مع الارتفاع المستمر في تكاليف الطاقة وتزايد التركيز على الأداء البيئي، أصبح السعي إلى تشغيل أكثر كفاءة أقوى من أي وقت مضى. ويصدق ذلك على جميع القطاعات، لكن فرص خفض استهلاك الطاقة، ومن ثم النهج الأنسب لتحقيق هذا الهدف، تختلف في الغالب من حالة إلى أخرى.
ومع ذلك، هناك محور يتكرر مرة بعد أخرى، وهو الإضاءة.
تمثل إضاءة مواقف السيارات (أو أي مساحة أخرى) في كثير من الأحيان أحد أكبر بنود تكاليف التشغيل المستمرة. ومع القفزات التقنية المتلاحقة، يمكن لأحدث المنتجات في السوق أن تخفض هذه التكاليف إلى جزء يسير منها، وهو ما يطرح سؤالًا بديهيًا: هل الأفضل الترقية الآن، أم انتظار التقنية التالية؟
فما هي إذن أفضل طريقة لخفض تكاليف المنشأة على مدى عمرها وبصمتها الكربونية؟ فالتكاليف الأولية، بل والطاقة الكامنة في مواد الوحدات وتصنيعها ونقلها وتركيبها، قد تشكل نسبة كبيرة من تكاليف دورة العمر. لذلك لا بد من استراتيجية ترقية ذكية تضمن استبدال المكونات المتقادمة وحدها، أي بعبارة أخرى استراتيجية ترقية قائمة على التحديث.
في سياق منتجات الإضاءة، يُقصد بمنتج التحديث منتجٌ متوافق مع نظام قائم ويقدّم أكثر مما يقدمه المنتج الذي يحل محله. ويتيح التحديث الاستفادة من التقنيات الجديدة دون الحاجة إلى استبدال وحدة الإنارة بالكامل، وفي حالات كثيرة يكون ذلك في صورة استبدال مباشر للمصباح (دون إعادة توصيل الأسلاك أو تعديل الدائرة القائمة). والواقع أن التحديث ليس فكرة جديدة على الإطلاق: فاستخدام مصابيح الهاليد المعدني بدلًا من مصابيح الصوديوم مثال جيد على فوائد تحققت عبر حل تحديث بسيط.
تتكون وحدات الإنارة عمومًا من ثلاثة أجزاء رئيسية: الهيكل، ومصدر الضوء (المصباح أو LED)، والكابح أو المشغّل. وبينما يُعد الهيكل عادةً جزءًا بسيط التقنية يصمد أمام مرور الزمن بشكل لافت، فإن الجزأين الآخرين يشهدان تحسنًا في الأداء مع الوقت بفضل الابتكارات في القطاع. وقد تكون الابتكارات تحويلية (وتُعزى عادةً إلى تغيّر في التقنية، مثل الانتقال من الفلورسنت إلى LED) أو تدريجية (مدفوعة بمكاسب صغيرة في الكفاءة تُعزى إلى تحسينات في التقنية القائمة أو في عمليات الإنتاج).
تبنّي التقنية
ترتبط التغيرات التحويلية عمومًا بقفزات في الأداء. في المقابل، توفر التغيرات التدريجية عادةً تحسينات منتظمة ترفع الكفاءة. وتحتاج التقنية الجديدة إلى وقت حتى تتفوق على التقنية السائدة من حيث الأداء، وهنا يلزم الصبر. هل تذكرون حين حاولت Apple ترويج جهاز Newton كمساعد رقمي شخصي (PDA) عام 1993؟ بسبب ضخامته وسعره لم يُرَ فيه أي تفوق في الأداء على المفكرة الورقية، فلم يلقَ نجاحًا. ومن اشتروه في تلك المرحلة لم يفعلوا ذلك طلبًا للأداء، بل لأنهم من المتحمسين للتقنية (وهؤلاء جزء مما يسميه Geoffrey Moore «السوق المبكرة» في كتابه Crossing the Chasm). وحين تقدّم التقنية فوائد أداء فورية (لا مجرد وعد بفوائد مستقبلية) ترتفع فرص تبنّيها في السوق الواسعة بشكل كبير. وفي السنوات الأخيرة تجاوزت مصابيح LED هذا الحاجز. فقبل 10 أعوام كانت أحدث مصابيح LED تقدم 60 lm لكل واط، مقارنةً بأكثر من 200 lm لكل واط اليوم[i].
