Med ständigt stigande energikostnader och ett ökat fokus på miljöprestanda är behovet av energieffektiva verksamheter nu större än någonsin. Det gäller i alla branscher, men möjligheterna till energibesparing, och därmed den strategi man bör välja för att nå detta mål, varierar ofta från fall till fall.
Detta är dock ett återkommande tema: belysning.
Belysningen i parkeringshus (eller andra utrymmen) utgör ofta en av de största löpande driftskostnaderna. Tack vare de senaste årens tekniska framsteg kan de nyaste produkterna på marknaden drastiskt reducera dessa kostnader, vilket väcker den självklara frågan: är det bättre att uppgradera nu, eller vänta tills nästa teknikgeneration finns tillgänglig?
Vad är egentligen det bästa sättet att minska livstidskostnader och koldioxidavtryck? Uppfrontskostnader, liksom den energi som är inbäddad i material, tillverkning, transport och installation, kan stå för en avsevärd andel av de totala livstidskostnaderna. Av den anledningen krävs en genomtänkt uppgraderingsstrategi för att säkerställa att bara de föråldrade komponenterna byts ut, med andra ord en retrofit-uppgraderingsstrategi.
I belysningssammanhang är en retrofit en produkt som är kompatibel med ett befintligt system och som erbjuder mer än vad den ersätter. Retrofittprodukter ger möjlighet att dra nytta av ny teknik utan att behöva byta ut hela armaturen, och ofta sker det i form av ett direkt lampbyte (utan omledning eller modifiering av befintlig krets). Retrofitting är ingalunda ett nytt koncept; användningen av metallhalogenlampor för att ersätta natriumlampor är ett bra exempel på hur fördelar uppnåddes med en enkel retrofitlösning.
Armaturer består generellt av tre huvuddelar: höljet, ljuskällan (lampan eller LED-modulen) samt drivdonet. Höljet är vanligtvis en lågteknologisk komponent med förutsättningar att hålla länge, medan de övriga två uppvisar prestandaförbättringar över tid tack vare branschens innovationer. Innovationer kan vara omvälvande (vilket vanligtvis är kopplat till ett teknikskifte, exempelvis övergången från lysrör till LED) eller inkrementella (som drivs av successiva effektivitetsförbättringar i befintlig teknik och i produktionsprocesser).
Teknikadoption
Omvälvande förändringar ger generellt sett stora prestandasprång. Inkrementella förändringar ger däremot regelbundna förbättringar som successivt höjer effektivitetsnivåerna. En ny teknik tar tid på sig att överträffa den etablerade tekniken i fråga om prestanda, och det är just här tålamod krävs. Minns du när Apple försökte lansera Newton som PDA-enhet 1993? På grund av skrymmande format och högt pris ansågs den inte erbjuda bättre prestanda än en papperskalender, varför den inte tog fart. De som ändå köpte den i det skedet gjorde det inte för prestandans skull utan för att de var teknikentusiaster (dessa individer utgör en del av det ”tidiga marknaden” som Geoffrey Moore beskriver i sin bok Crossing the Chasm). När en teknik väl ger omedelbara prestandafördelar, snarare än löften om framtida sådana, ökar chanserna för att mainstreammarknaden tar till sig den avsevärt. De senaste åren har LED-tekniken brutit igenom denna marknadströskel. Tänk dig tillbaka tio år i tiden, då de senaste LED-produkterna erbjöd 60 lumen per watt, jämfört med över 200 lumen per watt i dag[i].
Figur 1 Teknikadoptionskurva
Dessa ständigt ökande prestandamöjligheter skapar tillfälle att byta ut ljuskällan och/eller drivdonet i befintlig armatur för att uppnå ekonomiska fördelar och säkerställa en positiv avkastning på investeringen. Om vi varje gång vi ville göra detta även behövde byta armaturen, skulle incitamenten vara lägre.
Figur 2 Prestandaförbättringar med ny teknik
Denna filosofi kan omsättas i praktiken genom att från start tillämpa en retrofittstrategi: att investera i retrofittvänliga armaturer med avsikten att uppgradera de inre komponenterna mer regelbundet än armaturen som helhet. I stora drag är det en strategi för tillgångsutnyttjande som säkerställer maximalt värde och möjliggör flexibilitet inför framtida teknikutveckling eller förändrade krav. Den garanterar alltid möjligheten att uppgradera till den senaste prestandanivån till en låg kostnad.
Design av retrofitprodukter
Om det är så enkelt, varför retrofittar inte alla?
Att utforma en ny teknik i retrofitformat tillför komplexitet. Det viktigaste med all elektronik är att designa systemet så att en lämplig driftstemperatur upprätthålls, vilket förlänger produktens livslängd. Utgångspunkten för varje design måste därför vara värmehantering, vilket kan vara svårare att lösa i retrofitprodukter eftersom det sällan finns en direkt ledande värmeavledning till omgivningen. Likväl är det, genom termiska simuleringar och noggranna termiska tester i en rad slutna armaturer, möjligt att med säkerhet fastställa att LED-chipens driftstemperatur ligger väl inom det intervall som chiptillverkarna anger för lång livslängd.
