Energetska efikasnost u sustavima unutarnje rasvjete

Energetska efikasnost pojam je, kojega je danas praktično nemoguće izbjeći u gotovo svakom kontekstu potrošnje energije pa tako i one za rasvjetu. Stoga je važno, odmah u početku, prisjetiti se osnovne definicije energetske efikasnosti. Naime, energetska efikasnost podrazumijeva skup isplaniranih i provedenih mjera i aktivnosti kojima se za istu ili čak veću razinu zadovoljstva, proizvodnje ili usluge upotrebljava manja količina energije. Stoga, energetska efikasnost nipošto ne označava štednju, budući da štednja podrazumijeva stanovito odricanje od čega. U ovom kontekstu povećanje energetske efikasnosti u sustavima unutarnje rasvjete očigledno znači upotrebu manje količine energije – poglavito električne energije, za postizanje istog svjetlosnog učinka. Mogućnosti, odnosno mjera kojima je moguće postići određenu uštedu energije, postoji onoliko koliko postoji na tržištu dostupnih rješenja (izvori svjetlosti, predspojne naprave, svjetiljke, regulacijski elementi, senzori i sl.). Međutim, samo ona rješenja koja će osigurati razuman period povrata investicije bit će interesantna investitorima, odnosno korisnicima takvih sustava. Zamislive su i mjere koje ne iziskuju financijske izdatke, međutim njihova je primjena i provedivost upitna, npr. zahtijevanje od zaposlenika da se odgovornije odnose prema potrošnji energije za rasvjetu.k50-frankovic-00-200.jpg

S druge strane, Tehničkim propisom o racionalnoj uporabi energije i toplinskoj zaštiti u zgradama (NN 97/2014, čl. 39. i 40.) propisuje se i promiče korištenje prirodnog – dnevnog svjetla, gdje god i kad god je moguće, dok se umjetna rasvjeta valja izvesti energetski učinkovitim svjetiljkama s učinkovitim i ekološki prihvatljivim izvorima svjetlosti. ­Pri projektiranju unutarnje rasvjete treba se držati norme HRN EN 12464-1:2012, u kojoj su date zahtijevane razine rasvijetljenosti u ovisnosti o namjeni prostora, tj. zahtjevima prema vrsti zadataka i aktivnosti koje se obavljaju u tim prostorima. Energetski zahtjevi, tj. dopuštene vrijednosti tzv. numeričkog indikatora energije za rasvjetu, također su normirane i to normom HRN EN 15193:2008 i HRN EN 15193:2008/Ispr.1:2011.

O svjetlosti
Poznato je da čovjek većinu informacija iz svoje okoline – čak preko 80%, prima putem osjetila vida. Da bi se ostvario vizualni podražaj ljudskog oka potrebna je svjetlost bilo prirodna, bilo umjetna. Ljudsko oko u stanju je vidjeti samo ograničeni dio elektromagnetskog spektra – tzv. vidljivi dio spektra. Naime, vidljiva svjetlost definirana je kao elektromagnetsko zračenje u pojasu između ultraljubičastog (UV – Ultra Violet) i infracrvenog (IR – Infra Red) područja, odnosno elektromagnetsko zračenje valnih duljina od 380-780 nm.

k50-frankovic-01-200.jpgTakođer je poznato da se putem svjetla mogu postići trojaki efekti:

  • Svjetlo kao preduvjet za obavljanje vizualnih zadaća
    • Osvjetljenje radne površine u skladu s relevantnim propisima (normama, npr. HRN EN 12464-1)
    • Osvjetljenje bez bliještanja
  • Svjetlo kao biološka potreba
    • Potpomaže ljudski cirkadijski ritam
    • Stimulira i relaksira
  • Svjetlo kao stimulator emocionalne percepcije
    • Svjetlo kao akcentuator arhitekture
    • Svjetlo kao scenski medij

