Med stadig økende energikostnader og et sterkere fokus på grønne verdier er presset for effektiv drift nå høyere enn noensinne. Dette gjelder på tvers av alle bransjer, men mulighetene for energireduksjon, og dermed hvilken tilnærming man bør velge for å nå dette målet, varierer ofte fra sak til sak.
Ett tema som imidlertid dukker opp gang på gang, er belysning.
Belysning av parkeringsplasser (eller ethvert annet område) utgjør ofte en av de største løpende driftskostnadene. Med jevnlige teknologiske fremskritt kan de nyeste produktene på markedet brukes til å redusere disse kostnadene drastisk, ned til en brøkdel, noe som fører til det opplagte spørsmålet: er det bedre å oppgradere nå, eller vente til neste teknologi blir tilgjengelig?
Så hva er den beste måten å redusere levetidskostnadene ved installasjon og karbonavtrykket på? Kostnader ved anskaffelse, og for den saks skyld energien som er bundet i materialer, produksjon, transport og installasjon av enhetene, kan utgjøre betydelige andeler av levetidskostnadene. Av denne grunn kreves en smart oppgraderingsstrategi som sikrer at kun de utdaterte komponentene byttes ut: med andre ord, en retrofit oppgraderingsstrategi.
I belysningssammenheng er en retrofit et produkt som er kompatibelt med et eksisterende system, og som tilbyr noe utover det produktet erstatter. Retrofit gir mulighet til å dra nytte av ny teknologi uten behov for full utskifting av armaturen, og i mange tilfeller i form av en direkte lampeutskifting (uten behov for ny kabling eller endringer i det eksisterende kretsløpet). Retrofit er faktisk slett ikke noen ny idé: bruken av metallhalogenlamper til å erstatte natriumlamper er et godt eksempel på hvordan fordeler er oppnådd gjennom en enkel retrofit-løsning.
Armaturer består vanligvis av tre hoveddeler: huset, lyskilden (lampen eller LED-en) og forkobling eller driver. Mens huset generelt sett er en lavteknologisk del som har potensial til å eldes akkurat like godt som Carol Vorderman, viser de to andre delene ytelsesforbedringer over tid takket være innovasjon i bransjen. Innovasjoner kan være både transformasjonelle (som som regel tilskrives et teknologiskifte, som fra lysstoffrør til LED) og inkrementelle (som drives frem av små effektivitetsgevinster, tilskrevet forbedringer i eksisterende teknologi eller produksjonsprosesser).
Teknologiadopsjon
Generelt sett gir transformasjonelle endringer ytelsessprang. Inkrementelle endringer gir derimot som regel jevnlige forbedringer som øker effektiviteten. En ny teknologi tar tid på å ta igjen den etablerte teknologien i ytelse, og her kreves tålmodighet. Husker du da Apple prøvde å lansere Newton som en PDA-enhet i 1993? På grunn av størrelsen og prisen ble den ikke ansett å gi noen ytelsesfordel sammenlignet med en papirkalender, og den falt derfor gjennom. De som kjøpte på dette tidlige stadiet, gjorde det ikke for ytelsesfordelene, men fordi de var teknologientusiaster (disse personene utgjør en del av det «tidlige markedet» beskrevet av Geoffrey Moore i boken hans Crossing the Chasm). Når en teknologi gir umiddelbare ytelsesfordeler (i stedet for bare et løfte om fremtidige ytelsesfordeler), øker sjansene for at den tas i bruk av massemarkedet, kraftig. De siste årene har LED-er brutt gjennom denne markedsbarrieren. Tenk tilbake til for 10 år siden, da de nyeste LED-ene ga 60 lumen per watt, sammenlignet med over 200 lumen per watt i dag[i].
Figur 1 Teknologiadopsjonskurve
Med disse stadig økende ytelsesmulighetene følger en mulighet til å erstatte lyskilden og/eller driveren i den eksisterende armaturen for å oppnå økonomiske fordeler, og sikre avkastning på investeringen for kjøperen. Dersom man hver gang måtte erstatte hele armaturen også, ville insentivene vært lavere.
