Op zoek naar criteria voor energie-efficiënt verlichten Catherine Lootens, Peter Hanselaer KaHo Sint-Lieven, Groen Licht Vlaanderen, Laboratorium voor Lichttechnologie, www.groenlichtvlaanderen.be Gebroeders Desmetstraat 1, B-9000 Gent, Belgium Tel: +32 9 265 87 13 Fax: +32 9 225 62 69 E-adres:
[email protected] SAMENVATTING Vandaag de dag wordt de “genormaliseerde vermogendichtheid” (in W/m².100lux) gebruikt als beoordelingscriterium voor de energie-efficiëntie van een verlichtingsinstallatie. Het premiesysteem dat kadert in het REG-actieplan van de distributienetbeheerders steunt ook op dit criterium en maximale waarden van 2 W/m².100lux voor kantoren en 2,5 W/m².100lux voor zwembaden en sporthallen worden vooropgesteld. Bij de berekening wordt het volledige vloeroppervlak, al dan niet met randzone, van de te verlichten ruimte als basis genomen. Met deze methode is het onmogelijk om de verlichting van winkelrekken, stapelrekken in opslagruimtes en muuroppervlakken te beoordelen. Meestal zit men voor dergelijke verlichtingsprojecten ver boven de vooropgestelde grens. In de recent ingevoerde Europese norm voor werkplekverlichting EN12464, gaat men uit van een specifiek taakoppervlak (horizontaal of verticaal: winkelrekken, schoolbord, schrijftafel) en bijhorende randzone. Groen Licht Vlaanderen ging daarom op zoek naar een alternatief, eenvoudig en gebruiksvriendelijk criterium, dat uitgaat van deze specifieke verlichtingstaak en rekening houdt met de randvoorwaarden voor een comfortabele verlichting. Het voorstel werd getoetst aan de praktijk. Wanneer het volledige vloeroppervlak als taakoppervlak kan beschouwd worden, worden de klassieke waarden voor de genormaliseerde vermogendichtheid teruggevonden. 1. INTRODUCTIE In 2002 ondertekende België, samen met de andere EU-lidstaten, het Kyoto protocol en verbond zich ertoe de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Als gevolg daarvan werd verschillende initiatieven opgestart om het energieverbruik te verminderen. De recent ingevoerde Europese Energieprestatieregelgeving vereist dan ook ingrijpende maatregelen van de verschillende actoren: fabrikanten, gebouwenbeheerders, bouwheren, technische diensten, energiebedrijven, … Al deze partijen dienen ervan overtuigd te worden dat deze energiebesparingen niet alleen leiden tot financiële winsten maar meestal ook uitmonden in betere kwaliteit. Om het totale energieverbruik te verminderen speelt verlichting een vooraanstaande rol. Het Europese “GreenLight” programma werd dan ook opgestart om het gebruik van energie-efficiënte verlichting te stimuleren. Deze Europese actie was vervolgens toonaangevend voor verschillende meer lokale initiatieven zoals Groen Licht Vlaanderen[1].
