för lysrör. Mest kända är de för hemmabruk med E14 och E27 socklar. Ljusutbytet och färgåtergivningen för dessa är inte färdigutvecklat för offentlig miljö. Nya generationen lanseras under första kvartalet 2012 enligt både Osram och Phillips. På marknaden finns också produkter som inte testats och godkänts enlig Elsäkerhetsverket med avseende på elektromagnetisk kompabilitet (EMC) LED som färdiga armaturer (s.k. LEDarmatur) har utvecklats med bättre kylning, något som är ett problem för LED. Utan rätt kylning försämras livslängden dramatiskt. Fabrikanterna anger ett timantal när 70 % av ljuset återstår. Beroende på typ och fabrikat varierar tiderna mycket. I rapporten Summary of results Round 12 of product Testing från juni 2011 http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/caliper_round12_summary.pdf) testades bland annat infällda downlights LEDarmaturer med armaturer för glödljus, skenmonterade LEDarmaturer med armaturer för lågvoltshalogen och ersättningslampor LEDlampor med glödlampor sockel E27. Bland de jämförda armaturerna finns en skenmonterad riktbar LEDspotlight (ID i testen 11-07) 2277cd 24 spridningsvinklen med systemeffekten 13W och en riktbar spotlight för lågvoltshalogen (ID i testenbk-10-21) 2685 cd 23 spridningsvinkel med systemeffekten 39W. Testerna visar ljusutbytet från LEDarmaturen är 45lm/W och från lågvoltsarmaturen 13 lm/w. ID11-07 BK-10-21 Den här typen av armatur (BK-10-21) är mycket vanlig i våra anläggningar så resultatet är viktigt att lyfta fram. Lika viktigt är det att notera värdena i tabellform måste följas upp med visuell utvärdering av både armatur och ljusupplevelse. LEDarmaturens undersida består i det här fallet av flera små linser och diametern är större än för vår vanligt förekommande lågvoltshalogen I rapporten Summary of results Round 13 of Product Testing från oktober 2011 (http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/caliper_round13_summary.pdf) har man testat industriarmaturer för hög höjd (High bay), industriarmaturer för väggmontage (Wallpack) och infällda koffertarmaturer (troffer). Rapporten summerar att LED armaturerna är i flera fall har samma eller bättre energieffektivitet (lm/w) som likarna (benchmark) och att färgåtergivningen fortsätter att förbättras. Att de infällda koffertarmaturerna förbättrats så anser man vara ett resultat av en riktad satsning 2010. LED som utbytbar ljuskälla i en armatur är något som fabrikanterna kommunicerat ut som färdig produkt, Philips variant heter t.ex. Fortimo och finns med olika ljusflöden. De flesta fabrikanter väljer att bestämma ett ljusflöde och sedan minska den installerade effekten för att planeringen av antalet armaturer till en yta inte ska variera för varje ny version. Den här typen av ljuskälla är endast för armaturtillverkare och kan inte köpas av en elektriker eller en driftorganisation som förväntat.

Belysningsprinciper Vilka belysningsprinciper är energieffektiva? Allmänbelysning, lokaliserad allmänbelysning eller allmänbelysning med separat platsbelysning är belysningsprinciper som påverkar energieffektiviteten i hög grad. Principerna omtalas ofta i kontorssammanhang men är applicerbara i alla sammanhang. Vy Allmänbelysning Belysningsstyrka i plan Allmänbelysning som belysningsprincip i ett väntrum innebär att belysningsstyrkan är jämn över hela ytan. Det betyder i sin tur att armaturer finns placerade med samma täthet i hela ytan. I exemplet finns armaturer med rundlysande ljusdistribution (se Armaturer) bestyckad med runda lysrör vilket ger installerad effekten 7,6W/m² Vy Lokaliserad allmänbelysning Belysningsstyrka i plan Lokaliserad allmänbelysning som belysningsprincip i ett väntrum innebär att belysningsstyrkan varierar så att den är högre vid exempelvis nummerlappsautomaten. Armaturerna finns placerade vid utvalda funktioner och i övrigt har rummet lägre belysningsstyrka. Med samma armatur som exemplet med Allmänbelysning blir den installerade effekten 6,2W/m². Antalet ljuspunkter har minskat från 27st till 22st.

