Teknillinen korkeakoulu Elektroniikan laitos / Valaistusyksikkö Espoo, 2009 LOISTELAMPPUJEN SAMMUTUKSEN KANNATTAVUUS Eino Tetri Liisa Halonen 1
Tiivistelmä Tähän tekstiin liittyy excel-taulukkolaskentaohjelma TAUKO, jolla voidaan laskea loistelamppujen sammutuksen kannattavuus halutuilla lähtöarvoilla. Alkuperäinen teksti on vuodelta 1993 ja tämä on silloisen tekstin päivitys. Mikäli vaihtokustannuksia ei huomioida, on lamppujen sammuttaminen taloudellisesti kannattavaa jo muutaman minuutin tauon ajaksi. Kun huomioidaan vaihtokustannukset ja oletetaan, että oheislämpöä voidaan hyödyntää lämmityksessä, on tauon pituuden oltava yli kymmenen minuuttia, jotta valojen sammuttaminen olisi kannattavaa. Tekstissä on esitetty kaksi esimerkkitapausta: luokkahuone ja toimistohuone. Valmiiden esimerkkien lähtöarvoja ei kuitenkaan kannata käyttää sokeasti vaan laskea valojen sammutuksen kannattavuus itse. 1 Johdanto Sammuttamalla tarpeettomasti palavat valot säästyy sähköenergiaa eikä tarvitse maksaa turhasta. Sähkön säästössä on järkeä, koska osa sähköstä tuotetaan uusiutumattomilla luonnonvaroilla, kuten kivihiilellä ja maakaasulla. Lisäksi sähköntuotannosta aiheutuu kasvihuonekaasuja ympäristöön, joten sähkön säästöllä myös haittavaikutukset ympäristölle vähenevät. Toisaalta lamppujen tuotannossa käytetään energiaa ja loistelamput sisältävät ympäristölle haitallista elohopeaa. Taloudellisten laskelmien lisäksi tulee siis arvioida myös loistelamppujen sammutuksen ympäristövaikutukset. Hehkulamput kannattaa sammuttaa aina, kun valoja ei tarvita, mutta loistelampuilla asia ei ole aivan yksiselitteinen, koska valojen sammuttaminen lyhentää loistelamppujen elinikää. Koska laskentaan vaikuttavia lähtöarvoja on paljon, tehtiin excel-taulukkolaskentapohja, jolla loistelamppujen sammutuksen kannattavuus voidaan tapauskohtaisesti laskea. 2 Valaistus energiankäyttäjänä Valaistus käytti vuonna 2005 2650 TWh sähköenergiaa eli noin 19 % globaalista sähkönkulutuksesta. [1] Valaistuksen aiheuttamat hiilidioksidipäästöt olivat mainittuna vuonna 1900 miljoonaa tonnia, joista 20 % liittyi muuhun kuin sähkövalaistukseen. Teollisuusmaissa valaistuksen osuus kokonaissähkönkulutuksesta on 5 15 %, mutta kehitysmaissa sen osuus on selvästi suurempi, jopa yli 80 %. Suomessa osuuden on arveltu olevan noin 10 %. Valaistuksen osuus eurooppalaisten rakennusten sähkönkulutuksesta on toimistorakennuksissa 50 %, sairaaloissa 20-30 %, tehtaissa 15 %, kouluissa 10-15 % ja asuinrakennuksissa 10 %. EU:n tasolla energiankäyttö aiheuttaa 80 % kasvihuonepäästöistä. EU on riippuvainen tuontienergiasta, tällä hetkellä EU maat tuovat puolet energiasta ja tämän arvioidaan nykytrendeillä kasvavan lähes kahteen kolmasosaan vuoteen 2030 mennessä. Energiankulutukseen ja sen kasvun jatkumiseen nykytasolla liittyy ilmastonmuutoksen eteneminen, energian hintojen nousu ja toimitusvarmuuden väheneminen. Energiankulutuksen kasvun hillitsemiseen ja ilmastonmuutoksen torjuntaan on jo säädetty joukko direktiivejä, mm. rakennusten energiankulutusdirektiivi ja direktiivi energian loppukäytön tehokkuudesta ja energiapalveluista. Vuoteen 2020 mennessä EU on sitoutunut tai komissio asettanut tavoitteeksi: vähentää kasvihuonepäästöjä 20 % vuoden 1990 tasosta (neuvottelutavoite 30 % päästövähennys teollisuusmaille), parantaa energiatehokkuutta 20 %, nostaa uusiutuvien energialähteiden osuus nykyisestä noin 7 % 20 % ja nostaa biopolttoaineiden osuus 10 %. 3 Loistelamput Toimintaperiaate Loistelampuissa valoa tuottaa pienpaineinen elohopeakaasussa tapahtuva purkaus. Sähkövirta kulkee kahden katodin kautta lamppuun. Lampun sisällä on elohopeahöyryä. Liikkuvat elektronit törmäävät elohopea-atomeihin ja virittävät niitä. Virittynyt elektroni pysyy normaalisti korkeammalla tasollaan lyhyen ajan (10-8 s) ennen palaamistaan alemmalle tasolle. Viritystilan lauetessa syntyy ultraviolettisäteilyä, joka on näkymätöntä säteilyä. Lampun sisäseinän loisteainekerros muuttaa sen pitempiaaltoiseksi näkyväksi valoksi. Lamppuun ja liitäntälaitteeseen syötetystä energiasta noin 20 % muuttuu valoksi ja 80 % lämmöksi. [2] Hehkulampussa sähkövirralla kuumennetaan volframihehkulanka niin korkeaan lämpötilaan, että se alkaa hehkua. Prosessissa syntyy sekä valoa että lämpöä. Hehkulamppu on tehoton valonlähde, koska sen käyttämästä energiasta 90 95 % säteilee lämpönä ja vain 5 10 % muuttuu valoksi. näkyvä valo - - - - - - - - - ultraviolettisäteily loisteaine Hg-atomi elektroni elektrodi Kuva 1. Loistelampun valontuotto. Purkaussäteilyn sisältämä ultraviolettisäteily virittää loisteainekerroksen atomeja, jotka säteilevät näkyvää valoa. 2
