Energiakustannusten jatkuvasti noustessa ja vihreiden arvojen korostuessa entisestään paine tehokkaaseen toimintaan on nyt suurempi kuin koskaan. Tämä pätee kaikilla toimialoilla, mutta energiansäästömahdollisuudet ja niiden saavuttamiseen tarvittava lähestymistapa vaihtelevat usein tapauskohtaisesti.
Yksi teema nousee kuitenkin esiin kerta toisensa jälkeen: valaistus.
Pysäköintialueiden (tai minkä tahansa muun tilan) valaistus muodostaa usein yhden suurimmista jatkuvista käyttökustannuksista. Teknologian jatkuvan kehityksen ansiosta uusimmilla markkinoiden tuotteilla nämä kustannukset voidaan pudottaa murto-osaan, mikä herättää ilmeisen kysymyksen: kannattaako päivittää nyt, vai odottaa seuraavaa teknologiaa?
Mikä on siis paras tapa vähentää asennuksen elinkaarikustannuksia ja hiilijalanjälkeä? Alkuinvestointi, ja itse asiassa myös materiaaleihin, valmistukseen, kuljetukseen ja asennukseen sitoutunut energia, voi muodostaa merkittävän osan elinkaarikustannuksista. Tästä syystä tarvitaan älykäs päivitysstrategia, jolla varmistetaan, että vain vanhentuneet komponentit korvataan: toisin sanoen retrofit-päivitysstrategia.
Valaistustuotteiden yhteydessä retrofit tarkoittaa tuotetta, joka on yhteensopiva olemassa olevan järjestelmän kanssa ja joka tarjoaa enemmän kuin korvaamansa tuote. Retrofit-päivitys tarjoaa mahdollisuuden hyödyntää uutta teknologiaa ilman, että koko valaisinta tarvitsee vaihtaa, ja usein kyseessä on suora lampunvaihto (joka ei vaadi uudelleenjohdotusta tai muutoksia olemassa olevaan piiriin). Retrofit-ajattelu ei suinkaan ole uusi ilmiö: esimerkiksi monihalidilamppujen käyttö natriumlamppujen korvaajana on hyvä esimerkki tapauksesta, jossa yksinkertaisella retrofit-ratkaisulla saavutettiin hyötyjä.
Valaisimet koostuvat yleensä kolmesta pääosasta: kotelosta, valonlähteestä (lampusta tai LEDistä) sekä kuristimesta tai liitäntälaitteesta. Kotelo on yleensä yksinkertainen osa, joka voi vanheta yhtä arvokkaasti kuin brittiläinen tv-persoona Carol Vorderman, mutta kaksi jälkimmäistä kehittyvät ajan myötä alan innovaatioiden myötä. Innovaatiot voivat olla joko mullistavia (yleensä liitetään teknologiamuutokseen, kuten siirtymiseen loisteputkista LEDeihin) tai asteittaisia (pieniä tehokkuusparannuksia, jotka johtuvat olemassa olevan teknologian tai tuotantoprosessien kehityksestä).
Teknologian omaksuminen
Mullistaviin muutoksiin liittyy yleensä suuria suorituskykyhyppäyksiä. Asteittaiset muutokset taas tuovat yleensä säännöllisiä parannuksia, jotka nostavat tehokkuutta. Uuden teknologian voittaminen vallitsevasta teknologiasta suorituskyvyssä vie aikaa, ja tässä vaiheessa tarvitaan kärsivällisyyttä. Muistatko, kun Apple yritti tuoda Newtonin markkinoille kämmentietokoneena vuonna 1993? Sen kömpelyyden ja hinnan vuoksi sen ei katsottu tarjoavan suorituskykyetuja paperikalenteriin verrattuna, joten se floppasi. Ne, jotka ostivat laitteen tässä vaiheessa, eivät tehneet niin suorituskykyedun vuoksi vaan koska olivat teknologian harrastajia (nämä henkilöt kuuluvat Geoffrey Mooren kirjassaan Crossing the Chasm kuvaamaan ”varhaiseen markkinaan”). Kun teknologia tarjoaa välittömiä suorituskykyetuja sen sijaan että lupaisi niitä vasta tulevaisuudessa, sen mahdollisuudet päätyä valtavirran käyttöön kasvavat merkittävästi. Viime vuosina LEDit ovat murtaneet tämän markkinaesteen. Muistele, millaista oli 10 vuotta sitten, jolloin uusimmat LEDit tarjosivat 60 luumenia wattia kohden, kun taas nykyään luku on yli 200 luumenia wattia kohden[i].