In Vlaamse kantoren vertegenwoordigt verlichting 32% van het primaire energiegebruik [2]. Energie-efficiënte verlichting kan naast de rechtstreekse besparingen, bovendien nog een bijkomende besparing induceren op vlak van airconditioning dankzij de verminderde warmteafgifte van de lampen [3]. Het energieverbruik dat wordt toegeschreven aan verlichting wordt in de eerste plaats bepaald door het geïnstalleerde vermogen, maar wordt eveneens beïnvloed door het aantal branduren en de eventuele dimming van de installatie. Een ‘intelligente’ verlichtingsinstallatie is dan ook voorzien van aanwezigheids- en/of daglichtafhankelijke controle. Eveneens belangrijk zijn de oriëntatie en de beraming van het gebouw die op hun beurt zorgen voor een optimale daglichttoetreding en resulteren in supplementaire energiebesparingen [4]. In deze bijdrage beperken we ons tot overwegingen aangaande het geïnstalleerde vermogen. Het actuele criterium voor energie-efficiënte verlichtingsinstallaties is gebaseerd op het specifieke vermogen, ook wel genormaliseerde vermogendichtheid of Normalized Power Density NPD (W/m².100lux) genoemd, en gaat ervan uit dat het standaard taakoppervlak (TA) ongeveer overeenstemt met het vloeroppervlak van de ruimte. Nochtans moet men, zoals blijkt uit de Europese standaard EN12464 voor “Werkplekverlichting”, vaststellen dat er taakoppervlakken en verlichtingssterktes worden gedefinieerd voor elke specifieke taak. Op die manier worden we dus genoodzaakt de berekening van het specifieke vermogen en zijn grenswaarden te herzien. Willen we komen tot een classificatiesysteem voor verlichtingsinstallaties m.b.t. energie-efficiëntie, dan zal een criterium met volgende karakteristieken moeten opgesteld worden: •
Mogelijkheid tot het invoeren van arbitraire taakoppervlakken
•
Eenvoudig en gemakkelijk in gebruik, maar accuraat en reproduceerbaar
•
Onafhankelijk van het gebruikte lichtberekeningsprogramma en aanverwante parameters
•
Toepasbaar voor verschillende ruimtes zoals kantoren, winkels, werkplekken, klaslokalen, gangen,…
•
Wijd verspreid en aanvaard
Naast het vereiste vermogencriterium zullen de eisen voor lichtkwaliteit en –comfort minstens moeten behouden blijven. 2. ACTUEEL CRITERIUM In verschillende landen worden al eisen gesteld aan het specifieke vermogen van gedeeltelijke en/of volledige gebouwen. De vermogendichtheid van een lokaal wordt berekend als het quotiënt van het elektrische vermogen tot het oppervlak van de vloer, waarbij de gemiddelde verlichtingssterkte niet wordt gespecificeerd. Wanneer deze vermogendichtheid gedeeld wordt door de gemiddelde verlichtingssterkte op een referentievlak (op 0,75m hoogte), kan men op eenvoudige wijze de verlichting in verschillende ruimtes gaan vergelijken. Deze genormaliseerde vermogendichtheid NPD of specifieke vermogen wordt uitgedrukt in W/(m2.100 lux).
Deze grootheid werd oorspronkelijk ontwikkeld om het energieverbruik van verlichting in kantoren te bestuderen. Gezien in open kantoorruimtes de bureaus op om het even welke plaats worden neergezet, wordt een goede uniformiteit van de verlichtingssterkte over het volledige referentievlak, dus het totale vloeroppervlak, vereist. In dergelijke situaties is het specifieke vermogen dus een goede maat voor de energie-efficiëntie van de verlichtingsinstallatie. De streefwaarden voor dit specifieke vermogen volgen uit een toepassing van de regels voor goede praktijk. Afhankelijk van de afmetingen van de ruimte, de reflectiewaarden van de oppervlakken, de lichtbron en de toepassing variëren de waarden tussen 2.5 and 1.9 W/(m2.100 lux) [5]. Dankzij nieuwe technieken (e.g. HID-lampen, holografische diffusers, elektronische voorschakelapparatuur) werd deze streefwaarde steeds kleiner. Het is duidelijk dat in winkels, klaslokalen en opslagruimtes het taakoppervlak totaal verschillend is van het vloeroppervlak. De Europese norm EN12464 voor “Werkplekverlichting”[6] definieert specifieke taakoppervlakken die zowel horizontaal, verticaal als schuin georiënteerd kunnen zijn. In dergelijke gevallen is het vooropgestelde specifieke vermogen niet van toepassing. De norm EN12464 verplicht ons dus om een nieuw criterium voor de energie-efficiëntie van verlichtingsystemen te overwegen. Daarnaast biedt de norm een leidraad voor vereisten met betrekking tot de kleurweergave, de verblinding en de minimale gemiddelde verlichtingssterkte van de verschillende taakoppervlakken, directe omgeving en referentievlakken. 3. GENORMALISEERDE VERMOGENDICHTHEID De energie-efficiëntie van een verlichtingsinstallatie hangt af van verschillende parameters. a. De efficiëntie van voorschakelapparatuur ηgear :
ηgear =
Plamp Psys
(1)
met Plamp en Psys het vermogen opgenomen door respectievelijk de lampen en het volledige systeem. De streefwaarde bedraagt minimaal 0,85. b. De specifieke lichtstroom van de lichtbronnen ηlamp :
ηlamp =
Φ ini lamp Plamp
(2)
met Φ ini lamp de initiële lichtstroom van de lampen. De streefwaarde bedraagt minimaal 70 lm/W. c. De efficiëntie van de armaturen uitgedrukt via de “Light Output Ratio” of LOR :
LOR =
Φ ini lum Φ ini lamp
(3)
met Φ ini lum de initiële lichtstroom komende uit de armaturen (in lumen). Streefwaarde bedraagt 0,75. Om armaturen met goede rendementen te fabriceren, moeten de productontwikkelaars hoogkwalitatieve materialen en technieken gebruiken.
