Med stadigt stigende energipriser og et øget fokus på grønne mærkesager er presset for effektiv drift nu højere end nogensinde. Dette gør sig gældende på tværs af alle brancher, men mulighederne for energireduktion, og dermed den tilgang man bør vælge for at nå dette mål, varierer ofte fra sag til sag.
Men ét tema, der går igen gang på gang, er belysning.
Belysning af parkeringspladser (eller ethvert andet rum) udgør ofte en af de største løbende driftsomkostninger. Med jævnlige teknologiske spring kan de nyeste produkter på markedet bruges til drastisk at skære disse ned til en brøkdel, hvilket rejser det oplagte spørgsmål: er det bedre at opgradere nu, eller vente til den næste teknologi bliver tilgængelig?
Så hvad er den bedste måde at reducere installationens levetidsomkostninger og kulstofaftryk på? Anskaffelsesomkostninger, og for den sags skyld den energi, der er bundet i materialerne, fremstillingen, transporten og installationen af enhederne, kan udgøre en betydelig andel af levetidsomkostningerne. Derfor er en smart opgraderingsstrategi nødvendig for at sikre, at kun de forældede komponenter udskiftes: med andre ord en retrofit-opgraderingsstrategi.
I forbindelse med belysningsprodukter er en retrofit et produkt, der er kompatibelt med et eksisterende system, og som tilbyder mere, end det, det erstatter. Retrofit giver mulighed for at drage fordel af nye teknologier uden at skulle udskifte hele armaturet, ofte i form af en direkte lampeudskiftning (uden behov for at trække nye ledninger eller ændre det eksisterende kredsløb). Retrofit er faktisk langt fra en ny idé: brugen af metalhalogenlamper til at erstatte natrium er et godt eksempel på, hvor fordelene er opnået gennem en simpel retrofit-løsning.
Armaturer består generelt af tre hoveddele: kabinettet, lyskilden (lampen eller LED’en) og forkoblingen eller driveren. Mens kabinettet generelt er en lavteknologisk del, som kan holde sig flot i mange år, udviser de to sidstnævnte dele forbedret ydeevne over tid som følge af innovation i branchen. Innovationer kan både være transformative (hvilket normalt tilskrives et teknologiskifte, såsom fra lysstof til LED) og inkrementelle (hvilket er drevet af små effektivitetsgevinster, der tilskrives forbedringer i eksisterende teknologi eller produktionsprocesser).
Teknologisk udbredelse
Generelt er der markante spring i ydeevne forbundet med transformative ændringer. Omvendt giver inkrementelle ændringer typisk løbende forbedringer, der skubber effektiviteten opad. Det tager tid for en ny teknologi at overhale den eksisterende teknologi i ydeevne, og her kræves der tålmodighed. Husker du, da Apple forsøgte at lancere Newton som en PDA-enhed i 1993? På grund af størrelsen og prisen blev den ikke anset for at give bedre ydeevne end en papirkalender, så den blev en fiasko. De, der købte den på dette tidlige stadie, gjorde det ikke for ydeevnens skyld, men fordi de var teknologientusiaster (disse personer udgør en del af det “tidlige marked”, som Geoffrey Moore beskriver i sin bog Crossing the Chasm). Når en teknologi giver umiddelbare ydeevnefordele (i stedet for et løfte om fremtidige fordele), stiger chancen markant for, at den bliver taget til sig af massemarkedet. I de senere år har LED brudt igennem denne markedsbarriere. Tænk tilbage til for 10 år siden, hvor de nyeste LED’er ydede 60 lumen pr. watt, mod over 200 lumen pr. watt i dag[i].
Figur 1: Kurve for teknologiadoption
Med disse stadigt stigende ydeevnemuligheder følger en mulighed for at udskifte lyskilden og/eller driveren i det eksisterende armatur for at høste økonomiske fordele og sikre køberen et afkast på investeringen. Hvis vi hver gang skulle udskifte hele armaturet for at gøre dette, ville incitamentet være mindre.
