نکات مهم در مورد سیستم های روشنایی

درساختمان‌های اداری، ۳۰ تا ۵۰ درصد برق برای فراهم کردن روشنایی، مصرف می شود. علاوه بر این، گرمای تولید شده بوسیله سیستم های روشنایی،جزء بارهای حرارتی اضافی است که لازم است بوسیله تجهیزات خنک‌کننده دفع شوند. معمولاً جایگزینی تجهیزات روشنایی،از لحاظ هزینه بسیار به صرفه بوده و در اکثر کاربردها دارای دوره بازگشت سرمایه کمتر از ۲ سال هستند.

داده های شدت مصرف انرژی	داده ها	تحلیل و توصیف فناوری های روشنایی ساختمان	استانداردهای مصرف
داده های مصرف برق	شکل بار و پیک	روش طراحی و نصب سیستم های روشنایی	روشنایی هوشمند
گزارشات تحلیلی	LED	اجرای طرح ها	تأمین تجهیزات

برای درک بهتر راهکارهای جایگزینی که باید برای بهبود بازدهی انرژی سیستم‌های روشنایی در نظر گرفته شوند، در ابتدا یک تخمین ساده از کل مصرف انرژی الکتریکی سیستم‌های روشنایی در نظر بگیرید:

N_{Lum , j}  تعداد وسایل روشنایی از نوع jاست که باید جایگزین شوند. به خاطر داشته باشید که یک وسیله روشنایی شامل مجموعه کاملی از یک بالاست، سیم‌پیچ الکتریکی، جعبه نگهدارنده و لامپ‌ها می‌باشد.

WR_Lum , jتوان واتی هر دستگاه نوع j است. در این مقدار، مصرف انرژی ناشی از لامپ‌ها و بالاست باید در نظر گرفته شود.

 N_{h , j}تعداد ساعات کاری وسایل روشنایی نوع j در سال است.

J تعداد انواع وسایل روشنایی در ساختمان است.

از رابطه (۱) واضح است که سه گزینه برای کاهش مصرف انرژی سیستم‌های روشنایی وجود دارد که ذیلاً توضیح داده می‌شود:

الف- کم کردن مقدار  واتی دستگاه های روشنایی شامل منابع روشنایی (لامپ‌ها) و تجهیزات انتقال نیرو (بالاست‌ها) ] لذا، ترم WR_{Lum , j} در رابطه (۱) کاهش می‌یابد[. در دهه اخیر،تکنولوژی های پیشرفته‌ای چون لامپ های فلوئورسنت فشرده و بالاست‌های الکترونیکی، بازدهی انرژی سیستم روشنایی را افزایش داده‌اند.

ب- کم کردن زمان استفاده از سیستم‌های روشنایی از طریق کنترل های روشنایی ]بنابراین،     ترمN_h,j در رابطه (۱) کاهش می‌یابد[. کنترل های اتوماتیک برای کاهش مصرف یک سیستم روشنایی به گونه‌ای توسعه داده شده‌اند که روشنایی تنها در زمان هایی که واقعاً مورد نیاز است، عرضه می‌شود. کنترل‌های پربازده،شامل سیستم‌های حسگر فضا و کنترل‌های میزان روشنایی با استفاده از روشنایی روز می شوند.

ج- کم کردن تعداد وسایل روشنایی ]لذا، ترم N_{Lum , j} در رابطه (۶-۱) کاهش می‌یابد[. این هدف فقط در صورتی امکان‌پذیر است که کم کردن روشنایی به خاطر روشنایی بیش از حد امکان‌پذیر باشد.

سیستم‌های روشنایی پربازده

بهبود بازدهی انرژی سیستم‌های روشنایی، فرصت‌های مختلفی را برای کاهش مصرف انرژی الکتریکی ساختمان فراهم کرده است. در این بخش محاسبات صرفه‌جویی انرژی مربوط به تکنولوژی های زیر مورد بحث قرار می‌گیرند:

• لامپ‌های فلوئورسنت پربازده
• لامپ‌های فلوئورسنت فشرده
• لامپ‌های هالوژن فشرده
• دیودهای ساطع کننده نور(LED)

