Problematika náhrad zářivek LED zdroji z hlediska osvětlování, návratnosti investic a legislativy

V mnoha průmyslových, komerčních a administrativních prostorech v ČR jsou stále provozovány osvětlovací soustavy se zářivkami. Na podstatně méně místech, než se před několika lety předpokládalo, byly osvětlovací soustavy modernizovány nahrazením zářivek LED trubicemi. Zkušenosti z provozování takovýchto osvětlovacích soustav jsou většinou rozpačité až negativní. V tomto článku se autoři pokusí porovnat vlastnosti zářivek a jejich náhrad, porovnat náklady na jejich provoz a další aspekty rekonstrukcí osvětlení.

Zářivka, nebo LED – fyzikální vlastnosti

Pravděpodobně není nutné opakovat všeobecně známé nevýhody zářivek, ale zopakování základních fyzikálních vlastností různých světelných zdrojů se pro účely porovnání nelze vyhnout. A účelem nebude jen porovnání, ale i příklady, jak zjistit minimální nutné parametry odpovídajících LED náhrad zářivek.

Mimo principiální rozdíly přeměny elektrické energie na světlo a z toho plynoucí rozdíly ve vyzařovaném spektru, energetické účinnosti apod. je základní rozdíl mezi zářivkou a LED světelnými zdroji ve směrové charakteristice. Zářivky vyzařují světlo rovnoměrně do všech směrů (360°) kolem podélné osy, ale většina LED čipů vyzařuje v úhlu jen 120°. Pro konstrukci interiérových svítidel s výškou jejich umístění zhruba 2 až 4 m nad místem zrakového úkolu je vyzařování LED pouze do dolního poloprostoru výhodnější. Zářivková svítidla musí obsahovat optické části (odrazné plochy), které světelný tok vyzářený do horního poloprostoru odrazí do požadovaného směru, což je spojeno se ztrátami světelného toku (viz obr. 1).

Obr. 1. Příklad odrazné plochy zářivkového svítidla

Podle typu, konstrukce, výrobce, stáří apod. se vlastnosti odrazných ploch zářivkových svítidel značně liší. Po nahrazení zářivky světelným zdrojem s diodami LED zůstanou optické vlastnosti zbývajících částí svítidla (difuzor, refraktor, prachotěsný kryt apod.) zachovány právě mimo nyní již nevyužité odrazné plochy. Proto se ztrátami způsobenými odrazem
je nutné počítat při porovnávání světelného toku zářivek a LED.

Základním požadavkem zadavatele rekonstrukce osvětlovací soustavy většinou bývá zachovat nebo mírně zvýšit původní (projektové) úrovně intenzity osvětlení při podstatném snížení spotřeby elektrické energie. Vždy však musí soustava splňovat požadavky platných norem, zejména ČSN EN 12464-1. Osazením LED do původního svítidla mohou z tohoto hlediska nastat problémy z důvodu nižšího světelného toku, z důvodu již zmíněných rozdílných křivek svítivosti a z důvodu podstatně vyšších jasových úrovní a z toho plynoucích jiných úhlů clonění. Je také nutné zkontrolovat LED náhrady z hlediska indexu podání barev R_a a vhodnosti zvolené teploty chromatičnosti. Každé rekonstrukci osvětlení by měl předcházet světelný výpočet, ale ne vždy tomu tak je. Jedním z úkolů tohoto článku je navrhnout postup, jak provést alespoň kvalifikovaný odhad vhodné náhrady světelného zdroje a jakých chyb se vyvarovat. Jde-li o rekonstrukci osvětlení pouhou výměnou světelných zdrojů s důrazem na co nejnižší cenu, měl by být alespoň výsledný světelný tok každého svítidla po výměně stejný nebo větší, než jaký byl před výměnou. Údaj o hodnotě světelného toku by měl být výrobcem uveden na obalu každého moderního svítidla nebo světelného zdroje. Za předpokladu, že tato hodnota odpovídá skutečnosti, stav po výměně tak není třeba zjišťovat. Jelikož vliv optických částí svítidla, které po výměně zůstanou zachovány, není nutné uvažovat, zbývá zjistit a porovnat jen světelný tok zářivky snížený o ztráty na odrazných plochách svítidla se světelným tokem LED náhrady. Zjistit výsledný světelný tok svítidla osazeného zářivkou lze třemi způsoby – změřením v laboratoři (nejobjektivnější a nejpřesnější metoda), výpočtem pomocí simulačního softwaru (jsou třeba všechny podklady výrobců) nebo kvalifikovaným odhadem (nejrychlejší a nejlevnější metoda). Pro uvedený odhad je možné zmíněných 360° vyzářeného světelného toku kolem zářivky rozdělit na tři stejné části: dolních 120° vyzářených přímo (beze ztrát odrazem), horních 120°, které se musí odrazit od tělesa svítidla nebo reflektoru, a bočních 60° a 60 °, které jsou odraženy jen částečně (většinou asi 10 %) a z větší části pohlceny. Hodnotu odraženého toku od svítidla nebo reflektoru lze odhadnout s použitím činitele odrazu světla podle druhu povrchu materiálu, ze kterého je daný díl vyroben. Tabulku koeficientů odrazu světla pro různé materiály lze nalézt např. v [1] nebo [2], ale je možné vystačit jen s několika hodnotami, protože reflektory zářivkových svítidel jsou ve velké většině vyrobeny z plechu opatřeného bílým nátěrem (bílá krémová až béžová). Reflektory bývají z hliníkového plechu s přírodním nebo leštěným povrchem. Nebude uvažováno opotřebení a znečištění odrazných ploch, protože osvětlovací soustava by po rekonstrukci měla mít stejné vlastnosti jako původní po instalaci, neboť během rekonstrukce je možné svítidla vyčistit a poškozená vyměnit. Hodnoty nejpoužívanějších koeficientů jsou uvedeny v tab. 1.

