Épületenergetika, HUHR/1001/2.2.1/0009
ENERGIAHATÉKONY BELTÉRI VILÁGÍTÁS Marinko Stojkov, PhD, Damir Šljivac, PhD; Danijel Topić, Kruno Trupinić, M. Sc, Tomislav Alinjak, Stevče Arsoski, Zvonimir Klaić, PhD, Dražan Kozak, PhD
2012
Tartalomjegyzék 1.
BEVEZETÉS ........................................................................................................................ 3 1.1. Természetes napfény ....................................................................................................3 1.2. Emberi fényigény ........................................................................................................8 1.3. Az emberi szem és érzékenység a fényspektrumra ...................................................8 1.4. Természetes beltéri világítás ......................................................................................12 ahol: .....................................................................................................................................14 1.5. Fény szintjének szabályozása beltéri területeken.......................................................14 1.6. Beltéri falak színének befolyása a fényintenzitásra ...................................................17 2. MESTERSÉGES BELTÉRI VILÁGÍTÁS.......................................................................... 17 2.1. Alapvető fotometriai mennyiségek ............................................................................17 2.2. Szükséges megvilágítási értékek a tér céljával összefüggésben ................................24 2.3. Fény színhőmérséklete ...............................................................................................25 Színhőmérséklet ...................................................................................................................25 2.4. Mesterséges fényforrások fejlődése ...........................................................................29 2.5. Hagyományos (konvencionális) mesterséges fényforrások .......................................32 2.6. Fényerősség-eloszlás ..................................................................................................49 2.7. Mesterséges fényforrások felosztása öregedése .........................................................50 3. Világítás és energiahatékonyság .......................................................................................... 50 3.1. Világításhoz igényelt éves energia egy épületben az EN 15193 (kwh/év) szabvány szerint ...................................................................................................................................52 3.2. Világításkezelő rendszerek .........................................................................................53 3.2.1. Kiegészítő és modern intézkedések javított energiahatékonyságú világításkezeléshez ............................................................................................... 58 3.3. Világítási energia numerikus index (LENI) ...............................................................60 3.4. Mérési és számítási módszerek egy épület világítási rendszerében fogyasztott elektromos energia meghatározásához.................................................................................62 3.4.1. Épület világításához szükséges elektromos energia mérése ................ 62 3.5. A LENI-t befolyásoló tényezők .................................................................................73 3.5.1. Az a tényező, amely meghatározza a mesterséges megvilágítás függését a napfénytől ............................................................................................................. 73 3.5.2. A világítás használatát és a világítás vezérlését mutató tényező ......... 92 3.5.3. A világítás állandó kimenő teljesítményével összefüggő tényező és a karbantartási tényező (MF) .................................................................................. 99 4. Gázkisüléses fényforrások................................................................................................. 101 4.1. Fénycsövek...............................................................................................................101 4.1.1. Mik a fénycsövek? ............................................................................. 101 4.1.2. Történelmi fejlődés ............................................................................ 101 4.1.3. Lumineszcencia .................................................................................. 104 4.1.4. A fénycsövek szerkezete .................................................................... 106 4.1.5. Hidegkatódos fénycsövek .................................................................. 109 4.1.6. A kibocsátott fény spektruma............................................................. 110 4.1.7. A fénycsövek hatásfoka ..................................................................... 112 4.1.8. Élettartam vége .................................................................................. 113 4.1.9. Fénycsöveken található jelölések ....................................................... 114 4.1.10. Fénycsövek típusai ............................................................................. 115 4.1.11. Fénycsövek előnyei és hátrányai........................................................ 117 4.2. Kompakt fénycsövek................................................................................................ 119 4.2.1. Bevezetés ........................................................................................... 119 4.2.2. A kompakt fénycsövek felépítése ...................................................... 120 1
5.
6. 7. 8.
4.2.3. A kompakt fénycsövek működése és típusai...................................... 122 4.2.4. A kibocsátott fény spektruma............................................................. 123 4.2.5. A kompakt fénycsövek hátrányai ....................................................... 125 4.2.6. A környezetre és az emberi egészségre gyakorolt hatás .................... 126 4.3. A kompakt fénycsövek energiahatékonysága ..........................................................128 4.3.1. Összehasonlítás a hagyományos izzókkal.......................................... 128 4.3.2. Az energiatakarékos izzók használatát ösztönző európai irányelvek 132 4.4. Indítókapcsolós eszközök ........................................................................................133 4.4.1. A fénycső gyújtója ............................................................................. 133 4.4.2. A fénycső előtéte ................................................................................ 138 VILÁGÍTÓ DIÓDÁK – LED-ek ...................................................................................... 141 5.1. A LED-ek fényszínei és a LED-ek gyártásához használt anyagok ..........................142 5.2. Fehér LED ................................................................................................................143 5.3. Nagy teljesítményű LED ..........................................................................................144 5.4. Világító diódák hűtése ..............................................................................................145 5.5. A LED-ek műszaki adatai és jellemzői ....................................................................148 5.6. A LED lámpák fotometrikus paraméterei ................................................................148 5.7. A LED mint a hagyományos izzók és fénycsövek helyettesítője ............................148 5.8. Hagyományos égők és LED beltéri világítási égők összehasonlító táblázata .........151 5.9. LED energiahatékonysága .......................................................................................152 5.10. LED színhőmérséklete és színvisszaadása ...........................................................152 5.11. A fényáram dinamikus paramétereinek fenntartása és a világító diódák élettartama153 Esettanulmányok ............................................................................................................... 154 VÉGKÖVETKEZTETÉS ................................................................................................. 167 HIVATKOZÁSOK ............................................................................................................ 168
2
1. BEVEZETÉS 1.1. Természetes napfény
Hullám amplitúdója
A fény, azaz az elektromágneses hullámok természetét a kettősség jellemzi, és fizikai szempontból egyaránt leírható a fény kvantum- (korpuszkuláris) elméletével (Planck-féle elmélet), és a fény elektromágneses (hullám-) elméletével (Maxwell-féle elmélet). A kvantumelmélet szerint egy mozgásban levő tömeg minden része kapcsolódik egy hullámmal, amelynek a hullámhosszát a következőképpen definiálják: h λ= (1.1) mc ahol: • λ – a hullámmozgás [m] hullámhossza • h – Planck-állandó, 6,6256·10-34 Js • m – részecsketömeg [kg] • c – részecskesebesség [m/s]. Mivel a fény természete hullámokat is magában foglal, a hullámot jellemzi az amplitúdója, frekvenciája, hullámhossza és sebessége is, 1.1. képlet
1.1. kép Fényhullám jellemzői A hullámterjedési sebesség a következőképpen írható: c=λf (1.2) ahol: • c – hullámterjedési sebesség [m/s]. • λ – hullámhossz [m] • f – frekvencia [Hz]. A hullámterjedési sebesség függ a közegtől is, amelyen keresztül a hullám terjed, miközben a frekvencia nem közegfüggő. Ezért a hullámhossz, mint a hullámterjedési sebesség, függ a közegtől. A fény sebessége vákuumban 2,99793·108 m/s, és az összes alábbi helyzetben állandó értékűnek tekinthető. Érdemes megemlíteni, hogy a fény minden hullámhossza egy 3
konkrét fotonra vonatkozik, és, hogy az energia az összes hullámhosszon oszlik szét, amiért egy foton energiája fordítottan arányos annak hullámhosszával. A sugárzó energia spektruma túlterjed a 10-16 és 105 m közötti hullámhossztartományon. A legnagyobb energia a legkisebb hullámhosszú fotonokból származik, a nagy hullámhosszú fotonok (rádióhullámok) rendelkeznek a legkisebb energiával. Ami a világítást illeti, az elektromágneses spektrumnak három olyan tartománya van, amely számít. Ezek az ultraibolya, a látható és az infravörös tartományok. Az 1.2. ábra a fény egy elektromágneses spektrumát mutatja. Frekvencia [Hz]
Hullámhossz [m]
Ultraibolya fény
Látható fény
1.2. ábra Fény elektromágneses spektruma (A – kozmikus sugarak, B – gammasugarak, C – röntgensugarak, D – ultraibolya tartomány, E – látható fény, F – infravörös tartomány, G – rádiófrekvenciák) Ahhoz, hogy az anyagi testek közötti hőcserét jobban lehessen leírni és megérteni, a tökéletes fekete test fogalma használható, amely etalonként szolgál az anyagi testek megjelenésének elemzésekor. Egy fekete test teljesen elnyel minden elektromágneses sugárzást, tekintet nélkül a hullámhosszra és az irányra. Továbbá, semmilyen egyéb test nem képes kibocsátani több sugárzást egy adott hőmérsékleten és hullámhosszon, mint amit egy fekete test képes, így az utóbbi diffúz kibocsátónak tekinthető, ami azt jelenti, hogy a sugárzásának intenzitása nem függ a terjedési iránytól. Az 1948 és 1979 közötti időszakban a platina fagyási hőmérsékletén (2042 K) működő fekete test luminanciáját (fénysűrűségét) használták nemzetközi referencia szabványként a fényerősség definiálására (ez 60 cd/m2 fénysűrűséget jelentett). 1979-ben került bevezetésre a kandela a fényerősség új egységeként. 4
A Planck-féle sugárzási törvény A fekete test által kibocsátott sugárzás intenzitása [W/m3] az abszolút hőmérséklet és a hullámhossz függvényének tűnik, és a kiváló Planck-féle függvény [1.1] fejezi ki:
Iλ ,c
ahol: • • • • •
2 ⋅ h ⋅ c02 = λh⋅⋅kc⋅0T λ 5 e − 1
W / m 3 (1.3)
h=6,6256·10-34 Js – Planck-állandó k=1,3805·10-34 J/K – Boltzmann-állandó c0=2,99793·108 m/s – a fény sebessége vákuumban T – abszolút hőmérséklet [K] λ – hullámhossz [m]
Stefan–Boltzmann-törvény A spektrum a hullámhosszak azon részének bemutatására alkalmazott kifejezés, amelyből a sugárzás áll. A látható sugárzás (fény) spektrumát legközönségesebben a fény egy meghatározott közegen, például prizmán, lencséken és hasonlókon történő refrakciójának segítségével ábrázolják. Elvben a rövidhullámú sugárzás nagyobb refrakciót szenved, mint a hosszúhullámú. A látható spektrum optikai megjelenítésének legismertebb példája a szivárvány. Az elektromágneses sugárzások azokban a hullámhosszakban vagy frekvenciákban különböznek, amelyekből állnak. Ezért a sugárzást alkothatja csupán egyetlen hullámhossz, vagy számos hullámhossz vagy frekvencia, így különbséget lehet tenni az alábbiak között: • Monokróm sugárzás • Integrált (komplex) sugárzás A monokróm sugárzás csak egyetlen hullámhosszú elektromágneses sugárzásra, azaz egy, az átlagos hullámhossz által kijelölt keskeny spektrumsáv (például 10 nm) sugárzására vonatkozik. A monokróm sugárzástól eltérően a komplex sugárzás több különböző hullámhosszt ölel fel, és ebben az esetben külön lehet választani a folytonos és nemfolytonos sugárzást. A folytonos sugárzás szélesebb spektrumú sugárzásból áll, eltolódás nélkül. Ha vannak eltolódások, akkor az nem folytonos, hanem nem-folytonos sugárzás. Az 1.3. ábra a nappali sugárzás spektrumát mutatja be.
5
1.3. ábra Nappali sugárzás spektruma [1.2] Egy folytonos spektrum bemutatására a legjobb mód egy izzószálas izzólámpa spektrumeloszlásának bemutatása. Egy izzószálas izzólámpa spektrumának eloszlás látható az 1.4. ábrán.
1.4. ábra Izzószálas izzólámpa spektrális sugárzása [1.2] A fénycsövek, nagynyomású higanygőzlámpák és parázsfénylámpák jelentik a nemfolytonos spektrális eloszlás példáját. Az 1.5. és 1.6. ábrák nem-folytonos spektrális sugárzást foglalnak magukban fénycső és nagynyomású higanygőzlámpa esetén.
6
1.5. ábra Hideg fehér fénycső fényének spektrális eloszlása [1.2]
1.6. ábra Nagynyomású higanygőzlámpa spektrális eloszlása [1.2] A folyamatos spektrumokat a konkrét spektrális területek közötti enyhe átmenetek jellemzik (pl. szivárvány). Ezt a jelenséget grafikusan egyetlen, eltolódások nélküli görbével mutatják be, 1.4. ábra. A vonalas spektrumok bemutatása egy színképvonal vagy több, konkrét monokróm sugárzásból származó kölcsönösen korlátozott színképvonal segítségével történik. Az ilyen színképvonalak bemutatása grafikusan történik keskeny (függőleges) téglalapok formájában, amelyek területe arányos a megfelelő sugárzás áramlásával. Egy ilyen téglalap szélessége megfelel egy 10 nm hosszúságú intervallumnak. A sugárzás áramlása helyett a sugárzási spektrumot nagyon gyakran a sugárzó energia relatív spektrális eloszlása határozza meg. Jelenleg az 555 nm számot leggyakrabban egy konkrét érték 100%-aként vagy 1-ként használják, miközben minden más érték megadása a korábbi értékhez viszonyítva történik. 7
1.2. Emberi fényigény Ahhoz, hogy egy területet jó minőségű megvilágítással lehessen ellátni, a fénysűrűségi követelmények mellett minőségi és mennyiségi igényeket is ki kell elégíteni. A fénysűrűségi követelményeknek három alapvető emberi szükséglet kielégítésére kell irányulniuk, ezek pedig a látási komfort, a látási paraméterek, és a biztonság. A látási komfort egy meghatározott helyiségben tartózkodó személy által érzékelt kellemesség érzését jelenti, míg a látási paraméterek vizuális feladatok végrehajtásának lehetőségével járnak együtt, még nehéz körülmények között, és hosszabb időszakok alatt is. A látási paraméterek olyan módon függnek a fénysűrűség szintjétől, hogy az elfogadhatóságuk párhuzamosan emelkedik a fénysűrűségi szint növekedésével. A legfeljebb 1000 lx nagyságú értékek esetén ez a függőség eléggé nyilvánvaló, míg az 1000 lx értéket meghaladó fénysűrűségi szintek a függőség csökkenését okozzák. Azonban a rendkívül nagy fénysűrűségi szintek hajlamosak jelentősen csökkenteni a látási képességeket. Az arcvonalak felismerése legfeljebb 20 lx értéket igényel, miközben a folyamatos munkát legalább 200 lx fénysűrűségnek kell kísérnie. A különösen komplex és megerőltető feladatokat illetően a megfelelő fénysűrűség néha eléri a 2000 lx értéket, különleges helyiségekben, mint például műtőtermekben pedig a szükséges fénysűrűség 20000 lx értékre növekedhet. Mindazonáltal egy terület fénysűrűségének igényelt szintje nyilvánvalóan függ annak céljától. Ezekre az értékekre vonatkozó további részleteket a 2.2. fejezet tartalmaz. A helyiség megvilágításának műszaki leírására vonatkozó fő paraméterek a következőket foglalják magukban: • Fénysűrűség-eloszlás • Fénysűrűség • Ragyogás • Fény fókusza • Színvisszaadás • Csillogás • Napfény
1.3. Az emberi szem és érzékenység a fényspektrumra Az emberi szem anatómiája Az emberi szem egy olyan szerv, amelynek segítségével látjuk a fényt és a színeket. A szem a fényt idegi impulzusokká alakítja át, amelyeket az agy kap meg, és az ember képekként fog fel. Ahhoz, hogy a szem képes legyen a látásra, lennie kell egy fényforrásnak és tárgyaknak, amelyeket meg kell világítani ahhoz, hogy láthatók legyenek. Az emberi szem a kamerákhoz hasonlóan működő szerv, amelynek átlátszó elülső részei megtörik a fénysugarakat, egy lekicsinyített és fordított képet vetítve a fényérzékeny retinára, ahol az arra szakosodott idegsejtek vállalják az átalakítást elektromos idegi impulzusokká. A szem a legfontosabb emberi érzék, mivel a környezetből érkező összes információ körülbelül 90%-át szerzi meg, ezzel lehetővé téve a fényérzékelést, a látást, a látható fény színei közötti különbségtétel lehetőségét, és a mélységérzékelést. Az emberi szem látószöge függőlegesen körülbelül 130°, vízszintesen pedig 180°. Minden szemmozgást három pár szemizom irányít, amelyek közül egy pár ferde izom, két pár pedig szemizom. A szemgolyó három tengely körül tud forogni, mint egy kardántengely, és három réteget foglal magában:
8
•
•
•
külső réteg – a szem szilárdságát és alakját biztosító félig átlátszó ínhártyából (sclera) és egy átlátszó szaruhártyából (cornea) áll. A szemizmok a külső réteghez kapcsolódnak. középső réteg – egy érhártyából, egy szivárványhártyából, és egy sugártestből áll. Sok véredény szövi át, és tartalmaz egy pigmentet, amely megakadályozza, hogy a fény a pupilla területe kivételével bármely ponton behatolhasson a szemgolyóba. belső réteg – a retinából áll, amely két részből tevődik össze: optikai és vak részből. A retina egy fékig átlátszó hártya, amely kb. 40 típusú idegsejtből tevődik össze. A retina középső részét egy sárga pigmentálás foglalja el, amely a látás élességét szabályozza. Ezt a helyet népesítik be legjobban az idegsejtek. A pigmentált sárgafolt a látóideg közelében helyezkedik el, amely érzéketlen a fényre, így a vetítését a látómezőben vakfoltnak hívják.
Az 1.7. ábra az emberi szem metszetét mutatja be.
1.7. ábra Az emberi szem metszete ahol: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9)
– üvegtest – lencse – optikai tengely – szaruhártya – szivárványhártya – vakfolt – sárga pigmentálás – látóideg – retina
Kép létrehozása A szemben a kép létrehozásának elve leginkább egy közönséges kamera általi kép létrehozásának elvére hasonlít, mint már fentebb említettük. Az emberi szem optikai rendszere olyan módon működik, hogy a látómező lekicsinyített és fordított képét hozza létre a retinában. A fény megtörik a szaruhártyán, továbbá a lencse alkalmazkodóképessége úgy 9
korrigálja, hogy a fókusz a retinára kerüljön, ahol a fényérzékeny receptorok találhatók. Ezek a receptorok a fotonhatásokat elektromos idegi impulzusokká alakítják, és azokat az agyba küldik, amely kibocsátja az általunk ténylegesen látott képet. Az 1.8. ábra egy kép létrehozására vonatkozik.
1.8. ábra Kép létrehozása a szemben [1.2] Az emberi szem érzékenysége a látható spektrumra Az emberi szem az elektromágneses spektrumnak csak a látható részét képes látni (1.2. ábra). A látható fényt az ultraibolyától az infravörös tartományig terjedő elektromágneses sugárzás jelenti, azaz, a 380 nm (UV) és 780 nm (IR) hullámhosszak közötti elektromágneses sugárzás. Az ezen a tartományon túli minden egyéb elektromágneses sugárzás láthatatlan az emberi szem számára. A napfény a látható fény összes hullámhosszának összegeként jelenik meg. Ha ezek a hullámhosszakat az emberi szem a sugárzás mennyisége alapján egyénileg azonosítja és egyenlően elosztja, akkor az 1.9. ábrán bemutatot5t görbéről lehet beszélni. Ezt a görbét a Nemzetközi Világítási Bizottság (International Commission on Illumination – Commission Internationale de l´Eclairage – C.I.E.) által rengeteg emberen lefolytatott kutatás alapján rajzolták [1.2], [1.3].
10
Szem érzékenysége [%]
éjszaka
nappal
Hullámhossz [m] 1.9. ábra Az emberi szem monokróm sugárzásra érzékenységének görbéje Az 1.9. ábra elemzése azt a tényt tárja fel, hogy a nappali fény során – fotopikus látás – (napsütéses nap), az emberi szem az 555 nm hullámhosszú elektromágneses sugárzásra a legérzékenyebb, amely a zöld tartománynak felel meg, miközben gyengén reagál a vörös és az ibolya tartományhoz tartozó hullámhosszú sugárzásra. Éjszaka (szkotopikus) az emberi szem a rövid hullámhosszú sugárzásokra, mint például a kék és az ibolya tartományt lefedő hullámhosszakra a legérzékenyebb (Purkinje-jelenség). Ezt az állítást megerősíti az 1.5. ábrán található diagram, így azt lehet mondani, hogy ezek a hullámhosszak nagyobb érzékenységi szintet nyújtanak, ha a megvilágítás nem annyira intenzív, és így megkönnyíti a kék és ibolya finom eltéréseinek megkülönböztetését. Az emberi látórendszer megfelelő működése magában foglalja az adaptációt a különböző fényviszonyokhoz. Az emberi látórendszer nagy fénysűrűségi tartományon belül képes feldolgozni az adatokat, de nem képes mindet egyszerre feldolgozni. A megvilágítás széles ingadozásai következtében, amelynek a retina ki lehet téve, pl. egy napsütéses naptól hóval a talajon a teljes sötétségig, a látórendszerek rákényszerülnek az érzékenységük módosítására, és ezt a folyamatot az emberi szem adaptációjának nevezik. Ez a folyamat tulajdonképpen három különböző ciklusból áll. A ciklusok a következők: • pupilla méretváltozása – a szivárványhártya tágul vagy szűkül a retina fénysűrűségi szintjétől függően. Jó tudni, hogy a szivárványhártya sokkal nagyobb sebességgel szűkül, mint tágul. A szivárványhártya szűkülési ideje körülbelül 0,3 mp, miközben a tágulási ideje körülbelül 1,5 mp, [1.4], [1.5]. A pupilla méretváltozási távolsága meglehetősen nagy, és eléggé egyéni. Eltekintve a retina fénysűrűségi szintje általi befolyástól, a pupilla méretét szabályozhatják az érzelmek, mint például a félelem vagy az extázis is. A pupilla átmérője fiatal embereknél 3 mm-től, amikor a retina erősen megvilágított, 8 mm-ig terjedhet, amikor a retina fénysűrűségi szintje meglehetősen alacsony [1.6]. Az idősebb embereket kisebb retinaátmérő jellemzi, ha ugyanakkora retina fénysűrűségi szintnek vannak kitéve (1.10. ábra). • Neurális adaptáció – a látórendszer szinaptikus interakcióiból eredő gyors érzékenységváltozást jelenti, és kevesebb mint 200 ms ideig tart [1.7]. 11
Fotokémiai adaptáció – a retina fotoreceptorai fotopigmentációt tartalmaznak, amely az A vitamin egy instabil aldehidjévé, és egy opszinnak nevezett proteinné bomlik le, amely energiát állít elő, ami az elektromos jeleket továbbítja az agyhoz, ahol azok képpé alakulnak. Sötétben a pigmentek regenerálódnak, és újra képessé válnak a fény elnyelésére. A szem érzékenysége korrelál a pigmentáció százalékarányával. Ha a retina állandó sugárzásnak van kitéve, akkor a pigmentáció egyensúlya elérhető, mivel, ha a retina fénysűrűségi szintje változik, akkor a pigmentáció vagy fehérré válik, vagy regenerálódik annak érdekében, hogy újból egyensúlyba kerüljön. A fotokémiai reakció befejeződése pár percet vesz igénybe. Ezért az érzékenység változásai és azok okai közé egy időhézag kerül.
Pupillaátmérő [mm]
•
Életkor [években] 1.10. ábra A pupillaátmérő és az életkor korrelációja [1.4]
1.4. Természetes beltéri világítás Az emberiség kezdetétől a XVIII. század végéig két elérhető fényforrás volt. Ezek a napfény, mint a legrégebbi fényforrás, és a láng, mint az első mesterséges fényforrás voltak. Ha a napfényt (nappali fényt) világítási kontextusban említik, akkor ez azt jelenti, hogy az építészet állandóan alkalmazkodik a világítási igényekhez a nappali fény szerint. Ez az oka, hogy az épületeket és szobákat miért tájolták a napsugarak felé. A szobák mérete szintén függött a napfény rendelkezésre állásától. Éghajlattól függően és a nappali fény alapján különféle építészeti világítási típusok fejlődtek ki. Ez azt jelenti, hogy a hidegebb és felhősebb területek ösztönözték a nagyobb és magasabb ablakú épületek építését, hogy kihasználják a lehető legnagyobb mennyiségű természetes fényt. Amikor a nappali fény bejut egy beltéri területre, egyformán és diffúzan terjed szét az egész helyiségben. Ez probléma lehet, mivel nagy napfényintenzitások esetén árnyékokat, ragyogást, és a megfelelő területek túlmelegedését eredményezi. Hidegebb és felhősebb területeken ez mégis figyelmen kívül hagyható az ilyen napok alacsony gyakorisága következtében. 12
Az alacsony levegőhőmérsékletű és felhősségű területektől eltérően a nagy napfénybesugárzásos területek komoly problémákkal nézhetnek szembe a fenti jelenségek következtében. Ezért az épületeknek ezeken a területeken kisebb ablakaik vannak, amelyek főként azok alsóbb részein helyezkednek el, miközben a kültéri falakat erősen visszaverő színekre festik. Ez megakadályozza, hogy a napsugarak bejussanak az épület belső területeire [1.8]. Az 1.11. ábra a fenti építészeti stílusok példáját nyújtja.
1.11. ábra Építészeti példák sok napfénnyel rendelkező területeken (Dél-Spanyolország) és alacsony napfénybesugárzásos területeken (Észak-Németország) [1.9], [1.10] A kortárs építészet egyre jobban törődik a napfény befogadásával, de a napfénynek való túlzott kitettséggel is. Ez a hőnyereségek szabályozása és optimalizálása, és a fénysűrűség szabályozása iránti igényből ered. Erre a célra napvédő rendszereket alakítottak ki. Az ilyen rendszereket a külső környezet körülményeihez igazították, és megfelelő munka- és szálláskörülményeket biztosítanak. Ami a nagy fénysűrűség elleni védelmet illeti, a következő megoldások állnak rendelkezésre [1.11]: • architektonikai geometria: zöldterületek, verandák, előtetők, kiugrások, balkonok • a naptól való kültéri védelem elemei: különféle mobil és rögzített napárnyékoló egységek, kültéri zsalugáterek • ablakzsaluk, napellenző ponyvák, intelligens homlokzatok, modern üvegezés stb. • a naptól való védelem beltéri elemei: ablakzsaluk, zsalugáterek, görgős típusú zsaluzatok, függönyök stb. • üvegbe integrált elemek a naptól való védelemhez és a fény irányításához – holografikus elemek, fényvisszaverő üveg és transzparensek, fényirányító üveg, üvegprizmák stb. • több funkciós szerkezeti építőelemek. A napvédő elemek homlokzatokra szerelhetők, vagy beltéri területeken telepíthetők. Lehetnek rögzítettek, mobilak, automatizáltak vagy kézzel vezéreltek. 13
A napfény a legtermészetesebb, legkellemesebb és leginkább energiahatékony módja a beltéri területek megvilágításának. A napfény az, amely biztosítja a megfelelő klímakörülményeket a szobákban tartózkodáshoz, magas szintű komfortot nyújt, pozitív hatása van az emberek mentális állapotára, és pénzt takarít meg a csökkent energiafogyasztás révén. Az előbb említettek következtében különösen fontos a napfény használata, bárhol és bármikor, amikor csak lehetséges. A természetes fényből kapott világítás intenzitásának automatikus szabályozására kifinomult rendszerek vannak. A kezdeti befektetést ezeknek a rendszereknek a felszerelésébe rövid időn belüli megtérülés jellemzi a megtakarított energia, a CO2 kibocsátás csökkenése, és a pénzügyi előnyök révén. Ezen a módon, a nappali és a mesterséges fény kombinálásával biztosítani lehet a munkaterületek állandó megvilágítását napi 24 órában, és ezért jelentős mennyiségű energiát lehet megtakarítani, [1.11].
1.12. ábra Fénysűrűség kívánt szintjének automatikus szabályozási rendszere ahol: 1) 2) 3) 4)
– mesterséges fény – napfény – szabályozható fénycsőelőtétes lámpák – fényérzékelő (jelenlét-észleléssel)
1.5. Fény szintjének szabályozása beltéri területeken Energia takarítható meg a napfény jó minőségű kiaknázásával egy olyan rendszer révén, amely lehetővé teszi elegendő mennyiségű napfény bejutását az épület legbelső helyiségeibe, miközben kontrollálja a túlmelegedést és a kedvezőtlen vakító hatásokat a munkaterületeken.
Függőleges mélyedések (nyílások) 14
Egy épületben a függőleges mélyedéseken keresztül oldalról megvilágított legbelső helyiségek gyakran szembesülnek a napfénnyel való elégtelen ellátásra vonatkozó problémákkal. Ezek a területek növekvően igénylik a mesterséges világítás használatát, és egy hűtőrendszer lehetséges felszerelését a mesterséges világításból hő következtében. Ezenkívül, a hagyományos árnyékoló rendszerek olyan mértékben csökkentik a napfény behatolását, hogy napközben a sok napfény ellenére szükséges a mesterséges világítás felkapcsolása. Ezért a napfény kezelése a további energiamegtakarítás következtében a jó minőségű megvilágítás kialakításának létfontosságú része. Ma különböző műszaki megoldások érhetők el a piacon. A közép-európai országokban a stratégiák egyike a függőleges mélyedés (nyílás) felső negyedét vagy harmadát használja ki elemekkel a közvetlen napfény elterelésére a mennyezettől a helyiség legbelső részeibe, egyidejűleg elkerülve a vakítási problémákat a munkaterületeken, mint az az 1.13. ábrán látható. Az 1. kép a gyenge napfényellátás példáját mutatja be, így a világítás intenzitásának nagynak kell lennie. A 2. kép mérsékelt napfényellátást mutat, amelyben a napfény egy része közvetlenül bevezetődik a helyiségbe, egy része pedig visszaverődik a helyiség mennyezetére, hogy csökkentse a vakító hatást. Ebben az esetben a mesterséges világítás iránti igény lecsökken. A 3. kép a maximális napfényellátást mutatja a napfény blokkolt közvetlen hatásával, így nincs szükség mesterséges világításra. Ez a megoldás a legelőnyösebb, mivel kiegészítő napfénymennyiségeket vezet be a szobába, és korlátozza a napból jövő hőenergia további mennyiségeinek hatását, ami nyáron mérsékeli a túlmelegedés veszélyét. Azonfelül, a redőnyök felszerelése, amelyek felső része egyénileg vezérelhető, a beltéri szereléshez való, erősen tükröző bevonatú lemezelt rendszerek, és a fény terelésére szolgáló különleges kialakítású üvegterületek felszerelése lehetővé teszik a napfény mélyebbre történő újraelosztását a helyiségben.
15
1
2
3
1.13. ábra Napfény kiaknázása függőleges mélyedéseken (nyílásokon) keresztül A közvetlen napfénynek egy helyiségbe történő bevezetése mellett vannak egyéb rendszerek, amelyek visszaverik a közvetlen napfényt, és ennek ellenére megkönnyítik egy megfelelő mennyiségű diffúz napfény a behatolását a helyiségbe. A lemezes anyagok működhetnek az úgynevezett „levágási módon” vagy egyszerűen megakadályozhatják, hogy a közvetlen napfény bejöjjön a helyiségbe, míg a prizmás elemekkel rendelkező rendszerek a fénytörés elvén működnek. Sok rendszernek kiegészítő parancsokat kell tartalmaznia az optikai összetevők (pl. lemezes anyagok vagy prizmák) optimális pozícionálásához annak érdekében, hogy optimális teljesítményeket lehessen elérni. Az ilyen rendszerek tervezésekor számításba kell venni a függőleges mélyedések (nyílások) orientációját és az akadályokat a homlokzaton. Az ilyen rendszerek másik fontos hatása az elektromos energia hatékony fogyasztása hűtési célokra, az 1.1. táblázatban bemutatottak szerint, amelyet a megtakarítás értékelése kísér magát a világítást illetően.
1.1. táblázat Lehetséges megtakarítás a hűtési és világítási rendszerekbő 16
Éves megtakarítás az automatizált homlokzati rendszerekből Beltéri árnyékoló rendszerek Kültéri árnyékolások Erősen (napárnyékolók...) Normál rost fényvisszaverő rost Hűtési 15% 35% 50% követelmények Hűtőrendszer 20% 45% 50% terhelése * A táblázatban levő számok átlagértékeket jelentenek. A megtakarítás változik az éghajlattól, az épület árnyékolásától, a vezérlőrendszerektől, az épület típusától… függően Mesterséges világítás vezérlése Detektorok Detektorok jelenléte + Napfényfüggő jelenléte és napfényfüggő szabályozás szabályozás hiánya Energiamegtakarítás 30% 30% 50% *Maximális komfort, az EN 12464 szabvány beltéri világításra vonatkozó minden követelményének eleget tesz Tetőmélyedések (nyílások) A tetőnyílásokat (ablakokat) illetően a napfény kezelése kisebb jelentőségű, mivel ezek a rendszerek a fény egyenletesebb eloszlását biztosítják. A speciálisan kialakított panelek a napfény hatékony árnyékolását és a diffúz fény megfelelő mennyiségeinek egyidejű bejutását kínálhatják.
1.6. Beltéri falak színének befolyása a fényintenzitásra A beltéri falak színének hatása lehet a fényérzékelésre. A sötét falakkal és mennyezettel rendelkező munkaterületek gyakran kevésbé elfogadhatók a világos színekkel festettekhez képest. A fehérre vagy világos színekkel festett falak a fal típusával (durvaság, anyag,...) , kombináltan javíthatják a helyiség munkavégzési atmoszféráját. Következésképpen, a sötét helyiségek nem tűnnek annyira derűsnek, és nem tekinthetők előrelépésnek az energiahatékony világításban.
2. MESTERSÉGES BELTÉRI VILÁGÍTÁS 2.1. Alapvető fotometriai mennyiségek A megvilágítás területén különféle műszaki kifejezéseket és mértékegységeket használnak a fényforrások és az általuk létrehozott hatások tulajdonságainak leírására. Ennélfogva a fény leírható fizikai és fotometriai mennyiségekkel, amiből a fizikai mennyiségek azokat a mennyiségeket foglalják magukban, amelyek a fényt energia mértékegységekkel definiálják, miközben a fotometriai mennyiségek azokat a mennyiségeket foglalják magukban a fény értékelése alapján, ahogyan azt az emberi látószerv, azaz a szem érzékeli. Az alapvető fotometriai mennyiségek a fényáram, fényerősség, megvilágítás és a fénysűrűség. Fényáram A fényáramot úgy definiálják, mint egy fényforrás által kibocsátott fény (sugárzás) teljes 17
mennyisége. A fényáram jele a görög nagybetűs Φ. Ez a sugárzás mérhető és kifejezhető wattokban, de ez nem így van, mert nem írja le megfelelően a fényforrás optikai hatását, mivel az emberi szem sugárzásra való érzékenységének ingadozása ezáltal nincs figyelembe véve. Ezért a fényáramra egy új mértékegységet vezettek be lumen (lm) néven. Ez az SI rendszer egy származtatott egysége. Egy pontforrásnak 1 lm a fényárama, ha egy kandela (1 cd) fényerősséget bocsát ki egy szteradián (1 sr) térszögön keresztül. 1 W teljesítmény az 555 nm hullámhosszon (amikor a szem érzékenysége fotoszkopikus látás mellett a legnagyobb – 1.9. ábra) 683 lm fényáramot eredményez [2.1]. A szem monokróm sugárzásra való érzékenységének görbéje szerint a hullámhosszal összefüggésben (1.9. ábra), egy ugyanakkora teljesítményt kibocsátó fényforrás minden más hullámhosszon alacsonyabb fényáram értékeket ad.
2.1. ábra Fényáram Például egy 100 W teljesítményű izzólámpa fényárama 1380 lm, míg egy 18 W teljesítményű minőségi fénycső fényárama 1350 lm [2.2]. Fényhasznosítás A fényhasznosítás egy származtatott mennyiség, amelyet úgy magyaráznak, mint egy fényforrás fényáramának (lm) aránya az adott fényforrás által ekkora fényáram létrehozására használt teljesítményhez (W). A fényhasznosítás jele η, az egysége pedig lm/W. A fényhasznosítás matematikai képlete: Φ lm η= (2.1) P W A fényhasznosítás legmagasabb elméleti értéke 683 lm/W. Ez a helyzet akkor, ha a teljes sugárzási energia látható fénnyé alakul át. A fényhasznosítási értékek változhatnak a fényforrástípusoktól függően, de mindig 683 lm/W alatt maradnak [2.1]. A fényhasznosítás általános értékeit az egyes fényforrások esetén a 2.2. ábra mutatja.
18
1000 683 lm/W 199 lm/W
L K
J I 100
G
H
F E D 10
C
1
B
0,1
A
2.2. ábra Tájékoztató értékek az egyes fényforrásokra [2.2] (A – gyertya, B – kisülőcső, C – szénszálas égő, D – izzólámpa, E – xenonlámpa, F – nagynyomású higanygőzlámpa, G – fém-halogén lámpa, H – fénycső, I – nagynyomású nátriumlámpa, J – kisnyomású nátriumlámpa, K – elméleti határ látható fény (380 -780 nm) esetén, elméleti határ monokróm zöld fény (555 nm) esetén Fényerősség A fényerősséget úgy definiálják, mint egy fényforrás által a tér egy konkrét irányába kibocsátott sugárzási energiát. Ez a hét alapvető fizikai mennyiség egyike, a jele pedig I, a következőképpen kifejezve: Φ lm I= = cd (2.2) ω sr A fényerősség egysége a kandela (cd). A kandela egy alap fizikai egység, amelyből az összes egyéb fotometriai egység származik. A kandela definíciója a standard gyertya fényerősségét használja, azonban 1979 óta az SI rendszer szerint definiálják [2.3]: 19
„A kandela egy fényforrás fényerőssége egy adott irányban, amely 540·1012 Hz frekvenciájú monokróm sugárzást bocsát ki, és a sugárzásintenzitása ebben az irányban 1/683 W/sr.” Ideális pontforrás esetén a fényerősség minden irányban azonos. A gyakorlatban a fényerősség nem egyformán oszlik el a térben, részben a fényforrások típusainak és kialakításainak következtében, részben pedig a fény irányítási módja következtében. A fényerősség térbeli eloszlása egy háromdimenziós grafikonnal illusztrálható, ahol a grafikon metszete a fényerősség eloszlásának görbéjét ábrázolja, az egy síkban levő fényerősséget leírva. A fényerősséget szokás szerint polárkoordinátákkal ábrázolják szögfüggvényként. Különböző fényforrások esetén adott az 1000 lm fényáram értékre, hogy a fényforrásokat össze lehet hasonlítani. Egy szimmetrikus fényforrás (egy lámpa) bemutatásához elegendő egy fényerősség görbe, míg egy tengelyszimmetrikus fényforrás esetében két fényerősség görbe szükséges, tipikusan egy diagramon bemutatva [2.2].
2.3. ábra Szimmetrikus forrás fényerősség-eloszlása [2.2]
Megvilágítás A megvilágítás egy fotometriai mennyiség, amelyet úgy definiálnak, mint egy felületre eső fényáram mennyiségének ugyanahhoz a felülethez viszonyított aránya. Φ lm E= = lx (2.3) 2 A m A megvilágítás egysége a lux (lx), amelyet úgy definiálnak, mint 1 m2 felületre egyenletesen eső 1 lm fényáram. Abban az esetben, ha a fényáram egy α szög alatt esik a felületre, a megvilágítás kisebb lesz, értéke: Φ E ' = ⋅ cos α = E ⋅ cos α (2.4) [lx ] A Különbség van egy felület és egy pont megvilágítása között is. 20
2.4. ábra Megvilágítás egységének definíciója Néhány megvilágítási példa a nyári és téli napok esetén, és a bizonyos munkákhoz szükséges megvilágítási értékek a 2.1. táblázatban láthatók. 2.1. táblázat Megvilágítási értékek példái [2.2] Példa Műtőasztal megvilágítása Verőfényes nyári nap Felhős nyári nap Felhős téli nap Jól megvilágított munkahely Gyalogos zóna Telihold Újhold
Megvilágítás [lx] 20 000 – 12 000 60 000 – 10 000 20 000 3 000 500 – 750 5 – 100 0,25 0,01
Fénysűrűség A fénysűrűség egy megvilágított felület fényességének hatását jelenti, ahogyan az emberi szem érzékeli. A fénysűrűség jele L, a mértékegysége pedig kandela / négyzetméter (cd/m2), amelyet „nit” (nt) néven is neveznek, míg nagy fénysűrűségű mezőkön az egységet „stilb” néven is nevezik [2.4]. A fénysűrűség kiszámítása a következőképpen történik: I cd L= (2.5) m2 A ⋅ cos β Ahol: • A·cosβ – érzékelt felület
21
Megfigyelt felület
Tényleges felület 2.5. ábra Felületi fénysűrűség [2.4] A 2.2. táblázat megadja az egyes fényforrások átlagos fénysűrűségi értékeit. 2.2. táblázat Átlagos fénysűrűségi értékek az egyes fényforrások esetén. Átlagos fénysűrűség (cd/m2) 1,6·109 0,2 - 5·109 2·106 - 2·107 1,2·104 1·104 7 500 3 000 - 5 000 2 500 50 - 500 100 1 10-3
Fényforrás A Nap délben Xenon mozilámpa Világos normál lámpa Fénycső Fehér felhő Gyertya Ragyogó ég A Hold Kellemes beltéri világítás Fehér papír 500 lx mellett Fehér papír 5 lx mellett Éjszakai égbolt
A fotometriai mennyiségek kölcsönös viszonya a 2.6. ábrán látható.
22
2.6. ábra Fotometriai mennyiségek kölcsönös viszonya Ahol: • • • • • •
Φ – fényáram [lm] I – fényerősség [cd] E – megvilágítás [lx] L – fénysűrűség [cd/m2] A – felület [m2] Ω – térszög [sr]
Egyéb fotometriai mennyiségek Az egyéb fotometriai mennyiségek a következőkben kerülnek felsorolásra [2.4]. Fényhasznosítás – egy megvilágított testre eső fényáramnak a fényforrás által kibocsátott fényáramhoz viszonyított aránya. A következő képlet határozza meg: Φ η= [% ] (2.6) Φ em Reflexiós tényező – egy megfigyelt testről (diffúzióval és anélkül) visszavert fényáramnak a test által kapott fényáramhoz viszonyított aránya. A következő képlet határozza meg: Φ ρ= r (2.7) [% ] Φ Abszorpciós együttható – egy test által elnyelt fényáramnak a test által kapott fényáramhoz viszonyított aránya. A következő képlet határozza meg: Φ α= a (2.8) [% ] Φ 23
Áteresztési tényező – egy test által átvitt fényáramnak a test által kapott fényáramhoz viszonyított arányaként definiálják. Definíciója: Φ τ= t (2.9) [% ] Φ
2.2. Szükséges megvilágítási összefüggésben
értékek
a
tér
céljával
Mivel az emberek nem képesek fény nélkül működni, lényeges, hogy elegendő mennyiségekkel rendelkezzenek belőle bármely feladat végrehajtásához. Egy adott tér tervezett céljától függően egy bizonyos fénymennyiség is szükséges. A szükséges megvilágítási értékeket bizonyos terek céljától függően az EN 12464 – 1 szabvány szerint [2.5] a következő táblázatokban adjuk meg. Az R színvisszaadás definícióját a 2.3. fejezet tartalmazza. Az UGRL (unified glare rating of lighting) a világítás egységes vakítási osztályozásának mozaikszava. 2.3. táblázat Szükséges megvilágítási értékek irodák esetén Megvilágítás Em [lx]
UGRL
Színvissza adás R
300
19
80
500
19
80
750 500
16 19
80 80
Konferencia- és tárgyalóhelyiségek
500
19
80
Recepciók Irattár
300 200
22 25
80 80
Cél Másolás, iktatás és hasonlók Írás, gépírás, olvasás, adatfeldolgozás Műszaki rajzolás CAD munkaállomások
Megjegyzések
* * A világításnak rendelkeznie kell vezérlési lehetőségekkel
* Az értéket hozzá kell igazítani a helyiségben végzett tevékenységekhez, ha a munkavégzés elektronikus kijelzővel rendelkező eszközökkel történik.
2.4. táblázat Szükséges megvilágítási értékek éttermek és szállodák esetén Cél
Megvilágítás Em [lx]
UGRL
Színvissza adás R
Recepciók és portásfülkék
300
22
80
Konyhák
500
22
80
-
-
80
Önkiszolgáló éttermek Büfé
200 300
22 22
80 80
Konferenciahelyiségek
500
19
80
Előcsarnokok
100
25
80
Éttermek és ebédlők
24
Megjegyzések
A konyha és az étterem közötti szükséges átmeneti zóna A világítást úgy kell kialakítani, hogy megfelelő környezetet hozzon létre
A világításnak rendelkeznie kell vezérlési lehetőségekkel Éjszaka elfogadhatók az
alacsonyabb megvilágítási szintek
2.5. táblázat Szükséges megvilágítási értékek oktatási intézmények esetén Megvilágítás Em [lx]
UGRL
Színvissza adás R
Osztálytermek
300
19
80
Osztálytermek esti osztályok és felnőttoktatás esetén
500
19
80
Előadótermek
500
19
80
Táblák
500
19
80
Demonstrációs táblák Művészeti osztálytermek Művészeti osztálytermek művészeti iskolákban Osztálytermek műszaki rajzolás esetén Kézműipari helyiségek Oktatóműhelyek Osztálytermek zeneoktatás esetén Számítógépes osztálytermek Előkészítő osztályok és műhelyek Bejárati csarnokok Folyosók, előcsarnokok Lépcsőházak Közös helyiségek és csarnokok Tanári szobák Könyvtárak: könyvtároló helyiségek Könyvtárak: olvasószobák Sportcsarnokok és medencék Iskolai étkezdék Konyha
500 500
19 19
80 80
750
19
80
750
16
80
500 500
19 19
80 80
300
19
80
300
19
80
500
22
80
200 100 150
22 25 25
80 80 80
200
22
80
300
19
80
200
19
80
500
19
80
300
22
80
200 500
22 22
80 80
Cél
Megjegyzések A világításnak rendelkeznie kell vezérlési lehetőségekkel A világításnak rendelkeznie kell vezérlési lehetőségekkel A világításnak rendelkeznie kell vezérlési lehetőségekkel Meg kell akadályozni a tükröződést 750 lx az előadótermekben Színhőmérséklet Tcp ≥ 5000 K
*
* Az értéket hozzá kell igazítani a helyiségben végzett tevékenységekhez, ha a munkavégzés elektronikus kijelzővel rendelkező eszközökkel történik.
