Energieeinsparung und rationelle Energienutzung durch Leistungselektronik. ECPE, ETG, Fraunhofer-IISB in Kooperation mit EnergieRegion Nürnberg

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1 Energieeinsparung und rationelle Energienutzung durch Leistungselektronik ECPE, ETG, Fraunhofer-IISB in Kooperation mit EnergieRegion Nürnberg 13. Oktober 2005 Seite 1 I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

2 1. Hinführung Energieklassifizierung von Vorschaltgeräten und Lampen nach Comitee of European Union Luminaire Manufactures Associations Hintergrund: CO 2 Reduktion gemäß Klimaschutzkonferenzen von Rio, Kyoto, Den Haag und Bonn Stromverbrauch für Beleuchtungszwecke in Industrieländern: ca. 15 % des gesamten Verbrauchs. Signifikanter Anteil der Lichterzeugung: Leuchtstofflampen Seite 2 I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

3 1. Hinführung Energieklassifizierung von Vorschaltgeräten und Lampen Energie-Effizienz-Index (EEI) A1 A2 A3 B1 B2 C D A1: dimmbare elektronische Vorschaltgeräte A2: elektronische Vorschaltgeräte mit red. Verlusten A3: elektronische Vorschaltgeräte B1: magn. Vorschaltgeräte mit sehr geringen Verlusten B2: magn. Vorsachaltgerät mit geringen Verlusten C: magn. Vorschaltgerät mit moderaten Verlusten D: magn. Vorschaltgerät mit sehr hohen Verlusten Überprüfung gemäß EN Seite 3 I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

4 1. Hinführung DIN V Energetische Nutzung von Gebäuden Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwasser und Beleuchtung DIN V Teil 4: Nutz- und Energiebedarf für Beleuchtung Seite 4 I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

5 1. Hinführung DIN V : Teil 4: Nutz- und Energiebedarf für Beleuchtung spez. elektrische Bewertungsleistung p j,lx Beleuchtungsart W/(m² lx) EVG VVG KVG direkt 0,050 0,057 0,062 direkt/indirekt 0,060 0,680 0,074 indirekt 0,100 0,114 0,123 p j = p j,lx E m k A k L k R Anpassungsfaktor Raum Anpassungsfaktor Lampe Minderungsfaktor zur Berücksichtigung des Bereichs der Sehaufgabe Wartungswert der Beleuchtungsstärke nach DIN Seite 5 I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

6 1. Hinführung Gründe zum Dimmen von Leuchtmitteln: Komfort Energieeinsparung Einbindung von Licht in Gebäudemanagementsysteme Effektbeleuchtung Tageslichtsimulation Seite 6 I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

7 1. Hinführung Inhalt: 1. Hinführung 2. Lichttechnische Definitionen 3. Energieeinsparung 4. Leuchtmittelfamilien 5. Lichtsteuerungen 6. Resümee Seite 7 I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

8 2. Lichttechnische Definitionen: Licht Licht: Als Licht wird derjenige Anteil der elektromagnetischen Strahlung bezeichnet, für den unser menschliches Auge empfindlich ist. Dieser Bereich liegt von ca. 380 nm bis 780 nm. Es gibt keine genauen Grenzen für den Spektralbereich der sichtbaren Strahlung, da diese von dem Betrag der Strahlungsleistung, die die Netzhaut erreicht und von der Augenempfindlichkeit des Beobachters abhängen. Die Zapfen ermöglichen farbiges Sehen ("Tageslichtsehen"). Ihr Maximum der Lichtempfindlichkeit liegt im Gelb-Grünen, bei einer Lichtwellenlänge von l = 555nm (Tageswertkurve V (λ)). Die hochempfindlichen Stäbchen ermöglichen schwarz/weißes Sehen ("Nachtsehen"). Ihr Maximum der Lichtempfindlichkeit liegt im Grünen, bei einer Lichtwellenlänge von l = 507nm (Nachtwertkurve und V' (λ)). Seite 8 I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