Ljudsko oko nije u istoj mjeri osjetljivo za sve osnovne boje svjetlosti. Ispitivanjima je utvrđeno da je oko najosjetljivije za valnu duljinu od 556 nm, što odgovara zelenoj svjetlosti. Od ove valne duljine osjetljivost oka opada, kako za dulje, tako i za kraće valne duljine. Prirodno dnevno svjetlo predstavlja zbroj svih valnih duljina vidljivog dijela spektra. Nadalje, pokusima je ustanovljeno da ljudsko oko nije jednako osjetljivo za iste valne duljine pri slabom, odnosno jakom osvjetljenju, što se najbolje može uočiti na sljedećoj slici. Naime, slika prikazuje osjetljivost ljudskog oka pri tzv. fotopskom ili dnevnom viđenju (zelena krivulja) i skotopskom ili noćnom viđenju (crna krivulja). Ovaj efekt još se naziva Purkinjeova pojava, a najbolje se može zamijetiti ako promatramo, pri dnevnoj svjetlosti, plavi i crveni predmet jedan pored drugoga. Promatraču će se činiti da je plavi predmet tamniji od crvenoga. Međutim, ako iste predmete promatramo pri slabom osvjetljenju, tada, kada se oko privikne na slabiju osvjetljenost, dobivamo utisak da je plavi predmet znatno jače osvijetljen u odnosu na crveni. Projektanti rasvjete interijera te osobito eksterijera, o ovoj pojavi moraju voditi računa, osobito pri «efektnom» osvjetljenju fasada zgrada, pozornica i sl.

Nužnost kvalitetnog i energetski efikasnog osvjetljenja unutarnjih, ali i vanjskih prostora, danas je postao imperativ. Međutim, postavlja se pitanje što je to kvalitetno osvjetljenje i kako definirati kvalitetu osvjetljenja, odnosno efikasnost osvjetljenja. Da bi dali odgovor na ova  pitanja dobro je prisjetiti se odgovarajućih svjetlotehničkih i energetskih veličina kojima opisujemo svjetlosne efekte, odnosno izvore svjetlosti te njihov učinak u prostoru i energetske karakteristike.
Pod svjetlotehničkim veličinama podrazumijevaju se one veličine koje se temelje na vrednovanju svjetlosti na osnovu ljudskog organa vida. Osnovne svjetlotehničke veličine su: jakost svjetlosti, svjetlosni tok, rasvijetljenost te sjajnost ili luminancija.

Jakost svjetlosti se definira kao snaga zračenja koju izvor svjetlosti emitira u određenom smjeru u prostoru. To je jedna od sedam osnovnih fizikalnih veličina međunarodnog SI sustava mjernih jedinica. Jedinica za jakost svjetlosti je kandela (cd).
Svjetlosni tok definira se kao ukupan iznos svjetlosti (zračenja) koje emitira izvor svjetla. Ovo bi se zračenje moglo mjeriti i izražavati u vatima, međutim takvo se označavanje rijetko koristi jer se time nedovoljno dobro opisuje optički efekt izvora svjetlosti, uslijed zanemarivanja promjene osjetljivosti ljudskog oka na zračenje različitih valnih duljina. Zbog toga je uvedena nova mjerna jedinica za svjetlosni tok nazvana lumen (lm).
Rasvijetljenost je svjetlotehnička veličina koja se definira kao omjer količine svjetlosnog toka koji normalno pada na određenu površinu i te iste površine. Mjerna jedinica za rasvijetljenost je luks (lx).
Luminancija (sjajnost) predstavlja efekt sjajnosti rasvijetljene površine kako je vidi ljudsko oko. Mjerna jedinica za sjajnost je kandela po metru kvadratnom (cd/m2) i također je izvedena jedinica.