2.3. Fény színhőmérséklete Színhőmérséklet A színek (mennyiségi) értékelése a kolorimetriának nevezett tudomány tárgya, amely egy 25
olyan speciális trikromatikus színmérő rendszert használ, amely lehetővé teszi az egyes színek létrehozását három megfelelően kiválasztott szín keverésével. A trikromatikus színmérő rendszer nemzetközileg elfogadott. A Nemzetközi Világítási Bizottság, CIE [2.6] két kolorimetriai rendszert fogadott el: • Standard kolorimetriai rendszer, CIE – 1931 • Kiegészítő kolorimetriai rendszer, CIE – 1964 A kolorimetriai rendszeren felül a színek kiértékelésére a „színhőmérséklet” kifejezést használják. A színhőmérsékletet egy forrás által kibocsátott fény színének jelzésére használják, és azt a hőmérsékletet jelenti, amelynél egy fekete test sugárzása egyenlő a fényforráséval, színárnyalatban (a trikromatikus koordináták pozíciója a színháromszögön) kifejezve [2.7]. A Nemzetközi Világítási Bizottság, CIE bevezette a színháromszöget a színek szubjektív meghatározásának elkerülésére. A CIE által jóváhagyottak szerinti háromszög diagram a 2.7. ábrán látható. Ezt a diagramot használják egy fényforrás színének, a felületek színárnyalatának és hasonlóknak a kvantitatív kiértékelésére. A színháromszögön minden szín úgy van elrendezve, hogy kövesse az x, y és z trikromatikus koordinátákat. Itt fontos megjegyezni, hogy a három x, y és z koordináta összegének a diagram bármely pontja esetén 1-nek kell lennie. Ha minden egyes koordináta értéke egyenlő 0,333-mal, akkor a kérdéses szín fehér. A 2.7. ábra a színháromszöget mutatja.
2.7. ábra CIE színháromszög [2.4], [2.6] 26
Egy fekete test trikromatikus koordinátáinak a színháromszögbe különböző hőmérsékleteken történő beírása létrehoz egy „Planck-féle helynek” (akromatikus helynek) nevezett görbét, amely a fekete test színhőmérsékletének pozícióját jelzi. A műszaki hőforrások spektrális tulajdonságai hasonlóak a fekete testéihez, és a Planck-féle hely úgy tekinthető, mint a lámpa színhőmérsékleteit jelző görbe. A hőforrásoktól eltérően a kisüléses fényforrások paramétereikben különböznek a fekete testtől, és ezért ilyen források esetén a színhőmérsékletek nem a Planck-féle helyen helyezkednek el, hanem inkább annak szomszédságában. Emiatt az ilyen forrásokat egy korrelált színhőmérséklettel írják le [2.7]. A korrelált színhőmérsékleti diagram a 2.8. ábrán látható.
2.8. ábra Korrelált színhőmérsékleti diagram (1 – Fém-halogén lámpa, 2 – Higanygőzlámpa (fluoreszkáló bevonat nélkül), 3 – Higanygőzlámpa (fluoreszkáló bevonattal), 4 – Higanyos kevertfényű lámpa, 5 – Nagynyomású nátriumlámpa, 6 – Kisnyomású nátriumlámpa) [2.7] Például egy gyertyaláng színhőmérséklete megközelíti a fekete test 1800 K hőmérsékleten történő sugárzásának színárnyalatát. A legszélesebb körben használt fényforrások egyike, az izzólámpa 2700 K-től 3200 K-ig terjedő színhőmérsékleti tartománnyal rendelkezik, a típustól függően. A színhőmérsékletet illetően egy másik fontos tulajdonság a „színvisszaadás”, amely jelzi a fény típusának egy megfigyelt tárgy színére gyakorolt hatását. Általánosságban, a színvisszaadás magyarázható a reprodukált és az eredeti (természetes) szín közötti összefüggésként. 1965-ben a CIE bevezette a színvisszaadás besorolását és kiértékelését, és megvalósított egy tesztszín módszeren alapuló eljárást az akkor előforduló színeltolódások átlagértékének meghatározására, amikor tesztszínek egy csoportját először egy tesztelt fényforrással, majd egy referencia forrással világítják meg. A referenciaforrások lehetnek [2.7]: • legfeljebb 5000 K színhőmérsékletű tesztelt források esetén: a tesztelt fényforrással egyenlő színhőmérsékletű fekete forrás;
27
•
5000 K fölötti színhőmérsékletű tesztelt források esetén: a napfény spektrális eloszlásával rendelkező fényforrás.
Ezt az eljárást használják az általános színvisszaadási index, R értékeinek meghatározására, ahol az index értékei a következőktől függenek [2.7]: • tesztszínek visszaverődésének szinképparaméterei • tesztelt fényforrás sugárzásának spektrális eloszlása • referencia fényforrás sugárzásának spektrális eloszlása • az emberi szem adaptációja Az általános színvisszaadási index legnagyobb értéke 100 lehet, és ez az érték azt jelzi, hogy a megfigyelt és a referencia források sugárzásának spektrális eloszlásai azonosak. Minél kisebb az R, annál nagyobb a különbség a spektrális eloszlásban a megfigyelt és a referenciaforrások között. 2.6. táblázat Megadja a színhőmérsékletek értékeit és az általános színvisszaadási indexeket meghatározott fényforrások esetén. 2.6. táblázat Színhőmérsékleti értékek és általános színvisszaadási indexek fényforrások esetén [2.4] Színhőmérséklet Tc [K]
Fényforrás
Általános színvisszaadási index
Ég Tiszta ég Felhős ég Napfény Napfény (halogénlámpák) Semleges fehér Meleg fehér Kisüléses nátriumlámpa Izzólámpa Fényképezőgép vaku Gyertyafény
10 000 – 30 000 7 000 6 000 Kisüléses lámpák (kivéve nátrium) 6 000 3 000 – 5 000 3 000 alatt 2 900 Egyéb 2 100 – 3 200 3 400 1 800
85 – 100 85 – 100 85 – 100 96 – 100 70 – 84 40 – 69 dettó 40 85 – 100 85 – 100 40 – 69
A fényforrások a [2.4] szerinti általános színvisszaadási index értékek szerint a 2.7. táblázatban bemutatott három csoportba sorolhatók be.
28
2.7. táblázat Általános színvisszaadási index szerinti csoportosítás és gyakorlati egyenérték a színvisszaadás és a színhőmérséklet között [2.4] Színvisszaadási csoport
Színvisszaadási index (R)
Színvisszaadás
Kívánatos alkalmazás példái
1A
R ≥ 90
Meleg Mérsékelt Hideg
Orvosi kutatás, művészeti galériák
Meleg Mérsékelt 1B
90 > R ≥ 80 Meleg Mérsékelt
2
80 > R ≥ 60
3
60 > R ≥ 40
4
Meleg Mérsékelt Hideg
Kívánatos használati hely példái
Házak, szállodák, éttermek, üzletek, irodák, iskolák, kórházak Nyomda-, festő- és textilipar, ipari tevékenységek Ipari tevékenységek
Irodák, iskolák
Nehézipar
Ipari tevékenységek Nehézipar, alacsony színvisszaadási igényű ipari tevékenységek
40 > R ≥ 20
2.4. Mesterséges fényforrások fejlődése Az emberek által készített és használt első mesterséges fényforrások a tűz, a fáklyák és gyertyák voltak. Az első gyertyákat az i.e. 3000 körüli években az ősi egyiptomiak konstruálták. Lyukakat készítettek kőbe és megtöltötték zsírral, kanócként növényi rostokat használtak. A középkorban bevezették a faggyúból vagy egyéb állati zsírokból készült gyertyákat, később pedig ezek méhviaszból vagy paraffinviaszból készültek. Ma a gyertyák még mindig láthatók lámpatípusokként, de tényleges használatuk tisztán dekorációs célú [2.8]. A középkor folyamán használatba kerültek az olajlámpák, és ezek kialakítása idővel változott. 1784-ben igazi forradalom történt, amikor a svájci kémikus Pierre Ami Argand feltalált egy új lámpát, amely messze hatékonyabb volt, mint bármi más előzőleg ismert. Bevezetett egy üreges kanócot, amely javította a levegőbeszívást, ezzel fokozva a lángot, és növelve a fényerősséget. Később egy üveghengert adtak hozzá az Argand-féle lámpákhoz, amely tovább növelte a láng minőségét. Amikor az olajipar elkezdett fejlődni, ezekhez a lámpákhoz a kerozin vált a fő tüzelőanyaggá. 1800 óta, a kanóc nélküli és a jelentős fényingadozásokat eredményező nyílt láng fő hátrányával rendelkező gázlámpák váltak népszerűvé az utcai világításban, különösen Angliában. Az 1800-as évek végén és az 1900-as 29
évek elején a gázlámpák voltak a fő fényforrások az utcai világításban, amíg fokozatosan le nem cserélték azokat az 1801-ben Sir Humphrey Davy által feltalált elektromos lámpákkal. Azonban az elektromos lámpák csak azután váltak népszerűvé, miután Sir Joseph Swan Angliában és Thomas Edison az Egyesült Államokban egymástól függetlenül kifejlesztették az izzólámpát. Thomas Edison 1879-ig nem szabadalmaztatta a lámpáját. A XX. század kezdetéig nem történt meg, hogy a mesterséges fényforrások fejlesztése valódi lendületet kapjon, az évről évre növekvő számban felbukkanó különféle fényforrásokkal. Ennek megfelelően, a szénszálas égő (Edison-féle égő) után 1910-ben feltalálták a volfrámszálas lámpát, amelyet a higanygőzlámpák felbukkanása követett a korai 1930-as években. Már 1939-ben legyártották az első fénycsövet. A volfrám halogénlámpát az 1950-es években találták fel, míg a fém-halogén és a nagynyomású nátriumlámpák az 1960-as években bukkantak fel. Az 1990-es években feltalálták az első elektródák nélküli lámpákat, és használatba lépett a LED világítás [2.8]. A 2.9. ábra a mesterséges fényforrások történelmi fejlődését mutatja be.
30
Ahol: 1 – fáklyák 2 – gyertyák 3 – olajlámpák 4 – az első bemutatott elektromos ívlámpa 5 – gázlámpák 6 – T. A. Edison feltalálja az izzólámpát 7 – közvetett világítás bemutatása 8 – az első bemutatott neonlámpa 9 – higanygőzlámpa bemutatása 10 – tükrözött fényvető izzólámpa bemutatása 11 – fénycső bemutatása 12 – PAR lámpa bemutatása 13 – volfrám halogénlámpa bemutatása 14 – volfrám halogénlámpa bemutatása 15 – LED-ekkel megvalósított első gyakorlati látható spektrum 16 – MH (fém-halogén) lámpa bemutatása 17 – az első bemutatott kompakt fénycső 18 – nagyfrekvenciás szabályozható fénycsőelőtétek bemutatása 19 – az első elektródák nélküli kereskedelmi lámpák 20 – az első LED lámpák (indium – gallium – nitrid)
2.9. ábra Mesterséges fényforrások fejlődésének története [2.8] A fény kibocsátásának módja szerint, a mesterséges fényforrások két csoportra oszthatók 31
[2.3]: • A fényforrás hősugárzás • A fényforrás lumineszcencia (kisüléses lámpák). A 2.8. táblázat a mesterséges fényforrások felosztását mutatja. 2.8. táblázat Mesterséges fényforrások felosztása MESTERSÉGES FÉNYFORRÁS Kisüléses lámpák Nagynyomású Kisnyomású lámpák Halogénlámpák lámpák Fénycsövek Higanygőzlámpák Kompakt fénycsövek Fém-halogén lámpák Kisfeszültségű Kisnyomású Nagynyomású halogénlámpák nátriumlámpák nátriumlámpák
Hőforrások
Izzólámpák
2.5. Hagyományos (konvencionális) mesterséges fényforrások Az mondható, hogy a hagyományos mesterséges fényforrások a standard izzólámpákat, a halogénlámpákat, higanygőzlámpákat, nátriumlámpákat, fénycsöveket és kompakt fénycsöveket foglalják magukban. Standard izzólámpák Az izzólámpák olyan fényforrások, amelyek hősugárzáson alapuló fényt bocsátanak ki. A fény akkor jön létre, amikor elektromosság halad át egy volfrámszálon, és azt 2600 K – 3000 K hőmérsékletre hevíti. Ilyen hőmérsékleteken a volfrám izzószál felizzik, és így hozza létre a fényt. Fontos megjegyezni, hogy a sugárzás legnagyobb részének kibocsátása az infravörös spektrumban történik, és a sugárzási spektrum folytonos, az 1.4. ábrán korábban bemutatottak szerint. Egy izzólámpa alapvető tulajdonságai a fényhasznosítás és az élettartam. Mindkét tulajdonság függ az izzási hőmérséklettől, amiből a fényhasznosítás növekszik a sugárzási hőmérséklettel, miközben az élettartam csökken, amikor a sugárzási hőmérséklet nő. A 2.10. ábra az izzólámpa alapvető összetevőit mutatja.
32
2.10. ábra Standard izzólámpa alapvető összetevői Ahol: 1 – inert gáz (mint például argon, nitrogén vagy kripton) vagy vákuum 2 – molibdén izzószáltartók 3 – üvegbura 4 – izzószál 5 – vezetőhuzal 6 – üvegszorító 7 – kupak 8 – forrasztás teljesítmény- és feszültségcímkével Mivel az izzólámpák olyan fényforrások, amelyek hősugárzás révég hozzák létre a fényt, fontos megjegyezni, hogy a befektetett energiának csak 5 – 10%-a alakul át fénnyé, míg a maradék hőenergia. Ez az alacsony hatásfok az izzólámpák fő hátránya. Az izzólámpák fényárama függ a feszültségtől, valamint egyéb fontos jellemzőktől. Az egyéb jellemzők feszültségfüggése a következőképpen fejezhető ki [2.1]: Fényáram: Φ U = Φn Un
33
3,8
(2.10)
Fényhasznosítás:
η U = ηn U n
2,3
(2.11)
Teljesítmény: 1,5
P U = Pn U n
(2.12)
Élettartam: t U = tn U n
−14
(2.13)
Színhőmérséklet: U = Pfn U n Tf
0, 4
(2.14)
A 2.11. ábra a fényáram feszültségfüggését mutatja.
2.11. ábra Izzólámpa fényáramának feszültségfüggése [2.1] Az izzólámpák fényhasznosítása 9 lm/W és 17 lm/W közé tehető az energia 20-500 W teljesítménye esetén. A 2.9 táblázat a fényhasznosítás értékeit mutatja be meghatározott típusú izzólámpák esetén.
2.9. táblázat Fényhasznosítás értékei meghatározott típusú izzólámpák esetén [2.8] 34
Izzólámpa típusa
Fényhasznosítás [lm/W] 3,15 6,30 10 20 26 31,5
Szén izzószál Tantál izzószál Volfrám izzószál (vákuum) Volfrám izzószál (gáztöltésű) Volfrám izzószál (vetítőlámpa 750 W) Volfrám izzószál (vetítőlámpa 1200 W)
Fénysűrűség (cd/m2) 5,2·105 7·105 2·106 1,2·107 2,4·107 3,3·107
Halogénlámpák A halogénlámpák az izzólámpák egy másik típusát jelentik, amelyek hősugárzással hozzák létre a fényt. A különbség, ami a klasszikus (standard) izzólámpát illeti, az, hogy a gáz az üvegburában egy halogén elemet (bróm, fluor, klór és jód) tartalmaz, ami megakadályozza a bura elfeketedését a volfrám párolgása, és a bura belső felületén történő kondenzálódása következtében. A bura elfeketedését a halogén ciklusnak nevezett folyamat akadályozza meg. A halogén ciklus úgy működik, hogy az izzószálból 1400 K feletti hőmérsékleten párolgó volfrám (1. fázis a 2.12. ábrán) vegyül a halogénekkel (2. fázis a 2.12. ábrán), közelebb mozog az izzószál felé, ott 1400 K fölötti hőmérsékleten ez a vegyület felbomlik, és a halogén atom újból lerakódik az izzószálra (4. fázis a 2.12. ábrán), de nem ugyanazon a helyen, ahol kezdetben volt. Ez az, amiért végül a halogénlámpa izzószála széttörik.
2.12. ábra Halogén ciklus Ahol: • • • •
a – volfrám atom b – halogén c – izzószál d – bura
Egy másik különbség a standard és a halogénlámpa között az üvegburában, azaz annak méreteiben van. A halogénlámpa üvegburája kisebb és cső alakú. A halogénlámpák burái kvarcból készülnek (összeszerelés közben nem szabad kézzel/ujjal megérinteni) a magasabb hőmérsékletek következtében, mivel káros UV sugárzást tartalmaznak. A halogénlámpa 35
hőmérséklete 3000 K és 3300 K közötti értékeket ér el, míg az üveg hőmérséklete is eléri a 250 °C értéket. A standard izzólámpákkal összehasonlítva, a halogénlámpák fehérebb fényt bocsátanak ki. A halogénlámpák előnyei a standard izzólámpákhoz képest a megnövekedett fényhasznosítás (akár 25 lm/W), a hosszabb élettartam (akár 4000 h), az optimális fénykontroll, a kis méretek, az állandó fényáram a teljes élettartam során, és a magasabb színhőmérséklet. Az új technológiák lehetővé teszik egy speciális IR visszaverő bevonat használatát, amely a létrehozott infravörös sugárzás egy részét képes az izzószálhoz visszajuttatni és azt fűteni, az izzószál fűtéséhez szükséges kevesebb energiát eredményezve. Ezen a módon a halogénlámpák hatásfoka akár 30%-kal is növelhető [2.9]. A halogénlámpák kialakíthatók hálózati vagy fázisfeszültséghez (230 V) és kisfeszültséghez (12 V vagy 24 V). A halogénlámpák energiamérlege a 2.13. ábrán látható.
2.13. ábra Halogénlámpák energiamérlege [2.9] (A –elhasznált energia, B – látható fény, C – gáztöltet veszteségek, D – ellenállási veszteségek, E – infravörös sugárzás) Fénycsövek A fénycsövek olyan fényforrások, amelyek a fényt gázzal vagy gőzökkel (higanygőzök) töltött csövekben egy elektromos tér hatása alatt fellépő elektromos kisüléssel hozzák létre. A nagy fényerősségű higanygőzben történő kisülés során tipikusan előfordul UV sugárzás, és az üvegburán levő foszforbevonat következtében (fotolumineszcencia). Az üvegburán levő bevonat típusa határozza meg az ilyen lámpák színhőmérsékletét. Ezek a kisnyomású kisüléses lámpák csoportjához tartoznak. A 2.14. ábra a fénycsövek működési elvét mutatja be.
36
2.14. ábra Fénycső működési elve (A – csatlakozótűk, B – csőláb, C – fluoreszkáló bevonat, D – szabad elektron, E – UV sugárzás, F – elektróda, G – higanyatom, H – lázható fény, I – higanygőz és argon keveréke) Fénycsövekben a lavinakisülési hatás megelőzésére azok elektromos áramértékeit korlátozni kell. Ez a fénycsövekhez sorba kapcsoltan hozzáadott fénycsőelőtétekkel érik el. Jelenleg elektronikus fénycsőelőtéteket használnak az áram mennyiségének korlátozására. A 2.15. ábra egy fénycső kapcsolási módját mutatja be.
2.15. ábra Fénycső kapcsolási módja (A – tartó, B – gyújtó, C – fénycső, D – fénycsőelőtét) A fénycsövek előnyei az izzó fényforrásokhoz képest a nagyobb fényhasznosítás (akár 180 lm/W), a hosszabb élettartam (akár 20 000 h), és a nagy fényáram (akár 320 000 lm), [2.9]. A normál működés során a fénycsőben levő higany egyaránt lehet folyékony és gőz (egyidejűleg). A fénycsövek akkor érik el a legjobb eredményeket, amikor a higany nyomása a csőben körülbelül 0,8 Pa, a 2500 Pa csillapító (gyújtószerkezet) nyomással kombináltan, mert ezen körülmények között a sugárzási energia mintegy 90%-a az UV spektrumban található. A fénycsövek sugárzási energiáját illetően egy másik fontos dolog, hogy a sugárzási spektrum nem folytonos. A spektrum az 1.5. ábrán látható. A fénycsövek színhőmérséklete 2700 K és 6500 K közé tehető, és három alapvető csoportba osztható [2.6] a CIE szerint [2.4]: • Napfény (színhőmérséklet 5000 K fölött) 37
• •
Semleges fehér (színhőmérséklet 3000 K fölött, 5000 K alatt) Meleg fehér (színhőmérséklet 3000 K alatt)
A fénycsövek tipikusan 36 mm átmérőjűek, de lehetnek 16 mm átmérőjűek is. Vannak 38 mm és 7 mm átmérőjűek is, de ezeket alig használják. Az egyenes csövek (A) mellett, a fénycsövek lehetnek U-alakúak (C) vagy kör alakúak (B), mint az a 2.16. ábrán látható.
2.16. ábra Fénycső konstrukció geometriai alakjai Kompakt fénycsövek A kompakt fénycsövek működési elvüket illetően nem különböznek a fénycsövektől. Azonban kompakt kialakításuk miatt különböznek a klasszikus fénycsövektől. Kisülőcsövüket kompaktan spirállá vagy hasonló alakká hajtogatják. Némelyik fénycső külső üvegburával rendelkezik, amely eltérő megjelenéshez vagy különböző fotometriai tulajdonságokhoz vezethet. A kompakt fénycsövek lényegében ugyanazokkal a fotometriai tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a klasszikus fénycsövek. Az egyetlen különbség abban van, hogy a fényhasznosításuk korlátozott a fénycsövek viszonylag kis térfogata következtében. Kompakt alakjuk számos új minőséget, valamint új felhasználási területeket kínál. A beépített gyújtójú kompakt fénycsövek nem rendelkeznek a fényszabályozás (tompítás) lehetőségével. Ezeken kívül vannak olyan szabályozható (tompítható) kompakt fénycsövek is, amelyek csatlakozókkal rendelkeznek külső gyújtó számára. A 2.17. ábra kisülőcsövek különböző elrendezéseit mutatja kompakt fénycsövekben.
38
2.17. ábra Kisülőcsövek elrendezése kompakt fénycsövekben [2.9] Nagynyomású higanygőzlámpák A higanygőzlámpákban a kisülések rövid kvarccsövekben történnek, amelyek higany és indítási segítségként inert gáz, tipikusan argon keverékét tartalmazzák. Sugárzásának egy része a látható spektrumban van, egy másik pedig az UV spektrumban. Az UV komponens a kisülőcső buráján levő fluoreszkáló bevonat segítségével látható spektrummá alakul. A nagynyomású higanygőzlámpák működési elvében három fázis van: • Indítás (kezdeti ionizálás és a kisülés indítása) • Fény gyújtása • Fény stabilizálása Az indítást egy segéd (indító) elektróda váltja ki, amely a főelektróda közelében helyezkedik el, és egy másik elektródához csatlakozik egy 25 kΩ-os indító-ellenálláson keresztül. Az indítás pillanatában egy erős feszültséggradiens lép fel az indító- és a főelektróda között, ami a töltőgáz ionizációjához, és egy ellenállással korlátozott lumineszcens kisüléshez vezet. Ezt követően a lumineszcens kisülés a két főelektróda közötti elektromos tér hatására végigterjed a kisülőcsövön. Amikor a kisülés eléri az utolsó elektródát, az áram megnő egy jelentős értékre, ami olyan mértékű hőmérsékletnövekedést eredményez, hogy a kisülés elektromos ívvé alakul át. Ezen fázis során a nagynyomású higanygőzlámpa a fénycsőhöz hasonlóan működik. [2.4]. A következő fázis a fény gyújtása. Az inert gáz ionizációja után a lámpának még létre kell hoznia a kívánt mennyiségű fényt. A maximális mennyiségű fény a kisülőcsőben csak a higany elpárolgása után jön létre. Ez a folyamat eltart egy bizonyos ideig, amelyet gyújtási időnek neveznek. Az inert gázban az elektromos ív a hőmérséklet emelkedését eredményezi a kisülőcsőben. A hőmérsékletnövekedés a higany fokozatos elpárolgását és a csőben a nyomás emelkedését okozza, míg a sugárzási energia a nagyobb hullámhosszak színképvonalai mentén koncentrálódik. Ez a folyamat okozza, hogy a kapott fény egyre fehérebbé válik. Egy bizonyos idő (gyújtási idő) után az elektromos ív stabilizálódik, és éppen ekkor a higany teljesen elpárolog. A gyújtási időt úgy definiálják, mint az az idő, amelyet a lámpa az indítás pillanatától a maximális fény 80%-ának létrehozásához igényel. A fény gyújtási folyamatának befejeződése átlagosan 4 percet vesz igénybe. A 2.18. ábra a fényáram időfüggését mutatja.
39
Gyújtási idő
2.18. ábra Fényáram függése az időtől higanygőzlámpa esetén [2.1] A végső fázis a stabilizálás. Az inicializálási fázis befejezését követően kezdődik. A stabilizálás elérése előtéttel történik, amely az áram korlátozásához szükséges, mint az más kisüléses lámpákkal is a helyzet. A higanygőzlámpák üzemi nyomása 200 kPa-tól 400 kPa-ig terjed, akár 60 lm/W fényhasznosítással. A higanygőzlámpák élettartama megközelítőleg 16 000 h. Fő alkalmazási területük a köz- és ipari világítás. Mivel nagy a higanytartalmuk, a használatuk az USA-ban tilos, míg Európában új felszerelésekhez nem javasoltak. A sugárzási spektrum eloszlása higanygőzlámpák esetén az 1.6. ábrán látható. A higanygőzlámpák, ugyanúgy, mint a fénycsövek, nem folytonos sugárzási spektrummal rendelkeznek. A 2.19. ábra a higanygőzlámpa alapvető összetevőit illusztrálja.
40
2.19. ábra Higanygőzlámpa fő összetevői Ahol: 1 – kupak 2 – vezetőhuzal 3 – ohmos ellenállás minden egyes segéd (indító) elektródához 4 – indítóelektróda 5 – főelektródák 6 – felső tartó 7 – kisülőcső 8 – kisnyomású inert gáz 9 – fluoreszkáló bevonat 10 – üvegbura A 2.20. ábra a higanygőzlámpa kapcsolási rajzát mutatja.
41
2.20. ábra Higanygőzlámpa kapcsolási rajza (A – előtét, B – kompenzációs kondenzátor, C – lámpa) Kevert fényű lámpa A kevert fényű lámpa egy higanygőzlámpa és egy előtétként (áramkorlátozás) funkcionáló izzószál kombinációjaként készül. Az izzószál hozzáadásával melegebb színhőmérséklet kapható (körülbelül 3800 K), és a higanyspektrumban a vörös szín hiánya is korrigálásra kerül. A kevert fényű lámpák színvisszaadása a 2B kategóriába, míg a szokásos higanygőzlámpa színvisszaadása a 3. kategóriába esik. Mindazonáltal, az izzószál hozzáadása a fényhasznosítást 20 – 30 lm/W. értékre csökkenti. A kevert fényű lámpák a 160500 W wattos teljesítménytartományban készülnek, és elsődlegesen a nagy wattos teljesítményű izzólámpák alternatívájaként használják. Ezek a lámpák akár 30% energiamegtakarítást is eredményeznek. Mint az a szokásos higanylámpákkal a helyzet, ezek használata is hanyatlik [2.10]. A kevert fényű lámpák fő összetevői jórészt ugyanazok, mint a higanygőzlámpákban, az izzószál kivételével. A 2.21. ábra a kevert fényű lámpa fő összetevőit mutatja.
42
2.21. ábra Kevert fényű lámpa fő összetevői Ahol: 1 – kupak 2 – vezetőhuzal 3 – ellenállás 4 – kisülőcső 5 – főelektródák 6 – izzószál 7 – kisnyomású inert gáz 8 – fluoreszkáló bevonat 9 – üvegbura Fém-halogén lámpák A fém-halogén lámpák hasonló módon működnek, mint a higanygőzlámpák. A különbség abban van, hogy ezek különféle fém-halogéneket használnak a higanytöltet kiegészítéseként, amelyek magasabb hőmérséklet mellett bomlanak el, ezáltal látható spektrumú fényt hozva létre. Amikor megközelítik a cső hidegebb felületét, rekombinálódnak, és a ciklus megismétlődik. A nyomás a fém-halogén lámpákban 200 kPa-tól 2 MPa értékig terjed. A halogének hozzáadása javítja a fényhasznosítást (akár 120 lm/W), és sokkal jobb színvisszaadási értéket (1A kategória), valamint hosszú élettartamot ér el. A fém-halogének különféle kombinációi képesek elérni ugyanazt a spektrumot, mint ami a fénycsövekben van, vagy egy számos színképvonalból álló folytonos spektrumot. A színhőmérséklet 3000 K-től 6500 K-ig terjed. A higany a fém-halogén lámpákban elsődlegesen az indítás és ionizálás, és 43
a kisülési folyamat stabilizálásának eszközéül szolgál. A higanygőzlámpáktól eltérően, a fémhalogén lámpák nem igényelnek indítóelektródát a cső belsejében. Az indításhoz egy nagyfeszültségű indítóelemet igényelnek, amely egy 3 kV - 6 kV közötti feszültségimpulzust szolgáltat, [2.10]. A fém-halogén lámpák nem szabályozhatók. Ugyanúgy, mint a higanygőzlámpák, a fémhalogén lámpák az áram korlátozására igényelnek egy sorba kapcsolt előtétet, valamint egy kompenzációs kondenzátort. A fém-halogén lámpák fő összetevőit a 2.22. ábra illusztrálja. A bura cső vagy ellipszoid alakú lehet.
2.22. ábra Fém-halogén lámpa fő összetevői Ahol: 1 – kupak 2 – átlátszó üvegcső 3 – elektródák 4 – kisülőcső 5 – diffúz ellipszoid alakú üvegbura A gyújtási idő fém-halogén lámpák esetén körülbelül 3 perc, míg a meleg újragyújtási idő körülbelül 5 – 20 percig tart. A 2.23. ábra a fém-halogén lámpa gyújtási görbéjét mutatja.
44
2.23. ábra Fényáram függése az időtől fém-halogén lámpa esetén [2.1] Egy fém-halogén lámpa kapcsolási rajza alább a 2.24. ábrán látható.
2.24. ábra Fém-halogén lámpa kapcsolási rajza (A – előtét, B – indítóelem, C – kompenzációs kondenzátor, D – lámpa, E – nagyfeszültségű impulzus)
45
Kisnyomású nátriumlámpák A kisnyomású nátriumlámpák működési elve és kialakítása nagyon hasonló a fénycsövek (kisnyomású higanygőzlámpák) működési elvéhez és kialakításához. A különbség a fénycsövekhez viszonyítva abban van, hogy azok UV sugárzást hoznak létre, amely fluoreszkáló bevonat segítségével alakul látható fénnyé, míg a kisnyomású nátriumlámpák közvetlenül hozzák létre a látható sugárzási spektrumot. A másik különbség, hogy ezek higanygőzök helyett nátriumgőzöket használnak. A folyékony halmazállapotú higannyal ellentétben a szilárd halmazállapotú nátriumból szobahőmérsékleten nem keletkeznek gőzök, és emiatt sokkal nehezebb az ionizáció kezdeti indítása. Ez az, amiért a kisnyomású nátriumlámpák bekapcsolása és az ionizáció indítása csak inert gáz használatával lehetséges. Csak az inert gázban történő ritka kisülések után keletkezik elég hő ahhoz, hogy elektromos ívet létrehozni képes nátriumgőzök jöjjenek létre. Az ionizáció indítása nagyfeszültséget igényel, és a gyújtási idő viszonylag hosszú. Ahhoz, hogy viszonylag magas üzemi hőmérsékletet lehessen elérni, a kisülőcsöveket szokás szerint egy külön üvegburába helyezik, amelyet úgy alakítottak ki, hogy visszaverje az infravörös sugárzást. Nagy fényhasznosításuk következtében a kisnyomású nátriumlámpák sokkal kisebb térfogatúak, mint a fénycsövek. Fényhasznosításuk max. 200 lm/W. A kisnyomású nátriumlámpák csaknem monokróm, 589 nm és 589,6 nm hullámhosszú sárga fényt hoznak létre, [2.4]. Hiányossága ezeknek a lámpáknak a gyenge színvisszaadás (a színvisszaadás hagyományos értelmében nincs nekik). Ezeket emiatt útvilágításra, és kikötők és tengerpartok megvilágítására használják. A kisnyomású nátriumlámpák névleges teljesítménye 18 W-tól 180 W-ig terjed. A kisnyomású nátriumlámpa fő összetevőit a 2.25. ábra illusztrálja.
2.25. ábra Kisnyomású nátriumlámpa fő összetevői Ahol: 1 – kisülő U-cső 2 – átlátszó üvegbura 3 – kétszeresen vagy háromszorosan csavart elektródák elektronkibocsátó anyaggal 4 – el nem párolgott nátrium leülepedési pontja 46
5 – kupak. A kisnyomású nátriumlámpa indulási görbéje alább látható a 2.26. ábrán.
2.26. ábra Fényáram függése az időtől kisnyomású nátriumlámpa esetén [2.1] A kisnyomású nátriumlámpa kapcsolási rajza a 2.27. ábrán látható. Egy szokásosan használt összetevő az autotranszformátor, amely biztosítja a szükséges 400 V – 550 V indítófeszültséget [2.10]. Ezeknek a lámpáknak az üzemi hőmérséklete kb. 250 °C.
2.27. ábra Kisnyomású nátriumlámpa kapcsolási rajza (A – kompenzációs kondenzátor, B – autotranszformátor, C – lámpa) 47
Nátriumlámpák A nátriumlámpa fizikai szempontból teljesen különbözik a kisnyomású nátriumlámpától annak a ténynek a következtében, hogy a gőznyomás a nátriumlámpában nagyobb, mint a kisnyomású nátriumlámpában. Ez a tényező számos különbséget eredményez a két lámpatípus között, beleértve a kibocsátott fény tulajdonságait is. A nátriumlámpák üzem nyomása körülbelül 20 kPa – 40 kPa. A nátriumlámpák elérnek akár 150 lm/W fényhasznosítást is, élettartamuk pedig akár 32 000 h is lehet. Ha az elért nyomás elegendően nagy, akkor folytonos spektrumot hozhatnak létre. Így a nátriumlámpák – a kisnyomású nátriumlámpákkal ellentétben – jobb színvisszaadási indexet adnak, amely a 4. kategóriához rendelhető hozzá. Azonban a javult színvisszaadás következtében a fényhasznosítás csökken a kisnyomású nátriumlámpákkal összehasonlítva. A nátriumlámpák kialakítás szempontjából nagyon hasonlóak a higanygőzlámpákhoz, és azokkal összehasonlíthatók. A higanylámpákkal ellentétben (amelyek kisülőcsövek kvarcüvegből készül), a nátriumlámpák kerámiából készült kisülőcsövekkel rendelkeznek, mert a nagynyomású nátriumgőz agresszívan hat az üvegre. A nátriumlámpa fő összetevőit a 2.28. ábra illusztrálja.
2.28. ábra Nátriumlámpa fő összetevői Ahol: 1 – kupak 2 – kisülőcső 3 – átlátszó üvegbura 4 – diffúz ellipszoid alakú üvegbura Az indítás nátriumlámpák esetén körülbelül 5 perc hosszúságú, míg a meleg újragyújtás 48
körülbelül 1-2 percet vesz igénybe. Az újragyújtás a kisebb üzemi nyomás következtében gyorsabb, mint a fém-halogén lámpákkal. Ugyanis nagyobb üzemi nyomás esetén ionizáció nem lehetséges a rendelkezésre álló feszültséggel, és meg kell várni, hogy a lámpa lehűljön, miáltal a nyomása csökken [2.10, 2.11].
2.29. ábra Fényáram függése az időtől nátriumlámpa esetén [2.1] A 2.29. ábra a nátriumlámpa fényáramának időfüggését mutatja.
2.6. Fényerősség-eloszlás Egy világítótest fényerősség-eloszlását a fényerősség-eloszlási görbével lehet bemutatni. Ez azt jelenti, hogy a fényerősség a koordinátatér nem minden pontjában azonos. A fényerősségeloszlási görbe fényerősség-értékeket ad egy gömb-koordinátarendszerben levő szögek által meghatározott egyes irányokban. A világítótesteket ezért a következő típusokba osztják a CIE szerint [2.6] egy vízszintes sík alatt és fölött eloszlott fényáram százalékértékekben kifejezve: • Közvetlen • Félig közvetlen • Közvetlen-közvetett • Szórt • Félig közvetett • Közvetett Egy világítótest kibocsátott fényáramának szimmetriájára vonatkozóan a következő felosztás készült: • Szimmetrikus eloszlású világítótestek • Aszimmetrikus eloszlású világítótestek A szimmetrikus eloszlású világítótestekben a fényáram a szimmetriatengelyre és a fényerősség térbeli eloszlására vonatkozóan szimmetrikusan terjed, és fotometriai görbével illusztrálható. 49
Az aszimmetrikus eloszlású világítótestekben a fényáram a szimmetriatengelyre és a fényerősség térbeli eloszlására vonatkozóan aszimmetrikusan terjed. A 2.10. táblázat tartalmazza a beltéri világítás CIE szerinti besorolását [2.6] a fényáram eloszlását illetően [2.4]. 2.10. táblázat Beltéri világítás CIE szerinti besorolása [2.6] a fényáram eloszlását illetően Világítótest típusa Közvetlen Félig közvetlen Közvetlen-közvetett Szórt Félig közvetett Közvetett
Fényáram %-a a vízszintes sík fölött 0 – 10 10 – 40 40 – 60 40 – 60 60 – 90 90 – 100
Fényáram %-a a vízszintes sík alatt 90 – 100 60 – 90 40 – 60 40 – 60 10 – 40 0 – 10
A 2.30. ábra a beltéri világításra szolgáló világítótestek típusait illusztrálja fényáram-eloszlás szerint. KÖZVETLEN
FÉLIG KÖZVETLEN
SZÓRT
KÖZVETLENKÖZVETETT
FÉLIG KÖZVETETT
KÖZVETETT
2.30. ábra Világítótestek típusai fényáram-eloszlás szerint [2.4]
2.7. Mesterséges fényforrások felosztása öregedése A mesterséges fényforrások egész élettartamuk folyamán fokozatosan öregednek, és a környezetbe kibocsátott fényerősségük csökken. Tervezéskor ezt a jelenséget számításba kell venni. Továbbá fontos előre gondoskodni a megfelelő karbantartásról a világítóeszközök élettartamának lehető leghosszabb idejű meghosszabbítására, a fotometriai mennyiségek megfigyelése közben.
3. VILÁGÍTÁS ÉS ENERGIAHATÉKONYSÁG Az építési munka / épület globális energiahatékonyságára vonatkozó irányelvek (2002 /91 50
EK EU irányelv, Épület energiateljesítménye) egy, a Horvát Köztársaság által 2008-ban elfogadott európai szabványt jelentenek. A Szabvány horvát neve „Energetska svojstva zgrade – Energetski zahtjevi za rasvjetu” (Épület energetikai tulajdonságai – Világításra vonatkozó energetikai követelmények), és a HRN EN 15193:2008 elnevezést viseli. A Szabványt azzal a céllal fogadták el, hogy általános megállapodást és eljárást hozzon létre a világítás energetikai követelményeire vonatkozóan az építési munkában. A Szabvány célja az energiahatékonyság elemzése is. Ugyanakkor meghatározásra került egy energiaküszöb is a világítás áramellátására. A Szabvány eleget tesz a megvilágított felületekre vonatkozó szabályoknak és számítási módszereknek is azok céljától függően, és a helyes mérnöki gyakorlatnak megfelelően. Eleget tesz a következő európai szabványoknak: EN 12464-1, EN 12464-2, EN 1838, EN 12193 és EN 13201. A fogyasztott energia külön méréseire vonatkozó tanácsot is belefoglaltak a Szabványba. Ez a fajta megközelítés releváns információt ad a világítás, és az annak vezérlésére használt eszközök hatékonyságáról. A HRN EN 15193:2008 Szabvány meghatározza, hogyan kell kiszámítani a világítás által fogyasztott energiát. Javaslatokat is ad, és bemutatja a lámpák rendszerének kialakítására vonatkozó új trendeket, az úgynevezett „Zöld épület” tanúsítványt az energia épületekben történő használatáért („energiateljesítmény tanúsítvány épületekhez”). A tanúsítási folyamat Horvátországban 2010 áprilisában kezdődött. Meghatározza az épületben a fűtés, szellőztetés, forró víz, légkondicionálás és világítás által fogyasztott összes energiát. Az EU minden tagállamának harmonizálnia kell a törvényhozását az EU irányelveivel. A Szabvány szerint, az energiafogyasztás felső küszöbértéke átlagos megvilágítási szintű irodában (Eátlag = 500 lx) évente 40 kilowattóra / négyzetméter értéket tesz ki. Ha az energiamegtakarítási intézkedések megvalósulnak, a 40 kWh/m2 célérték le fog esni 25 kWh/ m2 értékre. Az első lépés az irodaépületek világítására vonatkozó energiamegtakarítási intézkedések megvalósítása felé a projektfeladatok koordinálása a modern építészeti megoldásokkal. Ezek a megoldások lehetővé teszik a napfény optimális használatát az épület falain belül. A modern építészeti megoldások magukban foglalják a függőleges és tetőnyílások optimális kialakítását további megtakarítások lehetővé tételéhez. A közvetlen napfény mélyebbre hatol be a lakótérbe, és a megtakarítás megvalósul. Ugyanakkor, a közvetlen napfény kellemetlen következményei elleni védelem elérhető. Ezek a következmények a beltér túlmelegedése és a bosszantó ragyogás. A második lépés minden olyan lehetséges mechanizmus megvalósítása, amelyek vezérlik a világítási munkát. Ezeket a mechanizmusokat egy világításkezelő rendszer egy helyen központosítja. Ez a rendelkezésre álló napfény mennyisége, az épületen belül töltött idő, és a felszerelt világítás életkora szerint működik. Az életkor fontos, ha egyenletesen megvilágított helyiséget szeretnénk kapni. A projektnek ebben a fázisában a befektetők - akik jövőbeni felhasználók - komfortra vonatkozó minden kívánságának illeszkednie kell az energiaszükségletekhez. A szükségleteket a Világítási energia numerikus index (Lighting Energy Numerical Index – LENI index) határozza meg, és az a célja, hogy figyelembe vegye az energiahatékonyságra vonatkozó irányelveket. Ennél a fázisnál gondosan kell kiválasztani a fényforrásokat, amelyek jelentősen befolyásolhatják a LENI indexet. A helyzet az, hogy meg kell határozni egy minőségi összefüggést az emberi alapvető biológiai és egyéni szükségletek között, egy felelős viszonyt a természettel és minden élőlénnyel. Ez egy bonyolult feladat. A világítás csak egy része az említett komplexumnak, de nem szabad elhanyagolni. Egyrészt az emberi lénynek megvannak a saját elvárásai, szükségletei és érzései. Fényre van szüksége a munkához, és saját útja és komfortérzete megleléséhez. Ugyanez a helyzet a növényekkel és állatokkal is. Egyénileg igényel fényt. Azért nagy különbség van a különböző fénytípusok között. Nagy különbség van a napfény és 51
a mesterséges fény között is. Az egyedüli fényforrások és egy dinamikus lámpakompozíció között. Másrészt, fontos meghatározni az energia kérdését. Attól kezdve, hogy az emberi faj elkezdte használni és szennyezni a természetet, az energiamegmaradás kérdésének társadalmi és gazdasági jelentősége volt. A Nemzetközi Energia Ügynökség (International Energy Agency – IEA) szerint, a világon az elektromos energia 18-19%-át világításra használják. A nagy bérházak és irodaépületek az alapvető és legnagyobb energiafogyasztók, összesen 2540% elfogyasztott energiával az OECD országokban. Általánosan mondva, a CO2 kibocsátás jelentősen csökkenthető lenne, ha az energiahatékonysági intézkedéseket alkalmaznák az építési munkában.
3.1. Világításhoz igényelt éves energia egy épületben az EN 15193 (kwh/év) szabvány szerint Ez a fejezet egy épületben a világításhoz egy év alatt szükséges összes energia becslését írja le. A becsült értéket további számításokhoz használják. Mindenekelőtt, az értéket a Világítási energia numerikus index LENI meghatározására használják. Az egyenletekben használt összes fontos paraméter alább részletesen leírásra kerül. A becsült érték jelentősen függ ezektől a paraméterektől, amelyek viszont az épület (az épület felhasználója által követeltek szerinti) világítási projektjének energiahatékonyságát mutatják [3.1]. Az épületünk világításhoz a megfigyelt t időszak során szükséges Wt összes elektromos energiát az alábbi egyenlet írja le: Wt = WL ,t + WP ,t [kWh ]
(3.1)
Egy épület megvilágításához szükséges elektromos energiát (WL,t) a következő egyenlet adja meg: WL ,t = ∑
Pn Fc (t D Fo FD + t N F ) [kWh] 1000
(3.2)
A vészhelyzet esetére szolgáló akkumulátorok töltéséhez, vagy készenléti munkamódban egy világítási rendszer vezérlőeszközeinek áramellátásához szükséges becsült parazita energiát az alábbi egyenlet adja meg:
WP,t =
∑{{P [t − (t pc y
+ tN )]}+ Pemtem} [kWh] 1000 D
(3.3)
Egy épület világításához szükséges összes elektromos energia bármilyen adott időszakra (óra, nap, hét, hónap vagy év) becsülhető a használt, idővel összefüggő becsült paraméterek alapján. Meglevő épületek esetén, a WL,t és WP,t a világításhoz szükséges elektromos energia közös vagy külön méréseivel határozható meg. Az energiafogyasztás becsült értéke nem tartalmazza sem a távvezérelt világítási rendszerhez szükséges energiát, sem a vészhelyzetre szolgáló akkumulátor ellátásához szükséges energiát. A fentieknek megfelelően, a világításhoz szükséges éves összes elektromos energiát az alábbi kifejezés adja meg: (3.4) W = W + W [kWh / godišnje] L
P
52
A WL és WP értékei tartalmazzák az épület világításához szükséges éves elektromos energiát, és a parazita elektromos energiát.