Figur 2 Ytelsesforbedringer med ny teknologi
Man kan omfavne denne filosofien ved å følge en retrofit-strategi helt fra starten av: investere i retrofit-vennlige armaturer med sikte på å oppgradere det ‘indre’ oftere enn selve armaturen. Bredt sett er dette en strategi for utnyttelse av anleggsmidler som sikrer maksimal verdi og gir fleksibilitet med hensyn til fremtidig teknologisk utvikling eller endrede krav. Den sikrer at det alltid finnes en mulighet til å oppgradere til det nyeste ytelsesnivået til en lav kostnad.
Retrofit-produktdesign
Hvis det er så enkelt, hvorfor driver ikke alle med retrofit?
Å utforme ny teknologi i en retrofit-form gir økt kompleksitet. Det viktigste innen all elektronikk er å utforme systemet slik at det sikrer en egnet driftstemperatur, for å forlenge produktets levetid. Utgangspunktet for enhver design må derfor være varmehåndtering, noe som kan være vanskeligere ved utforming av retrofit-produkter fordi det som regel ikke finnes noen direkte ledende varmebane ut til omgivelsene. Likevel er det mulig, ved hjelp av termiske simuleringer og grundig termisk testing i en rekke lukkede armaturer, å være trygg på at driftstemperaturen til LED-brikkene ligger godt innenfor det området brikkeprodusentene har fastsatt for å sikre lang levetid.
Et annet område som krever nøye vurdering, er tilpasning av optisk ytelse. Fotometrien til et lysstoffrør skiller seg fra fotometrien til et LED-retrofitrør. Men som det diskuteres nedenfor, jobber denne faktoren som regel til fordel for LED-retrofitten når det gjelder armaturvirkningsgrad.
Det finnes også en rekke vanlige misforståelser rundt bruken av LED-retrofit, alt fra økonomiske bekymringer til spørsmål om samsvar og resertifisering.
Så lenge retrofit-lampen er sertifisert for sitt tiltenkte formål, vil det ikke være behov for å resertifisere armaturen når den er installert. På samme måte som du ikke trenger å resertifisere nattbordslampen din når en sparepære (CFL) brukes i stedet for en glødelampe, er det sjelden behov for det når LED-rør brukes i stedet for lysstoffrør.
Levetidskostnader
Økonomisk sett lønner bruken av LED-retrofit seg. Besparelsene er størst i installasjoner der tilgangen til armaturen er vanskelig, og der lengre levetid gjør at man slipper unna med færre lampeskift. Shae Gilbert, ledende ingeniør for belysning og innovasjon hos London Underground, forklarte nylig hvordan bruken av LED-lampe-retrofit sparer millioner i vedlikeholdsutgifter. Å skifte et enkelt rør over en rulletrapp kan koste nesten £1 000, så avkastningen på investeringen når man unngår et lampeskift, er enorm[ii]. Store besparelser kan også oppnås på andre områder med høye vedlikeholdskostnader, for eksempel der det kreves trafikkstyring i tunneler, underganger og gangtunneler.
Ser man bort fra vedlikeholdskostnadene, er energibesparelsene typisk 50% av lysrørsystemets wattstyrke for å oppnå samme lysstyrke, noe som betyr at avkastning på investeringen kan oppnås selv i tilfeller der kostnadene ved lampeskift er ubetydelige. Ta for eksempel et 58W lysstoffrør med magnetisk forkobling (kretseffekt 65W) som byttes ut med et 30W LED-rør. Ved en forsiktig anslått energikostnad på £0,10/kWh er besparelsen per driftstime 0,35 pence, noe som betyr at selv etter bare 20 000 timers drift (en brøkdel av den nominelle levetiden for LED-rør av høy kvalitet) tilsvarer energibesparelsen £70. Dette overgår langt kostnaden for LED-lampen.
