Beleuchtung im Milchviehstall

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1 Beleuchtung im Milchviehstall Technische Aspekte einer Stallbeleuchtung Daniel Werner, Dipl.-Ing. (FH) Prof. Dr.-Ing. Eva Schwenzfeier-Hellkamp Baulehrschau-Sondertag Haus Düsse,

2 Daniel Werner, Dipl.-Ing. (FH) Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschung von Prof. Dr.-Ing. Eva Schwenzfeier-Hellkamp Hochschulintern Intelligentes optisches LED Leitsystem Angestrebte Promotion im Bereich LED-Beleuchtung in der landwirtschaftliche Nutztierhaltung 2

3 Inhalt Lichtquellen in der Stallbeleuchtung Thermische Strahlungsquellen Nieder- und Hochdruckentladungslampen Aufbau, Funktionsweise und Bauformen verschiedener LEDs Retrofit-Lampen und mögliche Gefahren Probleme der verschiedenen Lichtquellen Planungsgrundlagen einer Stallbeleuchtung 3

4 Aufbau und Funktionsweise thermischer Strahlungsquellen Glüh-, Halogen- oder Xenonlampen Geringe Lebensdauer (laut Herstellerangaben ca Std. für Glühlampen) Schlechter Wirkungsgrad (nur ca. 5 % der elektrischen Leistung wird in Licht umgewandelt) Sehr gute Farbwiedergabe (R a Wert nahe 100) [itw13] [bas13] 4

5 Aufbau und Funktionsweise von Nieder- und Hochdruckentladungslampen Energiespar- und Leuchtstofflampen sowie Lampen auf Natrium-, Quecksilberund Metallhalogendampfbasis Mittlere und lange Werte für die Lebensdauer Mittlerer Wirkungsgrad (ca. 25 % der elektrischen Leistung wird bei Leuchtstofflampen in Licht umgewandelt) Sehr schlechte (Natriumdampf) bis gute (Metallhalogendampf) Farbwiedergabe [pre13] [min12a] 5

6 Aufbau und Funktionsweise einer LED engl.: light-emitting diode - dt.: Licht-emittierende Diode Halbleiterbauelement, das nach dem Wirkungsprinzip der Elektrolumineszenz elektromagnetische Strahlung in Form von Licht emittiert Lange Lebensdauer (laut Herstellerangaben bis zu Std.) Hoher Wirkungsgrad (ca. 30 % der elektrischen Leistung wird in Licht umgewandelt ) Mittlere bis gute Farbwiedergabe (R a > 80) [min12b] [kfz13] 6

7 Bauformen verschiedener LEDs Generation 1: Gedrahtete LEDs (z.b. 3 mm oder 5 mm) Generation 2: SMD LEDs (Surface-mounted-device) Generation 3: COB LEDs (Chip-on-board) [mat13] [con13], [dic13] [pol13a], [pol13b] 7

8 Retrofit-Lampen und mögliche Gefahren Gefahr durch elektrischen Schlag Unzulässige Erwärmung Funkentstörung wird nicht eingehalten Schutzklasse II nicht eingehalten [hel13] Beleuchtungsstärken zu gering (ASR - Technische Regeln für Arbeitsstätten) Geänderte Lichtverteilungskurve Blendungsgefahr Luft- und Kriechstrecken zu gering Schutzart (IP) wird nicht erreicht Längsausdehnung zu groß Zu hohes Gewicht [sch13a] [hai13] 8

9 Inhalt Lichtquellen in der Stallbeleuchtung Probleme der verschiedenen Lichtquellen Geringe Effizienz bei Beleuchtung mit Glühlampen und Quecksilberdampf-Hochdruckleuchten Lichtstromrückgang von Leuchtstofflampen bei geringen Umgebungstemperaturen Lichtstromrückgang im Praxisbeispiel Ammenkuhstall Lichtspektren im Vergleich Blendung von Punktlichtquellen Colour-Shift im Randbereich von LED-Leuchten Planungsgrundlagen einer Stallbeleuchtung 9

10 Geringe Effizienz bei Beleuchtung mit Glühlampen und Quecksilberdampf-Hochdrucklampen [lic13] 10

11 Lichtstromrückgang von Leuchtstofflampen bei geringen Umgebungstemperaturen 100 % Lichtstrom nur bei 20 C 40 % - 60 % Lichtstromrückgang bei 0 C Relativer Lichtstrom [osr13] 11