3.2. Világításkezelő rendszerek Mint korábban megállapításra került, szokás, hogy a befektetők először tárgyalnak a megbízott építészekkel annak érdekében, hogy kifejlesszenek egy építészeti koncepciót. A koncepció tartalmazza az épület minden jellemvonását, figyelembe véve annak célját. Az építészek a projekt részeivel rendszerint specializálódott projektirodákat bíznak meg (gépészeti, villamosmérnöki, vagy világítási… irodákat). Ha az összes projektirodától az összes projektrészt összeállítják, az építészek előkészítenek és létrehoznak egy költséglistát közbeszerzési célra. A szerződésben meghatározott feladatokkal és műveletekkel rendszerint megbíznak egy megfelelő ajánlattevőt. Ő rendszerint számol az épület létesítménykezelésének és szolgáltatásainak jövőbeni végzésével, ha a szerelési feladatát jól végezte el. Így egy teljes projektmegoldáshoz nem elegendő csak az építési munka beruházási költségeit figyelembe venni. Fontos megbecsülni az épület karbantartási és üzemeltetési költségeit is, amíg az épület létezik. Az innovatív világítási koncepciók figyelembe veszik ezeket a költségeket annak érdekében, hogy igazolják az épület fenntartható használatát. A ‘fenntarthatóság’ kifejezés arra a képességre utal, hogy egy helyiség célja és elrendezése átalakítható a jövőben, az üzemeltetési és karbantartási költségeket alacsonyan tartva. Ez akkor érhető el, ha kiváló minőségű termékeket és rendszereket használunk, összehozzuk az épületet és annak célját, működőképesen tartjuk az egész rendszert, törődünk az igényeinkkel és a műszaki követelményekkel, és/vagy kihangsúlyozzuk az ember, mint a legfontosabb és legértékesebb erőforrás szerepét. A világításkezelés gyakorlati szerepe Amikor az elektromos lámpa először megjelent, az emberek boldogok voltak, hogy van, anélkül, hogy túl sokat törődtek volna a minőségével. Idővel arra a következtetésre jutottak, hogy az elektromos lámpa minősége lényegesen javítható, ha a fény szórt, vagy ha a ragyogást kiküszöbölik, vagy ha szemrevaló lámpákat és világítási rendszereket hozunk létre. A fény minőségét a számunkra elérhető lámpaválasztásunk, a fényforrás jellege, és a megvilágítandó terület határozza meg. Azért sok körülmény van, amikor mesterséges fényeket használnak különböző alkalmakkor. A mesterséges fény használata különböző paraméterek szerint változik. Például, * Hozzájárulás, napfény befolyásolása * Tevékenységek mesterséges fénnyel megvilágított beltéri területen. Ezek a tevékenységek változhatnak. * A tevékenységek vagy egy beltéri terület működése különböző fényszinteket igényelhet. A világításkezelésnek, amelynek a megvalósítása elektromos változók módosításával történik, gyakorlati, esztétikai vagy energiamegtakarítási funkciója lehet az alkalmazásától függően. Természetesen ezeknek az alkalmazásoknak némelyike redundáns. De a fő cél a legjobb megközelítés és rendszer meghatározása a világításkezeléshez, tekintet nélkül annak alkalmazására. Például, amikor moziba megyünk, nagyon praktikus, hogy a középső fények bekapcsolva legyenek, mialatt megpróbáljuk megkeresni az ülőhelyünket. Ha már megtaláltuk az ülőhelyünket és a film elkezdődött, a fényeket kikapcsolják, így a látogatók 53
nézhetik a filmet. A kérdés, amit a mozi tulajdonosának feltehetünk, az az, hogy kézi lámpakapcsolót használ-e a fények pillanatnyi fel- vagy lekapcsolására, vagy relét használ-e a fényerősség fokozatos növelésére / csökkentésére. A világítás ilyen használata esztétikusként határozható meg. De ez inkább praktikus, mint esztétikus. A fényerősség hirtelen változásai balesetet vagy testi sérülést okozhatnak. Továbbá, a lámpakapcsoló gyakori fel- és lekapcsolása gyorsan csökkentheti a fényforrás élettartamát, valamint a kapcsolóeszközök élettartamát. Egy mozicsarnok rendszerint különféle célokra használható: előadások, színházi előadások, konferenciák, bemutatók stb. Ezért szükséges, hogy a mozicsarnok minden említett célra használható legyen. Az is szükséges, hogy a mozicsarnok fel legyen szerelve egy megfelelő fényvezérlő rendszerrel, azaz egy olyan rendszerrel, amely folyamatosan változtatható vezérlést kínál. Van még néhány egyéb tevékenység, mint a napi munka az irodákban, kis és nagy üzletekben vagy bevásárlóközpontokban, múzeumokban és hasonló funkciójú objektumokban. A napfény használatának az összes említett térben nagy jelentősége van. Az összes említett esetben a napfény hiányát egy megfelelő vezérlőrendszerrel vezérelt mesterséges fénnyel kell kompenzálni. A mesterséges fény használata arra szolgál, hogy kompenzálja a napfény hiányát azokban az időkben, amikor abból nincs elég, és optimális megvilágítási hatást érjen el. A kérdés az, hogy a napfény hiányát egy több rendszerben működő egyszerű kompenzálja-e, vagy kell-e egy fokozatos vezérléssel beállítást végezni, megelőzve a fényerősség hirtelen változásait, amelyeknek negatív hatásai lehetnek a felhasználókra. Erre a kérdésre a válasz az esztétikai és ergonómiai részletektől, valamint a befektető pénzügyi képességétől függ. Van néhány gyártási folyamat, mint az ipari termelés, mezőgazdaság és kertészet, amelyek gyakorlati okok következtében megfelelő fényvezérlő rendszert igényelnek. Van néhány alkalmazás, amelyeknek elsődlegesen esztétikai a szerepük, de gyakorlati alkalmazást is megkövetelnek. Egy ilyen példa azok a dolgozók, akik megpróbálnak kitakarítani egy helyiséget. Nekik elegendő fényerősséget kell biztosítani a munkájukhoz. Bármikor, amikor a rendszerünknek gyakorlati alkalmazása van, a fényrendszer kezelésének és annak alkalmazásának a lehető legegyszerűbbnek kell lennie. Mivel a piac változatos eltérő technológiákat kínál, a projekten dolgozó villamosmérnök feladata, hogy megtalálja a legegyszerűbb csomagot a rendszer gyakorlati alkalmazásának biztosítására. A rendszert egyszerű módon kell üzemeltetni. A világításkezelés esztétikai szerepe A világításkezelés esztétikai szerepét az elektromos lámpákat gyártó ipar fejlesztette ki. Ma, amikor a világításkezeléssel foglalkozunk, a hatékony energiakezelést hangsúlyozzuk. Az esztétikai szerep a szemünkre gyakorolt érdekes és kellemes hatásokon alapul. Ennek a funkciónak az alapja két dolognak a lehetővé tétele. Az első dolog a különböző fényforrásokból jövő fényerősség kiegyensúlyozása a kellemes megvilágítás létrehozása érdekében. A második dolog egy fény helyszínének átalakítása egy másikra. Ez a technika rendszerint úgy alkalmazható, mint egy változó és programozható dekoráció az épület belső és külső falain, színválasztási és színintenzitás-változtatási lehetőséggel (cél, élvezet). Ma a fénnyel foglalkozó modern projektek többsége függ a különböző fényforrások 54
használatától, valamint a lámpatípustól, és annak optikai jellemzőitől. Ma nagyon szokásos, hogy egy elektromos lámpák rendszerét tervező villamosmérnöknek eltérő fénycsatornák esetén különböző megvilágítási szinteket kell elérnie. Egy meghatározott megvilágítási szintet kell elérnie, vagy egy fényhelyszínt kell létrehoznia. Amikor különböző fényhelyszínekre van szükség egy helyiségben, találni kell egy kényelmes módot egy helyszín megváltoztatására egy másikká. Az ilyen igényre példák az eltérő fényerősség a nap folyamán, vagy dinamikus fénysémák létrehozása. Ha figyelembe vesszük a rendszerünk műszaki aspektusait, mint a fényforrást, a falak dekoratív megvilágítását, a mennyezeti lámpákat, a pontszerű fényforrásokat, mint a spotlámpák, diffúz fényforrások stb., nincs elég információnk az atmoszféráról a helyiségben. A legjobb mód az érzelmekből kiindulni. Komfortos a szobánk? Az atmoszféra a szobánkban drámai, barátságos vagy nyomasztó? Ha egy pihentető és kellemes atmoszférájú komfortos helyiséget akarunk létrehozni, akkor a megközelítésünk eltér egy drámai atmoszférájú helyiség létrehozásának megközelítésétől. Egy ilyen helyiséget ragyogó nagy intenzitású fényforrások különböző elrendezései díszítenek. Ahelyett, hogy először eszközöket és technológiákat határozna meg a cél eléréséhez, egy villamosmérnöknek, aki elektromos lámpák rendszerét tervezi, először az eredményt kell meghatároznia, és a szükséges eszközeit és technológiáit megfelelően hozzá kell igazítania. Energiafogyasztás kezelése Az energiafogyasztás globális probléma, amikor az energia áráról vagy a környezetre gyakorolt hatásáról beszélünk. Az emberi természet, különösen a befolyásos emberek természetének jellemzője, hogy sokat beszélnek a környezettel való helyes kapcsolatról. Mivel az energia ára meghatározó tényező, intézkedéseket csak azért tesznek, hogy megtakarítást realizáljanak (3,2). A fény vezérlése jelentősen hozzájárulhat az energiamegtakarításhoz. De azzal, hogy így teszünk, nagyon óvatosnak kell lennünk. Ha a lámpák rendszerét esztétikai vagy gyakorlati okokból felszerelték egy bonyolult vezérlőrendszerrel, lehetségesnek kell lennie a funkciók programozásának annak érdekében, hogy az energiát hatékonyabban lehessen használni. Mégis, amikor egy speciális lámpavezérlő rendszert kell felszerelni egy egyszerű kézi vezérlőrendszer helyett, szükséges ellenőrizni a befektetés megtérülését, valamint a megtérüléshez szükséges időt. Vannak olyan helyzetek, amikor egy bonyolult számítógépes kezelőrendszer beruházásának gyenge a megtérülése. Az energia hatékony kezeléséhez szükséges aláhúzni néhány alapvető jellemzőt: * Sok projektben egy optimális fényforrás választása jelenti a legmagasabb költséget. * A fényforrások többségének fényárama változik a fényforrás élettartama során. Ugyanakkor, a fényforrás fényárama változik a karbantartási ciklustól függően (például IP 20 vagy IP 40 kategóriájú por elleni mechanikai védelem). A világításkezelés biztosíthatja a karbantartás minőségének szintjét. Megelőzi az energiafogyasztást is a fényforrás élettartamának kezdetén is. A megvilágítás kezdeti szintje a függ a karbantartási tényezőtől. Például, az értéke 0,8 lehet. * Nem minden fényforrás alkalmas a fényerősség fokozatos változtatására. * Mindig szükséges elemezni a világításkezelő rendszerrel egy meghatározott területen elért energiamegtakarítást. Néha nem lehet elérni energiamegtakarítást. * Soha nem szabad elfelejtenünk a világítási rendszer végfelhasználóját. Az emberi tényezőtől függetlenül üzemelő teljesen automatizált rendszerek nem nagyon sikeresek. Az automatizálás néha ésszerű, de lehetőséget kell kínálnia a felhasználó számára, és/vagy a tér legkisebb egységére a rendszer pontos beállítására. 55
* A legújabb termékek és technológiák a világításkezelő rendszeren keresztül növelik az energiamegtakarítás lehetőségét. * Minden számításban fontos kérdés a költséghatékonyság, vagy a befektetett pénz megtérüléséhez szükséges idő. Integrált megközelítés használata esetén a számítás nagyon bonyolult lesz. Nem csak az összes alternatíva árát kell ismernünk, de tekintetbe kell vennünk az energia árát is. * Egyértelmű, hogy a befektetés leggyorsabb megtérülése a szabályozó eszközök révén érhető el. * Nyilvánvaló, hogy a rendszer teljesítménye függ a használatban levő szabályozási lehetőségtől. Egy épület központi területén, amely munkaidőben általában nagyon zsúfolt, nem lehet pénzt megtakarítani szabályozható képességű lámpák használatával a hasonló eszközökkel felszerelt közönséges lámpákkal összehasonlítva. * Mégis, felszerelt érzékelőkkel, jelenlevő idővezérlő mechanizmussal, és az épületnek a napközben nem egyformán zsúfolt területeire belépő legalább kis mennyiségű napfénnyel lehetségesek megtakarítások. Az épületnek némelyik területe napközben egyáltalán nem foglalt. Az is világos, hogy a projekt készítésekor szükséges ismerni az épületben levő meghatározott helyiségek jellegét és célját, valamint azok funkcióját. * Ha helyes kalkulációt akarunk készíteni, figyelembe kell vennünk a következőt. A szabályozási lehetőséggel rendelkező lámpák magasabb árát, a vezérléshez minden kiegészítő eszköz árát, az érzékelőket, a világításkezelő rendszer programozásának árát, valamint a rendszer üzemeltetésének elkezdéséhez szükséges pénzt. A vezérlésre szolgáló digitális eszközök új generációi csökkentik a központi kezelőrendszer árát, és egyszerűsítik a számításokat. *Hasonló számítások végezhetők minden világításkezelő rendszer esetén. Minden egyes világítóeszköz esetén figyelembe kell venni az összes körülményt. Hatalmas épületekben, mint amilyenek a vállalati felhőkarcolók, kórházak és iskolák, tekintetbe kell vennünk a légkondicionáláson és a szellőztetésen elérhető megtakarítást. Egy fényforrás által termelt hőenergia lényegesen hozzájárul a légkondicionáló rendszer terheléséhez. Ezen ok miatt a terhelés minden csökkenésének következményei vannak a légkondicionáló rendszer energiafogyasztására. Sok lámparendszerben az IAA izzószálas égőket használják. Halogén égőket szintén gyakran használnak. Ezeket az égőtípusokat azzal a céllal használják, hogy megfelelő atmoszférát hozzanak létre a helyiségekben, és a színeket teljesen természetesnek látszóvá tegyék. Az égőket rendszerint fázisszabályozókkal vezérlik azzal a céllal, hogy megfelelő megvilágítási szintet hozzanak létre. A kielégítő megvilágítási szintet lehetővé tevő fázisszabályozók révén elért energiamegtakarítás nagyon mérsékelt. E szabály alól egy kivétel az időfüggő vezérlővel elért szabályozás. Másrészt jelentősen csökken a karbantartási költség, mert a fényforrások élettartama jelentősen meghosszabbodik. Továbbá a karbantartáshoz nincs szükség emberi munkaerőre, ami további megtakarításokat eredményez. Vezérlőhálózat és fejlett világításkezelő rendszerek (LMI) Az automatikus vezérlésre szolgáló elosztórendszerek előnyösebbnek bizonyultak az iparban, szállításban és háztartásban a hagyományos központosított rendszereknél. Az automatikus kezelésre szolgáló modern rendszerek alapvető összetevőket, érzékelőket, működtető szerveket, vezérlőmodulokat, kommunikációs hálózatokat, ember-gép interfészt (HMI), és eszközöket tartalmaznak a vezérlőhálózathoz. Az automatikus vezérlésre szolgáló rendszerek közötti különbségek a különböző gyártók és rendszerintegrátorok eltérő megközelítéséből adódnak, valamint abból, hogy milyen módon alakítják ki és használják ezeket az 56
összetevőket. Az automatikus vezérlőrendszerek kialakításának hagyományos megközelítése óriási számú érzékelőn és működtető szerven (I/O egységek) alapul, amelyek egy megfelelő mester/szolga eljárással kapcsolódnak össze és csatlakoznak a vezérlőegységhez. A vezérlőegységet felszerelték egy processzorral, amely feldolgozza a vezérlőállomástól érkező adatokat. Nemrég, 5 - 10 éven belül, egy ilyen megközelítés nem mutatkozott megfelelőnek a modern rendszerekhez és a növekvő számú összetevőhöz, valamint a rendszer teljesítményére vonatkozó növekvő igényhez. A hagyományos automatikus vezérlőrendszerek tipikus problémáit a csomópontokat jelentő összetevőkkel jellemzett elosztó architektúra révén oldják meg, amelyek viszont egy vezérlőhálózatot alkotnak. Ezek a rendszerek nincsenek felszerelve központi vezérlő összetevővel. Ehelyett a vezérlést a hálózatban levő intelligens eszközök végzik. Ilyen rendszerekben minden csomópontnak saját vezérlő funkciója van, amely függ a hálózatban bárhol begyűjtött információtól. Ez a tény azt sejteti, hogy az automatikus vezérlőrendszerekben levő hálózat inkább adatátvitelre szolgál, mint vezérlőparancsok átvitelére. A vezérlőparancsok átvitele a hagyományos rendszerek jellemzője volt. A modern vezérlőhálózatok egyik fontos jellemzője a nyílt szabvány, ami lehetővé teszi, hogy a különböző gyártók által gyártott kommunikációs berendezések egyetlen hálózatba kapcsolhatók legyenek. Az ilyen megközelítés biztosítja, hogy a berendezéseket a felhasználók könnyebben elfogadják, ami viszont fokozza a berendezések gyártását és alkalmazását. Másrészt, a gyártási költségek csökkennek. A legnépszerűbb és a leginkább használt vezérlőhálózat, ismertebb nevén perifériás vezérlőrendszer („FieldBUS” (mezőbusz)), a 3.1. táblázatban látható. 3.1. táblázat Legismertebb és leginkább használt vezérlőhálózatok 1 A legismertebb és a leginkább használt vezérlőhálózatok Luxmate Professional és LITENET EIB/KNX busz („European Instalation Bus” – Európai szerelőbusz) LON („Local Open Network” – Helyi nyílt hálózat) LUTRON (LON buszrendszer alapján) iCAN™ hálózat CAN busz alapján) CAN busz (Controller Area Network; ISO 11898/11519) Modbus, ProfiBUS, EtherCAT („Ethernet for control and automation technology” – Ethernet vezérlés- és automatizálás-technológiához) Általánosan mondva, a periferikus kezelőrendszerek két kategóriába oszthatók. Ezek a nyílt és zárt rendszerek. A legismertebb nyílt rendszerek az EIB/KNX és LON buszrendszerek. De nem minden FieldBUS rendszer alkalmazható teljesen a világítási rendszerekben. A többségük a lámpák vezérlésére olyan protokollfordító módszereket használ, mint a DALI, DMX és 1-10V. Az alkalmazási funkcióknak sok korlátja van, amelyeket később tárgyalunk meg ebben a szövegben. Az elektromos energiának a világításkezelés különböző módszerei révén lehetséges megtakarításait alább adjuk meg: - Vezérlés napfénynek való kitettség alapján 20 – 40% - Napfénynek való hosszabb és jobb kitettség által elérhető további megtakarítás 20% - Módszer az emberi jelen- vagy távollét észlelésére 15% – 30% 57
- Időkezelés - Állandó fényszint tartása
5% – 15% 10% – 15%
Mindezen módszereket alább részletesen leírjuk. Úgy becsülik, hogy a felsorolt módszereket Európában a következő százalékokban használják: - Kézi vezérlés (be/ki) - Napfény szintjén alapuló vezérlés - Emberi jelen- vagy távollétet észlelő módszer - Időkezelés - Állandó fényszint tartása
~ 97% < 8% < 8% < 4% < 3%
A megadott adatokból nyilvánvaló, hogy egy világítórendszerben sok mód van az elektromos energia megtakarítására. Ezek a megtakarítások fejlett világításkezelési módszerek bevezetésével érhetők el.
3.2.1. Kiegészítő és modern intézkedések javított energiahatékonyságú világításkezeléshez Fokozatosan tompított egyetlen fényforrás Világításkezelő rendszert helyileg és minden munkahelyen használnak. Az a célja, hogy biztosítson egy bizonyos világítási komfortot, és kielégítse az egyén szükségleteit. Az említett előnyön túl, akár 40 százalék további energiamegtakarítás elérése is lehetséges. Programozott világítási rendszer Egy világításkezelő rendszer figyelembe veszi a biológiai hatásokat, amelyek nem láthatók a fényszint automatikus változása, a fény irányának és hőmérsékletének, valamint színének megváltozása miatt, (3,3). A világítási rendszerek területének szakértői felismerték a világítási rendszerek kialakításának és a fény nem látható biológiai hatásainak jelentőségét az emberi test hormonszintjére. Ha optimalizálni akarjuk az emberi testre gyakorolt biológiai hatásokat, a fény szintjét fel kell emelni a puszta megvilágításhoz szükséges alapvető szint fölé a spektrumok látható részében. Ezt a fényszintet különösen a nap reggeli órái és kora délutáni órái során kell elérni. A magas fényszint jelentősen csökkenthető, ha csak fehér fényű hideg fényforrásokat használunk (a fény hőmérséklete 6000 K). Amikor biológiailag kevesebb hatékony világításra van szükségünk, melegebb színeket használnak, miközben a fényerősséget fokozatosan csökkentik a csupán a látáshoz elegendő minimális szintre. A fényszint, annak irányának és színének a nap folyamán történő automatikus változtatását Programozott világítási rendszernek nevezik. Ha változtatni akarjuk a színhőmérsékletet, egy vagy több lámpában eltérő színű fényforrásokat használunk. Az eltérő színű fényforrások különböző arányban külön tompíthatók, ha eltérő fényszintek és színek szükségesek. A felszerelt világítási rendszer összteljesítménye programozott világítási rendszer esetén tipikusan nagyobb, mint egy klasszikus nem programozott rendszeré. A programozott világítási rendszereket rendszerint nem használják azok maximális teljesítményén (minden különböző színhőmérsékletű fényforrás bekapcsolt állapotban van) hosszú ideig. Egy ilyen világítási rendszerben az átlagosan használt teljesítmény a maximális beszerelt teljesítmény 30 – 70 százalékos tartományában van. A használt teljesítmény függ a világítási rendszer használatára vonatkozó előre meghatározott napi ütemtervtől. 58
Fénycsövek A fényt visszatükröző belső felületű fénycsövek a közvetlen napfényt és a nappali fényt az épület tetején levő nyíláson keresztül továbbítják belülre. Ezen a módon további az elektromos energia további megtakarítása érhető el, különösen, ha a közvetlen napfénynek ki nem tett belső terek megvilágítása függőleges vagy tetőnyílások használatával történik. A leírt rendszerek megkerülhetik a szokásos építészeti akadályokat az épületek tetőtereiben, mint az a 3.1. képen látható.
3.1. kép Fénycső részei A fénycsövek, amelyek a napfényt a tetőtől az épület belső területeire továbbítják, általában műanyagból vagy fémből készülnek. Egy tipikus fénycső a 3.1. képen bemutatott összetevőkből áll: 1) Napfény összegyűjtésére használt átlátszó műanyagból készült mennyezetkupola, vagy üvegből készült ablakok, 2) Fényvisszaverő cső, amely a mennyezeti kupolától a megvilágítani kívánt helyiséghez vezet, 3) A megvilágítani kívánt helyiség mennyezetére helyezett diffúzor. Ma sok hajlékony vagy merev fényvisszaverő csöves rendszer áll rendelkezésre. Lámpák elrendezése adott forgatókönyvvel Egy olyan világításkezelő rendszer, amely lehetővé teszi különböző fényhelyszínek felszerelését, függ az épületen belül vagy kívül végzett tevékenységektől. Egy helyiségben végzett tevékenységek néha változhatnak a nap folyamán, és a megvilágítást megfelelően hozzá kell igazítani. Ez a helyzet konferenciacsarnokok, tárgyalóhelyiségek esetén, amelyek diabemutatókra, megbeszélésekre, olvasásra vagy írásra, vagy személyi vagy laptop számítógépeken történő munkavégzésre használhatók, a 3.2. képen bemutatottak szerint. Egy irodában végzett tevékenységek az olvasástól vagy írástól a számítógépes munkavégzésig vagy a munkatársakkal vagy látogatókkal folytatott megbeszélésekig változhatnak. Ha lehetőség van különböző meghatározott lámpák bekapcsolására (a lámpák bekapcsolása rendszerint távvezérlővel történik) az egyes eltérő tevékenységekhez, azt mondhatjuk, hogy egy helyszín került beállításra.
59
3.2. kép Különböző tevékenységekhez beállított helyszín Egy beállított helyszín esetén tipikus, hogy az összes rendelkezésre álló lámpa egyidejűleg soha nincs használatban, így a teljes beszerelt teljesítmény soha nem kerül elérésre. Ha ki akarja számítani egy helyiségben az egy nap vagy egy év során felhasznált tényleges teljesítményt a szokásos végzett tevékenységekkel, a helyiség használatára vonatkozó minden lehetséges forgatókönyvet figyelembe kell vennie.
3.3. Világítási energia numerikus index (LENI) A világítási energia numerikus indexe egy épületre a következő kifejezés szerint számítható: W LENI = kWh / m 2 godišnje (3.5) A ahol:
[
• •
]
W egy épület megvilágításához szükséges évi összes elektromos energia (kWh/év) A az épület használható összterülete (m2).
Rendszerint nem probléma meghatározni egy épület hasznos területét. Ez a szabály vonatkozik a már megépült, valamint a csak megtervezett épületekre is. De a LENI index lehető legpontosabb kiszámítása kihívás, mert az épületünkben levő lámpákhoz szükséges elektromos energiafogyasztás meghatározása problémás. Itt rá kell mutatnunk arra, hogy a kültéri lámpák által fogyasztott energia nincs figyelembe véve, hanem csak a belső területek megvilágításához szükséges energia, a végfelhasználó követelményeinek kielégítése céljából.
60
.3.3. kép Világítás éves elektromos energiafogyasztásának kiszámítására használt folyamatábra A 3.3. képen látható fenti folyamatábra szerint a LENI index meghatározásának három módja van: * A legmegbízhatóbb mód az épület világítása által fogyasztott elektromos energia mérése. De ez a módszer csak azokra a meglevő épületekre alkalmazható, amelyek kielégítik az alább leírt alapvető feltételeket. * Azokban a meglevő épületekben, amelyek nem nyújtanak lehetőséget a fogyasztott energia mérésére a világítási rendszeren, a gyors számítási módszert lehet használni, amely fontos becsült tényezőket vesz figyelembe az egész épületre. Ugyanez a még csak megtervezett épületekre is igaz. Más szavakkal, az épületben bizonyos területek és terek meghatározott funkcióit a fenti módszer nem veszi figyelembe. Ez a módszer rendszerint csak közelítő értékeket ad, amelyek általában magasabbak a valósaknál. Ebből az okból ezt a módszert csak standard épületekhez, vagy a világításhoz szükséges elektromos energia éves fogyasztásának kezdeti becslésére, vagy a LENI indexhez használják. Ha gyors számítást kell végeznünk, a minden befolyásoló tényezőre előre meghatározott értékeket tartalmazó meglevő táblázatok és a LENI index használhatók. A táblázatok később láthatók ebben a szövegben. * A komplex számítási módszer minden fontos tényezőt külön figyelembe vesz az épület különböző területeire és tereire. Ugyanakkor, a számítás időszaka lehet rövid, órák, napok vagy hetek, vagy hosszú, hónapok, évszakok és évek. Ez a módszer valós indikátorokat ad az épület világítási rendszerének elektromos energiafogyasztására. Ezért jobb indikátorokat ad egy világítási rendszer energiahatékonyságára, ami alapul szolgálhat a hatékonyság további javításaihoz.
61
3.4. Mérési és számítási módszerek egy épület világítási rendszerében fogyasztott elektromos energia meghatározásához 3.4.1. Épület világításához szükséges elektromos energia mérése Általános leírás Egy épület világítási rendszerében az elektromos energiafogyasztás külön mérhető a következő módszerek egyikének használatával: a) villamos mérőműszer telepíthető az épület elektromos berendezéseinek világítási körébe, b) teljesítménymérő van telepítve az épület elektromos berendezéseinek világítási köreibe, vagy integrálva a világításkezelő rendszerbe, c) világításkezelő rendszer, amely képes kiszámítani a lámpákra fordított energiát, és a kiszámított adatokat továbbítani az Épületkezelő rendszerhez (Building Management System – BMS), d) világításkezelő rendszer, amely képes kiszámítani az energiafogyasztást az épület különböző részei esetén, és továbbítani az információt egy adott formátumban, például teljesítmény-idő táblázat, vagy áram-feszültség-teljesítménytényező-idő táblázat formájában, e) világításkezelő rendszer, amely regisztrálja az időszakokat és a fényerősséget, amikor a lámpák bekapcsolt állapotban vannak, és a mért adatokat a beszerelt teljesítményről továbbítja a belső adatbázisnak. Távmérés javasolt azoknak az épületeknek az esetén, amelyek teljesen külön elektromos telepítésű világítási rendszerrel rendelkeznek az épületben. Ez a mérés a világítási rendszer jobb kezelésére használható. A) Világítás által fogyasztott elektromos energia mérése egyetlen mérőműszerrel
A 3.4. képen a világítási rendszer energiafogyasztását mérő villamos mérőműszer párhuzamosan van telepítve a fogyasztás maradékát mérő mérőműszerrel. A teljes elektromos energiafogyasztás az épületben a két mérőműszerből származó adatok összege.
3.4. kép A kép azt mutatja, hogyan kell beszerelni egy elektromos energiamérőt egy épület világítási rendszerének áramkörébe. Jelkulcs: 1) Elektromos csatlakozás az épülethez 2) Energiafogyasztás mérése a maradék berendezések esetén 62
3) Maradék berendezések elektromos áramkörei 4) Világítás által fogyasztott energia mérése 5) Világítási rendszer elektromos áramkörei B) Világítás által fogyasztott elektromos energia mérése egynél több mérőműszerrel A 3.5. képen található példában a világítás által fogyasztott elektromos energia mérésére szolgáló villamos mérőműszerek láthatók. Ezeket a mérőműszereket a világítási rendszer elektromos áramköreibe szerelik az épület különböző emeletein. Ezek az épület különböző tulajdonosok által birtokolt részeiben is felszerelhetők. A teljes elektromos energiafogyasztás mérőműszere a világítási rendszer általi fogyasztást is méri. Emiatt a világítási rendszer által fogyasztott elektromos energia felügyelete a világítási rendszer áramkörébe helyezett összes mérő minden adatának összegzésével történik megadott időszakokban. Az adatok tovább használhatók az Épületkezelő rendszerhez bemenő információként. Semmiféle korrekció nem szükséges az épületben levő helyiség használata következtében, vagy a telepített világításkezelő rendszer különbségei következtében.
3.5. kép Világítás által fogyasztott elektromos energia külön mérései 1) Teljes bemenő teljesítmény 2) Egy épület teljes energiafogyasztását mérő elektromos mérőműszer 3) Maradék berendezések elektromos áramköre (egyes számú kör) 4) Maradék berendezések elektromos áramköre (kettes számú kör) 5) Világítási rendszer elektromos mérőműszere (egyes számú kör) 6) Világítási rendszer elektromos mérőműszere (kettes számú kör) C Világítási rendszer által fogyasztott elektromos energia mérése világításkezelő rendszeren keresztül A lámpák általi elektromos energiafogyasztás egy mérési lehetősége a 3.6. képen látható. A fogyasztás mérése voltmérővel és ampermérővel (vagy wattmérővel) történik, amelyek információforrásként szolgálnak az épületben levő világításkezelő rendszer számára.
63
3.6. kép A rendszer bemeneteihez csatlakoztatott voltmérő és ampermérő világításkezelés vezérlésére 1) Információbusz 2) Energiabusz 3) Voltmérő 4) Ampermérő 5) Egyetlen világításkezelő rendszer 6) Lámpaarmatúrák A voltmérő vagy ampermérő segítségével működő egyes teljesítménymérő rendszereket az épületben található egyes, helyi világításkezelő rendszerekhez csatolják vagy azokba integrálják. Ezen a módon információ érhető el a helyileg felhasznált elektromos energiáról az épület központi kezelőrendszere számára. Az információ megszerzése az elektromos teljesítményre vonatkozó adatok idő szerinti integrálásával történik. A központi számítógép az egyes világításkezelő rendszerek szerint, vagy az egész épületre együtt, és különböző időszakokra végzi az adatfeldolgozást és az elektromos energiafogyasztás regisztrálását. Végül a kimeneti eredmény a világítás általi éves vagy eltérő időszakra vonatkozó teljes elektromos energiafogyasztásként fejezhető ki, egy kívánatos táblázatos formában. A fenti mérési módszer hátránya, hogy a világításkezelő rendszerbe bele nem foglalt lámparendszer által fogyasztott elektromos energia nem kerül mérésre. Továbbá, a külső vezérlőrendszer által közvetetten vezérelt lámpaarmatúrák által fogyasztott elektromos energia sem kerül mérésre. A világításkezelő rendszer a helyi rendszerek által vezérelt lámpaarmatúrák minden egyes csoportja esetén regisztrálja az üzemidőt. Méri a lámpacsoportok által létrehozott fényerősséget és a tompítási szintet is, és összehasonlítja az adatokat a belső adatbázisnak a beszerelt világítási teljesítményre vonatkozó adataival. Az információ jövőbeni jelentésekhez elérhető továbbá az épületkezelő rendszer számára. Az információ közvetlenül át is alakítható a végső jelentéssé. D Elektromos energia mérésének egyéb feltételei A lámpaarmatúrák névleges teljesítményeit, valamint a parazita teljesítményüket az épületek energetikai hatékonyságának kiszámításra használjuk, amikor egy világítási rendszer igényeivel foglalkozunk. A névleges értékeket közelíteni kell a legközelebbi egész számmal 10 watt fölötti teljesítmény esetén, vagy két jelentős számjeggyel, amikor az érték 10 watt alatt van. Az eredménynek mindkét esetben a valós érték ± 5%-os tűréstartományán belül kell lennie.
64
A lámpaarmatúra elektromos teljesítményének tesztmérése előírásszerű működés során. A cél a lámpaarmatúrák összteljesítményének mérése az előírásszerű működés alatt, a parazita teljesítménnyel együtt, amely a készenléti módban működő világításkezelő rendszerből, az érzékelőkből és a vészhelyzet esetén szükséges akkumulátortöltőkből ered. A mérést ahhoz hasonló körülményekkel kell végezni, mint amelyekhez a lámpaarmatúrákat tervezték. Ideális esetben a mérést a fotometriai tesztek során kell végezni. A voltmérőknek, ampermérőknek és wattmérőknek 0,5 vagy jobb pontossággal kell megfelelniük a mérőberendezésre vonatkozó igényeknek. A lámpaarmatúrának reprezentatív mintának kell lennie a tényleges gyártótól. Az armatúrát olyan pozícióba kell szerelni, amelyhez azt tervezték. A lámpaarmatúra teljesítményét az előző körülmények, vagy a gyártó által nyilatkozottak szerint kell mérni és kifejezni. Az értéknek tartalmaznia kell az összes égő, előtét eszközök és egyéb összetevők veszteségeit is a teljes kimeneti teljesítménnyel, vagy a maximális teljesítményt kell megadni azokra a lámpaarmatúrákra, amelyeket vezérelt fénytompítású rendszerbe való beszerelésre terveztek. Parazita lámpateljesítmény kikapcsolt lámparendszer esetén (Ppi) Egy lámparendszer parazita teljesítményéről akkor beszélünk, ha a rendszer kikapcsolt állapotban, vagy készenléti módban van. Vezérelt világítási rendszer esetén ez egy detektorteljesítmény, míg biztonsági lámpák esetén az üresjáratban levő akkumulátortöltő teljesítményéről beszélhetünk. Biztonsági lámpák parazita lámpateljesítménye (Pei) A biztonsági lámpák parazita lámpateljesítménye az akkumulátorok töltéséhez szükséges rendszer teljesítménye. Világításkezelő rendszer parazita lámpateljesítménye (Pci) A világításkezelő rendszer parazita lámpateljesítménye a rendszer teljesítménye, amikor az üresjárati állapotban vagy készenléti módban van.
3.4.2. Épület megvilágításához szükséges elektromos energia kiszámítása Általános leírás Egy épület világítására felszerelt teljesítmény két típusát különböztetjük meg. Az első a felszerelt lámpaarmatúrák teljesítménye. A második pedig a felszerelt parazita teljesítmény. A lámpaarmatúrák felszerelt teljesítménye biztosítja, hogy azok funkciója összhangban legyen az épület tervével. Világításkezelő rendszer felszerelt parazita teljesítményének költsége, valamint akkumulátorköltség vészhelyzet esetén. A) Komplex számítási módszer A komplex módszer a világítási energiaigények pontosabb értékelését biztosítja különböző időszakokra, mint például évekre vagy hónapokra. Ennek a módszernek a használata esetén 65
az 1., 2. vagy 3. egyenletet kell használni t megfigyelt időszakra. Ez a módszer bármilyen időszak (például hónap vagy év) és bármilyen földrajzi hely esetén használható azzal a feltétellel, hogy az idő és a földrajzi tényezők mutatják a napfény erősségét a nap folyamán, és az emberi jelenlétet az épület bizonyos területein. A napfény erősségétől függő FD,n tényező meghatározása A tényezőt az épület bármely helyiségére a 3.5.1. fejezetben leírt módszer szerint kell kiszámítani. Ez a 3.7. ábrán látható folyamatábra segítségével végezhető el bármilyen időszakra, például évre vagy hónapra. A napfény erősségétől függő FD,n tényező az épület bármely helyiségére vagy területére két tényező függvényeként számítható ki. 1) Az első FD,S,n tényező (az a tényező, amely egy helyiség napfénnyel való ellátását mutatja) tartalmazza a napfény rendelkezésre állását az n betűvel jelölt helyiségben vagy területen. Egy adott időszakra megmutatja a napfény hozzájárulását a teljes megvilágításhoz az épület megfigyelt helyiségében vagy területén (az n betűvel jelölve). 2) A második FD,C,n tényező (az a tényező, amely a világítás vezérlésének napfénytől való függését mutatja), amely a rendszervezérlés képességét mutatja a napfény használatára egy épület adott helyiségében vagy területén. Egy épület n betűvel jelölt területe vagy zónája esetén a következő kifejezés szerint számítható ki: FD,n = 1 - (FD,S,n · FD,C,n ) (3.6) Az FD,n kiszámítható bármilyen időszakra, mint például évre, hónapra vagy órára. A tényezőt úgy kell beállítani, hogy alkalmazkodjon a munkaidőhöz a napfényes időszak alatt. Azon a területen, ahol nincs napfény, ez a tényező eggyel egyenlő. Kiegészítésként a földrajzi helyzet és a napfény szintjéhez kapcsolódó éghajlati tényezők is számításba vehetők.
66
Can daylihgt penentrate the room?
No
Yes Calculate obstacle index Io (3.13) Calculate transparency index It (3.11) Calculate index of depth Ide (3.12) Specifying and classifying factor of daylight Dc (3.20) and Table 3.8 Specifying of daylight supply factor Fds Table 3.9 and 3.10
Barrier ?
Yes
No
Io = 1
Unusual number of hours of work?
No
Yes
) Use standard number of hours of work
Specifying corrective factor
Monthly?
No Specifying FDC Table 3.17
Yes For each month specify monthly daylight supply factor FDS, month Table 3.18 Specifying control system influence factor FDC Table 3.17
FD=1-(FDS•FDC)
FD=1
FD,m=1-(FDS•FDC•CDS)
3.7. ábra FD kiszámításának folyamatábrája Az épület n betűvel jelzett helyiségére vagy területére az FO,n világításhasználati tényező és az FC,n állandó megvilágítási tényező meghatározása a következő fejezetekben részletesen leírt módszerekkel történik. B) Gyors számítási módszer Ezt a módszert a szokásos épületekben egy év alatt, és világítási igényekre felhasznált elektromos energiához használják. Rendszerint nagyobb LENI értékeket ad, mint a pontosabb komplex módszerrel kapott értékek. A számítás céljára a befolyásoló tényezők standard értékeit használják az alábbi táblázatokból. Standard világítási energiaszükségletek mérése. Egy épületben a világításhoz szükséges összes elektromos energia és teljesítmény referenciaadatait új épületek tervezése és meglevők rekonstrukciója során a világítási energiára a 3.2. táblázatban megadott referenciaértékek készletéből kell kiválasztani. Az adatok a megjósolt beszerelt teljesítménysűrűséget mutatják meghatározott épülettípusok, valamint meghatározott minőségű világítási rendszer esetén. Az értékek a teljesülő és az épületre vonatkozó szükséges kritériumokon alapulnak. Nyolc különböző típusú üzletház lett figyelembe véve. Az értékek átlagot jelentenek az épületre, és változhatnak az abban található különböző helyiségek és területek esetén. A világítási energiára vonatkozó standard szükségletek mérése előtt a fontos tényezők értékeit, és azok standard értékeit a táblázatból kell venni. A gyors számítási módszer oly módon alkalmazható egyetlen helyiségre a megfigyelt épületben, hogy az épület minden egyes helyisége esetén kiválasztják a fontos tényezőket, és meghatározzák a világításhoz szükséges éves energiamennyiséget. Ezután össze kell adni minden energiát az épületben található összes helyiségre az egész épületre vonatkozó LENI index kiszámításának céljával. 67
Teljesítmény számított értéke egy épület Pi lámparendszere esetén Meglevő épületekben, ahol a lámpaarmatúrák teljesítményére vonatkozó információ nem ismert, a következő becslés végezhető: a) (egyetlen égő névleges teljesítménye) x (égők száma egy lámpaarmatúrában); ezen a módon kiszámíthatjuk a feszültséghez közvetlenül csatlakozó égők teljesítményét. Például izzószálas égők, elektromos fojtással felszerelt fénycsövek stb. b) 1,2 × (egyetlen égő névleges teljesítménye) x (égők száma egy lámpaarmatúrában); ezen a módon kiszámíthatjuk a feszültséghez elektromos fojtás vagy transzformátor segítségével csatlakozó égők teljesítményét. Parazita teljesítmény számított értéke egy épület lámparendszere esetén Egy meglevő épületben, amikor a világítás parazita teljesítménye nem ismeret, az éves parazita energia a következőképpen becsülhető. 1 kWh energia négyzetméterenként és évente a vészvilágítás esetén, és 5 kWh energia négyzetméterenként és évente automatikus vezérlőrendszerrel felszerelt világítás esetén (összes Wp = 6 kWh négyzetméterenként és évente).
68
Tablica 3.2. Reference values for LENI index.
Pn
Offices
Educati onal Instituti ons
Hospital s
Hotels
The class of qualit y
Parasite energy: emerge ncy lighting kWh/ (m2/god. )
Parasite energy (control) kWh/ (m2/god.)
W/ m2
*
1
5
15
**
1
5
20
***
1
5
25
*
1
5
15
**
1
5
20
***
1
5
25
*
1
5
15
**
1
5
25
***
1
5
35
*
1
5
10
**
1
5
20
***
1
5
30
tD
h
22 50 22 50 22 50 18 00 18 00 18 00 30 00 30 00 30 00 30 00 30 00 30 00
tN
h
25 0 25 0 25 0 20 0 20 0 20 0 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00
FC
FO
Without CTE LEN LEN I I Limit values RK AK
FD
With CTE LENI
LENI
Limit values RK AK
Be z C TE
Sa C T E
R K
A K
R K
AK
1
0,9
1
0,9
1
0,9
42,1
35,3
38,3
32,2
1
0,9
1
0,9
1
0,9
54,6
45,5
49,6
41,4
1
0,9
1
0,9
1
0,9
67,1
55,8
60,8
50,6
1
0,9
1
0,9
1
0,8
34,9
27,0
31,9
24,8
1
0,9
1
0,9
1
0,8
44,9
34,4
40,9
31,4
1
0,9
1
0,9
1
0,8
54,9
41,8
49,9
38,1
1
0,9
0,9
0,8
1
0,8
70,6
55,9
63,9
50,7
1
0,9
0,9
0,8
1
0,8
1
0,9
0,9
0,8
1
0,8
1
0,9
0,7
0,7
1
1
0,9
0,7
0,7
1
0,9
0,7
0,7
69
kWh/(m2per year)
kWh/(m2per year)
115, 6 160, 6
126, 3
104, 4 144, 9
1
38,1
38,1
34,6
34,6
1
1
72,1
72,1
65,1
65,1
1
1
108, 1
108, 1
97,6
97,6
91,1
82,3 114,0
Étterme k
Sportcs arnokok
Bevásár lóközpo ntok
Gyártóü zem
*
1
5
10
**
1
5
25
***
1
5
35
*
1
5
10
**
1
5
20
***
1
5
30
*
1
5
15
**
1
5
25
***
1
5
35
*
1
5
10
**
1
5
20
***
1
5
30
12 50 12 50 12 50 20 00 20 00 20 00 30 00 30 00 30 00 25 00 25 00 25 00
12 50 12 50 12 50 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 15 00 15 00 15 00
1
0,9
1
1
1
-
29,6
-
27,1
-
1
0,9
1
1
1
-
67,1
-
60,8
-
1
0,9
1
1
1
-
92,1
-
83,3
-
1
0,9
1
1
1
0,9
43,7
41,7
39,7
37,9
1
0,9
1
1
1
0,9
83,7
79,7
75,7
72,1
1
0,9
1
1
1
0,9
123, 7
117,7 111,7
106,3
1
0,9
1
1
1
-
78,1
1
0,9
1
1
1
-
1
0,9
1
1
1
-
1
0,9
1
1
1
0,9
1
0,9
1
1
1
1
0,9
1
1
1
70
-
70,6
-
-
115,6
-
-
160, 6
-
43,7
41,2
39,7
37,5
0,9
83,7
78,7
75,7
71,2
0,9
123, 7
116,2 111,7
105,0
128, 1 178, 1
Jelkulcs a 3.2. táblázathoz: * LENI szám indikátor világítási energia esetén * PN épület világítására beszerelt bemenő teljesítménysűrűség (W/m2) *CTE rendszer alkalmazása az állandó megvilágítás automatikus vezérlésével * RK világítás kézi vezérlése * AK világítás automatikus vezérlése A világítást a következő jó világítási gyakorlat szerint kell tervezni. A világítás tervezésére vonatkozó kritériumokat a HRN EN 12464-1:2008 szabvány „Svjetlo i rasvjeta – Rasvjeta radnih mjesta” (Fény és világítás – Munkahelyi világítás) és a HRN EN 12193:2008 „Svjetlo i rasvjeta – Rasvjeta sportskih objekata” (Fény és világítás – Sportcsarnokok megvilágítása) adja meg. A rögzített kritériumokat figyelembe kell venni. A tervezett világításnak teljesítenie kell a megvilágításra vonatkozó alapvető követelményeket. Ha egy világítási rendszer jobb kialakítását kell elérni, a világítás minőségét három kategóriára osztják, amelyek mindegyike figyelembe veszi a felhasználó komfortját és javát: * Az alapfeltételek teljesülnek ** A feltételek jól teljesülnek *** A feltételek teljesen teljesülnek A világítás tervezésének kritériumait a 3.3. táblázat adja meg. A szükséges minőség (vagy a kialakítás minőségének) hatása a LENI index értékének kulcseleme. Ez az összefüggés a táblázatban látható, és a LENI index meghatározásának céljára szolgál. Ezen a ponton kompromisszumot kell elérni a befektetők kiváló minőségű világítás iránti óhaja és a megvilágítási rendszer energiahatékonyságára vonatkozó irányelvek között. Néhány alkalommal el kell érni a kiváló minőségű világítást, például kórházak esetén. Egy ilyen példában a LENI nagy értékeit is el kell várni. 3.3. táblázat A világítás minősége szerint meghatározott osztályok a HRN EN 12464-1:2008 szabványban. Tervezett világítás osztályai a minőség alapján * ** *** Vízszintes felület megvilágított állapotban tartása
A
A
A
Bosszantó ragyogás megfelelő csökkentése
A
A
A
B
B
B
B
B
Fejlett színvisszaadás
A
A
Durva árnyékok és hangsúlyozott szórt fény elkerülése
B
B
Megfelelő fényeloszlás egy helyiségben
B
B
Villódzások és stroboszkóphatások eltávolítása Fényvisszaverődés és fényvisszaverődés által okozott ragyogás megfelelő szabályozása
Vizuális kommunikációnak különleges figyelem
szentelt
71
B
B
Egészségnek szentelt különleges figyelem
Jelkulcs: * Ameg kell felelnie a HRN EN 12464-1:2008 szabvány 5.3. táblázatában megadott megkövetelt értékeknek * Bmeg kell felelnie a HRN EN 12464-1:2008 szabvány 5.3. táblázatában leírt kívánalmaknak Az orvosi szolgáltatásokra vonatkozó kritériumok rendszerint megkövetelhetik, hogy a felszerelt teljesítménysűrűség jelentősen nagyobb legyen, mint 35 W/m2. Magasabb kategóriába áthelyezéskor a felhasználók komfortja és elégedettségük növekszik. Ilyen alkalommal a világításra beszerelt teljesítménysűrűség jelentősen nő a LENI indexel együtt. A LENI csökkentésének és az energiahatékonyság egyidejű növelésének a világítás minőségének és a felhasználó elégedettségének csökkenése nélküli módjai a következők: * az FC, FO és FD tényezők csökkentése, más szóval a lehető leginkább használnunk kellene a napfényt és a vezérelnünk a világítást; * kiváló minőségű és hatékonyságú fényforrások (égők) tervezése és felszerelése. A világítás éves üzemóráinak standard értékei függnek az épület típusától és céljától. Ezeket a 3.4. táblázat adja meg. A napfényellátási tényező standard értékei a 3.5. táblázatban láthatók. Ezek függnek az épület típusától és céljától, valamint az alkalmazott világításkezelő rendszertől. 3.4. táblázat A világítás éves üzemóráinak standard értékei. A világítás működésének éves óraszáma
Épület típusa
Nappal - tD
Éjszaka - tN
Összes - tO
Irodák
2250
250
2500
Oktatási intézmények
1800
200
2000
Kórházak
3000
2000
5000
Szállodák
3000
2000
5000
Éttermek
1250
1250
2500
Sportcsarnokok
2000
2000
4000
Bevásárlóközpontok
3000
2000
5000
Gyártóüzem
2500
1500
4000
72
3.5. táblázat Napfényellátási tényező standard értékei Épület típusa Irodák, sportcsarnokok, gyártóüzemek Éttermek, bevásárlóközpontok Oktatási intézmények, kórházak
Vezérlés típusa
FD
Kézi
1,0
Világítás automatikus tompítása napfényérzékelő segítségével
0,9
Kézi
1,0
Kézi
1,0
Világítás automatikus tompítása napfényérzékelő segítségével
0,8
Az FD, tényező helyes megválasztásához az épület teljes világítási teljesítményének legalább 60%-át vezérelni kell a választott vezérlési móddal. Ez a táblázat csak az automatikus világításvezérlést adja meg, amely tompítja a mesterséges fényt, ami függ az épület vezérelt területén levő napfény szintjétől. A világítás használatát jelző FO tényező standard értékei a 3.6. táblázatban láthatók. A tényező függ az épület típusától és céljától, valamint az alkalmazott világításkezelő rendszertől. 3.6. táblázat FO,n világításhasználati tényező standard értékei Vezérlés típusa
Épület típusa
Irodák, sportcsarnokok
FO
Kézi
1,0
Automatikus az épületben levő világítás összteljesítményének több mint 60%-a esetén
0,9
Bevásárlóközponto k, gyártóüzemek, Kézi sportcsarnokok, éttermek Szállodák Kézi Kórházak Kézi (részben automatikus vezérlés)
1,0 0,7 0,8
Az emberi jelenlét automatikus ellenőrzését minden helyiségben fel kell szerelni. Nagyobb területek esetén 30 négyzetméterenként legalább egy ilyen eszközt kell felszerelni.