Liitäntälaitteet Loistelamppuja ei voi kytkeä suoraan käyttöjännitteeseen, vaan ne tarvitsevat virtaa rajoittamaan erillisen liitäntälaitteen. Virranrajoittimena käytetään yleensä induktiokäämiä eli kuristinta. Kuristin aiheuttaa lisähäviöitä piiriin. 36 W lampulla kuristinhäviöt ovat noin 10 W eli valaisimen kokonaisteho on 46 W. 58 W lampulla kuristinhäviöt ovat noin 13 W. Virranrajoittimen lisäksi loistelamput tarvitsevat sytyttimen. Virranrajoittimena voidaan käyttää myös elektronista liitäntälaitetta, tällöin ei tarvita erillistä sytytintä. Elektronisella liitäntälaitteella muutetaan lampulle menevän virran vakiotaajuus 50 Hz noin 30 khz:iin. Lampun käyttö yli 10 khz taajuudella parantaa lampun valotehokkuutta noin 10 % ja lisäksi liitäntälaitehäviöt pienenevät. Kokonaisvalotehokkuuden kasvu on 20 30 %. Lisäetuina valo on värinätöntä, lamppu syttyy välittömästi eivätkä toimintakyvyttömät lamput jää vilkkumaan. Elektronisen liitäntälaitteen haittapuoli on korkea hinta, jota tosin kompensoivat parempi valotehokkuus ja lampun pitempi polttoikä. Elektroninen liitäntälaite voi käyttää lampun sytytykseen joko lämminsytytys- tai kylmäsytytysmenetelmää. Lämminsytytysmenetelmässä lampun katodeja lämmitetään esihehkutusvirralla. Lämminsytytysmenetelmässä liitäntälaite syöttää esihehkutusvirtaa lampun elektrodien kautta noin kahden sekunnin ajan, ennen kuin liitäntälaite antaa lampulle sytytysjännitepiikin. Liitäntälaitteen voi tunnistaa tästä pienestä viiveestä sytytysvaiheessa. Kylmäsytytysmenetelmässä lampun yli kytketään heti suuri jännite. Jos lamppuja sammutetaan usein, tulisi elektronisten liitäntälaitteiden olla lämminsytytysmenetelmään perustuvia. Kylmäsytytysmenetelmää käytettäessä lampun elinikä lyhenee voimakkaasti lyhyillä polttojaksoilla (kuva 2). Toistaiseksi magneettinen kuristin on yleisempi liitäntälaite kuin elektroninen liitäntälaite vanhoissa asennuksissa. Uusissa, niin sanotuissa T5-lamppuvalaisimissa on aina elektroninen liitäntälaite. T5- loistelampun tunnistaa siitä, että se on ohuempi kuin vanhat lamput. T5-lampun halkaisija on 16 mm, vanhojen myös magneettisella kuristimella toimivien lamppujen halkaisija on 38 mm. Käytettävän liitäntälaitteen voi tunnistaa syttymisen aikana. Elektronisella liitäntälaitteella lamppu syttyy kerralla, mutta kuristimella parin välähdyksen jälkeen. Elektronisella liitäntälaitteella on myös usein edellä mainittu parin sekunnin viive syttymisvaiheessa. Valotehokkuus Lamppujen energiankäyttöä voidaan arvioida vertaamalla niiden valotehokkuutta. Valotehokkuus [lm/w] on lampun valovirta jaettuna lampun ja liitäntälaitteen käyttämällä teholla (yhtälö 1). Mitä korkeampi on lampun valotehokkuus, sitä paremmin lamppu muuttaa sähkötehoa valoksi ja sitä energiatehokkaampi lamppu on. Eri lampputyyppien valotehokkuuden erot pohjautuvat niiden erilaiseen valontuottotapaan ja säteilyn jakaumaan eri aallonpituuksille eli spektriin. P (1) missä = valotehokkuus (lm/w) = valovirta (lm) P = teho (W). Taulukossa 1 on eri lamppujen valotehokkuuksia tietyllä tehoalueella. Lampuista löytyy myös suuritehoisempia vaihtoehtoja. Lisäksi taulukossa on lamppujen keskimääräinen polttoikä. Taulukko 1. Valonlähteiden polttoikä ja valotehokkuus liitäntälaitteineen tietyllä tehoalueella. Lampputyyppi Teho W Polttoikä h Valotehokkuus lm/w Hehkulamppu 25-100 1 000 8-12 Halogeenilamppu 10-100 2 000 10-24 Pienloistelamppu 18-58 6 000-12 000 50-85 Loistelamppu 18-58 12 000-16 000 50-100 magn. virranrajoitin elektr. virranrajoitin T5-lamppu, elektr. Elohopealamppu 50-400 12 000 30-60 Monimetallilamppu 35-400 8 000-12 000 50-100 Suurpainenatriumlamppu 50-400 12 000-16 000 50-140 LED (1 mw - 7 W 20 000-100 000 50-60 (1 Ledeillä valotehokkuusarvot parhaiden markkinoilla helposti saatavilla olevien LEDien arvoja ilman liitäntälaitehäviöitä. Energiaa voidaan säästää valitsemalla valotehokkaita lamppuja. Esimerkiksi kodeissa voidaan käyttää pienloistelamppuja hehkulamppujen sijasta. Polttoikä Loistelampuilla polttoikä esitetään usein kuolleisuuskäyrän muodossa, koska eri yksilöiden polttoikä on erilainen. Valmistajat ilmoittavat yleensä 50%:n polttoiän. 50 % polttoikä on se tuntimäärä, jolloin 50 % lampuista on tullut käyttökelvottomiksi. 3
