Energieeffizienz und Kostenreduzierung. in der. Straßenbeleuchtung

1 Energieeffizienz und Kostenreduzierung in der Straßenbeleuchtung CHRISTOPH HEYEN freiberufl. Ingenieur für Lichttechnik

2 Die europäische EuP ( Ökodesign ) Richtlinie ( 1 ) (Ecodesign Requirements for Energy-using Products) Richtlinie 2005/32/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 6. Juli 2005 zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung energiebetriebener Produkte und zur Änderung der Richtlinie der Richtlinie 92/42/EWG des Rates (Öl- u. Gas-Heizkessel) sowie der Richtlinien 96/57/EG (elektrische Haushalts-Kühl- u. Gefriergeräte) und 2000/55/EG (Effizienzanforderungen an Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen) des Europäischen Parlaments und des Rates Amtsblatt Nr. L 191 vom 22/07/2005 S. 0029-0058 Umsetzung der Richtlinie in nationales Recht bis zum 11. August 2007 EU-Richtlinien + Normen

3 Die europäische EuP ( Ökodesign ) Richtlinie ( 2 ) (Ecodesign Requirements for Energy-using Products) Festlegung von Ökodesign-Anforderungen für energiebetriebene Produkte Verbesserung der Energieeffizienz Minderung der Umweltauswirkungen Ressourcenschonung Klimaschutz Lebenszyklus-Betrachtung Rohmaterial Fertigung Verpackung Transport + Vertrieb Installation + Wartung Nutzung Ende der Lebensdauer Entsorgung EU-Richtlinien + Normen

4 Die europäische EuP ( Ökodesign ) Richtlinie ( 3 ) (Ecodesign Requirements for Energy-using Products) Festlegung von Umsetzungs-Richtlinien für die ausgewählten Produktgruppen Für alle durch die Umsetzungs-Richtlinie erfassten Produkte ist die CE-Kennzeichnung erforderlich. Damit werden erstmals Umweltaspekte von den Marktüberwachungsbehörden überprüft. Die Europäische Kommission hat Ende 2005 vierzehn Studienaufträge zu möglichen Umsetzungsrichtlinien für bestimmte Produktgruppen erteilt, die bis Mitte 2007 abzuschließen sind. Die Studien beinhalten folgende Themen: Marktcharakteristiken der Produkte, relevante Umweltaspekte, technisch/wirtschaftliches Potential für Verbesserungen, existierende Gesetzgebung, mögliche Selbstverpflichtungen durch Industrie, Verwendung bestehender Normen sowie Bedarf für zusätzliche Normen. Zwei Studienaufträge der Europäischen Kommission an den belgischen Consultant VITO für die Beleuchtung in Büros und die Straßenbeleuchtung. (Überlegungen zur Industrie- und Wohnraumbeleuchtung) EU-Richtlinien + Normen

5 DIN 13201-1 Straßenbeleuchtung 6 Anforderungen an die Beleuchtung 6.1.1 Blendungsbegrenzung ME-Beleuchtungsklassen Schwellenwerterhöhung TI CE-Beleuchtungsklassen Lichtstärkeklassen G1. G6 S-Beleuchtungsklassen Blendindexklassen D.0.. D.6 6.1.2 Farbwiedergabe Bei allen Beleuchtungssituationen sollte die Farbwiedergabe der Lichtquelle beachtet werden. Die Beleuchtungsanlage sollte eine solche Farbwiedergabe sicherstellen, die mindestens erforderlich ist für: das Führen von Fahrzeugen die Orientierung der Fußgänger die Identifikation von Personen oder Objekten EU-Richtlinien + Normen

6 DIN 13201-1 Straßenbeleuchtung 6.1.3 Verwendung bei Nacht die Parameter gelten nur während der Dunkelheit die Parameterwerte können sich innerhalb der Nachtstunden und den verschiedenen Jahreszeiten ändern Anpassung der Anforderungen und Empfehlungen während dieser Zeitabschnitte aufgrund der geänderten Parameterwerte (z.b. Umgebungshelligkeit, Verkehrsflusses, usw.) ANMERKUNG: In Zeiten, in denen das Beleuchtungsniveau um eine Klasse reduziert ist, können verschiedene Methoden zur Verringerung des Beleuchtungsniveaus und damit zur Senkung des Energieverbrauchs angewandt werden. EU-Richtlinien + Normen