Ett annat område där omsorgsfull avvägning krävs är matchningen av optisk prestanda. Fotometrin hos ett lysrör skiljer sig från den hos ett LED-retrofitrör. Som vi kommer att diskutera nedan arbetar denna faktor typiskt sett till LED-retrofitlösningens fördel vad gäller armaturdvens effektivitet.
Det finns också ett antal vanliga missuppfattningar kring LED-retrofitprodukter, allt från ekonomiska farhågor till frågor om efterlevnad och återcertifiering.
Så länge retrofitlampan är certifierad för sitt avsedda ändamål krävs ingen ny certifiering av armaturen efter installation. Precis som du inte behöver certifiera om din sänglampa när en lågenergilampa ersätter en glödlampa, är det sällan nödvändigt att göra det när LED-rör ersätter lysrör.
Livstidskostnader
Ekonomiskt sett är LED-retrofitlösningar lönsamma. Besparingarna är störst i installationer där det är svårt att komma åt armaturen, och en längre livslängd innebär att lampbyten kan göras mer sällan. Shae Gilbert, chefsansvarig för belysning och innovation på London Underground, förklarade nyligen hur användningen av LED-lampretrofitprodukter sparar miljoner på underhållskostnader. Att byta ett enda rör över en rulltrappa kan kosta nästan £1 000, varför avkastningen på investeringen när ett lampbyte kan undvikas är enorm[ii]. Stora besparingar kan uppnås i andra miljöer med höga underhållskostnader, till exempel där trafikstyrning krävs i tunnlar, undergångar och gångtunnlar.
Bortom underhållskostnader är energibesparingarna typiskt sett 50 % av lysrörssystemets effektförbrukning för att uppnå samma ljusstyrka, vilket innebär att avkastning på investeringen kan uppnås även i scenarier där kostnaden för lampbyte är försumbar. Tänk dig att en 58 W lysrörslampa på magnetiskt driftdon (kretswatt 65 W) ersätts av ett 30 W LED-rör. Vid en försiktig energikostnad av £0,10/kWh är besparingen per driftstimme 0,35 pence, vilket innebär att redan efter 20 000 driftstimmar (en bråkdel av den märkta livslängden för LED-rör av hög kvalitet) uppgår energibesparingen till £70, vilket vida överstiger kostnaden för LED-lampan.
Förbättrad prestanda
Du undrar säkert hur en energibesparing på 50 % är möjlig och ändå bibehålla ljusnivåerna, givet att lysrörs lumen per kretswatt ligger kring 75 och att LED-rörs typiskt sett är 105. En av förklaringarna är armaturdvens effektivitet, eller ljusutbytesförhållande.
Figur 3 Diagram som visar principen för LOR
Lysrör avger ljus från hela lampans omkrets, vilket innebär att reflektorer måste användas för att rikta det ljus som avges från ”baksidan” mot det önskade området. Oundvikligen introducerar denna optiska styrning förluster i effektivitet. Dessutom avsätts partiklar på ytan med tiden, vilket gör att ännu mindre av det ljus som riktas in i armaturen reflekteras. En reflektor för en utvändig armatur (som de som används i gångtunnlar) är typiskt sett tillverkad av enkelt plåtmaterial med låg reflektivitet, varför förlusterna är betydande. LED-moduler avger däremot ljus från bara en yta på röret, vilket innebär att det inte sker någon reflektansförlust inne i armaturen.
Omfånget av denna förändring i armaturdvens effektivitet kan uppskattas genom att skala uppmätta genomsnittliga luxnivåer mot lampornas lumenutfall, först med lysrörslampor och sedan för samma installation med LED-lampor. I en verklig installation i en gångtunnel beräknades LOR ha förbättrats med 59,4 % efter övergången till LED-retrofitlampor (se Figur 6).
Därutöver tillkommer ljuskvaliteten att beakta. Att ersätta standard varmvita eller kallvita lysrörslampor med vitt LED-ljus ökar den upplevda ljusstyrkan per watt, och det är just detta som är avgörande för säkerhet och komfort. Ansatsen är allmänt accepterad och bekräftas i bilaga A till BS 5489-1:2013 samt ILP PLG03 [34]. SP-kvoten för en kallvit lysrörslampa är ungefär 1,48, medan en vit LED-lampa kan ha ett värde över 2 (det exakta värdet beror på tillverkare och binning)[iii].
Genom att kombinera dessa tre förbättringsområden (fler lumen per watt, bättre armaturdvens effektivitet och ett högre SP-kvotvärde) är det enkelt att förstå hur betydande energibesparingar kan uppnås.
Hälsofrågor
En aktuell fråga som har väckt stor diskussion i branschen är hälsa och säkerhet i relation till ljuskällor.