Valaistuksen mitoituksen ja huollon kannalta on tärkeä myös ns. hyötypolttoikä. Hyötypolttoikä on se aika, jolloin asennuksen tai tilan valaistusvoimakkuus on alentunut tietyn määrän, esim. 30 %, johtuen sekä valovirran alenemasta että kuolleisuudesta. Hyötypolttoiän perusteella voidaan määrittää taloudelliset ryhmävaihtovälit. Polttojakson vaikutus lampun polttoikään Loistelampun elektrodit on päällystetty elektroneja emittoivalla aineella. Emissioaine alentaa lampun syttymisjännitettä. Emissioaineen vähennyttyä ei syttymisjännite enää ole riittävä kaasun saattamiseksi johtavaan tilaan eikä lamppu enää syty. Tämä on tyypillinen lampun rikkoutumissyy. Emissioainetta irtoaa elektrodeilta hiukan polton aikanakin, mutta sytytysvaiheessa elektroniryöppy on tuntuvasti suurempi. Loppuun palanut lamppu ei syty kunnolla vaan jää vilkkumaan. Tällainen lamppu tulee vaihtaa uuteen, toimivaan lamppuun mahdollisimman pian tai ainakin poistaa viallinen lamppu vilkkumasta. Täysin väärä on käsitys, jonka mukaan loistelamppu kuluttaisi syttyessään energiaa paljon enemmän kuin palaessaan. Valmistajat testaavat itse lamppujen polttoiät kansainvälisten standardien mukaisesti kolmen tunnin polttojaksoilla eli lamppu on kytkettynä 2 h 45 min ja poiskytkettynä 15 min. Liitäntälaitteena käytetään kuristinta. Valmistajien luetteloissaan antamat polttoiät ovat siten polttoikiä 3 tunnin polttojaksolla. Polttoikä / % 200 % 150 % 100 % 50 % 3 2 4 0 % 0 4 8 12 16 20 24 Polttojakso / h Kuva 2. Polttojakson vaikutus loistelamppujen polttoikään kuristinkäytössä (2) ja käytettäessä elektronista liitäntälaitetta lämminsytytys- (3) tai kylmäsytytysmenetelmällä (4). Polttoikä on 100 % kuristinkäytössä 3 h polttojaksolla. Kuvassa 2 on esitetty eri lähteiden antamia tietoja polttojakson vaikutuksesta loistelamppujen polttoikään. Käyrät on piirretty siten, että kolmen tunnin polttojaksolla kuristinkäytössä polttoikä on 100 %. Yhden tunnin polttojakson käyttö lyhentää polttoiän 80 %:iin. 10 tunnin polttojaksolla on polttoikä noin 130 %. Jos liitäntälaite on elektroninen (lämminsytytys), on polttoikä kolmen tunnin polttojaksolla noin 107 %. Jos elektroninen liitäntälaite on kylmäsytytysmallia, on polttoikä kolmen tunnin polttojaksolla noin 90 % polttoiästä kuristinkäytössä. Taulukkolaskentaohjelma käyttää lähtötietoina kuvan mukaisia polttoikäkäyriä. Ohjelman lähtötiedoissa kysytään käytettyä liitäntälaitetta. Mikäli liitäntälaitetta ei anneta, ohjelma olettaa liitäntälaitteen olevan perinteinen kuristin, joka on erityisesti vanhoissa asennuksissa yleisin ratkaisu. Syttyminen Loistelamppujen valontuotto on riippuvainen ympäristön lämpötilasta. Suorilla, kaksikantaisilla loistelampuilla ympäristön optimilämpötila valontuoton kannalta on 20 30 C, T5-lampuilla noin 35 C. Tällöin lampun ns. kylmäpisteen lämpötila on noin 40 42 C, ylimääräinen elohopea tiivistyy kylmäpisteeseen ja elohopean höyrynpaine pysyy optimaalisena valontuoton kannalta. Valaisimen ominaisuudet määräävät lopullisen ympäristön lämpötilan. Pienloistelamppuja kuormitetaan enemmän (W / putken pinta-ala) ja siksi kylmäpisteen lämpötila on usein optimia korkeampi. Tähän on käytetty kahta eri ratkaisua: 1) tehdään putkeen uloke, joka on mahdollisimman kaukana elektrodeista (lämmönlähteestä), jolloin tähän muodostuu kylmäpiste, 2) käytetään amalgaamia. Amalgaami on elohopean metalliseos, jonka ansiosta lampun valontuotto säilyy hyvänä laajalla ympäristön lämpötila-alueella. Optimi on laakea erityisesti korkeilla lämpötiloilla. Amalgaamin haittapuolena on, että se hidastaa lampun syttymistä. Pienloistelamppujen valovirta ei ole vakio sytytyksen jälkeen vaan kasvaa vähitellen maksimiin. Kaasupurkaus vakiintuu, kun kaikki ylimääräinen elohopea on kerääntynyt kylmäpisteeseen. Amalgaamilamput syttyvät muutamassa sekunnissa noin puoleen lopullisesta valovirrasta, 90 % maksimivalovirrasta saavutetaan yleensä 1 2 minuutin kuluessa syttymisestä. 4 Kustannuslaskentaan vaikuttavia tekijöitä Valovirran alenema Lampun polttoikää voi rajoittaa lampun normaalin rikkoutumisen lisäksi valovirran alenema. Normaali rikkoutuminen tarkoittaa sitä, että lamppu ei enää syty, yleensä elektrodin palettua poikki. Tiheä sytyttäminen tummentaa lamppuja erityisesti elektrodien lähellä ja saattaa lisätä valovirran alenemaa. 4