Kako bi mogli objektivno usporediti različite izvore svjetlosti, potrebno je definirati još nekoliko pojmova kojima opisujemo njihove karakteristike. Faktor uzvrata boje, temperatura boje te svjetlosna iskoristivost, važni su pokazatelji značajki određenog izvora svjetlosti.

k50-frankovic-02-200.jpgFaktor uzvrata boje kvantitativna je mjera kojom se opisuje razina vjernosti uzvrata boje nekog objekta osvijetljenog izvorom svjetlosti, u odnosu na idealni izvor, odnosno dnevnu svjetlost. Faktor uzvrata boje 100 najviša je moguća vrijednost ovog faktora i označava izvore svjetlosti koji su po svojim karakteristikama najbliži prirodnom svjetlu. Izvori svjetlosti s faktorom uzvrata boje nižim od 80 ne bi se trebali razmatrati za rasvjetljavanje prostora u kojima ljudi borave tijekom dužeg perioda.
Temperatura boje izvora svjetlosti definira se kao temperatura na koju je potrebno zagrijati idealno crno tijelo da bi počelo zračiti istom «bojom» kao i sam izvor svjetlosti. Temperature boje preko 5300 K smatramo hladnima (plavkasto bijela boja), dok niže temperature u rasponu od 2700-3300 K nazivamo toplima (žućkasto bijela boja).
Svjetlosna iskoristivost je izvedena veličina koja je definirana kao omjer svjetlosnog toka izvora svjetlosti (lm) i električne snage (W) koju izvor svjetlosti pritom koristi za stvaranje svjetlosnog toka. Ovo je jedna od najznačajnijih veličina koju koristimo pri usporedbi energetskih značajki različitih izvora svjetlosti.
Definiravši svjetlosne veličine i njihov međusobni odnos te energetske pokazatelje, u prilici smo razmotriti i međusobno usporediti različite vrste umjetnih izvora svjetlosti.

Izvori svjetlosti
Uobičajeno je koristiti izraz svjetlo, žarulja, svjetiljka za sve tipove uređaja koji emitiraju svjetlost i koji su na odgovarajuć način ugrađeni, tj. pričvršćeni u nekom kućištu. Kako u nastavku teksta ne bi bilo dvojbi, ovdje ćemo definirati svjetiljke ili rasvjetne armature kao «naprave koje služe za raspodjelu, filtriranje ili pretvaranje svjetla izvora svjetlosti i koje ujedno sadrže potrebne dijelove za nošenje, pričvršćenje, zaštitu i pogon izvora svjetlosti». Od svjetiljki se očekuje da zadovolje svjetlotehničke, mehaničke, elektrotehničke i oblikovne zahtjeve koji se postavljaju za određenu primjenu.
Izvori svjetlosti su pak uređaji u kojima se neki od oblika energije, najčešće električne, djelomično pretvara u svjetlost, a ostatak, u većoj ili manjoj mjeri u toplinu.
U načelu postoje dva osnovna mehanizma proizvodnje umjetnog svjetla – prvi je inkandescencija ili termičko zračenje, dok je drugi izboj u plinovima pod visokim ili niskim tlakom. Ovim dvama već «tradicionalnim» mehanizmima prozvodnje svjetla, danas treba svakako pridodati i elektroluminiscenciju, mehanizam odgovoran za proizvodnju svjetla u svjetlećim diodama – LED izvorima svjetlosti.

Projektiranje unutarnje rasvjete
Još 2008. godine, u postupku približavanja RH Europskoj uniji, na prijedlog Tehničkog odbora HZN/TO 549, Svjetlo i rasvjeta, Hrvatski zavod za norme prihvatio je dvije europske norme s područja rasvjete radnih mjesta. To su, prije spomenuta, HRN EN 12464-1 (Rasvjeta radnih mjesta – 1. dio: Unutrašnji radni prostori) te HRN EN 12464-2 (Rasvjeta radnih mjesta – 2. dio: Vanjski radni prostori). U međuvremenu su ove norme doživjele odgovarajuće preinake te su zamijenjene novim izdanjima.
k50-frankovic-03-200.jpgProjektiranje sustava rasvjete, vodeći se priznatom inženjerskom praksom i uvažavajući odredbe relevantnih normi, rezultirat će svrsishodnim, sveobuhvatnim i energetski efikasnim instalacijama. Takve rasvjetne instalacije osigurat će vizualni komfor, koji se pak očituje u sljedećem:

  • odgovarajuća razina rasvijetljenosti,
  • ravnomjernost rasvijetljenosti,
  • jednolikost luminancije,
  • ograničenje luminancije,
  • zadovoljavajući kontrasti,
  • ispravno usmjerenje rasvjete,
  • varijabilnost svjetlosti,
  • odgovarajući faktor uzvrata boje,
  • odgovarajuća temperatura boje svjetlosti,
  • ograničenje bliještanja,
  • ograničenje treperenja.

