SAMMANFATTNING AV SLUTRAPPORT FÖR PROJEKT MODELL FÖR OPTIMERAD ENERGIEFFEKTIVITET I BELYSNINGSANLÄGGNINGAR FÖR CELLKONTOR OCH KONTORSLANDSKAP Utveckling av grundprinciper för synkronisering av dagsljus och kompletterande belysning och en ljusdesignprocess som ger hög måluppfyllelse för god rumsutformning, ljusrelaterad hälsa, visuell komfort och energieffektivitet Monica Säter Avdelningen för Arkitektur, CHALMERS Post dok projekt genomfört i samarbete med Kristoffer Johnsson, JLT och Berndt Johansson, FranMan. 1
Ett post dok projekt om klimatsmart belysning för kontor Dagsljus är det mest klimatsmarta ljus vi har. Att leva med dagsljus så som det uppträder i rummet under dagen är det mest energieffektiva val man kan göra vad gäller belysning. Samtidigt som vi utnyttjar dagsljuset fullt ut får vi rätt information till vår kropp för att upprätthålla en väl fungerande dygnsrytm. Samarbeta med dagsljuset Om vi samarbetar med dagsljuset och fyller i bara där det verkligen behövs och när det behövs och på en nivå som stämmer med tiden på dygnet så får vi inte bara ett ljus i rummet som vi mår bra av utan samtidigt också en mycket låg energianvändning. Belysning behövs i första hand morgon och kväll Belysning behövs i rum med dagsljus när det är mörkt ute, morgon och kväll. När ljusnivån är låg ute bör ljusnivån även inne vara låg för att inte avvika för mycket från dagsljuset och riskera att störa dygnsrytmen. En höjning av allmänljuset över den nivå som ger ett trivsamt rum när det är mörkt ute är onödigt och påverkar brukaren och klimatet negativt. Trötta och stressade brukare Brukare är olika. Generella aktiverande åtgärder via allmänljuset slår därför fel. Individuella åtgärder, via platsbelysningen, fungerar bättre. Den som är trött kan ta stöd i höjda nivåer från platsarmaturen och den som känner sig stressad kan sänka ljusnivå på platsbelysningen för att uppleva behag. Båda kan göra det utan att störa varandra för mycket. Forskning i Belysningsvetenskap Belysningsplanering har som ämnesområde utvecklats starkt under 2000-talet. Planeringsforskning kan visa på vad olika styrkriterier för belysning har för effekt på energianvändningen nationellt och globalt. Att ställa om dagens anläggningar både vad gäller hur de används och vad gäller använd teknik, är vad som behövs för att komma ner i elenergianvändning. Utifrån ljusdata insamlade under året görs jämförelser I post dok projektet prövas olika teoretiska planeringsmodeller mot de ljusdata som samlats in under året. Den modell som utvecklats i projektet är den som har lägst medel- elenergi användning. Resultatet är uppnått genom att använda dagsljus fullt ut och att använda kompletterande belysning med stegvisa upptändningar. Teorimodellerna är prövade mot samma ljusförhållanden. Modellerna kan och ska diskuteras. Belysning kan utformas på många sätt. Hur vi utformar har olika påverkan på klimatet. De styrkriterier vi använder för belysning bör vara utformade med målet att bidra till lägre elenergianvändning mot den vi har idag för belysning. 2