3.5. A LENI-t befolyásoló tényezők 3.5.1. Az a tényező, amely meghatározza a mesterséges megvilágítás függését a napfénytől Általános fejtegetés Ez a fejezet az FD,S,n és FD,C,n tényezők kiszámításának egyszerűsített eljárását írja le. Ha az FD,S,n és FD,C,n tényezők meghatározásra kerültek, egyszerűen megkereshetjük az FD,n tényezőt, amely meghatározza a mesterséges megvilágítás függését a napfénytől az épület 73
minden helyiségére vagy területére. A függőleges nyílások és tetőnyílások figyelembe lettek véve. A számítás éves vagy havi alapon történik. Az FD,n tényező, amely meghatározza a mesterséges megvilágítás függését a napfénytől, két tényező függvénye: a napfényellátás tényezőjéé, és azé a tényezőé, amely a napfény használatának vezérlését mutatja. A tényezők közötti összefüggést a következő kifejezés adja meg: FD,n = 1 - (FD,S,n · FD,C,n) Az eljárás a következő öt lépést foglalja magában:
(3.7)
1) Épület felosztása napfényhez hozzáféréssel rendelkező és nem rendelkező területekre. 2) Az épületjellemzők, mint például a homlokzatgeometria, a fénynyílások, külső akadályok stb. hatásának megkeresése. 3) Lehetőségek keresése az FD,S,n napfényellátási tényezővel leírt elektromos energiamegtakarításra, amely a helyi éghajlati jellemzőknek, a megvilágítási rendszer karbantartásának, a napfény mennyiségének, stb. a függvénye. 4) Lehetőségek keresése a rendelkezésre álló napfény használatára, amelyek függnek a napfény vezérlésének típusától és profiljától, az FD,C,n tényező által leírtak szerint. 5) Az FD,n tényező éves értékeinek átalakítása havi értékekké. A) Épület felosztása: Helyiségek vagy területek, ahová a napfény bejuthat. Egy épület területeit olyan területekre osztják, ahová a napfény bejuthat (AD,j), vagy helyiségekre, ahová nem tud bejutni (AND,j). Ha a napfény egy helyiségbe néhány függőleges vagy tetőnyíláson keresztül juthat be, az összes nyílás közül a legkedvezőbb esetet, vagyis azt a nyílást veszik figyelembe, amely a legnagyobb fénymennyiség bejutását teszi lehetővé. Olyan terület az épületben, ahová a napfény egy függőleges nyíláson keresztül jut be Az AD, j leghosszabb távolságot egy helyiségben, ahová a napfény az épület egy függőleges nyílásán keresztül juthat be, a következő kifejezéssel határozzák meg: aD,max = 2,5·(hLi – hTa) [m] (3.8) * aD,max * hLi * hTa
a leghosszabb távolság, amit a napfény megtehet egy helyiségben (m) a felső nyílástól a padlóig terjedő távolság (m) az alsó nyílástól a padlóig terjedő távolság (m)
A példánkban a napfény által egy helyiségben megtehető leghosszabb távolság kiszámítása a külső falakon található nyílások esetén a belső területek geometriájának segítségével történik. Feltételezett, hogy a felületek kölcsönösen merőlegesek. Ha a helyiség rövidebb, mint a fény számított útja, a helyiség hosszát aD értékűnek kell venni. Így a j betűvel jelölt megfigyelt helyiség esetén a napfény által megvilágított helyiség AD,j területe a következő kifejezéssel számítható ki: AD,j = aD·bD, [m2]
* *
aD a fény által megtett hossz egy helyiségben (m) bD a fény által megtett szélesség egy helyiségben (m)
74
(3.9)
3.8. ábra AD kiszámítása nagy függőleges nyílásokkal rendelkező helyiség esetén. Jelkulcs a 3.8. ábrához: 1) A helyiségnek az a területe, ahová a napfény bejuthat, az ábrán látható. A terület bD szélességű és aD hosszúságú. 2) Az a terület, ahová a napfény nem tud bejutni. A területnek a szélessége, ahová a napfény bejut, rendszerint egyenlő a függőleges nyílások belső szélességével a megfigyelt helyiségben, mint az a 3.8. ábrán látható. A belső falaknak a nyílások közötti szélessége elhanyagolható. Ha a függőleges nyílás éppen a külső fal részén helyezkedik el, a bD szélesség egyenlő a függőleges nyílásnak az aD hosszal megnövelt szélességével. Ez a 3.9. ábrán látható.
3.9. ábra AD kiszámítása kis függőleges nyílásokkal rendelkező helyiség esetén. Jelkulcs a 3.9. ábrához: 1) Az a terület, amelyen belül a napfény kiterjedése bD szélességű, és egyenlő a nyílásnak a terület aD hosszának felével megnövelt szélességével. 2) Az a terület, ahová a napfény nem tud bejutni. Olyan terület az épületben, ahová a napfény tetőnyílásokon keresztül jut be 75
Általában a közvetlenül a tető felületén egyenletesen elrendezett tetőnyílások alatt található területet úgy kezelik, mintha az olyan terület lenne, ahová a napfény behatolhat. Ha csak egy tetőnyílás van, a területet, ahová a napfény behatolhat az aD, max terjedelmen belül, a következő kifejezéssel határozzák meg: aD,max ≤ (hR - hTa) [m]
(3.10)
Ugyanez a kifejezés érvényes a nagyszámú nyílással rendelkező helyiség esetén, ha azok egyenletesen vannak elosztva a tetőn. * hR a helyiség magassága a tetőn levő nyílásig (m) *hTa a távolság egy nyílás szélétől a másik nyílás széléig (m) Arra a területre, amelyet a meghatározott terület nem tartalmaz, az FD tényező egyenlő 1-el. A függőleges nyílások és a tetőnyílások közötti különbségek Kétséges esetben, hogy egy nyílást függőleges vagy tetőnyílásként kell-e kezelni, a teljesen a megfigyelt tér fölött levő összes nyílást tetőnyílásként kell besorolni. B A napfényellátási tényező kiszámítása Az FDS,n napfényellátási tényező kiszámítása külön történik a függőleges nyílások és a tetőnyílások esetén. B1 Függőleges nyílások A napfényellátási tényező egy napfénynek közvetlenül kitett terület esetén függ a helyiségnek az IT, átlátszósági indexel, IDe mélységindexel és IO akadályindexel leírt geometriájától. Az IT átlátszósági indexet az épület egy részére a napfény kiterjedésén belül a következőképpen definiálják: IT = AC / AD
(3.11)
* AC a megfigyelt helyiség függőleges nyílásainak területe, (m2) * AD egy vízszintes, napfénynek közvetlenül kitett sík felület teljes területe, (m2) Egy napfénynek esetleg kitett terület IDe mélységindexét a következőképpen definiálják: IDe = aD /(hLi - hTa)
(3.12)
és az előző fejezet magyarázata szerint. Az IO akadályindex figyelembe veszi a függőleges nyílásokon keresztül az épület belső terébe jutó napfény csökkenésének hatását. Az akadályok példái a következők: * az egyéb épületek és természetes akadályok, mint például fák és hegyek helye, * magának az épületnek a befolyása, beleértve az épület egyszerű udvarát és annak kialakítását, * a homlokzatra helyezett vízszintes és függőleges ablakzsaluk, * kétszeresen átlátszó homlokzat.
76
Az IO akadályindexet a következőképpen definiálják: IO = IO,OB · IO,OV · IO,VF · IO,CA · IO,GDF
(3.13)
Jelkulcs: * IO,OB a korrekciós tényező lineáris akadályok, például egyéb épületek esetén, * IO,OV a korrekciós tényező az épületre helyezett fejgerendák esetén, * IO,VF a korrekciós tényező függőleges ablakzsaluk (takart sáv) esetén, * IO,CA a korrekciós tényező nyitott udvar és üvegezett átrium esetén, * IO,GDF a korrekciós tényező kettős átlátszó homlokzat esetén. Ha egy udvarban elhelyezkedő épület IO,GDF korrekciós tényezője és annak udvara kisebb mint 1, az IO,OB korrekciós tényezőre (lineáris akadály) az értékre 1-et kell venni. Ahhoz, hogy a számítást egyszerűbbé lehessen tenni, az akadályindex számítható egy, a homlokzat közepére helyezett ablak esetén az összes akadály átlagértékének vételével. A leírt korrekciós tényezők kiszámításának módját később magyarázzuk el a szövegben. A lineáris akadályokra vonatkozó IO,OB korrekciós tényező Egy lineáris akadály példájaként vehetünk egy épületet a megfigyelt épület szomszédságában. Ilyen esetben a tényező kiszámítása a következő kifejezés szerint történik: IO,OB = cos(1,5 · γO,OB) egy akadály γ O,OB < 60° szöge esetén IO,OB = 0 egy akadály γ O,OB ≥ 60° szöge esetén
(3.14)
γO,OB
3.10. ábra Az akadály egy szögének meghatározása a γO,OB vízszintes felületre vonatkoztatva A 3.10. ábra szerint, egy akadály γO,OB szögét úgy definiálják, mint az épület függőleges nyílására állított merőleges egyenessel bezárt szög. Az egyenes átmegy a függőleges nyílás közepén az akadály, egy másik épület külső fala felé, ami az akadályt jelenti a függőleges nyílásunkon (ablak) belépő napfény áramlására. Ha a szög nagyobb mint 60 fok, a korrekciós tényező 0-val egyenlő. Más szóval, annak a ténynek az ellenére, hogy némi napfény még mindig bejut a helyiségünkbe, ennek nincs hatása a világítási elektromosság megtakarítására az épületben levő helyiségünkben.
77
Fejgerendákra az IO,OV korrekciós tényező kiszámítása a következő kifejezés szerint történik: IO,OV = cos(1,33 · γO,OV) egy akadály γO,OV < 67,5° szöge esetén IO,OV = 0 az akadály γO,OV ≥ 67,5° szöge esetén
(3.15)
A 3.11. ábra szerint, egy akadály γO,OV szögét úgy definiálják, mint az épület függőleges nyílására állított merőleges egyenessel bezárt szög. Az egyenes átmegy a függőleges nyílás közepén az ablak fölött elhelyezkedő fejgerenda külső széle felé. A példánkban a fejgerenda az akadálya annak, hogy a napfény bejusson az épület helyiségébe.
3.11. ábra
Az akadály egy szögének meghatározása a vízszintes felületre γO,OV vízszintes felületre vonatkoztatva
Függőleges ablakzsaluk (takart sávok) esetén a korrekciós tényező, IO,VFkiszámítása a következő kifejezés szerint történik: IO,VF = 1 - γO,VF/300° (3.16) A 3.12. ábra szerint egy akadály γO,VF szögét úgy definiálják, mint az épület függőleges nyílására állított merőleges egyenessel bezárt szög. Az egyenes átmegy a függőleges nyílás közepén a függőleges ablakzsalu külső széle, vagy az épület kiálló része felé. A példánkban a kiálló rész jelenti az akadályát annak, hogy a napfény bejusson az épületünk helyiségébe.
3.12. ábra
Az akadály egy szögének meghatározása a vízszintes felületre γO,OF vízszintes felületre vonatkoztatva 78
A korrekciós tényező nyitott udvar és üvegmázas átrium esetén IO,CA A hátsó udvarok és átriumok sok változatban tervezhetők. Az épületben egy helyiség belső területeit elérni képes napfény áramlására gyakorolt hatásuk kiszámításának egyszerűsített módja feltételezi, hogy az udvar és az átrium téglalap alakú. A háromszögletű hátsó udvarok és üvegezett átriumok az épület negyedik oldalán jobb napfényellátást biztosíthatnak az épület belső részei számára. Az udvarok és átriumok geometriáját a 3.13. ábra szerint a wid mélységindexel írják le: wi_d = hAt(lAt+wAt)/(2lAtwAt)
(3.17)
Jelkulcs: * * * *
wid hAt lAt wAt
a mélységindex, egy átrium vagy udvar aljától a tetejéig terjedő távolság (m), egy bejárat vagy egy, az épület belsejében található átrium hossza (m), egy bejárat vagy egy, az épület belsejében található átrium szélessége (m).
A fenti kifejezésből nyilvánvaló, hogy a mélységindex nagyobb, ha az udvar vagy átrium magassága arányosan sokkal nagyobb a szélességéhez és hosszához képest.
3.13. ábra Udvar és átrium geometriája látható a mélységindex meghatározásának céljával. Ha a mélységindex meghatározásra került, az udvarokra és átriumokra vonatkozó korrekciós tényező a következő kifejezésekből számítható ki: IO,CA = 1 –0,85 wi_d udvarok esetén IO,CA = τAt ·kAT,1··kAT,2 ·kAT,3 (1 – 0,85 wi_d) üvegezett átriumok esetén IO,CA = 0 za wi_d > 1,18
79
(3.18)
Jelkulcs: τAt az átmeneti tényező normál fényerősség mellett az átlátszó anyagra, amelyből az átrium készült, kAT,1 a tényező, amely figyelembe veszi az átlátszó átrium tetőszerkezeteit, kAT,2 a tényező, amely figyelembe veszi az átlátszó átrium tetejének szennyezettségét, kAT,3a tényező, amely figyelembe veszi a homlokzat megvilágításának szokatlan erősségét (a szokásos érték 0,85). A korrekciós tényező harmadik egyenletéből nyilvánvaló, hogy olyan udvarok és átriumok esetén, amelyeknek a mélységindexe nagyobb, mint 1,18, vagy ha a magasság hatása nagyobb, mint a hossz vagy a szélesség hatása, nincs hatás az energiamegtakarításra. Megtakarítás nem érhető el annak ellenére sem, hogy némi napfénymennyiség bejut az épület belső területére. Kettős átlátszó homlokzat esetén a korrekciós tényező IO,GDF, amely lehetővé teszi a napfény beáramlását az épület belső tereibe. A tényező kiszámítása a következő kifejezéssel történik: IO,GDF = τGDF ·kGDF,1 ·kGDF,2 ·kGDF,3 (3.19) τGDF az átmeneti tényező kettős átlátszó homlokzat esetén kGDF,1 a tényező, amely figyelembe veszi a kettős átlátszó homlokzat szerkezeteit kGDF,2 a tényező, amely figyelembe veszi a kettős átlátszó homlokzat szennyezettségét kGDF,3a tényező, amely figyelembe veszi a homlokzat megvilágításának szokatlan szögét (0,85 a szokásos érték) Az átlátszó homlokzat szerves részét képező függőleges és vízszintes takart sávok (keretek vagy emelők) hatása az IO,OV i IO,VF tényezők használatával vehető figyelembe. A homlokzaton levő szennyezés hatása elhanyagolható, így szennyezett átlátszó felületek esetén nem szükséges figyelembe venni a kGDF,2 tényező hatását. Következésképpen a beállított értéke 1. Az átlátszó homlokzat kereteit figyelembe vevő kGDF,1 tényező kiszámítása az átlátszó homlokzaton egy fénynyílás területe és az átlátszó homlokzat teljes területe közötti arányként történik. A DC napfénytényező kiszámítása Az előzőleg meghatározott IT , IDe és IO geometriai tényezőkből annak lehetőségének kiszámítása, hogy a fény elérjen egy helyiséget, a következő kifejezés szerint történik:
DC = (4,13 + 20,0 IT – 1,36 IDe) ·IO [%]
(3.20)
A fenti esetben, a DC egy napfénytényező azokra a helyiségekre és területekre, ahol nincsenek fejgerendák vagy bármilyen egyéb takart sávok, amelyek megvédik az épület belső területét a közvetlen napfénytől, és jelentősen csökkenthetik annak beáramlását. Ha az IDe numerikus tényező viszonylag nagy, és ugyanakkor az IT átlátszóság viszonylag kicsi, a DC tényező nullánál kisebb értéket eredményezhet. Ilyen esetben a DC napsugárzást nullára kell állítani, vagy egy pontosabb eljárással kell kiszámítani. A tényezők fenti kombinációja csak a napfénytényező kis értékeinél fordulhat elő, amelyek esetén egy lámparendszer energiamegtakarítása nagyon nehezen határozható meg. 80
Napfénytényezők osztályozása Az ablakzsaluknak és a napfény elleni különböző védőrendszereknek a belső terek és helyiségek megvilágítására gyakorolt hatását a DC tényezővel való korreláció segítségével határozzák meg. A korrelációt különböző típusú függőleges nyílásokhoz használják, figyelembe véve az energiaszükségleteket. Az egyik ilyen módszer az FDs tényezőnek azon függőleges nyílások gyűjteményének függvényeként történő bemutatásából áll, amelyek lehetővé teszik, hogy a napfény elérje az épület belső területeit és helyiségeit. Amikor a fenti bonyolult összefüggést nem lehet meghatározni, a napfény elleni védőrendszer nélküli ablakzsaluk és a világítás várt elektromos energiaigénye közötti korreláción alapuló egyszerűsített eljárást használják. Az egyszerűsített eljárás a 3.21. egyenlettel írható le. Az egyenlet megadja a D napfénytényezőt egy helyiségre vagy területre az épületben, amelyre elvárt, hogy kisebb legyen, mint a DC tényező. D csökkentett értékének oka a napfény ablakzsalurendszerrel történő tompítása. D = DC ·τ ·k1 ·k2 ·k3 [%]
(3.21)
Jelkulcs: D a napfénytényező egy területre (%) τ a napfény ablakzsalun való átjutási tényezője k1 az a tényező, amely figyelembe veszi az ablakzsalurendszer keretét (a tipikus érték 0,7) k2 az a tényező, amely figyelembe veszi az üveg szennyezését (a tipikus érték 0,8, de ha van automatikus tisztítórendszer, az értéke még akár 1,0 is lehet) k3 az a tényező, amely figyelembe veszi, hogy a fény áramlása nem merőleges a homlokzatra (a tipikus érték 0,85). A τD65,SNA fényáthaladási koefficiens tipikus értékeit átlátszó függőleges nyílások építéséhez használt meghatározott anyagokra a 3.7. táblázat adja meg. 3.7. táblázat A τD65,SNA fényáthaladási koefficiens értékei. Átlátszó közeg típusa
U
g
τe
τD65,SNA
Egyetlen üveg
5,8
0,87
0,85
0,90
Dupla üveg
2,9
0,78
0,73
0,82
Tripla üveg
2,0
0,70
0,63
0,75
Kis energiájú dupla üveg
1,7
0,72
0,60
0,74
Kis energiájú dupla üveg
1,4
0,67
0,58
0,78
Kis energiájú dupla üveg
1,2
0,65
0,54
0,78
Kis energiájú tripla üveg
0,8
0,50
0,39
0,69
Kis energiájú tripla üveg
0,6
0,50
0,39
0,69
Napfényvédő dupla üveg
1,3
0,48
0,44
0,59
Napfényvédő dupla üveg
1,2
0,37
0,34
0,67
Napfényvédő dupla üveg
1,2
0,25
0,21
0,40
Az ablakzsaluk és a közvetlen napfény elleni védőrendszerek becsült hatásától függően, a DC és D napfénytényezők használhatók a további számításokban. Ezek értékei alapján egy épület megfigyelt helyiségében vagy területén a napfényszintek a 3.8. táblázatban bemutatottak 81
szerint osztályozhatók. 3.8. táblázat Helyiség osztályozása a napfény terjedelme alapján Napfénytényező típusa Dc
D
Helyiség vagy terület osztályozása a napfény terjedelme alapján
Dc >= 6%
D >= 3%
Erős
6% > Dc >= 4%
3% > D >= 2%
Közepes
4% > Dc >= 2%
2% > D >= 1%
Gyenge
Dc < 2%
D >= 1%
Napfény nélkül
A napfényellátási tényező Az FD,S napfényellátási tényező közelíthető, a γHely földrajzi szélesség figyelembe vételével a az Északi szélesség 38 – 60. foka közötti területek esetén. A tényező a következő egyenlet szerint számítható ki: FD,S = a + b γHely.
(3.22)
Egy terület különböző megvilágítási szintjei esetén ( 300 lx, 500 lx i 750 lx, az adott területek által megköveteltek szerint) és a helyiségnek a napfény elérésén (erős, közepes, gyenge) alapuló osztályozása szerint az a és b koefficiensek értékeit a 3.9. táblázat adja meg. 3.9. táblázat A táblázat az a és b koefficiensek értékeit egy terület különböző megvilágítási szintjei esetén és a helyiségnek a napfény elérésén alapuló osztályozása szerint adja meg. Megvilágítási szint [lx] 300
500
750
Napfény terjedelm e
a
b
Gyenge Közepes Erős Gyenge Közepes Erős Gyenge Közepes Erős
1,2425 1,3097 1,2904 0,9432 1,2425 1,3220 0,6692 1,0054 1,2812
-0,0117 -0,0106 -0,0088 -0,0094 -0,0117 -0,0110 -0,0067 -0,0098 -0,0121
A 3.10. táblázat az FD,S napfényellátási tényezőt mutatja különböző földrajzi szélességeken levő helyekre. A táblázatból nyilvánvaló, hogy a tényező csökken, ahogy a földrajzi szélesség nő. Az ilyen változás oka a csökkent megvilágítás és a napfény csökkent áramlása. Azoknak a területeknek az esetén, amelyek nagyobb megvilágítási szintet igényelnek, a tényező az elvártak szerint csökken. Ha nagyobb megvilágítási szint szükséges, a napfény kisebb mértékben csökkentheti a mesterséges világítás iránti igényt. A számításokhoz 82
Horvátországban 46 fok földrajzi szélesség használható. Magyarország esetén 48 fokot kell használnunk. 3.10. táblázat Az FD,S napfényellátási tényező különböző földrajzi szélességeken levő helyek esetén.
Északi szélesség
Az FD,S napfényellátási tényező –, amely függ a helyiség megvilágításának igényelt szintjétől. A tényező megadása a helyiségben levő fény elérésére vonatkozó osztályozás szerint történik. 300 lx 500 lx 750 lx
[°]
Gyen ge
Közepe s
Erős
Gyen ge
Közepe s
Erős
Gyen ge
Közepe s
Erős
38 46 48 50 52 60
0,80 0,70 0,68 0,66 0,63 0,54
0,91 0,82 0,80 0,78 0,76 0,67
0,96 0,89 0,87 0,85 0,83 0,76
0,59 0,51 0,49 0,47 0,45 0,38
0,80 0,70 0,68 0,66 0,63 0,54
0,90 0,82 0,79 0,77 0,75 0,66
0,41 0,36 0,35 0,33 0,32 0,27
0,63 0,55 0,54 0,52 0,50 0,42
0,82 0,72 0,70 0,68 0,65 0,56
Ha az FD,S napfényellátási tényező meghatározása a fenti módon történt, az az egész napra (rendes munkaidő 8.00 órától 17.00 óráig). Hosszabb munkaidő esetén a 3.10. táblázat értékeit meg kell szorozni a 0,7 korrekciós tényezővel. Hosszabb napfény nélküli időszakok esetén FD,S,n = 0 és FD,n = 1 lesz a tényezők értéke. A tényezőkre megadott éves értékekből a szövegben később leírtak szerint leszármaztathatók a tényezők havi értékei. B2 Tetőnyílások A napfénytényezők osztályozása
A függőleges nyílásokra vonatkozó eljárással analóg módon, a napfényellátás kezdeti meghatározása a Dj napfénytényezővel történik. Ezután kerül sor a napfényellátási tényező meghatározására a következők függvényeként: a napfénytényező, a megvilágítás szükséges szintje a megfigyelt helyiség esetén, a tetőnyílás orientációja a négy kardinális pont szerint, és a tetőnyílás lejtése. Egy tetőnyílással rendelkező helyiségben az átlagos napfénytényező kiszámítása a következő képlet szerint történik: A D j = Dextτ D 65 kObl ,1kObl , 2 kObl ,3 ∑ Rb η R % ARG
(3.23)
Jelkulcs: • ARb a tetőnyílás területe (m2) • ARG a megfigyelt helyiség alapterülete (m2) • Dext a külső napfénytényező (%) • τD65 a napfény áramlása egy tetőnyílás szóróüvegén keresztül a 3.11. és 3.12. táblázatok szerint, ahol a fényáramlási tényezők közelítő értékei a tetőnyílásokhoz használt különböző anyagokra vannak meghatározva. • kObl,1 az a tényező, amely figyelembe veszi az ablakkereteket (a tipikus érték 0,8) • kObl,2 az a tényező, amely figyelembe veszi a szennyeződést az ablakokon (a tipikus érték 0,8) 83
• •
kObl,3 az a tényező, amely figyelembe veszi azt a tényt, hogy a fényáramlás nem merőleges (a szokásos érték 0,85) ηR a helyiség használatára vonatkozó tényező
3.11. táblázat τD,65 közelítő értékei műanyagból Az A ablak típusa – független; a B ablak típusa – folytonos; Nyíl ás típu sa
Típus
Átlátszó anyag típusa
Akril, egyszeres Akril, egyszeres Akril, dupla Akril, dupla A
Akril, tripla
Akril, tripla
Polikarbonát -strukturális hálózat, dupla, 6 mm Polikarbonát -strukturális hálózat, dupla, 6 mm Polikarbonát -strukturális hálózat, dupla, 8 mm Polikarbonát -strukturális hálózat, dupla, 8 mm
B
készült
átlátszó félig átlátszó (opál) átlátszó félig átlátszó (opál) átlátszó félig átlátszó (opál) /félig átlátszó (opál) / átlátszó átlátszó félig átlátszó (opál) átlátszó félig átlátszó (opál)
Polikarbonát -strukturális hálózat, dupla, 10 átlátszó mm félig Polikarbonát -strukturális hálózat, dupla, 10 átlátszó mm (opál) Polikarbonát -strukturális hálózat, tripla, 10 átlátszó mm félig Polikarbonát -strukturális hálózat, tripla, 10 átlátszó mm (opál) félig Polikarbonát -strukturális hálózat, négyszeres, átlátszó 10 mm (opál)
84
tetőablakok
g
esetén.
U [W/(m² K] 5,4
[-]
[-]
0,85
0,92
5,4
0,80
0,83
2,7
0,78
0,80
2,7
0,72
0,73
1,8
0,66
0,68
1,8
0,64
0,60
3,6
0,86
0,82
3,6
0,78
0,64
3,3
0,81
0,81
3,3
0,70
0,62
3,1
0,85
0,80
3,1
0,70
0,50
3,0
0,69
0,73
3,0
0,62
0,52
2,5
0,59
0,50
τD,65
Polikarbonát -strukturális hálózat, tripla, 16 átlátszó mm félig Polikarbonát -strukturális hálózat, tripla, 16 átlátszó mm (opál) félig Polikarbonát -strukturális hálózat, ötszörös, 16 átlátszó mm (opál) félig Polikarbonát -strukturális hálózat, hatszoros, átlátszó 16 mm (opál) Polikarbonát -strukturális hálózat, ötszörös, 20 átlátszó mm félig Polikarbonát -strukturális hálózat, ötszörös, 20 átlátszó mm (opál) Polikarbonát -strukturális hálózat, négyszeres, átlátszó 25 mm félig Polikarbonát -strukturális hálózat, négyszeres, átlátszó 25 mm (opál) Polikarbonát -strukturális hálózat, hatszoros, átlátszó 25 mm félig Polikarbonát -strukturális hálózat, hatszoros, átlátszó 25 mm (opál)
3.12. táblázat τD,65 közelítő értékei üvegből készült Az A ablak típusa – független; a B ablak típusa – folytonos; Nyíl ás típus Átlátszó anyag típusa a 4 mm úsztatott üveg / 16 mm levegő A /4 mm úsztatott üveg 4 mm megeresztett üveg / 16 mm A argon /4 mm úsztatott üveg bevonattal 4 mm megeresztett üveg / 14 mm A argon /33.1 lamináris úsztatott üveg 4 mm megeresztett üveg / 14 mm A levegő /33.1 lamináris úsztatott üveg bevonattal Lamináris üveg 6.2/ 16 mm levegő B /6 mm úsztatott üveg Lamináris üveg 6.2/ 16 mm levegő B /8 mm úsztatott üveg
Típus
2,4
0,69
0,72
2,4
0,55
0,48
1,9
0,52
0,45
1,85
0,47
0,42
1,8
0,70
0,64
1,8
0,46
0,44
1,7
0,62
0,68
1,7
0,53
0,45
1,45
0,67
0,62
1,45
0,46
0,44
tetőablakok
U [W/(m² K]
g
esetén.
τD,65
[-]
[-]
Átlátszó dupla tábla
2,8
0,79
0,81
Átlátszó dupla tábla, Niski-e
1,2
0,59
0,76
1,2
0,54
0,75
1,2
0,27
0,42
Átlátszó
2,7
0,67
0,77
Átlátszó
2,7
0,67
0,77
Átlátszó dupla tábla, Niski-e Átlátszó dupla tábla, Niski-e, napvédő
85
B B B B B B B B B B B
B
B
B
Lamináris üveg 8.2/ 16 mm levegő /6 mm úsztatott üveg Lamináris üveg 8.2/ 16 mm levegő /8 mm úsztatott üveg Lamináris üveg 10.2/ 16 mm levegő /6 mm úsztatott üveg Lamináris üveg 10.2/ 16 mm levegő /8 mm úsztatott üveg Lamináris üveg 6.2/ 16 mm argon /6 mm úsztatott üveg Lamináris üveg 6.2/ 16 mm argon /8 mm úsztatott üveg Lamináris üveg 8.2/ 16 mm argon /6 mm úsztatott üveg Lamináris üveg 8.2/ 16 mm argon /8 mm úsztatott üveg Lamináris üveg 10.2/ 16 mm argon /6 mm úsztatott üveg Lamináris üveg 10.2/ 16 mm argon /8 mm úsztatott üveg 6 mm megeresztett üveg (extra átlátszó)/ 18 mm argon, 33.1 lamináris úsztatott üveg 6 mm megeresztett üveg (zöld)/ 18 mm argon /33.1 lamináris úsztatott üveg 6 mm megeresztett üveg (szürke)/ 18 mm argon /33.1 lamináris úsztatott üveg 6 mm megeresztett üveg (extra átlátszó)/ 18 mm argon, 44.1 lamináris úsztatott üveg
Átlátszó
2,7
0,65
0,77
Átlátszó
2,7
0,65
0,76
Átlátszó
2,7
0,63
0,76
Átlátszó
2,7
0,63
0,76
ezüstbevonat
1,1
0,52
0,72
ezüstbevonat
1,1
0,52
0,71
ezüstbevonat
1,1
0,51
0,71
ezüstbevonat
1,1
0,51
0,70
ezüstbevonat
1,1
0,50
0,70
ezüstbevonat
1,1
0,49
0,70
Átlátszó dupla tábla
1,5
0,61
0,79
Átlátszó dupla tábla
1,5
0,38
0,64
Átlátszó dupla tábla
1,5
0,34
0,39
Átlátszó dupla tábla
1,5
0,55
0,78
A Dext külső napfényre vonatkozó tényező meghatározása a következő kifejezés szerint történik:
DExt =
EF [%] E Ext
(3.24)
Jelkulcs: EF – egy tetőnyílás átlátszó közeggel azonos szinten levő külső felületének megvilágítása felhős idő esetén (lx) Eext - a tetőnyílás külső felületének akadálytalan megvilágítása vízszintes síkban felhős időjárás esetén (lx) A 3.13. táblázatban a Dext külső napfényre vonatkozó tényező látható. A tényező kiszámítása a tetőnyílás különböző szögeire történt, feltételezve, hogy a visszaverődési tényező 0,2-vel egyenlő. Az is feltételezett, hogy nincsenek akadályok a napfény áramlásának útjában. Amint a tetőnyílás lejtése nő, a tényező csökken. Ez a fordított arányosság a tetőnyílás területének hatékonyságáról beszél nekünk, amelynek az a funkciója, hogy megvilágítsa a belső teret. 86
3.13. táblázat Dext függése a tetőnyílás lejtésétől. Lejtésszög (°) 0
Dext =EF /Eext (%) 100
30
92
45
83
60
72
90
50
A kObl,l tényezőt, amely figyelembe veszi egy nyílás kereteit, hasonló módon határozzák meg, mint egy függőleges nyílás esetén. Hogy egyszerűvé tegyék, ezt a tényezőt egy, a napfény áramlását lehetővé tevő felület és a tetőnyílás teljes, az átlátszatlan kereteket, tartókat és egyéb szerkezeti elemeket is magában foglaló területe közötti arányból határozzák meg. Az ηR használati tényező meghatározása a tetőnyílás típusától és a k helyiségindextől függ. A helyiség megvilágítása napfénnyel történik az említett tetőnyíláson keresztül. A k helyiségindex a következő kifejezéssel határozható meg: k = aR bR / [hR · (bR + aR)] (3.25) Jelkulcs: aR a helyiség mélysége (m) bR a helyiség szélessége (m) hR a helyiség magassága és a munkavégzési felület magassága közötti különbség (m). A tetőablakoknak sok különböző típusa van. Ezek mind leírhatók geometriai értelemben a három fő jellemzővel: a nyílás as hosszával, a nyílás bs szélességével és az átlátszó közeg hs magasságával, amelyből az ablak készült. A közeg a helyiség mennyezetének szintje fölött fekszik. A 3.14 táblázatban a ηR tényezőnek a tetőablak geometriájától való függése látható, az aS / bS aránnyal és a hS / bS aránnyal bemutatva. A ηR tényező függ a tetőablak lejtésétől és a k helyiségindextől is. 3.14. táblázat A ηR használati tényező tetőablak esetén. as / bs hs / bs
1
2
5
1
2
5
0,25
0,25
0,25
0,5
0,5
0,5
w
[°]
30
60
9 0
30 60 90
60 90 30
6 0
9 0
30 60
9 0
30 60 90
40
41
3 8
40 40 39 41 41 40 40
4 1
3 6
40 41
3 7
42 43 39
0
k 0,6
87
0,8
53
54
1,0
59
60
1,25
68
69
1,5
75
75
2,0
83
83
2,5
89
88
3,0
93
92
4,0
98
96
5,0
10 2
10 0
5 0 5 6 6 4 6 9 7 7 8 1 8 5 9 0 9 2
53 54 51 54 55 52 53 59 60 57 60 61 59 60 68 69 66 69 70 67 69 75 75 71 76 76 72 76 83 83 79 84 84 80 84 89 88 84 90 89 85 90 93 92 87 94 93 88 94 98 97 92 99 98 93 99 10 10 10 10 10 95 96 2 0 3 1 2
5 5 6 1 6 9 7 5 8 2 8 7 9 0 9 5 9 7
4 6 5 1 5 8 6 3 6 9 7 3 7 6 8 0 8 2
53 55 60 61 69 70 76 76 84 83 90 88 94 91 98 96 10 99 2
4 9 5 4 6 2 6 7 7 3 7 7 8 1 8 5 8 7
55 57 51 62 66 56 71 72 64 78 78 69 87 85 75 92 90 79 96 93 86 10 98 87 0 10 10 89 4 1
Ha a Dj napfénytényező meghatározásra került, a megfigyelt helyiség napfényellátását kell osztályozni. Ugyanezt az eljárást használtuk a függőleges nyílás esetén. Az ellátás négy csoportra osztható: erős, közepes, gyenge, és olyan helyiség, ahová a napfény nem képes bejutni. Az osztályozás a Dj napfénytényező értéktartománya szerint történt, mint az a 3.15. táblázatban látható. Ha a tényező értéke nagyobb mint 10%, az ilyen értéket el kell kerülni az épület tervezési fázisa során. Különben a nagy ablakterület következtében túlzott hő fordulhat elő. 3.15. táblázat A napfénnyel való ellátás osztályozása.
Kritériumo k 7 %≤ Dj
A napfénnyel való ellátás osztályozása
4 ≤ Dj < 7%
Közepes
2 ≤ Dj < 4%
Gyenge
0 ≤ Dj < 2%
Napfényellátás nélkül (olyan helyiség, ahová a napfény nem képes bejutni)
Erős
A napfényellátási tényező Az FDS,n napfényellátási tényező a 3.16. táblázatból határozható meg. A táblázat az északi szélesség 46. fokán elhelyezkedő Lyon városára készült, de Horvátország kontinentális részére is használható. Ha van a tetőablakok fölé helyezve valamilyen védelem a közvetlen napfény ellen, az nem lett figyelembe véve. A táblázat értékeit a meteorológiai adatokból 88
számították ki, amelyek figyelembe veszik a napkelte és napnyugta óráját a megfigyelt területen. Az épület egy olyan helyisége esetén, amely kevesebb mint 300 lx megvilágítási szintet igényel, a táblázatban szereplő értéket szintén 300 lx nagyságúra kell beállítani. Ugyanezen a módon, az épület azon helyiségei esetén, amelyek 750 lx fölötti megvilágítási szintet igényelnek, az értéket 750 lx nagyságúra kell beállítani. A napfénytényezőnek a 3.16. táblázatban megadott értékei a három szintű osztályozásra vonatkoznak: gyenge 3%, közepes 5% és erős 8,5%. A 3.16. táblázatból nyilvánvaló, hogy a napfényellátási tényező nem folytonos, hanem kategorizált. A tényezőt a következők is befolyásolják: a tér szükséges megvilágítása, a tetőnyílások tájolása és szöge. A napfénytényező értéke csökkenni fog, ha a tér jobb megvilágítását igényeljük. Akkor is csökkenni fog, ha a helyiségünk az osztályozás alacsonyabb helyén van, a helyiség nyílásainak tájolása nem kedvező (például észak felé néző nyílások), és/vagy a tetőnyílások szöge nagyobb.
3.16. táblázat Az FDS,n napfényellátási tényező értékei az Északi szélesség 46. fokán elhelyezkedő város esetén.
Tér igényelt megvilágítása Tájolás
Vízszint es
Tetőablak szöge (°)
300 lx
500 lx
750 lx
Gye nge
Köze pes
Er ős
Gye nge
Köze pes
Er ős
Gye nge
Köze pes
Er ős
0
0,90
0,95
0,96
0,82
0,91
0,94
0,73
0,86
0,91
30
0,89
0,94
0,96
0,81
0,90
0,94
0,72
0,85
0,90
45
0,88
0,94
0,96
0,79
0,89
0,93
0,70
0,83
0,89
60
0,86
0,93
0,95
0,76
0,87
0,92
0,66
0,80
0,88
90
0,80
0,89
0,93
0,68
0,82
0,89
0,57
0,73
0,82
30
0,89
0,94
0,96
0,80
0,90
0,94
0,69
0,84
0,90
45
0,87
0,93
0,96
0,76
0,88
0,93
0,64
0,80
0,89
60
0,84
0,92
0,95
0,70
0,85
0,92
0,57
0,76
0,86
90
0,76
0,89
0,93
0,59
0,78
0,88
0,45
0,66
0,79
30
0,88
0,94
0,96
0,78
0,89
0,94
0,66
0,82
0,90
45
0,85
0,93
0,96
0,72
0,87
0,93
0,58
0,78
0,88
60
0,81
0,92
0,95
0,65
0,84
0,91
0,49
0,72
0,84
90
0,71
0,88
0,93
0,49
0,75
0,86
0,33
0,58
0,76
Dél
Kelet vagy Nyugat
Észak
89
C Mesterséges világítás vezérlési tényezőjének meghatározása, amely az FD,C,n napfénytől függ Ez a tényező leírja egy világításkezelő rendszer hatékonyságát és annak azt a képességét, hogy a lehető legnagyobb napfénypotenciált használja egy n épület megfigyelt terében vagy területén. Más szóval, a világításkezelő rendszer hatékonyabban használja a helyiségben levő napfényt, ha az FD,C,n tényező nagyobb. A 3.17. táblázatban bemutatott adatok azt sejtetik, hogy a világítás automatikus vezérlése, amely függ a helyiségben levő természetes fénytől, megnöveli a tényezőt. Ugyanez történik, ha egy helyiségben a természetes fény erősebb. A tényező a mesterséges fény iránti csökkentett igény miatt nő.
90
3.17. táblázat Az FD,C,n mint a napfény egy helyiségbe történő behatolásának függvénye. FD,C,n mint a napfény egy helyiségbe történő behatolásának A világítás vezérlésének függvénye. módja gyeng közepe erős e s Kézi
Automatikus vezérlés, amely a napfény behatolásától függ
0,20
0,30
0,40
0,75
0,77
0,85
DA módszer, amely meghatározza az FD,n napfényfüggőségi tényező értékeit egy év minden egyes hónapjára Ha szükséges a napfényfüggőségi tényező kiszámítása egy év minden egyes hónapjára, a következő kifejezés használható: FD,n = 1 - (FD,S,n · FD,C,n · CD,S,n)
(3.26)
Jelkulcs: * CD,S,i a havi alapon újra kiszámított tényező a 3.18. táblázatban látható. Az i index 1-től 12ig megy az év minden egyes hónapja esetén. Európa déli részein a tényező értékeinek eloszlása egyforma. Más szóval, a decemberben meghatározott értékek és a júniusi értékek közötti különbségek nem nagyok. Az északi részeken a különbség nagyobb. Ugyanezen a módon, egyforma eloszlással rendelkezünk azokra a terekre, ahol a napfény behatolása egy helyiségbe nagyobb, különösen Európa déli részein. Ha az FDS,n FD,C,n tényezők éves alapon számított szorzata nem egyezik a tényezők havi alapon számított értékeivel, a következő eljárást kell használni. Azokra a hónapokra, amelyekre az FDS,n · FD,C,n · cD,S,n szorzat nagyobb mint 1, a különbséget (FDS,n · FD,C,n · cD,S,n 1) hozzá kell adni a havi alapon számított értékekhez, ha az FDS,n FD,C,n cD,S,n szorzat kisebb mint 1. Ha szükséges, használhatunk iterációs módszert is a fenti eljáráshoz. 3.18. táblázat A CD,S,i tényező havi alapon történő eloszlása. Az eloszlás függ az épület helyétől és a napfénnyel való ellátás osztályozásától.