12 Lichtstromrückgang von Leuchtstofflampen am Praxisbeispiel eines Ammenkuhstalls (Alterung und Messergebnisse der Autoren) 8 Leuchtstofflampen mit je 58 W installiert 4 Lampen in 840 (R a 80, Farbtemperatur K) 4 Lampen in 865 (R a 80, Farbtemperatur K) 3 durchgeführte Beleuchtungsstärkemessungen (Neuinstallation) (Alterung: Gruppe 1*: 93 Std.; Gruppe 2**: 62 Std.) (Alterung: Gruppe 1*: 139 Std.; Gruppe 2:** 74 Std.) *Gruppe 1: 2 Lampen in 840 und 2 Lampen in 865 ** Gruppe 2: 2 Lampen in 840 und 2 Lampen in

13 Lichtstromrückgang von Leuchtstofflampen am Praxisbeispiel eines Ammenkuhstalls 13

14 Lichtspektren im Vergleich Halogenlampe Weiße LED [sch13b] [sch13b] [hea13a] [hea13b] 14

15 Blendung von Punktlichtquellen [min12a] 15

16 Colour-Shift im Randbereich von LED-Leuchten [msc13] 16

17 Inhalt Lichtquellen in der Stallbeleuchtung Probleme der verschiedenen Lichtquellen Planungsgrundlagen einer Stallbeleuchtung Lichttechnische Grundgrößen Kriterien einer guten Beleuchtung Anforderungen für verschiedene Zielgruppen Auswahl von Stallleuchten LED vs. konventionelle Leuchte Milchviehstall mit LED-Beleuchtung Berechnungsbeispiel: Verschiedene Optiken Gesamtfazit und Empfehlungen der Autoren 17

18 Lichttechnische Grundgrößen Lichtstrom Φ [lm] Lichtstärke I [cd] Beleuchtungsstärke E [lx] Leuchtdichte L [cd/m²] [arc11] 18

19 Kriterien für gute Beleuchtung Zitat der DIN EN : Gute Beleuchtung bedingt, dass zusätzlich zu den geforderten Beleuchtungsstärken quantitative und qualitative Anforderungen erfüllt werden. Die Anforderungen an die Beleuchtung werden bestimmt durch die Zufriedenstellung von drei grundsätzlichen Bedürfnissen des Menschen: Sehkomfort Problem: Sehr allgemein die Bedürfnisse des Tieres werden nicht bedacht! Sehleistung Sicherheit [din12464] 19

20 Anforderungen für verschiedene Zielgruppen Anforderungen Landwirt Gute Ausleuchtung zur Tiererkennung und Tierkontrolle Angenehme Farbtemperatur Lange Lebensdauer Einfache Deckenmontage Anforderungen Tier E m = 150 lx in den Bereichen Liegen, Fressen und Laufen Hohe Gleichmäßigkeit Linse kann nicht akkommodieren Hell-Dunkelanpassung 4-5x langsamer als beim Menschen 20

21 Auswahl einer Stallleuchte LED- oder konventionelle Beleuchtung Derzeit keine Erfahrungen und kaum Musterställe mit LED-Beleuchtung vorhanden Marktrecherche einige industrielle LED-Produkte werden angeboten Einsatz dieser Produkte im Stallbereich aber oftmals fragwürdig Ängste, Gefahren und Risiken der Landwirte: Ammoniakverträglichkeit chemische Inkompatibilität Verschmutzung der Kühlrippen durch Vogelkot (reduzierte Lebensdauer durch schlechte Kühlung) Brandgefahr durch Stroh, Staub und Dreck an den Kühlkörpern Praxisbeispiel: Milchviehstall 105 W LED Flächenstrahler (passende Optik bereits vorausgewählt) 250 W HQI (Metalldampflampe, konstruiert für den Stallbereich) 21

22 LED vs. konventionelle Leuchte LED HQI Auszug aus der erstellten Beleuchtungssimulation Variante LED Strahler (Berechnungsprogramm DIALux 4.11) Auszug aus der erstellten Beleuchtungssimulation Variante HQI Strahler (Berechnungsprogramm DIALux 4.11) E m = 152 lx g 1 = 0,717 g 2 = 0, Leuchten à 104 W* E m = 153 lx g 1 = 0,606 g 2 = 0, Leuchten à 273 W* W * Gemessene Wirkleistung (lichttechnisches Labor der FH Bielefeld) W 22

