Źródła światła

Przez wiele lat głównymi (i praktycznie jedynymi) źródłami światła używanymi do oświetlenia mieszkań były tradycyjne żarówki. Nawyki i przyzwyczajenia dotyczące oświetlenia w domach w ciągu dziesięcioleci zrosły się z tym typem źródła światła. Według badań¹ użytkownicy mieszkań spośród wszystkich źródeł światła preferują właśnie żarówki tradycyjne – choć jako ich zalety podkreślają m.in. „ciepłe”, przyjemne światło i naturalny wygląd oświetlanych przedmiotów, to najważniejszą z nich jest mimo wszystko niska cena. To jednak bardzo krótkowzroczna ocena, ponieważ oszczędność jest pozorna. Żarówki są bardzo mało wydajnymi źródłami światła – ich klasa efektywności energetycznej to najczęściej E. Efektywność energetyczna danego produktu, w tym przypadku żarówki, określana jest na opakowaniu w postaci etykiety. Od 1 września 2013 r. na etykietach lamp obowiązują klasy efektywności energetycznej w skali od A++ do E. Klasa A++ oznacza najwyższą efektywność energetyczną, a klasa E – najniższą. Użytkownicy mają możliwość porównania przy zakupie danego produktu jego klasy efektywności energetycznej. Dla producentów z kolei etykiety stanowią zachętę do podnoszenia parametrów energetycznych wytwarzanych produktów. Skuteczność świetlna klasycznej żarówki (wyrażona w stosunku emitowanego strumienia świetlnego w lumenach do pobieranej mocy w watach) wynosi zaledwie 14 lm/W. Wiąże się to z faktem, iż ok. 95% pobieranej przez żarówkę energii przetwarzane jest na ciepło, a jedynie 5% na światło. To zaś jest konsekwencją zasady działania żarówek – wymaga ona, aby żarnik wytwarzający światło osiągnął temperaturę ok. 2700 K (ponad 2400°C). Kolejną wadą żarówek jest ich niewielka trwałość – wynosi ona zaledwie około 1000 godzin świecenia. Zaoszczędzone pieniądze przy zakupie żarówek będą wydane na zużywaną przez nie energię i w dalszej kolejności na zakup nowych żarówek w rezultacie ich przepalenia. W związku z niską efektywnością energetyczną, zgodnie z przepisami², od września 2012 r. tradycyjne żarówki nie są już wprowadzane do sprzedaży, choć nadal jeszcze można je kupić.

Innymi źródłami światła najbardziej zbliżonymi do tradycyjnych żarówek są żarówki halogenowe. Działają one na podobnej zasadzie co tradycyjne żarówki, lecz wykorzystując regeneracyjny cykl halogenowy osiągają wyższą skuteczność świetlną (do 24 lm/W). Zawarty wewnątrz bańki żarówki szlachetny gaz z domieszką halogenu podczas żarzenia żarnika zapobiega jego rozpyleniu, a tym samym napylaniu metalu na wewnętrzne ścianki bańki, co powoduje ciemnienie bańki zmniejszające emitowany strumień świetlny. Charakteryzują się tym samym wyższą efektywnością energetyczną mieszczącą się w klasie C. Dostępne są konstrukcje o podobnych wymiarach i kształtach co tradycyjne żarówki, dzięki czemu można je zastosować w oprawach zaprojektowanych dla tradycyjnych źródeł. Dostępne są też konstrukcje o bardzo małych wymiarach (tzw. halopiny), które można zastosować w niewielkich oprawach np. w oświetleniu meblowym lub miejscowym. Zaletami żarówek halogenowych jest ich dłuższa trwałość (od 2000 do 4000 godzin świecenia), ciepła barwa światła (temperatura barwowa T_c ok. 3000 K) oraz idealne odwzorowanie barw – ogólny wskaźnik oddawana barw R_a jest równy 100, co jest najwyższą możliwą wartością. Jako wady można wyliczyć bardzo silne rozgrzewanie się źródeł (do kilkuset °C) i opraw oraz ich otoczenia, a także czułość nieosłoniętych baniek na zabrudzenia przy montowaniu w oprawie (m.in. reakcja szkła ze składnikami potu skutkująca zaciemnieniem). Cena pojedynczej żarówki halogenowej jest od 2 do 5 razy wyższa niż odpowiadającej jej żarówki tradycyjnej.