Vy Allmänbelysning med separat platsbelysning Belysningsstyrka i plan Allmänbelysning med separat platsbelysning som belysningsprincip i ett väntrum innebär att det finns extra armaturer placerade vid utvalda funktioner utöver de armaturer som finns jämn placerade över hela ytan. Medelbelysningsstyrkan kan vara lägre än vid principen Allmänbelysning eftersom de väsentliga funktionerna är särskilt upplysta. I exemplet är den runtlysande armaturen från de andra två kompletterad med en pendlad armatur för nedljus bestyckad med kompaktlysrör. Den installerade effekten är den samma som vid principen Lokaliserad allmänbelysning 6,2W/m². Antalet ljuspunkter för allmänljus är minskat till 18st och antalet armaturer för utvalda funktioner är 8st. Funktionerna är nummerlappsautomat, soffbord, tidningsbänk och broschyrställ. Vy Allmänbelysning Belysningsstyrka i plan Belysningsprinciperna med allmänbelysning jämnt placerad i en ytan är vanliga. Det är också vanligt att fastighetsägare ser ytorna som tvådimensionella och missar att ge ljus på vertikala ytor och i tak i sin strävan att minimera antalet armaturer och sänka den installerade effekten. En yta med hög medelbelysningsstyrka där väggar och tak är mörka kommer alltid att upplevas mörk. Ett enkelt sätt undvika det är att använda armaturer med rundlysande ljusdistribution. En yta som är upplyst av nedåtriktat ljus, downlights o.dyl., kommer att behöva kompletteras med armaturer. Här är samma väntrum men med nedljus istället för runtlysande armaturer. Den installerade effekten är 4,9W/m². Den horisontella belysningsstyrkan håller tillräcklig nivå men skillnaden mot väggar och tak blir för stor (SS EN12464-1:2001).

Armaturer Vilken armatur är energieffektiv? En armaturs effektivitet anges av fabrikanterna som en armaturvekningsgrad (ett procenttal). Armaturer utrustade med reflektor med nedljus och asymmetrisk ljusdistribution har hög effektivitet ca 95 % medan en armatur med en opal kupa och runtlysande ljusdistribution har lägre effektivitet ca 60 %. Armaturers ljusdistribution Effektiviteten för särskilda opaka material har ökat effektiviteten till 80 % de senaste två åren med hjälp av ny teknik s.k. mikroprismor. Materialet som ljuset passerar är uppbyggt av små koner som fungerar som linser. Konernas utformning bidrar till att mindre ljus reflekteras tillbaka in i armaturen. Konerna bildar också en sorts avbländning av ljuskällan. De flesta armaturfabrikanterna har under året lanserat armaturer med microprismor. De finns för både LED- och lysrörsarmaturer. Utvecklingen av microprismor har skyndats på i utvecklingen av LEDarmaturer. Ljuset från LED är riktat och utan linssystem och avskärmning blir ljuset mycket bländande vid högre effekter. En armatur med direkt/indirekt ljusdistribution har armaturverkningsgrad ca 90 % medan en armatur med endast uppljus är värdet ca 60 %. Ytskikt Hur påverkas energieffektiviteten av ytskikt? De föremål och ytor som blir synliga för oss reflekterar ljus till våra ögon. En yta som är grovkornig, matt och mörkt färgad kommer aldrig se ljus ut trots att vi riktar armaturer mot den. Förutsättningen för den mest energieffektiva belysningen är att ytskikten och funktioner som ska belysas är släta, rena och ljusa. I ett garage med rena, vitmålade ytor räcker 1W/m² för en medelbelysningsstyrka 100 lux och 80 lux på vertikala ytor men behåller man betongen som den är behövs det dubbla, 2W/m². Garage med vitmålade Garage med betong