Teknillisessä korkeakoulussa testattiin lamppuja 3 tunnin sekä 45 minuutin polttojaksoilla. Valovirran alenema saman polttotuntimäärän jälkeen oli 45 minuutin polttojaksolla 0 2 %-yksikköä suurempi kuin 3 tunnin polttojaksolla. Kun lyhyt polttojakso alentaa lampun elinikää, ja sitä kautta lamppu vaihdetaan aikaisemmin, ei valovirran alenemalla käytännössä siis ole vaikutusta taloudellisuuslaskelmiin. [3] Sisäisten lämpökuormien hyödynnettävyys Rakennusten sisäisiä lämpökuormia ovat valaistuksen, kojeiden, laitteiden ja mm. ihmisten luovuttama lämpö. Laitteista vapautuva lämpö lämmittää huonetiloja ja vähentää siten lämmitysenergian kulutusta edellyttäen, että lämmityslaitteet vähentävät omaa lämmöntuotantoaan samanaikaisesti. Esimerkiksi lämpöpattereiden tulee olla termostaateilla varustettuja. Talteen saatavan lämmön osuus vaihtelee riippuen ilmanvaihdon suuruudesta, rakennusten eristystasosta, talotyypistä ja sisälämpötilan asetusarvosta. Pientaloissa talteen saatavan lämmön osuus vaihtelee noin 60 80 % [4]. Toimistorakennuksissa lämpökuormien hyödynnettävyys on 0 50 % [5]. Taloudellinen hyöty ei kuitenkaan välttämättä ole näin suuri, koska lämpöenergiaa voidaan yleensä ostaa sähköenergiaa halvemmalla. Toimistorakennuksessa saattaa olla myös liikaa lämpökuormia, jolloin osa lämmöstä poistetaan jäähdytyksellä. Jäähdytystarve on noin 20 22 % vuotuisesta toimistorakennusten sähkökuormasta. [6] Laskentaohjelmassa on mahdollista laskea oheislämmön hyödynnettävyys antamalla hyödynnettävyysprosentti ja lämmön hinta. Ympäristövaikutukset Ympäristövaikutuksia voidaan parhaiten tarkastella elinkaarianalyysillä. Elinkaarianalyysissä energiankulutus ja ympäristölle haitalliset päästöt arvioidaan lamppujen tuotannossa, käytön aikana ja käytön jälkeen. Energiaa käytetään lamppujen tuotannossa ja käytön aikana. Energiantuotannon päästöt riippuvat tuotannossa käytetystä polttoaineesta. Esimerkiksi tuotettaessa energiaa hiilivoimalaitoksella tulee hiilidioksidi CO 2, metaani CH 4, typpioksidi NO x, rikkidioksidi SO 2 ja elohopea päästöjä. Hiilidioksidi, metaani ja typpioksidit vaikuttavat kasvihuoneilmiöön. Rikkidioksidi- ja typpioksidipäästöillä on vaikutusta happamiin sateisiin. [7] Loistelampuissa käytettäviä raaka-aineita ovat mm. alumiininen lampun kanta, purkausputki soodalasia, johdikkeet nikkeliä tai niklattua rautaa, elektrodit volframia, täytöskaasu yleensä argonia ja elohopeaa. Loisteaineet sisältävät erilaisia yhdisteitä, esim. vihreää valoa saadaan ceriumilla ja terbiumilla aktivoidusta magnesiumaluminaatista ja punaista europiumilla aktivoidusta yttriumoksidista. Ympäristön kannalta haitallisin aine on elohopea. Raskasmetallit, kuten elohopea, ovat harvinaisia maan pinnalla ja siksi elävät organismit ovat geneettisesti sopeutuneet ainoastaan pieniin taustamääriin. Mikro-organismien vaikutuksesta elohopea muuttuu usein metyylielohopeaksi. Metyylielohopea rikastuu kumuloitumalla kulkeutuessaan ravintoketjussa kohti ylempiä organismeja. Elohopea vaikuttaa keskushermostoon ja hedelmällisyyteen. [7] Valaisintuotteet ovat sähkö- ja elektroniikkaromua ja ne tulee toimittaa keräyspisteeseen. Poikkeuksena ovat hehkulamput, jotka ovat kaatopaikkajätettä. Tiettyjen terveydelle haitallisten aineiden käyttöä säätelee Euroopan unionin RoHS-direktiivi, joka rajoittaa mm. elohopean käyttöä. Elohopeamäärien arvioinnissa on myös huomioitava lampun tarvitseman sähkön tuotannon vaikutukset. Fossiilisia polttoaineita poltettaessa vapautuu nimittäin ympäristöön myös elohopeaa. Esimerkiksi kivihiilessä on sitoutuneena elohopeaa 0,01-1 mg/kg. Hiilivoimalaitoksen poltossa tästä emittoituu ilmakehään laitoksesta riippuen 10-90 % keskiarvon ollessa 60 %. Näin ollen voidaan todeta, että vaikka hehkulamput eivät sisällä elohopeaa niin ne ovat loistelamppuihin verrattuna enemmän elohopeapäästöjä aiheuttavia. Tämä johtuu siitä, että hehkulamput tarvitsevat toimiakseen paljon enemmän energiaa. [8] Loistelamppujen sammuttaminen taukojen ajaksi säästää energiaa ja vähentää siten