Kuva 1 Teknologian omaksumiskäyrä
Näiden jatkuvasti paranevien suorituskykymahdollisuuksien myötä syntyy tilaisuus vaihtaa valonlähde ja/tai liitäntälaite olemassa olevaan valaisimeen ilman koko valaisimen vaihtoa, jolloin ostaja saa taloudellista hyötyä ja takaisinmaksun sijoitukselleen. Jos joka kerta jouduttaisiin vaihtamaan myös itse valaisin, kannustimet olisivat pienemmät.
Kuva 2 Suorituskyvyn parannukset uusien teknologioiden myötä
Tämän ajattelutavan voi omaksua noudattamalla retrofit-strategiaa alusta alkaen: investoimalla retrofit-yhteensopiviin valaisimiin tarkoituksena päivittää niiden ”sisukset” säännöllisemmin kuin itse valaisin. Laajasti ajateltuna kyse on omaisuuden hyödyntämisstrategiasta, joka varmistaa maksimaalisen arvon ja mahdollistaa joustavuuden tulevien teknologisten kehitysaskelten tai muuttuvien vaatimusten suhteen. Se takaa, että päivitys uusimpaan suorituskykytasoon on aina mahdollista pienin kustannuksin.
Retrofit-tuotteiden suunnittelu
Jos se on näin yksinkertaista, miksi kaikki eivät tee retrofit-päivityksiä?
Uuden teknologian suunnitteleminen retrofit-muotoon lisää monimutkaisuutta. Elektroniikassa tärkeintä on suunnitella järjestelmä siten, että käyttölämpötila pysyy sopivana tuotteen käyttöiän pidentämiseksi. Jokaisen suunnittelun lähtökohtana täytyy siksi olla lämmönhallinta, joka voi olla haastavampaa retrofit-tuotteissa, koska niissä ei yleensä ole suoraa johtavaa lämpöreittiä ulkoympäristöön. Siitä huolimatta lämpösimulaatioiden ja perusteellisten lämpötestien avulla erilaisissa suljetuissa valaisimissa voidaan varmistua siitä, että LED-sirujen käyttölämpötila pysyy sirunvalmistajien asettamalla alueella, joka takaa pitkän käyttöiän.
Toinen huolellista harkintaa vaativa osa-alue on optisen suorituskyvyn yhteensovittaminen. Loisteputken fotometria eroaa LED-retrofit-putken fotometriasta. Kuten jäljempänä käsitellään, valaisinhyötysuhteen osalta tämä tekijä toimii kuitenkin yleensä LED-retrofitin eduksi.
LED-retrofitien käyttöön liittyy myös useita yleisiä väärinkäsityksiä, jotka vaihtelevat taloudellisista huolista vaatimustenmukaisuuteen ja uudelleensertifiointikysymyksiin.
Kunhan retrofit-lamppu on sertifioitu käyttötarkoitukseensa, valaisinta ei tarvitse sertifioida uudelleen asennuksen jälkeen. Aivan kuten yöpöydän lamppua ei tarvitse sertifioida uudelleen, kun hehkulampun tilalle vaihdetaan energiansäästölamppu, LED-putkien käyttö loisteputkien tilalla harvoin vaatii sitä myöskään.
Elinkaarikustannukset
Taloudellisesti LED-retrofitien käyttö kannattaa. Säästöt ovat suurimmat asennuksissa, joissa valaisimen luo pääsy on hankalaa ja joissa pidempi-ikäinen teknologia vähentää lampunvaihtojen tarvetta. Shae Gilbert, Lontoon metron valaistuksesta ja innovaatioista vastaava pääinsinööri, on hiljattain kertonut, miten LED-lamppuretrofitien käyttö säästää miljoonia huoltokuluissa. Yhden liukuportaiden yläpuolisen putken vaihto voi maksaa lähes £1 000, joten sijoitetun pääoman tuotto lampunvaihdon välttämisestä on valtava[ii]. Merkittäviä säästöjä voidaan saavuttaa myös muilla alueilla, joilla huoltokustannukset ovat korkeat, esimerkiksi liikenteenohjauksessa tunneleissa, alikuluissa ja metroasemilla.
Huoltokustannusten lisäksi energiansäästöt ovat tyypillisesti 50% loisteputkijärjestelmän wattimäärästä saman kirkkaustason saavuttamiseksi, mikä tarkoittaa, että sijoitetun pääoman tuotto voidaan saavuttaa jopa tilanteissa, joissa lampunvaihtokustannukset ovat mitättömät. Tarkastellaan 58W:n loisteputkilamppua magneettikuristimella (piirin teho 65W), joka korvataan 30W:n LED-putkella. Varovaisella energian hinnalla £0,10/kWh säästö käyttötuntia kohden on 0,35 penniä, mikä tarkoittaa, että jo 20 000 käyttötunnin jälkeen (murto-osa laadukkaiden LED-putkien nimellisestä käyttöiästä) energiansäästöt vastaavat £70:a; tämä ylittää selvästi LED-lampun hinnan.
