Bei stetig steigenden Energiekosten und einem verstärkten Fokus auf Nachhaltigkeitsnachweise ist der Druck zu effizientem Betrieb so hoch wie nie zuvor. Das gilt branchenübergreifend, doch die Möglichkeiten zur Energiereduzierung und der geeignete Ansatz, um dieses Ziel zu erreichen, variieren von Fall zu Fall.
Ein Thema jedoch taucht immer wieder auf: die Beleuchtung.
Die Beleuchtung von Parkhäusern (oder anderen Bereichen) gehört häufig zu den größten laufenden Betriebskosten. Dank regelmäßiger technologischer Fortschritte können die neuesten Produkte auf dem Markt eingesetzt werden, um diese Kosten drastisch zu senken. Das führt zur naheliegenden Frage: Ist es besser, jetzt aufzurüsten, oder zu warten, bis die nächste Technologie verfügbar ist?
Was ist also der beste Weg, um Lebenszykluskosten und CO2-Fußabdruck zu reduzieren? Die Anfangsinvestitionen und die in Materialien, Herstellung, Transport und Montage gebundene Energie können erhebliche Anteile der Gesamtlebenszykluskosten ausmachen. Daher ist eine kluge Aufrüststrategie erforderlich, die sicherstellt, dass nur veraltete Komponenten ersetzt werden, mit anderen Worten: eine Retrofit-Strategie.
Im Kontext von Beleuchtungsprodukten ist ein Retrofit ein Produkt, das mit einem bestehenden System kompatibel ist und mehr bietet als sein Vorgänger. Nachrüstung bietet die Möglichkeit, neue Technologien zu nutzen, ohne einen vollständigen Leuchtentausch vornehmen zu müssen, und in vielen Fällen in Form eines direkten Lampenwechsels (ohne Neuverkabelung oder Änderung des bestehenden Stromkreises). Nachrüstung ist keineswegs eine neue Idee: Der Einsatz von Metalldampflampen als Ersatz für Natriumdampflampen ist ein gutes Beispiel, bei dem durch eine einfache Retrofit-Lösung Vorteile erzielt wurden.
Leuchten bestehen im Allgemeinen aus drei Hauptteilen: dem Gehäuse, der Lichtquelle (der Lampe oder LED) sowie dem Vorschaltgerät oder Treiber. Während das Gehäuse in der Regel ein einfaches Bauteil ist, das gut altert, weisen die beiden letztgenannten Teile im Laufe der Zeit Leistungssteigerungen auf, die auf Innovationen in der Branche zurückzuführen sind. Innovationen können sowohl transformativer Natur sein (was in der Regel einem Technologiewechsel zugeschrieben wird, etwa von Leuchtstofflampen zu LED) als auch inkrementeller Natur (getrieben durch kleine Effizienzgewinne durch Verbesserungen bestehender Technologie oder Fertigungsprozesse).
Technologieakzeptanz
Mit transformativen Veränderungen gehen in der Regel Leistungssprünge einher. Inkrementelle Veränderungen hingegen liefern regelmäßige Verbesserungen, die die Effizienz steigern. Eine neue Technologie braucht Zeit, um die bestehende Technologie in puncto Leistung zu übertreffen, und hier ist Geduld gefragt. Erinnern Sie sich, als Apple 1993 den Newton als PDA-Gerät auf den Markt brachte? Aufgrund der Sperrigkeit und des Preises wurde er nicht als leistungsstärker als ein Papierkalender angesehen und floppte. Die Menschen, die damals einstiegen, taten dies nicht wegen Leistungsvorteilen, sondern weil sie Technologieenthusiasten waren (diese Personen gehören zum „frühen Markt“, den Geoffrey Moore in seinem Buch Crossing the Chasm beschreibt). Sobald eine Technologie unmittelbare Leistungsvorteile bietet (statt nur das Versprechen künftiger Leistungsvorteile), steigen ihre Chancen, vom Massenmarkt angenommen zu werden, sprunghaft an. In den letzten Jahren haben LEDs diese Marktbarriere durchbrochen. Denken Sie an die Zeit vor 10 Jahren, als die neuesten LEDs 60 Lumen pro Watt boten, verglichen mit heute über 200 Lumen pro Watt[i].
Abbildung 1 Technologieakzeptanzkurve
Mit diesen stetig steigenden Leistungsmöglichkeiten ergibt sich die Gelegenheit, die Lichtquelle und/oder den Treiber innerhalb der bestehenden Leuchte zu ersetzen, um finanzielle Vorteile zu erzielen und dem Käufer eine Kapitalrendite zu sichern. Müssten wir dabei jedes Mal auch die Leuchte selbst ersetzen, wären die Anreize geringer.