päästöjä energiantuotannossa. Lamppujen elinikä kuitenkin lyhenee ja lamput joudutaan korvaamaan uusilla nopeammin. Euroopan lamppuvalmistajien yhdistyksen mukaan lamppujen käytön aikainen energiankulutus on yli 90 % kaikesta energiankulutuksesta. Muut kulutuslajit ovat valmistus, materiaalit ja käytöstä poistaminen. [9] Lamppujen tuotannossa sitoutuneella energialla on siten hyvin vähäinen merkitys elinkaarianalyysissä. Myöskään vanhan lampun elohopealla ei ole merkitystä ympäristölle, kun lamppu toimitetaan asianmukaisesti ongelmajätteiden käsittelypisteeseen. Lamppujen sammuttaminen vähentää siten ympäristölle haitallisten päästöjen määrää. 5 Kustannuslaskenta Valaistusjärjestelmän vuotuiset kustannukset voidaan jakaa vuotuisesta käyttöajasta riippumattomiin kiinteisiin kustannuksiin sekä käyttöajasta riippuviin muuttuviin kustannuksiin. 5
Kiinteisiin kustannuksiin kuuluvat valaisimien ja valaistussähköverkon hankinta ja asennus. Hankinta- ja asennuskustannukset ovat investointikustannuksia, jotka jaetaan useammalle vuodelle kertomalla ne annuiteettikertoimella. Muuttuvat kustannukset koostuvat valaistuksen ylläpitokustannuksista, joita ovat energiakustannukset, lamppukustannukset, ryhmä- ja yksittäisvaihtokustannukset sekä huolto- ja korjauskustannukset. Kun tarkastellaan saman asennuksen kahta rinnakkaista käyttötapaa, riittää kun lasketaan muuttuvat kustannukset. Huolto- ja korjauskustannuksia ei tarkastella tässä esityksessä. Lampun vaihdon yhteydessä on suositeltavaa vaihtaa myös sytytin ja pyyhkäistä heijastin puhtaaksi pölystä nihkeällä rievulla. Lähtötiedot Laskentataulukko laskee kustannukset yhden vuoden aikana. Seuraavassa on esitetty laskennan lähtötiedot. Sanallisen määritelmän jälkeen on suureen yksikkö ja käytettävä symboli. Lampun teho W P Loistelampun teho on normaalisti 36 W tai 58 W. 36 W lamppu on 1200 mm pitkä ja 58 W lamppu 1500 mm. (T5 lamppu esim. 28 W tai 35 W, pituus 1150 mm ja 1450 mm.) Kuristin (2), EL lämminsytytys (3), EL kylmäsytytys (4) Valitaan 2, 3 tai 4 valaisimessa olevan liitäntälaitteen mukaan. Erityisesti vanhoissa asennuksissa virranrajoittimena on yleensä kuristin, jolloin valitaan 2. Lamppuja valaisimessa kpl m Yhdessä valaisimessa olevien lamppujen määrä. Valaisimia kpl n Valaisimien määrä tilassa, jossa laskenta tehdään. Työpäivän pituus h t d Koko työpäivän pituus tauot mukaanlukien, esim. luokassa on tunteja 8-15, työpäivän pituus 7 h. Sammutuskertoja kpl s kpl Kuinka monta kertaa päivän aikana valot keskimäärin sammutetaan tauon ajaksi. Sammutuskertoihin ei lasketa mukaan työpäivän jälkeen tapahtuvaa viimeistä sammutusta. Sammutusajan pituus min s min Aika, jonka valot ovat keskimäärin sammutettuina. Jos tauot ovat erimittaisia, täytyy laskea tauon pituuden keskiarvo. Esimerkiksi, jos taukoja on kolme kappaletta, 15 min, 30 min ja 15 min, keskiarvo on 20 min. Käyttöpäiviä kuukaudessa kpl d Käyttöpäiviä on kuukaudessa keskimäärin noin 21, kun otetaan pois viikonloput ja yleiset vapaapäivät. Käyttökuukausia vuodessa kpl kk Vuoden kuukausista lasketaan pois kesälomat yms. pitemmät vapaat. Lampun hinta h l Vaihtelee riippuen tyypistä, tehosta, valmistajasta ja tukkuostajan saamista alennuksista. Hinta vaihtelee noin 2 10. Keskimääräinen kuluttajan maksama hinta arvonlisäveroineen on noin 5. Lampun nimellinen polttoikä h t nim Lampuissa on yksilöllisiä eroja, joten polttoikä on tilastollinen suure. Loistelampuilla voidaan käyttää polttoikänä 12 000 tuntia. 12 000 tunnin polton jälkeen 20 50 % lampuista on hajonneita. Korko % p Kuten lähihistoria on osoittanut, on korko muuttuva suure. Tällä hetkellä sopiva arvo on esim. 5 %. Yksittäisvaihtokustannus /kpl h y Jos lampun vaihdon tekevät vahtimestarit tai huoltomiehet yhtenä huoltotoimenpiteenä, ei siitä laskuteta erikseen. Tällöin on vaikea arvioida mitä vaihto maksaa. Laskentaohjelmaan on kuitenkin otettu mukaan vaihtokustannukset tapauksia varten, joissa vaihto teetetään ulkopuolisella tekijällä tai muuten halutaan arvottaa lampun vaihdosta huoltohenkilöille tulevaa lisätyötä. Ryhmävaihtokustannus /kpl h r Vaihdon kustannus lamppua kohti ryhmävaihdossa. Katso myös yllä oleva kohta yksittäisvaihdosta. Sähkön hinta /kwh h W Vaihtelee sähkönmyyjästä ja ostotariffista riippuen. Kauppa- ja teollisuusministeriön Energiakatsauksen mukaan sähkön keskihinta 1.1.2008 oli pienteollisuudessa 0,13 /kwh (laskutusteho 75 kw). [8] Lämmön hinta /kwh h Q Energiakatsauksen mukaan lämmön keskihinta 1.1.2008 kuluttajalla oli 0,048 / kwh. Mikäli oheislämmön hyödynnettävyys on 0 %, ei lämmön hintaa tarvita. Oheislämmön hyödynnettävyys % k Q Monissa tapauksissa oheislämpöä ei voida hyödyntää lainkaan, esimerkiksi jos koulussa taukojen aikana 6