معمولاً سه عامل، سطح مطلوب روشنایی را برای یک فضای خاص را مشخص می‌کنند. این عوامل عبارتند از: مدت زمان اشغال، سرعت و دقت تجهیزات و تفاوت روشنایی پس زمینه (بسته به کاری که انجام می‌شود). تصور اشتباهی که رایج است این است که روشنایی بیش از اندازه فضا، باعث کیفیت مجازی بالاتر می‌شود. اثبات شده است که روشن کردن بیش از حد فضا، علاوه بر هدر دادن انرژی سبب کاهش کیفیت روشنایی و سطح راحتی در فضا می‌شود. لذا هنگام بهبود سیستم روشنایی، تعیین حد مطلوب و نگهداری روشنایی در سطح کافی که توسط مراجع معتبر پیشنهاد شده، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. سطوح روشنایی پیشنهادی برای فعالیت‌ها و کاربردهای گوناگون در چند کشور از جمله ایالات متحده در جدول۱ آورده شده است.

جدول ۱)  سطوح پیشنهادی روشنایی برای کاربردهای مختلف در بعضی کشورها(لومنس)

لامپ‌های فلوئورسنت پربازده

یک لامپ‌ فلوئورسنت شامل یک لوله شیشه‌ای و دو الکترود در دو انتها می‌شود. لوله در فشار بسیار پایین با ترکیبی از گازهای بی‌اثر (اصولاً آرگون) و جیوه مایع پر می‌شود. هنگامی که لامپ روشن می‌شود، یک قوس الکتریکی بین دو الکترود برقرار می‌شود. جیوه بخار شده و تشعشعات ماوراء بنفش ساطع می‌کند. این تشعشعات ماوراء بنفش یک پوشش فسفر را روی سطح داخلی لوله ایجاد می‌کنند که نور قابل مشاهده صادر می‌کند. لامپ‌های فلوئورسنت پربازده از ترکیب کریپتون- آرگون استفاده می‌کنند که تأثیر خروجی را ۱۰ تا ۲۰ درصد نسبت به خروجی های متداولی که حدود ۷۰ تا ۸۰ لومینس/ وات ۱است، بهبود می دهند. بهبود لایه فسفری می‌تواند بازدهی را به ۱۰۰ لومینس/ وات افزایش دهد. یکی از گزینه‌های جایگزینی به منظور بهینه سازی معمول، جایگزینی لامپ‌های فلوئورسنت ۴۰WT12 با لامپ‌های پربازده‌ای مثل لامپ های ۳۲WT8 است. برای جایگزینی تجهیزات روشنایی و تعیین مشخصات سیستم روشنایی موجود،باید تست‌هایی انجام گیرد. به عنوان نمونه، تعیین سطح روشنایی در قسمت‌های مختلف داخل فضا، بخصوص برای محیط کاری مثل میزها و نیمکت‌ها، از اهمیت خاصی برخوردار است.

لامپ‌های فلوئورسنتفشرده

این لامپ‌ها، لامپ‌های فلوئورسنت مینیاتوری با ابعاد کوچکتر هستند. بازدهی لامپ‌های فشرده که تنها ۳۵ تا ۵۵ لومینس/ وات است،از لامپ‌های فلورسنت Full Size کمتر است. اما، لامپ‌های فشرده به لحاظ انرژی پربازده هستند و طول عمر طولانی‌تری نسبت به لامپ‌های گرمایی دارند.

جدول۲)  مقایسه انواع لامپ ها از نظر مشخصات فنی و بهره برداری

Reference: Scott Sanford, Energy Efficient Agricultural Lighting, Energy Conservation in Agriculture, University of Wisconsin Extension.

لامپ‌های هالوژن فشرده

لامپ‌های هالوژن فشرده جهت استفاده به عنوان جایگزین لامپ‌های روشنایی استاندارد مناسب هستند. لامپ‌های هالوژن از لحاظ انرژی پربازده بوده، نور سفید و عمر طولانی‌تری نسبت به لامپ‌های گرمایی دارند. در واقع، لامپ‌های فلوئورسنت نئون تنها %۱۵ انرژی الکتریکی را به نور تبدیل می‌کنند. چرا که %۷۵ به صورت تشعشعات درآمده و %۱۰ توسط رشته میانی هنگام گرم شدن مصرف می‌شود. در لامپ‌های هالوژن، رشته میانی درون یک  لوله کوارتز داخل یک حباب شیشه‌ای قرار دارد. یک لایه مخصوص روی سطح خارجی لوله کوارتز به تشعشعات مرئی اجازه عبور می‌دهد اما تشعشعات نامرئی را به رشته میانی منعکس می‌کند. این تشعشعات نامرئی برگشتی، به رشته میانی اجازه می‌دهند که دمای عملکرداش را با %۳۰ درصد کمتر از توان الکتریکی ورودی حفظ کند.