Abbildung 2 Leistungsverbesserungen mit neuen Technologien
Diese Philosophie lässt sich durch eine Retrofit-Strategie von Anfang an umsetzen: Investitionen in nachrüstfreundliche Leuchten mit dem Ziel, die „Innereien“ regelmäßiger auszutauschen als die Leuchte selbst. Im Wesentlichen handelt es sich um eine Strategie zur Anlagennutzung, die maximalen Nutzen sichert und Flexibilität hinsichtlich zukünftiger technologischer Entwicklungen oder sich ändernder Anforderungen ermöglicht. Sie stellt sicher, dass es immer die Möglichkeit gibt, zu geringen Kosten auf das jeweils aktuelle Leistungsniveau aufzurüsten.
Retrofit-Produktdesign
Wenn es so einfach ist, warum rüstet dann nicht jeder nach?
Eine neue Technologie in eine Retrofit-Form zu bringen, erhöht die Komplexität. Das Wichtigste bei jeglicher Elektronik ist es, das System so zu gestalten, dass eine geeignete Betriebstemperatur zur Verlängerung der Produktlebensdauer gewährleistet ist. Der Ausgangspunkt jedes Designs muss daher das Wärmemanagement sein, das bei der Entwicklung von Retrofit-Produkten schwieriger sein kann, da es in der Regel keinen direkten leitfähigen Wärmepfad zur Außenumgebung gibt. Durch thermische Simulationen und gründliche Wärmetests in verschiedenen geschlossenen Leuchten lässt sich jedoch sicherstellen, dass die Betriebstemperatur der LED-Chips gut innerhalb des vom Chiphersteller vorgegebenen Bereichs für einen langlebigen Betrieb liegt.
Ein weiterer Bereich, der sorgfältige Überlegung erfordert, ist die Abstimmung der optischen Leistung. Die Photometrie einer Leuchtstoffröhre unterscheidet sich von der einer LED-Retrofit-Röhre. Wie im Folgenden erläutert wird, wirkt sich dieser Faktor bei der Leuchteneffizienz jedoch in der Regel zugunsten des LED-Retrofits aus.
Es gibt auch eine Reihe häufiger Missverständnisse rund um den Einsatz von LED-Retrofits, von finanziellen Bedenken bis hin zu Fragen der Konformität und Neuzertifizierung.
Sofern die Retrofit-Lampe für den vorgesehenen Verwendungszweck zertifiziert ist, besteht nach dem Einbau keine Notwendigkeit, die Leuchte erneut zu zertifizieren. So wie Sie Ihre Nachttischlampe nicht neu zertifizieren müssen, wenn eine Energiesparlampe anstelle einer Glühbirne verwendet wird, ist es selten erforderlich, dies zu tun, wenn LED-Röhren anstelle von Leuchtstoffröhren eingesetzt werden.
Lebenszykluskosten
Finanziell gesehen zahlt sich der Einsatz von LED-Retrofits aus. Die Einsparungen sind am höchsten in Anlagen, in denen der Zugang zur Leuchte schwierig ist und der Einsatz langlebigerer Technologie weniger Lampenwechsel ermöglicht. Shae Gilbert, Leitender Ingenieur für Beleuchtung und Innovation bei London Underground, erklärte kürzlich, wie der Einsatz von LED-Lampen-Retrofits Millionen an Wartungskosten einspart. Der Austausch einer einzelnen Röhre über einer Rolltreppe kann fast £1.000 kosten, sodass die Kapitalrendite bei einem vermiedenen Lampenwechsel enorm ist[ii]. Erhebliche Einsparungen sind auch in anderen Bereichen mit hohen Wartungskosten möglich, beispielsweise dort, wo in Tunneln, Unterführungen und U-Bahn-Stationen Verkehrsmanagement erforderlich ist.
Abgesehen von Wartungskosten betragen die Energieeinsparungen typischerweise 50 % der Leistungsaufnahme des Leuchtstoffsystems bei gleicher Helligkeit, sodass eine Kapitalrendite auch in Szenarien erzielt werden kann, in denen die Kosten für den Lampenwechsel vernachlässigbar sind. Bei einer 58-W-Leuchtstofflampe mit Magnetvorschaltgerät (Schaltkreiswatt: 65 W), die durch eine 30-W-LED-Röhre ersetzt wird, beträgt die Einsparung pro Betriebsstunde bei einem konservativen Energiepreis von £0,10/kWh 0,35 Pence. Selbst nach nur 20.000 Betriebsstunden (ein Bruchteil der Nennlebensdauer hochwertiger LED-Röhren) entsprechen die Energieeinsparungen £70, was die Kosten der LED-Lampe bei weitem übersteigt.