d. De utilantie U correleert de lichtstroom afkomstig van de armaturen met de lichtstroom op het taakoppervlak en wordt gedefinieerd als:
U=
ini ΦTA Φ ini lum
(4)
ini de initiële lichtstroom op het taakoppervlak. met ΦTA
e. De degradatie in de tijd van de gehele installatie, weergegeven door de onderhoudsfactor MF :
MF =
fin ΦTA ini ΦTA
(5)
fin de lichtstroom op het taakoppervlak na verloop van tijd, rekening houdend met ΦTA
met branduren, lampdefect, vervuiling,… Streefwaarde bedraagt 0,75. Op die manier kan men stellen dat de uiteindelijke lichtstroom op een taakoppervlak als volgt kan geschreven worden: fin ΦTA = MF.U.LOR.ηlamp .ηgear .Psys
(6)
Zo vinden we voor de genormaliseerde vermogendichtheid NPD:
NPD =
Psys Φ
fin TA
[W / m 2 .100lux ] =
100 MF.U.LOR.ηlamp .ηgear
(7)
De streefwaarde voor de utilantie U dient nog bepaald te worden. 4. UTILANTIE De utilantie van een installatie is afhankelijk van •
De inplanting van de armaturen in de ruimte tot de positie van het taakoppervlak
•
De stralingspatronen van de armaturen
•
De reflectiewaarden van de materialen in de ruimte (indirecte bijdrage)
In deze studie nemen we de verhouding van de gemiddelde verlichtingssterkte van het niet-taakoppervlak tot dit van het taakoppervlak als basis om een lichtplanning (keuze en plaatsing van de armaturen) te evalueren. Hoe lager de verlichtingssterkte van het niet-taakoppervlak, hoe hoger de efficiëntie van het verlichtingssysteem. Wil men echter een uitstekend visueel comfort behouden, dan moet ook het niettaakoppervlak voorzien zijn van voldoende licht. Volgens de referenties [7] and [8] kan de verlichtingssterkte van het niet-taakoppervlak tot 50 % bedragen van die van het taakoppervlak. Men kan dus stellen dat voor een energie-efficiënte verlichtingsinstallatie volgende voorwaarde moet worden vervuld:
EnTA < 0.5ETA
(8)
met EnTA de gemiddelde verlichtingssterkte op het niet-taakoppervlak en ETA de gemiddelde verlichtingssterkte op het taakoppervlak. Op basis van (8) en een gemiddelde reflectie van muren, vloer, plafond en taakoppervlak van 50% , berekenden we als streefwaarde voor U:
U>
2 1 + 0.5
AnTA ATA
(9)
Wanneer de utilantie U veel hoger is dan deze streefwaarde worden hoge efficiënties bereikt maar dit ten koste van het visuele comfort, gezien de niet-taak oppervlakken weinig of niet zullen verlicht zijn. Wat betreft de berekening van de taak- en niet-taakoppervlakken mag de randzone zoals gedefinieerd in de norm EN12464 als taakoppervlak beschouwd worden. Horizontale taakoppervlakken boven de vloer “verbergen” gedeeltelijk het vloeroppervlak en moeten in mindering gebracht worden voor het niettaakoppervlak. Hetzelfde gebeurt met verticale vlakken ten opzichte van de muren. Indien echter het verticale taakoppervlak in het midden van de ruimte staat (zoals bij winkelrekken), moet dit als een additioneel oppervlak beschouwd worden.