Studiens resultat i kortform. Projektet indikerar att om belysningsplanering genomförs med en ljusdesignprocess utvecklad för att uppnå hög måluppfyllelse för ett trivsamt rum, ett gott brukarstöd och energieffektivitet (E-LDP) förbättras brukarnas ljusmiljö samtidigt som användningen av elenergi minskas markant. Uppskattad besparing på ca -95 % I projektets mätexempel för kontor minskas energiförbrukningen med ca 20-22 ggr (teoretiskt typvärde 16 ggr), till 0,55 W/ m², h. Detta motsvarar en besparingspotential på ca - 95 %, jämfört med referensalternativet på 12,4 W/ m², h från STIL2 motsvarande nuläget i svenskt kontorsbestånd. 50 % från tid och 50 % från minskad effekt Teoretiskt kom ca 50 % av besparingspotentialen från minskad tid och ca 50 % från minskad effekt. Detta motsvarar en minskad effektanvändning med 75 % och en minskad tidsanvändning med 75 % (1/ 0,25 x 0,25 =16). För närmare översikt av studiens resultat se matrisöversikter i bifogad tabell. 40 Lux på vägg Den stora besparingspotential som studien indikerar förutsätter ingen förändring av standardrekommendationer för allmänljus. Samtidigt visar studien att ca 40 (30-50) Lux på vägg i det rum som användes i projektet mycket väl räckte som trivselnivå för allmänbelysningen. Nyckel till stor energibesparing Det goda resultatet för såväl brukarstöd som energibesparing uppnås principiellt genom; Belysningsplanering med styrkriterier utifrån en rumslig, mänsklig och ergonomisk utgångspunkt. Dagsljusstyrning mot lägsta trivselnivå för allmänljus. Anpassning av ljusbehov över dagen till normal dygnsrytm. Dynamiska styrkriterier gällande dagsljus som minimerar användningen av en kompletterande belysning. Ljuskällor med högt lumental/w och låg effekt, som tänds upp stegvis när det behövs och i de delar av rummet där det behövs. Individuell platsbelysning (0-2000 Lux). Baserat på mätvärden från dagsljussensorer, synkroniseras och optimeras kompletterande belysning samtidigt som olika gränsintervall för rummets lägsta och högsta nivå på ljushet på vägg bevakas. Genomförandet av studien Projektets mätexempel utgår från rimligt goda dagsljusförhållanden. Mätningarna utfördes under 23 mätdagar 2013, fördelade på årets 12 månader. Mätningarna genomfördes mellan 8-19, under 11 timmar med 10 observationstillfällen under dagen. Vid jämförelse mot alternativa modeller för 3
belysningsplanering beräknade med datorbaserad ljusdesignprocess (D-LDP), har det mätexempel som utformats med E-LDP, lägst energianvändning. Modellen i studien är prövad såväl mot goda dagsljusförhållanden som mot mörker. Jämförelser i användning av elenergi mellan olika modeller beräknade i samma ljusförhållanden I studiens rumsexempel med rimligt goda dagsljusförhållanden, användes en modell utformad med E-LDP som hade en medelanvändning av elenergi på 1,5W/ m²& h under 23 mätdagar fördelade på årets 12 månader. När samma anläggning teoretiskt bestyckades om från LED/ Halogen till enbart LED blev medelanvändningen av elenergi 0,55W/ m²& h. Utifrån modellens ljusdata under mätdagarna gjordes jämförelser mellan studiens anläggning utformad med E-LDP och alternativa modeller utformade med datorbaserad ljusdesignprocess (D-LDP). Andra styrkriterier för användningen av dagsljus och kompletterande belysning påvisade en högre medelenergianvändning. För att bättre representera verklighetens skilda förutsättningar för dagsljus gjordes även jämförelser mellan de olika modellernas medelelenergianvändning vid mörkerförhållanden. Grov teoretisk potentialindikation med utgångspunkt från omvärldsanalys I studien har genomförts en omvärldsorientering med målet att ta fram en grov uppfattning om vad studiens resultat skulle