Pored vizualnog komfora važno je postići i odgovarajuću efikasnost rasvjetnog sustava, koja se ogleda u:

  • niskoj potrošnji električne energije,
  • primjerenim troškovima održavanja rasvjetnog sustava.

Zanemarivanje bilo koje komponente vizualnog komfora može dovesti do neželjenih efekata poput umora kod osoba izloženih prevelikoj luminanciji, nemogućnosti razlikovanja objekta i pozadine ukoliko kontrast nije zadovoljavajuć, dok će zanemarivanje mjera za postizanje ciljane efikasnosti rasvjetnog sustava imati za posljedicu povećanje troškova.
Projektiranje suvremenih rasvjetnih instalacija, vodeći računa o svim prethodno izloženim kriterijima svakako zahtijeva primjenu suvremenih alata, među kojima se mogu istaknuti računalni programi Relux, Dialux i slični, koji projektantima uvelike olakšavaju i ubrzavaju put do konačnog svjetlotehničkog rješenja.
Izbor pravog izvora svjetlosti svakako je važna odluka, koju treba donijeti na samom početku procesa projektiranja rasvjete, u ovisnosti o tome što se osvjetljava i svim ostalim kriterijima koje izvor svjetlosti mora moći zadovoljiti.
Potreban broj odabranih izvora svjetlosti i svjetiljki odgovarajućih karakteristika, projektanti će odrediti sami ili će ovaj zadatak prepustiti nekom od računalnih alata, uz prethodno jasno definirane ciljane svjetlotehničke parametre i specifične zahtjeve. Ostatak projektantskog posla, koji obuhvaća uobičajene zadatke poput iscrtavanja električne instalacije, projektiranja strujnih krugova za napajanje rasvjete, kao i uobičajeni proračuni poput dimenzioniranja kabela, proračuna pada napona i sl. i dalje su poslovi koje će projektanti u većoj ili manjoj mjeri odraditi samostalno ili uz pomoć nekog od specijaliziranih alata (Ecodial, ePLAN, SEE Electrical CADdy++ i sl.).

Proračun energetske efikasnosti rasvjetnog sustava
Preuzeta europska norma HRN EN 15193 stvorena je radi uspostave općih konvencija i procedura za procjenu potrebne energije za rasvjetu u zgradarstvu i za analizu energetske efikasnosti rasvjete uz definiranje graničnih vrijednosti energije nužne za napajanje rasvjete. Pri tome se poštuju dosadašnja pravila i procedure  proračuna osvijetljenosti površina, ovisno o njihovoj namjeni, u smislu dobre inženjerske prakse. Norma se može koristiti kako za postojeće zgrade tako i za uređivanje nove ili obnovu stare. Normom su dane mjerna i računska metoda za procjenu iznosa energije koja se koristi za rasvjetu unutar zgrade, za određeni vremenski period. Pritom se određuje tzv. numerički indikator godišnje potrebe energije za rasvjetu, koji se pak koristi u svrhu certifikacije.
Kod proračuna su moguća dva puta, prvi koji se temelji na brzoj metodi i koji daje prosječne godišnje vrijednosti energije za rasvjetu i drugi, koji se bazira na sveobuhvatnoj metodi, kojom se dobivaju satne vrijednosti potrošnje energije za rasvjetu.
Konačni rezultat proračuna, prema bilo kojoj od dvije metode, je tzv. faktor LENI, koji govori koliko se godišnje troši električne energije po kvadratu površine zone ili prostorije. Budući da se radi o specifičnoj vrijednosti, moguća je direktna usporedba potrošnje energije za rasvjetu za zgrade slične namjene, ali različite veličine. Sljedeća slika prikazuje utjecaj ugradnje regulacijskog sustava na specifičnu potrošnju energije za rasvjetu tj. na faktor LENI.