الشكل 1 منحنى تبنّي التقنية
ومع هذه الإمكانات المتزايدة في الأداء تأتي فرصة لاستبدال مصدر الضوء أو المشغّل أو كليهما داخل وحدة الإنارة القائمة لجني فوائد مالية، وتحقيق عائد على الاستثمار للمشتري. ولو كان علينا في كل مرة أن نستبدل وحدة الإنارة أيضًا، لكانت الحوافز أقل.
الشكل 2 تحسينات الأداء مع التقنيات الجديدة
ويمكن تبنّي هذه الفلسفة باتباع استراتيجية تحديث منذ البداية: أي الاستثمار في وحدات إنارة قابلة للتحديث بنية ترقية «المكونات الداخلية» بوتيرة أكثر انتظامًا من وحدة الإنارة نفسها. وهي، بوجه عام، استراتيجية لاستغلال الأصول تضمن أعلى قيمة وتتيح المرونة أمام التطورات التقنية المستقبلية أو تغيّر المتطلبات، كما تضمن وجود خيار دائم للترقية إلى أحدث مستوى أداء بتكلفة منخفضة.
تصميم منتجات التحديث
إذا كان الأمر بهذه البساطة، فلماذا لا يلجأ الجميع إلى التحديث؟
إن إدخال تقنية جديدة في شكل منتج تحديث يزيد التعقيد. والأساس في أي منظومة إلكترونية هو تصميمها بحيث تعمل عند درجة حرارة تشغيل مناسبة تطيل عمر المنتج. لذا يجب أن تكون إدارة الحرارة نقطة البداية في أي تصميم، وهي أصعب في منتجات التحديث لأنه لا يوجد عادةً مسار توصيل حراري مباشر إلى البيئة الخارجية. ومع ذلك، يمكن من خلال المحاكاة الحرارية والاختبارات الحرارية الشاملة في مجموعة متنوعة من وحدات الإنارة المغلقة التأكد من أن درجة حرارة تشغيل شرائح LED تقع ضمن النطاق الذي يحدده مصنّعو الشرائح بهامش مريح، بما يضمن عمرًا تشغيليًا طويلًا.
ومن الجوانب الأخرى التي تتطلب دراسة دقيقة مطابقة الأداء البصري. فالقياس الضوئي لأنبوب الفلورسنت يختلف عن القياس الضوئي لأنبوب LED البديل. لكن، كما سنوضح أدناه، يصب هذا العامل عادةً في صالح مصباح LED البديل عندما يتعلق الأمر بكفاءة وحدة الإنارة.
وهناك أيضًا عدد من المفاهيم الخاطئة الشائعة حول استخدام مصابيح LED البديلة، تتراوح بين المخاوف المالية ومسائل المطابقة وإعادة الاعتماد.
ما دام مصباح LED البديل معتمدًا للغرض المخصص له، فلا حاجة إلى إعادة اعتماد وحدة الإنارة بعد تركيبه. وكما لا تحتاجون إلى إعادة اعتماد مصباح السرير عند استخدام مصباح فلورسنت مدمج (CFL) بدلًا من مصباح الفتيل، نادرًا ما تكون هناك حاجة لذلك عند استخدام أنابيب LED بدلًا من أنابيب الفلورسنت.