kunna innebära. Siffrorna bör därför endast ses som grova teoretiska indikationer, under förutsättning att studiens metodik tillämpas under likartade förhållanden. Tab. Grov teoretisk indikation energibesparing EU, Sverige för belysning i allmänhet och kontor i synnerhet Nuläge Belysn.förbrukn (TWh) (Förbrukn.andel i %) Potential för planering m D-LDP och modern belysningsteknik Potential för planering m E-LDP och modern belysningsteknik Grov Tumregel 4:16 Antal ggr. Lägre förbrukn. (ggr) 1ggr 4 ggr 16 ggr Grov besparingspotential (%) ( 100 %) (-75 %) (- 93 %) Avser andel av förbrukningen totalt alt för kontorsbeståndet Nuv. förbrukn (TWh) (förbrukn.andel %) Sparpotential (TWh) (förbrukn.andel %) Sparpotential (TWh) (förbrukn.andel %) EU-27 Länder Belysning 760 (14 %) 570 (3,5 %) 700 (1,5 %) EU-27 Länder Kontor 164 (21,5 %) 120 (6 %) 155 (1,5 %) Sverige belysning 14 (10 %) 10 (3 %) 13 (1 %) Sverige Kontor 6,5 (46 %) 5 (11 %) 6 (4 %) Det kan alltså mycket väl vara så att den praktiska potentialen för energibesparing är mindre. Till exempel 2 ggr och - 50 % för modern belysningsteknik dimensionerad mot standard och 4 ggr - 75 % för belysningsplanering med E-LDP. Storleksrelationerna mellan planeringsmetoderna torde dock förbli desamma. 4
Bilaga 1a: Jämförelsematris Indikerad energibesparingspotential för olika planeringsmodeller Översikt simuleringsmodeller (För förklaring se tabell 8 nedan Styrkriterier Energiparametrar Indikerad Energibesparingspotential Måluppfyllelse Brukarkriterier Hög, Medium, Låg Typmodell Arbetsyta bordsplan inkl. platsbelysning (Lux) Vägg (Lux) Mätpunkt 184 cm Övriga ytor (Lux) Bordsplan Yttre omgivning Golvplan (Lux) Använd medeleffekt på 54 m² i ex, inkl ev. PB:s (W) Medeleffektanvändning/m² Mörkerförhåll. (W/ m²) Kompl. belysn./mätperiod Timmar (h) (23dgr x 11h)* Energianvändn. vid dagsljusförhållanden (W/ m², h) Energibesparing ) jämfört med referensalternativ Energieffektivitet i ggr vs referensalternativ F1 Trivsamt rum Psykologiskt brukarstöd Fysiologiskt brukarstöd Visuellt brukarstöd Energieffektivitet F 1 Äldre typkontor oftast planerat f 2000 881 - - 12,4 100 % 1 - - - - - Referensaltern. STIL2 Energimyndigheten F2a Kontor planerat e 2011 500/500 LED 500 500 > 528 9,8 253 9,8 21 % 1,3 M M L M L 200 F2b Kontor planerat e 2011 500/250 LED 500 250 > 394 7,3 253 7,3 41 % 1,7 M M L M L Dim 200 F3 Kontor planerat e 2011 100 Vägg LED PB:s 100 (208) 231 4,3 253 4,3-65 % 2,9 L L L L M Föda Kontor, planerat e 2011 500/250 LED 500 250 > 409 7,57 99 2,96 76 % 4,2 M M L M M Dagsljusstyrning mot 500/250 Lux PB:s dim. 200 FDb Kontor, planerat e 2011 LED (416) 200 (416) > 435 8,06 77 2,45 80 % 5,1 M M L M L Dagsljusstyrning mot 200 Lux vägg PB:s dim. 200 DLL m Kontor planerat m E-LDP PBs 40 132 2,44 253 2,44 80 % 5,1 H H H H H Specialfallet mörker LED/LED 40 Lux V DLH Kontor planerat m E-LDP PBs 40 427 7,91 63 1,97-84 % 6,3 H H H H H Dagsljusstyrning LED/Halogen 40 Lux V DLL Kontor planerat m E-LDP m Trivselnivå PB:s 40 132 2,44 63 0,61 95 % 20,3 H H H H H Dagsljusstyrning LED/LED 40 Lux V DLLn Kontor planerat m E-LDP, Dito ovan PBs 40 118 2,2 57 0,55-96 % 22,5 H H H H H Närvarosensor, schablon - 10 % PBs Platsbelysning enbart specialfall 400 15 0,28 86 0,1-99 % 124 - - - H H F= Fördefinierat värde; FD= Fördefinierat värde & Dagsljusstyrning. D = Dagsljuskvot och fördefinierat värde för trivselnivå PB:s = Platsbelysn separata, 3st, (Max 31 W) Av brukaren dimbar 0-2600 Lux, Snittvärde 400 lux (5W) under 35 % v tiden (0,1W/m², h) samt autoavstängning e 2h antas * = Mätperioden är 23 dagar x 11 h =253 h vilket på årsbasis ger 226 arbetsdagar x11h =2486 h dvs. ngt högre än Energimyndighetens medelvärde för kontor på 2200h/år 5