Figur 2: Ydeevneforbedringer med nye teknologier
Man kan omfavne denne filosofi ved fra starten at følge en retrofit-strategi: at investere i retrofit-venlige armaturer med den hensigt at opgradere det ‘indre’ oftere end selve armaturet. Overordnet set er det en strategi for udnyttelse af aktiver, som sikrer maksimal værdi og giver fleksibilitet i forhold til fremtidig teknologisk udvikling eller ændrede krav. Den sikrer, at der altid er mulighed for at opgradere til det nyeste ydeevneniveau til en lav omkostning.
Design af retrofit-produkter
Hvis det er så enkelt, hvorfor er det så ikke alle, der bruger retrofit?
At designe en ny teknologi ind i en retrofit-form tilføjer kompleksitet. Det vigtigste ved al elektronik er at designe systemet, så det sikrer en passende driftstemperatur og dermed forlænger produktets levetid. Udgangspunktet for ethvert design må derfor være varmestyring, hvilket kan være sværere at få til at fungere i retrofit-produkter, fordi der som regel ikke er nogen direkte, ledende termisk vej til omgivelserne. Ikke desto mindre er det muligt, ved hjælp af termiske simuleringer og grundige termiske test i en række forskellige lukkede armaturer, at være sikker på, at LED-chippenes driftstemperatur ligger godt inden for det interval, chipproducenterne angiver for at sikre lang levetid.
Et andet område, der kræver omhyggelig overvejelse, er tilpasningen af den optiske ydeevne. Fotometrien for et lysstofrør adskiller sig fra den for et LED-retrofit-rør. Som det vil blive gennemgået nedenfor, arbejder denne faktor dog som regel til LED-retrofittets fordel, når det kommer til armaturets effektivitet.
Der findes også en række almindelige misforståelser om brugen af LED-retrofits, lige fra økonomiske bekymringer til spørgsmål om overensstemmelse og gencertificering.
Så længe retrofit-lampen er certificeret til sit tilsigtede formål, er der ikke noget krav om at gencertificere armaturet, når det er installeret. På samme måde som du ikke behøver at gencertificere din sengelampe, når en sparepære bruges i stedet for en glødepære, er det sjældent nødvendigt at gøre det, når man bruger LED-rør i stedet for lysstofrør.
Levetidsomkostninger
Økonomisk set kan brugen af LED-retrofits rent faktisk betale sig. Besparelserne er størst i installationer, hvor adgangen til armaturet er vanskelig, og hvor en teknologi med længere levetid muliggør færre lampeskift. Shae Gilbert, ledende ingeniør for belysning og innovation hos London Underground, har for nylig forklaret, hvordan brugen af LED-lamperetrofits sparer millioner på vedligeholdelsesregningen. At skifte et enkelt rør over en rulletrappe kan koste næsten £1.000, så afkastet af investeringen, når et lampeskift undgås, er enormt[ii]. Der kan opnås store besparelser i andre områder, hvor vedligeholdelsesomkostningerne er høje, for eksempel hvor der kræves trafikstyring i tunneler, underføringer og undergrundsbaner.
Bortset fra vedligeholdelsesomkostninger er energibesparelsen typisk 50% af lysstofsystemets watt-forbrug for at opnå samme lysstyrke, hvilket betyder, at der kan opnås et afkast på investeringen, selv i scenarier hvor omkostningerne ved lampeudskiftning er ubetydelige. Forestil dig en 58W lysstoflampe med magnetisk forkobling (kredsløbseffekt 65W), der udskiftes med et 30W LED-rør. Ved en forsigtig energipris på £0,10/kWh er besparelsen pr. driftstime 0,35 pence, hvilket betyder, at selv efter blot 20.000 timers drift (en brøkdel af den nominelle levetid for LED-rør af høj kvalitet) svarer energibesparelsen til £70; dette overstiger langt omkostningen til LED-lampen.
Forbedret ydeevne
Det er forståeligt, at du på dette tidspunkt undrer dig over, hvordan det er muligt at opnå en reduktion på 50% i energiforbruget, samtidig med at lysstyrken opretholdes, når lysstofrør yder omkring 75 lumen pr. kredsløbswatt, mens LED-rør typisk yder 105. En af årsagerne er relateret til armaturets effektivitet, eller lysudbytte.