تكاليف دورة العمر
من الناحية المالية، تؤتي مصابيح LED البديلة ثمارها بالفعل. وتكون الوفورات في أعلى مستوياتها في المنشآت التي يصعب فيها الوصول إلى وحدة الإنارة، إذ تتيح التقنية الأطول عمرًا تقليل عدد مرات تغيير المصابيح. وقد أوضح Shae Gilbert، كبير مهندسي الإضاءة والابتكار في London Underground، مؤخرًا كيف يوفر استخدام مصابيح LED البديلة الملايين من فواتير الصيانة. فتغيير أنبوب واحد فوق سلم متحرك قد يكلف قرابة £1,000، ولذلك يكون العائد على الاستثمار هائلًا بمجرد تفادي تغيير مصباح واحد[ii]. ويمكن تحقيق وفورات ضخمة في مجالات أخرى ترتفع فيها تكاليف الصيانة، مثل المواقع التي تتطلب إدارة حركة المرور في الأنفاق والممرات السفلية وأنفاق المشاة.
وبصرف النظر عن تكاليف الصيانة، يبلغ توفير الطاقة عادةً 50% من قدرة نظام الفلورسنت للحصول على السطوع نفسه، ما يعني إمكانية تحقيق عائد على الاستثمار حتى في الحالات التي تكون فيها تكاليف استبدال المصابيح ضئيلة. لنأخذ مثالًا مصباح فلورسنت بقدرة 58W يعمل بكابح مغناطيسي (قدرة الدائرة 65W) يُستبدل بأنبوب LED بقدرة 30W. عند سعر طاقة متحفظ قدره £0.10/kWh يبلغ التوفير 0.35 بنس لكل ساعة تشغيل، أي أن الوفورات في الطاقة تصل إلى £70 بعد 20,000 ساعة تشغيل فقط (وهي جزء يسير من العمر المقدر لأنابيب LED عالية الجودة)، وهذا يتجاوز بكثير تكلفة مصباح LED.
أداء محسّن
من الطبيعي أن تتساءلوا الآن: كيف يمكن خفض استهلاك الطاقة بنسبة 50% مع الحفاظ على مستويات السطوع، في حين تبلغ الكفاءة الضوئية للفلورسنت نحو 75 lm لكل واط من قدرة الدائرة، بينما تبلغ عادةً 105 لأنابيب LED؟ يعود أحد الأسباب إلى كفاءة وحدة الإنارة، أي نسبة الخرج الضوئي.
الشكل 3 رسم توضيحي لمبدأ نسبة الخرج الضوئي (LOR)
تبعث أنابيب الفلورسنت الضوء من محيط المصباح بالكامل، ما يعني ضرورة استخدام عاكسات لتوجيه الضوء المنبعث من «الخلف» إلى المنطقة المطلوبة. وحتمًا يؤدي هذا التحكم البصري إلى فاقد في الكفاءة. والأكثر من ذلك أن الجسيمات تترسب على السطح مع الوقت، فتقل كمية الضوء المنعكسة داخل وحدة الإنارة. وعادةً ما يُصنع عاكس وحدة الإنارة الخارجية (مثل الوحدات المستخدمة في أنفاق المشاة) من صفائح معدنية بسيطة منخفضة الانعكاسية، فتكون الخسائر كبيرة. أما مصابيح LED فتبعث الضوء من سطح واحد فقط من الأنبوب، فلا يحدث أي انعكاس داخل وحدة الإنارة.
ويمكن تقدير حجم هذا التغير في كفاءة وحدة الإنارة بقسمة متوسط مستويات الإضاءة المقاسة باللوكس على التدفق الضوئي للمصباح عند استخدام مصابيح الفلورسنت، ثم تكرار ذلك للمنشأة نفسها باستخدام مصابيح LED. وفي منشأة فعلية لنفق مشاة، بيّنت الحسابات أن نسبة الخرج الضوئي (LOR) تحسنت بنسبة 59.4% بعد التحول إلى مصابيح LED البديلة (انظروا الشكل 6).