Hely
A napfénny el való ellátás osztályoz ása
Ja nu ár
Fe br uá r
Má rci us
Au Sze No De Áp M Jú Ok Júl gus pte ve ce rili áju niu tób ius ztu mb mb mb s s s er s er er er
91
gyenge Watfor d, GB 52° É
közepes erős gyenge
Frankf urt, D 50° É
közepes erős gyenge
Athén, GR 38° É
közepes erős gyenge
Pozsony , SK közepes 48° É erős Lyon, F 46° É
gyenge közepes erős
Gavle, S 61° É
gyenge közepes erős
0,3 8 0,4 7 0,6 1 0,4 3 0,5 0 0,6 2 0,6 5 0,7 4 0,8 3 0,4 5 0,5 4 0,6 5 0,4 9 0,5 9 0,7 0 0,2 1 0,2 5 0,3 2
0,6 8 0,8 0 0,8 8 0,6 5 0,7 3 0,8 4 0,8 7 0,9 1 0,9 7 0,7 9 0,8 8 0,9 4 0,7 4 0,8 4 0,9 2 0,5 5 0,6 5 0,7 7
1,0 2 1,0 5 1,0 7 0,9 4 1,0 1 1,0 7 1,0 8 1,0 5 1,0 5 1,0 2 1,0 5 1,0 6 1,0 9 1,1 1 1,1 0 1,0 4 1,1 2 1,1 7
1,3 6 1,3 0 1,2 4 1,3 3 1,2 8 1,2 1 1,2 2 1,1 3 1,0 9 1,3 4 1,2 5 1,1 8 1,2 6 1,2 1 1,1 4 1,4 5 1,4 2 1,3 5
1,5 6 1,4 6 1,3 0 1,4 6 1,3 8 1,2 7 1,2 5 1,1 7 1,1 0 1,4 1 1,3 2 1,2 3 1,3 5 1,2 5 1,1 7 1,6 2 1,5 3 1,4 4
1,6 2 1,4 2 1,2 8 1,5 8 1,4 4 1,2 8 1,1 7 1,1 5 1,1 0 1,5 1 1,3 7 1,2 4 1,4 1 1,2 7 1,1 6 1,7 3 1,5 7 1,4 4
1,5 3 1,4 0 1,2 8 1,5 5 1,4 3 1,2 8 1,2 4 1,1 9 1,1 0 1,4 0 1,3 2 1,2 3 1,3 8 1,2 6 1,1 7 1,6 8 1,5 6 1,4 5
1,3 9 1,3 5 1,2 8 1,4 1 1,3 5 1,2 5 1,2 0 1,1 4 1,0 8 1,3 7 1,2 9 1,2 1 1,3 1 1,2 5 1,1 7 1,5 5 1,5 1 1,4 2
1,1 3 1,1 6 1,1 6 1,0 8 1,1 1 1,1 2 1,0 4 1,0 5 1,0 5 1,0 5 1,0 8 1,0 8 1,0 9 1,1 1 1,1 0 1,1 0 1,1 6 1,1 9
0,7 7 0,8 9 0,9 7 0,7 6 0,8 3 0,9 1 0,9 3 0,9 5 0,9 7 0,8 3 0,9 1 0,9 5 0,8 7 0,9 4 0,9 8 0,6 5 0,7 5 0,8 4
0,2 8 0,3 5 0,4 7 0,4 6 0,5 3 0,6 4 0,7 5 0,8 1 0,8 7 0,4 8 0,5 7 0,6 7 0,5 6 0,6 6 0,7 6 0,2 7 0,3 3 0,4 2
0,2 8 0,3 5 0,4 7 0,3 4 0,4 0 0,5 1 0,6 0 0,6 9 0,7 8 0,3 5 0,4 3 0,5 4 0,4 2 0,5 1 0,6 3 0,1 2 0,1 5 0,1 9
3.5.2. A világítás használatát és a világítás vezérlését mutató tényező A tényező, amely az FO világítás használatát mutatja, információt ad arra vonatkozóan, hogyan történik a világítási elektromos energia használata egy megfigyelt térben. Két elemből áll. Az első a helyiség céljáról szól az emberek jelenlétét illetően. A második információt ad a világítás vezérléséről. Amikor energiamegtakarításról beszélünk, érdekünk, hogy a tényezőt a lehető legkisebb értéken tartsuk az épület összes helyisége esetén. Ugyanakkor vigyáznunk kell, hogy ne befolyásoljuk a munkafolyamatot és egyetlen felhasználó biztonságát sem. A lehető legrosszabb eset, amikor Fo egyenlő 1, ami a következő esetekben történik: * a világítás bekapcsolódik egy helyen egynél több helyiségre, például a világítás egy 92
csarnokban, a szint vagy az egész objektum kézi vagy idővezérelt, mindegy, hogyan lett kikapcsolva. * egy kézzel vagy automatikusan megvilágított helyiség, a terület nagyobb, mint 30 m2. Az Fo tényező egynél kisebb a következő esetekben: * tárgyalóhelyiségekben, amelyeket időről időre vagy egy céllal használnak, amikor a világítás bekapcsolása egyetlen kapcsolóval vagy automatikusan történik az emberi jelenlétet érzékelő egyetlen detektor által * egy olyan helyiségben, amelynek a felülete nagyobb, mint 30 négyzetméter, ahol a világítás be-/kikapcsolása helyileg történik * olyan területen, ahol a világítás vezérlése egy, az emberi jelenlétet (távollétet) érzékelő detektor által történik; a világítás vezérlése csak a megfigyelt területen szabályozza a világítást. Az összes fenti eset magában foglalja egy automatikus, időkésleltetéses vezérlés létét, vagy egy rendszert a fényerősség csökkentésére. Ha az összes fenti feltétel kielégítésre került, az Fo kiszámítása a következő kifejezések szerint történik: Za 0,0 ≤ F A < 0, 2 :
FO = 1 − [(1 − FOC ) ⋅ FA / 0,2];
Za 0, 2 ≤ FA < 0,9 : Za 0,9 ≤ FA < 1,0 :
FO = FOC + 0,2 − FA ; FO = [7 − 10 ⋅ FOC ] ⋅ (FA − 1) ;
(3.27) (3.28) (3.29)
Jelkulcs * FA egy időszak, amikor nincs emberi jelenlét a területen ( 0 – 1), * Foc a világítás vezérlőrendszerének típusától függő tényező A világítás vezérlőrendszerének típusától függő Foc tényező értékeit a 3.19. táblázat adja meg. A tényező kisebb értékei a világítás hatékonyabb használatát jelentik. 3.19. táblázat Az Foc tényező meghatározása Emberi jelenlét (távollét) automatikus észlelése nélküli rendszer
FOC
Kézzel bekapcsolva / kapcsoló kikapcsolva
1,00
Kézzel bekapcsolva / kapcsoló kikapcsolva + kiegészítő automatikus jel, amely az éjszaka folyamán kikapcsolja a világítást Emberi jelenlétet (távollétet) automatikusan észlelő rendszer
0,95
FOC
Automatikusan bekapcsolva / tompítás
0,95
Automatikusan bekapcsolva / Automatikusan kikapcsolva
0,90
Kézzel bekapcsolva / tompítás
0,90
93
Kézzel bekapcsolva / Automatikusan kikapcsolva
0,80
Az emberi jelenlétet (távollétet) érzékelő automatikus detektorral nem felszerelt rendszerek esetén egy helyiségben a világítás be-/kikapcsolása egy, magában a helyiségben található kapcsolóval történik. A fent leírt kézi rendszerhez hozzáadható egy jel, amely automatikusan kikapcsolja a világítást. Ez naponta legalább egyszer - rendszerint este - képes automatikusan kikapcsolni a világítást annak érdekében, hogy megelőzze a világítás szükségtelen működését az éjszaka során. Az emberi jelenlét (távollét) automatikus észlelésével felszerelt rendszerek esetén a következő üzemmódok lehetségesek: a) A világítás automatikusan bekapcsolódik / tompul A világítás vezérlőrendszere a helyiségben emberi jelenlét észlelése esetén automatikusan bekapcsolja a világítást. A helyiségben az emberi jelenlét utolsó észlelésétől számított 5 perces időszakon belül automatikusan megváltoztatja a fényerősséget (a normál intenzitás 20%-ánál nem jobban). Kiegészítésként, a helyiségben az emberi jelenlét utolsó észlelése után legkésőbb 5 perccel a világítás automatikusan és teljesen kikapcsolódik. b) A világítás automatikusan bekapcsolódik / kikapcsolódik A világítás vezérlőrendszere emberi jelenlét észlelésekor automatikusan bekapcsolja, és a helyiségben az emberi jelenlét utolsó észlelése után legkésőbb 15 perccel automatikusan kikapcsolja a világítást. a) A világítás bekapcsolása kézzel történik / tompítás A világítás bekapcsolása a helyiségben vagy a helyiséghez nagyon közel található kézi kapcsolóval történik. Ha a világítás kézzel nem került kikapcsolásra, ez a helyiségben az emberi jelenlét utolsó észlelésétől számított 5 perces időszakon belül automatikusan megváltoztatja a fényerősséget (a normál intenzitás 20%-ánál nem jobban). Kiegészítésként, a helyiségben az emberi jelenlét utolsó észlelése után legkésőbb 5 perccel a világítás automatikusan és teljesen kikapcsolódik. b) A világítás bekapcsolása kézzel / kikapcsolása automatikusan történik A világítás bekapcsolása a helyiségben vagy a helyiséghez nagyon közel található kézi kapcsolóval történik. Ha a világítást kézzel nem kapcsolják ki, az a helyiségben az emberi jelenlét utolsó észlelése után legkésőbb 15 perccel automatikusan és teljesen kikapcsolódik. Az FA tényező (0 – 1 közötti értékek), amely a megfigyelt helyiségben emberi jelenlét nélküli időről tájékoztat, a 3.20. táblázatból határozható meg. Az épületeket hat csoportra osztották a céljuk szerint: épületek irodákkal, oktatási intézmények, kórházak, gyártóüzemek, szállodák és éttermek, és vásárlásra szolgáló épületek. Ezen épületek mindegyikére adott az FA tényező a LENI index kiszámításának gyors módszeréhez. Komplex számítási módszer használatakor az FA tényező értékei az épületek mindegyike esetén minden helyiségre láthatók, azok jellemző céljaival együtt. Az FA tényezőnek a táblázat végén megadott értékei olyan épületekre és azok helyiségeire vonatkoznak, amelyek a hat csoport egyikéhez sem tartoznak. Nagy különbséget vehetünk észre az index értékeiben bizonyos, az emberek állandó jelenlétével járó helyiségek, például bejárati csarnokok, várószobák, kórházi csarnokok stb. és az olyan helyiségek között, ahol emberek ritkán tartózkodnak (irattárak, elektromos és egyéb berendezéseket tartalmazó helyiségek stb.). Az index értéke az első helyiségcsoport esetén nullával egyenlő, míg a második helyiségcsoport esetén az index tipikus értéke 0,98. Az index 94
említett értékeit az a tény magyarázza, hogy a világítást az első helyiségcsoportban gyakran használják, míg a második csoport ritkán igényli a világítás használatát. 3.20. táblázat FA közelítő értékei Számítás egész épületre Épület típusa FA
Irodák
0,2
Számítás egész épületre Épület típusa FA
Oktatási intézmények
Kórházak
0,2
0
Számítás az épület bizonyos helyiségeire Helyiség típusa FA Zárt iroda – 1 személy 0,4 0,3 Zárt iroda – 2-6 ember 2 Nyitott iroda > 6 ember / 30 m 0 0,2 Nyitott iroda > 6 ember / 10 m2 Folyosó 0,4 Bejárati csarnok 0 0,6 Kiállítási terület Fürdőszoba 0,9 0,5 Illemhelyek Éléstár / öltözőhelyiség 0,9 Kazánház 0,98 Fénymásoló / számítógép helyiség 0,5 Konferenciacsarnok 0,5 Irattár 0,98 Számítás az épület bizonyos helyiségeire Helyiség típusa FA Osztályterem 0,25 Helyiségek csoportos 0,3 tevékenységekhez 0,6 Folyosó 0,5 Közös helyiség 0,4 Üzlet 0,4 Személyzeti helyiség 0,3 Sportcsarnok 0,2 Ebédlő 0,4 Személyzeti helyiség 0,4 Fénymásoló / teakonyha 0,2 Konyha 0,4 Könyvtár 0 Kórházi helyiség Gyengélkedő / diagnosztikai 0,4 átvilágító helyiség 0,4 Sebészeti előkészítő helyiség 0 Akut szoba 0 Műtőterem 0 Folyosó Helyiség energiakábelek és csövek 0,7 0 részére 0 Várószoba 0,2 Bejárati csarnok Nappali 0,2 Laboratórium 95
Gyártóüzem
0
Szállodák és éttermek
0
Nagykereskedelmi kiskereskedelmi központok
0
és
Egyéb
Gyárcsarnok Műhely Zárt raktár Nyitott raktár Lakkozóműhely Bejárati folyosó, recepció Folyosó Szállodai szoba Ebédlő / étterem / bár Konyha Konferenciacsarnok Éléstár / raktár Vásárló zóna Raktár (helyi) Raktár, hideg tároló Várószoba Lépcsőház Színházcsarnok hangversenyterem Kongresszusi / kiállítási csarnok Múzeumok / kiállítási terület Könyvtár / olvasószoba Könyvtár / irattár Sportcsarnok Magán garázsok Nyilvános garázsok
0 0,2 0,4 0,2 0,2 0 0,4 0,6 0 0 0,4 0,5 0 0,2 0,6
és
0 0,2 0 0,5 0 0 0,9 0,3 0,95 0,8
3.21. táblázat FO tényező értékei FA és FOC függvényeként FA
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
kézzel bekapcsolva / kapcsoló kikapcsolva kézzel kikapcsolva / kapcsoló kikapcsolva + kiegészítő automatikus jel, amely az éjszaka folyamán kikapcsolja a világítást Automatikusan bekapcsolva / fény tompítása automatikusan bekapcsolva / automatikusan kikapcsolva Kézzel bekapcsolva / fény tompítása
1,0 00 1,0 00
1,0 00 0,9 75
1,0 00 0,9 50
0,9 00 0,8 50
0,8 00 0,7 50
0,7 00 0,6 50
0,6 00 0,5 50
0,5 00 0,4 50
0,4 00 0,3 50
0,3 00 0,2 50
0,0 00 0,0 00
1,0 00
0,9 75
0,9 50
0,8 50
0,7 50
0,6 50
0,5 50
0,4 50
0,3 50
0,2 50
0,0 00
1,0 00
0,9 50
0,9 00
0,8 00
0,7 00
0,6 00
0,5 00
0,4 00
0,3 00
0,2 00
0,0 00
1,0 00
0,9 50
0,9 00
0,8 00
0,7 00
0,6 00
0,5 00
0,4 00
0,3 00
0,2 00
0,0 00
kézzel
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
bekapcsolva
/
96
automatikusan kikapcsolva
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
00
A világítás használatát mutató tényezőnek (FO) az emberi jelenlét tényezőtől (FA) és a világításvezérlési tényezőtől (FOC) való függősége a 3.21. táblázatban látható. Mint várható, a ritkán használt helyiségek rendelkeznek az FO tényező legkisebb értékeivel. Az automatikus világításvezérléssel felszerelt helyiségek esetén a tényező tovább csökken. Az FO tényezőre legnagyobb hatása annak a működési módnak van, ahol a világítás bekapcsolása kézzel, a kikapcsolása pedig automatikusan történik (3,4). Ha az FO tényezőt számítógéppel akarjuk kiszámítani, a következő kifejezést használhatjuk az FA értékétől függetlenül: FO = min {1 - [(1 - FOC) FA/ 0,2]; (FOC + 0,2 – FA); [7 - (10 FOC)] (FA - 1)} (3.30) A táblázat az FOC néhány alapvető értékét az alkalmazott világításvezérlés függvényeként adja meg. Különböző vezérléstípusokra kiegészítésként meghatározhatók az FOC értékei. Rá kell mutatnunk, hogy a világítás kikapcsolt ideje a világítás működési idejével (nappal + éjszaka) összehasonlítva soha nem lehet nagyobb, mint az FA. Emiatt az FO soha nem lehet nagyobb, mint 1 – FA. A fentiek következtében a tény az, hogy az FOC soha nem lehet kisebb, mint 0,8. Az FO tényező használata Az FO használatának célja, hogy lehetőséget nyújtson a világításkezelő rendszer energiahatékonyságának közelítő meghatározására. Az FO két tényezőtől függ: * a világításkezelő rendszer típusától, * attól, hogy milyen gyakran vannak emberek jelen egy helyiségben vagy épületben. Egy egyszerű modell - ennélfogva a görbe alakja - teljesen a tapasztalaton alapul. Az FO csökken, amint egy helyiség vagy egy épület egyre kevésbé zsúfolttá válik. Ugyanakkor az FA nagyobb lesz, mint az a 3.14. ábrán látható. 1,1 1 0,9 0,8 0,7
FO
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
FA 1
2
3
4
3.14. ábra Az FA és FO kölcsönös függése. 97
0.8
0.9
1.0
Jelmagyarázat a 3.14. ábrához: 1) A világítás bekapcsolása kézzel / kikapcsolása kézzel történik a) A világítás automatikusan bekapcsolódik / tompul b) A világítás automatikusan bekapcsolódik / kikapcsolódik 4) A világítás bekapcsolása kézzel / kikapcsolása automatikusan történik A görbék meredeksége különböző, ha az FA értékei kisebbek, mint 0,2. A görbék annál a pontnál metszik egymást, ahol FO = 1 és FA = 0. Az FA 0,2 és 0,9 közötti értékei esetén minden görbe meredeksége azonos – a görbék párhuzamosak egymással. Ebben a tartományban az FO különbsége a világításkezeléshez alkalmazott rendszerektől függ, és független az emberi jelenléttől. Az FA 0,9 feletti értékei esetén a görbék meredeksége különbözik, egy metszéssel FO = 0,0 és FA = 1,0 értékeknél. A leghatékonyabb világításvezérlést akkor érték el, amikor a görbe alatti terület a legkisebb. Más szóval, amikor a világítás bekapcsolása kézzel / kikapcsolása automatikusan történik. Az FOC tényező értékei teljesen tapasztalatiak. Amikor a meglevő világításkezelő rendszerek minőségelemzése befejeződött, a következőt dönthetjük: *A világítás üzemelhet a kézzel bekapcsolva / kézzel kikapcsolva működési módban, egy kiegészítő jellel a kikapcsolásához. Az ilyen működési mód megelőzheti, hogy a világítás bekapcsolva maradjon az éjszaka folyamán, vagy amikor a helyiség nincs használatban. Ennélfogva, ez a vezérlési mód jobb, mint a kézi. *Azok az automatikus világításvezérlő rendszerek, amelyek tompítják a megvilágítás intenzitását, ha senki nincs a helyiségben, több energiát fogyasztanak azoknál a rendszereknél, amelyek teljesen ki tudják kapcsolni a világítást. Ebből az okból nagyobb FOC és következésképpen kisebb FO értékekkel rendelkeznek. Nagy irodákban a felhasználók rendszerint panaszkodnak, hogy a világítás teljesen kikapcsolásra kerül az épületnek azokban a részeiben, amelyeket nem használnak. Ilyen esetekben szükséges kompromisszumot kötni az energiahatékonyság és a felhasználók igényei között. Egy ilyen kompromisszum célja a legjobb világításkezelési megoldás megtalálása. *Azok a rendszerek, amelyek automatikusan kapcsolják be a világítást, még cél nélkül is bekapcsolják. Például amikor egy személy belép egy helyiségbe, hogy összeszedje az ottfelejtett dolgokat, vagy elvégezzen egy kis feladatot, a mesterséges világítás rendszerint szükségtelen. De a vezérlőrendszer bekapcsolja azt. Sok érzékelő észleli az emberek jelenlétét a csarnokokban a mozgásuk miatt. Ez a világítás aktiválódását okozza, különösen akkor, ha a munkaidő már letelt (például, ha egy takarítónő végigmegy a folyosón, amikor néhány dolgozó túlórázik és az egyik helyiségből átmegy egy másikba, rövid séták a nyomtatókhoz másológépekhez, kávéfőző gépekhez, vagy mosdóba menés, stb.). Emiatt az FOC kedvezőbb (kisebb érték) olyan rendszerek esetén, amelyek csak akkor kapcsolják be a lámpákat, ha egy felhasználó a kapcsolót kézzel felkapcsolja. Az ilyen rendszerek egy további előnye, hogy nem kell észlelniük egy személy belépését a helyiségbe, hanem csak akkor, amikor a személy elhagyja a helyiséget. Az észlelőrendszer a lámpaarmatúrákkal együtt kikapcsolható, ami kedvező. Sok esetben a világítás sok órára kikapcsolt állapotban van egy év alatt. Egy ilyen konfiguráció az egyik fő módot jelenti a parazita energiának a világítás működésének vezérlésével történő csökkentésére. Egy helyiségbe behatoló napfénynek a világítás vezérlésére gyakorolt hatását nem az FOC tényező, hanem az FD tényező tartalmazza.
98
3.5.3. A világítás állandó kimenő teljesítményével összefüggő tényező és a karbantartási tényező (MF) A felszerelés pillanatától a lámpaarmatúrák öregedni kezdenek. Az idő múlásával csökken a kimenő teljesítményük. A világítás tervezésekor vagy felszerelésekor ezt a tényt figyelembe kell venni. Így a karbantartási tényező (MF) kiszámítására használt öregedési sebesség becsült. Az MF tényező egy bizonyos időszak utáni kimenő világítási teljesítmény és a felszerelés pillanatában a kezdeti kimenő teljesítmény közötti arány. Az állandó szintű megvilágítás kérésének megfelelően, a fenti tény azonnali következménye az alábbi következtetés. A világítás tervezésekor a teljesítményt meg kell növelni 1/MF értékkel, ahol MF a karbantartási tényező értéke. Ez egy érték a karbantartás első ciklusának végén, vagy közvetlenül a karbantartás befejezése után. Karbantartás alatt a lámpaarmatúrák megtisztítását, az égők kicserélését stb. értjük. Célunk az ugyanolyan megvilágítási szint elérése a karbantartási ciklus végén, mintha a világítás éppen most került volna felszerelésre. A 3.15. ábrán látható, hogyan lehet megtartani az állandó megvilágítási szintet.
3.15. ábra Lámpák teljesítményének állandó értéken tartása, a projekt által kívántak szerint. Jelmagyarázat 1A – helyiség megvilágítása 2 – idő 3 – tervezett világítás 4 – tényleges megvilágítás
5 – maximális bemenő teljesítmény 1B – világítás elektromos teljesítménye A és B – világítás karbantartásának időciklusa
Ha a felszerelt világítást olyan vezérlőrendszerrel látják el, amely lehetővé teszi a fény tompítását, a helyiségben fenntartható és vezérelhető egy állandó megvilágítási szint. Ez a lámpák teljesítményének fokozatos növelésével érhető el, ami fordítottan arányos az MF tényező csökkenésével. Az ilyen csökkenést a berendezés öregedése okozza. Amikor a vezérlőrendszer eléri a maximális bemenő teljesítményét, karbantartás végzésére van szükség. Az automatikus világításkezelés ilyen programjai „Kontrolirana konstantna osvijetljenost” (Controlled Constant Illumination – Vezérelt állandó megvilágítás) néven ismertek. Pozitív hatásuk van az elektromos energia és teljesítmény megtakarítására. A 3.16. ábra az MF csökkenésének a világítás bemenő teljesítményének növekedésére gyakorolt hatását mutatja a megvilágítási szint állandó értéken tartásának céljával egyetlen karbantartási ciklusra. A megvilágítási szint állandó értéken tartásához szükséges teljesítmény a világítás aktuális bemenő teljesítményének és a világítás maximális bemenő teljesítményének aránya. Egy ilyen rendszerben lehetséges az elektromos energia megtakarítása (3.5). 99
3.16. ábra Megvilágítási szint állandó értéken tartása automatikus módon. Definíciója szerint az FC (az állandó szintű megvilágítási tényező) egy meghatározott időszak alatti átlagos bemenő teljesítmény és a kezdetben felszerelt világítási teljesítmény közötti arány. Időszaknak rendszerint egy karbantartási ciklus idejét vesszük. Az FC kiszámítása a következő kifejezéssel történik: Fc = (1 + MF)/2 (3.31) A fenti egyenletből láthatjuk, hogy az FC mindig nagyobb, mint az MF. Amikor meg akarunk határozni egy karbantartási időciklust a világításunk számára, gondolnunk kell arra, hogy a megvilágítási szint ne legyen magasabb, mint a tervben egy maghatározott célú helyiségre megadott szint.
100
4. GÁZKISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK 4.1. Fénycsövek 4.1.1. Mik a fénycsövek? A fénycsövek a kisnyomású gázkisüléses fényforrások egyik csoportjába tartoznak. Üvegből vagy kvarcból készülnek, és belső felületüket fluoreszkáló anyag (például foszfor) egy vékony rétegével vonják be. A cső mindkét végén egy elektróda található, és a csőben az elektródák közötti teret higanygőzök és nemesgázok keverékével töltik meg. [4.1]. A fénycsöveket ma az épületek világításának csaknem 70%-ában használják, ami ezeket a legközönségesebben használt fényforrássá teszi. A fénycsöveknek hosszú, körülbelül 12 000 óra az élettartama, ami körülbelül 12-szer hosszabb, mint egy standard izzólámpa élettartama. A második jellemző az energiahatékonyságuk, mivel mintegy ötször kevesebb energiát használnak, mint a standard égők. Az elsődleges hatékonyság körülbelül 25%, a fényhasznosítás pedig kivételesen nagy, a 70 lm/W és 100 lm/W. közötti tartományban van. Ezért a fénycsővilágítás a beltéri világítás leginkább energiahatékony formáinak egyike. A fénycsővilágítást legszélesebb körben középületekben használják, ahol a használata nagy mennyiségű energia megtakarítását eredményezheti, míg a fénycsöves kompakt égők háztartási használatra alkalmasabbak. [4.1].
4.1. ábra Fénycsővilágítás használata a müncheni Allianz Arena stadionban [4.2] A beltéri világításra használt fénycsövek rendszerint keskeny hosszú alakúak, és hosszuk és átmérőjük egy meghatározott tér világítási követelményei alapján különbözhet. A fénycsöveket dekorációs világításként is használják a kivilágított reklámtáblákban, és alakjuk hozzáigazítható a követelményekhez.
4.1.2. Történelmi fejlődés A XIX. század közepén a tudósok észrevették, hogy a kísérleteik során az üvegedények némelyikén átmenő elektromos áram enyhe lumineszcenciát okozott ezeknek az edényeknek a felületén. Ezt az eseményt először Sir George Stokes ír tudós írta le, aki fluoreszcenciának 101
nevezte a fluorit ásvány után, amely a szennyeződései következtében erős fényt bocsátott ki. Az 1840-es évek során Michael Faraday és James Clark megerősítették a fluoreszcencia és az elektromos áram közötti kapcsolatot. A fénycső első előfutára egy higanyos vákuumszivattyú volt, amelyet Heinrich Geissler készített 1856-ban. Több levegőt sikerült kiszivattyúznia egy üvegcsőből, mint korábban bárki másnak, és a csövet Geissler-csőnek nevezte. Ha elektromos áram halad át a csövön, intenzív zöld fény jelenik meg a cső felületén, a katód mellett. Figyelembe véve, hogy ez érdekes világítási effektusokat okozott, a Geissler-cső használata szórakoztatási célokra vált népszerűvé. A csövön fellépő lumineszcencia hatásait leíró első személy Julius Plücker volt, aki kísérleteket folytatott a Geissler-csövön. Azt is észrevette, hogy a csőben a fény pozíciót vált, ha egy elektromágneses mező közelébe kerül. 1859-ben Alexandre Edmond Becquerel észrevette, hogy bizonyos anyagok fényt bocsátanak ki, ha egy Geissler-csőbe helyezik azokat. Felvitte a lumineszkáló anyag egy vékony rétegét a cső felületére, és eredményként megjelent a fluoreszcencia. Azonban ezek a csövek nem voltak hatékonyak, és élettartamuk rövid volt. A kutatás a Geissler-csöveken folytatódott, és a vákuum minősége javult. Ez vezetett 1897-ben az elektron és 1895-ben a röntgensugarak felfedezéséhez. Nikola Tesla szintén végzett kutatást a fluoreszcencia területén, és feltalálta a nagyfrekvenciás fénycsövet, amely ragyogó zöldes színt bocsátott ki. Tesla fénycsövét a „World’s Columbian Exposition” kiállításon mutatták be 1893-ban az USA-ban Chicago-ban, de kereskedelmi sikert soha nem ért el. Thomas Alva Edison átmenetileg szintén megkísérelte hasznosítani a fénycsövet. Feltalált egy olyan fénycsövet, amely fluoreszkáló anyagként kalciumvolframátot használt, és a gerjesztése röntgensugarakkal történt. Azonban ugyanúgy, mint a Geissler-csőnek, ennek is rövid volt az élettartama. Figyelembe véve, hogy Edison már ért el sikert az izzólámpa feltalálásával, nem volt oka a kutatás folytatására ezen a területen, és a fénycsöve soha nem került gyártásra. Habár Edison elvesztette a fluoreszcencia tanulmányozása iránti érdeklődését, egyik korábbi alkalmazottja, Daniel McFarlan Moore feltalálta a gázlámpákat, amelyek nagyobb kereskedelmi sikert értek el 1895-ban olyan lámpákat mutatott be, amelyek 2 – 3 méter hosszúak voltak. Amelyek széndioxiddal voltak töltve, azok fehér fényt bocsátottak ki, amelyek pedig nitrogénnel voltak töltve, azok rózsaszín fényt bocsátottak ki. Ezek azonban sokkal bonyolultabbak voltak, mint az izzólámpák. Történetesen Moore feltalált egy elektromágnesesen vezérelt szelepet is, amely állandó gáznyomást tartott fenn a cső belsejében, ami megnövelte annak élettartamát. Az izzólámpákhoz képest ezek a lámpák bonyolultabbak, drágábbak voltak és nagyobb feszültséget igényeltek, de hatékonyabbak voltak és természetesebb fényt bocsátottak ki. Peter Cooper Hewitt 1901-ben szabadalmaztatott egy higanygőzlámpát, amely fényt hozott létre, amikor áram haladt át kisnyomású higanygőzön. Moore lámpáival ellentétben ezeket szabványos méretekben gyártották, és kisebb feszültséggel üzemeltek. Az időszak izzólámpáihoz képest ezeknek nagyobb volt az energiahatékonysága, de a fényükből hiányzott a vörös komponens, ami kékeszöld fényt eredményezett, amely világítási alkalmazásokra nem volt megfelelő. Ettől eltekintve számos további párhuzamos találmány volt, amelyek higanygőzön alapultak, de egyik sem jelentett kihívást az időszak izzólámpái számára. A fénycsövek fejlődésének következő fázisát a neon nemesgáz lumineszcenciájának használata jellemezte, amelyet 1898-ban fedeztek fel, amikor elkülönítették a légköri levegőből. Geissler-csövekben használva a neon ragyogó vörös fényt bocsátott ki. Noha a neonlámpák energiahatékonysága nem volt nagyobb, mint az izzólámpáké, az 1930-as évek során Franciaországban ezeket használták a világítás fő forrásaként. Georges Claude volt az a személy, aki nagyban hozzájárult ehhez, aki az elektródát is javította a porlasztás megakadályozásával, ami ennek a romlásnak a fő oka volt. Porlasztás akkor lép fel, ha ionizált részecskék lépnek érintkezésbe az elektródával, és erodálják a fémet a folyamatban. 102
1926-ban Jacques Risler szabadalmaztatta a neonlámpának a cső felületén fluoreszkáló réteggel ellátott modelljét, ami a kulcsfontosságú elemnek bizonyult a fénycsövekben. Az ő neonlámpáit tekintik az első olyan fénycsöveknek, amelyek kereskedelmi sikert értek el, de ezeket világítás helyett kivilágított reklámtáblákhoz használták. Az 1920-as évek során a fénycsövek minden fő összetevője kifejlődött: az üvegcsövek gazdaságos gyártása, inert gázok a csövek töltéséhez, elektromos előtétek, hosszú élettartamú elektródák, higanygőz a lumineszcencia forrásaként, a megbízható elektromos kisülés létrehozásának hatékony eszközei, és a fluoreszkáló bevonatok, amelyek ultraibolya fénnyel gerjeszthetők, [4.3]. 1926-ban Edmund Germer és társai javasolták az üzemi nyomás növelését a kisülőcsőben, és annak fluoreszkáló porral való befestését, amely a hígított gáz által létrehozott ultraibolya sugárzástól fehér fénnyé válna (4.2. ábra). Ezért ma Germert tekintik a modern fénycső feltalálójának, [4.4].
4.2. ábra Germer-féle fénycső 1934-ben, Arthur Compton jelentette a General Electric Co., Ltd. vállalat által NagyBritanniában gyártott fénycsövekkel végzett első sikeres kísérleteket. Ezeknek a kísérleteknek az alapján George Inman a General Electric vállalattól elkészítette az első prototípust, amely az útját a piacra lépéshez további fejlesztések révén tette meg. A fénycsövek gyors elterjedése a piacon a II. világháború során történt, és 1951-ben az USA-ban több mesterséges fényt állítottak elő fénycsövekkel, mint izzólámpákkal.
103
4.1.3. Lumineszcencia A fénycsövek működési elvének megértéséhez több alapvető fizikai szakkifejezés definiálása szükséges. A fénycsövek elméletének alapvető szakkifejezése a lumineszcencia. A lumineszcencia szakkifejezés minden olyan sugárzást magában foglal, amely nem hősugárzás, és amely alapvetően különbözik a feketesugárzástól. A fizikában a lumineszcens sugárzást úgy definiálják, mint egy olyan jelenség, ahol egy bizonyos anyag akkora intenzitású elektromágneses sugárzást bocsát ki, amely bizonyos hullámhosszak esetén, vagy kis színképtartományban nagyobb, mint a hősugárzás ugyanazon a hőmérsékleten, [4.5]. A lumineszcens sugárzásnak különféle formái vannak, de fény előállítására rendszerint a fotolumineszcenciát és az elektrolumineszcenciát használják. Az elektrolumineszcencia olyan fizikai jelenség, ahol bizonyos anyagok az elektromos energiát közvetlenül fénnyé alakítják át, gázkisülések nélkül. Ezt a jelenséget a LED technológiában használják, és nem témája ennek a fejezetnek. A fotolumineszcencia gázkisülések vagy fémgőz-kisülések során lép fel. Ez a jelenség a következő módon lép fel: A Bohr-féle atommodell szerint minden atom egy atommagból és egy pályákból vagy elektronpályákból álló elektronfelhőből áll. Minden héj bemutatható egy pályaként, amelyen elektronok keringenek a mag körül. Az elektronpályákat pontosan meghatározza az elektron energiája, és ezeket stacionárius vagy kvantumpályáknak nevezik, és minden atom egy speciális jellemzőjét jelentik. Miközben az elektronok ezeken a pályákon keringenek, nem bocsátanak ki energiát. Az atomokkal együtt minden gáz vagy fémgőz tartalmaz szabad elektronokat vagy ionokat, amelyek szintén nem bocsátanak ki energiát. Ha a fémgőzre elektromos teret adnak, az a szabad elektronok és ionok elmozdulását okozza, amelyek azután összeütköznek a gáz vagy a gőz atomjaival. Ennek az a következménye, hogy az atomok gerjesztetté válnak. Ez azt jelenti, hogy az atom egy elektronja az ütközés során energiára tesz szert, és a (belső) kvantumpályáról elmozdul a külső pályára, amelynek nagyobb az energiaértéke. Azonban az elektron nem marad ezen a pályán; gyorsan visszatér az eredeti pályára, amelynek kisebb az energiaszintje. E folyamat során elektromágneses energia szabadul fel, és az atom ezt az energiát fényrészecskék, az úgynevezett fotonok formájában bocsátja ki. A foton energiája egyenlő azoknak az egyes pályáknak az energiái különbségével, amelyek között az elektron mozgott; 4.3. ábra. Minden gáz vagy fémgőz szigorúan meghatározott pályákkal rendelkezik, ami azt jelenti, hogy azok az energiaszintek, amelyeken az elektronok mozognak, szintén szigorúan meghatározottak. Ezért egy kisülés során csak meghatározott hullámhosszú és meghatározott energiájú fotonok jönnek létre. Ez azt jelenti, hogy a sugárzási spektrumban elvben csak egy színképvonal felel meg az ilyen módon létrejött mindegyik fotonnak. Szükséges rámutatni, hogy a színképvonalak a gáz vagy a fémgőz kémiai összetételétől függnek, nem az elektromágneses tér erősségétől. Sugárzást a spektrum látható részében gázkisülésekkel is el lehet érni, például higanyizzókban, nátriumizzókban és fém-halogén izzókban. Néhány gáz és fémgőz esetén a kisülések során az energia legnagyobb része a spektrum ultraibolya (láthatatlan) részében kerül kibocsátásra. Az ilyen sugárzás átalakítható látható sugárzássá lumineszkáló anyagok segítségével, amelyek a rövidhullámú (ultraibolya) sugárzást képesek átalakítani hosszúhullámúvá vagy az emberi szem számára látható fénnyé. A fotolumineszcenciának két különböző típusa van: • Fluoreszcencia • Foszforeszkálás 104
4.3. ábra A rövidhullámú UV sugárzást hosszúhullámúvá alakító lumineszkáló anyag hatásai (1 – gerjesztett állapot, 2 – kibocsátás) A fluoreszcencia fénycsövekben előforduló jelenség, ahol a higany gázkisülések csak nem kizárólag ultraibolya sugárzást hoznak létre, amelyet azután az üvegcső belső felületére felvitt foszforréteg segítségével látható sugárzássá alakítanak át (4.4. ábra). Ezek az anyagok csak akkor sugároznak, míg gerjesztett állapotban vannak. Ma a leginkább szokásosan használt anyagok a ritkaföldfémelemekkel aktivált foszforokkal kombinált kalcium-halofoszfát foszforok.
1 - üvegcső 2 - fluoreszkáló réteg 3 - szabad elektron 4 - ütközés egy valenciaelektronnal 5 - UV sugárzás kibocsátása 6 - látható fény 7 - szabad elektron az ütközés után
4.4. ábra A fluoreszcencia létrehozásának elve fénycsövekben 105
Mindamellett, néhány fluoreszkáló anyagban az elektronok egy bizonyos ideig metastabil gerjesztett állapotban maradhatnak. Ez az időszak több milliszekundumtól több napig terjedhet. Az ebből az állapotból való átugrás után ezek az anyagok fényt bocsátanak ki, és azt a jelenséget nevezik foszforeszkálásnak. További energia szükséges a metastabil állapotból a fénykibocsátó állapotba történő átugráshoz, amit rendszerint infravörös sugárzás vagy hő biztosít. A rövid idejű foszforeszkálást fénycsövekben használják a váltakozó feszültség által okozott villogás csökkentésére.
4.1.4. A fénycsövek szerkezete A 4.5. ábra egy fénycső összes összetevőjét mutatja be. A cső mindkét végének külsején van egy érintkezőket tartalmazó csőfej, amelyeket arra használnak, hogy a csövet az áramellátáshoz csatlakoztassák. A cső belsejében, mindkét végén elektródák vannak – anód és katód. A katód burája rendszerint tekercselt volfrámszalagból készül, fő funkciója pedig az elektronok kibocsátása. Ahhoz, hogy a katódnak alacsonyabb legyen a termoelektron hőmérséklete, rendszerint bárium, stroncium és kalcium-oxid keverékével vonják be. Az érintkezőket és az elektródákat bevezetőkkel csatlakoztatják, amelyeknek ugyanakkora hőtágulási együtthatóval kell rendelkezniük, mint az üveg csőfejnek, így az üveg nem törik el, ahogy felmelegszik. A cső üvegből vagy kvarcból készül, és a cső belsejét higanygőzök és a nemesgázok (argon, xenon vagy kripton) egyikének kisnyomású keveréke tölti meg. A cső belsejében a nyomás az atmoszferikus nyomásnak mintegy 0,3%-a. A cső belső felületét egy vékony fluoreszkáló vagy gyakrabban foszforeszkáló réteggel vonják be, amely különféle fémsók és ritka földfémsók elegyéből készül. A fénykibocsátó fluoreszkáló anyagot festékrétegként viszik fel egy szerves oldószerrel együtt. Ezután a csövet felhevítik csaknem az üveg olvadáspontjára, hogy a szerves anyag eltávozzon. Miután lehűl, a fluoreszkáló anyag összeolvad a cső felszínével. A fluoreszkáló anyag felvitelekor a legfontosabb dolog az anyag szemcseméretének ellenőrzése. A 35 µm-nél nagyobb szemcsék gyenge réteget hoznak létre, amely nem olvad össze eléggé a cső felszínével, az 1 µm-nél kisebb szemcsék pedig nem hoznak létre elegendő mennyiségű fényt. Az optimális szemcseméret körülbelül 10 µm, mivel ebben az esetben a réteg képes elnyelni csaknem az összes ultraibolya sugárzást a higanygőz atomokból, nem túl vastag ahhoz, hogy túl sok látható fényt nyeljen el.
4.5. ábra Fénycső összetevői (1- érintkezők, 2- csőfej, 3- elektródák, 4- üveg csőfej, 5katódernyő, 6- elektron, 7- higanyatom, 8- üvegcső, 9- fluoreszkáló réteg, 10- nemesgáz) A 4.6. ábra a gyártás során alkalmazott összeszerelési sorrendet mutatja a fénycső néhány alkatrésze esetén. Az első lépés az üvegcső kialakítása és levágása (1). Ezután egy fluoreszkáló vagy foszforeszkáló bevonatot adnak a cső felszínéhez (2). Ezután az elektródákat bevezetőkkel hozzáerősítik az üveg csőfejekhez. (3-7). A kész csőfejeket hozzáerősítik az üvegcső két végéhez (8). Vákuumot hoznak létre a cső belsejében a levegő kiszivattyúzásával az üveg csőfejen keresztül, majd a csövet megtöltik egy meghatározott 106
nemesgáz és higanygőzök kisnyomású keverékével. Ezután a csövet leforrasztják és a két végre felszerelik a fém csőfejeket a csatlakozókkal, így a csövek csatlakoztathatók az áramellátáshoz (9). Az érintkezők támaszként is működnek, amelyek tartják a csövet a lámpában. Végül itt egy teljesen összeszerelt fénycső képe (10).
4.6. ábra Fénycső összeszerelési sorrendje a gyártás során [4.6]
A fénycsövek működése A fénycsövek a parázsfénykisülés eredményeként megjelenő fotolumineszcens sugárzás elvén működnek. A parázsfénykisülés egy elektromos kisülés kisnyomású gázban, és ebből az okból a fénycsöveket kisnyomású lámpáknak is nevezik. A fénycsöveket az egyik nemesgáz (argon, xenon, neon vagy kripton) és higanygőzök keveréke tölti meg. Atmoszferikus nyomás alatt a gáz kis számú szabad elektront és iont tartalmaz, és nem vezetőképes, mielőtt a feszültséget csatlakoztatják az elektródákhoz. A cső végein levő két elektróda közötti elektromos tér hatására a szabad elektronok és ionok mozgási energiája megnő, és ezek összeütköznek a gázatomokkal vagy a higanygőz atomokkal. Az elektronok vagy ionok és az atomok közötti ütközéseknek három típusa van: • Rugalmas ütközés • Aktivált ütközés • Ionizáló ütközés Rugalmas ütközések akkor fordulnak elő, ha az elektronok/ionok sebessége kicsi. Ebben az esetben az elektron/ion csupán meglöki a gáz vagy gőz atomját, és az energiaveszteség ebben a kölcsönhatásban hővé alakul, [4.6]. Aktivált ütközésekben az elektronok/ionok közepes és nagy sebességet érnek el. Az ütközés 107
során az elektron/ion átvisz némi mozgási energiát a gáz vagy a higanygőz atomjára, ami az atom energiáját a magasabb szintre emeli. Amikor az atom visszatér a kezdeti állapotába, energia szabadul fel egyetlen foton formájában.
4.7. ábra Aktivált ütközés egy elektron/ion és egy atom között Amikor egy elektron nagyon nagy sebességet ér el, ionizáló ütközés lép fel. Ebben az esetben az elektron/ion által az atomra átvitt energia olyan nagy, hogy egy elektron kilökődik az atomból, és az atom pozitív ionná válik. Ez az a mód, ahogyan a pozitív és negatív töltéshordozók a gázban vagy a higanygőzökben létrejönnek, ami a csőben az áram megnövekedését okozza. A részecskék sebessége az állandó ütközések miatt növekszik. A csőben a nyomás csökkenése növeli a szabad elektronok és ionok szabad pályáit, ami jelentős mennyiségű mozgási energiát ad nekik. Ez az energia az ionizációjukat az atomokkal történő ütközésekben, és több új töltéshordozó jön létre. Gázkisülés a csőben ennek az ionizációnak az alapján fordul elő (4.8. ábra). A csőben egy kisülés eléréséhez szükséges legkisebb feszültséget gyújtási kisülésnek hívják. Ha az áramot nem korlátoznák, lavinahatás jönne létre. Ezért az áram korlátozására előtéteket használnak, ezekről többet a 4.4. fejezetben.
4.8. ábra Gázkisülés létrejötte egy fénycsőben A 4.9. ábra a látható fény fénycsövekben történő létrejöttének teljes folyamatát mutatja be. A cső külső érintkezői (1) váltakozó feszültséghez csatlakoznak, ami során egy erős elektromos tér keletkezik az anód (2) és a katód (3) között. A katód felmelegszik, és elektronokat (4) kezd kibocsátani, ezt a folyamatot izzókatódos emissziónak nevezik. Az elektronok az elektromos tér hatására felgyorsulnak, és összeütköznek a higanygőz atomokkal (5). A higanyatomok az aktivált ütközések után gerjesztetté válnak. Az atomok esetén természetes, hogy törekednek a minimális energiájú állapotra. Ezért a gerjesztett állapot időtartama rendkívül rövid (mintegy 10-8 s), ezután az atom visszatér a kezdeti állapotába vagy egy kisebb energiájú gerjesztett állapotba. Ebben a folyamatban energia szabadul fel egy foton formájában. A higanygőz atomok által kibocsátott fotonok legtöbbjének a hullámhossza 185 nm – 253,7 nm között van, ami a spektrumnak az emberi szem (6) által nem látható rövidhullámú ultraibolya részében 108
található. A cső belső felületét fluoreszkáló anyag (7) vonja be, ami elnyeli a kibocsátott fotonokat, és ez aktiválja az atomokat a fluoreszkáló anyagban. Amikor az atomok visszatérnek a kisebb energiájú állapotba, az elnyelt energia egy része hőenergiává alakul, ami azután fűti a fluoreszkáló réteget, és az energia maradéka fotonok formájában ismét kibocsátódik. Ezeknek a fotonoknak a hullámhossza a hosszúhullámú ultraibolya spektrumban és a látható sugárzásban (8) van. A fény létrehozásának ezt az elvét fotofluoreszcenciának nevezik.
4.9. ábra A látható fény létrehozásának elve fénycsövekben Az üvegcső hőmérsékletének és annak a csövekben levő higanygőzök parciális nyomására gyakorolt hatásai nagyban befolyásolják a fénycső hatékonyságát és az általa kibocsátott fényt. A cső belsejében kis mennyiségű higany van, diszpergált cseppek formájában. A hőmérsékletnek a lámpa üzemelése következtébeni növekedésével a higanycseppek elpárolognak és, megnő a vezetőképesség, ami lehetővé teszi a kisülést az elektródák között. Nagyobb hőmérsékleteken az önabszorpció csökkenti az ultraibolya sugárzás és a látható fény befogását. A csövek különleges kialakítása is szükséges a higanygőzök kondenzálódásának elkerülésére a cső leghidegebb részein. Az amalgámok (higany elegye más fémekkel) használata csökkenti a higanygőzök nyomását, és növeli az üzemi hőmérsékletet. Mindamellett, még mindig szükséges a cső felületén a hideg foltok kialakulási lehetőségének ellenőrzése, hogy megelőzhető legyen az amalgámból a higany elkülönülése és annak kondenzálódása. A hatékonyabb lámpák tökéletesített kialakítást használnak, amely deformált csövet vagy a hideg foltok létrejöttét megakadályozó belső hűtőket foglal magában.
4.1.5. Hidegkatódos fénycsövek A termikus emisszió elvén működő fénycsövek az előző fejezetben kerültek leírásra, ami azt jelenti, hogy az elektródák hőmérsékletének elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy az elektróda elektronokat bocsásson ki. Van egy olyan fénycső változat is, amely hidegkatódot használ, és a csőben az elektronok kibocsátását csak az elektródák közötti nagy potenciálkülönbség okozza. Ez nem azt jelenti, hogy az elektródák ténylegesen hidegek; csak azt jelenti, hogy a hőmérsékletük kisebb, mint ami a termikus emisszióhoz szükséges. Ezek a katódok nem tartalmaznak a termikus emisszió növeléséhez szükséges kiegészítő rétegeket. Ezért ezeknek a lámpáknak az élettartama sokkal hosszabb, mint azoké, amelyek termikus 109
emissziót használnak. A minőség következtében ezeket a lámpákat rendszerint ellenfényként használják LCD képernyőkben. Mindamellett a hidegkatódos fénycsövek hatékonysága alapvetően kisebb, mint a termikus emissziót használóké, mivel a feszültségesés a katódon jelentősen nagyobb. A megnövekedett feszültségesés nagyobb energiaveszteségeket okoz a cső végein, ami azt jelenti, hogy a befektetett energia kisebb része alakul fénnyé. A megnövekedett energiaveszteség a csőben azt is jelenti, hogy ezeknek a fénycsöveknek kisebb terhelések alatt kell üzemelniük, mint a termikus emissziósaknak, de hosszabbra is gyárthatók. Több ilyen cső sorba kapcsolása is lehetséges. Ezek a csövek alkalmasabbak arra, hogy a kivilágított táblákon leginkább szokásosan használt betűkként vagy szimbólumokként formázzák meg (4.10. ábra). További előnye ezeknek a csöveknek, hogy egy pillanat alatt be- vagy kikapcsolhatók.
