Съвременни изкуствени източници за вътрешно осветление

Изкуствените източници на светлина са широк спектър технически устройства с различен дизайн и с различно преобразуване на енергия, чиято основна цел е да осигурят светлина. При тях се използва предимно електроенергия, но понякога се прибягва и до други начини за генериране на светлина като химични и електролуминесцентни.
В този материал ще разгледаме отделните групи изкуствени източници на светлина за вътрешно осветление с техните особености, ефективност в производството а светлина, енергийна ефективност, екологичност и съответно перспективата за по-нататъшната им употреба.

Според статистиката около 14% от общото електропотребление в Европа се падат на осветлението, като в нежилищни сгради осветлението консумира до 40% от изразходваната енергия. Така осветлението се явява значителен показател в енергийните разходи и оказва сериозен отпечатък върху околната среда. Развитието в сектора осветление днес е най-голямо именно в тази сфера – да се открият нови и да се подобрят съществуващите групи източници на светлина така че да са енергийно ефективни и екологични, и в същото време да осигуряват високо ниво на комфорт, функционалност, практичност и дизайнерски възможности.

Лампи с нажежаема жичка – подобряване на конвенционалните решения
Този тип лампи са топлинни източници на светлина. Когато в лампа с нажежаема жичка протича електрически ток, той загрява жичката й до температура 2500-3000К, а тя излъчва светлина. В качеството на нажежаемо тяло се използва спирала от огнеупорна метална жичка (обикновено от волфрам и по-рядко от рений или осмий) или въглеродна нишка. Използва се ефектът на нагряване на проводник с високо съпротивление. За да се избегне окисление на жичката от въздуха, тя се поставя във вакуумна колба или колба, изпълнена с инертни газове (азот, аргон или криптон) или пари на халогени.

Ако напрежението е ниско, жичката свети червено-оранжево. С повишаване на напрежението светлината става по-ярка до бяла, т.е. цветът на светлината зависи от температурата. При температури до 1000К светлината е червена, в интервала 1000-1500К е оранжева, от 1500К до 2000К е жълта, между 2000К и 4000К е бледо жълта, от 4000К до 5500К е жълто-бяла, бяла е в интервала 5500-7000К, в следващия интервал до 9000К е синкаво-бяла, от 9000К до 15000К е синьо-бяла и над 15000К – синя. За да се получи светлина във видимия за човешкото око спектър, температурата се повишава до няколко хиляди градуса.

Съществена особеност на този тип лампи е, че малка част от енергията (5-8%) се излъчва като видима светлина. Останалите 92-95% от консумираната енергия се излъчват под формата на топлина. Това прави лампите с нажежаема жичка слабо ефективни. Заради този факт и политиката на ЕС за енергийна ефективност, от 2012г. у нас традиционните лампи с нажежаема жичка се предлагат само за специални предназначения (за индустрията и транспорта), а за битовия сектор се предлагат само енергийно ефективните им халогенни форми.

Към днешна дата ефективни лампи с нажежаема жичка са халогенните, които използват буферен газ в колбата под формата на пари на халогени или техни съединения. В такива лампи изпарявания от жичката метал се свързва с халогенните пари и след това се връща на жичката в резултат на температурното разлагане на полученото съединение. Така се предотвратява изтъняване на жичката и животът на лампите се удължава. Друго предимство е, че халогените позволяват по-висока температура на жичката и по-голямо производство на видима светлина. Така описните халогенни лампи се разглеждат като модификации на лампите с нажежаема жичка с увеличена продължителност на работа до 2000 часа и повече, и с повишено светлинното отдаване до 20-24lm/W, спрямо 1000 часа работа и 5-14lm/W светлинно отдаване за конвенционалните лампи с нажежаема жичка. С други думи К.П.Д. (съотношението на излъчваната видима светлина към консумираната енергия) на халогенните лампи е увеличено на 2.8-3.5% спрямо 0.7-2.0% за обикновени лампи с нажежаема жичка. Халогенните лампи, изпълнени с газ ксенон използват 20-25% по-малко енергия от типичните лами с нажежаема жичка. Те се отличават с яркост и чистота на светлината за създаване на контраста атмосфера.

Използвани са и други начини за увеличаване ефективността на лампите с нажежаема жичка. Създадени са лампи, в които част от дълговълновото инфрачервено излъчване се преобразува в по-голям дял късовълнова видима светлина с помощта на т.нар. антистоксови луминофори. Съгласно емпиричното правило на Стокс дължината на вълната на фотолуминесценция е по-голяма от дължината на вълната на възбуждащата светлина. Въпреки това, днес се използват антистоксови луминофори, които излъчват повече късовълнова светлина от падащата. С тяхна помощ инфрачервеното излъчване може да се преобразува във видима светлина.