7 EN 13201-2 Straßenbeleuchtung 7 Erscheinungsbild und Umgebungseinflüsse Erscheinungsbild bei Nacht: - visuelle Führung durch das direkte Licht der Leuchten, - zeitweilige Reduzierung des Beleuchtungsniveaus. Begrenzung des Lichtes in Richtungen, in denen es weder erforderlich noch erwünscht ist: - störende Wirkungen der Straßenbeleuchtung, beobachtet im freien Gelände in ländlichen oder Vorstadtgebieten, - Lichtemission in Wohngebäuden, - oberhalb der Horizontalen emittiertes Licht wird in der Atmosphäre gestreut, verschlechtert die natürliche Sicht der Sterne und beeinträchtigt die Möglichkeit astronomischer Beobachtungen; dieses Licht kann durch die Beschränkung des nach oben austretenden Lichtes begrenzt werden. EU-Richtlinien + Normen

8 EN 13201: Neuwertfaktor / Wartungsfaktor ( 1 ) DIN EN 13201-2 Abschnitt 3.11 Wartungswert Niveau, unter welches der Wert der entsprechenden Größe zu keiner Zeit während des Betriebes absinken darf. E / L Neuwert 1 Neuwert 2 Wartungswert = E m bzw. L m = Mindestwert 143 % 121 % 100 % Wartungsintervall Wartungswert t ( h ) Neuwert 1 = z.b. Lampe m. starkem Lichtstromrückgang und Leuchte m. geringer Schutzart + mittlere Umgebungsbelastung Neuwert 2 = z.b. Lampe m. geringem Lichtstromrückgang und Leuchte m. hoher Schutzart + mittlere Umgebungsbelastung Grundlagen

9 EN 13201: Neuwertfaktor / Wartungsfaktor ( 2 ) DIN EN 13201-3 Abschnitt 7.1 Leuchtdichte und Abschnitt 7.2 Beleuchtungsstärke MF Maintenancefactor = WF Wartungsfaktor Produkt aus Lampenlichtstromwartungsfaktor und Leuchtenwartungsfaktor WF = LLWF x LLDF x LWF L L W F = LampenLichtstromWartungsFaktor L L D F = LampenLebensDauerFaktor L W F = LeuchtenWartungsFaktor Der Neuwertfaktor ist der Reziprokwert des Wartungsfaktor Neuwert-Faktor NWF = 1 / WF Grundlagen

10 Leuchten - Wartungs - Faktor L W F ( 1 ) Lichtstromminderung durch Verschmutzung der Leuchte Bestimmende Faktoren: Leuchtenbauart (offen / geschlossen) Details der Leuchtenkonstruktion bzw. verwendete Materialien Schutzart des Lampenraumes ( IP 65 ) Materialien und Dichtungen Umgebungsbedingungen (Verschmutzungskategorie)

11 Leuchten - Wartungs - Faktor L W F ( 2 ) Fotos: C. Heyen

12 Energiebilanz der Lichtquellen 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Glüh- Lampe Halogen- Glühlampe Leuchtstoff- Lampe Hg- Hochdruck- Lampe Na- Hochdruck- Lampe Halogen- Metalldampf- Lampe Tageslicht Konvektion 6,9 5,0 35,0 25,0 22,0 8,6 0,0 IR 83,0 79,7 39,5 58,0 48,0 48,3 41,0 UV 0,1 0,7 0,5 2,0 0,3 7,8 5,0 sichtbares Licht 10,0 13,7 25,0 15,0 29,7 35,3 54,0 Energieeffizienz der Lichtquellen