4.10. ábra Egy dekoratív hidegkatódos fénycső[4.7]
4.1.6. A kibocsátott fény spektruma A fénycsőből kibocsátott fényt részben a higanyatomokból származó közvetlen sugárzás, a maradékot pedig a cső felszínén levő fluoreszkáló rétegből származó sugárzás hozza létre. Ennek a fénynek a színképvonalai különböznek egy izzólámpából jövő fényétől. Ezért néhány tárgy eltérő színűnek tűnhet attól függően, hogy ez a fény vagy egy standard égő tükröződik rajtuk. Ez a fény némelyik embernek kellemetlen lehet. Minden fényforrás fényét a saját színvisszaadási indexe (R) határozza meg, [4.8]. A színvisszaadási index az a mérték, amely megmutatja, hogy mennyire jól érzékelhető egy szín egy fényforrás használatakor, egy referenciafényhez, például a napfényhez képest. Egy izzólámpa R értéke 100, a fénycsövek esetén pedig az R értéke 50 és 99 között van. A kisebb R azt jelenti, hogy a lámpának olyan fluoreszkáló rétege van, amely nem bocsát ki eleget a fény vörös összetevőjéből. Ebben a fényben az emberi bőr sápadttá és egészségtelenné válik, és némelyik tárgy színei eltompulnak. A korrelált színhőmérséklet – CCT a fény fehérségének mértéke egy feketetesthez képest. Figyelembe véve, hogy az emberi szem az alacsony hőmérsékleteket sokkal természetesebben érzékeli, egy nagy korrelált színhőmérsékletű világítás magasabb megvilágítási szintet igényel. A CCT összehasonlítása a leginkább szokásosan használt beltéri fényforrások esetén a 4.1. táblázatban található. A fénycsövek eltérő CCT értékekkel rendelkezhetnek, ami a fluoreszkáló réteg jellemzőitől függ.
110
4.1. táblázat A CCT értéke a leginkább szokásos beltéri fényforrások esetén Fényforrás Izzólámpa Halogén izzó Fénycsövek
CCT [K] 2700 3000 2700 3000 - 3500 4100 5000 - 6500
Fény színe Sárgásfehér Sárgás Meleg fehér (háztartások) Semleges fehér Hideg fehér (irodák) Kékesfehér (mint a napfény)
A két index, R és CCT, amelyeket egy fényforrás által kibocsátott fény minőségének meghatározására használnak, leginkább a lámpa fluoreszkáló rétegének minőségétől függ. A régebbi fénycsövek halofoszfát fluoreszkáló rétegekkel rendelkeztek, amelyek valamivel kellemetlenebb fényt bocsátottak ki a fény zöld és vörös összetevőinek hiánya következtében (4.11. ábra). Az R index ezeknek a csöveknek az esetében körülbelül 60 volt. Az újabb csövek európium- és terbiumionokon alapuló tri-foszfor keverékeket használnak, és a látható fénynek csaknem a teljes spektrumát lefedik (4.12. ábra). Ezeknek a csöveknek az R indexe 82 és 99 között van, és a fényük természetesebbnek látszik az emberi szem számára.
4.11. ábra Halofoszfát fluoreszkáló réteggel rendelkező fénycsövek sugárzási spektruma
4.12. ábra Tri-foszfor keverékekkel rendelkező fénycsövek sugárzási spektruma
111
4.1.7. A fénycsövek hatásfoka A fénycsövek hatásfokát a csőbe bemenő teljesítmény és a csőben fénnyé átalakuló teljesítmény aránya határozza meg. A fénycsőbe bemenő elektromos áramnak csak egy része alakul át látható fénnyé, és a csőnek csaknem minden alkatrészén keletkeznek bizonyos veszteségek. Ezért az egyes lámpák minősége függ a lámpa egyes alkatrészeinek anyagminőségétől és konstrukciójától. Amint az áram áthalad az előtéten, az energia mintegy 10%-a hővé alakul. A bevezetők és az elektródák saját ellenállásuk következtében bizonyos állandó veszteségeket hoznak létre hő formájában. A kisnyomású higanygőzöket elérő energia összmennyiségéből körülbelül 85% válik ultraibolya sugárzássá és látható fénnyé. E sugárzás 65%-ának hullámhossza 254 nm, a sugárzás maradékának kibocsátása pedig 185 nm hullámhosszon történik. Bizonyos veszteségek fordulnak elő a fluoreszkáló rétegen az ultraibolya sugárzás elnyelése során. Ennek a folyamatnak a hatásfoka mintegy 86%, azaz a fluoreszkáló réteget elérő minden 100 kibocsátott fotonból 86 látható fénnyé válik. A veszteségek legnagyobb része a teljes folyamatban az ultraibolya sugárzás és a látható fény fotonjainak energiakülönbsége következtében keletkezik, amelyet kvantumhatásfoknak neveznek. Egy ultraibolya sugárzás fotonjának energiája 5,5 eV, egy emittáló látható fény fotonjának energiája pedig csak 2,5 eV, ami azt jelenti, hogy ennek a folyamatnak a hatásfoka 45%, és a veszteségek hő formájában mutatkoznak meg. Egy 40 W teljesítményű elektronikus előtéttel rendelkező fénycső minden egyes alkatrészén keletkező veszteségek példája a 4.13. ábrán látható. A 4.14. ábra azt mutatja, hogy jelenleg a fénycső a világítás leghatékonyabb formája, amelyet széleskörűen használnak.
1) rendelkezésre bocsátott teljesítmény 2) előtét 3) elektródák 4) gázkisülés 5) fluoreszkáló réteg 6) kvantumveszteségek 7) kibocsátott fény
4.13. ábra Egy 40 W teljesítményű fénycső egyes alkatrészein fellépő veszteségek bemutatása
112
1 – izzólámpa 2 – halogén izzó 3 – kisfeszültségű halogén izzó 4 – kompakt fénycső 5 – fénycső
4.14. ábra Egyes fényforrások hatásfokának összehasonlítása
4.1.8. Élettartam vége A fénycsövek élettartama függ a használatuk módjától és a vezérlőeszközeiktől. A leginkább szokásos jelei annak, hogy a lámpa élettartama letelt, a rózsaszín fény, villogás, vagy elsötétedés a cső végein. Több oka van, hogy egy fénycső működése miért szűnik meg: • Az anyag szétterjedése a katódon, amely lehetővé teszi az elektronok kibocsátását • Az elektromos előtét meghibásodása • A fluoreszkáló réteg hatásfokának romlása • Higanyveszteség • Izzószál kiégése A katódon levő keverék termikus emisszió segítségével teszi lehetővé az elektronok kibocsátását a gázban. Működés közben a katódot higanyelektronok és -ionok bombázzák, ami a keverék fokozatos szétterjedését okozza a katódon. A szétterjedés aktiváláskor a legerősebb. Ezért a vezérlőeszköz döntő tényező az élettartamot illetően. Ez a meghibásodás olyan csövek esetén tipikus, amelyek átlagos üzemelési időtartama 3 óránál kevesebb. A meghibásodás a cső végeinek elsötétedése által ismerhető fel, amely a keverék szétterjedése következtében jön létre. Amikor a keverék egy bizonyos mértékig elhasználódik, a kibocsátott elektronok száma a gázban nem elegendő ahhoz, hogy gázkisülést hozzon létre. Meghibásodás az elektromos előtéten az elektromos összetevőkkel való szokásos problémák következtében történik. Az elektromos összetevők élettartamát a környezetük hőmérséklete jelentősen befolyásolja, és minden 10 °C növekedés felezi az összetevő élettartamát. Figyelembe véve, hogy a lámpák legnagyobb része olyan helyeken van, ahol az átlagos hőmérséklet körülbelül 25 °C, az elektromos összetevők élettartama meghaladja a fénycső élettartamát. Ezért ez a meghibásodás rendkívül ritka, és a magasabb környezeti hőmérsékletű 113
területeken szokásosabb. A fluoreszkáló réteg idővel elveszti a hatékonyságát. Mintegy 25.000 üzemóra után a lámpa által létrehozott fényerősség egy új lámpáénak mintegy a fele lesz. A keveréknek a katódon való szétterjedése után ez a leginkább szokásos meghibásodás. A különbség az, hogy a lámpa működése nem szűnik meg, hanem a fénye elhalványul. Figyelembe véve, hogy ez a folyamat rendkívül lassú, a különbség a megvilágításban csak egy új lámpa felszerelése után vehető észre Ha a lámpa higannyal van töltve, a higany fokozatosan abszorbeálódik a fluoreszkáló rétegbe, az üvegbe és az elektródákba, ami a lámpa élettartamának végét okozhatja. Ma legtöbb fénycső elegendő higanyt tartalmaz ahhoz, hogy megelőzze ezt a meghibásodást az egyéb meghibásodások egyike előtt. Ennek a meghibásodásnak a tünetei a hosszabb idő, amire a lámpának szüksége van a teljes intenzitás eléréséhez a működésbe hozás után, és végül, miután a higany csaknem kifogy, a lámpa rózsaszín fényt fog kibocsátani, amelyet az argon hoz létre. Egy fénycső élettartama azért is véget érhet, mert az izzószál az elektródákon kiég, ami után a lámpában az áramkör megszakad. Ez a meghibásodás a többihez képest rendkívül ritka. Elektromos előtéttel rendelkező lámpákban, kiégés esetén a vezérlőrendszer megnövelheti a feszültséget egy ív létrehozása érdekében a megszakadt részek között, így a lámpa működése folytatódhat.
4.1.9. Fénycsöveken található jelölések A fénycsöveket rendszerint egy F##T## szimbólummal jelölik. Az F betű azt jelöli, hogy ez egy fénycső, és ezt egy szám követi, amely a lámpa teljesítményét szimbolizálja wattban. A T betű azt jelzi, hogy a lámpa cső alakú, és a mögötte álló szám a cső átmérőjét jelenti nyolcad hüvelykekben. A beltéri fénycsövek tipikus átmérői T8 ésT12. A 4.2. táblázat egy cső tipikus átmérőit mutatja be. Az U-alakú lámpákat FB##T## jelöli, ahol a B betű azt jelöli, hogy a cső hajlított. 4.2. táblázat Fénycsövek tipikus csőátmérőinek jelölései Jelölés T2 T4 T5 T8
Φ ( '') 1 ⁄4 1 ⁄2 5 ⁄8 1
Φ (mm) 7 12 15,875 25,4
T9 T12
1 1⁄8 1 1⁄2
28,575 38,1
T17 PG17
2 1⁄8 2 1⁄8
53,975 53,975
Dugasz - (miniatűr csövek) G5 kettős csatlakozótű G5 kettős csatlakozótű G13 kettős csatlakozótű/ egyes csatlakozótű/ süllyesztett kettős érintkező - (kör keresztmetszetű csövek) G13 kettős csatlakozótű/ egyes csatlakozótű/ süllyesztett kettős érintkező Nagy kettős csatlakozótű Süllyesztett kettős érintkező
A kibocsátott fény színét rendszerint betűkkel jelölik az angol rövidítések szerint. A WW meleg fehéret, az EW semleges fehéret, a CW hideg fehéret, a DW pedig napfényfehéret jelent. A BL ultraibolya („sötét burás”) lámpákat és olyan BLB ultraibolya lámpákat jelöl, amelyek kék fényt („sötét burás kék”) bocsátanak ki. Némelyik gyártó (Philips és OSRAM) ehelyett numerikus jelöléseket használ a színekhez. A halofoszfát és különleges lámpák két számjegyű jelöléseket, a tri-foszforosak és multifoszforosak pedig három számjegyű jelöléseket használnak. A három számjegyű jelölésekben az első számjegy az R indexet jelenti. Így, ha az első szám 8, akkor a lámpa R értéke megközelítőleg 85. Az utolsó két számjegy a CCT indexet jelenti. Ha az utolsó két számjegy 114
41, akkor a CCT 4100 K. A jellegzetes lámpatípusok jelölései a 4.3. – 4.5. táblázatokban találhatók. [4.9]. 4.3. táblázat Fény színének jelölései halofoszfát fénycsövekben Számjelölés 27 33 83 84 29 (megszűnt) 32 (megszűnt) 34 (megszűnt)
HALOFOSZFÁT FÉNYCSÖVEK Betűjelölés R WW 50 - 79 CW 50 - 79 MWW 80 CW (nagy CRI) 80 MWW 50 – 70 MCW 50 – 70 CW (rózsaszín) 50 – 70
CCT [K] 2700 4100 3000 4100 2900 3200 4000
4.4. táblázat Fény színének jelölései tri-foszforos fénycsövekben Számjelölés 827 835 841 850 865 880
TRI-FOSZFOROS FÉNYCSÖVEK Betűjelölés R WW ~85 W ~85 CW ~85 Napfény ~85 Hűvös napfény ~85 Skywhite ~85
CCT [K] 2700 3500 4100 5000 6500 8000
4.5. táblázat Fény színének jelölései multi-foszforos fénycsövekben Számjelölés 927 941 950 965
MULTI-FOSZFOROS FÉNYCSÖVEK Betűjelölés R WW ~95 CW ~95 Napfény ~98 Hűvös napfény ~95
CCT [K] 2700 4100 5000 6500
Példa: F40T12/CW/33 A fenti jelölés egyértelműen azt állítja, hogy ez egy 40 W teljesítményű cső alakú fénycső. A cső átmérője körülbelül 1,5” vagy 38 mm, és az általa kibocsátott fény színe hideg fehér. A 33 szám a cső hosszát jelenti hüvelykben; a cső 33” vagy 84 cm hosszú.
4.1.10. Fénycsövek típusai A standard fénycsöveket rendszerint beltéri világításra használják. Ezeket szokásosabban közintézményekben és irodaépületekben, kevesebb esetben pedig háztartásokban használják. A fluoreszkáló rétegek különféle jellemzői következtében vannak különleges fénycsövek, amelyek nem beltéri világításra készülnek, hanem meghatározott anyagok vagy jelenségek világítására. UV fénycső Ezek a lámpatípusok ugyanazon a módon készülnek, mint a standard fénycsövek, a különbség 115
a fluoreszkáló rétegben van, amely a rövidhullámú ultraibolya sugárzást hosszúhullámú sugárzássá alakítja át. Ezeket meghatározott anyagok, vizelet, bankjegyek különleges (4.15. ábra) és olyan speciális festékek észlelésére használják, amelyek látható fényben láthatatlanok. Ezeket a lámpákat rovarölő készülékekben is használják. Ezeknek a lámpáknak egy különleges típusa a kék UV fénycső, amely Wood-üvegnek nevezett drága sötét ibolyaszínű üvegből készül. A sötét ibolyaszínű üveg nem engedi ki a csőből a higanygőz atomok által előállított látható fényt, és a rendes fénycsövekhez képest kevesebb látható fényt hoz létre. Ez lehetővé teszi a fluoreszcencia könnyebb azonosítását.
4.15. ábra UV fénycsövek alkalmazása bankjegyek ellenőrzésére [4.10] Barnító fénycső A barnító fénycsöveket barnítóágyakban használják esztétikai célokra sugárzási forrásként. Fluoreszkáló anyagként UV-A és UV-B sugárzást kibocsátó foszforvegyületeket használnak, ez stimulálja a pigmentációt, és az emberi bőr barnulását okozza.
4.16. ábra UV fénycsövek alkalmazása barnítóágyban [4.11] Fénycső növények termesztéséhez Ez a lámpatípus fényt leginkább a látható spektrum vörös és kék részében bocsát ki. Ezeket a hullámhosszakat a klorofill elnyeli, és az stimulálja a fotoszintézist és a növények növekedését. 116
Infravörös fénycső A fluoreszkáló anyag ezekben a lámpákban a vassal aktivált lítium-metaluminát. A sugárzás legnagyobb hullámhossza 675 nm és 875 nm között van, gyengébb sugárzással a látható spektrum sötétvörös részében. Bilirubin fénycső A fluoreszkáló anyagot európiummal aktiválják, és az eredmény egy sötétkék fény, amelyet a fényterápiában sárgaság kezelésére használnak. Mivel ez a szín áthatol a bőrön, ez csökkenti a bilirubin fölösleges mennyiségét. Indukciós fénycső Ezeknek a lámpáknak nincs elektródája a cső belsejében. Ezek az elektromos áram létrehozására elektromágneses indukciót használnak. Drágák és hosszú az élettartamuk. Hidegkatódos fénycső Ezt a lámpatípust részletesebben leírtuk a 4.6.1. fejezetben. Germicid fénycső Ezeket a lámpákat G betűvel jelölik (germicid lámpák). Ezeket mikroorganizmusok ultraibolya sugárzással történő elpusztítására használják. Nem tartalmaznak fluoreszkáló anyagot. A csövek amorf kvarcból készülnek, amely a higanyatomok kibocsátása által létrehozott ultraibolya sugárzást szabadít fel. A mikroorganizmusok elpusztítása mellett, az oxigént ózonná alakítják. Károsak a szemre és a bőrre, így az ezeket használó személyzetnek védőfelszerelést kell viselnie. A geológiában némelyik ásványtípus felfedezésére használják azok fluoreszcenciájának szerint.
4.17. ábra Germicid fénycső [4.3]
4.1.11. Fénycsövek előnyei és hátrányai A világításra használt fénycsöveknek vannak bizonyos előnyeik, de néhány hátrányuk is az 117
egyéb fényforrásokhoz képest. A legnagyobb előny a standard izzókhoz képest a hatásfok. Az izzókban a bemenő energiának csak mintegy 2%-a válik látható fénnyé, fénycsövekben ez a százalékérték körülbelül 22%. A fénycsövek kimenete átlagosan 50 – 67 lm/W, és a teljes hatásfok függ magától a cső modelljétől, a cső üzemi hőmérsékletétől és az előtét típusától és minőségétől. A fényforrásokban az energiaveszteségek legnagyobb része hővé alakul. Nagyobb hatásfokuk következtében a fénycsövek kevesebb fölösleges hőt állítanak elő, és ez közvetlenül befolyásolja az energiaköltségek csökkentését. Az optimális környezeti hőmérséklet beltéri világításra használt csövek esetén szobahőmérséklet körül van. A környezet hőmérsékletének jelentős csökkenései vagy növekedései a veszteségek növekedését okozzák. Azt is meg kell jegyezni, hogy egy rendkívül alacsony környezeti hőmérséklet megakadályozhatja a kisülést a csőben, és ezzel annak működését is. Ha a fénycsövek az aktiválás után hosszabb ideig működő állapotban maradnak, átlagosan 10 – 20-szer tovább tartanak, mint az izzók, és ezalatt lényegesen kevesebb energiát fogyasztanak. Beszerzési áruk jelentősen magasabb, mint az izzók ára, de lényegesen kevesebb energiát használnak, és sokkal kevésbé gyakran kell őket cserélni. Ezért ezeket legtöbbször iroda- és középületekben használják, ahol a lámpák mindennap és több órán át megszakítás nélkül bekapcsolt állapotban vannak. Azonban, ha a csövek olyan helyekre vannak téve, ahol a világítást gyakran kapcsolják be és ki, az élettartamuk jelentősen csökken, és szélsőséges esetekben hamarabb kialudhatnak, mint az izzók. Ennek az az oka, hogy az elektronkibocsátó réteg a katódon fokozatosan porlad minden bekapcsolás alkalmával, és ennek a rétegnek az eltűnése ellehetetleníti a kisüléseket a csőben. Pontszerű fényforrásokkal összehasonlítva a fénycsövek a lineáris fényforrásokat képviselik. Ez jobb fényterjedést és egyenletesebb világítást tesz lehetővé a térben. Figyelembe véve, hogy a fénycsövek a sugárzás egy részét a spektrum ultraibolya részében bocsátják ki, az érzékeny bőrű emberek különféle, világítással kapcsolatos egészségügyi problémákat tapasztalhatnak. Emellett az ultraibolya sugárzás károsíthatja a textileket és némelyik kényes festményt, különösen azokat, amelyek vízfestékkel készültek. Ebből az okból ezeket a festményeket a festmény keretébe helyezett üveggel kell védeni. Becslés szerint a fénycsövekből nyolc óra alatt kibocsátott ultraibolya sugárzás mennyisége egyenlő az egy percig tartó napsugárzással. A fénycsövek előtétet használnak, amely stabilizálja az áramot és lehetővé teszi a kezdeti kisülést a csőben. Az előtét bizonyos energiaveszteségeket okoz, amelyek a fénycsövek összes energiaveszteségéhez képest elhanyagolhatók. Az előtét működés közben búg is, ami bizonyos zajt kelt, amely függ az előtét típusától és minőségétől. Figyelembe véve, hogy az előtét egy elektromos elem, egy nemlineáris terhelést jelent az elektromos hálózaton. Ezek tisztán indukciósak, és a nagy mennyiségű ilyen világítás egy meghatározott forráson ronthatja a teljesítménytényezőt. Az elektronikus összetevők több harmonikust hoznak létre, amelyek azután átvivődnek a hálózatra, és ronthatják az elektromos energia minőségét. A mágneses előtét a fénycsövekben villogást okoz, ami kétszer akkora, mint a hálózati frekvencia. Ez problémákat okozhat a villogásra érzékeny embereknél, de fényképezés vagy filmezés esetén is. A villogás stroboszkóphatást okozhat, és olyan látszatot hozhat létre, hogy az állandó sebességgel forgó tárgyak tulajdonképpen állnak. Ez rendszerint olyankor történik, ha csak egy cső van felszerelve. Ez a probléma a csövek párosításával oldható meg, ahol az előtét kölcsönös oszcillációt okoz, és ez a hatás eltűnik. Az erősebb oszcilláció a cső élettartamának végén vehető észre, és a katód elhasználódása következtében a csőben kibocsátott elektronok hiánya okozza. A villogás perifériás látással könnyen észrevehető. Az elektromos ív a csőben rádiófrekvenciás interferenciát kelt, amely átvivődhet a csatlakoztatott vezetékekre, és interferenciát okozhat más elektromos eszközökben. Az interferencia csökkenthető, de minél nagyobb a csökkentés, annál magasabb a lámpa ára. A fénycsövek hátrányai magukban foglalják az inkompatibilitást azokkal az eszközökkel, 118
amelyek a fény intenzitását szabályozzák. Az ok a feszültség hullámalakjának rossz hatása, amelyet az ilyen eszközök okoznak a felszerelt előtéten. A fénycsövek higanygőzökkel vannak megtöltve. Abban az esetben, ha a cső eltörik, a környezet mérgező higanygőzökkel szennyeződhet. Azonban ezek valóban kis gőzmennyiségek, amelyeknek nincs jelentős hatása az emberi egészségre. Nagyobb probléma az üveg által okozott szennyezés, amelyből a cső készül. Mindenesetre, ha a cső eltörik, a helyiséget ki kell szellőztetni. A hulladékkezeléssel is probléma van. A foszfor és a higanygőzök miatt a fénycsöveket el kell különíteni a maradék hulladéktól, így ezek később környezetbarát módon újrahasznosíthatók.
4.2. Kompakt fénycsövek 4.2.1. Bevezetés Fénycsöveket széles körben alkalmaznak irodákban és közintézményekben számos előnyük miatt, míg az izzók elsősorban háztartási célokra használatosak. Tekintettel a villamos energia árának folyamatos emelkedésére, kompakt fénycsöveket is kifejlesztettek, amelyek egyesítik magukban a fénycsövek energiahatékonyságát és az izzók rugalmas alkalmazhatóságát, azzal a hosszú távú céllal, hogy a jövőben az izzók helyét teljesen átvegyék a kompakt fénycsövek. Ezek többségének ugyanolyan menetes érintkezője vagy foglalata van, mint az izzóknak, így a meglévő háztartási lámpákat nem szükséges módosítani. Méretükben sem térnek el az izzóktól. Az izzókhoz képest kisebb az energiafogyasztásuk és hosszabb az élettartamuk, ugyanakkor drágábbak. A kompakt fénycsövek fejlődése szorosan összefügg a hagyományos fénycsövekével. Az első menetes érintkezővel ellátott kompakt fénycsövet az 1939-es New York-i világkiállításon mutatták be.
4.18. ábra Kompakt fénycső [4.12] A spirál (helix) kompakt fénycsövet a General Electric egyik mérnöke, Edward Hammer fedezte fel 1976-ban, válaszul az 1973-ban kirobbant olajválságra. Noha ez a találmány tökéletesen megfelelt a célnak, és minden további nélkül piacra lehetett volna dobni, a vállalat a projektm elhalasztása mellett döntött. Az ötletet több más gyártó is lemásolta, amire az egyik példa a Philips 4.19. ábrán látható 1980-as kompakt fénycsöve. Ezeket a termékeket 1995-ben kezdték el gyártani Kínában; ekkor váltak széles körben elérhetővé, és ekkor indult 119
meg hirtelen a piaci áttörés. Később új fluoreszcens rétegeket fejlesztettek ki, amelyek tovább javították a kompakt fénycsövek jellemzőit [4.13].
4.19. ábra A Philips kompakt fénycsöve 1980-ból [4.13] Számos fejlett országban folyamatban van az izzólámpák lecserélése, és ezeken a helyeket a kompakt fénycsövek használatának ösztönzik. Vannak olyan országok is, amelyekben betiltották az izzók alkalmazását, míg más helyeken megszabták, hogy meddig lehet még hagyományos izzólámpákat forgalmazni. Ez a kompakt fénycsövek gyors fejlődéséhez és az árak csökkenéséhez vezetett, aminek következtében azok széles körben elérhetővé váltak.
4.2.2. A kompakt fénycsövek felépítése A kompakt fénycsövek két részből állnak: egy gázzal töltött csőből és egy mágneses vagy elektronikus előtétből. Szerkezetét tekintve kétféle kompakt fénycső létezik: • Integrált • Nem integrált Az integrált kompakt fénycsövek (4.20. ábra) fénycsöve és előtétje egyetlen egységet alkot. A fénycső alján egy menetes érintkező található, amely teljesen megegyezik az izzólámpák menetével, így a meglévő lámpákat nem szükséges módosítani. Jellemzőik miatt ezeket a kompakt fénycsöveket előszeretettel használják háztartási célokra. Az érintkező felett egy minőségi műanyagból készült hőálló tok helyezkedik el. Ebbe egy elektromos áramköri lap van beépítve, amely számos fontos összetevőt tartalmaz. Benne található az előtét, az interferenciát csökkentő áramkör, egy kondenzátorszűrő, egy inverter és egy tranzisztoros jelátalakító.
120
4.20. ábra Az integrált kompakt fénycső felépítése (1- menetes érintkező, 2- műanyag tok, 3interferenciacsökkentő áramkör, 4- szűrő, 5- előtét, 6- cső előfűtése, 7- fluoreszcens réteggel bevont, gázzal töltött csövek) A beérkező váltóáram először egyenárammá alakul át, majd egy tranzisztor nagyfrekvenciás váltakozó árammá alakítja azt át, amely bekerül a csőbe. A tranzisztoros jelátalakítót rezonáns konverternek is nevezik, célja a beérkező áram, illetve ezáltal a kibocsátott fény stabilizálása. Emiatt a fényerősség-szabályozóval ellátott eszközök nem kompatibilisek a kompakt fénycsövekkel. Végül pedig ott van a gázzal töltött cső, amely ugyanúgy épül fel, mint a hagyományos fénycsövek, belső felülete fluoreszcens réteggel van bevonva. A folyamat elején a cső előfűtésen megy keresztül a gyakori kapcsolgatás lehetővé tétele, valamint a villódzás csökkentése érdekében. A nem integrált kompakt fénycsövekben a cső és az előtét két különböző szakaszt alkot. Ebben az esetben az előtét nagyobb, és a lámpában helyezkedik el. Ennek a megoldásnak az előnye, hogy az integrált fénycsöveknél hosszabb élettartamot biztosít. Ezért kiégés esetén csak a fénycsövet kell kicserélni, az előtét továbbra is használható. Ezek a termékek drágábbak, mint az integrált kompakt fénycsövek, de intelligensebbek is azoknál: kisebb a villogás, gyorsabban felkapcsolhatók, és a fényerősségük is szabályozható. Lehetnek két(4.21. ábra) vagy négycsaposak. A kétcsapos kompakt fénycsövek standard előtéttel és integrált gyújtóval rendelkeznek, így nincs szükség külső fűtőérintkezőkre. Ez viszont azt is jelenti, hogy elektronikus előtétekkel nem használhatók. A négycsapos kompakt fénycsövek elektronikus előtéttel vagy külső gyújtóval ellátott standard előtéttel vannak ellátva. A nem integrált kompakt fénycsöveket mára már szinte teljesen kiszorították az integrált fénycsövek, használatuk leginkább szállodákra, irodaépületekre és hasonló intézményekre korlátozódik.
121
4.21. ábra Kétcsapos, nem integrált kompakt fénycső [4.13]
4.2.3. A kompakt fénycsövek működése és típusai A kompakt fénycsövek a hagyományos fénycsövekkel azonos elven működnek. Egy üvegcső egy higanygőzökből és valamilyen nemesgázból álló keverékkel van feltöltve. A csőben gázkisülés történik, és elektromos áram kerül bevezetésre. A higanygőzök és a gázatomok ultraibolya sugárzást váltanak ki, amely aktiválja a cső belső oldalán található fluoreszcens réteget, és a csövön kívül is látható fényt hoz létre. Léteznek mágneses és elektronikus előtéttel rendelkező kompakt fénycsövek is. A mágneses előtéttel ellátott fénycsövek nehezebbek, és felkapcsolás után némi villogás figyelhető meg. Sőt, egyes foglalatok nem is bírják el a súlyukat. Az elektronikus előtéttel ellátott kompakt fénycsövek könnyebbek, kapcsolás után azonnal világítani kezdenek, ugyanakkor az áruk is lényegesen magasabb. Ettől függetlenül sokkal hatékonyabb megoldást jelentenek. Ezért ma a legtöbb kompakt fénycső elektronikus előtéttel rendelkezik. A kompakt fénycsövek bizonyos hőmérsékleti tartományban való működésre van kialakítva. Az adott tartományon kívüli hőmérsékletek csökkentik a hatékonyságot, vagyis csökken a fénykibocsátás. A legtöbb típust beltéri világításra tervezik, de léteznek speciális, kültéri világításra szolgáló kompakt fénycsövek is. Az üzemi hőmérséklet-tartományt meg kell jelölni a termékek csomagolásán. A cső szerkezete alapján a kompakt fénycsövek többféle típusa különböztethető meg (4.22. ábra). Tartalmazhatnak kettő, négy vagy hat csövet, és lehetnek körkörös vagy spirál (helix) alakúak. Minél nagyobb a cső felülete, annál több fényt tud kibocsátani [4.14].
122
4.22. ábra A kompakt fénycsövek különböző típusai (a Két csöves fénycső, b és c Hat csöves fénycsövek, d. Vakításcsökkentővel ellátott kompakt fénycső, e. Kör alakú csővel ellátott fénycső előtéttel, f. Nem integrált kompakt fénycső előtéttel) [4.14]
4.2.4. A kibocsátott fény spektruma A kompakt fénycsövekből származó látható fény több fluoreszcens réteg együtteséből származik. Mindegyik réteg egy bizonyos hullámhossztartományba tartozó fényt bocsát ki, és a kibocsátott fény ezekből adódik össze. Ezért a kompakt fénycsőből származó fény minősége elsősorban a fluoreszcens rétegektől függ. A fluoreszcens rétegek ugyanakkor befolyásolják a kompakt fénycső árát és hatékonyságát is. Minél több a réteg, annál kisebb a fénycső hatékonysága, és annál magasabb az ára. Ezért mindenképpen olyan optimális keveréket kell kialakítani, amely a természeteshez a lehető legjobban hasonlító fényt bocsát ki, és a lehető legkevesebb réteget tartalmazza. Napjaink minőségi, 80-as CRI indexszel rendelkező kompakt fénycsövei általában három vagy négy fluoreszcens réteg keverékét alkalmazzák. A fény színhőmérsékletét Kelvinben határozzák meg [K] vagy mired [M]. A mired és a Kelvin közötti összefüggést a (4.1) képlet mutatja. 10 6 1M = (4.1) 1K Egy fényforrás színhőmérsékletén annak a fekete testnek a hőmérsékletét értjük, amelynek a színe azonos a fényforráséval. Ennek alapján minden fényforráshoz társítható egy CCT érték (4.6. táblázat). A CCT index (színhőmérséklet) növelésekor a kompakt fénycső által létrehozott fény vörösről sárgára változik, majd fehérre, végül pedig kékre (4.23. ábra).
123
4.23. ábra A fény színének változása a CCT érték növelésével 4.6. táblázat Fény színhőmérsékletei Fény színe Meleg fehér Fehér Hideg fehér Napfény
Színhőmérséklet Kelvin [K] ≤ 3000 3500 4000 ≥ 5000
Mired [M] ≥ 333 286 250 ≤ 200
A 4.24. ábra a kompakt fénycsövek és az izzók által kibocsátott fény színspektrumának összehasonlítását mutatja. Az izzók színspektruma folyamatos, vagyis nagyon hasonlít a napfényéhez, így ezek a termékek e tekintetben jobbak más fényforrásoknál. A kompakt fénycsöveknek nem folyamatos a színspektruma, hanem abban több különálló csúcspont figyelhető meg. Ez lehetetlenné teszi az apró színeltérések észlelését. Ezért az ilyen jellegű világítás kellemetlen lehet, egészségtelennek tűnő bőrszínt okozhat, megváltoztathatja a megvilágított tárgyak színét stb.
4.24. ábra A kompakt fénycső által kibocsátott sugárzás spektruma (a. izzó, b. kompakt fénycső) [4.15]
Élettartam A kompakt fénycsövek élettartama 8–15-szöröse az izzókénak, ami nagyjából 6000–15000 órás élettartamot jelent. Az élettartam az elektromos hálózat feszültségétől és a feszültségesések és -csúcsok mértékétől, a gyártási hibáktól, a hálózat frekvenciájától, a mechanikai károsodástól és a környezeti hőmérséklettől függ. Az élettartamot jelentősen csökkenti, ha a kompakt fénycsövet túl gyakran kapcsolják fel-le, és szélsőséges esetben akár az izzóknál rövidebb élettartam is előfordulhat. Ezért ha egy helyiségből csak rövid időre távozunk, ajánlott felkapcsolva hagyni a lámpát. A kiégés leggyakoribb oka a fluoreszcens rétegnek a cső belsejéről való fokozatos eltűnése. A veszteséget elsősorban a nagy áramerősség általi aktiválás okozza. Az áramerősséget az előtét csökkenti, amely felhevíti az elektródákat, és ily módon meghosszabbítja a fénycső élettartamát. Minél régebbi egy kompakt fénycső, annál kisebb a fényereje, és ez a csökkenés exponenciálisan folytatódik. Élettartama végén egy kompakt fénycső újkori fényerejének mindössze 70-80%-át biztosítja. Ez a folyamat azonban igen lassú az emberi szem számára, 124
amely idővel megszokja a kisebb fényerőt, és nem érzékeli annak csökkenését. Az azonnal felkapcsolódó izzóktól eltérően a kompakt fénycsövek lényegesen lassabban lépnek működésbe, és minél régebbiek, annál hosszabb ideig tart a bekapcsolódásuk. A felkapcsolási időt a környezeti hőmérséklet is befolyásolja. Minél alacsonyabb a hőmérséklet, annál lassabban kapcsol be a fénycső. Érzékenyebbek a hőmérsékletre, mint a hagyományos fénycsövek, és a kisebb méretű kompakt fénycsövek érzékenyebbek, mint a nagyobbak. Nagyobb hatékonyságuk miatt ugyanakkor a kompakt fénycsövek kevesebb felesleges hőt bocsátanak ki a környezetükbe. Bár az előtét élettartama mintegy ötször annyi, mint magáé a csőé, a kompakt fénycső a számos elektronikai összetevőből álló előtét meghibásodása esetén kiéghet. Az előtét meghibásodása elsötétedést, sőt akár az előtét tokjának megrepedését is eredményezheti, ami általában füsttel és kellemetlen szaggal jár. Az előtét elsősorban akkor hibásodik meg, ha a kompakt fénycsöveket elégtelen szellőzésű lámpákba helyezik be, így azok túlhevülnek.
4.2.5. A kompakt fénycsövek hátrányai A hagyományos izzókhoz képest a kompakt fénycsövek lényegesen lassabban kapcsolódnak fel. Az újabb modelleknél a kapcsolás egy másodpercen belül bekövetkezik, ám további időnek kell eltelnie ahhoz, hogy felmelegedjenek, és teljes fényerejükkel világítsanak. A teljes fényerővel való használathoz képest közvetlenül felkapcsolás után a fény színe is halványabb. A kapcsolási idő a kompakt fénycső minőségétől függ. A jobb minőségű modellek szinte azonnal kapcsolnak, és nem igényelnek felmelegedési időt a teljes fényerő eléréséhez. A gyengébb minőségű kompakt fénycsövek esetében a teljes fényerő elérése akár percekig is eltarthat. A kapcsolási idő a környezeti hőmérséklettől is függ: alacsonyabb hőmérsékleten hosszabb. A legújabb technológiát a hibrid kompakt fénycsövek képviselik, amelyek azonnal kapcsolnak, és nem igényelnek felmelegedési időt; ezek egy halogén izzót és egy kompakt fénycsövet ötvöznek egymással. Felkapcsoláskor a halogén izzó aktiválódik, és mindaddig bekapcsolva marad, amíg a kompakt fénycső el nem éri teljes fényerejét; ezután a halogén izzó lekapcsol. Mivel a kibocsátott fény erőssége arányos a kompakt fénycső felszínével, a nagy fényerejű fénycsövek általában lényegesen nagyobbak, mint a velük azonos fényerőt nyújtó izzók. Ezért fennáll a lehetősége annak, hogy egy kompakt fénycső nem fér bele egy lámpába. Ha egy ilyen modellt egy meglévő lámpába helyeznek be, a lámpa nem megfelelő szellőzése problémát okozhat. A 4.25. ábra néhány példát tartalmaz a kompakt fénycsövekkel használható, illetve azokkal nem használható lámpákra. Ezenkívül bizonyos fénycsövek nem üzemeltethetők felfelé néző érintkezőkkel és lefelé néző csővel, mert a keletkező hő az előtét kiégését eredményezheti. Szélsőséges mértékű felmelegedés esetén az előtét akár meg is gyulladhat, és ezzel tűzveszélyt okozhat. A fénycsövekhez hasonlóan a kompakt fénycsövek sem használhatók fényerősségszabályozóval ellátott eszközökkel. Ilyen célra speciális fényforrások szükségesek, amelyeknek az ára lényegesen magasabb. A fényerő csökkenése ugyanakkor nem okozza a kibocsátott fény színének megváltozását, míg hagyományos izzók esetében a fény sötétebbé és vörösebbé válik. Ezért ezek a fényforrások nem használhatók hangulatvilágításra vagy hálószobákban. A kompakt fénycsövek az elektromos hálózatban szállított villamos energia minőségére is hatással lehetnek. Ezek a termékek nem lineáris terheléssel járnak. Elektronikus áramköreik miatt ellenállásuk induktív. Ezért ha egy adott helyen túl sok ilyen kompakt fénycső található, az a megengedett határértéknél alacsonyabb teljesítménytényezőt eredményezhet. Ezenkívül az elektronikus elemek további harmonikusokat hozhatnak létre, amelyek hozzáadódnak a hálózati harmonikusokhoz. Az összeadódás eredményétől függően a teljes harmonikus torzítási (THD) tényező romolhat. 125
4.25. ábra Néhány példa kompakt fénycsövekkel használható és azokkal nem használható lámpákra Ezek a fényforrások infravörös sugárzást és látható fényt is kibocsátanak. Ezért egyes, infravörös távvezérlővel működtetett eszközök úgy reagálhatnak a kibocsátott sugárzásra, mintha az a távvezérlőből származna. Ezért ilyen fényforrásokat nem szabad televízió, rádió vagy mobil eszközök közelébe helyezni. A fénycsövekhez hasonlóan ezek a fényforrások is ultraibolya sugárzást bocsátanak ki, ami károsíthatja az érzékeny festményeket és textíliákat. Ha az ilyen objektumoknak helyt adó területeket kompakt fénycsövekkel világítják meg, azokat elválasztó védőelemekkel (például üveggel) kell ellátni.
4.2.6. A környezetre és az emberi egészségre gyakorolt hatás A fénycsövekhez hasonlóan a kompakt fénycsövek üvegcsövében is higanygőzök találhatók. A legtöbb ilyen fénycső 3–5 mg, a „környezetbarát” modellek pedig 1 mg higanygőzt tartalmaznak. A higany mérgező elem, ezért az üvegcső eltörése levegő- és vízszennyezést okozhat. Ezért még a kisebb mennyiségek is ökológiai problémákat eredményezhetnek a hulladékgazdálkodási központokban és a szemétégető telepeken. A széntüzelésű erőművekben zajló égés is elemi higany légkörbe való kibocsátásával jár. Ha a helyi energiahálózatot ilyen erőmű táplálja, akkor a higanyszennyezés hagyományos izzók használata esetén nagyobb, mert a kompakt fénycsövek hatékonyabbak. A széntüzelésű erőművek ezen kívül is számos, még inkább szennyező vegyi anyagot bocsátanak ki. A 4.26. ábrán az egymással egyenértékű kompakt fénycsövek és hagyományos izzók általi higanyszennyezés összehasonlítását mutatja az USA Környezetvédelmi Hivatalának (U.S. EPA) kutatásai alapján. Ugyanakkor léteznek ellenvélemények is, amelyek e tanulmány és az egyéb hasonló álláspontot képviselő tanulmányok hiányosságaira mutatnak rá. Az egyik érv az, hogy nem minden energiát széntüzelésű erőművek állítanak elő, ami módosítja a szennyezési arányt. Ezenkívül a csúcsminőségű, kevesebb higanyt tartalmazó kompakt fénycsövek lényegesen drágábbak, így az feltételezhető, hogy az értékesített modellek túlnyomó többsége nagyobb higanytartalommal bír. Azt sem szabad elfelejteni, hogy a széntüzelésű erőművek elemi higanyt bocsátanak ki, míg a hulladékgazdálkodási központokban monometil-higanyt hoznak létre, amely 100–1000-szer mérgezőbb hatású, mint az elemi higany, és amely mikrobakteriális folyamatok nyomán jön létre. Ez a vegyület bekerül a felszín alatti vizekbe 126
és az ökoszisztémába, így az emberi tápláléklánc részévé válik [4.15].
1 - kompakt fénycsövek 2 - hagyományos izzók Kék - erőművek általi szennyezés Vörös - talajszennyezés
4.26. ábra A higanyszennyezés mértékének összehasonlítása milligrammban egymással egyenértékű izzók és kompakt fénycsövek használata esetén 8000 üzemóra után az U.S. EPA kutatásai alapján A higany mérgező volta miatt számos szabályozás van hatályban kifejezetten a használt kompakt fénycsöveknek a hulladékgazdálkodási központokba érkező egyéb hulladékoktól elkülönített ártalmatlanítására és újrahasznosítására vonatkozóan. Néhány országban a kompakt fénycsövek fogyasztói árának egy részét az ilyen fényforrások újrahasznosítására fordítják, és a gyártók és importőrök kötelesek begyűjteni és újrahasznosítani az ilyen termékeket. A biztonságos ártalmatlanítás azt jelenti, hogy a kompakt fénycsöveket teljes mértékben újra kell hasznosítani. Higanymérgezésre a kompakt fénycsövek gyártásakor is sor kerülhet, különösen a szegényebb országokban, ahol a dolgozók nincsenek megfelelően védelemmel ellátva. Az előző évszázadban több száz olyan kínai munkás szenvedett higanymérgezést és került kórházba, aki kompakt fénycsövek gyártásával foglalkozott. Ha egy kompakt fénycső zárt térben eltörik, az U.S. EPA vonatkozó előírásai szerint kell eljárni a higanymérgezés elkerülése érdekében. Legalább 15 percre ki kell nyitni az ablakokat, és ez idő alatt nem szabad az érintett helyiségben tartózkodni. Az üvegszilánkokat kézvédelem viselése mellett vagy merev papírral kell összeszedni; a csupasz kézzel való munkavégzés tilos, mert a higany behatolhat a bőrbe. Az egészen apró szilánkokat ragasztószalaggal vagy porszívóval kell összegyűjteni, és a portartályt közvetlenül a porszívózás után el kell távolítani. Végül a padlót nedves ruhával fel kell mosni. A szilánkokkal érintkező minden tárgyat műanyagzacskóba kell helyezni, amelyet le kell zárni és ártalmatlanítani kell. A szilánkokkal érintkező szövetek (ruházat, textíliák, párnák stb.) többé nem használhatók, azokat ártalmatlanítani kell. A kompakt fénycsövek újrahasznosítása bonyolult folyamat, amely darabonként 0,3–1 € összegbe kerül. Ezért az ilyen termékek újrahasznosítása nem költséghatékony, és kizárólag környezetvédelmi célokat szolgál a higany környezetbe jutásának megakadályozása érdekében. Ezt azonban jelenleg csak a gazdagabb országok engedhetik meg maguknak. A pénzügyi megfontolásokon túlmenően a kompakt fénycsövek újrahsznosításához a fogyasztók részéről ökológiai tudatosságra és felelősségteljes eljárásra van szükség a szelektív hulladékgyűjtés tekintetében. A mérgező higanyon kívül meg kell említeni a kompakt fénycsöveket alkotó egyéb anyagokat is. A hagyományos izzók gyártásához üveget, 127
fémlemezt, vörösrézt, volfrámot és ónt használnak. Tény, hogy ezek az anyagok nem mérgezőek és könnyen újrahasznosíthatók. A kompakt fénycsövek ezzel szemben lényegesen összetettebbek: gyártásuk során üveget, fémlemezt, vörösrézt, ónt, higanyt, ólmot, antimont, báriumot, arzént, ittriumot, foszfortartalmú vegyületeket, cink-berillium szilikátot, kadmiumbromidot, vanádiumvegyületeket, tóriumot és műanyagokat használnak fel. Az emberi egészségre a környezetszennyezésen keresztül gyakorolt közvetett hatáson kívül a kompakt fénycsövek közvetlenül is károsíthatják egészségünket. E témakörrel számos tanulmány foglalkozott már, a vélemények eltérőek. Tény, hogy ezek a fénycsövek ultraibolya sugárzást bocsátanak ki, és egyértelmű csúcspontokat mutatnak a látható fénytartomány kék részében. Egyes szakértők szerint az ilyen alacsony mértékű sugárzás csak a rendkívül érzékeny bőrű személyekre lehet negatív hatással. Egyrétegű kompakt fénycsöveknél akkor áll fenn az ultraibolya sugárzás miatti bőrkárosodás kockázata, ha a fénycső nagyon közel van a bőrhöz (kb. 20 cm). A kibocsátott ultraibolya sugárzás mértéke elmarad a bőrrák kockázatát felvető szinttől. Egy Dániában végzett kutatás szerint ugyanakkor az éjszakai műszakban, fénycsöves világítás mellett dolgozó nők esetében 30%-kal nagyobb a mellrák kockázata. A nem folyamatos spektrumból adódó, a tartomány kék részében tapasztalható csúcspontok nagyobb potenciális problémát jelentenek (4.27. ábra). Felboríthatják az emberi szervezet hormonegyensúlyát, mert a szerotonin és melatonin hormonok kiválasztása a kék fény vizuális receptorok általi észlelésétől függ. Ezek a hormonok szabályozzák az ember nappali és éjszakai bioritmusát. A kék fény megnövekedett mennyisége stimulálja a melatonin kiválasztódását, így a szervezet azt az üzenetet kapja, hogy nappal van, és növeli a nappali hormonok (melatonin, kortizol – stresszhormon) kiválasztását. Ezt kékfény-veszélynek nevezzük. A fent említett problémák miatt a kompakt fénycsövek hálószobákban való használata nem ajánlott.