ويضاف إلى ذلك عامل جودة الضوء. فاستخدام الضوء الأبيض من مصابيح LED بدلًا من مصابيح الفلورسنت القياسية الدافئة أو الباردة يزيد السطوع المُدرَك لكل واط، وهذا ما يهم على صعيد السلامة والراحة. ومن المسلّم به على نطاق واسع أن هذا نهج سليم، كما يقر بذلك الملحق A من BS 5489-1:2013 ودليل ILP PLG03 [34]. وتبلغ نسبة SP لمصباح فلورسنت أبيض بارد نحو 1.48، في حين قد تتجاوز 2 لمصباح LED أبيض (تتوقف القيمة الدقيقة على الشركة المصنّعة وتصنيف الشرائح)[iii].
وبالجمع بين مجالات التحسين الثلاثة هذه (عدد أكبر من lm لكل واط، وكفاءة أعلى لوحدة الإنارة، ونسبة SP أعلى)، يتضح كيف يمكن تحقيق توفير كبير في الطاقة.
المخاوف الصحية
من القضايا الراهنة التي استقطبت كثيرًا من النقاش والتغطية في القطاع مسألة الصحة والسلامة فيما يتعلق بمصادر الضوء.
يُزوَّد التيار الكهربائي في المملكة المتحدة بتردد 50Hz. ولأن شكل الموجة جيبي تقريبًا، توجد نقطتان في كل دورة يكون فيهما الجهد 0، ما يؤدي إلى ظاهرة الوميض وتذبذب الخرج الضوئي.
تتذبذب أنابيب الفلورسنت العاملة بكوابح مغناطيسية بتردد 100Hz (وهو ما يرتبط بالنقطتين في دورة التيار اللتين يكون فيهما الجهد 0)، وقرب نهاية عمرها قد يظهر تذبذب حاد بتردد 50Hz وما دونه.
تشير الدراسات التي بحثت تأثير الوميض على مرضى الصرع الحساس للضوء (الذين يمثلون نحو 1 من كل 4,000 من السكان) إلى أن الوميض في النطاق من ~3 إلى ~70Hz ينطوي على خطر حدوث نوبات[iv]. وتُظهر تسجيلات تخطيط كهربية الدماغ للمرضى خلال الدراسة أن نحو 50% منهم استجابوا لتردد وميض قدره 50Hz[v].
والأهم أن مصابيح LED لا تُظهر وميضًا بتردد 50Hz قرب نهاية عمرها. وعادةً ما يوجد تذبذب بتردد 100Hz في دوائر LED الموصولة بالتيار الرئيسي، لكن بحسب دائرة التشغيل يمكن تقليله أو إزالته تمامًا (في مصابيح LED التي تعمل بتيار مستمر ثابت).
وهناك ميزة إضافية، إذ لا يحتوي مصباح LED البديل على زجاج أو بخار الزئبق، وهو ما يثير القلق عند حدوث كسر، ربما أثناء التنظيف أو استبدال المصباح.
مصابيح LED البديلة على أرض الواقع
عادةً ما يُقابَل طرح تقنية جديدة في السوق بالتشكك وبمخاطر متصوَّرة. وبمجرد أن يبلغ الأداء والسعر نقطة تتضح عندها فرصة التوفير، وتُنفَّذ منشآت كبيرة وتثبت نجاحها، تتراجع هذه المخاطر المتصوَّرة حتمًا.
لقد حان وقت تألق التحديث إلى LED. فقد تحسن أداء مصابيح LED بسرعة خلال السنوات الأخيرة، وأصبحت تقدم فوائد كبيرة مقارنةً بالتقنيات الأقدم. وازدادت الثقة بهذه التقنية كثيرًا، وتتوالى إعلانات الشركات والمؤسسات الكبرى عن تحولها إلى مصادر LED.
ومن هذه المنشآت موقف سيارات Captain Cook Square في Middlesbrough. فقد ورّدت INDO أكثر من ألف أنبوب LED بديل من طراز T8 لتركيبها في المبنى متعدد الطوابق، ما حقق عوائد مجزية لمالك الموقف. وإلى جانب هذه الفوائد المالية، تحسنت جودة الضوء، ما أتاح تمييزًا أفضل للألوان وسطوعًا أعلى. ويبيّن الشكل 4 التحسن البصري، الذي يمكن تفسيره بالمكاسب في الكفاءة الضوئية ونسبة SP ونسبة الخرج الضوئي (LOR) كما ذكرنا سابقًا.