Forbedret ytelse
Det er forståelig at du på dette tidspunktet lurer på hvordan det er mulig å oppnå en reduksjon i energibruken på 50% samtidig som lysstyrken opprettholdes, når lysstoffrør gir rundt 75 lumen per kretswatt, mens LED-rør typisk gir 105. En av grunnene er knyttet til armaturvirkningsgrad, eller lysutbytteforhold.
Figur 3 Diagram som viser LOR-prinsippet
Lysstoffrør avgir lys fra hele lampens omkrets, noe som betyr at reflektorer må brukes for å lede lyset som avgis fra ‘baksiden’, til ønsket område. Denne optiske styringen fører uunngåelig til tap. I tillegg avsettes det over tid partikler på overflaten, som gjør at enda mindre av lyset som ledes inn i armaturen, reflekteres. En reflektor for en utendørs armatur (som de som brukes i underganger) er som regel laget av enkel platemetall med lav refleksjonsevne, så tapene er betydelige. LED-er avgir derimot lys kun fra én overflate av røret, noe som betyr at det ikke er noen refleksjon inne i armaturen.
Omfanget av denne endringen i armaturvirkningsgrad kan anslås ved å skalere målte gjennomsnittlige luxnivåer mot lampens lysytelse, både for lysstoffrør og deretter for den samme installasjonen med LED-lamper. I en reell undergangsinstallasjon ble LOR beregnet til å ha forbedret seg med 59,4% etter overgang til LED-retrofit-lamper (se figur 6).
I tillegg til dette må lyskvaliteten tas med i vurderingen. Ved å bruke hvitt lys fra LED-er til å erstatte vanlige varme eller kalde lysstoffrør, øker den opplevde lysstyrken per watt, og dette er viktig for sikkerhet og komfort. Det er allment akseptert at dette er en gyldig tilnærming, slik det bekreftes i tillegg A i BS 5489-1:2013 og ILP PLG03 [34]. SP-forholdet for et kaldhvitt lysstoffrør er omtrent 1,48, mens et hvitt LED-lys kan ligge over 2 (nøyaktig verdi avhenger av produsent og binning)[iii].
Ved å kombinere disse tre forbedringsområdene (høyere lumen per watt, forbedret armaturvirkningsgrad og et høyere SP-forhold), er det lett å se hvordan betydelige energibesparelser kan oppnås.
Helsebekymringer
Et aktuelt tema som har fått mye oppmerksomhet og diskusjon i bransjen, er helse og sikkerhet knyttet til lyskilder.
Strømnettet i Storbritannia leverer en nettfrekvens på 50Hz. Siden bølgeformen er tilnærmet sinusformet, vil det være to punkter i syklusen der spenningen som leveres, er 0, noe som gir opphav til fenomenet flimmer og modulasjon av lysytelsen.
Lysstoffrør som går på magnetisk forkobling, moduleres ved 100Hz (knyttet til de to punktene i strømsyklusen der spenningen er 0), og mot slutten av levetiden kan det oppstå en kraftig modulasjon på 50Hz og lavere.
Studier som undersøker effekten av flimmer på pasienter med fotosensitiv epilepsi (som utgjør omtrent 1 av 4 000 i befolkningen), viser at flimmer i området ~3 til ~70Hz utgjør en anfallsrisiko[iv]. De elektroencefalografiske opptakene fra pasientene i studien viser at rundt 50% av pasientene responderte på en blinkefrekvens på 50Hz[v].
Viktig er det at LED-er ikke viser en 50Hz-flimring mot slutten av levetiden. En 100Hz-modulasjon er vanligvis til stede i nettilkoblede LED-kretser, men avhengig av drivkretsen kan den reduseres eller fjernes helt (for LED-er som drives med kontinuerlig likestrøm).
Det er også den ekstra fordelen at LED-retrofitten ikke bruker glass eller kvikksølvdamp, noe som er en bekymring dersom det oppstår brudd, for eksempel under rengjøring eller lampeskift.