Tab. 1. Činitele odrazu

Jako příklad výpočtu pro odhad světelného toku zářivkového svítidla zvolme zářivku 120 cm/36 W s jmenovitým světelným tokem 3 300 lm v přisazeném stropním svítidle vyrobeném z lakovaného plechu s krémovým odstínem. K nezmenšené dolní třetině (1 100 lm) se přičte 50 % z horní třetiny (550 lm) a 10 % z obou bočních šestin (110 lm). Odhad v tomto případě je 1 760 lm.Cílem bylo odhadnout, jak velká část světelného toku zářivky bude vyzářena do prostoru pod svítidlem po ztrátách odrazem v tělese svítidla. Odhadem pro uvedený příklad autoři došli k hodnotě 1 760 lm, což je přibližně 54 % dosavadního světelného toku. Původně to měl být jen přibližný odhad, ale z výsledků přesných měření a výpočtů světelného toku uvedeného příkladu vyplynuly téměř stejné výsledky. V tab. 2 jsou uvedeny příklady minimálně požadovaného světelného toku LED pro několik nejpoužívanějších typů zářivek. Pro každý konkrétní typ svítidla by měl být alespoň proveden odhad minimálního světelného toku LED podle uvedeného postupu.Jestliže musí být pro rekonstrukci použity LED s menším světelným tokem, měl by být proveden kompletní světelný výpočet a popř. zvýšen počet světelných zdrojů, aby průměrná udržovaná osvětlenost po rekonstrukci nebyla nižší, než je vyžadováno podle platných norem.

Tab. 2. Některé typy zářivek a minimální světelný tok jejich náhrad

Zářivka, nebo LED – ekonomika

Ekonomická návratnost je jedním z nejdůležitějších parametrů rekonstrukce osvětlovací soustavy. Má-li být výpočet návratnosti opravdu objektivní, je nutné předem důkladně zvážit všechny údaje, které jsou k výpočtu potřebné. Obecně lze říci, že doba ekonomické návratnosti je v tomto případě doba, za kterou celkové náklady na provoz rekonstruované osvětlovací soustavy (včetně nákladů na rekonstrukci) budou rovny celkovým nákladům na provoz původní osvětlovací soustavy. Laicky řečeno: za jak dlouho úspora nákladů po rekonstrukci „zaplatí” investici do rekonstrukce.

Největší podíl na nákladech na osvětlení má spotřeba elektrické energie, přesněji příkon jednotlivých svítidel. Podle platné evropské legislativy musí být na každém obale svítidla nebo světelného zdroje kromě jiných údajů uveden i údaj o světelném toku (v lumenech) a o příkonu (ve wattech). Ale už nikdo spotřebitele neinformoval, že tyto údaje mají mezi sebou vydělit a tak získají jeden z nejdůležitějších parametrů, tzv. světelnou účinnost s jednotkou lm·W^–1 (podle evropské normy IEC 50(845) název „luminous efficacy”, podle ČSN IEC 50(845) „měrný světelný výkon”). Ta laicky řečeno vyjadřuje, kolik světla je vyrobeno z každého wattu spotřebované elektrické energie. Z tohoto hlediska je srovnání zářivek a jejich náhrad rovněž zajímavé, protože klasické zářivky mají 80 až 95 lm·W^–1 a tzv. LED trubice 80 až 100 lm·W^–1. Mnoho lidí, kteří si uvědomí tuto skutečnost, se ptá, co to je vlastně za náhradu, když je účinnost stejná, a kde tedy je ta úspora. Vysvětlení je v předcházející kapitole, úspora je pouze ve výhodnější směrovosti LED. Jiná situace nastane až s masivnějším prodejem světelných diod s nejnovějšími LED čipy, které mají 180 až 220 lm·W^–1.