4.27. ábra Potenciálisan veszélyes csúcspontok a kompakt fénycső fénytartományának kék részében [4.15]
4.3. A kompakt fénycsövek energiahatékonysága 4.3.1. Összehasonlítás a hagyományos izzókkal A háztartásokban a legutóbbi időkig a legelterjedtebb világítási mód a hagyományos izzókkal működő lámpa volt, szabványos E27 menetes érintkezőkkel. Ezek kiemelkedő fényminőséget nyújtanak, legnagyobb hiányosságuk azonban a magas energiafogyasztás, illetve az alacsony hatékonyság. A felhasznált villamos energia mindössze 10 %-a alakul át látható fénnyé, az energia fennmaradó része hő formájában távozik a környezetbe. Tekintettel az energiaárak folyamatos emelkedésére, minden területen új technológiákat fejlesztenek ki alacsonyabb energiafogyasztású berendezések előállítása és az energiaárak emelkedésének ellensúlyozása érdekében. Így hozták létre a kompakt fénycsövet is, amely jellemzői alapján alkalmas lehet a 128
hagyományos izzók felváltására. Az egymással egyenértékű, vagyis azonos fénymennyiséget kibocsátó fényforrások összehasonlítása alapján a kompakt fénycsövek 3/4-del kevesebb energiát fogyasztanak, mint a hagyományos izzók, és megfelelő használat esetén élettartamuk 10-szer hosszabb. Az emberi szem nem ugyanolyan érzékeny a fény minden hullámhosszára. Ezért a fényforrások által kibocsátott látható fény mennyiségét lumenben mérjük, hogy összehasonlíthatók legyenek a különféle fényforrástípusok. A lumen az emberi szem számára érzékelhető fény erősségének mértékegysége. Ez azt jelenti, hogy egy, a fénytartomány vörös részében sugárzó fényforrás lumenértéke alacsonyabb, mint az ugyanakkora mennyiséget a fénytartomány zöld részében kibocsátó fényforrásé, mert az emberi szem a zöld színre érzékenyebb. A kompakt fénycsövek fényhasznosítása 50 lm/W és 70 lm/W között van, míg a hagyományos izzók esetében ez az érték 10–17 lm/W. Az ideális, 100%-os hatékonyságú és 680 lm/W fényhasznosítású fényforráshoz képest a kompakt fénycső fényhasznosítása 9–11%, a hagyományos izzóé ugyanakkor mindössze 1,9–2,6%. Pontosan e miatt a nagy hatékonyságbeli eltérés miatt nevezik a kompakt fénycsöveket energiatakarékos izzónak is.
1234567-
1 2 5% 5% 7 11% 3 23%
6 24%
5 20%
Főzés Készenléti üzemmód Vízmelegítés Hűtőszekrény Helyiségek fűtése és hűtése Egyéb Világítás
4 12%
4.28. ábra A háztartási energia felhasználási arányai A 4.28. ábrán látható, hogy egy háztartás teljes energiafogyasztásában melyik berendezéscsoport milyen arányban vesz részt. A háztartások energiafogyasztásának mintegy 11%-át emészti fel a világítás [4.16]. Jelenleg a világon a piacon található fényforrások kb. háromnegyede hagyományos izzó. Úgy tartják, hogy ha ezeket lecserélnénk kompakt fénycsövekre, jelentős energiamegtakarítás lenne elérhető világszerte (a világ teljes energiafogyasztásának mintegy 2,5%-a). Ez közvetlen hatással lenne a fosszilis üzemanyagok használatára és az energiatermelésre, illetve ezáltal a környezetvédelemre is. Becslések szerint ily módon az éves CO2-kibocsátás globális szinten 230 millió tonnával csökkenne. 4.14. ábra szerint a kompakt fénycsövek a leghatékonyabb fényforrások közé tartoznak. Egyedül a hagyományos fénycsövek hatékonyabbak náluk, ám azok háztartási világításra ritkán használatosak. Háztartási célokra többnyire hagyományos izzókat, halogén izzókat és kompakt fénycsöveket használnak (a három közül az utóbbi a leghatékonyabb). A 4.7. táblázat az adott lumenértéket biztosító különböző fényforrástípusok teljesítményfelvételét hasonlítja össze. Ez arra utal, hogy a kompakt fénycsövekkel jelentős energiamennyiség takarítható meg. A 4.29. ábra grafikonja a különféle fényforrástípusok villamosáram-fogyasztásának összehasonlítását tartalmazza. Látható, hogy a kompakt fénycsövek sokkal kevesebb villamos energiát fogyasztanak, mint a halogén vagy a hagyományos izzók. 129
4.29. ábra A különféle fényforrástípusok villamosáram-fogyasztásának összehasonlítása (1 – hagyományos izzó, 240 V, 2 – hagyományos izzó, 120 V, 3 – kompakt fénycső, 4 – halogén izzó) [13] 4.7. táblázat Egyenértékű fényforrások teljesítményének összehasonlítása Minimális kibocsátott fény [lm] 170 450 800 1100 1600 2600
Izzók [W]
Halogén izzók [W]
Kompakt fénycsövek [W]
25 35 / 40 60 75 100 150
18 28 42 52 70 105
5 7 11 15 20 30
Az alábbi diagramon (4.30. ábra) egy hagyományos izzó, egy LED lámpa, egy kompakt fénycső és a természetes fényt biztosító Nap sugárzási spektrumát mutatja. Az egyetlen természetes fényforrást jelentő Nap spektruma a legszélesebb, így ez a legjobb fényforrás, a mesterséges fényforrásoknak pedig arra kell törekedniük, hogy a lehető legjobban utánozzák a napfényt. A grafikon szerint ebben a hagyományos izzók a legsikeresebbek. Megjegyzendő, hogy az egyes görbék alatti felület az adott spektrum előállításához szükséges energiát jelképezi. Ez a felület a hagyományos izzókhoz tartozó görbe alatt a legnagyobb [4.17]. E spektrum azonban javarészt a tartomány infravörös részében helyezkedik el, amely lényegében hőtermelést, illetve villamosáram-veszteséget jelent. A hagyományos izzók ugyanakkor folyamatos spektrumot adnak, és ez a típus bocsátja ki az emberi szem számára legmegfelelőbb mesterséges fényt.
130
4.30. ábra Az egyes fényforrások sugárzási spektruma (sárga – Nap, lila – hagyományos izzó, kék – LED lámpa, zöld – kompakt fénycső) [4.17] A halogén izzók spektruma lényegesen kisebb, és csak a spektrum látható részét, valamint az infravörös spektrum kisebb részét fedi le. A görbe alatti is felület lényegesen kisebb, ami azt jelenti, hogy ezek a termékek kevesebb energiát fogyasztanak, mint a hagyományos izzók, spektrumuk azonban nem teljesen folyamatos, ami csökkenti a fény minőségét. A legkisebb felület a kompakt fénycsövek görbéje alatt látható, vagyis ezek energiafogyasztása a legkisebb. Ezenkívül az energia szinte teljes egészében a spektrum látható részében található fény előállítására fordítódik. A spektrum azonban egyáltalán nem folyamatos, és több csúcsponttal rendelkezik. Ezek a csúcsok azt jelzik, hogy bizonyos hullámhosszokon a sugárzás lényegesen erősebb, mint más hullámhosszokon. Elsősorban ez a hatás okozza a kompakt fénycsövek rosszabb fényminőségét, és ez a korábban már említett negatív pszichológiai következményekkel járhat (egészségtelennek tűnő bőrszín, halvány és sötét tárgyak, borongós hangulat…). A diagramon ugyanakkor csak a spektrum látható részén kívüli sugárzással kapcsolatos energiaveszteség látható. Ezeket a veszteségeket hozzá kell adni a kompakt fénycsövek egyéb veszteségeihez: az előtétben, az elektronikai összetevőkben, az érintkezőknél, a gázkisülések alkalmával és a fluoreszcens rétegben bekövetkező energiaveszteséghez, valamint a kvantumveszteséghez. Ezek a fényforrások azonban még ezekkel a veszteségekkel együtt is a leghatékonyabb háztartási világítási formát jelentik. Bizonyítást nyert, hogy a leghatékonyabb fényforrás nem feltétlenül a legjobb minőségű is egyben. Ezért meg kell határozni az egyes fényforrásokra vonatkozó elvárásokat, és ez alapján kiválasztani azokat. Olyan helyeken, ahol nem első számú szempont a fényminőség, és a lámpák viszonylag hosszú ideig világítanak, kompakt fénycsövek használata ajánlott. A lakásokon belül ilyen helyiségek például a nappali szoba, az étkező vagy a konyha. A munkahelyeken a szem megerőltetésének elkerülése és a kellemes munkakörnyezet biztosítása érdekében minőségi fényre van szükség. Így asztali lámpaként érdemesebb hagyományos vagy esetleg halogén izzókat választani. Hálószobákban, ahol gyakran használnak fényerősség-szabályozós lámpákat, a korábban említett kékfény-veszély miatt 131
nem ajánlott a kompakt fénycsövek alkalmazása. A kompakt fénycsövek használata olyan helyeken sem ajánlott, ahol ugyan nem lényeges szempont a fényminőség, ám a lámpákat csak viszonylag rövid ideig működtetik, mivel a rövid működési idő, valamint a gyakori felés lekapcsolás jelentősen csökkenti azok élettartamát. Ilyen helyiségek például a mosdók, előszobák, lépcsőházak vagy garázsok. 4.8. táblázat A hagyományos és energiatakarékos izzók 10 évre kivetített költségeinek összehasonlítása Égő típusa Izzó (E27) Kompakt fénycső (E27)
Φ [lm]
η [lm/W]
R
P [W]
Ár [€]
Élettartam
Energiaköltség [€] (22 000 h)
870
14,5
100
60
2,00
1000
264,00
Teljes költség [€] (10 év) 308,00
570
51,8
82
11
7,00
10 000
48,40
69,40
A 4.8. táblázat a kompakt fénycsövek és a hagyományos izzók 10 év alatt felmerülő költségeit hasonlítja össze. Azt feltételeztük, hogy a fényforrásokat napi 6 órát üzemeltetik, ami összességében kb. 22000 h időtartamot jelent. A villamos energia becsült ára 0,20 EUR/kWh, az izzók áraként pedig az EU-s átlagárat vettük figyelembe. A táblázatból kiderül, hogy a felhasznált energia ára hagyományos izzók használata esetén több mint ötszöröse a kompakt fénycsövekkel elérhető árnak. Jóllehet a kompakt fénycsövek ára többszöröse a hagyományos izzókénak, ezt kompenzálja a tízszeres élettartam és az így elért megtakarítás. Az utolsó oszlop a teljes költséget mutatja, amely tartalmazza az energiaköltségeket és az izzók élettartam alapján számított költségét is. Meg kell említeni, hogy a kompakt fénycsövek élettartama a gyakori kapcsolgatás következtében esetenként nem éri el a 10000 órát, ám még ebben az esetben is jelentős megtakarítás érhető el.
4.3.2. Az energiatakarékos izzók használatát ösztönző európai irányelvek Az energiatakarékosság kulcskérdés és komoly kihívás a világ valamennyi országa számára úgy gazdasági, mint környezetvédelmi szempontból. Ezért számos szervezet teszi le voksát az energiatakarékos fényforrások használata mellett. Különféle médiumok és szórólapok segítségével próbálják növelni az ökotudatosságot, tájékoztatni a felhasználókat és energiamegtakarításra buzdítani őket. Egyes államok és energiacégek ösztönző programokat indítanak a hálózaton belüli csúcsterhelés kompakt fénycsövek révén való csökkentésére, illetve az új energiatermelő létesítmények iránti igény mérséklésére. Ezen túlmenően bizonyos kormányok szigorú intézkedéseket hoztak a hagyományos izzók teljes lecserélése érdekében. Mindezek az intézkedések különadókat és tilalmakat írnak elő az olyan hagyományos izzók gyártására és importjára vonatkozóan, amelyek nem felelnek bizonyos energiatakarékossági kritériumoknak. Az Európai Unió 2008-ban irányelveket fogalmazott meg, amelyek útmutatást adnak a fényforrások 2009. szeptember 1. és 2016. szeptember 1. közötti további használatára vonatkozóan. Ebben az időszakban be kell szüntetni a hagyományos izzók és más, nagy energiafogyasztású eszközök használatát, és a halogén izzókat, a kompakt fénycsöveket, valamint a LED technológiát kell előtérbe helyezni. Az irányelv több ütemű megvalósítást tűz ki célul, és az egyes ütemek elindítására határidőket ír elő. Az egyes ütemek és célok a 4.9. táblázatban láthatók. Az időszak végére csak az „A” osztályú termékeken helyezhető majd el az energiatakarékos szimbólum. 4.9. táblázat Az EU-irányelvben a hagyományos izzók forgalmazásának megszüntetésére 132
kitűzött határidők Hatálybalépés 2009. szeptember 1. 2010. szeptember 1. 2011. szeptember 1. 2012. szeptember 1. 2010. szeptember 1. 2016. szeptember 1.
A forgalomból kivonandó izzótípusok 80 W-nál erősebb átlátszó, valamint nem az „A” energiaosztályba tartozó matt hagyományos izzók 65 W-nál erősebb átlátszó hagyományos izzók 45 W-nál erősebb átlátszó hagyományos izzók 7 W-nál erősebb átlátszó hagyományos izzók Minőségi követelmények szigorítása „C” energiaosztályú izzók (halogén energiatakarékos izzók)
4.4. Indítókapcsolós eszközök A fénycsöves lámpák felkapcsolása előtt ionizálni kell a csőben található higanyatomokat. Ehhez feszültségre kell biztosítani a cső két végén található elektródák között. A kisebb lámpák esetében nincs szükség nagy feszültségre, a hosszabb csövek azonban akár 1000 V feszültséget is igényelhetnek. A feszültség növelésén kívül a lámpa gázkisüléssel kapcsolatos negatív U-I karakterisztikája miatt korlátozni kell az áramot is. Ennek híján a gázban lavinahatás következne be. Ezért a fénycsövekhez az érintkezőkön és a csőfoglalatokon kívül további eszközök is szükségesek annak érdekében, hogy azok bekapcsoljanak és működjenek. Az ilyen eszközöket indítókapcsolós eszközöknek nevezzük. Mivel ezek biztosítják a fénycsövek felkapcsolódását, jellemzőiknek igazodniuk kell a fényforráshoz. Más esetben jelentősen megváltoznának a fény jellemzői, és csökkenne a lámpa élettartama. Az indítókapcsolós eszközök elektromos áramkörök, amelyek energiát fogyasztanak, és így befolyásolják a fényforrás hatékonyságát. Funkciójuk alapján kétféle indítókapcsolós eszközt különböztetünk meg: • Gyújtók – feszültség növelése és a lámpa felkapcsolódásának biztosítása • Előtétek – a csőben folyó áram korlátozása (angolul ballast)
1234-
érintkezők csőfoglalat gyújtó előtét
4.31.. ábra Indítókapcsolós eszközökkel ellátott fénycső [4.9]
4.4.1. A fénycső gyújtója Egy fénycső elindításához két feltételnek kell teljesülnie. Az egyik az, hogy az elektródáknak elég melegnek kell lenniük az elektronok csőbe való kibocsátásához, a másik pedig az, hogy az elektródák között elegendő elektromos mezőnek kell létrejönnie a higanygőzök ionizálásához és ezzel a gázkisülés kiváltásához. Ezeket a feltételeket a fénycsövekben és 133
kompakt fénycsövekben a gyújtó biztosítja (4.32. ábra), amely az elektródák közé van bekötve (4.33. ábra).
4.32. ábra Gyújtó burkolattal és anélkül [4.18]
4.33.. ábra Indítókapcsolós eszközök csatlakoztatási helyei (1 – indítókészülék, 2 – előtét) A lámpa kapcsolásakor a legkisebb ellenállású áramkör egy, az elektródák közötti hídkapcsolás a gyújtón keresztül. A cső mindkét végén áram halad át az elektródákon. Az elektródák valójában a hagyományos izzókban használthoz hasonló izzószálak. Ezután az áram keresztülhalad a hídáramkörön, és felhevíti az elektródákat. Felmelegedésük során az elektródák elektronokat bocsátanak ki a fém felületről az üvegcsőbe, amelyek ionizálják a higanygőzöket. Ezzel egyidejűleg az áram gyújtón való áthaladásakor több dolog is történik. A gyújtó alapvetően egy olyan elektromos áramkör, amely egy apró, neonnal vagy más gázzal töltött csövet tartalmaz. A csőben két elektróda található egymás mellett (4.34. ábra). Amikor elkezdődik az áram áthaladása, az elektródák között villamos ív keletkezik, az áramkör zárul, és a gyújtócső kigyullad (1). Az egyik elektróda egy bimetál csík, amely melegedésre meghajlik. A csőből származó kisebb hőmennyiség hatására a bimetál csík a másik elektróda felé hajlik, majd fizikailag érintkeznek egymással, és a villamos ív megszűnik (2). Amikor az ív megszűnik, a csőben világító, csekély hőmennyiséget termelő fény is eltűnik. A hőhatás megszűnése nyomán a bimetál csík lehál, és visszahajlik eredeti pozíciójába, így a hídáramkör megszakad (3).
134
4.34.. ábra A gyújtó működési fázisai Mindeközben a fénycsőben található elektródák izzószála már ionizálta a csőben lévő gázkeveréket, és elektromosan vezető közeget hozott létre. Ekkor egy feszültségcsúcsra van szükség, hogy villamos ív keletkezzen a csőben található elektródák között. Ezt a csúcsot lényegében az előtét biztosítja a gyújtó közvetlen működtetésével; ezt a működési elvet a 4.4.3. fejezet írja le részletesen. A gyújtó általában egy kondenzátort is tartalmaz, amely párhuzamos kapcsolatban van a csővel, és célja az érintkező élettartamának meghosszabbítása. Működési mód alapján többféle gyújtót különböztetünk meg: • Előfűtéses indítókapcsoló • Azonnali gyújtó • Gyors gyújtó • Gyorsindító (quick starter) • Félrezonás Az előfűtéses indítókapcsolóknál (4.35. ábra) a cső mindkét végén egy izzószál-katód kombináció helyezkedik el, egy mechanikus/automatikus kapcsolóval összekötve. A kapcsoló először csatlakoztatja a szálakat az előtéthez, majd a villamos ív keletkezése előtt előfűti azokat. Ez a rendszer 200–240 V-os hálózatokban használatos, és általában izzító gyújtóval működik, amelyről fentebb már szóltunk. Ez a gyújtó lényegében késleltető kapcsolóként működik.
1 – Előtét 2 – Cső 3 – Gyújtó
4.35. ábra Áramkör előfűtéses lámpákban [4.19] 135
Amennyiben a csőben nem jön létre a villamos ív, az indítási ciklus megismétlődik. A gyújtó a gyakorlatban általában több ciklust is végrehajt, amíg az izzószál megfelelően felmelegszik a cső bekapcsolásához. Ez a fénycső villódzásán érhető tetten, amely felkapcsolás után azonnal látható. Ha a fénycső már elhasználódott, az automatikus gyújtók, mint például az izzító gyújtók, állandóan újraindítják a ciklust, és közben villognak, ami a megengedett érték fölé növeli az előtét hőmérsékletét. A fejlettebb gyújtók ilyen esetben leállítják a ciklust, amíg a hálózati tápellátás meg nem szűnik. A régebbi gyújtók termikus túláramrelék segítségével észlelték az ismételt indítási kísérleteket. Ezeket a gyújtókat külön építik be a lámpákba, és az érintkezők elhasználódása után az élettartamuk véget ér. Az elektronikus gyújtók (4.36. ábra) komplexebb módszerrel fűtik elő a katódokat, és többnyire egy speciálisan kialakított félvezető kapcsolót alkalmaznak. Az izzító gyújtóval egy házban helyezkednek el. Ezekbe be van programozva egy előre meghatározott fűtési idő a katódok teljes felhevülése érdekében. Csökkentik a porlódás mértékét, és ezáltal növelik a fénycső élettartamát. Az indításhoz 1–4 s időtartam szükséges. Az elektronikus gyújtókban egy kondenzátorsorozat található, amely nagyfeszültségű impulzust tud előállítani a csőben, így biztosítva a cső bekapcsolását. Ezek a gyújtók csak rövid ideig próbálják bekapcsolni a fénycsövet; ha a cső elhasználódott, automatikusan lekapcsolják azt. Ez megakadályozza a kapcsolásra már alkalmatlan csövek villogását.
4.36. ábra Elektronikus gyújtók [4.9] Az azonnali gyújtókkal ellátott fénycsövekben (4.37. ábra) nincsenek izzószálak. Ezek közvetlenül az elektródákra kapcsolt nagyfeszültséggel idézik elő a csőben a kisülést. Ezek a fénycsövek onnan ismerhetők fel, hogy mindkét végükön csak egy érintkező található. A csőfoglalatokon egy leválasztó kapcsoló helyezkedik el, amely a cső cseréjekor leválasztja az előtétet a túlfeszültség elkerülése érdekében. A beépített elektronikus előtéttel rendelkező olcsóbb berendezések azonnal felkapcsolják a lámpát, de csökkentik annak élettartamát.
136
4.37. ábra Az azonnali gyújtóval ellátott lámpák elektromos áramköre (1 – előtét, 2 – cső) A modernebb gyújtók az előtétben található izzószállal folyamatosan és gyorsan hevítik a katódok szálait a hálózati váltakozó feszültség segítségével. Ezeket a gyújtókat gyors gyújtóknak nevezzük. Ebben az esetben nincs szükség feszültségcsúcsra, ezért a lámpát egy földelt reflektor közelébe kell helyezni, amely lehetővé teszi a katód hevítését. Egyes változatokban kiegészítő földelőlemezek is találhatók.
4.38.. ábra A gyors gyújtóval ellátott lámpák elektromos áramköre (1 – előtét, 2 – cső) A gyorsindítók egy kisméretű autotranszformátorral fűtik fel az izzószálakat a kapcsoló működésbe lépésekor. Amikor létrejön a villamos ív, csökken a szálak fűtésének erőssége, és a cső fél másodperc alatt bekapcsolódik. Az autotranszformátor vagy kombinálva van az előtéttel, vagy külön egységet alkot. A csöveket egy földelt fém reflektor közelébe kell helyezni. Ezek az előtétek a csekély mértékű karbantartás miatt elsősorban kereskedelmi létesítményekben voltak használatosak, mivel nincs szükség a gyújtó cseréjére. A szinte azonnali kapcsolásnak köszönhetően háztartási rendszerekben is előfordultak. Csak 240 V-os feszültséggel használhatók, és kizárólag a régebbi T12 fénycsövekkel. A félrezonás gyújtót a Thorn Lighting fejlesztette ki T12 fénycsövekhez. Ez egy kéttekercselésű transzformátorral és egy kondenzátorral működik. Amikor nincs íváram, a transzformátor és a kondenzátor a hálózati frekvencián rezonál, és a hálózati feszültség 137
mintegy kétszeresét hozza létre. Ez a feszültség túl kicsi ahhoz, hogy hideg elektródák mellett villamos ívet generáljon, amikor azonban a katódok felmelegednek a hőemissziós hőmérsékletre, létrejön az ív. Az elektródák melegedésével a cső lassan, 3–5 másodperc alatt eléri teljes fényerősségét. Magasabb áruk miatt inkább a vállalati szférában használatosak. A gyújtót nem kell cserélni, és kapcsoláskor a katódok kisebb mértékben károsodnak. Különösen alkalmasak hidegebb helyeken való használatra. A teljesítménytényező majdnem egy, és nincs szükség további kompenzációra.
4.4.2. A fénycső előtéte Az előtét a fénycsövön keresztülfolyó áram korlátozására szolgál. Az előtét lehet mágneses vagy elektronikus, amely a gyújtó szerepét is betölti. A mágneses előtét induktív terhelést jelent, így azzal mindig egy kompenzációs kondenzátort kell használni. A mágneses előtéteknek viszonylag nagy (kb. 25 %) a vesztesége, ezért napjainkban inkább az elektronikus előtétek használatosak. Az előtét működése igazodik a gyújtó állapotához. Amikor a gyújtó bimetál érintkezője nyit, az izzószálak már megfelelő mértékben ionizálták a csőben található gázkeveréket, és vezető közeget hoztak létre. Ebben a pillanatban az előtétnek feszültségimpulzust kell generálnia a villamos ív csőben való megjelenéséhez. Amikor áram halad át a hídáramkörön, mágneses mező keletkezik az előtét körüli térben, amelyet az átfolyó áram fenntart. Amikor a gyújtóban megszakad az áramkör, az előtét árama rövid időre megszűnik. A mágneses mező hirtelen gyengül, aminek következtében hirtelen megnő az áramerősség, mert az előtét felszabadítja tárolt energiáját. Ez az áramerősség-növekedés lehetővé teszi a villamos ív keletkezéséhez szükséges feszültség létrehozását. Ezt követően az áram már nem halad keresztül a hídáramkörön, és a gyújtó nem kapcsol, hanem az áram már a fénycsőben folyik. A szabad elektronok ütköznek a higanyatomokkal, ez pedig újabb elektronokat szabadít fel, és higanyionokat hoz létre. A folyamat eredménye a plazma, vagyis olyan gáz, amely általában ionokból és szabadon mozgó elektronokból áll. A plazma stabilizálja a villamos ívet a csőben. Az elektronok ütköznek az izzószálakkal, amelyek melegek maradnak, és folytatják az elektronok plazmába való kibocsátását. Így mindaddig, amíg a lámpa váltakozó feszültséghez van csatlakoztatva, az izzószálak nem hűlnek le, és a csőben folyamatosan áram folyik. Az elektronikus előtétek tranzisztorokkal megváltoztatják a hálózati feszültség frekvenciáját, és nagyfrekvenciás váltakozó áramot hoznak létre, miközben a csövön belül áramfolyást is szabályozzák Egyes típusok itt is induktanciával korlátozzák az áramot, ám a nagyobb frekvencia miatt sokkal kisebb induktancia használható. Más típusok kondenzátor-tranzisztor kombinációt alkalmaznak, amely tökéletesen szimulálja az induktorok működését. Az előtétek nagyobb hatékonyságú csöveket tesznek lehetővé, amelyek magasabb frekvenciájú árammal működnek. 10 kHz frekvencia mellett a hatékonyság csaknem 10%-kal nő a hálózati frekvencián való működéshez képest. Ha a váltakozó áram periódusa rövidebb, mint a higanyatomok deionizálásához elegendő relaxációs idő, a gázkisülés közelebb marad az optimális működési feltételekhez. Az elektronikus előtétek jellemzően gyors vagy azonnali indítási móddal működnek, és többnyire váltakozó árammal vannak táplálva, amelyet belül egyenárammá alakítanak át, majd ez ismét váltakozni kezd.
138
4.39. ábra Az elektronikus előtét sematikus ábrája Az olcsóbb előtétek általában csak egy egyszerű oszcillátort és egy soros LC rezgőkört tartalmaznak. Bekapcsoláskor az oszcillátor elindul, és az LC körben rezonáns áram keletkezik. A rezonáns áram közvetlenül keresztülvezeti a kapcsolótranzisztort a toroid magos tranzisztoron. Ezt a működési módot soros rezonanciás inverterkörnek nevezzük. Rövid idő elteltével a lámpa feszültsége eléri a nagyjából 1 kV értéket, és a cső világítani kezd. A folyamat túl gyors a katódok előfűtéséhez, ezért a lámpa hideg katódos módban azonnali gyújtást kap. Katódszálak azonban itt is használatosak az előtét túlmelegedés elleni védelméhez, ha a lámpa nem kapcsol be. Néhány gyártó pozitív hőmérsékleti együtthatójú termisztorokkal akadályozza meg az azonnali gyújtást, hogy legyen némi idő a szálak felmelegedésére. A komplexebb elektronikus előtétek programozott gyújtást alkalmaznak. A kimenő váltakozó áram frekvenciája az előtét kimeneti áramkörének rezonanciafrekvenciája felett indul. Az izzószálak felmelegedése után a frekvencia gyorsan csökken. Ha a frekvencia közelít az előtét rezonanciafrekvenciájához, a kimeneti feszültség annyira megnő, hogy a lámpa felkapcsol. Ha a lámpa nem kapcsol fel, egy elektromos áramkör leállítja az előtét működését. A legtöbb elektronikus előtétet egy mikrokontroller vagy más hasonló komponens vezérli, ezeket gyakran digitális előtétként emlegetik. A digitális előtétek egészen komplex logikával képesek indítani és működtetni a lámpákat. Így olyan funkciókra is lehetőség nyílik, mint a törött elektródák vagy a hiányzó csövek ellenőrzése gyújtás előtt, illetve a csőcsere szükségességének vagy a cső típusának automatikus észlelése. Ily módon több különböző, akár eltérő feltételek mellett működtetett csőhöz is ugyanaz az előtét használható [4.9]. Az eddig tárgyalt előtétek fénycsövekben használatosak. A kompakt fénycsövek ugyancsak alkalmaznak előtéteket. A nem integrált kompakt fénycsövek a hagyományos fénycsövekhez hasonlóan külön előtéttel és gyújtóval működnek. Az integrált változatokban, amelyeket elsősorban háztartási célokra használnak a hagyományos izzók helyettesítéseként, az előtét a fényforráson belül található, így ha a fényforrás kiég, azt is cserélni kell.
139
4.40. ábra Az integrált kompakt fénycső előtéte [4.9]
140
5. VILÁGÍTÓ DIÓDÁK – LED-EK A világító diódák vagy röviden LED-ek (Light Emitting Diodes) az utóbbi idők egyik legfigyelemreméltóbb fényforrásai. A kutatók és gyártók beszámolói szerint a LED-es világítási technológia rövidesen teljesen felváltja a hagyományos fényforrásokat – a normál izzókat, illetve végső soron az energiatakarékos izzókat is [5.1].
5.1. ábra Egy LED belseje és alapvető összetevői Alapvető összetevők: 1) LED-chip 2) Műanyag tok és optika 3) Reflektor 4) Katód 5) Anód A LED-es világítás előnyei A LED-es világítás a félvezető-technológiára épül, amelynek számos figyelemreméltó jellemzője van: • A LED-es világítóeszközöknek rendkívül hosszú, akár 50 000 órát meghaladó élettartama van (akár ennél hosszabb is lehet, de egyelőre nincsenek megbízható gyakorlati példák) • A világító diódák rendkívül kicsik, így segítségükkel tetszőleges formájú lámpák és fényforrások hozhatók létre • Rendkívül alacsony energiafogyasztás, ami igen fontos jellemző az energiatakarékosság korában (akár 88 %-os megtakarítás) • A világító diódák többféle színben előállíthatók (piros, zöld, sárga, kék, fehér) • Az R index több mint 75 • A színhőmérséklet 3000 K és 7000 K között alakul • A tok legmagasabb hőmérséklete kb. 580 C 141
•
A világító diódák nem generálnak káros UV-sugárzást vagy káros anyagokat (például higanygőzöket)
A fény létrehozása a világító diódákban A fénykibocsátó dióda egy olyan félvezető elem, amely két félvezető rétegből, egy P típusúból és egy N típusúból áll (a P típusúban nagy a lyukak koncentrációja, az N típusúban pedig nagy a szabad elektronok koncentrációja), köztük egy energiagáttal. Amikor rákapcsoljuk a feszültséget a fénykibocsátó dióda diffúz polarizációja érdekében („+” az anódon és „ –“ a katódon), az N típusról származó elektronok a keskeny energiagáton keresztül szabadon átjutnak a P típusra, és rekombinálódnak az ottani lyukakkal (a hiányzó elektronok nyomán pozitív atomok keletkeznek). A rekombináció során az elektron elveszíti elektromágneses energiájának egy részét, és a kibocsátott elektromágneses energia egy foton formájában jelenik meg, ami a fény legelemibb részecskéje. Így létrejön egy apró fényforrás [5.1].
5.2. ábra A LED működési elve
5.1. A LED-ek fényszínei és a LED-ek gyártásához használt anyagok A világító diódák gyártásához a félvezető anyagok speciális kombinációi használatosak; ezek összetevői határozzák meg a színeket. Néhány példa félvezető anyagokra: gallium-foszfid (GaP – piros), szilikon-karbid (SiC – kék), gallium-nitrid (GaN – kék, ultraibolya), indiumgallium-nitrid (InGaN – zöld), alumínium-gallium-arzenid (AlGaAs), alumínium-galliumnitrid (AlGaN – ultraibolya) alumínium-indium-gallium-foszfid (AlInGaP – sárgászöld) stb. A félvezetőn belüli fény-előállítási folyamat hasonlóképpen megy végbe, mint a standard 142
szilíciumos inverterdiódában, de a foton nem láthatók [5.2].
5.2. Fehér LED Jelenleg (2012. január) a LED technológiával kapcsolatos legfontosabb kutatások és fejlesztések a fehér fény létrehozására képes világító dióda kidolgozására irányulnak. Fehér fény kétféleképpen hozható létre: 1) Kék világító dióda, a felületén foszforréteggel. A felületen található foszforréteg fehérré alakítja át a kék fényt, kb. 3000 K – 7000 K színhőmérsékleten.
5.3. ábra Fehér LED Alapvető összetevők: • LED-chip (kék) • Foszforréteg • Tok 2) A másik módszer valamivel bonyolultabb: három különböző színű világító diódát alkalmaz. Az egy tokba helyezett piros, zöld és kék világító diódák egyenletes keveredés esetén fehér fényt bocsátanak ki. Ezen az elven működnek a TV-képernyők, a monitorok és a mobiltelefonok.
5.4. ábra RGB LED Alapvető összetevők: • LED-chip (piros) • LED-chip (zöld) • LED-chip (kék) • Fehér fény (mindhárom szín egyenlő arányban) A fehér színű LED-ek fejlesztése során próbálkoztak a sárga foszforréteggel bevont, UV-fényt 143
kibocsátó diódákkal is, ám ezzel később az UV-sugarak káros hatásai miatt felhagytak.
5.3. Nagy teljesítményű LED A világító diódák (LED) működése során az energia mintegy 25%-a hasznosul fény formájában, a fennmaradó kb. 75% hővé alakul át. Így a LED táplálására szolgáló energia jelentős része hővé alakul át, amely felmelegíti a LED-chipet és a tokot; ez jelentős energiaveszteséggel jár. Az energiaveszteség azonban ezzel együtt is lényegesen kisebb, mint más fényforrások esetén. A világító diódák gyártása napjainkban két alapvető csoportra osztható a diódák teljesítménye alapján: • kis teljesítményű csoport: Ebbe a csoportba soroljuk a legfeljebb 0,3 W teljesítményű világító diódákat. Alapvető jellemzőjük, hogy a keletkező hő leadása magán a tokon keresztül történik meg, így nincs szükség kiegészítő hűtésre. Ily módon a tok hatékony hűtőként szolgál, és a LED-chip hőmérséklete soha nem haladja meg a megengedett értéket. • teljesítményű LED-csoport: Ebbe a csoportba soroljuk a kb. 0,5 W és kb. 200 W közötti teljesítménnyel rendelkező világító diódákat (2012. április). A világító diódák teljesítményének megnövelésére azért volt szükség, hogy egyetlen LED is nagy fényáramot, illetve fényerőt tudjon biztosítani. A nagy teljesítményű világító diódák működésük során jelentős hőt termelnek, amely a tokon keresztül már nem tud felszabadulni, így külön hűtési rendszerre van szükség. Példák nagy teljesítményű világító diódákra [5.3], [5.4], [5.5] 5.1. táblázat Nagy teljesítményű világító diódák [5.3], [5.4], [5.5]
Műszaki jellemzők
.
Üzemi feszültség Üzemi áram Teljesítmény Fényáram Fényhasznosítás Szög Színhőmérséklet
36 V
45 V
240 V
700 mA 25 W 2100 lm 84 lm/W 120° 2700 K - 5000 K
880 mA 38 W 4000 lm 103 lm/W 120° 4000 K
Gyártó
CREE
OSRAM
700 mA 150 W 12 500 lm 83 lm/W 120° 3000 K – 9000 K Luckysunny Shenzhen OptoElectronic Co., Ltd.
144
5.4. Világító diódák hűtése A világító diódák a felvett energia 20–30%-át alakítják át fénnyé, így jelenleg ezek a legenergiahatékonyabb fényforrások (néhány éven belül a LED-ek hatékonysága alighanem további jelentős növekedésen fog keresztül menni). A fennmaradó, nagyjából 70–80% energia hővé változik, amely közvetlenül negatívan befolyásolja a félvezető élettartamát. Az élettartam-diagramon jól látható, hogy 80000 üzemóra eléréséhez a félvezető (chip) hőmérsékletének 550 C alatt kell maradnia [5.2]. Élettartam [h]
Hőmérséklet [0 C]
5.5. ábra A LED-ek élettartam-diagramja a P-N átmenet hőmérsékletének függvényében A kis teljesítményű (0,2 W alatt, 3 mm, 5 mm, 8 mm és 10 mm átmérő; radiális LED) világító diódákhoz nincs szükség külön hűtésre, mert a keletkező hő a tokon keresztül távozik, a nagyobb teljesítményű diódák (0,3 W és 100 W között) esetében azonban kiegészítő hűtéssel kell biztosítani az ábrán látható diagram feltételeit. A nagy teljesítményű diódák hűtése alapvetően 4-féleképpen valósítható meg: 1) A világító dióda passzív hűtőre való helyezése 2) A világító dióda kiegészítő hűtőventilátorral rendelkező hűtőre való helyezése 3) A hő „hőcsöves” rendszerrel való elvezetése 4) A világító dióda hőmérsékletének felügyelete (hőkezelés) A világító dióda passzív hűtőre való helyezése A világító diódát egy alumínium alapú passzív hűtőre helyezik. Ily módon mesterségesen növelhető a LED-chip természetes hűtéséhez szükséges felület, és fenntartható a gyártó által ajánlott hőmérséklet. (Pillanatnyilag, 2012 februárjában) a LED-chipek megengedett üzemi hőmérséklete 850 C. E módszer hátránya, hogy nagy és sok esetben vaskos fényforrástokot eredményez. A kerámiatermékek területén bekövetkező fejlődésnek köszönhetően ma már léteznek speciális CeramCool anyagok, pl. a rubellit vagy az alunit, amelyek az alumíniumnál lényegesen jobban vezetik a hőt. A hővezetés nagyon fontos jellemző, amelynek minél nagyobbnak kell lennie: így biztosítható a hő LED-chipből való gyorsabb elvezetése és a passzív hűtő házának arányosan kisebb méretét. A hővezetésen kívül a kerámiaanyagok rövidebb ideig tartják meg a hőt, így a LED-chip által termelt hőt sokkal gyorsabban felszabadítják a környezetbe. A CeramCool anyagok szigetelők, így a nyomtatott áramkörök közvetlenül rájuk helyezhetők, a LED-chip pedig a felületükre forrasztható. Ez 2-3 réteggel kisebb LED-hűtési pályát eredményez [5.6]. 145
5.6. ábra Világító dióda passzív hűtőn A világító dióda kiegészítő hűtőventilátorral rendelkező hűtőre való helyezése Ha kisebb méretű LED-lámpatokra van szükség, a passzív hűtő felülete csökkenthető, ám ilyenkor kényszerléghűtést kell alkalmazni. Ez biztosítja a minőségi hűtést, a ventilátornak azonban halknak kell lennie, továbbá az nem minden LED lámpába szerelhető be, és növeli az egy fényforrásra jutó energiafogyasztást is.
5.7. ábra LED aktív hűtése A hő „hőcsöves” rendszerrel való elvezetése Ez a LED hőelvezető rendszer egy könnyen párolgó folyadékot tartalmazó speciális rézcsövet alkalmaz, melyben folyadék ide-oda kering. A speciális folyadék rézcsövön belüli keringése biztosítja a hő gyors elvezetését a cső felső részéről a másik végére. A „hőcsöves” rendszer rézcsövének felső részét a LED-chiphez kell csatlakoztatni, a másik végére pedig egy passzív hűtőt kell helyezni. A „hőcső” a passzív hűtőhöz vezeti a LED-chip által létrehozott hőt, és biztosítja a chip optimális üzemi hőmérsékletét. Ez a rendszer a számítógépes hardvertechnológiából származik, ahol a processzorok hűtésére és az üzemi hőmérséklet fenntartására használják. A rendszer hátránya a viszonylag magas ár és a LED-égők magasabb gyártási költsége [5.7].
5.8. ábra „Hőcső” 146
A világító dióda hőmérsékletének felügyelete (hőkezelés) A világító diódákat az impulzusszélesség-moduláció (PWM) vezérlési technológiával tápláló integrált áramkörök (LED-meghajtók) megjelenésével lehetővé vált a dióda hőmérsékletének és a diódán áthaladó áramnak a digitális összekapcsolása. Az impulzusszélesség-moduláció révén az egyik intervallumban maximális áram folyhat keresztül a diódán, a másikban pedig kikapcsolható ez az áram. Az áramcsúcs intervallumában a dióda felmelegszik, a kikapcsolt intervallumban pedig lehűl. Az intervallumok megfelelő kiválasztásával és minőségi passzív hűtéssel megvalósítható a világító diódák P-N átmenetének hőmérséklet-vezérlése. A vezérlés 400 kHz feletti frekvenciákon és programozható, mivel az emberi szem az ilyen apró intervallumokban megvalósuló fényerősség-változásokat nem képes érzékelni.
5.9. ábra A LED-et vezérlő PWM-impulzusok A világító diódák fejlesztésének mai iránya (2011. május) A tokot alkotó anyagok és a hűtő szerkezetének tökéletesítése mellett jelentős erőforrásokat és tudást fektetnek az egytokos gyártási technológiával készített nagy teljesítményű világító diódák fejlesztésébe és a P-N átmenet COB (chip on board) fémalapon való közvetlen elhelyezésébe. Ily módon a dióda P-N átmenetéből a környezetbe vezető hőút 2–3 réteggel lerövidül (kisebb hőellenállás a dióda és a környezet között). A másik fejlesztési irány a különböző teljesítményű, de közvetlenül a 230 V-os feszültségről táplálható LED-modulok gyártási technológiája, amivel növelhető a LED lámpák hatékonysága, hiszen kiiktatható a drága transzformátor, amely a teljes energiafogyasztásból 10%-kal veszi ki a részét. A transzformátor elhagyásával javul a LED lámpák üzembiztonsága, mivel így már egyetlen törékeny összetevő sincs a tokban (kondenzátorok, tekercsek, tranzisztorok).
147
5.5. A LED-ek műszaki adatai és jellemzői 5.2. táblázat Néhány LED-típus műszaki adatai [5.3], [5.8], [5.9], [5.10]
Műszaki jellemzők Üzemi feszültség Üzemi áram Teljesítmény Fényáram Fényhasznosítás Szög Színhőmérséklet Gyártó
. 3,4 V
2,9 V
80 mA 700 mA 0,296 W 2,03 W 28 lm 280 lm 95 lm/W 137 lm/W 140° 120° 2700 - 10 000 5000 - 10 000 K K NICHIA CREE
3,8 V
37 V
350 mA 2W 105 lm 52,5 lm/W 120° RGB
700 mA 25 W 2550 lm 102 lm/W 120° 4000 K
SEOUL
SHARP
Ezek a LED-adatok és -kivitelek jelenleg (2011. szeptember) érvényesek, ám a gyors kutatási és fejlesztési eredmények nyomán a közeljövőben más, jobb műszaki jellemzők léphetnek hatályba. A világ számos vállalata nagy erőkkel dolgozik a minőségi világító diódák fejlesztésén, mivel a LED fényforrások és a LED égők iparága a világgazdaság legdinamikusabban fejlődő és legnagyobb távlatokkal rendelkező ágazata.
5.6. A LED lámpák fotometrikus paraméterei A LED lámpák mindenféle célra megfelelnek: alacsony és magas mennyezettel ellátott irodák és gyári munkahelyek megvilágítására, üzletek, házak és középületek megvilágítására, utcák, terek, parkok, épülethomlokzatok, műalkotások és más hasonló tárgyak megvilágítására. A fenti felhasználási módok a világító diódák megfelelő formájával és elrendezésével, megfelelő ellenzők és fényvisszaverő felületek elhelyezésével, illetve megfelelő optikai kialakítással valósíthatók meg. Ezek biztosítják a fény egységes terjedését és a nem kívánatos árnyékok megszüntetését, amelyek más fényforrások használata esetén láthatók. A fényáram egy széles, szimmetrikus szögben, akár 120°-ban is irányítható. A LED lámpák legjellemzőbb felhasználási módjait a következő fejezet ismerteti.
5.7. A LED mint helyettesítője
a
hagyományos
izzók
és
fénycsövek
Jelenleg mindenféle megvilágítási célra készítenek LED égőket és -fényforrásokat: professzionális ipari világítás, gyógyászat, utcai világítás, háztartási világítás, autóipar, szórakoztatóipari és zenei célú világítás. A LED-alapú fényforrásokat folyamatosan javuló fényminőség, alacsony energiafogyasztás és modern design jellemzi, mely tulajdonságaik révén esélyes kihívói lehetnek a hagyományos izzóval, energiatakarékos izzóval és halogén izzóval működő egyéb fényforrásoknak.