13 Stabförmige Leuchtstoff Lampen ( 1 ) LL ww 2700 K LL nw 4000 K LL tw 6500 K Farbwiedergabe: 1 A bis 2 B Nennlebensdauer: 12.000 bis 20.000 h Lampe / VG 36 W m. VVG 36 W m. EVG 58 W m. VVG 58 W m. EVG elektr. Anschlusswert 45 W 35 W 69 W 55 W Lichtstrom 3.300 lm 3.200 lm 5.200 lm 5.000 lm Lichtausbeute 73 lm/w 91 lm/w 75 lm/w 91 lm/w Energieeffizienz der Lichtquellen

14 Stabförmige Leuchtstoff Lampen ( 2 ) LLWF = 0,9 Lichtstromrückgang und Ausfallrate in Abhängigkeit der Betriebsstunden LL 36W + 58 W Dimmung der Lampe mit EVG Freigabe der Hersteller Leistungsreduzierung durch Umschaltung am KVG zulässige Spannungstoleranz (KVG) JA JA nicht möglich + / - 10 % Netzspannung -15% -10% -5% 100% + 5% + 10% Leistungsaufnahme -27% -18% -8% 100% + 13% + 24% Lichtstrom -20% -12% -4% 100% + 7% + 12% Lichtausbeute + 13% + 9% + 5% 100% -5% -9% Einfluss von Netzspannungsschwankungen auf Leuchtstoff-Lampen m. induktivem VG Energieeffizienz der Lichtquellen

15 Quecksilberdampf - Hochdruck - Lampen ( 1 ) Lichtfarbe: neutralweiß Farbwiedergabe-Stufe: 3 Nennlebensdauer: 12 000 h bis 8 000 h HgH - Lampe 50 W 80 W 125 W 250 W 400 W elektr. Anschlusswert 59 W 89 W 137 W 266 W 425 W Lichtstrom 1.800 lm 3.800 lm 6.300 lm 13.000 lm 22.000 lm Lichtausbeute 31 lm/w 43 lm/w 46 lm/w 49 lm/w 52 lm/w Energieeffizienz der Lichtquellen

16 Quecksilberdampf - Hochdruck - Lampen ( 2 ) Lichtstromrückgang und Ausfallrate in Abhängigkeit der Betriebsstunden LLWF = 0,82 Dimmung der Lampe Freigabe der Hersteller Leistungsreduzierung durch Umschaltung am KVG zulässige Spannungstoleranz (KVG) NEIN NEIN JA + / - 10 % Netzspannung -15% -10% -5% 100% + 5% + 10% Leistungsaufnahme -32% -20% -10% 100% + 11% + 23% Lichtstrom -37% -24% -12% 100% + 15% + 30% Einfluss von Netzspannungsschwankungen auf HgH-Lampen Energieeffizienz der Lichtquellen

17 Natriumdampf - Niederdruck - Lampen ( 1 ) Lichtfarbe: Nutzlebensdauer: monochromatisch gelbes Licht ca. 8 000 h NaN - Lampe 35 W 55 W 90 W 135 W 180 W elektr. Anschlusswert 50 W 69 W 105 W 159 W 220 W Lichtstrom 4.550 lm 7.800 lm 14.300 lm 22.600 lm 32.000 lm Lichtausbeute 91 lm/w 113 lm/w 136 lm/w 142 lm/w 145 lm/w Energieeffizienz der Lichtquellen

18 Natriumdampf - Hochdruck - Lampen ( 1 ) Lichtfarbe: warmweiß Farbwiedergabe-Stufe: 4 Nennlebensdauer: 12 000 h bis 18 000 h NaH Lampe -T 4Y 50 W 70 W 100 W 150 W 250 W elektr. Anschlusswert 62 W 83 W 115 W 170 W 275 W Lichtstrom 4.400 lm 6.600 lm 10.000 lm 17.200 lm 33.000 lm Lichtausbeute 71 lm/w 80 lm/w 87 lm/w 101 lm/w 120 lm/w Energieeffizienz der Lichtquellen