k50-frankovic-04-200.jpgUlazni podaci potrebni za proračun energetske efikasnosti sustava unutarnje rasvjete su redom:

  • instalirana snaga rasvjete,
  • godišnji broj sati rada rasvjete za dana i tijekom noći,
  • utjecajni faktori (£1):
  • faktor korištenja dnevnog svjetla,
  • faktor zauzeća prostora,
  • faktor konstantnog osvjetljenja,
  • površina zone ili prostorije.

Potrebna energija za rasvjetu može se smanjiti koristeći neki od sljedećih zahvata na rasvjetnom sustavu, odnosno u zoni ili prostoriji:

  • osjetilno upravljenje rasvjetom,
  • korištenje dnevnog svjetla,
  • korištenje detektora prisutnosti,
  • inteligentno održavanje, ovisno o broju sati rada instalacije,
  • energetski efikasni izvori svjetlosti,
  • adekvatan izbor svjetiljki i izvora svjetlosti u ovisnosti o konkretnoj primjeni (ured, prodajni salon, tvornička hala, hotelska soba i sl.),
  • kontrola konstantne osvjetljenosti (upravljanje prema održavanju).

Spomenute metode za smanjenje potrebne energije za rasvjetu zapravo su mjere koje se mogu provesti s ciljem povećanja energetske efikasnosti postojećih instalacija rasvjetnih sustava. Naravno, da bi određena mjera bila provediva, potrebno je izraditi proračun isplativosti, koji se, u svom najjednostavnijem obliku, može svesti na određivanje vrijednosti jednostavnog perioda povrata investicije u određenu mjeru. Neke od uobičajenih mjera za povećanje energetske efikasnosti su:

  • zamjena izvora svjetlosti niske svjetlosne iskoristivosti efikasnijima (inkandescentne žarulje -> fluokompaktne ili LED žarulje),
  • zamjena predspojnih naprava fluorescentnim cijevima (elektromagnetske prigušnice -> elektroničke prigušnice),
  • zamjena fluorescentnih armatura zajedno s cijevima (loša optika, T8 cijev -> napredna optika, T5 cijev),
  • zamjena fluorescentnih cijevi LED cijevima,
  • ugradnja detektora prisutnosti,
  • ugradnja sustava konstantnog osvjetljenja,
  • ugradnja centralnog sustava za upravljanje rasvjetom.

Zaključno o energetskoj efikasnosti u sustavima rasvjete
U doba sve veće osjetljivosti društva na socio-ekološke posljedice neracionalnog odnosa prema energiji, briga o učinkovitom korištenju energije trebala bi biti visoko pozicionirana na listi prioriteta. Prema Međunarodnoj agenciji za energiju (IEA) gotovo 20% ukupne svjetske potrošnje električne energije, što odgovara ukupnoj proizvodnji svih nuklearnih elektrana, troši se za rasvjetu. Ovo predstavlja enorman potencijal za provođenje mjera za povećanje energetske efikasnosti s konačnim ciljem ostvarivanja niskougljičnog društva, koje će maksimalno racionalno koristiti energiju proizvedenu na ekološki prihvatljiv način. Promicanje mjera za povećanje energetske efikasnosti u sustavima umjetne rasvjete stoga predstavlja logičan korak ka zacrtanome cilju.

Za kraj treba napomenuti dobro poznatu izreku: «Najviše energije za rasvjetu nepotrebno troši onaj izvor svjetlosti koji je uključen kada to nije nužno»!

doc.dr.sc. Dubravko Franković
Predstojnik, Zavod za elektroenergetiku Tehnički fakultet Rijeka

PODIJELI