Bilaga 1b Tabellförklaring av simulerade typfall för ljusplanering ovan, Standard avser SS EN-12464-1 Simulerad ljusplanering Förklaring av typfallen Kommentarer till styrkriterier Planeringsmod./Beräkn.metod F1 Äldre typkontor, antas oftast planerade före 2000 Referensalternativ F2a F2b F 3 FDa FDb Kontor anl. planerad e 2011 mot 500/500 Lux, LED 80 lm/w Kontor anl. planerad e 2011 mot 500/250 Lux, LED 80 lm/w Kontor anl. planerad efter 2011 mot 100 Lux vägg LED 80 lm/w Kontor - planerat efter 2011 mot 500/250 Lux LED 80 lm/w Dagsljusstyrning Ej närvarosensor, pga. indifferent mellan alternativ Kontor planerat e 2011 mot 200 Lux vägg; LED 80 lm/w Dagsljusstyrning Ej närvaro sensor, pga. indifferent mellan alternativ Avser storrum, kontorslandskap (ej individuellt kontorsrum) Resultat från Energimyndighetens STIL2 projekt -energin. i våra lokaler (sid11) 2010. Siffror avser 2005 (aktuellare saknas) Belysningsanläggningarna bör kunna antas vara ca 5 35 år Kontorsrum har ofta en inst.effekt nära 20 W/m² enl. Energimynd. 500 Lux antas gälla 100 % av ytan i bordsplan Platsbelysning integrerad Ger golvvärde > 200 Lux 500 Lux på arbetsytan (50 % av rumsarean) 200 Lux på golv o övriga ytor (50 % av rumsarean) Ger golvvärde > 200 Lux Platsbelysning integrerad Styrd mot 100 Lux på vägg (100 % av rumsytan) Ger 208 Lux på bord/arbetsyta Ger golvvärde > 200 Lux 500 Lux över arbetsytan (50 % av rumsytan) 200 Lux på golv utanför arbetsytan (50 % av rumsytan) Anläggning slås på när arbetsyta < 500 Lux och behålls efter påslag Ger golvvärde > 200 Lux Om anläggningen är påslagen används den under resten av dagen Styrd mot 200 Lux på vägg 184 cm ö golv (50 % av rumsytan) Ger 416 Lux på bord/arbetsyta (50 % av rumsytan) Anläggning slås på när vägg < 200 Lux på vägg; behålls e påslag Givet värde ur STIL2 D-LDP-Datorbaserad ljusdesignprocess. Enbart dimensionerad för fördefinierade värden. D-LDP-Datorbaserad ljusdesignprocess. Enbart dimensionerad för fördefinierade värden D-LDP-Datorbaserad ljusdesignprocess. Enbart dimensionerad för fördefinierade värden D-LDP-Datorbaserad ljusdesignprocess. dimensionerad för dagsljusstyrning och fördefinierade värden D-LDP Datorbaserad ljusdesignprocess. dimensionerad för dagsljusstyrning och fördefinierade värden DLLm Dito DLL, men specialfallet mörker Speglar anl. Mörkerenergieffektivitet med E-LDP kriterier 0 h Dagsljus ger 253 h mörker DLH Kontor planerat med E-LDP Dagsljuskvot & fördefinierat värde för trivsel LED/Halogen Dagsljus och kompletterande belysning med stegvis upptändning och styrning mot lägsta trivselnivå 40 (30-50) Lux för säker visuell orientering över hela golvytan. Dagsljus+ LED för aktiverande ljus under dagen. Halogen under em/kväll för avkopplande belysning. Lägsta nivå för trivsel bevakas. Allmänbelysning styrs i detta fall manuellt mot en trivselnivå ca 40 (30-50) Lux på vägg vid mörkerförhållanden, Denna nivå motsvarar säkerhetsnivån för normalseende dvs. att normal text 12p på vitt papper kan lätt läsas utan platsbelysning. Inre kompletterande