Belysningsstyrning Vilken belysningsstyrning blir energieffektiv? Automatisk belysningsstyrning behövs i allmänna anläggningar. Den enskilde släcker inte i trapphuset när han eller hon nått sin våning. Möjligheterna till automatisk släckning är fler nu med hjälp av elektronik. Alla metoder för automatiskt påslag av belysning utan människors närvaro är dåliga ur energieffektivitetssynpunkt. Andra villkor kan gälla som viktigare t.ex. säkerhet eller estetik. Utomhus behöver det finnas ljus dit vi är på väg, det räcker inte att ljuset tänds vartefter vi stegar framåt. Ljus för konst och för fasader är andra exempel. Typer av reglering manuell på/av automatisk på/av automatisk på/dimmning av manuell på/dimmning av manuell på/automatisk av tändning och släckning via tidur släckning via tidur Teknik för automatisk tändning och släckning via närvaro och dagsljus kan placeras i varje armatur eller en gemensamt för fler armaturer. Ju färre armaturer som styrs tillsammans ju högre energieffektivitet. I standarden SS EN 15193:2007 Byggnaders energiprestanda Energikrav för belysning rekommenderas att placera 1 sensor/rum eller minst 1 sensor/30m². Enligt samma standard står ett cellkontor för en person tomt 40% av arbetstiden 2500 timmar och med automatisk närvarogivare kan man förvänta sig att drifttiden minskas till 70 % av arbetstiden, från 2500 timmar till 1750 timmar men kontorets entréhall bedöms stå tomt 0 % av arbetstiden vilket betyder närvarostyrd belysning inte skulle påverka drifttiden. Vid placering av sensorer är det oerhört viktigt att förstå hur människor rör sig i lokalerna. De senaste åren har ett brett utbud av s.k. master/slav system kommit ut på marknaden. En master armatur som innehåller en sensor styr ett flertal slavarmaturer. Tekniken ska användas med eftertanke. Kan man bara komma in på en plats? Vad händer om någon stannar till där man inte syns från 1:a armaturen? Går man runt några hörn, osv. Automatisk tänd/släck som sker ofta påverkar elektronik och ljuskällor negativt och därför har ett flertal fabrikanter tagit fram styrningar som innebär en stegvis nedgång av ljuset. Frånvarodämpning och korridorfunktion är några av namnen på tekniken. I listan av typer heter tekniken dimmning av. När det är människor i rummet lyser belysningen 100 % och när rummet varit tomt i 15 minuter sänks nivån till 20 % för att slockna helt om inte någon kommer in i rummet inom ytterligare 15 minuter. Tiderna och nivåerna varierar mellan olika fabrikat.

Dimmning av armaturer sänker systemeffekten. Grafen visar en mätning utförd på en bordsarmatur bestyckad med ett lysrör 1x28 W FDH, sockel G5 ljusreglerad med en tryckknapp på armaturer. Maximal belysningsstyrka på mätytan var 910 lux vid systemeffekten 33W. Lysrör som ska dimmas ska först brännas in 100 timmar så att pulvret på rörets insida fördelas. Det är viktigt för att färgåtergivning och ljusutbyte ska bli det utlovade. Teknik för att bränna in lysrör före dimmning saknas. Val av ljuskällor vid automatisk reglering Ljuskällor som kan användas vid automatisk reglering som bygger på dimmning är: Raka lysrör (ej eco-rör), runda lysrör, kompaktlysrör, LEDarmatutrer (ej LEDlampor). Ljuskällor som kan användas vid automatisk, upprepad tänd/släck reglering utan att ta skada: Glödlampsersättare halogen, LEDlampor och halogenlampor lågvolt Ljuskällor som inte ska användas vid automatisk reglering: Metallhalogen och lysrörslampor dvs lysrör där elektroniken är integrerad med lampan.