Bardziej energooszczędnymi źródłami światła stosowanymi w mieszkaniach są świetlówki kompaktowe (popularnie nazywane „żarówkami energooszczędnymi”). Świetlówki liniowe, które zostały opracowane już w latach 30-tych XX wieku, nie są popularne w gospodarstwach domowych. Dzięki miniaturyzacji elementów elektronicznych w połowie lat 80-tych ubiegłego wieku skonstruowano świetlówki mogące zastąpić żarówki tradycyjne. Ich zaletą jest wysoka skuteczność świetlna (od 33 lm/W do ponad 90 lm/W) dzięki której ich klasa efektywności energetycznej to A lub B. Średnia trwałość świetlówek kompaktowych to zwykle 10 000 godzin świecenia, czyli 10 razy więcej niż tradycyjnej żarówki.

Obecnie dostępnych jest wiele typów świetlówek kompaktowych o różnych kształtach, rozmiarach, mocy i przeznaczeniu. Najbardziej popularne są świetlówki odpowiadające gabarytami i strumieniem świetlnym (ilością wytwarzanego światła) żarówkom tradycyjnym. Świetlówki takie pobierają ok. 20% energii, którą pobierałoby tradycyjne źródło. Barwa światła takich źródeł może być zarówno zbliżona do barwy światła żarówkowego (T_c = 2700 K), jaki i światła białego (T_c = 4000 K) lub dziennego (T_c = 5600 K). Oddawanie barw przy oświetleniu świetlówkowym jest dobre – zwykle wskaźnik R_a jest większy niż 80, jednak w tańszych konstrukcjach ten parametr może być niższy. Istnieją również specjalne konstrukcje, gdzie R_a osiąga wartości ponad 90. Przewagą świetlówek kompaktowych nad konstrukcjami świetlówek liniowych jest brak migotania światła tj. brak efektu stroboskopowego (w świetlówkach linowych niweluje się go odpowiednim układem zasilającym). Wadą większości świetlówek kompaktowych jest powolne „rozpalanie się” – pełny strumień świetlny osiągany jest dopiero po około minucie. W lepszych konstrukcjach czas ten jest zmniejszony do kilku sekund. Świetlówki, w odróżnieniu od żarówek, wymagają specjalnej utylizacji ze względu na zawartość rtęci oraz elementów elektronicznych. Koszt świetlówki kompaktowej jest od 3 do 10 razy większy niż koszt odpowiadającej żarówki tradycyjnej.

Najbardziej energooszczędnymi i obecnie powszechnie już dostępnymi źródłami światła są konstrukcje wykorzystujące diody świecące czyli LED-y (ang. Light Emitting Diode). Diody są niewielkimi elementami elektronicznymi z półprzewodnikową częścią świecącą. Z większej ilości LED-ów tworzy się układy będące kompletnymi źródłami światła. W porównaniu do tradycyjnych żarówek, skuteczność świetlna LED-ów jest wyższa ponad siedmiokrotnie i dochodzi w najlepszych konstrukcjach nawet do 120 lm/W, co plasuje je w klasie efektywności energetycznej A. Dodatkową zaletą jest ich długa żywotność – średnia trwałość kształtuje się na poziomie ponad 20 000 godzin świecenia, czyli dokładnie 20 razy tyle, co żarówki. Przykładowo użytkując źródło światła z LED-ami przez ok. 3 godziny dziennie przez 365 dni w roku będziemy musieli je wymienić dopiero po 20 latach. Na rynku powszechnie dostępne są konstrukcje, których światło zbliżone jest do światła tradycyjnych żarówek. Są to źródła światła charakteryzujące się temperaturą barwową światła T_c równą ok. 2700 K oraz ogólnym wskaźnikiem oddawana barw R_a równym lub większym niż 80. Tak samo jak w przypadku świetlówek kompaktowych, dostępne są źródła LED o innych parametrach świetlnych – zakres temperatur barwowych zawiera się od 2700 K do 6500 K, zaś ogólny wskaźnik oddawania barw R_a może osiągnąć wartości nawet 95.