23 LED vs. konventionelle Leuchte Fazit: LED Variante benötigt 55,3 % weniger installierte Leistung Linsen bringen das Licht dort hin, wo es benötigt wird Wichtig ist aber die richtige Auswahl der Linse Beleuchtungssimulation für gute Beleuchtung zwingend erforderlich Berechnungsbeispiel (normale Nutzung, kein Lichtprogramm): Beleuchtungsdauer von 6 h/tag entspricht h/jahr W eingesparte Energie (6.279 W (konv.) W (LED)) Jährliche Energieeinsparung von 7.601,49 kwh (Beleuchtungsdauer h/jahr)» 1.520,30 (bei Strompreis von 20 ct/kwh)» 1.900,37 (bei Strompreis von 25 ct/kwh) 23

24 Milchviehstall mit LED-Beleuchtung 24

25 Milchviehstall mit LED-Beleuchtung 25

26 Berechnungsbeispiel: Verschiedene Optiken Deckenhöhe 5 m 120 Optik E m = 212 lx g 1 = 0, Optik E m = 224 lx g 1 = 0, / 60 Optik E m = 308 lx g 1 = 0,098 26

27 Berechnungsbeispiel: Verschiedene Optiken 120 Optik Deckenhöhe 5 m (siehe Grafiken zuvor) E m = 212 lx g 1 = 0,582 Deckenhöhe 10 m (siehe Grafiken links) E m = 126 lx g 1 = 0, Optik E m = 224 lx g 1 = 0,450 E m = 158 lx g 1 = 0, / 60 Optik E m = 308 lx g 1 = 0,098 E m = 325 lx g 1 = 0,428 27

28 Gesamtfazit und Empfehlungen der Autoren Glühlampen (geringe Effizienz) und Retrofit-Produkte (Gefahrenpotential) sind für die Stallbeleuchtung nicht geeignet Bei sehr kleinen Ställen oder Räumen mit geringer Deckenhöhe können Halogen- oder Leuchtstofflampen eingesetzt werden Bei großen Ställen mit hohen Decken sind Leuchten auf Metallhalogendampfbasis oder LED mit High-Power-Technologie zu empfehlen Natriumdampfleuchten sind auf Grund der schlechten Lichtqualität (Farbwiedergabe) nicht zu empfehlen Bei LED-Produkten immer auf eine gute Qualität achten Eine Beleuchtungssimulation sowie eine Probebeleuchtung sind für eine gute und effiziente Stallbeleuchtung zwingend erforderlich 28

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bei weiteren Fragen können Sie uns wie folgt erreichen: Prof. Dr.-Ing. Eva Schwenzfeier-Hellkamp Daniel Werner, Dipl.-Ing. (FH)

30 Quellen [arc11] [bas13] [con13] [dic13] letzter Zugriff Aufbau2Gross.jpg; letzter Zugriff _1000.jpg; letzter Zugriff letzter Zugriff [din12464] DIN EN : Licht und Beleuchtung - Beleuchtung von Arbeitsstätten - Teil 1: Arbeitsstätten in Innenräumen, Beuth-Verlag, Ausgabe [hai13] [hea13a] [hea13b] [hei11] light/t8-led-tube.jpg; letzter Zugriff letzter Zugriff letzter Zugriff Roland Heinz; Grundlagen der Lichterzeugung von der Glühlampe bis zum Laser; Highlight Verlagsges. mbh Rüthen; Hamburg; 2011 [hel13] letzter Zugriff [itw13] letzter Zugriff [kfz13] [lic13] letzter Zugriff letzter Zugriff [mat13] letzter Zugriff

31 Quellen [min12a] [min12b] Jörg Minnerup; LED - Straßenbeleuchtung im Kontext zur EN und weiteren Normen; ETP Kongress 2012; Tagungsort Leipzig; 2012 Jörg Minnerup; Energieeffiziente Beleuchtung in Gebäuden: EnEV 2013 und DIN V 18599:2011; LICHT 20 12; 20. Gemeinschaftstagung; Tagungsort Berlin; 2012 [msc13] Michael Schneider; Fachhochschule Bielefeld; 2013 [osr13] letzter Zugriff [pre13] letzter Zugriff [pol13a] letzter Zugriff [pol13b] letzter Zugriff [sch13a] [sch13b] Jens Schütte; Anforderungen und Prüfungen an Leuchten; ETP Kongress 2013; Tagungsort Stuttgart; RemFUpe5NoG1tAam8IHwCg&zoom=1&iact=hc&vpx=1238&vpy=498&dur=3869&hovh=156&hovw =323&tx=121&ty=87&page=4&tbnh=135&tbnw=280&ndsp=53&ved=1t:429,r:5,s:200,i:19; letzter Zugriff