 لامپ های LED

ال ای دی مخفف دیودهای ساطع کننده نور است که این فناوری از سال ۱۹۹۳ شناخته شد. یک سیستم  روشنایی ال ای دی از قسمت های زیر تشکیل شده است:

• منبع نوری
• محرک
• چراغ

ویژگی های اصلی LED مصرف توان کم، عمر طولانی، دوام و قابلیت اطمینان، کنترل نوری، تولید گرمای ناچیز، عدم تأثیرپذیری از شوک های خارجی می باشد. معایب لامپ های ال ای دی نیز شامل گران بودن آن در قیاس با سایر تجهیزات روشنایی، تأثیر دمای محل اتصال بر بهره نوری، رنگ و قابلیت اطمینان آن می باشد. از جمله کاربرد های لامپ های LED عبارتند از:

• روشنایی معابر (بهترین حالت استفاده از سیستم فتوولتائیک کوچک با یک باتری ذخیره خرد    می باشد). این گزینه می تواند برای روشنایی معابر جزیره مورد استفاده قرار گیرد.
• نمایشگرهای ویدئوی در مقیاس بزرگ
• روشنایی معماری
• روشنایی چراغ های دوچرخه، موتورسیکلت، خودرو و اتوبوس
• پزشکی، چراغ دریایی
• روشنایی کابین قایق ها  کشتی ها

کاربرد LED ها در ادارات (با قرار دادن آن در تورفتگی دیوار) به منظور روشن کردن میزها و روشنایی محیط ضروری است. هرچند استفاده از این فناوری به عنوان جایگزین برای روشنایی عمومی متداول، به دلیل گران بودن قیمت آن قابل توجه نمی باشد. به هرحال انتظار می رود در ۵ تا ۱۰ سال آینده LED ها جایگزین مناسبی برای روشنایی عمومی باشند. قابلیت خاموش و روشن کردن متناوب LED و عدم وجود سوسوزنی از مهمترین قابلیت این فناوری در روشنایی اضطراری و امنیتی می باشد. اما مهمترین کاربرد کنونی لامپ های LED در تأمین روشنایی معابر است که بهترین گزینه هم بهره گیری از یک سیستم کوچک فتوولتائیک با باتری خرد برای بهره گیری از انرژی خورشیدی می باشد. بررسی ها نشان می دهد که راندمان ال ای دی در قیاس با لامپ های رشته تا ۹۰ درصد بالاتر می باشد لیکن بهترین جایگزین برای لامپ های رشته ای در حال حاضر لامپ های کم مصرف یا CFLs می باشد. بهترین گزینه برای بهره گیری از لامپ های ال ای دی، جایگزینی آنها با لامپ های هالوژنی است. با این جایگزینی به طور متوسط ۸۰ درصد کاهش مصرف انرژی وجود خواهد داشت. در قیاس لامپ های کم مصرف با لامپ های ال ای دی، حداقل تا ۵ سال آینده لامپ های کم مصرف به صرف تر می باشد. به دلیل اینکه لامپ های ال ای دی کنونی قادر به برآورده نمودن سطوح روشنایی مورد نیاز نیستند، جایگزینی آنها با لامپ های مذکور دور از انتظار می باشد.

سیستم روشنایی چراغ برق خورشیدی(PV-LED)

هم اکنون بهره گیری از سیستم روشنایی چراغ برق خورشیدی در محوطه به عنوان یک از اصلی ترین کاربردهای انرژی تجدیدپذیر در زیربخش روشنایی محسوب می شود. تجربه کاربردهای موفق این سیستم ها در کشور، وجود دارد از طرف دیگر مصرف برق محوطه می تواند تا ۵۰ درصد کل مصرف برق روشنایی جزیره باشد، که در این صورت تأثیر قابل توجهی بر کاهش مصرف برق در سمت مصرف نهایی خواهد گذاشت. بهره گیری از این سیستم نیز به عنوان یک گزینه قابل توجه در طراحی سیستم انرژی جزیره مد نظر خواهد بود.