Výpočet návratnosti lze provádět pouze za předpokladu, že základní parametry osvětlení před rekonstrukcí a po ní (zejména intenzita a rovnoměrnost osvětlení) zůstanou přibližně stejné. Není možné porovnávat platby pouze za „silovou” část elektrické energie starých svítidel s funkční sotva třetinou zářivek a se skutečnou intenzitou osvětlení 20 až 70 lx s náklady na rekonstrukci, po které bude průměrná intenzita osvětlení přesahovat 300 lx. Rovněž nelze porovnávat velmi zachovalou udržovanou zářivkovou osvětlovací soustavu před nekvalitní rekonstrukcí a po ní s výslednou sotva poloviční intenzitou osvětlení, navíc většinou s nevhodnou teplotou chromatičnosti (lidově řečeno: „modrá tma”).

Pro výpočet návratnosti rekonstrukce osvětlení je vhodné vypracovat dlouhodobé průběhy celkových nákladů na provoz uvažovaných variant. Po vynesení těchto průběhů do grafu závislosti celkových nákladů na čase je v bodech, kde se jednotlivé průběhy protnou s průběhem nákladů na původní zářivkové osvětlení, doba návratnosti. Důkladným vypracováním dlouhodobých průběhů nákladů se získají další důležitější a cennější informace než jen doba návratnosti.

Jako příklad těchto výpočtů byla zvolena rekonstrukce osvětlení průmyslové dílny, která byla dosud osvětlena dvanácti zářivkovými svítidly, přičemž každé z nich obsahovalo dvě zářivky 150 cm/58 W. Sazba za elektrickou energii je v tomto případě 2,54 Kč/kW·h, v dílně se pracuje v třísměnném provozu a svítí se 120 h týdně. Pro zachování maximální objektivity je nutné porovnávat nejen celkové náklady na elektrickou energii, ale i náklady na údržbu (materiál včetně prací a režie), na instalační práce během rekonstrukce atd. Musí se také porovnávat soustavy, které poskytují přibližně stejné úrovně osvětlení. Proto byly pro tento příklad výpočtu zvoleny čtyři varianty světelných zdrojů a provozní náklady byly zpracovány do tab. 3. V prvním sloupci bylo počítáno původní zářivkové osvětlení, ale (pro zachování objektivity) po kompletní údržbě, spočívající ve výměně všech zářivek a předřadníků za nové. Ve druhém a třetím sloupci byly kalkulovány ekvivalentní LED trubice: značkové Philips (30 W) a levné (31 W) z průměrného e-shopu. Pro čtvrtý sloupec byly zvoleny jediné dostupné LED moduly nejnovější generace (180 lm·W^–1, 150 cm, 15,4 W). První řádek v roce „nula” udává náklady na počáteční rekonstrukci (ceny zářivek, předřadníků nebo zdrojů a práce). V dalších řádcích tabulky jsou celkové provozní náklady v jednotlivých letech, jsou připočteny náklady na energii a podle údajů výrobců o životě je v odpovídající době započítána výměna světelných zdrojů. Výpočet byl proveden na dobu dvacet let.

Tab. 3. Provozní náklady pro různé varianty světelných zdrojů (zkrácený přehled)

V tab. 3 jsou zaneseny výsledky výpočtů provozních nákladů. Grafické znázornění ročních průběhů je na obr. 2. Z uvedeného vyhodnocení vyplývá, že počáteční investice do LED osvětlení je sice vyšší než do zářivek, ale doba ekonomické návratnosti všech variant LED osvětlení je přibližně jeden až dva roky. Nejúspornější pro tento příklad je řešení L2LED, které již po pěti letech provozu (na konci záruky) vykáže úsporu 100 tisíc korun. Po dvaceti letech jsou pro uvedený příklad náklady na zářivkové osvětlení 600 tisíc korun, na osvětlení LED trubicemi 360 až 400 tisíc korun a na osvětlení moduly L2LINE 148 tisíc korun.