tuuletetaan avaamalla ikkunat, on hyödynnettävyys 0 %. Toimistorakennuksissa vaihteluväli on tyypillisesti 0% 50 %. t tod Tpito (6) ta Kuolleisuus % k Lamppujen kuolleisuus ryhmävaihtovälin aikana. Arvoa tarvitaan laskettaessa yksittäisvaihtokustannuksia ryhmävaihtovälin aikana. Sopiva arvo on esim. 20 %. Jos vaihtokustannuksia ei huomioida, ei kuolleisuuttakaan tarvita. Lasketut arvot Valaistuksen teho liitäntälaitteineen W P kok Lamppujen keskimääräinen polttoikä vuosina. Annuiteettikerroin T pito i(1 i) c (7) Tpito (1 i) 1 c P kok 1 m n P (2) Kerroin l ottaa huomioon liitäntälaitehäviöt. Jos liitäntälaite on kuristin (2) on kerroin l 1,25, ja jos liitäntälaite on elektroninen (3) tai (4) on kerroin 1,1. Annuiteettikerroin lasketaan asennuksen pitoajan ja käytetyn korkokannan avulla. i = korkotekijä, i = p/100. Jos korko p = 0, annuiteettikerroin on 1/T pito. Vuotuinen käyttöaika h T a t a ( t (( s smin ) / 60)) d kk (3) d kpl Käyttöajasta on laskettu mahdolliset tauot pois. Polttojakson pituus h t pj ( td (( skpl smin ) / 60)) t pj (4) s 1 kpl Yhden polttojakson pituus saadaan, kun työpäivän pituudesta vähennetään pois tunnit, jolloin valot on sammutettuina ja jaetaan tulos polttojaksojen lukumäärällä. Polttoikä prosentteina nimellisestä h k pj Polttoikä prosentteina nimellisestä haetaan polttojakson pituuden perusteella taulukosta. Kun polttojakso on kuristinkäytössä 3 h, on polttoikä 100 %. Taulukon arvot vastaavat kuvan 2 arvoja. Lampun polttoikä polttojaksolla t pj h t tod t tod k t (5) pj nim Lampun todellinen polttoikä käytettävällä polttojaksolla. Lamppujen pitoaika a T pito Energian käyttö Sähköenergia kwh W W P 10 3 kok ta (8) Vuoden aikana käytetty sähköenergia. Kerroin 10-3 muuttaa tehon watit kilowateiksi. Lämpöenergia kwh Q 3 2 Q ( t d kk t ) P 10 k 10 (9) d a kok Kun valot sammutetaan tauon ajaksi, valaistukseen kulutetusta tehosta k Q prosenttia joudutaan korvaamaan lämpöenergialla. Kerroin 10-3 muuttaa tehon watit kilowateiksi ja 10-2 prosentit desimaaliluvuksi. Lämpöenergia tarkoittaa siis vain sammutuskäytöstä aiheutuvaa lisälämmön kulutusta. Yhteensä kwh E Sähkö- ja lämpöenergia yhteenlaskettuna. Ero kwh A ja B -sarakkeiden yhteenlaskettujen energioiden erotus. Ero % Kuinka paljon vähemmän toinen ratkaisu kuluttaa energiaa verrattuna enemmän käyttävään ratkaisuun. Jos esimerkiksi B käyttää energiaa enemmän, ero on (E B - E A )/E B Q 7
Kustannukset Sähköenergia H W H W (10) W h W Sähköenergiakustannus vuodessa. Lämpöenergia H Q H W (11) Q h Q Lämpöenergiakustannus vuodessa. Energia H e H e H H (12) W Q Energiakustannus vuodessa saadaan laskemalla yhteen sähkö- ja lämpöenergiakustannukset. Lamppu H l H1 m n h1 c (13) Lamppukustannukset vuotta kohti saadaan jakamalla lamppujen hankintahinta annuiteettikertoimella eri vuosille. Yksittäisvaihto H y H y m n h )( k /100)) /( T ) (14) (( y pito Vaikka käytetään ryhmävaihtoa, joudutaan yleensä osa lampuista vaihtamaan yksittäisvaihtona. Tällöin joudutaan käyttämään arviota kuolleiden lamppujen määrästä ennen ryhmävaihtoväliä. Yhtälössä kerroin k on kuolleisuus. Kuolleisuutena voidaan käyttää esim. 20 % tai aikaisemman kokemuksen perusteella saatua arvoa. Ryhmävaihto H r H r m n h ) /( T ) (15) ( r pito Laskentaohjelma pitää ryhmävaihtovälinä lamppujen pitoaikaa T pito. 6 Esimerkkilaskelmat Esimerkki 1: luokkahuone Lähtötiedot annetaan A-sarakkeeseen. B-sarake käyttää samoja arvoja muuten, paitsi valojen sammutuksen osalta. B-sarakkeeseen annetaan vain sammutuskertojen lukumäärä s kpl ja sammutusajan pituus s min. Taulukossa on laskennan lähtötiedot. Lampun teho on 36 W ja liitäntälaite on kuristin. Yhdessä valaisimessa on yksi lamppu ja valaisimia on luokassa kaikkiaan 18 kpl. Tunteja on 8-15. Tunnit ovat 8-8:45, 9-9:50, 10:05-10:50, 11:20-12:05, 12:20-13:05, 13:20-14:05 ja 14:10-14:55. Kun valot sammutetaan tunnin jälkeen, tulee sammutuskertoja 