belysning kompenserar det sjunkande dagsljuset. För övrigt är nivån det dagsljuset ger. Individuellt dimbar platsbelysning (0-2600 Lux) DLL (DLLn) Kontor planerat med E- LDP Dagsljuskvot & fördef. värde för trivsel LED/LED, 40 Lux på vägg Dito ovan men m samt armaturer bestyckade med LED Dito fall 6 ovan men LED, dvs. trivselnivå ca 40 (30-50) Lux Vägg Individuellt dimbar platsbelysning (0-2600 Lux) (DLLn specialfall med närvarosensor som antas spara 10 %) PB Specialfall referensalt. med enbart separat platsbelysning 3st x Max 31 W, Av brukaren dimbar 0-2600 Lux, Snitt 400 lux (5W) 35 % v tiden (0,1W/m², h), Avstängn e 2h antas F= Fördefinierat värde; FD= Fördefinierat värde & Dagsljusstyrning. D = Dagsljuskvot och fördefinierat värde för trivselnivå E-LDP Manuell planering mot lägsta trivselnivå. Styrs av faktiska mätvärden Automatisk dagsljuskontroll mot dagsljuskvot- E-LDP Manuell dito ovan D2 omräknad till LED Kan ses om specialfallet att all allmänbelysning är släckt 6
Bilaga 3c. Förklaring av brukarens måluppfyllelse i ovan tabell Brukarkriterie Måluppfyllelse Ljusdesign H = Hög, M = Medium, L = Low Trivsamt rum H Dagsljusbelyst rum med kompletterande belysning som följer dagsljusets nivåer i rummet och kompletterar med en låg ljusnivå som lyfter fram rummet på ett beskrivande och trivsamt sätt. L Dagsljusbelyst rum med kompletterande belysning som inte följer dagsljusets nivåer, kompletterar på en hög nivå på ett sätt som inte beskriver rummet på ett trivsamt sätt. Psykologiskt brukarstöd H Dagsljus och kompletterande belysning bidrar till att rummet är trivsamt att vistas i, stödjer vakenhet och vila. L Dagsljus och/ eller kompletterande belysning bidrar inte till att rummet är trivsamt att vistas i eller stödjer vakenhet och vila vid rätt tidpunkt på dygnet. Fysiologiskt brukarstöd H Brukaren vistas i dagsljus så långt rummets dagsljussituation tillåter. Brukaren har en kompletterande aktiv belysning på morgonen vid behov och en avkopplande kompletterande belysning kvällstid vid behov. Den kompletterande belysningen följer dagsljusets nivåer ner mot lägsta trivselnivå och har en spektralkomposition som grovt ansluter till dagsljusets förändring under dagen. L Den kompletterande belysningen används för att upprätthålla ett fördefinierat belysningstekniskt värde. Brukaren har en kompletterande belysning som fungerar aktiverande. Den kompletterande belysningen följer inte dagsljusets nivåer och har inte en spektralkomposition som ansluter till dagsljusets förändring under dagen. Visuellt brukarstöd H Dagsljuset har avskärmning för att inte bidra till upplevelsen av visuell diskomfort. Dagsljus och kompletterande belysning utformat i kontakt med rummets kontrastsituation. Brukaren har ett brett spann för ljusnivå på platsljuset och är omgiven av ett allmänljus som ofta är på en lägre nivå än den som är på arbetsytan. L Dagsljuset saknar avskärmning och riskerar att bidra till visuell diskomfort. Dagsljus och kompletterande belysning inte utformat i kontakt med rummets kontrastsituation Brukaren har begränsat spann för ljusnivå på platsbelysningen och är ofta omgiven av ett allmänljus på ett högre/lika hög ljusnivå som på arbetsbordet. Energieffektivitet H Energieffektivitet utifrån det planering och byte till modern ljusteknik ger. L Energieffektivitet utifrån det bytet till modern ljuskälleteknik ger. 7
8