Друг тип подобрени лампи с нажежаема жичка представляват халогенни лампи с инфрачервено покритие на крушката. То има функцията да връща обратно топлинната енергия към нажежаемата жичка, като подпомага затоплянето й и следователно подобрява енергийната ефективност с над 45% спрямо най-добрите конвенционални крушки с нажежаема жичка. Сега се правят и опити да се използват най-новите нанотехнологии при лампи с нажежаема жичка. Те ще могат ефективно да отделят от топлинното излъчване на лампата светлина във видимия диапазон. Използването на такива технологии позволява намаляване на топлинните загуби и увеличаване на ефективността на светлинно отдаване на лампите с нажежаема жичка близо при пъти.

Ако са успешни опитите да се създаде лампа с 60lm/W светлинно отдаване при достойнствата на съвременните лампи с нажежаема жичка – спектър на излъчване, който е привичен за човека, приемлива цена и липса на пулсации, то това ще е един много добър и ефективен източник на светлина. Така че пренебрегването на перспективите на лампите с нажежаема жичка в бъдеще е неправилно.

Луминесцентни лампи
Способността на някои вещества да излъчват светлина с продължителност 10-10s, след облъчване с късовълнова светлина, бързи електрони, рентгенови лъчи, електрично поле или за сметка на химична или биологична енергия, се нарича луминесценция. При електролуминесценцията вещества излъчват светлина при протичане на ток през тях. Луминисцентните лампи са газоразрядни – светлината се излъчва от електрически разряд в газ, метални пари или смес от няколко газа и пари. Устройството на луминесцентните лампи включва вакуумиран стъклен балон (тръба), електроди (катоди), луминофор и разреден благороден газ (аргон или неон), активиран с живачни пари. Луминофорът включва вещества със значително видимо луминесцентно лъчение. Живачните пари позволяват излъчване на ултравиолетови лъчи, т.е. електричният ток води до електролуминесценция и ултравиолетово лъчение. Преминавайки през луминофора, ултравиолетовите лъчи се превръщат във видима светлина.

Луминесцентните тръбни лампи имат ефективност (К.П.Д.) 7-15% и често се използват в търговски и производствени сгради, заради по-дългия им живот – над 5000 работни часа. При тях също има голямо развитие. По-старите луминесцентни лампи Т8 с конвенционален баласт и ефективност 60lm/W днес са развити във високоефективни модели Т5 с електронен баласт, с двукратно по-добра ефективност от 110lm/W и по-продължителна работа от 24000 часа. Тъй като диаметърът на Т8 е 26мм, а на Т5 – 16мм, при преминаване от едните към другите крушки се налага смяна на осветителните тела.

Компактните луминесцентни лампи (КЛЛ) са енергоспестявщи крушки с нагъната или мостова тръба. КЛЛ могат да се поставят във фасонките на стандартна лампа с нажежаема жичка. Така от 100W лампа с нажежаема жичка може да се премине към 23W компактна флуоресцентна лампа, която произвежда същото количество светлина и има над 8 пъти по-дълъг живот. Индукционните лампи също дават редица подобрения. Те са газоразрядни, безелектродни, с ниско налягане луминесцентни или КЛЛ, при които енергията се пренася чрез електромагнитна индукция и се преобразува във видима светлина. Такива лампи могат да работят 100 000 часа, а светлинната им ефективност е 65-90lm/W. Индукционното осветление допринася за намаляване емисиите на СО2, загуба на енергия и консумирана мощност. То преобразува енергията 4-5 пъти по-добре от лампите с нажежаема жичка.

LED и OLED
Светодиодите (LEDs, light-emitting diode) представляват полупроводников диод, изграден от области с положителни (p) и отрицателни (n) токови носители. Преходът на носителите (p-n) излъчва видима светлина при протичане на електрически ток. Бързото развитие и прилагане на LED осветление започва в края на 90-те години на миналия век, след като се появяват относително евтини сини светодиоди. Комбинацията от такива светодиоди с луминофори дава компактни източници на бяла светлина. Техните основни предимства са нисък разход на енергия, висока ефективност, механична здравина и дълъг експлоатационен живот. Светлинното отдаване е до 130lm/W, a срокът на експлоатация е повече от 100 000.

Органичните светодиоди (OLED) са предимно във вид на панели, изработени от органични материали. Те излъчват светлина, когато са поставени под въздействието на електрически ток. Днес OLED се използват най-вече за дисплеи, но те позволяват и създаване на панели за осветление с бяла светлина, при които тънък слой от съдържащия въглерод материал излъчва светлина. С тази технология се постига осветление на участък, а не точково. Предимство е, че материалът е гъвкав и прозрачен и при някои решения цветът е регулируем. Ефективността е по-голяма от тази на КЛЛ и не се съдържа живак. Тази технология обаче все още се предлага на сравнително висока цена.