Verbesserte Leistung
An diesem Punkt fragen Sie sich vielleicht, wie eine 50-prozentige Reduzierung des Energieverbrauchs bei gleichbleibender Helligkeit möglich ist, wenn die Lumen pro Schaltungskreiswatt für Leuchtstofflampen bei etwa 75 und für LED-Röhren typischerweise bei 105 liegen. Einer der Gründe liegt in der Leuchteneffizienz, oder dem Lichtausbeuteverhältnis.
Abbildung 3 Diagramm zur Darstellung des LOR-Prinzips
Leuchtstoffröhren strahlen Licht vom gesamten Umfang der Lampe aus, sodass Reflektoren verwendet werden müssen, um das von der „Rückseite“ ausgestrahlte Licht in den gewünschten Bereich zu lenken. Diese optische Steuerung führt zwangsläufig zu Verlusten. Mit der Zeit lagern sich Partikel auf der Oberfläche ab, sodass noch weniger Licht, das in die Leuchte gelenkt wird, reflektiert wird. Ein Reflektor für eine Außenleuchte (wie bei Unterführungen) besteht typischerweise aus einfachem Blech mit geringer Reflektivität, sodass die Verluste erheblich sind. LEDs hingegen strahlen Licht nur von einer Fläche der Röhre aus, sodass kein Reflexionsverlust innerhalb der Leuchte entsteht.
Das Ausmaß dieser Verbesserung der Leuchteneffizienz kann geschätzt werden, indem gemessene durchschnittliche Lux-Werte mit der Lumenleistung der Lampe bei Leuchtstofflampen und dann erneut für die gleiche Anlage mit LED-Lampen skaliert werden. Bei einer realen Unterführungsinstallation wurde berechnet, dass das LOR nach dem Wechsel auf LED-Retrofit-Lampen um 59,4 % verbessert wurde (siehe Abbildung 6).
Dazu kommt die Lichtqualität. Der Einsatz von weißem Licht aus LEDs anstelle herkömmlicher warm- oder kaltweißer Leuchtstofflampen erhöht die wahrgenommene Helligkeit pro Watt, was für Sicherheit und Komfort entscheidend ist. Dies wird allgemein als gültiger Ansatz anerkannt, wie in Anhang A von BS 5489-1:2013 und ILP PLG03 [34] bestätigt. Das S/P-Verhältnis einer kaltweißen Leuchtstofflampe beträgt etwa 1,48, während eine weiße LED-Lampe über 2 erreichen kann (genaue Werte abhängig vom Hersteller und Binning)[iii].
Durch die Kombination dieser drei Verbesserungsbereiche (höhere Lumen pro Watt, verbesserte Leuchteneffizienz und ein höheres S/P-Verhältnis) wird deutlich, wie erhebliche Energieeinsparungen erzielt werden können.
Gesundheitsbedenken
Ein viel diskutiertes Thema in der Branche ist Gesundheit und Sicherheit in Bezug auf Lichtquellen.
Das Stromnetz im Vereinigten Königreich wird mit einer Leitungsfrequenz von 50 Hz betrieben. Da die Wellenform annähernd sinusförmig ist, gibt es zwei Punkte im Zyklus, an denen die gelieferte Spannung 0 beträgt, was zum Phänomen des Flackerns und der Lichtmodulation führt.
Leuchtstoffröhren mit Magnetvorschaltgerät modulieren mit 100 Hz (bezogen auf die zwei Punkte im Netzzyklus, an denen die gelieferte Spannung 0 ist), und gegen Ende der Lebensdauer kann eine schwere Modulation von 50 Hz und darunter auftreten.
Studien zur Wirkung von Flackern auf Patienten mit fotosensitiver Epilepsie (die etwa 1 von 4.000 der Bevölkerung betrifft) deuten darauf hin, dass Flackern im Bereich von ca. 3 bis ca. 70 Hz ein Anfallsrisiko darstellt[iv]. Die elektroenzephalografischen Aufzeichnungen von Patienten während der Studie zeigen, dass etwa 50 % der Patienten auf eine Blitzfrequenz von 50 Hz reagierten[v].
Wichtig ist: LEDs zeigen gegen Ende ihrer Lebensdauer kein 50-Hz-Flackern. Eine 100-Hz-Modulation ist bei netzgespeisten LED-Schaltkreisen in der Regel vorhanden, kann aber je nach Treiberschaltung reduziert oder vollständig eliminiert werden (bei LEDs, die mit einem kontinuierlichen Gleichstrom betrieben werden).
Hinzu kommt der Vorteil, dass das LED-Retrofit weder Glas noch Quecksilberdampf verwendet, was bei einem Bruch, etwa beim Reinigen oder Lampenwechsel, ein Risiko darstellen kann.
LED-Retrofits in der Praxis
Die Einführung neuer Technologien auf dem Markt wird in der Regel mit Skepsis und wahrgenommenem Risiko aufgenommen. Sobald Leistung und Preis einen Punkt erreichen, an dem eine klare Einsparmöglichkeit besteht, und große Installationen erfolgreich umgesetzt wurden, schwindet dieses wahrgenommene Risiko regelmäßig.