Montowanie źródeł światła

Obecnie na rynku dostępna jest ogromna ilość konstrukcji źródeł światła wykorzystujących diody elektroluminescencyjne. Można rozróżnić kilka podstawowych typów: oprawy LED, zamienniki LED i samodzielne konstrukcje, takie jak np. paski LED. Oprawy oparte na LED-ach są produktami zintegrowanymi, specjalnie zaprojektowanymi i dedykowanymi LED-om. Dzięki małym wymiarom samych diod, technice rozpraszania światła przez dyfuzory i mikro optykę możliwości, jakie dają takie oprawy, są praktycznie nieograniczone. Oprawy LED mogą służyć do oświetlenia miejscowego, ogólnego czy dekoracyjnego, jak również dzięki ozdobnej formie same w sobie mogą być dekoracją mieszkania. Zamienniki LED to konstrukcje stworzone tak, aby móc zastosować je w dotychczas używanych oprawach, zamiast tradycyjnych źródeł światła. Najpopularniejszymi z nich są zamienniki żarówek oraz żarówek halogenowych z odbłyśnikiem, tzw. oczek lub downlightów. Zamiana na źródła LED-owe powoduje zmniejszenie zużywanej energii o ok. 80% przy zachowaniu tego samego efektu oświetleniowego. Jest to jednak możliwe tylko pod warunkiem dobrego doboru zamiennika LED i jego dobrego wykonania, co niestety nie jest powszechne wśród dostępnych produktów. Samodzielne konstrukcje z diodami świecącymi wykorzystują zalety LED-ów – przede wszystkim małe wymiary i niską emisję ciepła. Najpopularniejszymi spośród tych konstrukcji są paski (lub listwy) LED – są to najczęściej giętkie, samoprzylepne paski o szerokości ok. 1 cm z punktowo przymocowanymi diodami w równych odległościach. Ich długość można dowolnie regulować przez odcinanie pojedynczych modułów (zwykle długości 5 cm), co pozwala dostosować pasek LED według potrzeb. Dzięki temu ich zastosowanie jest bardzo uniwersalne: mogą służyć jako oświetlenie mebli, schodów, gzymsów, podświetlania dowolnych wnęk i krawędzi – również w łazience lub na zewnątrz, na co pozwalają paski wodoodporne o stopniu ochrony IP66.

Główną wadą LED-ów jest wysoka luminancja (jaskrawość) pojedynczych diod. Użytkowanie źródeł opartych na LED-ach bez przesłon i materiałów rozpraszających może skutkować niemiłym dla oka zjawiskiem olśnienia tzn. oślepiania użytkowników mieszkania. Zaleca się ukrywanie źródeł LED w oprawach lub stosowanie materiałów rozpraszających światło. LED-y, tak jak świetlówki, są traktowane jako elektrośmieci i muszą być odpowiednio utylizowane.

Nowością na rynku oświetleniowym są diody organiczne czyli OLED (ang. Organic Light Emitting Diode). Charakteryzują się one podobnymi parametrami, co LED-y. Najistotniejszą dla użytkownika różnicą jest fakt, iż można wytwarzać z nich duże, jednorodne powierzchnie świecące (w przeciwieństwie do LED-ów, które są punktowymi źródłami światła). Pozwala to na uzyskanie bardzo równomiernego oświetlenia. Umieszczając warstwę świecącą na giętkim, przeźroczystym lub lustrzanym podłożu możemy uzyskać niespotykany dotąd w oświetleniu efekt – gdy OLED świeci, jego powierzchnia przybiera kolor biały. Gdy zostanie zaś wyłączony, powierzchnia zachowuje się jak szyba bądź lustro – daje to ogromne możliwości w kreatywnym oświetleniu wnętrz. Obecnie konstrukcje z OLED-ami są jeszcze mało rozpowszechnione, lecz ich szybki rozwój powinien wkrótce przynieść nowe i szeroko dostępne produkty do zastosowania w domach.

Oświetlenie dzienne

Oświetlenie dzienne spełnia w domach energooszczędnych bardzo ważną rolę. Dopływ światła naturalnego pozwala na osiągnięcie znacznych oszczędności energetycznych dzięki braku konieczności załączania oświetlenia elektrycznego.

O oświetleniu dziennym należy pomyśleć już na etapie projektowania budynku energooszczędnego. Najbardziej optymalną orientacją dla budynku będzie skierowanie powierzchni największej z zewnętrznych ścian – lub ściany zewnętrznej wspólnej dla jak największej liczby pomieszczeń – na południe. Pozwoli to na dotarcie światła naturalnego do stosunkowo dużej liczby pomieszczeń. Aby jak najpełniej wykorzystać światło docierające do wnętrza, ściany działowe powinny biec prostopadle do ścian okiennych, a same pomieszczenia nie powinny być zbyt głębokie (głębokość pomieszczenia nie powinna przekraczać dwukrotności długości ściany z oknami). Jeżeli będą się znajdować na poddaszu lub w budynku parterowym, warto rozważyć zastosowanie okien dachowych i świetlików – znacznie poprawi to stopień doświetlenia wnętrza.