19 Natriumdampf - Hochdruck - Lampen ( 2 ) LLWF = 0,82 Lichtstromrückgang und Ausfallrate in Abhängigkeit der Betriebsstunden NaH-Lampe 50 W + 70 W Dimmung der Lampe (EVG) Freigabe der Hersteller Leistungsreduzierung durch Umschaltung am KVG zulässige Spannungstoleranz (KVG) JA JA JA + / - 5 % Netzspannung -10% -5% 100% + 5% + 10% Leistungsaufnahme -11% -6% 100% + 7% + 15% Lichtstrom -14% -8% 100% + 8% + 19% Einfluss von Netzspannungsschwankungen auf NaH-Lampen Energieeffizienz der Lichtquellen

20 Hochdruck - Halogenmetalldampf - Lampe Lampenleistungen: 35 W bis 2000 W Lichtfarbe: warmweiß, neutralweiß Farbwiedergabe-Stufe: 1 A... 2 B Lichtausbeute: 69 lm/w bis 115 lm/w Nennlebensdauer: 6 000 h bis 8 000 h Dimmung der Lampe (EVG) Freigabe der Hersteller Leistungsreduzierung durch Umschaltung am KVG zulässige Spannungstoleranz (KVG) JA NEIN JA + / - 3 % Energieeffizienz der Lichtquellen

21 Austauschlampen HgH 80 W >>> NaH Na-Hochdrucklampen für den Betrieb an induktiven HgH-Vorschaltgeräten Fabrikat Typ Lampenleistung Systemleistung Lichtstrom Lichtausbeute HgH-Lampe HQL 80 4Y 80 W 89 W 4.000 lm 44,9 lm/w IWASAKI FLX 75 W 75 W 84 W 6.200 lm 73,8 lm/w -5,6% 55,0% PHILIPS SON-H 68 W 68 W 77 W 5.300 lm 68,8 lm/w -13,5% 32,5% SLI SPX ECO ARC 69 W 78 W 4.300 lm 55,1 lm/w -12,4% 7,5% NaH-Lampe NAV-E 50 4Y 50 W 62 W 3.500 lm 56,5 lm/w -30,3% -12,5% Energieeffizienz der Lichtquellen

22 Austauschlampen HgH 125 W >>> NaH Na-Hochdrucklampen für den Betrieb an induktiven HgH-Vorschaltgeräten Fabrikat Typ Lampenleistung Systemleistung Lichtstrom Lichtausbeute HgH-Lampe HQL 125 4Y 125 W 137 W 6.800 lm 49,6 lm/w Iwasaki FLX 115 W 115 W 127 W 11.000 lm 86,6 lm/w -7,3% 61,8% PHILIPS SON-H 110 W 110 W 122 W 10.400 lm 85,2 lm/w -10,9% 52,9% SLI SPX ECO ARC 108 W 120 W 8.800 lm 73,3 lm/w -12,4% 29,4% NaH-Lampe NAV-E 70 4Y 70 W 83 W 5.600 lm 67,5 lm/w -39,4% -17,6% Energieeffizienz der Lichtquellen

23 Austauschlampen HgH 250 W >>> NaH Na-Hochdrucklampen für den Betrieb an induktiven HgH-Vorschaltgeräten Fabrikat Typ Lampenleistung Systemleistung Lichtstrom Lichtausbeute HgH-Lampe Standard 250 W 266 W 13.000 lm 48,9 lm/w Iwasaki FLX 235 W 235 W 251 W 25.500 lm 101,6 lm/w -5,6% 96,2% PHILIPS SON-H 220 W 220 W 236 W 20.000 lm 84,7 lm/w -11,3% 53,8% SLI SPX ECO ARC 190 W 216 W 17.000 lm 78,7 lm/w -18,8% 30,8% NaH-Lampe NAV-E 150 4Y 150 W 170 W 14.500 lm 85,3 lm/w -36,1% 11,5% Energieeffizienz der Lichtquellen