LED-retrofit i praksis
Introduksjonen av ny teknologi på markedet møtes som regel med skepsis og opplevd risiko. Når ytelsen og prisen når et punkt der det er en klar mulighet for besparelser, og store installasjoner er gjennomført og har vist seg vellykkede, avtar denne opplevde risikoen alltid.
Tiden for at LED-retrofit skal skinne, er nå kommet. Ytelsen til LED-er har forbedret seg raskt de siste årene, og LED-er kan nå tilby betydelige fordeler sammenlignet med eldre teknologier. Tilliten til teknologien har økt betraktelig, noe som har ført til jevnlige kunngjøringer fra store selskaper og organisasjoner om at de går over til LED-kilder.
Ett slikt eksempel er parkeringshuset Captain Cook Square i Middlesbrough. INDO Lighting leverte over tusen T8 LED-retrofitrør som skulle installeres i det fleretasjes bygget, noe som ga attraktiv avkastning for parkeringshusets eier. I tillegg til disse økonomiske fordelene ble lyskvaliteten bedre, med bedre fargegjenkjenning og økt lysstyrke. Figur 4 viser den visuelle forbedringen, som kan forklares av gevinstene i lumeneffektivitet, SP-forhold og LOR som diskutert tidligere.
Figur 4 Bilder før (venstre, lysstoffrør) og etter (høyre, INDO LED) fra parkeringshuset Captain Cook Square
Etter LED-installasjonen (utført i 1. kvartal 2014) viste strømmålingen en reduksjon i byggets totale energiforbruk (inkludert heiser, bommer, sikkerhetssystemer osv.) på 45%. Dette tilsvarer en månedlig reduksjon på rundt 13 000 kWh. Figur 5 viser flere detaljer.
Figur 5 Månedlig energiforbruk for hele bygget, sammenlignet år for år.
Store installasjoner av INDO LED-retrofit er gjennomført i flere London-bydeler, med svært positive resultater. En uavhengig rapport utført ved en undergangsinstallasjon i Westminster konkluderte med at LED-retrofitten hadde gitt en merkbar forbedring av rommets helhetsinntrykk. Nøkkeltall fra rapporten, inkludert en analyse av resultatene, vises i figur 7.
Figur 6 Westminster: INDO LED-lamper (30W krets, venstre) ved siden av lysstoffrør (84W krets, høyre)
Figur 7 Sammendrag av ytelsesresultater fra testinstallasjonen
Belysning per kretswatt og belysning per lampelumen er knyttet til gjennomsnittlige belysningsnivåer og beregnes fra en testundergangsinstallasjon der en uavhengig lysmåling ble utført for lysstoffrør av typen T8 og for INDO LED T8-lamper. Målenettene som ble brukt til å gjennomføre undersøkelsen, var i samsvar med ILP Technical Report 28 ‘Measurement of road lighting performance on site‘.
Den generelle ytelsen til LED-er øker stadig, og ny teknologi er alltid rett rundt hjørnet. Retrofit med den nyeste teknologien til lav kostnad gir fleksibilitet, ettersom det sikrer at man aldri blir låst til dagens teknologinivå. Dersom et forbedret produkt lanseres noen år etter installasjon, vil det ikke være behov for å avskrive kostbare armaturer for å oppgradere.
Å kombinere revolusjonerende LED-teknologi med denne pragmatiske retrofit-filosofien er utvilsomt en smart måte å utnytte dagens teknologilandskap på, for å forbedre belysningsstandarder og drastisk redusere installasjonens levetidskostnader.
Referanser:
[i] Miller, H. (2010) Creative Destruction, With a Nudge from the Top, [Internett]. Tilgjengelig fra: 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 [Internett]. Tilgjengelig fra: 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 [Internett]. Tilgjengelig fra: http://www.essex.ac.uk/psychology/overlays/2010-195.pdf [27. nov. 2013]