Należy zadbać także o to, by obiekty na zewnątrz domu (np. wyposażenie ogrodu, altany, zaparkowane samochody) nie zasłaniały okien, zmniejszając tym samym dopływ światła. Umiejscowienie domu na działce w odpowiedniej odległości od innych zabudowań pozwoli uniknąć przesłaniania światła przez sąsiadujące budynki. Ważna jest również głębokość wnęk okiennych – osadzenie okna zbyt daleko od fasady budynku (np. przez zastosowanie grubej izolacji cieplnej) sprawi, że do wnętrza będzie docierać mniej światła z zewnątrz. Wewnątrz z kolei należy zadbać o to, by okna nie były zasłonięte przez sprzęty, rośliny, firanki i inne elementy wyposażenia – zmniejszają one ilość światła, jaka dociera do wnętrza pomieszczeń.

Na ilość światła dopływającego do pomieszczeń wpływają także parametry otworów okiennych – ich liczba, łączna powierzchnia przeszklenia, grubość szkła i jego współczynnik przepuszczania światła, rodzaj ramy okiennej oraz stopień zabrudzenia szyb. Tam, gdzie jest to możliwe, warto stosować jak największe powierzchnie okien. Duże okna dają ponadto poczucie przestronności – np. dobrym pomysłem na zaprojektowanie salonu jest całkowite przeszklenie ściany, która wychodzi na ogród – oprócz zwiększonego dostępu światła naturalnego zyskujemy widok na ogród, który staje się jakby przedłużeniem pomieszczenia.

Wewnętrzny podział pomieszczeń ściankami działowymi ogranicza dostęp światła dziennego do głębiej położonych części domu. Zamiast tradycyjnych przegród można wykorzystać materiały przepuszczające światło – luksfery, przeźroczyste bądź matowe przegrody wykonane ze szkła lub tworzyw sztucznych. W przypadku niewielkich balkonów, zamiast tradycyjnej balustrady, warto zastosować wykonaną z materiałów przeźroczystych.

Aby zwiększyć poziom oświetlenia w głębszych częściach pomieszczeń, można wykorzystać odbicia światła. Parapety wykonane z jasnych i gładkich materiałów spowodują odbicie padającego na nie światła w głąb wnętrza. Podobnie zachowują się ściany i sufit – powierzchnie te również powinny mieć jasne kolory. Innym sposobem na doświetlenie pomieszczeń znajdujących się pośrodku domu jest zastosowanie świetlików i „studni świetlnych” – pod umieszczonymi na poziomie dachu otworami wprowadzającymi światło dzienne prowadzi się w głąb domu kanał, którym światło dzięki odbiciom dociera do pomieszczeń położonych poniżej. Podobnym rozwiązaniem jest zastosowanie pęku światłowodów – rozwiązanie to działa na tej samej zasadzie, co „studnia świetlna”, lecz rolę kanału przewodzącego światło spełnia elastyczny światłowód. Jego końce mogą być zamontowane w różnych pomieszczeniach, zaś same wyprowadzenia mogą wyglądać jak zwykła oprawa oświetlenia sztucznego. W miejscu wyprowadzenia światłowodu na zewnątrz stosuje się specjalne układy optyczne skupiające światło w celu wprowadzenia do światłowodu jak największej jego ilości.

Duża powierzchnia otworów okiennych, którymi wprowadzane jest światło, wiąże się również ze zwiększoną ilością ciepła, jaka jest akumulowana przez wnętrze budynku. W miesiącach o dużym nasłonecznieniu może stać się to uciążliwe z powodu zbyt wysokich temperatur panujących wewnątrz pomieszczeń. Rozwiązaniem tego problemu jest stosowanie przesłon – mogą one mieć formy rolet, żaluzji czy zewnętrznych markiz. Jednak aby podczas zasłaniania okien jednocześnie nie ograniczać dostępu światła do wnętrza, należy wybierać przesłony o jasnych kolorach i o odpowiednim stopniu przepuszczania światła. W przypadku bardzo silnie nasłonecznionych okien, należy rozważyć użycie samoprzylepnej folii przyciemniającej. Zewnętrzna, lustrzana powierzchnia folii pozwoli odbić część promieniowania widzialnego, jak i cieplnego.

Systemy sterowania oświetleniem

Najskuteczniejszym sposobem jednoczesnego wykorzystania oświetlenia dziennego i elektrycznego jest zastosowanie automatycznego systemu sterowania oświetleniem. Stałe utrzymywanie optymalnych poziomów oświetlenia bez konieczności ingerencji użytkownika to rozwiązanie nie tylko wygodne, ale i energooszczędne.