Figur 3: Diagram, der viser LOR-princippet
Lysstofrør udsender lys fra hele lampens omkreds, hvilket betyder, at der skal bruges reflektorer til at lede lyset fra ‘bagsiden’ hen til det ønskede område. Denne optiske styring medfører uundgåeligt ineffektivitet. Desuden aflejres der over tid partikler på overfladen, hvilket betyder, at endnu mindre af det lys, der ledes ind i armaturet, reflekteres. En reflektor til et udendørs armatur (som dem, der bruges i undergangstunneler) er typisk lavet af almindelig pladestål med lav reflektans, så tabene er betydelige. LED’er udsender derimod kun lys fra én overflade af røret, hvilket betyder, at der ikke er nogen refleksion inde i armaturet.
Omfanget af denne ændring i armaturets effektivitet kan estimeres ved at skalere de målte gennemsnitlige lux-niveauer med lampens lysudbytte, først med lysstoflamper og dernæst for samme installation med LED-lamper. I en virkelig undergangsinstallation blev LOR beregnet til at være forbedret med 59,4% efter overgangen til LED-retrofit-lamper (se figur 6).
Derudover skal lyskvaliteten også tages i betragtning. Ved at bruge hvidt lys fra LED til at erstatte almindelige varme eller kølige lysstoflamper øges den oplevede lysstyrke pr. watt, hvilket er vigtigt, når det handler om sikkerhed og komfort. Det er bredt anerkendt, at dette er en gyldig tilgang, hvilket bekræftes i Annex A af BS 5489-1:2013 og ILP PLG03 [34]. SP-forholdet for en kølig hvid lysstoflampe er cirka 1,48, mens en hvid LED-lampe kan ligge over 2 (den præcise værdi afhænger af producent og binning)[iii].
Ved at kombinere disse tre forbedringsområder (højere lumen pr. watt, forbedret armatureffektivitet og et højere SP-forhold) er det nemt at se, hvordan der kan opnås betydelige energibesparelser.
Sundhedsmæssige bekymringer
Et aktuelt emne, der har tiltrukket sig stor diskussion og dækning i branchen, har været sundhed og sikkerhed i forbindelse med lyskilder.
Netstrøm i Storbritannien leveres med en netfrekvens på 50Hz. Da bølgeformen er tilnærmelsesvis sinusformet, vil der være to punkter i cyklussen, hvor den leverede spænding er 0, hvilket giver anledning til fænomenet flimmer og modulation af lysudbyttet.
Lysstofrør, der kører på magnetisk forkobling, modulerer ved 100Hz (svarende til de to punkter i netcyklussen, hvor den leverede spænding er 0), og mod slutningen af levetiden kan der opstå en kraftig modulation på 50Hz og derunder.
Undersøgelser, der har undersøgt effekten af flimmer på patienter med fotosensitiv epilepsi (som udgør cirka 1 ud af 4.000 i befolkningen), viser, at flimmer i intervallet ~3 – ~70Hz udgør en risiko for anfald[iv]. De elektroencefalografiske optagelser fra patienterne under undersøgelsen viser, at omkring 50% af patienterne reagerede på en blinkfrekvens på 50Hz[v].
Vigtigt er det, at LED’er ikke udviser en 50Hz-flimmer mod slutningen af levetiden. Der er som regel en 100Hz-modulation til stede for netforbundne LED-kredsløb, men afhængigt af drivkredsløbet kan den reduceres eller fjernes helt (for LED’er, der drives med kontinuerlig jævnstrøm).
Der er også den ekstra fordel, at LED-retrofittet ikke gør brug af glas eller kviksølvdamp, hvilket er et problem, hvis der sker brud, for eksempel under rengøring eller udskiftning af lampen.
LED-retrofits i praksis
Introduktionen af ny teknologi på markedet bliver som regel mødt med skepsis og en oplevet risiko. Når ydeevnen og prisen når et niveau, hvor der er en klar mulighed for besparelser, og store installationer er blevet gennemført og har vist sig succesfulde, vil denne oplevede risiko uvægerligt aftage.