Металхалогенни лампи
Тези осветителни тела са газоразрядни лампи - генерират светлина чрез разряд в смес от живачни пари и метални халогениди. Подобни са на живачните лампи, но наличието на метални съединения подобрява ефективността на цветопредаването. Ефективността им е висока – около 75-100lm/W, което е 5 пъти повече от ефективността на лампите с нажежаема жичка и 2 пъти повече от живачните лампи. Излъчваната светлина е интензивна бяла. Продължителността на живот е 6000-15000 часа. Използват се за промишлени, търговски, спортни, развлекателни и жилищни приложения.

За работата на всички газоразрядни лампи са необходими баласти и за постигане а енергийна ефективност е за предпочитане те да са електронни. Баластите се поставят между захранването и една или повече газоразрядни лампи и служат за ограничаване на тока до необходимата стойност. Електронните баласти дават по-малко загуби на енергия и по-качествено осветление – без трептене, проблясъци и шум. През 2017г. се очаква постепенно премахване на магнитните баласти и заменянето им с електронни.

Какво печелите с енергийноефективните лампи?

В препоръките на ЕС за зелено проектиране на вътрешно изкуствено осветление се посочва, че енергоефективните лампи имат по-дълъг живот в сравнение с лампите с нажежаема жичка и нажежаемите халогенни лампи, и чрез тях се спестяват разходи не само за енергия, а и за поддръжка на осветителните уредби. Замяната на една 35-ватова нажежаема халогенна лампа с висококачествена 11-ватова светодиодна лампа може да е свързано с допълнителни разходи от порядъка на 50-80 евро. За 10-годишен период, ако лампата се използва 8 часа дневно, това ще доведе до икономия на електроенергия на стойност от около 70 евро. Но през същия този период светодиодната лампа няма да се сменя, а нажежаемата халогенна лампа ще трябва да се смени 14 пъти. И макар тези лампи да са евтини, разходите за персонала по поддръжката не са малки.

Енергийноефективно регулиране на вътрешното осветление
Проектирането и инсталирането на регулиращи системи за осветлението е от съществено значение за енергийната ефективност на осветителната система. ЕС издаде ясни препоръки с пожелателен характер в тази област. Осветлението на рядко обитавани зони се регулира чрез детектори за движение, които изключват осветлението, когато съответните помещения останат празни, освен ако това би застрашило безопасността или сигурността. Зони, които остават без хора нощно време или в уикендите, и където светлината може да остане включена по погрешка, следва да бъдат оборудвани или с часовникови изключватели, или с детектори за движение, които да изключват осветлението, след като зоната остане празна нощно време или в уикендите.

В идеалния случай контролът на светлината следва да се осъществява чрез пълноценно оползотворяване на дневната светлина. Светлинните сензори позволяват дневната светлина да се използва във възможно най-голяма степен. Осветлението в естествено осветени през деня зони за придвижване и рецепции следва да се управлява чрез автоматично регулиране в зависимост от наличието на дневна светлина (изразяващо се в изключване или димиране). Осветлението в зони със странични прозорци е препоръчително да се управлява на редове, успоредни на прозорците, така че разположените в близост до прозорците редове да могат да се изключват самостоятелно. Осветлението в офиси, конферентни зали, класни стаи и лаборатории трябва да може да се управлява от хората в тях посредством лесно достъпни превключватели, разположени на удобни места.

Регулиращите системи на осветителните уредби може да са много изгодни икономически, като в типичния случай срокът на откупуване при монтирането им към съществуваща инсталация е 2-4 години. При нова инсталация разходите за модерна регулираща система може да са същите като разходите за конвенционална система за ръчно управление. Това е така, защото при автоматичното регулиране отпада необходимостта от прокарване на кабели до монтирани в стените ключове. По този начин системите за автоматично регулиране могат да осигуряват икономии на електроенергия в размер на 30-40%, без да са необходими допълнителни капиталови разходи.

Регулирането може да осигурява икономии на електроенергия дори и в случаите, при които осветлението се изключва за кратки периоди от време. Представата, че лампите консумират много електроенергия при включване, е мит; в най-тежкия случай количеството на електроенергията при пускане е колкото консумацията за няколко секунди нормална работа. Но ако лампите не са светодиодни, многократното включване и изключване може да предизвика съкращаване на живота им. За луминесцентните лампи изключването им за периоди от 5-10 минути обикновено е икономически изгодно