148
LED-es spotlámpa A LED-es spotlámpák olyan tárgyak és felületek megvilágítására szolgálnak, amelyeket különösen ki szeretnénk hangsúlyozni (üzletek kirakatai, festmények, polcok, szobrok, szökőkutak, emlékművek, tárgyalótermek, épülethomlokzatok). A spotlámpák kis szögben működnek (max. 600, általában 300), vagyis a fényforrás csak a kiválasztott szűk területet világítja meg, és a környező területeket nem teszi feleslegesen világossá. A LED égők rendkívül alacsony fogyasztásúak, aminek eredményeképpen igen kismértékben melegítik fel a környezetüket; ez különösen a magasabb hőmérsékletre érzékeny helyeken (pl. kozmetikai szalon, élelmiszertartó polc) lehet fontos szempont. LED spot égők alapvető jellemzői, [5.11]: • Teljesítmény: 3 W • Jelölés: SP-16 • Üzemi feszültség: 12 V • Fényáram: 180 – 220 lm • Energiamegtakarítás ugyanakkora fényerősség mellett: eléri a 80%-ot • Színhőmérséklet: 3000 – 7000 K • Szög: 30° • Élettartam: több mint 50 000 üzemóra • Megvilágított terület 2 m távolságnál: körülbelül 1,5 m2 • Burkolat hőmérséklete: < 60 °C • Védelem: IP60 • Tanúsítványok: UL, CE és RoHS • Foglalat: GU5.3 (halogén izzó közvetlen és egyszerű kicserélése) • Burkolat: alumínium
5.10. ábra LED égők MR16 LED csövek A LED csövek általános célú területek, pl. tantermek, konferenciatermek, folyosók, garázsok, üzletek, benzinkutak, kiegészítő helyiségek és lépcsőházak megvilágítására szolgálnak. A nagy fényerejű világító diódákat ugyanolyan méretű műanyag vagy üveg csőbe helyezik, mint a hagyományos fénycsöveket (FC). A LED csövek teljes egészében felváltják az FC fénycsöveket; működésükhöz nincs szükség sem előtétre, sem gyújtóra, sem kompenzációs kondenzátorra [5.12].
149
LED csövek alapvető jellemzői: • • • • • • • • • • • • • • • • •
Teljesítmény: 8 – 20 W Jelölés: GL-LFL Fényáram: 1000 - 3000 lm-től Üzemi feszültség: AC 165 – 245 V Csatlakozás: T5, T8 és T10 (gyújtó vagy előtét nélkül) Energiamegtakarítás ugyanakkora fényerősség mellett: akár 80% Színhőmérséklet: 3000 – 6500 K Szög: 120° Élettartam: több mint 30 000 üzemóra Hőmérséklet működési tartomány: -40 °C – 60 °C Tanúsítványok: CE és RoHS Nincsenek káros UV sugarak Nincs stroboszkóphatás Nincsenek káros és veszélyes anyagok (higany és hasonló fémek) A cső nem melegszik fel Tok: üveg vagy műanyag Méretek (általában a cső hossza): 600 mm, 900 mm, 1200 mm, 1500 mm (a LED csövek méretei megegyeznek a hagyományos FC-csövek méreteivel)
5.11. ábra LED csövek Háztartási világításra szolgáló LED égők A háztartási világításra szolgáló LED égők szabványos E27 foglalattal rendelkeznek, így a hagyományos izzók egyszerű cseréjével jelentős mértékű energia takarítható meg. A tokban nagy fényerejű világító diódák találhatók, amelyek hosszú élettartamuknak és alacsony energiafogyasztásuknak köszönhetően jelentősen csökkenthetik a világítási költségeket. Jelenleg számos LED égőt forgalmaznak a piacon 15 W teljesítményig [5.13]. Háztartási világítás LED égőinek alapvető jellemzői: • Teljesítmény: 5 W , 8 W, 10 W • Üzemi feszültség: 100 – 240 V • Frekvencia: 50 Hz • Fényáram: 370 - 1100 lm-től • Energiamegtakarítás ugyanakkora fényerősség mellett: akár 80% • Színhőmérséklet: 3500 – 5500 K • Szög: 120° és 150° • Élettartam: több mint 50 000 üzemóra 150
• • • • • •
Megvilágított terület 2 m távolságnál: körülbelül 5 m2 Burkolat hőmérséklete: < 80 °C Védelem: IP60 Tanúsítványok: UL, CE és RoHS Foglalat: E27 (standard égő közvetlen és egyszerű kicserélése) Burkolat: alumínium és műanyag
5.12. ábra LED égő foglalat E27 / E14 / GU10
5.8. Hagyományos égők és összehasonlító táblázata
LED
beltéri
világítási
égők
5.3. táblázat LED égők és hagyományos égők összehasonlítása
Műszaki jellemzők Üzemi feszültség Üzemi teljesítmény Fényáram Élettartam Foglalat típusa Színhőmérséklet
Izzó
Energiatakarékos égő 230 V 15 W 820 lm 6000 h E27 2700 K
230 V 60 W 710 lm 1000 h E27 2700 K
151
LED égő 230 V 6W 650 lm > 30 000 h E27 3500 K
5.9. LED energiahatékonysága 5.4. táblázat Különféle fényforrások energiahatékonysága
Műszaki jellemzők
Izzó
Üzemi feszültség Üzemi teljesítmény Energiafogyasztás Naponta (4 h naponta) Havonta Évente
LED égő
230 V
Energiatakarékos égő 230 V
60 W
15 W
6W
240 Wh
60 Wh
24 Wh
7200 Wh
1800 Wh
720 Wh
86400 Wh
21600 Wh
8640 Wh
230 V
5.10. LED színhőmérséklete és színvisszaadása A leghatékonyabb fehér világító diódák (LED-ek) 4500 K és 6500 K közötti színhőmérsékletű fényt bocsátanak ki, ami fehérnek, illetve kékes fehérnek látszik. A LED technológiával felszerelt lámpákat készítő világítódióda-gyártók különböző színhőmérsékletű LED-eket kevernek össze, hogy egy adott sorozat vagy lámpa elérje a kívánt CCT értéket, ily módon középutat keresnek a nagyobb hatékonyság és a melegebb, kellemesebb fényforrás között. A lámpák színvisszaadása maguknak a LED-eknek a típusától, modelljétől és CC-jétől függ, de többnyire jobb, mint a HPS (az R általában kb. 22) és a hagyományos MH (az R általában 65) technológia esetében, viszont valamivel rosszabb, mint a kerámia MH-nál (az R 80–90 között van). A semleges (4000–4500 K) és a hűvös fehér (5000 K és annál több) LED-lámpák üzemi R értéke jellemzően 70–75.
152
5.11. A fényáram dinamikus paramétereinek fenntartása és a világító diódák élettartama A világító diódák élettartamának megbecsülésekor számos paramétert kell figyelembe venni, mert a LED-ek hosszú várható élettartama miatt a teljes élettartamot vizsgáló tesztelés kivitelezhetetlen, aminek olyan részben a LED technológiában tapasztalható gyors fejlődés, hiszen így a korábbi tesztek irrelevánssá válnak. A legtöbb LED-gyártó a hasznos élettartamot az alapján az időtartam alapján becsüli meg, amely alatt a LED által kibocsátott fény eredeti értékének 70%-ára csökken; a cél általában 50000 üzemóra beltéri lámpák esetén, egyes kültéri lámpákat pedig ennél is lényegesen hosszabb, akár 100000–150000 üzemórás élettartamra terveznek. A lámpagyártók általában meghatározzák azt a maximális áramerősséget és LED-átmeneti hőmérsékletet, amely a fényáram eredeti lumenértékének 70%-át eredményezi az órában meghatározott várható élettartam alatt. Ha egy LED-et ennél alacsonyabb
áramerősséggel
táplálnak
és/vagy ennél
alacsonyabb
hőmérsékleteken
üzemeltetnek, a hasznos élettartam jelentősen növelhető. A jól megtervezett LED lámpáknál kisebb a valószínűsége a teljes kiégésnek, mint a fényáram dinamikus jellemzőiben bekövetkező fokozatos romlásnak az élettartam során. Élettartama alatt minden fényforrásnak csökken a fényárama (lumenromlás). Ebből kifolyólag a világítási rendszerek tervezői az eredeti fényáram helyett többnyire közepes lumenértékkel dolgoznak, ami általában a várható élettartam 40%-ának letelte után érvényes fényáramnak felel meg.
153
6. ESETTANULMÁNYOK 6.1. A LENI tényező kiszámításának példája A számítás egy 670 m2 teljes használható felületű irodaépületre készült, a következő helyiségekkel: 6.1. táblázat Felhasználási módok irodaépületekben található, adott hasznos felülettel rendelkező helyiségekben 1 2 3 4 5 6 7
192 m2 240 m2 60 m2 16 m2 40 m2 90 m2 32 m2
Zárt irodák – 12 helyiség Nyitott iroda Konferenciacsarnok Másoló helyiség Irattárak Folyosó Szaniterhelyiségek
Összesen nyolc eset elemzésére került sor, fényminőség és világításvezérlési mód szerint. Az épület beltéri területei szabványos méretű függőleges nyílásokon keresztül kapnak természetes fényt, amelyek közepes mennyiségű természetes fényt engednek be. Minden helyiségben biztonsági lámpák vannak elhelyezve. Az „A” esetcsoporthoz csúcsminőségű világítást alkalmazó irodai terek tartoznak (1–3) ***, míg a „B” esetcsoport olyan irodai tereket tartalmaz, ahol gyengébb minőségű világítást használnak **. Az 1. esetcsoport esetében a világítás automatikus világításvezérlés nélkül valósul meg, a fények kézi fel- és lekapcsolásával. A 2. esetcsoportban használt világítási rendszer automatikus jelenlét- és/vagy távollétvezérléssel rendelkezik „kézi felkapcsolás/automatikus lekapcsolás” módban. A 3. esetcsoport a 2. csoport automatikus világításvezérlését alkalmazza, amely azonban a természetes fénymennyiség szerinti vezérléssel is kiegészül. Végül a 4. esetcsoport a 3. csoport automatikus világításvezérlését alkalmazza, kiegészítve a folyamatos világításvezérléssel. Minden számításnál éves szinten tD = 2250 h és tN = 250 h értéket feltételeztünk. A1 eset: Nincs vezérlés, csúcsminőségű világítást alkalmazó irodai tér, közepes mennyiségű természetes fény. 6.2. táblázat A LENI tényező számításának eredményei az adott példa esetén, A1 eset Típus Zárt iroda Nyitott iroda Konferencia csarnok Másoló helyiség
Mért ékegy ségek
A [m2]
12
AÖssz es
PE
PC
PN
FC
FA
FOC
FO
FDS
FDC
FD
LENI
E [kWh/ év]
16
192
1
0
25
1
0,4
1
0,8
0,7
0,3
0,85
44,39
8521,92
1
240
240
1
0
25
1
0
1
1
0,7
0,3
0,85
55,23
13255,5
1
60
60
1
0
25
1
0,5
1
0,7
0,7
0,3
0,85
38,96
2337,71
0,7
0,3
0,85
23,78
380,43
1
3,25
130
0,89
28,11
2529,75
1
27,25
872
[m2]
1
16
16
1
0
15
1
0,5
1
0,7
Irattárak
1
40
40
1
0
15
1
0,98
1
0,06
Előcsarnok Egészségügy i létesítménye k
1
90
90
1
0
15
1
0,4
1
0,8
1
32
32
1
0
15
1
0,5
1
0,7
ÖSSZESEN:
LENI összesen:
670
0,51
0,3
28027,31
41,83181
154
A2 eset: Jelenlétvezérléssel (kézi felkapcsolás/automatikus lekapcsolás), csúcsminőségű világítást alkalmazó irodai tér, közepes mennyiségű természetes fény. 6.3. táblázat A LENI tényező számításának eredményei az adott példa esetén, A2 eset Típus Zárt iroda Nyitott iroda Konferencia csarnok Másoló helyiség
Mérté kegys égek
A [m2]
12
AÖssze
PC
PN
FC
FA
FOC
FO
FDS
FDC
FD
LENI
E [kWh/ év]
1
5
25
1
0,4
0,8
0,6
0,7
0,3
0,853
37,11
7125,467
240
1
5
25
1
0
0,8
1
0,7
0,3
0,853
58,80
14 113,03
60
1
5
25
1
0,5
0,8
0,5
0,7
0,3
0,853
31,69
1901,321
0,7
0,3
0,853
20,84
333,4789
1
6,82
272,9224
0,8929
24,90
2241,386
1
30,82
986,3379
s
P
[m2]
E
16
192
1
240
1
60
1
16
16
1
5
15
1
0,5
0,8
0,5
Irattárak
1
40
40
1
5
15
1
0,98
1
0,06
Előcsarnok Egészségügy i létesítménye k ÖSSZESEN :
1
90
90
1
5
15
1
0,4
0,8
0,6
1
32
32
1
5
15
1
0,5
1
0,7
0,51
0,3
670
LENI összesen:
26 973,95
40,25962
A3 eset: Jelenlétvezérléssel (kézi felkapcsolás/automatikus lekapcsolás) és természetes fénymennyiség szerinti világításvezérléssel, csúcsminőségű világítást alkalmazó irodai tér, közepes mennyiségű természetes fény. 6.4. táblázat A LENI tényező számításának eredményei az adott példa esetén, A3 eset Típus Zárt iroda Nyitott iroda Konferencia csarnok Másoló helyiség
Mért ékegy ségek
A [m2]
12
AÖssze
PC
PN
FC
FA
FOC
FO
FDS
FDC
FD
LENI
E [kWh/ év]
1
5
25
1
0,4
0,8
0,6
0,7
0,77
0,6227
29,34
5633,123
240
1
5
25
1
0
0,8
1
0,7
0,77
0,6227
45,85
11 003,98
60
60
1
5
25
1
0,5
0,8
0,5
0,7
0,77
0,6227
25,21
1512,69
16
16
1
5
15
1
0,5
0,8
0,5
0,7
0,77
0,6227
16,96
271,2979
1
6,82
272,9224
0,51
0,77
0,7251
21,51
1935,588
1
30,82
986,3379
s
P
[m2]
E
16
192
1
240
1 1
Irattárak
1
40
40
1
5
15
1
0,98
1
0,06
Előcsarnok Egészségügyi létesítménye k
1
90
90
1
5
15
1
0,4
0,8
0,6
1
32
32
1
5
15
1
0,5
1
0,7
ÖSSZESEN:
670
LENI összesen:
32,2626
21615,94
A4 eset: Jelenlétvezérléssel (kézi felkapcsolás/automatikus lekapcsolás), természetes fénymennyiség szerinti világításvezérléssel, és folyamatos világításvezérléssel, csúcsminőségű világítást alkalmazó irodai tér, közepes mennyiségű természetes fény. 6.5. táblázat A LENI tényező számításának eredményei az adott példa esetén, A4 eset Típus Zárt iroda Nyitott iroda Konferenciacsarnok Másoló helyiség Irattárak
Mértékegysége k
A [m2]
12
AÖssze
P
P
P
[m2]
E
C
N
16
192
1
5
25
1
240
240
1
5
25
1
60
60
1
5
25
1
16
16
1
5
15
1
40
40
1
5
15
s
FC 0, 9 0, 9 0, 9 0, 9 0, 9
155
FA
FO C
FO
FDS
FDC
FD
LEN I
E [kWh/ év]
0,4
0,8
0,6
0,7
0,77
0,6227
26,86
5157,614
0
0,8
1
0,7
0,77
0,6227
41,72
10013,34
0,5
0,8
0,5
0,7
0,77
0,6227
23,15
1388,859
0,5
0,8
0,5
0,7
0,77
0,6227
15,72
251,485
0,98
1
0,06
1
6,60
263,9224
Előcsarnok Egészségügyi létesítmények
1
90
90
1
5
15
1
32
32
1
5
15
0, 9 0, 9
0,4
0,8
0,6
0,5
1
0,7
0,5 1
0,77
0,7251
19,81
1783,187
1
28,20
902,3379
670
ÖSSZESEN:
LENI összesen:
19760,74
29,49365
B1 eset: Nincs vezérlés, közepes minőségű világítást alkalmazó irodai tér, közepes mennyiségű természetes fény. 6.6. táblázat A LENI tényező számításának eredményei az adott példa esetén, B1 eset Típus
Mértékegységek
A [m2]
AÖsszes [m2]
PE
PC
PN
FC
FA
FOC
FO
FDS
FDC
FD
LENI
E [kWh/ év]
12
16
192
1
0
20
1
0,4
1
0,8
0,7
0,3
0,853
35,71
6855,936
1
240
240
1
0
20
1
0
1
1
0,7
0,3
0,853
44,39
10652,4
1
60
60
1
0
20
1
0,5
1
0,7
0,7
0,3
0,853
31,37
1882,17
0,7
0,3
0,853
23,78
380,434
1
3,25
130
0,8929
28,11
2529,747
1
27,25
Zárt iroda Nyitott iroda Konferenciacsarnok Másoló helyiség
1
16
16
1
0
15
1
0,5
1
0,7
Irattárak
1
40
40
1
0
15
1
0,98
1
0,06
Előcsarnok Egészségügyi létesítmények
1
90
90
1
0
15
1
0,4
1
0,8
1
32
32
1
0
15
1
0,5
1
0,7
0,51
0,3
872
670
ÖSSZESEN:
LENI összesen:
23302,69
34,78013
B2 eset: Jelenlétvezérléssel (kézi felkapcsolás/automatikus lekapcsolás, közepes minőségű világítást alkalmazó irodai tér, közepes mennyiségű természetes fény. 6.7. táblázat A LENI tényező kiszámításainak eredményei az adott példa esetén, B2 eset Típus Zárt iroda Nyitott iroda Konferencia csarnok Másoló helyiség
Mért ékegy ségek
A [m2]
12
AÖssze s
PE
PC
PN
FC
FA
FOC
FO
FDS
FDC
FD
LENI
E [kWh/ év]
16
192
1
5
20
1
0,4
0,8
0,6
0,7
0,3
0,853
30,60
5875,979
1
240
240
1
5
20
1
0
0,8
1
0,7
0,3
0,853
47,96
11509,93
1
60
60
1
5
20
1
0,5
0,8
0,5
0,7
0,3
0,853
26,27
1575,934
0,7
0,3
0,853
20,84
333,4789
1
6,82
272,9224
0,8929
24,90
2241,386
1
30,82
[m2]
1
16
16
1
5
15
1
0,5
0,8
0,5
Irattárak
1
40
40
1
5
15
1
0,98
1
0,06
Előcsarnok Egészségügyi létesítménye k
1
90
90
1
5
15
1
0,4
0,8
0,6
1
32
32
1
5
15
1
0,5
1
0,7
ÖSSZESEN:
670
LENI összesen:
34,02384
0,51
0,3
986,3379 22795,97
B3 eset: Jelenlétvezérléssel (kézi felkapcsolás/automatikus lekapcsolás) és természetes fénymennyiség szerinti világításvezérléssel, közepes minőségű világítást alkalmazó irodai tér, közepes mennyiségű természetes fény. 6.8. táblázat A LENI tényező számításának eredményei az adott példa esetén, B3 eset Típus Zárt iroda Nyitott iroda Konferenciacsarnok Másoló helyiség
Mértékegysége k
A [m2 ]
AÖssze
P
P
[m2]
E
C
12
16
192
1
1
240
240
1
60
1
16
PN
FC
FA
5
20
1
0,4
1
5
20
1
60
1
5
20
16
1
5
15
s
FO
FO
FDS
FDC
0,8
0,6
0,7
0,77
0
0,8
1
0,7
0,77
1
0,5
0,8
0,5
0,7
0,77
1
0,5
0,8
0,5
0,7
0,77
156
C
FD 0,622 7 0,622 7 0,622 7 0,622 7
LEN I
E [kWh/ év]
24,39
4682,104
37,59
9022,694
21,08
1265,029
16,96
271,2979
Irattárak
1
40
40
1
5
15
1
0,98
1
0,06
Előcsarnok Egészségügyi létesítmények
1
90
90
1
5
15
1
0,4
0,8
0,6
1
32
32
1
5
15
1
0,5
1
0,7
0,51
0,77
1 0,725 1
6,82
272,9224
21,51
1935,588
1
30,82
986,3379
670
ÖSSZESEN:
LENI összesen:
18435,97
27,51638
B4 eset: Jelenlétvezérléssel (kézi felkapcsolás/automatikus lekapcsolás), természetes fénymennyiség szerinti világításvezérléssel, és folyamatos világításvezérléssel, közepes minőségű világítást alkalmazó irodai tér, közepes mennyiségű természetes fény. 6.9. táblázat A LENI tényező számításának eredményei az adott példa esetén, B4 eset Típus Zárt iroda Nyitott iroda Konferenciacsarnok Másoló helyiség Irattárak Előcsarnok Egészségügyi létesítmények
Mértékegysége k
A [m2 ]
AÖssze s
PE
12
16
192
1
240
1
P
P
C
N
1
5
20
240
1
5
20
60
60
1
5
20
1
16
16
1
5
15
1
40
40
1
5
15
[m2]
1
90
90
1
5
15
1
32
32
1
5
15
ÖSSZESEN:
670
LENI összesen:
25,22205
FC 0, 9 0, 9 0, 9 0, 9 0, 9 0, 9 0, 9
FA
FO C
FO
FDS
FDC
FD
LENI
E [kWh/ év]
0,4
0,8
0,6
0,7
0,77
0,6227
22,41
4301,697
0
0,8
1
0,7
0,77
0,6227
34,29
8230,178
0,5
0,8
0,5
0,7
0,77
0,6227
19,43
1165,964
0,5
0,8
0,5
0,7
0,77
0,6227
15,72
251,485
0,98
1
0,06
1
6,60
263,9224
0,7251
19,81
1783,187
1
28,20
902,3379
0,4
0,8
0,6
0,5
1
0,7
0,5 1
0,77
16898,77
A 6.1. ábrán a LENI index értéke látható az egyes helyiségtípusoknál (1–7) mind a 8 esetre vonatkozóan.
157
60 55 50 45
LE N I (kW h /m 2 a )
40 35 30 25 20 15 10 5 0 A1
A2
A3
A4
B1
B2
B3
B4
Case / Slučaj 1
2
3
4
5
6
7
6.1. ábra LENI index helyiségek szerint A 6.2. ábra a LENI index összesített értékét mutatja az egész épületben mind a 8 esetre vonatkozóan.
158
45
40
35
LENI (kW h/m 2 a)
30
25
20
15
10
5
0 (A, B) 1
(A, B) 2
(A, B) 3
(A, B) 4
Case / Slučaj ***
**
6.2. ábra Az épület LENI indexei Az egyes helyiségek és az egész épület LENI indexeinek elemzéséből bizonyos következtetések vonhatók le. Legnagyobb hatás: - helyiség célja, vagyis az az időtartam, ameddig az alkalmazottak a helyiségben tartózkodnak, így a nyitott (közös) irodai helyiség LENI indexértéke a legmagasabb és az irattáré a legalacsonyabb, - kiválasztott fényminőség, nyilvánvalóan úgy, hogy a magasabb minőségi szint magasabb LENI indexértéket jelent („A” és „B” csoport az 1-es, 2-es és 3-as irodai helyiségekben). Az automatikus világításvezérlésnek negatív hatása lehet azokban a helyiségekben, ahol az alkalmazottak rövid ideig tartózkodnak (5-ös helyiség – irattár), aminek oka a vezérlőeszközök parazita energiavesztesége. A különböző automatikus világításvezérlési módok alkalmazása általában a LENI index csökkenését eredményezi az épület egészében, természetesen a természetes fény jobb kihasználása és hatékonyabb fényforrások alkalmazása mellett.
6.2. Világítás egy átlagos, három hálószobás lakásban A világon tapasztalható energiaárak semmi esetre sem mutatnak csökkenő tendenciát. Ebből arra lehet következtetni, hogy az energia – és különösen a villamos energia – ára évről évre bizonyos mértékben nőni fog. A civilizációs szint fenntartásához az épületek (lakó- és irodaépületek) tulajdonosainak és felhasználóinak hatékony és eredményes energiamegtakarítási módokat kell kidolgozniuk. A világításhoz kapcsolódó villamosenergiaköltségek részaránya globálisan 25%, így e terület megtakarításai jelentős költségvetési 159
elemet képviselhetnek. Az új generációs LED égők és fényforrások megjelenésével már rendelkezésre áll az a technológia, amellyel jelentős világítási energia takarítható meg. Az energiamegtakarításra alkalmas új LED égőket olyan, nagy fényerejű világító diódákkal tervezték, amelyek a világítás minden területén ugyanolyan vagy jobb jellemzőket mutatnak, mint a hagyományos izzók (E27, E14, GU10, GU5.3). Az új generációs LED égők használatából adódó energiamegtakarítás illusztrálására egy átlagos, három hálószobás lakást vizsgálunk meg. A) Lakás jelenlegi világítása hagyományos izzókkal • Nappali szoba – 4 égős mennyezeti fényforrással megvilágítva 4 égő, E14 foglalat üzemi feszültség: 230 V teljesítmény: 4 x 25 W fényáram: 4 x 210 lm •
Konyha – mennyezetről lógó egy égős fényforrással megvilágítva 1 égő, E27 foglalat üzemi feszültség: 230 V teljesítmény: 60 W fényáram: 620 lm
•
1. hálószoba – egy égős mennyezeti lámpával és két, egyenként egy égős éjjeli lámpával megvilágítva 3 égő, E27 foglalat üzemi feszültség: 230 V teljesítmény: 3 x 40 W fényáram: 3 x 400 lm 2. hálószoba – egy égős mennyezeti lámpával és két, egyenként egy égős éjjeli lámpával megvilágítva 3 égő, E27 foglalat üzemi feszültség: 230 V teljesítmény: 3 x 40 W fényáram: 3 x 400 lm
•
•
Fürdőszoba – egy égős fali fényforrással megvilágítva égő, E27 foglalat üzemi feszültség: 230 V teljesítmény: 60 W fényáram: 620 lm
•
Hall – egy égős mennyezeti fényforrással megvilágítva égő, E27 foglalat üzemi feszültség: 230 V teljesítmény: 60 W fényáram: 620 lm
160
JAVASLATOK ENERGIAMEGTAKARÍTÁSI MÓDOKRA ÉS ELJÁRÁSOKRA EGY HÁROM HÁLÓSZOBÁS LAKÁS ESETÉN 1. Racionális világításhasználat 2. Meglévő hagyományos izzók lecserélése új LED égőkre 3. Modern elektronikus világításvezérlő eszközök beszerelése 1. Racionális világításhasználat Napjaink életmódja minden családban egyre nagyobb energiaszükségletet teremt. Másrészről ugyanakkor a villamos energia ára gyors ütemben nő, és jelentős hatással van a háztartások költségvetésére, így minden családnak más mindennapi életstílusra kell áttérnie. Ez azt jelenti, hogy a lakás valamennyi energiafogyasztó berendezését a lehető legracionálisabban kell használni. A világítást csak akkor szabad használni, amikor arra valóban szükség van. Ha elfogadjuk ezeket a viselkedésbeli változtatásokat, akár 20%-os villamosenergiamegtakarítást is elérhetünk a világítás területén. Ez az energiamegtakarítási mód nem igényel külön pénzügyi befektetést. 2. Meglévő hagyományos izzók lecserélése új LED égőkre Horvátország és a világ legtöbb lakóépületében ma is hagyományos izzókat használnak, amelyek az energiának mindössze 5%-át alakítják fénnyé. A félvezető-technológia kifejlődése megteremtett egy teljesen új fényforrást: a „LED égőket”, amelyekkel akár 90% villamos energia is megtakarítható. Mivel a LED égők foglalata és háza megegyezik a hagyományos izzókéval, könnyedén beszerelhetők azok helyett, és idővel jelentős megtakarítással kecsegtetnek. 6.10. táblázat Egy három hálószobás lakás villamosenergia-költségeinek összehasonlítása hagyományos izzók és LED égők használata esetén
Műszaki jellemzők Égők teljes száma Felszerelt égők összteljesítménye Üzemi feszültség Elektromos Naponta energiafogyasztás Havonta (4 h naponta) Évente Elektromos energiamegtakarítás %-a
Izzó 13 egység 520 W
LED égő 13 egység 47 W
230 V 2080 Wh 62,4 kWh 748,8 kWh 0%
230 V 188 Wh 5,6 kWh 67,68 kWh 90%
A 6.10. táblázat a világítással kapcsolatos villamosenergia-költségeket és a LED égőkkel való összehasonlítást tartalmazza. A teljes világítási rendszer cseréjével 90%-os villamosenergiamegtakarítás valósítható meg úgy, hogy a helyiségek megvilágítása továbbra is megfelelő lesz. 161
4. Modern elektronikus világításvezérlő eszközök beszerelése Az elektronikus áramkörök fejlődése olyan világításvezérlő modulok megalkotásához vezetett, amelyek érzékelők segítségével automatizálják a fényforrások fel- és lekapcsolását. Ez teljes felhasználásvezérlést jelent azokban a helyiségekben, amelyekben a lakók bizonyos időszakokban tartózkodnak. A vezeték nélküli kommunikáció „intelligens” világítási rendszereket tett lehetővé. Az intelligens világítási rendszerek egy, a lakásban elhelyezett központi egységet tartalmaznak, amely teljes egészében vezérli a világítást, vagyis bármikor képes fel- vagy lekapcsolni bármely égőt. Másik összetevőjük egy vezeték nélküli berendezés (mobiltelefon vagy számítógép), amelynek segítségével a világ bármely részéről vezérelhető a világítás. Az intelligens rendszerek biztonsági szempontból is előnyösek, hiszen ha a lakás üres, normál esetben éjszaka minden lámpa le van kapcsolva, ez pedig a potenciális betörő számára egyértelműen jelzi, hogy nincs senki a lakásban. Intelligens rendszerrel szabályos vagy véletlenszerű időközönként is felkapcsolhatók az égők, és így azt a benyomást kelthetik, hogy a lakók otthon vannak.
6,3. Lépcsőház-világítás társasházakban A társasházak lépcsőházai az esetek többségében az épületeken belül vannak kialakítva úgy, hogy semmilyen vagy csak nagyon ki nyílásokkal rendelkeznek a természetes fény beeresztésére. A világítás általában fénycsövekkel vagy hagyományos izzókkal történik. Néhány évvel ezelőtt előrelépést sikerült elérni a villamosenergia-fogyasztás csökkentése terén azáltal, hogy a hagyományos izzók helyett energiatakarékos égőket helyeztek be, ami 60–70 %-os megtakarítást eredményezett. A villamos energia árának emelkedése a világítási költségeket is jelentősen megnövelte, így fokozódott az igény az új energiamegtakarítási módszerek és eljárások iránt. Egy épület lépcsőházának jelenlegi helyzetét a 6.11. ábra mutatja 6.11. táblázat A lakóépületi lépcsőházak villamosenergia-fogyasztásának tervezésében és megbecslésében szerepet játszó paraméterek
Lakosok száma Felszerelt égő típusa Lámpafoglalatok száma Átlagos havi elektromos energiafogyasztás (havi) Mért intervallum Világítás működésbe hozásának átlagos száma Világítás működésének automatizált időtartama Világítás átlagos napi működése
Műszaki adatok 55 ember 25 W-os energiatakarékos égő 22 foglalat 149,8 kWh Reggel 6 órától délután 3 óráig 145
Délután 3 órától éjjel 12 óráig 116
80 másodperc
80 másodperc
3,2 óra
2,6 óra
162
JAVASLATOK ENERGIAMEGTAKARÍTÁSI MÓDOKRA ÉS ELJÁRÁSOKRA EGY LÉPCSŐHÁZ ESETÉN 1. Meglévő izzók lecserélése új LED égőkre 2. Modern elektronikus világításvezérlő eszközök beszerelése 3. Fénycsatornák elhelyezése 4. Világítás táplálása fotovoltaikus rendszerekkel 1. Meglévő izzók lecserélése új LED égőkre A jelenlegi energiatakarékos izzókat új generációs, 10 W átlagos teljesítményű LED égőkre kell lecserélni. Ezzel az egyszerű cserével 60%-kal csökkenthető az energiafogyasztás. Az ehhez szükséges befektetés nagyjából 2 év alatt térülne meg. 2. Modern elektronikus világításvezérlő eszközök beszerelése A jelenlegi rendszert alapvetően az jellemzi, hogy minden lámpa ég akkor is, ha csak egyetlen személy tartózkodik valahol az épületben. Az új generációs elektronikus vezérlőáramkörök mozgásérzékelőkkel kiegészítve lehetővé fogják tenni a lépcsőházi világítás racionalizálását. A mozgásérzékelők csak azon az emeleten fogják felkapcsolni a lámpákat, ahol az illető személy tartózkodik.
6.3. ábra Lépcsőházi világítás egy épületben (1 – Érzékelők 2 – Az egyes szintek égői, 3 – Elektronikus világításvezérlő áramkör) 3. Fénycsatornák elhelyezése A lépcsőházakat általában a természetes fény beeresztésére szolgáló nyílások nélkül alakítják ki, esetleg nagyon kis ablakokkal az épület bejáratának vagy teraszának közelében, így nappal is mesterséges fényre van szükség. Innovatív megoldás lehet a fénycsatornák használata. A fénycsatorna a lépcsőház valamennyi szintjére eljuttatja a Nap fényét, így villamos energia felhasználása nélkül világítja meg a teret. A fénycsatornák a fényenergiára vonatkozó fizikai törvényeket aknázzák ki, célszerűen és hatékonyan akár 4-szer annyi fényt biztosítva, mint a hagyományos fénycsövek. 163
6.4. ábra Fénycsatorna 4. Világítás táplálása fotovoltaikus rendszerekkel Fotovoltaikus rendszerekkel minden kétséget kizáróan hatékonyan csökkenthető az épületek villamosenergia-fogyasztása. A fotovoltaikus rendszer egy önálló rendszer, amely a napenergiából villamos energiát állít elő. A létrehozott villamos energia szolár akkumulátorokban tárolódik, és a lépcsőházi világítást táplálja. A lépcsőházi világítást tápláló fotovoltaikus rendszereket a leghatékonyabb LED égőkkel kell együtt használni. A rendszer önállóan működik, és mintegy 25 évig szolgáltat villamos energiát energiaköltségek felmerülése nélkül [1].
6.5. ábra Fotovoltaikus rendszer működési vázlata
164
A rendszer alapvető összetevői: 1. Fotovoltaikus modulok (PV-modul) 2. Szabályozó 3. DC/AC inverter 4. Akkumulátor 5. Lépcsőházi égők
6,4. Tantermek világítása (gyakorlati oktatás) A Horvát Köztársaság többi iskolájához hasonlóan a sisaki műszaki szakiskola is hagyományos fénycsövekkel biztosítja a tantermek, irodák és folyosók világítását, mivel azok számos előnyt kínálnak a normál izzókhoz képest: • Akár 70 %-kal alacsonyabb villamosenergia-fogyasztás • A természetes fényhez legközelebb álló színhőmérséklet (6500 K) • Hosszabb élettartam: akár 9000 üzemóra Mindezen pozitívumok mellett ugyanakkor a fénycsöveknek számos hátránya is van: • Stroboszkóphatás (a fény villódzása a hálózati feszültség frekvenciájának ritmusában) • Káros UV-sugárzás • Ökológiai és egészségügyi kockázat, mert a fénycsövek jelentős mennyiségű higanygőzt tartalmaznak • Megfelelő működésükhöz indítókapcsolós eszközök szükségesek (előtét és gyújtó) Egy átlagos tanterem jelenlegi világítási feltételei: A gyakorlati tanteremben 12 hagyományos fénycsöves világítótest található, melyek mindegyike két 36 W-os, 1200 mm hosszúságú fénycsövet tartalmaz, így összesen 24 FC cső van használatban. A világítótestek a mennyezeten, 4 m magasságban helyezkednek el. Az osztályterem átlagos luminanciája 200 lx. Az iskolapadok luminanciáját egy CEM DT-21 fénymérővel mérik. A fénycsövek összesített teljesítménye 648 W, ami éves szinten nagyjából 1892.16 kWh fogyasztást jelent, 6 órás átlagos napi használatot feltételezve. Az indítókapcsolós eszközök fogyasztását ez a villamosenergia-fogyasztási adat nem tartalmazza, annak mértéke kb. 7 %. JAVASLATOK ENERGIAMEGTAKARÍTÁSI MÓDOKRA ÉS ELJÁRÁSOKRA EGY TANTEREM ESETÉN 1. Meglévő világítás lecserélése új LED csövekre 2. Racionális világításhasználat 1. Meglévő fénycsövek lecserélése új LED csövekre Az iskolai tantermeket meghatározott műszaki paraméterek alapján kell kivilágítani, és legtöbbször a természetes fény nem elegendő az órák megtartásához. Ez jellemző az év őszi és téli időszakára. Ezekben a hónapokban fel kell kapcsolni a tantermi lámpákat. A leghatékonyabban a meglévő fénycsövek LED csövekre való lecserélésével lehetne villamosenergia-megtakarítást elérni. A LED csövek méretei megegyeznek a fénycsövekével, vagyis a gyújtót és az előtétet le kell szerelni, és a LED csöveket közvetlenül a 230 V-os feszültségre kell rákötni. Így 50%-os energiamegtakarítás valósítható meg, a tanulási tér jobb megvilágítása mellett. A LED csövek nem bocsátanak 165
ki káros UV-sugárzást és nem okoznak stroboszkóphatást. 2. Racionális világításhasználat Az iskolai tevékenységek közül az oktatás az első számú prioritás, így a tanulási tereket a legszigorúbb követelmények szerint kell megvilágítani. A racionális világításhasználatot az azért felelős iskolai személyzet vagy maguk a diákok felügyelhetik azáltal, hogy csak az órák időtartamára kapcsolják fel a lámpákat. Az órák befejeződése után a lámpák lekapcsolhatók, és energiamegtakarítás érhető el. Az ilyen jellegű energiamegtakarításokat természetesen csak a középületekre vonatkozó biztonsági szabványok betartásával szabad megvalósítani, vagyis mindig jelen kell lennie valamilyen aktív világításnak.
166
7. VÉGKÖVETKEZTETÉS Az energiahatékony építőmérnöki tevékenység egyik sarokköve minden bizonnyal a beltéri elektromos világítás racionalizálása lehet. Ugyanakkor az adott térségtől függően mindig be kell tartani a megfelelő szabványokban a minimális megvilágítási szintre vonatkozóan előírt követelményeket. Ugyanekkora jelentősége van az adott létesítmény céljait szem előtt tartó vezérlőrendszereknek, hiszen azokkal is megtakarítások realizálhatók. Az ilyen rendszerek képesek érzékelni, hogy egy adott helyiséget éppen használnak-e vagy sem, vagyis hogy tartózkodik-e bennük valaki, és nagyszerű lehetőségeket kínálnak a megfelelő szintű luminancia fenntartására is a mesterséges fény szabályozásával, illetve a mesterséges és a természetes fény kihasználásával. Ez a kötet áttekinti az emberiség történelme során használt fényforrásokat és az elektronikus világításhoz használt egyes technológiák kifejlesztésének történetét, különös hangsúlyt fektetve a LED-es világításban rejlő új lehetőségekre. A szerzők nagy erőfeszítéseket tettek annak érdekében, hogy a beltéri világítás meglehetősen speciális témakörét közérthető nyelven mutassák be, és egyszerűen vázolják fel az energiahatékony világítás lehetőségeit, hogy az széles körben használható legyen a diákok, valamint az építőmérnöki területen dolgozó mérnökök és szakértők számára. A kötet részletesen górcső alá veszi a témát, 116 ábrával és 56 táblázattal, amelyek egyértelműbbé és érthetőbbé teszik a mondanivalót. A kötet lényegében nem tér ki a fizikai modellek ismertetésére, amelyeket szükségszerűen bőséges előismereteket igénylő komplex matematikai egyenleteknek kellene követnie. Semmi kétség nem lehet afelől, hogy az építőiparban tevékenykedő minden résztvevőnek együtt kell működnie és szinergiát kell, hiszen energia- és pénzmegtakarítás csak akkor érhető el, ha minden résztvevő nyitott a kommunikációra és az egyéb szakterületek problémáinak megértésére, és hajlandó új megoldásokat javasolni, alkalmazni és kipróbálni.
167
8. HIVATKOZÁSOK [1.1] Andrassy, M., Boras, I., Švaić, S., „Osnove termografije s primjenom“, Kigen d.o.o., Zagreb, 2008. [1.2] http://issuu.com/lightonline/docs/lighting-handbook-indal-guide, pristup: svibanj 2012. [1.3] Međunarodna komisija za osvjetljenje (Commission Internationale de l´Eclairage – C.I.E.) – http://www.cie.co.at, pristup: ožujak 2012. [1.4] „The IESNA Lighting Handbook – References and Application“, 9. Izdanje, IESNA, New York, SAD 2000. [1.5] Bouma, H., „Receptive systems mediating certain light reactions of the pupil of the human eye“, Philips Research Report Supplements, no. 5., Eindhoven, Netherlands: Philips Research Laboratories, 1965. [1.6]
Weale, R. A., „The senescence of human vision“, New York: Oxford University Press. 1992.
[1.7]
Dowling, J. A., „The site of visual adaptation“, Science 155(3760), 273-279, 1967.
[1.8] Ganslandt, R., Hofmann, H., „Handbook of Lighting Design“, ERCO Leuchten GmbH, Germany, 1. Edition, 1992. [1.9]
http://idesigniphone.com/spanish-architecture, pristup: svibanj 2012.
[1.10] http://easyhiker.co.uk/using-bricks-in-buildings-in-northern-germany/, pristup: svibanj 2012. [1.11] „Priručnik za energetsko certificiranje zgrada“, Program Ujedinjenih naroda za razvoj – UNDP, Tiskara Zelina, 2010. [2.1]
Ganslandt, R., Hofmann, H., „Handbook of Lighting Design“, ERCO Leuchten GmbH, Germany, 1. Edition, 1992.
[2.2]
Krajcar, S., Šribar, A., Lugarić, L., „Svjetlotehničke veličine i jedinice“', Skripta s predavanja FER, Zagreb.
[2.3]
http://www.fer.unizg.hr/_download/repository/Predavanje2%5B4%5D.pdf, pristup: travanj 2012.
[2.4]
Međunarodni SI sustav, http://physics.nist.gov/cuu/Units/candela.html , pristup: travanj 2012.
[2.5]
http://issuu.com/lightonline/docs/lighting-handbook-indal-guide, pristup: svibanj 2012.
[2.6]
http://www.eizo.com.au/support/wp/pdf/Monitor_Proofing_Standards.pdf, Norma EN 12646, pristup: lipanj 2012. 168
[2.7]
Međunarodna komisija za osvjetljenje (Commission Internationale de l´Eclairage – C.I.E.) – http://www.cie.co.at, pristup: ožujak 2012.
[2.8]
Skansi, R., „Parametri svjetla u kontekstu javne rasvjete“, Elicom d.o.o., Zagreb, 1993., http://www.elicom.hr/dokumenti/opcenito_jr.pdf, pristup: travanj 2012.
[2.9]
„The IESNA Lighting Handbook – References and Application“, 9. Izdanje, IESNA, New York, SAD 2000.
[2.10] Krajcar, S., Šribar, A., Lugarić, L., „Izvori svjetlosti“, Skripta s predavanja FER, Zagreb, pristup: svibanj 2012., http://www.fer.unizg.hr/_download/repository/Predavanje3%5B4%5D.pdf [2.11] Krajcar, S., Šribar, A., Lugarić, L., „Žarulje na izboj“, Skripta s predavanja FER Zagreb, pristup: svibanj 2012. http://www.fer.unizg.hr/_download/repository/Predavanje4%5B3%5D.pdf [3.1]
http://www.iar.unicamp.br/lab/luz/ld/normas%20e%20relat%F3rios/en_151931_energy_requirements_for_lighting.pdf, pristup: svibanj 2012.
[3.2] Rob van Heur „ENERGY EFFICIENCY – Lighting“; Laborelec; 2007.; www.leonardo-energy.org [3.3] Rialhe, A., Lenormand, P., „Lighting and Human Life“ AERE, Incub; 2007. [3.4] „Creating energy efficient office spaces“, Whitecroft Lighting; www.whitecroftlighting.com, pristup: svibanj 2012. [3.5] Sly, T., Broennimann, C., „DO LIGHTING CONTROLS REALLY SAVE ENERGY? An analysis of Energy Saving in Lighting Control Applications“, Infranet Partners; www.infranet-partners.co.uk, pristup: svibanj 2012. [4.1]
http://www.gradimo.hr/clanak/fluorescentne-cijevi/25537, pristup: ožujak 2012.
[4.2]
http://www.fanpop.com/spots/germany/images/477253/title/allianz-arena-photo, pristup: travanj, 2012.
[4.3]
http://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescent_lamp, pristup: ožujak 2012.
[4.4]
Perić, A., „Spektralne karakteristike veštačkih izvora UV zračenja – solarijumi“, Prirodoslovno matematički fakultet, Univerzitet u Novom Sadu, diplomski rad, Novi Sad, 2007.
[4.5]
Skansi, R., „Parametri svjetla u kontekstu javne rasvjete“, ELICOM d.o.o., Zagreb, 2003.
[4.6]
Krajcar, S., Šribar, A., Lugarić, L., „Izvori svjetlosti“, Sveučilište u Zagrebu, FER, 2009.
169
[4.7]
http://www.alibaba.com/product-gs/332063487/Cold_Cathode_Tube.html, pristup: travanj 2012.
[4.8]
Koš, M., „Prijelazna pojava kod uključenja izvora svjetlosti na izboj“, diplomski rad, mentor Stojkov, M., Sveučilište J. J. Strossmayera u Osijeku, ETF Osijek, 2011.
[4.9]
http://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescent_lamp_formats, pristup: ožujak 2012.
[4.10] http://hr.wikipedia.org/wiki/Fluorescentna_cijev, pristup: travanj 2012. [4.11] http://www.calaisturbo.com.au/showthread.php?t=224996, pristup: travanj 2012. [4.12] http://www.renewableenergygeek.ca/energy-efficiency/energy-saving-light-bulbsdangerous-to-health-and-environment-part-1/, pristup: travanj 2012. [4.13] http://en.wikipedia.org/wiki/Compact_fluorescent_lamp, pristup: ožujak 2012. [4.14] http://www.energysavers.gov/your_home/lighting_daylighting/index.cfm/, pristup: ožujak 2012. [4.15] Radivojević, N., „Istine i zablude o kompaktnim fluorescentnim izvorima kao alternativi klasičnim sijalicama“, Savetovanje „Osvetljenje 2009“ [4.16] http://www.yourhome.gov.au/technical/fs63.html, pristup: ožujak 2012.
[4.17] http://www.except.nl/consult/artificial-lighting-guide/index.htm, pristup: ožujak 2012. [4.18] http://home.howstuffworks.com/fluorescent-lamp4.htm, pristup: travanj 2012. [4.19] http://www.ustr.net/electronics/fluorescent.shtml, pristup: travanj 2012. [5.1]
Arsoski, S., „LED rasvjetna tehnologija i solarni rasvjetni stup“, SOLARNA TEHNOLOGIJA, Godina V, broj 10, 20-25, jesen 2009.
[5.2]
Farbaš, I., “Projektiranje javne rasvjete LED tehnikom”, diplomski rad, ETF Osijek, mentor Stojkov M., 2011.
[5.3]
www.cree.com, pristup: svibanj 2012.
[5.4]
www.osram-os.com, pristup: svibanj 2012.
[5.5]
www.luckysunny.lightstrade.com, pristup: svibanj 2012.
[5.6] www.ceramtec.com, pristup: veljača 2012. [5.7] www.thermacore.com, pristup: travanj 2012. [5.8]
www.nichia.co.jp, pristup: veljača 2012. 170
[5.9]
www.seulsemicon.com, pristup: travanj 2012.
[5.10] www.sharpleds.com, pristup: travanj 2012. [5.11] www.bbeled.com, pristup: travanj 2012. [5.12] www.szgoodland.com, pristup: travanj 2012. [5.13] www.leelux.com, pristup: travanj 2012. [6.1] Majdandžić, Lj., „Solarni sustavi“, Graphis, Zagreb, 2010.
171