9 2. Lichttechnische Definitionen: Lichtspektrum Lichtspektrum: Spektrale Hellempfindlichkeit V (λ) und V' (λ) des menschlichen Auges Seite 9 I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

10 2. Lichttechnische Definitionen: Lichtstrom Φ Lichtstrom Φ: Einheit: Lumen [lm] Der Lichtstrom Φ [lm] stellt die gesamte von einer Lichtquelle in den Raum abgegebene Strahlungsleistung dar, die mit der spektralen Augenempfindlichkeit V λ bewertet wird. Beispiel: Eine L36W/ Plus Eco emitiert 3350lm. Seite 10I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

11 2. Lichttechnische Definitionen: Beleuchtungsstärke E Beleuchtungsstärke E: Einheit lux [lx]: E = F / A F = Lichtstrom in Lumen A = Fläche Die Beleuchtungsstärke E gibt das Verhältnis des auffallenden Lichtstroms zur beleuchteten Fläche an. Die Beleuchtungsstärke beträgt 1 lx, wenn der Lichtstrom 1 lm auf eine Fläche von 1 m² gleichmäßig auftrifft. Mindestbeleuchtungsstärken an Arbeitsplätzen: DIN 5035, Teil 2 bzw. DIN EN sowie entsprechende Arbeitsstättenrichtlinien Seite 11I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

12 2. Lichttechnische Definitionen: Farbwiedergabe Je nach Einsatzort und Sehaufgaben sollte künstliches Licht eine möglichst korrekte Farbwahrnehmung (wie bei natürlichem Tageslicht) ermöglichen. Der Maßstab dafür sind die Farbwiedergabe-Eigenschaften einer Lichtquelle, die in Stufen des "allgemeinen Farbwiedergabe- Indexes" R a ausgedrückt werden. Der Farbwiedergabe-Index bezeichnet das Maß der Übereinstimmung einer Körperfarbe mit ihrem Aussehen unter der jeweiligen Bezugslichtquelle. Farbwiedergabeeigenschaft Farbwiedergabestufe Farbwiedergabeindex Ra Lampenbeispiel sehr gut 1 A 90 Halogenglühlampen, Lumilux de luxe Leuchtstofflampen HQI.../D 1 B Lumilux Leuchtstofflampen HQI.../NDL oder WDL gut 2 A Standardleuchtstofflampen 10 und 25 2 B Standardleuchtstofflampen 30 genügend HQL ungenügend 4 39 Na-Hochdruck und Niederdruckentladungslampen Seite 12I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

13 2. Lichttechnische Definitionen: Lichtausbeute η Lichtausbeute h: Lichtstrom / lm η = aufgenommene elektrische Leistung / W Einheit: Lumen pro Watt [lm/w] Die Lichtausbeute η beschreibt, mit welcher Wirtschaftlichkeit die aufgenommene elektrische Leistung in Licht umgesetzt wird. Der theoretisch erreichbare Maximalwert bei völliger Umsetzung der Energie in sichtbares Licht beträgt 683 lm/w. Die in der Realität erreichten Werte sind allerdings sehr viel geringer und liegen zwischen 10 lm/w und 150 lm/w. Seite 13I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

14 3. Energieeinsparung: Tageslichtnutzung direkte Sonnenlichtnutzung Lichtlenkung / Abschattung Lichtleitung Seite 14I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

15 3. Energieeinsparung: Ergänzung des Tageslichts Energiebedarf einer Leuchte mit L 58 W bei tageslichtabhängiger Regelung 1. Lichtband 2. Lichtband 3. Lichtband 1. Lichtsensor 2. Lichtsensor 3. Lichtsensor Leuchte mit DIM- EVG und Signalverstärker Gewünschter Beleuchtungsstärke- Sollwert E N (const.) Energiebedarf bei bedecktem Himmel in kwh pro Jahr/pro Leuchte VVG 159 kwh/a 159 kwh/a 159 kwh/a EVG 125 kwh/a 125 kwh/a 125 kwh/a Erforderlicher Kunstlicht-anteil Vorhandener Tageslichtanteil Die unten rechts dargestellte Energieeinsparung gilt für einen Modellraum unter folgenden Voraussetzungen: 1. Lichtband 2. Lichtband 3. Lichtband Fensterabstand 1,35 m 4,05 m 6,75 m Tageslichtquotient 10 % 3 % 1,8 % DIMM- EVG 86 kwh/a 60 kwh/a 27 kwh/a 1. Lichtband 2. Lichtband 3. Lichtband Seite 15I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