Tiden er nu inde til, at LED-retrofit for alvor kan skinne. LED’ers ydeevne er blevet forbedret hurtigt i de senere år, og LED kan nu tilbyde betydelige fordele frem for ældre teknologier. Tilliden til teknologien er steget betydeligt, hvilket har givet anledning til regelmæssige udmeldinger fra store virksomheder og organisationer om, at de skifter til LED-kilder.
Én sådan installation er Captain Cook Square-parkeringshuset i Middlesbrough. INDO Lighting leverede over tusind T8 LED-retrofit-rør til installation i den fleretagers bygning, hvilket gav attraktive afkast for parkeringshusets ejer. Ud over disse økonomiske fordele blev lyskvaliteten forbedret, hvilket muliggjorde bedre farvegenkendelse og øget lysstyrke. Figur 4 viser den visuelle forbedring, som kan forklares ved forbedringerne i lumeneffektivitet, SP-forhold og LOR, som beskrevet tidligere.
Figur 4: Billeder før (venstre, lysstofrør) og efter (højre, INDO LED) fra Captain Cook Square-parkeringshuset
Efter LED-installationen (gennemført i Q1 2014) viste elmålingen et fald i hele bygningens energiforbrug (inklusive elevatorer, bomme, sikkerhedssystemer osv.) på 45%. Dette svarer til en månedlig reduktion på omkring 13.000 kWh. Figur 5 viser flere detaljer.
Figur 5: Hele bygningens månedlige energiforbrug sammenlignet år for år.
Der er gennemført store installationer af INDO LED-retrofits på tværs af Londons bydele med yderst positive resultater. En uafhængig rapport, udarbejdet i forbindelse med en undergangsinstallation i Westminster, konkluderede, at LED-retrofittene mærkbart havde forbedret rummets fremtoning som helhed. Nøgletal fra rapporten, herunder en analyse af resultaterne, fremgår af figur 7.
Figur 6: Westminster, INDO LED-lamper (30W kredsløb, venstre) ved siden af lysstoflamper (84W kredsløb, højre)
Figur 7: Opsummering af ydeevneresultater fra testinstallationen
Belysning pr. kredsløbswatt og belysning pr. lampelumen relaterer sig til de gennemsnitlige belysningsniveauer og er beregnet ud fra en testinstallation i en undergang, hvor der blev udført en uafhængig lysmåling for lysstof-T8-lamper og for INDO LED-T8-lamper. De målenet, der blev brugt til at udføre undersøgelsen, var i overensstemmelse med ILP Technical Report 28 ‘Measurement of road lighting performance on site‘.
LED’ers generelle ydeevne stiger hele tiden, og en ny teknologi er altid lige om hjørnet. At bruge retrofit med den nyeste teknologi til en lav omkostning giver fleksibilitet, da det sikrer, at man aldrig bliver låst fast til det aktuelle teknologiniveau. Hvis et forbedret produkt lanceres nogle år efter installationen, vil der ikke være behov for at afskrive dyre armaturer for at opgradere.
At kombinere revolutionerende LED-teknologi med denne pragmatiske retrofit-filosofi er uden tvivl en klog måde at udnytte det nuværende teknologilandskab på for at forbedre belysningsstandarderne og drastisk reducere installationens levetidsomkostninger.
Referencer:
[i] Miller, H. (2010) Creative Destruction, With a Nudge from the Top, [Online]. Tilgængelig: http://www.pcb007.com/pages/zone.cgi?a=56143 [27 Nov 2013]
[ii] Bain, R. (2013) ‘The light at the end of the tunnel’, Lux Magazine, Issue 31 – November 2013, pp. 54-59.
[iii] Lighting Research Center (2009), Outdoor Lighting: Visual Efficacy, Vol. 6, Is. 2, p. 6
[iv] Wilkins, A., Veitch, J. and Lehman, B. (2010) LED Lighting Flicker and Potential Health Concerns: IEEE Standard PAR1789 Update [Online]. Tilgængelig: http://www.essex.ac.uk/psychology/overlays/2010-195.pdf [27 Nov 2013]
[v] Wilkins, A., Veitch, J. and Lehman, B. (2010) LED Lighting Flicker and Potential Health Concerns: IEEE Standard PAR1789 Update [Online]. Tilgængelig: http://www.essex.ac.uk/psychology/overlays/2010-195.pdf [27 Nov 2013]