Figuur 1: Taakoppervlakken (streepjeslijn) en niet-taak oppervlakken (volle lijn) in een ruimte. Wanneer we alle streefwaarden invullen in (7) vinden we een streefwaarde voor de genormaliseerd vermogendichtheid (in W/100 lm) gegeven door:
NPD < (1.5 + 0.75
AnTA ) ATA
(10)
Verlichtingsinstallaties die niet voldoen aan deze voorwaarde worden dus als niet energie-efficiënt beschouwd. Anderzijds moet men stellen dat deze streefwaarde geen garantie is voor een optimaal visueel comfort.
5. OVEREENSTEMMING MET HUIDIG CRITERIUM Na uitvoerige controle aan de hand van een standaard open kantoor waarbij het taakoppervlak overeenkomt met het vloeroppervlak op 0,75 cm hoogte, blijkt dat onze streefwaarde voor het specifieke vermogen 2,85 bedraagt. Verlichtingsinstallaties met een specifiek vermogen hoger dan 2,85 kunnen dus als niet energie-efficiënt worden geklasseerd. Dit stemt vrij goed overeen met de gangbare limietwaarde van 2,0 tot 2,5 W/m².100lux. 6. BESLUIT De genormaliseerde vermogendichtheid van een verlichtingsinstallatie is een maat voor zijn energie-efficiëntie. Tot op heden werd dit specifieke vermogen enkel gehanteerd voor taakoppervlakken die overeenstemmen met het vloeroppervlak van een ruimte. Vanwege de invoering van de norm EN12464 voor “Werkplekverlichting”, waar specifieke eisen worden gesteld aan de verlichting van taakoppervlakken, worden we genoodzaakt de streefwaarden voor het specifieke vermogen te herzien. Belangrijke parameter hierbij is de utilantie U, waarvoor we een nieuwe analytische uitdrukking voorstellen. Zo wordt een eenvoudig en algemeen bruikbaar criterium voor energie-efficiënte verlichting gedefinieerd dat rekening houdt met de eisen van een goed visueel comfort. Voor de standaard open kantoorruimtes stemmen de waarden afgeleid uit dit nieuwe criterium overeen met de eerder en alom aanvaarde streefwaarden. 7. DANK Dank aan IWT Vlaanderen en de leden van het consortium “Groen Licht Vlaanderen” voor de financiële steun. REFERENTIES [1] The implementation of Energy-Efficient Lighting in Flanders: ‘Groen Licht Vlaanderen’, C. Lootens, L. De Strycker, P. Hanselaer, Proc. IEECB06, Frankfurt, April 2006 [2] ‘Lighting in the Flemish Energy performance Regulation’, A. Deneyer, D. Van Orshoven, P. Wouters, Proc. IEECB04, Frankfurt, April 2004 [3]‘Saving Energy by Relighting: a Case Study’, F. Leloup, P. Hanselaer, R. Belmans, M. De Tavernier, Proc. IEECB04, Frankfurt, April 2004 [4] ‘Measured energy savings due to photocell control of individual luminaires’, I.P. Knight, Renewable Energy 15 (1998) 441-444 [5] ‘Energy efficiency in lighting- an overview’, D. Loe, Action Energy GIR092, SLL, London (2003) [6] ‘Light and Lighting – Lighting of work places – Part 1: Indoor work places’, EN 12464-1:2002, CEN, Brussel (2002) [7] CIBSE ‘Lighting Guide 3: 2001’ [8] ‘About Attempts to Classify Luminaire Energy Efficiency’, Ch. Schierz, 10. Europäischer Lichtkongress LuxEuropa, Berlin (2005)