W tradycyjnych instalacjach oświetleniowych sterowanie oświetleniem odbywa się poprzez włączanie go przełącznikami umieszczonymi zwykle przy wejściu do pomieszczenia. Wiąże się to z uciążliwą koniecznością ręcznego użycia przycisków i pamiętaniu o wyłączeniu światła po opuszczeniu pomieszczenia. Projektując dom, warto pomyśleć o zastosowaniu systemów automatycznego sterowania oświetleniem – należy zrobić to już na etapie projektowania instalacji elektrycznej, ponieważ często wymagane jest zainstalowanie dodatkowych przewodów dla obwodów sterujących. Jednak jeśli nie jest to możliwe, można zastosować systemy oparte na komunikacji bezprzewodowej lub wykorzystującej istniejącą już sieć elektryczną (systemy komunikacji PLC – Power Line Communication).

Zainstalowanie czujników oświetlenia w pomieszczeniach umożliwia automatyczne uruchamianie opraw przez system sterowania oświetleniem, tak aby zawsze utrzymany został zadany poziom oświetlenia. Dzięki zastosowaniu opraw i zasilaczy z funkcją ściemniania np. elektroniczne sterowniki wykorzystujące sygnał napięciowy DC (direct current – prąd stały) w przedziale od 0 do 10 V lub w technologii DALI (Digital Addressable Light Interface – adresowalny cyfrowy interfejs sterowania oświetleniem) sprawią, że oświetlenie to będzie stopniowo rozjaśniane wraz ze zmniejszaniem się natężenia światła dziennego w ciągu dnia, jak i w przypadku nagłych jego wahań (np. silne zachmurzenie). Rozjaśnianie opraw, w przeciwieństwie do załączania od razu pełnej mocy, pozwala zmniejszyć zużycie wymaganej energii na oświetlenie. Taki system zagwarantuje uzyskanie pożądanego efektu świetlnego niezależnie od pogody i pory dnia. Dodając do systemu czujniki ruchu i obecności, można uzyskać bardzo dobre efekty energetyczne – dzięki danym zebranym z czujników oświetlenie będzie rozjaśniane do odpowiedniego poziomu tylko tam, gdzie będzie to potrzebne i tylko w tym czasie, kiedy pomieszczenie będzie używane. Jest to najbardziej optymalne rozwiązanie z punktu widzenia energooszczędności.

System sterowania oświetleniem można zintegrować z systemami sterowania tzw. inteligentnego domu. W takich instalacjach dane z czujników ruchu, obecności i natężenia oświetlenia są dołączane do danych z czujników temperatury, wiatru itp. Komputer zarządzający systemem na podstawie pomiarów oraz ręcznie wprowadzonych programów steruje oświetleniem, ogrzewaniem, klimatyzacją i innymi urządzeniami w domu, tak aby zachowany został komfort użytkowania przy jednoczesnym jak najmniejszym zużyciu energii. Kompleksowe systemy automatyki budynkowej dostarczane są przez wiele obecnych na rynku firm. Dzięki standaryzacji sposobów komunikacji urządzenia różnych producentów są ze sobą kompatybilne, co pozwala na późniejszą bezproblemową rozbudowę systemu – przykładem może być protokół KNX wykorzystywany przez ponad 230 producentów sprzętu automatyki budynkowej na całym świecie.

Podsumowanie

Oświetlenie w domu energooszczędnym, prócz wymagań dotyczących zużycia energii, musi być przyjazne mieszkańcom. Dzięki wykorzystaniu światła dziennego, wydajnych źródeł światła oraz automatycznego systemu sterowania oświetleniem, można spełnić oba te warunki. Wzrost rozpowszechnienia energooszczędnego sprzętu oświetleniowego sprawia, że coraz łatwiej przekształcić tradycyjne oświetlenie w instalację wymagającą o wiele mniej energii do osiągnięcia takich samych efektów. Dobrze zaprojektowane i przemyślane oświetlenie uwzględniające potrzeby i preferencje lokatorów sprawi, że mieszkanie w domu energooszczędnym będzie nie tylko przyjazne środowisku naturalnemu, ale i wygodne oraz komfortowe.

Przypisy:
1. Maciejewski M., Żagan W., Badanie struktury wykorzystywanych źródeł światła w oświetlaniu mieszkań, [w:] „Wiadomości Elektrotechniczne” nr 10/2013
2. Rozporządzenie Komisji (WE) NR244/2009 z dnia 18 marca 2009 r. w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla bezkierunkowych lamp do użytku domowego.

Opracowano z wykorzystaniem:
Wiśniewski A., Źródła światła, Stowarzyszenie Elektryków Polskich – Centralny Ośrodek Szkolenia i Wydawnictw, Warszawa 2013.

Maciej Maciejewski, Ryszard Zwierchanowski
Krajowa Agencja Poszanowania Energii SA

ChronmyKlimat.pl
Energooszczędne 4 kąty