Parantunut suorituskyky
On ymmärrettävää, että tässä vaiheessa mietit, miten 50% energiansäästö on mahdollista saavuttaa kirkkaustason säilyessä, kun loisteputkien luumenimäärä piirin wattia kohden on noin 75 ja LED-putkilla tyypillisesti 105. Yksi syy liittyy valaisinhyötysuhteeseen eli valaisimen hyötysuhteeseen (LOR, light output ratio).
Kuva 3 Kaavio LOR-periaatteesta
Loisteputket säteilevät valoa koko lampun ympärysmitalta, joten heijastimia tarvitaan ohjaamaan lampun ’takaa’ tuleva valo halutulle alueelle. Tämä optinen ohjaus aiheuttaa väistämättä tehohäviöitä. Lisäksi ajan myötä pinnalle kertyy hiukkasia, jolloin yhä pienempi osa valaisimeen suunnatusta valosta heijastuu. Ulkotilan valaisimen (kuten metroasemilla käytettävien) heijastin on tyypillisesti valmistettu yksinkertaisesta, heikosti heijastavasta peltilevystä, joten häviöt ovat merkittäviä. LEDit sen sijaan säteilevät valoa vain putken yhdeltä pinnalta, joten valaisimen sisällä ei tarvita heijastusta lainkaan.
Tämän valaisinhyötysuhteen muutoksen suuruutta voidaan arvioida suhteuttamalla mitatut keskimääräiset luksitasot lampun valovirtaan, ensin loistelampuilla ja sitten samassa asennuksessa LED-lampuilla. Todellisessa metroasennuksessa LOR-arvon laskettiin parantuneen 59,4% LED-retrofit-lamppuihin siirtymisen jälkeen (katso kuva 6).
Tämän lisäksi on otettava huomioon valon laatu. Kun tavallisten lämpimien tai kylmien loistelamppujen tilalle vaihdetaan LEDien valkoista valoa, koettu kirkkaus wattia kohden kasvaa, ja juuri tämä on tärkeää turvallisuuden ja viihtyisyyden kannalta. Tätä lähestymistapaa pidetään laajalti pätevänä, kuten todetaan standardin BS 5489-1:2013 liitteessä A sekä ILP PLG03 -julkaisussa [34]. Kylmän valkoisen loisteputken SP-suhde on noin 1,48, kun taas valkoisen LED-lampun vastaava arvo voi olla yli 2 (tarkka arvo riippuu valmistajasta ja binnauksesta)[iii].
Kun nämä kolme parannusaluetta yhdistetään (suurempi luumenimäärä wattia kohden, parempi valaisinhyötysuhde ja korkeampi SP-suhde), on helppo nähdä, miten merkittäviä energiansäästöjä voidaan saavuttaa.
Terveysnäkökohdat
Yksi ajankohtainen aihe, joka on herättänyt paljon keskustelua ja huomiota alalla, on valonlähteisiin liittyvä terveys ja turvallisuus.
Isossa-Britanniassa verkkovirran taajuus on 50Hz. Koska aaltomuoto on lähes siniaaltomainen, jaksossa on kaksi kohtaa, joissa jännite on 0, mikä aiheuttaa välkyntää ja valotehon modulaatiota.
Magneettikuristimella toimivat loisteputket moduloivat 100Hz:n taajuudella (viitaten niihin kahteen kohtaan verkkojaksossa, joissa jännite on 0), ja käyttöiän loppupuolella voi ilmetä voimakasta 50Hz:n tai sitä alempaa modulaatiota.
Tutkimukset, joissa on selvitetty välkynnän vaikutusta valoherkkää epilepsiaa sairastaviin potilaisiin (joita esiintyy noin 1/4,000 väestöstä), osoittavat, että noin ~3-~70Hz:n taajuuksilla tapahtuva välkyntä aiheuttaa kohtausriskin[iv]. Potilaiden tutkimuksen aikana tehdyt aivosähkökäyrätallenteet osoittavat, että noin 50% potilaista reagoi 50Hz:n välähdystaajuuteen[v].
Tärkeää on, että LEDeillä ei esiinny 50Hz:n välkyntää käyttöiän loppupuolella. Verkkoon kytketyissä LED-piireissä esiintyy yleensä 100Hz:n modulaatiota, mutta ohjauspiiristä riippuen se voidaan vähentää tai poistaa kokonaan (kun LEDejä ohjataan jatkuvalla tasavirralla).