Die Zeit für LED-Nachrüstung hat jetzt begonnen. Die Leistung von LEDs hat sich in den letzten Jahren rasant verbessert, und LEDs sind inzwischen in der Lage, erhebliche Vorteile gegenüber älteren Technologien zu bieten. Das Vertrauen in die Technologie hat deutlich zugenommen, was regelmäßig zu Ankündigungen großer Unternehmen und Organisationen führt, die auf LED-Quellen umsteigen.
Eine solche Installation ist das Parkhaus Captain Cook Square in Middlesbrough. INDO Lighting lieferte über tausend T8-LED-Retrofit-Röhren für das mehrstöckige Gebäude, was dem Parkhauseigentümer attraktive Renditen bescherte. Neben diesen finanziellen Vorteilen verbesserte sich die Lichtqualität, was eine bessere Farbwiedererkennung und erhöhte Helligkeit ermöglichte. Abbildung 4 zeigt die visuelle Verbesserung, die durch die Gewinne bei Lichteffizienz, S/P-Verhältnis und LOR erklärt werden kann.
Abbildung 4 Vorher (links, Leuchtstoff) und nachher (rechts, INDO LED) Fotos aus dem Parkhaus Captain Cook Square
Nach der LED-Installation (durchgeführt in Q1 2014) zeigte die Strommessung eine Reduzierung des Gesamtgebäude-Energieverbrauchs (einschließlich Aufzüge, Schranken, Sicherheitssysteme usw.) um 45 %. Das entspricht einer monatlichen Reduzierung von ca. 13.000 kWh. Abbildung 5 zeigt weitere Details.
Abbildung 5 Monatlicher Gesamtgebäude-Energieverbrauch im Jahresvergleich.
Große INDO-LED-Retrofit-Installationen wurden in Londoner Stadtbezirken mit äußerst positiven Ergebnissen durchgeführt. Ein unabhängiger Bericht über eine Unterführungsinstallation in Westminster stellte fest, dass die LED-Retrofits das Erscheinungsbild des Raums insgesamt deutlich verbessert hatten. Wichtige Kennzahlen aus dem Bericht sowie eine Analyse der Ergebnisse sind in Abbildung 7 dargestellt.
Abbildung 6 Westminster: INDO LED-Lampen (30-W-Schaltkreis, links) neben Leuchtstofflampen (84-W-Schaltkreis, rechts)
Abbildung 7 Zusammenfassung der Leistungsergebnisse aus der Testinstallation
Beleuchtung pro Schaltungskreiswatt und Beleuchtung pro Lampenlumen beziehen sich auf durchschnittliche Beleuchtungsniveaus und werden aus einer Test-Unterführungsinstallation berechnet, in der eine unabhängige Beleuchtungsmessung für Leuchtstoff-T8-Lampen und für INDO LED T8-Lampen durchgeführt wurde. Die zur Durchführung der Messung verwendeten Messraster entsprachen dem ILP Technical Report 28 ‚Measurement of road lighting performance on site‘.
Die allgemeine Leistung von LEDs nimmt stetig zu, und eine neue Technologie ist immer in Sicht. Die Nachrüstung mit der neuesten Technologie zu geringen Kosten bietet Flexibilität, da sichergestellt wird, dass man nie an das aktuelle Technologieniveau gebunden ist. Wenn ein verbessertes Produkt einige Jahre nach der Installation auf den Markt kommt, müssen keine kostspielige Leuchten abgeschrieben werden, um aufzurüsten.
Die Kombination aus revolutionärer LED-Technologie mit dieser pragmatischen Nachrüstungsphilosophie ist zweifellos ein kluger Weg, die aktuelle Technologielandschaft zu nutzen, um Beleuchtungsstandards zu verbessern und die Installationslebenszykluskosten drastisch zu senken.
Quellenangaben:
[i] Miller, H. (2010) Creative Destruction, With a Nudge from the Top, [Online], verfügbar unter: 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, S. 54-59.
[iii] Lighting Research Center (2009), Outdoor Lighting: Visual Efficacy, Vol. 6, Is. 2, S. 6
[iv] Wilkins, A., Veitch, J. und Lehman, B. (2010) LED Lighting Flicker and Potential Health Concerns: IEEE Standard PAR1789 Update [Online], verfügbar unter: http://www.essex.ac.uk/psychology/overlays/2010-195.pdf [27. Nov. 2013]
[v] Wilkins, A., Veitch, J. und Lehman, B. (2010) LED Lighting Flicker and Potential Health Concerns: IEEE Standard PAR1789 Update [Online], verfügbar unter: http://www.essex.ac.uk/psychology/overlays/2010-195.pdf [27. Nov. 2013]