System Energieffektiv är den belysning som med minst energi ger rätt belysning för aktuell synuppgift. Först när systemet är sammansatt kan bedömning göras om belysningen är energieffektiv eller inte. I många dokument anges mått på energieffektivitet i W/m² men energi är en produkt av effekt och tid. SS EN 15193:2007 anger beräkningsmetoder för det och ett värde LENI (Lighting Energy Numeric Indicator) är produkten av utnyttjad effekt per kvadratmeter och år LENI =W*A, kwh/(m² x år) Värdet i sig är inte nytt för BELOKs medlemmar, Akademiska Hus har t.ex. ställt krav på maximal kwh/(m² x år) i en graf för sina lab. men standarden har ett tabellverk med rekommenderade LENI tal för olika verksamheter och nu börjar den användas vid kravställning. I tabellen finns kontor, utbildningslokaler, sjukhus, restauranger, sporthallar, butiker och tillverkningslokaler. Ett kontor med belysningsprincipen Allmänbelysning med separat platsbelysning Utvalda funktioner för platsbelysning är skrivbord, soffbord och kopieringsstation. Armaturerna för allmänljus har direkt/indirekt ljusdistribution över arbetsplatser och runtlysande ljusdistribution i gångstråk och är jämt fördelade över respektive yta. Platsbelysning är nedljus på bord. Ljuskällor för allmänbelysning är raka och runda lysrör medan platsbelysningen är LED och kompaktlysrör. Ytskikt är ljusa och jämna. Belysningsstyrningen är i fyra delar; de runlysande armaturerna tänds manuellt och dimmas av, armaturerna för direkt/indirekt ljusfördelning har var och en egen givare som tänder automatiskt vid närvaro och dimmas av, armaturen på bordet har en inbyggd timer och armaturerna over soffbord och kopiering tänds och släcks via tidur/larm. Vy System för kontor Installerad effekt 9,6 W/m² varav allmänljuset utgör 7,5 W/m². Utan automatik har den här ytan ett LENI tal på 25 (kwh/m² och år) och med automatiken för släckning minskas drifttiden från 2500 timmar per år till 2250 timmar (0,9*2500) och nytt LENI tal är 21,6. Kontorets belysning uppfyller kraven (SS EN 12464-1:2011) avseende horisontell och vertikal ljusnivå, ljusfördelning, skuggor, reflexer, ljusfärg och färgåtergivning vilken är ljusets ursprungliga uppgift.

Framtida projekt Förslag Bränna in ljuskällor För att undvika färgförändringar och försämrat ljusutbyte för lysrör i automatiska dimmning av-system. Mäta energi för belysning Mätvärden för verklig sänkning av drifttider lägger grunden för investeringar i rätt teknik Utföra Teknikupphandling LED I ljuset av den framgång den riktade insats för koffertarmatuer hade i USA. Villkor och ramar för LEDarmatur enligt rapporten från 2008 (BELOK Teknikupphandling LED Förstudie 2008) Översätta krav för energieffektiv belysning i alla texter I kravspecifikationer ställs krav på installerad effekt W/m². De tabellerna gör bättre nytta om värdet uttrycks som LENI tal (kwh/m² och år. Samla LED erfarenhet Av BELOKs medlemmar har nu många installerat belysningsanläggningar med LED. Vilka erfarenheter finns? Följa upp utbytbara LEDenheter Ett nytt samarbete, Zhaga, (http://www.zhagastandard.org) markandsför nu att det skapas en ny framtidssäkrad, utbytbar LEDmodul. BELOKs medlemmar ger input till samarbetet och säkerställer att modulen är utbytbar för användare inte bara armaturtillverkare (likande Fortimo) /Hammarby 20111214

Referenslista/Källforteckning Annell Ljus och Form, LED kompendium 2009, Annell Ljus och Form, Ljuskällor kompendium 2010 Arbetsmiljöverket, AFS 1998:01 Belastningsergonomi Arbetsmiljöverket, AFS 1998:05 Arbete vid bildskärm Arbetsmiljöverket, AFS 2009:02 Arbetsplatsens utformning BELOK, Energikrav 2011 BELOK, Innemiljökrav 2008 BELOK, Teknikupphandling LED Förstudie 2008 En bok om belysning, Lars Starby Karin Fridell Anter, Ljus och färg och deras samverkan i rummet, Kunskapsöversikt Osram, Hemsida 2011 Osram, Utbildningsmatrial LED 2011 Philips Lighting, Hemsida 2011 SIS, SS EN 12464-1:2011 Ljus och belysning-belysning av arbetsplater Del 1:Arbetsplatser inomhus SIS, SS EN 12665 Ljus och belysning- Grundläggande tremer och kriterier vid specificering av belysningskran SIS, SS EN 15193:2007 Byggnaders energiprestanda Energikarv för belysning US Department of energy, hemsida för LED tester www.ssl.energy.gov/caliper.html

Ljustekniska begrepp Färgåtergivning (Ra) Åtta fasta färgprover belyses med: Referensljuskälla med Ra = 100 Ljuskälla som skall mätas Ra-värdet = genomsnittsavvikelsen Talar inte om hur respektive färg återges. Ett lägre index anger bara att färgerna inte återges lika men säger inte var i spektret de största skillnaderna finns.