Obr. 2. Náklady na provoz osvětlovací soustavy (24 trubic) v závislosti na době provozu

Problematika legislativy a projektů elektrických rozvodů

Při nahrazování zářivek LED trubicemi je vždy nutné odpojit všechny části předřadných obvodů (zůstanou-li zapojeny způsobují další energetické ztráty, výměna by byla zbytečná) a nově zapojit vnitřní obvody svítidla. Přestává tak platit původní prohlášení o shodě vystavené výrobcem zářivkového svítidla a vzniká nový výrobek, na který by měla veškerou novou dokumentaci vystavit osoba, která svítidlo rekonstruovala. Ale rekonstrukci většinou provádí montážní firma, která nemá oprávnění pro výrobu elektronických zařízení, a nemůže tak vystavovat prohlášení o shodě. Tento problém nenastane při použití montážní soupravy LED modulů, která obsahuje také samostatný napájecí zdroj s filtrem PFC a propojovací vodiče, na niž jako na celek vystavil výrobce prohlášení o shodě a kterou instaluje osoba vyškolená výrobcem. Z původního svítidla je pak pouze mechanický díl. Nejsprávnějším řešením by mělo být použití nových kompletních LED svítidel, ale to by pak byla podstatně nákladnější a nová osvětlovací soustava. V každém případě by rekonstrukce osvětlení měla být doplněna do projektové dokumentace a zkontrolována návaznost na původní obvody, jištění apod.

V rozsáhlejších soustavách je rovněž velmi důležité použít světelné zdroje, které pro tento účel splňují všechny legislativní požadavky, zejména z hlediska elektromagnetické kompatibility a výsledné hodnoty účiníku, který pro příkony LED nad 25 W musí být větší než 0,9. Důležité je také použití svítidel, jejichž napájecí obvody obsahují tzv. filtr PFC. Sinusový průběh napájecího proudu původních zářivek s indukčním předřadníkem a kapacitní kompenzací přesně odpovídal jmenovitému příkonu. Velká většina prodávaných LED svítidel nemá filtr PFC, což znamená, že na síťovém přívodu je pouhý usměrňovač s poměrně velkým elektrolytickým kondenzátorem. Ten se však nenabíjí během celého sinusového průběhu napětí, ale pouze ve vrcholku jeho amplitudy, a proto má průběh napájecího proudu tvar krátkých proudových impulzů, jejichž špičková hodnota bývá větší než desetinásobek maximální hodnoty ekvivalentního sinusového proudu. Tyto proudové špičky jsou tudíž několikanásobně větší, než byla maximální špičková hodnota napájecího proudu zářivek. Při instalaci většího množství takových LED je špičková hodnota napájecího proudu podstatně vyšší, než na jaký proud bylo dimenzováno původní přívodní vedení. Napájecí zdroje pro LED s filtrem PFC mají sinusový průběh napájecího proudu odpovídající nižšímu jmenovitému příkonu. Příklady průběhů napájecích proudů jsou na obr. 3, kde je modře znázorněn průběh napájecího napětí po usměrnění, červeně průběh proudu bez PFC a zeleně průběh proudu s PFC.

Obr. 3. Průběhy napájecích proudů a napětí

Závěr

Osvětlení ve výrobních a dalších prostorech je jejich důležitou součástí a rekonstrukcí lze dosáhnout nejen úspor energie, ale i zvýšení bezpečnosti práce, efektivity a zlepšení celkové pracovní pohody zaměstnanců. Z uvedených příkladů je zřejmé, že před rekonstrukcí osvětlovací soustavy by měly být provedeny alespoň základní výpočty, protože fyzikální i dlouhodobé ekonomické výsledky rekonstrukce mohou být velmi rozdílné.

Poděkování

Tento článek byl připraven s podporou projektu Dálkové řízení svítidel veřejného osvětlení s podporou technologií Smart – SP2017/97 na VŠB-TU Ostrava.

Literatura a odkazy:
[1] ČSN 73 0580-1. Denní osvětlení budov – základní požadavky. 2007.
[2] BYSTŘICKÝ, Václav a Jan KAŇKA. Osvětlení. Vydavatelství ČVUT, 1997.

Ing. Lumír Kunčický, prof. Ing. Karel Sokanský, CSc., doc. Ing. Tomáš Novák, Ph.D., VŠB–TU Ostrava, FEI

---

Vyšlo v časopise Světlo č. 1/2017 na straně 36.
Článek v elektronické listovací verzi časopisu Světlo č. 2/2017 naleznete zde.