کنترل‌های روشنایی

همانطوریکه رابطه (۱) نشان می‌دهد، با از کار انداختن سیستم روشنایی هنگامیکه روشنایی غیر ضروری است، می‌توان در مصرف انرژی صرفه‌جویی کرد. کنترل کارکرد سیستم روشنایی با ابزارهای مختلفی امکان‌پذیر است؛ از جمله روشن/خاموش دستی و سویچ های تنظیم روشنایی، سیستم‌های حسگر محیط و سیستم تنظیم روشنایی اتوماتیک با استفاده از کنترل‌های روشنایی روز. برخی از کنترل‌های موجود برای سیستم‌های روشنایی ذیلاً به طور خلاصه مورد بررسی قرار گرفته است:

حسگرهای محیط

حسگرهای محیط به طور اتوماتیک روشنایی فضاهایی را که خالی هستند، قطع می‌کنند و بدین شکل باعث صرفه‌جویی در انرژی می‌شوند. حسگرهای محیط برای اکثر ابزارهای کنترل روشنایی مناسب هستند و باید در جایگزینی تجهیزات روشنایی در نظر گرفته شوند. شناخت و نصب صحیح حسگرهای محیط برای داشتن روشنایی مطلوب در زمان های مورد نیاز، از اهمیت خاصی برخوردار است. در واقع، اکثر اشکالات ایجاد شده پس از نصب حسگرهای محیط، ناشی از انتخاب ناصحیح کالا و جایگذاری نامناسب است. به ویژه، ممیز باید تکنولوژی حسگر حرکتمناسبی را جهت استفاده در حسگرهای محیط انتخاب کند. دو نوع تکنولوژی حسگر حرکت در بازار موجود هستند:

1. حسگرهای نامرئی: اشعه نامرئی را که از سطوح مختلف در فضا، از جمله بدن انسان ساطع می‌شود، ثبت می‌کنند. هنگامیکه کنترل کننده متصل به یک تغییر ممتد را مشخصه حرارتی محیط دریافت می کند (مثل وقتی که یکی از ساکنین حرکت می کند) سیستم روشنایی را روشن می کند. روشنایی، تا هنگامی که تغییرات ثبت شده حرارت قابل توجه نباشد، باقی  می ماند. حسگرهای نامرئی تنها در صورتی به طور مناسب کار می‌کنند که در خط مستقیم دید نسبت به ساکنین قرار گیرند، همچنین باید در فضاهای بسته کوچک تر با اشکال منظم و بدون پارتیشن استفاده شوند.
2. حسگرهای مافوق صوت: با روشی مشابه رادارهای زیردریایی‌ها و فرودگاه ها کار می‌کنند. یک وسیله صدایی با فرکانس بالا (Hz ۴۰-۲۵) ساطع می‌کند که با گوش انسان قابل شنود نیست. این صدا به وسیله سطوح داخلی فضا (شامل لوازم و اشخاص) منعکس شده و بوسیله گیرنده، حس می‌شود. هنگامیکه ساکنین حرکت می‌کنند، الگوی موج صدا تغییر می‌کند. تا وقتی که هیچ حرکتی برای یک دوره زمانی از پیش تعیین شده (بعد از ۵ دقیقه)، ردیابی نشود، روشنایی باقی می‌ماند. برعکس تشعشعات نامرئی، موانعی مثل پارتیشن‌های دیواری نمی‌توانند مانع امواج صوتی شوند. در عین حال، حسگرهای مافوق صوت برای فضاهای بزرگی که اکوهای ضعیفی تولید می‌کنند، بطور صحیح عمل نمی‌کنند.

جدول ۱۰میزان صرفه‌جویی انرژی  حاصل از جایگزینی حسگرهای محیط را بر اساس پژوهش EPRI، نشان می‌دهد. همانطوریکه جدول نشان می‌دهد، در محیط‌هایی که بطور غیر دائمی اشغال می شوند مثل اتاق های کنفرانس، دستشویی‌ها، فضاهای ذخیره‌سازی و انبارها، می توان میزان قابل توجهی در مصرف انرژی صرفه‌جویی کرد.

جدول ۳) پتانسیل صرفه‌جویی در انرژی ناشی از جایگزینی حسگرهای ساکنین