16 3. Energieeinsparung: Dimmen von Leuchtstofflampen Energieverbrauch in Abhängigkeit vom Lichtstrom (Dimmstellung) 100 % 80 % 50 % 20 % 1 % 13 % 100 % Spannungsversorgung Steuereingang V / DALI Seite 16I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

17 3. Energieeinsparung: Elektrooptisches Beleuchtungssystem Seite 17I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

18 OSRAM LUMILUX -Lampen (T8) und OSRAM QUICKTRONIC PROFESSIONAL (QTP) rel. Anlagenlichtstrom [%] Energieeinsparung: Längere Lebensdauer durch EVG QUICKTRONIC PROFESSIONAL KVG/VVG Brenndauer Stunden [tsd] Brennstunden Erhöhung der Lampennutzbrenndauer (80 % des Anlagenlichtstromes) von Stunden auf Stunden im IEC-3 Std.-Schaltrhythmus (165 Min. Ein/15 Min. Aus) Seite 18I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

19 3. Energieeinsparung: Längere Lebensdauer durch EVG Höhere Lampenlebensdauer durch Cut Off - Technik, hier für T5 Lampen 100 rel. Anlagenlichtstrom 90 [%] Cut Off- Technik Konventionelle EVG-Schaltung Brenndauer Stunden [tsd] Brennstunden im IEC-3 Std.-Schaltrhythmus (165 Min. Ein / 15 Min. Aus) Seite 19I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

20 3. Energieeinsparung: Leuchte Anforderungen an Leuchten Allgemeine Anforderungen entsprechende Einsatzart Art des Leuchtmittels Wirtschaftlichkeit Leuchtenwirkungsgrad Blendfreiheit Design Funktionalität, LVK Serviceintervalle, -freundlichkeit Anforderungen bei Einsatz von Elektronik Raum für Elektronik Thermik interne/externe Verdrahtung elektromagnetische Emissionen elektromagn. Verträglichkeit Verhalten bei Netzspannungsstörungen Seite 20I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

21 3. Energieeinsparung: Leuchte Siteco Lichtlösung für Lufthansa Hauptverwaltung, Frankfurt Betriebswirkungsgrad > 90% Seite 21I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

22 3. Energieeinsparung: Raumpotential mögliche Einsparung: Raumpotential x Systempotential Einflussgrößen: -geographische Daten -meteorologische Daten -Verbauung -Orientierung der Räume -Reflexionseigenschaften -Raumgeometrie -Fenstergröße -Nutzer und Nutzergewohnheiten -Beleuchtungsniveau -Verschattung Seite 22I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

23 3. Energieeinsparung: Systempotential mögliche Einsparung: Raumpotential x Systempotential Einflussgrößen: -Art der Beleuchtungsaufgabe -Art der Beleuchtungsdauer -Blendung -Farbwiedergabe -Stroboskopeffekt -Lebensdauer -Fernsteuerung und Fernabfrage -Kosten -Temperaturniveau -Zwangskonvektion Seite 23I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

24 4. Leuchtmittelfamilien Leuchtmittelfamilien: 1. Glühlampen für Netzspannung V -Halogenglühlampen 3. LED -Module 4. Hochdruckgasentladungslampen 5. Niederdruckgasentladungslampen Seite 24I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

25 4. Leuchtmittelfamilien: Allgebrauchsglühlampe Allgebrauchsglühlampe Effizienz: 6-14 lm/w Farbwiedergabe-index Ra: 1 A mittlere Lebensdauer: ca h Seite 25I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