6 kpl päivässä. Taukojen pituus on yhteensä (15 + 15 + 30 + 15 + 15 + 5) minuuttia eli 95 minuuttia. Yhden sammutusajan pituudeksi tulee siis 95/6 eli noin 15 minuuttia. Käyttöpäiviä on keskimäärin 21 kuukaudessa ja koulua käydään 10,5 kuukautta. Lampun hinta on 5 ja nimellinen polttoikä 12 000 h. Laskentakorko on 5 %, vaihtokustannuksia ei huomioida. Sähkön hinta on 0,13 /kwh ja lämmön 0,048 /kwh. Ikkunat avataan välituntien ajaksi, joten oheislämmön hyödynnettävyys on nolla. Kuolleisuutta ei tarvita, koska yksittäisvaihtokustannuksia ei lasketa. Taulukko 2. Esimerkki 1: luokkahuone. Laskennan lähtötiedot. Luokkahuone LÄHTÖTIEDOT A B Lampun teho (W) P 36 36 Kuristin (2), EL lämminsytytys (3) EL kylmäsytytys (4) 2 2 Lamppuja valaisimessa (kpl) m 1 1 Valaisimia (kpl) n 18 18 Työpäivän pituus (h) td 7 7 Sammutuskertoja (kpl) skpl 6 0 Sammutusajan pituus (min) smin 15 0 Käyttöpäiviä kuukaudessa (kpl) d 21 21 Käyttökuukausia vuodessa (kpl) kk 10,5 10,5 Lampun hinta ( ) hl 5 5 Lampun nimellinen polttoikä (h) tnim 12000 12000 Laskentakorko (%) p 5,00 5,00 Yksittäisvaihtokustannus ( /kpl) hy 0 0 Ryhmävaihtokustannus ( /kpl) hr 0 0 Sähkön hinta ( /kwh) hw 0,13 0,13 Lämmön hinta ( /kwh) hq 0,048 0,048 Oheislämmön hyödynnettävyys (%) kq 0 0 Kuolleisuus (%) k 0 0 Valaistuksen kokonaisteho liitäntälaitteineen on 810 W, vuotuinen käyttöaika on 1213 h, jos valot sammutetaan taukojen ajaksi ja muuten 1544 h. 8
Lamppujen polttoikä on sammutuskäytössä 9164 h ja muuten 13 968 h. Taulukko 3. Esimerkki 1: luokkahuone. Lasketut arvot. LASKETUT ARVOT A B Valaistuksen teho liitäntälaitteineen (W) Pkok 810 810 Vuotuinen käyttöaika (h) ta 1213 1544 Polttojakson pituus (h) tpj 0,79 7,00 Polttoikä nimellisestä kpj 76 % 116 % Lampun polttoikä (h) polttojaksolla tpj ttod 9164 13968 Lamppujen pitoaika (a) Tpito 7,6 9,0 Annuiteettikerroin c 0,162 0,140 Taulukko 4. Esimerkki 1: luokkahuone. Tulokset, kun liitäntälaitteena kuristin. TULOKSET, laskenta-aika 1 vuosi ENERGIAN KÄYTTÖ A B Sähköenergia kwh W 982 1250 Lämpöenergia kwh Q 0 0 Yhteensä kwh E 982 1250 Ero kwh 268 Ero % 21 KUSTANNUKSET A B Sähköenergia ( ) Hw 128 163 Lämpöenergia ( ) HQ 0 0 Energia yht. ( ) He 128 163 Lamppu ( ) Hl 14,6 12,6 Yksittäisvaihto ( ) Hr 0 0 Ryhmävaihto ( ) Hy 0 0 Yhteensä ( ) 142 175 Ero ( ) 33 Ero (%) 19 Kun valot sammutetaan taukojen ajaksi, sähköenergiaa kuluu vuoden aikana 982 kwh eli 268 kwh vähemmän, kuin jos valoja ei sammutettaisi. Energian säästö on prosentteina 21 %. Rahassa säästö on 33 ja prosentteina 19 %. Rahallinen säästö on hieman pienempi kuin energiansäästö, koska lamppukustannukset vuodessa ovat sammutuskäytössä suuremmat, kuin jos valoja ei sammutettaisi taukojen ajaksi. Taulukossa 5 on laskennan tulokset, kun liitäntälaitteena on kuristimen sijasta elektroninen liitäntälaite lämminsytytyksellä. Sähköenergian kulutus on pienentynyt kuristinkäyttöön verrattuna. Myös lamppukustannukset ovat pienentyneet. Kuristinkäytössä lamppukustannukset olivat 14,6 sammutuskäytössä ja 12,6 jatkuvassa poltossa. Elektronisella liitäntälaitteella 11,8 ja 12,2. Huomattavaa on, että lamppukustannukset sammutuskäytössä ovat nyt pienemmät kuin jatkuvassa poltossa. Lampun polttoikä sammutuskäytössä on 11 975 h ja jatkuvassa käytössä 14 512 h., mutta koska vuotuinen käyttöaika sammutuskäytössä on 1213 h ja jatkuvassa poltossa 1544 h, on lamppujen pitoaika sammutuskäytössä 9,9 vuotta ja jatkuvassa käytössä lyhyempi 9,4 vuotta. Valojen sammutus kannattaa lyhyillä tauoillakin, mutta tällöin energiansäästö jää pieneksi verrattuna jatkuvaan polttoon. Kun käytetään edellisen esimerkin lähtöarvoja magneettisella kuristimella ja muutetaan sammutusajan pituudeksi 5 min, saadaan energiansäästöksi 7 % ja kustannussäästöksi 5 %. Jos pidetään sammutusajan pituus 5 minuuttina ja muutetaan sammutuskertojen määräksi 15, saadaan energiansäästöksi 18 % ja kustannussäästöksi 13 %. Sammutuskertojen määrän lisääntyessä energiakustannukset laskivat voimakkaammin (151 eurosta 134 euroon) kuin lamppukustannukset nousivat (16,1 eurosta 18,1 euroon). Lampun polttoikä 15 sammutuskerralla 7 tunnin aikana on 62 % nimellisestä. Taulukko 5. Esimerkki 1: luokkahuone. Tulokset, kun liitäntälaitteena elektroninen liitäntälaite. TULOKSET, laskenta-aika 1 vuosi ENERGIAN KÄYTTÖ A B Sähköenergia kwh W 864 1100 Lämpöenergia kwh Q 0 0 Yhteensä kwh E 864 1100 Ero kwh 236 Ero % 21 KUSTANNUKSET A B Sähköenergia ( ) Hw 112 143 Lämpöenergia ( ) HQ 0 0 Energia yht. ( ) He 112 143 Lamppu ( ) Hl 11,8 12,2 Yksittäisvaihto ( ) Hr 0 0 Ryhmävaihto ( ) Hy 0 0 Yhteensä ( ) 124 155 Ero ( ) 31 Ero (%) 20 Esimerkki 2: toimistohuone Laskennan lähtöarvot ja tulokset ovat liitteessä 1. Toimistohuoneessa taukoja on kolme päivässä: kaksi 15 min kahvitaukoa ja tunnin ruokatauko. Keskimääräinen tauon pituus on näin 30 minuuttia. Vaihtokustannukset ovat 6 / lamppu yksittäisvaihtona ja 4 9