Lisäetuna on, ettei LED-retrofit sisällä lasia tai elohopeahöyryä, mikä on huolenaihe rikkoutumistilanteissa esimerkiksi puhdistuksen tai lampunvaihdon yhteydessä.
LED-retrofitit käytännössä
Uuden teknologian tuominen markkinoille kohtaa yleensä epäilyä ja koettua riskiä. Kun suorituskyky ja hinta saavuttavat tason, jossa säästömahdollisuus on selvä, ja laajoja asennuksia on toteutettu onnistuneesti, koettu riski väistämättä pienenee.
LED-retrofitin aika loistaa on nyt koittanut. LEDien suorituskyky on parantunut nopeasti viime vuosina, ja LEDit pystyvät nyt tarjoamaan merkittäviä etuja vanhempiin teknologioihin verrattuna. Luottamus teknologiaan on kasvanut huomattavasti, minkä ansiosta suuret yritykset ja organisaatiot ilmoittavat säännöllisesti siirtyvänsä LED-valonlähteisiin.
Yksi tällainen asennus on Captain Cook Square -pysäköintialue Middlesbrough’ssa. INDO Lighting toimitti yli tuhat T8 LED-retrofit-putkea asennettavaksi monikerroksiseen pysäköintitaloon, mikä tarjosi houkuttelevan tuoton pysäköintialueen omistajalle. Taloudellisten hyötyjen lisäksi valon laatu parani, mikä mahdollisti paremman värintunnistuksen ja kirkkauden. Kuva 4 näyttää visuaalisen parannuksen, jonka selittävät aiemmin käsitellyt parannukset valotehokkuudessa, SP-suhteessa ja LOR-arvossa.
Kuva 4 Ennen (vasemmalla, loisteputki) ja jälkeen (oikealla, INDO LED) -valokuvat Captain Cook Square -pysäköintialueelta
LED-asennuksen jälkeen (toteutettu Q1 2014) sähkönmittaus osoitti koko rakennuksen energiankulutuksen (mukaan lukien hissit, puomit, turvajärjestelmät jne.) vähentyneen 45%. Tämä vastaa kuukausittaista noin 13 000 kWh:n vähennystä. Kuva 5 näyttää lisätietoja.
Kuva 5 Koko rakennuksen kuukausittainen energiankulutus vuosivertailussa.
INDO LED -retrofitien laajoja asennuksia on toteutettu useissa Lontoon kaupunginosissa erittäin myönteisin tuloksin. Westminsterin metroasennuksesta tehty riippumaton raportti totesi, että LED-retrofitit paransivat huomattavasti tilan yleisilmettä. Raportin keskeiset tunnusluvut ja tulosten analyysi esitetään kuvassa 7.
Kuva 6 Westminster: INDO LED -lamput (30W:n piiri, vasemmalla) loisteputkien vieressä (84W:n piiri, oikealla)
Kuva 7 Yhteenveto testiasennuksen suorituskykytuloksista
Valaistusteho piirin wattia kohden ja valaistusteho lampun luumenia kohden viittaavat keskimääräisiin valaistustasoihin ja on laskettu testimetroasennuksesta, jossa tehtiin riippumaton valaistuskartoitus sekä loisteputki-T8-lampuille että INDO LED T8 -lampuille. Kartoituksessa käytetyt mittausruudukot noudattivat ILP Technical Report 28 -julkaisua ”Measurement of road lighting performance on site”.
LEDien yleinen suorituskyky paranee jatkuvasti, ja uusi teknologia on aina kulman takana. Uusimman teknologian retrofit-päivitys pienin kustannuksin tuo joustavuutta, sillä se varmistaa, ettei koskaan jäädä kiinni nykyiseen teknologiatasoon. Jos parannettu tuote julkaistaan muutama vuosi asennuksen jälkeen, kalliita valaisimia ei tarvitse kirjata pois käytöstä päivitystä varten.
Mullistavan LED-teknologian yhdistäminen tähän käytännönläheiseen retrofit-ajatteluun on epäilemättä älykäs tapa hyödyntää nykyistä teknologiakenttää, parantaa valaistustasoa ja vähentää merkittävästi asennuksen elinkaarikustannuksia.
Lähteet:
[i] Miller, H. (2010) Creative Destruction, With a Nudge from the Top, [Online], Available: 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], Available: 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], Available: http://www.essex.ac.uk/psychology/overlays/2010-195.pdf [27 Nov 2013]