24 Reduzierung der Betriebsstunden durch Änderung der EIN- und AUS-Schaltschwellen Beispiel: SB - Anlage L n = 0,5 cd/m² Anschlußwert 1,0 kw Betriebsstunden 4.068 h/a Stromverbrauch 4.068 kwh/a Eine Reduzierung der täglichen Einschaltdauer um insgesamt 10 Minuten vermindert die Jahres-Betriebsdauer um ca. 61 Stunden Reduzierung des Stromverbrauchs ca. 1,5 % Bewertung: - erhöhte Gefährdung während der Dämmerungsphase - völlig ineffiziente "Sparmaßnahme" Energiesparmaßnahmen

25 Ganznächtige Abschaltung jeder 2. Leuchte Beispiel: SB - Anlage L n = 0,5 cd/m² Anschlußwert 1,0 kw reduz. Anschlußwert 0,5 kw Betriebsstunden 4.068 h/a Stromverbrauch 2.034 kwh/a Reduzierung des Stromverbrauchs 50% Bewertung: - Verkehrsgefährdung durch sogen. "Tarnzonen" - entspricht nicht DIN 5044 und EN 13201 - erhöhtes Kriminalitätsrisiko - inakzeptable "Sparmaßnahme" Energiesparmaßnahmen

26 Energieeinsparung in der Straßenbeleuchtung ( 1 ) durch halbnächtige Totalabschaltung der SB-Anlage Beispiel: SB - Anlage L n = 0,5 cd/m² Anschlußwert 1,0 kw Betriebsstunden GN 4.068 h/a Abschaltung 5 x 365 h -1.825 h/a Betriebsstunden HN 2.243 h/a Stromverbrauch GN 4.068 kwh/a Stromverbrauch HN 2.243 kwh/a Reduzierung des Stromverbrauchs 45% Bewertung: + effiziente Sparmaßnahme - erhöhtes Kriminalitätsrisiko - verminderte Wohnumfeldqualität Energiesparmaßnahmen

27 Energieeinsparung in der Straßenbeleuchtung ( 2 ) L1 GN N Leistungsreduzierung durch halbnächtige Abschaltung der 2. Lampe L1 HN Reduzierung des elektr. Anschlusswertes ca. - 50 % Reduzierung des Lichtstroms ca. - 50 % Energieeinsparung HN-Abschaltung 22 6 h HN-Abschaltung 23 6 h HN-Abschaltung 23 5 h 35 % 30 % 27 % Bewertung: + Leuchtdichteanpassung an die tatsächliche Verkehrsstärke + proportionale Leistungsund Lichtstromreduzierung + effiziente Sparmaßnahme Energiesparmaßnahmen

28 Energieeinsparung in der Straßenbeleuchtung ( 3 ) L St L1 N 1 3 2 St N L PU2 Leistungsreduzierung durch Umschaltung der Vorschaltgeräte-Anzapfungen Achtung: Lampenstart immer in der 100% - Leistungsstufe mit Zeitverzögerung (min. 10 Min.)! Reduzierung des elektr. Anschlusswertes ca. - 33 % Reduzierung des Lichtstroms ca. - 50 % Energieeinsparung HN-Abschaltung 22 6 h HN-Abschaltung 23 6 h HN-Abschaltung 23 5 h 23 % 20 % 18 % Bewertung: + Leuchtdichteanpassung an die tatsächliche Verkehrsstärke - - - unterschiedliche Leistungsund Lichtstromreduzierung Mehraufwand Steuerung höhere Wartungskosten Energiesparmaßnahmen

29 Zukunft der Beleuchtungstechnik Leuchtentechnik - hohe Nutzlebensdauer - umweltschonende Materialien - wartungsfreundlich Lampentechnik - Weiterentwicklung der Metallhalogendampf-Hochdrucklampe - Weiterentwicklung der LED-Technik Verwendung von Lichtmanagementsysteme - Lichtsteuerung - Lichtregelung in Abhängigkeit von der Verkehrsstärke - Dimm EVG s mit hoher Zuverlässigkeit - Überwachung der Beleuchtungsanlagen (Betriebsstunden, Wartungsintervalle, Störungsmeldungen)

30 Vielen Dank für Ihr Interesse und Ihre geschätzte Aufmerksamkeit! E-Mail: Christoph.Heyen@t-online.de