/lamppu ryhmävaihtona. Sähkön hinta on 0,13 ja lämmön 0,048 /kwh. Oheislämmön hyödynnettävyys on 30 % ja kuolleita lamppuja ennen ryhmävaihtoa on 20 %. Energian säästö, kun valot sammutetaan taukojen ajaksi on 12 % ja kustannussäästö 10 %. Sammutuskäytössä sähkönkulutus on 312 kwh ja lisälämmön 19 kwh. Jatkuvassa poltossa sähkönkulutus on 374 kwh. Kun sammutusajan pituus on 6,5 minuuttia ja lähtöarvot muuten samat, ovat vuotuiset kustannukset sammutuskäytössä ja ei-sammutettuina samat. Energiansäästö sammutuskäytössä on tällöin 3 %. Elektronista liitäntälaitetta käytettäessä sähkönkulutus on 274 kwh ja lisälämmön 16 kwh sammutuskäytössä, kun taukoja on kolme päivässä ja niiden keskimääräinen pituus on 30 min. Energiansäästö sammutuskäytössä on 12 % verrattuna jatkuvaan polttoon ja kustannussäästö samoin 12 %. 7. Gydesen A., Mainmann D. Life cycle analyses of integral compact fluorescent lamps versus incandescent lamps. Energy and Emissions. In: Proceedings of the 1st European conference on energy-efficient lighting, Tukholma. 1991. Swedish National Board for Industrial and Technical Development. s. 411-417. 8. Westerlund J. Valaistuksen ympäristövaikutukset. Espoo 2008. TKK Elektroniikan laitos. Kandityö, 32 s. 9. http://elcfed.org/1_health.html, European lamp Companies Federation. 26.1.2009. 10. KTM. Energiakatsaus 4/1995. 1995. Helsinki. Kauppa- ja teollisuusministeriö. 39s. 7 Suojaus Tauko on suojattu siten, että ainoastaan harmaisiin syöttötietosoluihin voi kirjoittaa. Suojauksen voi purkaa salasanalla tauko. Lähteet 1. International Energy Agency. 2006. Light s Labour s Lost. IEA Publications, France. 360 p. 2. Halonen L., Lehtovaara J. Valaistustekniikka. Espoo, 1992. Otatieto. 456 s. 3. Halonen L., Nikki M. Loistelamppujen laatu ja kustannukset. Espoo. 1988. Teknillinen korkeakoulu, Sähkölaitos- ja valaistustekniikan laboratorio. 44 s. 4. Ruuskanen A., Kalema T., Perilä T. Kotitaloussähkön hyödyntyminen lämmityksessä. Vantaa, 1993. Imatran Voima Oy, Tutkimusraportteja IVO-A-03/93. 95 s. 5. Lund, P. Energian säästö ja pienloistelamput: Porin kampanjan tuloksia. Helsinki, 1991. KTM Katsauksia B: 103. 50 s. 6. Laine T. Sähkökuormien vaikutus rakennuksen jäähdytykseen. 1996. Rakennuksen sähköenergian kulutuksen tavoitearvot. RAKET T-607. 10
LIITE 1 Esimerkki 2: toimistohuone Esimerkki 2: toimistohuone LÄHTÖTIEDOT A B Lampun teho (W) P 36 36 Kuristin (2), EL lämminsytytys (3) EL kylmäsytytys (4) 3 3 Lamppuja valaisimessa (kpl) m 1 1 Valaisimia (kpl) n 4 4 Työpäivän pituus (h) td 9 9 Sammutuskertoja (kpl) skpl 3 0 Sammutusajan pituus (min) smin 30,0 0 Esimerkki 2: toimistohuone LASKETUT ARVOT A B Valaistuksen teho liitäntälaitteineen (W) Pkok 158,4 158,4 Vuotuinen käyttöaika (h) ta 1733 2079 Polttojakson pituus (h) tpj 1,88 9,00 101 128 Polttoikä nimellisestä kpj % % Lampun polttoikä (h) polttojaksolla tpj ttod 12096 15317 Lamppujen pitoaika (a) Tpito 7,0 7,4 Annuiteettikerroin c 0,173 0,166 Käyttöpäiviä kuukaudessa (kpl) d 21 21 Käyttökuukausia vuodessa (kpl) kk 11 11 Lampun hinta ( ) hl 5 5 Lampun nimellinen polttoikä (h) tnim 12000 12000 Laskentakorko (%) p 5,00 5,00 Yksittäisvaihtokustannus ( /kpl) hy 6 6 Ryhmävaihtokustannus ( /kpl) hr 4 4 Sähkön hinta ( /kwh) hw 0,13 0,13 Lämmön hinta ( /kwh) hq 0,048 0,048 Oheislämmön hyödynnettävyys (%) kq 30 30 Kuolleisuus (%) k 20 20 Esimerkki 2: toimistohuone TULOKSET, laskenta-aika 1 vuosi ENERGIAN KÄYTTÖ A B Sähköenergia kwh W 274 329 Lämpöenergia kwh Q 16 0 Yhteensä kwh E 291 329 Ero kwh 38 Ero % 12 KUSTANNUKSET A B Sähköenergia ( ) Hw 36 43 Lämpöenergia ( ) HQ 1 0 Energia yht. ( ) He 36 43 Lamppu ( ) Hl 3,5 3,3 Yksittäisvaihto ( ) Hr 1 1 Ryhmävaihto ( ) Hy 2 2 Yhteensä ( ) 43 49 Ero ( ) 6,0 Ero (%) 12 11