الشكل 4 صورتان من موقف سيارات Captain Cook Square قبل التحديث (يسارًا، فلورسنت) وبعده (يمينًا، INDO LED)
بعد تركيب مصابيح LED (في الربع 1 من عام 2014)، أظهرت عدادات الكهرباء انخفاضًا بنسبة 45% في استهلاك الطاقة للمبنى بأكمله (بما في ذلك المصاعد والحواجز وأنظمة الأمن وغيرها). وهذا انخفاض شهري يبلغ نحو 13,000 kWh. ويعرض الشكل 5 مزيدًا من التفاصيل.
الشكل 5 الاستهلاك الشهري للطاقة في المبنى بأكمله مقارنةً بالعام السابق.
نُفذت منشآت كبيرة لمصابيح LED البديلة من INDO في عدد من أحياء لندن بنتائج إيجابية للغاية. وأشار تقرير مستقل أُعدّ في نفق مشاة في Westminster إلى أن مصابيح LED البديلة حسّنت مظهر المكان ككل بشكل ملحوظ. ويعرض الشكل 7 المؤشرات الرئيسية من التقرير، بما في ذلك تحليل النتائج.
الشكل 6 Westminster: مصابيح INDO LED (دائرة 30W، يسارًا) بجوار مصابيح الفلورسنت (دائرة 84W، يمينًا)
الشكل 7 ملخص نتائج الأداء في منشأة الاختبار
تشير الإضاءة لكل واط من قدرة الدائرة والإضاءة لكل lm من تدفق المصباح إلى متوسط مستويات الإضاءة، وقد حُسبتا في منشأة اختبار لنفق مشاة أُجري فيها مسح إضاءة مستقل لمصابيح الفلورسنت T8 ولمصابيح INDO LED T8. وأُعدّت شبكات القياس المستخدمة في المسح وفقًا للتقرير الفني رقم 28 الصادر عن ILP «قياس أداء إنارة الطرق في الموقع».
يتحسن الأداء العام لمصابيح LED باستمرار، وهناك دائمًا تقنية جديدة في الأفق. ويوفر التحديث بأحدث التقنيات وبتكلفة منخفضة مرونة، إذ يضمن عدم الارتهان أبدًا لمستوى التقنية الحالي. وإذا طُرح منتج محسّن بعد التركيب ببضع سنوات، فلن تكون هناك حاجة إلى التخلص من وحدات إنارة مكلفة من أجل الترقية.
إن الجمع بين تقنية LED الثورية وفلسفة التحديث العملية هذه طريقة ذكية بلا شك للاستفادة من المشهد التقني الحالي لرفع معايير الإضاءة وخفض تكاليف المنشأة على مدى عمرها بشكل كبير.
المراجع:
[i] Miller, H. (2010) Creative Destruction, With a Nudge from the Top، [على الإنترنت]، متاح على: http://www.pcb007.com/pages/zone.cgi?a=56143 [27 نوفمبر 2013]
[ii] Bain, R. (2013) ‘The light at the end of the tunnel’، Lux Magazine، العدد 31، نوفمبر 2013، ص. 54-59.
[iii] Lighting Research Center (2009)، Outdoor Lighting: Visual Efficacy, المجلد 6، العدد 2، ص. 6
[iv] Wilkins, A., Veitch, J. and Lehman, B. (2010) LED Lighting Flicker and Potential Health Concerns: IEEE Standard PAR1789 Update [على الإنترنت]، متاح على: http://www.essex.ac.uk/psychology/overlays/2010-195.pdf [27 نوفمبر 2013]
[v] Wilkins, A., Veitch, J. and Lehman, B. (2010) LED Lighting Flicker and Potential Health Concerns: IEEE Standard PAR1789 Update [على الإنترنت]، متاح على: http://www.essex.ac.uk/psychology/overlays/2010-195.pdf [27 نوفمبر 2013]