Elnätet i Storbritannien levererar ström vid en nätfrekvens på 50 Hz. Eftersom vågformen är approximativt sinusformad finns det två punkter per cykel där den levererade spänningen är 0, vilket ger upphov till fenomenet flimmer och amplitudmodulering av ljusflödet.
Lysrör på magnetiska driftdon modulerar med 100 Hz (relaterat till de två punkterna i nätcykeln där den levererade spänningen är 0), och mot slutet av livslängden kan en kraftig modulering på 50 Hz och lägre introduceras.
Studier om effekten av flimmer på patienter med ljuskänslig epilepsi (vilket drabbar ungefär 1 av 4 000 i befolkningen) tyder på att flimmer i intervallet ca 3 till ca 70 Hz innebär en anfallsrisk[iv]. Elektroencefalografiska registreringar från patienter under studien visar att ungefär 50 % av patienterna reagerade på en blixtfrekvens av 50 Hz[v].
Viktigt nog uppvisar inte LED-produkter något 50 Hz-flimmer mot slutet av livslängden. En 100 Hz-modulering förekommer vanligtvis i nätanslutna LED-kretsar, men beroende på drivkretsens utformning kan den reduceras eller elimineras helt (för LED-moduler drivna med konstant likström).
Ytterligare en fördel är att LED-retrofitlösningen inte använder glas eller kvicksilverånggas, vilket annars är en riskfaktor vid brott, till exempel under rengöring eller vid lampbyte.
LED-retrofit i praktiken
Introduktionen av ny teknik på marknaden möts vanligtvis av skepsis och upplevd risk. När prestanda och pris når en punkt där det finns en tydlig möjlighet till besparingar och stora installationer genomförts och visat sig framgångsrika, minskar denna upplevda risk ofrånkomligen.
Tiden för LED-retrofit att ta steget fram har nu kommit. Prestandan hos LED-produkter har förbättrats snabbt under de senaste åren och LED-lösningar kan nu erbjuda betydande fördelar jämfört med äldre teknik. Förtroendet för tekniken har ökat avsevärt, vilket avspeglas i regelbundna tillkännagivanden från stora företag och organisationer om att de byter till LED-ljuskällor.
En sådan installation är parkeringshuset Captain Cook Square i Middlesbrough. INDO Lighting levererade över ett tusen T8 LED-retrofitlampor för installation i flervåningsbyggnaden, vilket gav attraktiv avkastning för parkeringshusets ägare. Utöver dessa ekonomiska fördelar förbättrades ljuskvaliteten, vilket möjliggjorde bättre färgigenkänning och ökad ljusstyrka. Figur 4 visar den visuella förbättringen, som kan förklaras av vinsterna i lumeneffektivitet, SP-kvot och LOR som diskuterats ovan.
Figur 4 Före (vänster, lysrör) och efter (höger, INDO LED) fotografi från parkeringshuset Captain Cook Square
Efter LED-installationen (genomförd under kvartal 1 2014) visade elmätningen en minskning av hela byggnadens energiförbrukning (inklusive hissar, bommar, säkerhetssystem m.m.) med 45 %. Det motsvarar en månatlig minskning på cirka 13 000 kWh. Figur 5 visar ytterligare detaljer.
Figur 5 Månadsvis energiförbrukning för hela byggnaden, jämförd år för år.
Större INDO LED-retrofitinstallationer har genomförts i Londons stadsdelar med ytterst positiva resultat. En oberoende rapport från en installation i en gångtunnel i Westminster framhöll att LED-retrofitlösningarna märkbart förbättrat utrymmets helhetsintryck. Nyckeltal från rapporten, inklusive en analys av resultaten, visas i Figur 7.
Figur 6 Westminster: INDO LED-lampor (30 W krets, vänster) bredvid lysrörslampor (84 W krets, höger)
Figur 7 Sammanfattning av prestandaresultat från testinstallationen
Belysning per kretswatt och belysning per lamplumen avser genomsnittliga belysningsnivåer och är beräknade utifrån en testinstallation i en gångtunnel där en oberoende belysningsbesiktning genomfördes för lysrör av typ T8 och för INDO LED T8-rör. De mätrutnät som användes för besiktningen var i enlighet med ILP Technical Report 28 ’Measurement of road lighting performance on site’.
LED-teknikens generella prestanda förbättras ständigt och det finns alltid en ny teknikgeneration runt hörnet. Retrofitting med den senaste tekniken till en låg kostnad ger flexibilitet eftersom det aldrig innebär ett inlåsning till aktuella tekniknivåer. Om en förbättrad produkt lanseras några år efter en installation behöver man inte skriva av kostsamma armaturer för att uppgradera.
Att kombinera revolutionerande LED-teknik med denna pragmatiska retrofittstrategi är utan tvekan ett klokt sätt att utnyttja det nuvarande tekniklandskapet för att höja belysningsstandarden och drastiskt minska installationens livstidskostnader.
Referenser:
[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]