26 4. Leuchtmittelfamilien: Niedervolthalogenglühlampe Farbwiedergabe-index Niedervolthalogenglühlampe Effizienz: lm/w Ra: 1 A mittlere Lebensdauer: ca h Seite 26I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

27 4. Leuchtmittelfamilien: LED und LED - Module LED und LED - Module Effizienz: ws: 40 lm/w bl: 13 lm/w gn: 43 lm/w ge: 30 lm/w or: 55 lm/w rt: 44 lm/w Ra : 1 B Selektivstrahler mittlere Lebensdauer: ca h Seite 27I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

28 4. Leuchtmittelfamilien: Hochdruckgasentladungslampen Hochdruckgasentladungslampen Effizienz/(lm/W) HQI-TS: 70 HQI: HWL: HWL: HQL: NAV: SOX: Ra: 1A 1B 2A 2B mittlere Lebensdauer: h h 6.000h 6.000h h h h Seite 28I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

29 4. Leuchtmittelfamilien: Kompaktleuchtstofflampen Kompaktleuchtstofflampen Effizienz: lm/w Farbwiedergabeindex Ra : 1 B mittlere Lebensdauer: ca h (ECONOMY) Effizienz: ca (LONGLIFE) Seite 29I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

30 4. Leuchtmittelfamilien: Niederdruckleuchtstofflampe Niederdruckleuchtstofflampe Farbwiedergabeindex Ra : 1 A / 1 B Effizienz: lm/w mittlere Lebensdauer: ca h (KVG) ca (EVG mit VH) Seite 30I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

31 5. Lichtsteuerung: Hauptgründe für deren Anwendungen Energiesparen -60% Aufgabenbereiche Lichtszenen Lichtmanagement Servicefunktionen u. Gebäudemanagement Seite 31I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

32 5. Lichtsteuerung: DALI DALI ist genormt IEC Ed. 2 Annex E.4 "Control by digital signals" Entwürfe: Halogen Emergency HID Vorschläge: LED Switch Colour control Sequencer NEMA- Entwurf "DALI control devices" IEC IEC "DIGITAL ADDRESSABLE LIGHTING INTERFACE" Seite 32I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

33 5. Lichtsteuerung: Klassifizierung OSRAM LMS Partner Gebäudeweit vernetzte Systeme Raumebene Funktionalität Lichtmanagement durch das EVG Leuchtenebene DALI MULTI 3 DALI EASY DALI BASIC DALI ADVANCED DALI Gateways zu EIB LON Ethernet DMX512 Touch DIM Touch DIM Sensor Anwendung Seite 33I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

34 5. Lichtsteuerung: Übersicht Seite 34I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

35 5. Lichtsteuerung: DALI im Gebäudemanagement Netzleitung 3 Steuergerät EIB, LON Bedienung Sensoren Steuerleitung 2 max. 300m Adressierung: Einzeln Gruppe Alle max. 64 DALI EVG Aufteilung in bis zu 16 Lichtgruppen Seite 35I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

36 5. Lichtsteuerung: DALI im Gebäudemanagement KNX/EIB LON Ethernet (in Vorbereitung) Seite 36I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

37 6. Resümee Kennzeichen moderner Beleuchtungstechnik: allgemeine Kriterien Raumplanung und nutzung Einbeziehen von Tageslicht Design der Leuchten / Lichtverteilung Lichtkomfort Dimmen/Leuchtmittelauswahl Integration ins Gebäudemanagement standardisierte Ansteuerung DALI Einhaltung der einschlägigen Normen Seite 37I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

38 6. Resümee Kennzeichen moderner Beleuchtungstechnik: Energie- und Resourceneinsparungdurch effiziente Leuchtmittel effiziente elektronische Vorschaltgeräte effiziente Leuchten, angepasst auf die Beleuchtungsaufgabe Einsatz von Lichtmanagementsystemen intelligente Tageslichtnutzung Leistungsreduktion der Klimaanlage Verlängerung der Lampenlebensdauer durch Qualitäts -EVG Seite 38I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher

39 Danke für Ihr Interesse Seite 39I BL DB/LMS-TR I Dr. Schleicher