Rasvjeta

07.12.2008

Svjetlost je elektromagnetsko zračenje valnih duljina od 10-7 m do 10-3 m koje nadražuje mrežnicu u čovječjem oku i time u mozgu stvara osjet vida. Taj dio zračenja naziva se optičko zračenje. Osnovna svjetlosna veličina je kandela (cd) koja je definirana kao monokromatsko zračenje svjetlosti frekvencije 540,015 × 1012 Hz i snage 1/683 W po jediničnom prostornom kutu. U kandelama se izražava intenzitet (često se koristi i termin jakost) svjetlosti i to je osnovna SI jedinica. Svjetlosni tok predstavlja snagu zračenja koju emitira izvor svjetla u svim smjerovima. Jedinica za svjetlosni tok je lumen (lm). Točkasti izvor svjetla ima svjetlosni tok od 1 lm kada u prostorni kut od 1 sr zrači jakošću svjetlosti od 1 cd. Primjera radi, svjetlosni tok standardne žarulje sa žarnom niti snage 100 W iznosi 1.380 lm, isto kao i kod kvalitetne fluorescentne cijevi snage 18 W.

Rasvijetljenost je mjerilo za količinu svjetlosnog toka koja pada na određenu površinu. Jedinica za rasvijetljenost je luks (lx) i to je izvedena jedinica SI sustava. Jedan lx je definiran kao rasvijetljenost 1 kvadratnog metra na koju pada ravnomjerno raspodijeljen svjetlosni tok od 1 lm. Nekoliko primjera razine rasvijetljenosti nalazi se u donjoj tablici. Dakle, sve što se želi vidjeti mora biti osvijetljeno, budući je sama svjetlost nevidljiva. Za sunčana dana rasvijetljenost je do 100.000 lx, u hladu drveta 10.000 lx, a pri mjesečini samo 0,25 lx. Ipak, prilagodljivost oka dozvoljava da vidimo u svim ovim uvjetima.

Primjeri razine rasvijetljenosti

Svjetlosna iskoristivost izvora svjetlosti ? (eta) definira se kao omjer dobivenog svjetlosnog toka izvora svjetlosti (lm) i uložene električne snage (W), lm/W.

Svjetlosna iskoristivost pokazuje iskoristivost kojom se uložena električna energija pretvara u svjetlost. Teoretski maksimum iskoristivosti, pri kojem se sva energija pretvara u vidljivo svjetlo iznosi 683 lm/W. U stvarnosti vrijednosti su puno manje i iznose između 10 i 150 lm/W. Svjetlosna iskoristivost predstavlja nam osnovni pokazatelj za ocjenu ekonomičnosti rasvjetnog sustava. Vidljivo zračenje čovječje oko ne opaža samo po jačini svjetlosti već i po bojama. Taj se osjećaj naziva podražaj boja. Pri tome je svejedno da li se radi o zračenju izvora (boja svjetlosti) ili osvijetljenom objektu (boja predmeta), jer je upravo svjetlost jedini izvor boje.

Svjetlost je uvijek obojena, a zastupljenost pojedinih boja može se odrediti analizom pojedinih valnih duljina. Za označavanje boje nekog izvora svjetlosti uz tzv. trikromatski dijagram koristi se i pojam temperature boje. Temperatura boje mjeri se u Kelvinima [K] i označava boju izvora svjetlosti usporedbom s bojom svjetlosti koju zrači idealno crno tijelo. Temperatura idealnog crnog tijela u Kelvinima, pri kojoj ono emitira svjetlost kao mjereni izvor, naziva se temperatura boje tog izvora svjetlosti.

Zbog standardizacije, temperature boja izvora svjetlosti podijeljene su u tri grupe:

- dnevno svjetlo ( > 5000 K),

- neutralno bijelo (3500 - 5000 K),

- toplo bijelo (< 3500 K).

Umjetno svjetlo treba omogućiti da se boje vide kao da su obasjane prirodnim svjetlom. Ova kvaliteta izvora svjetla naziva se uzvrat boje i izražava se faktorom uzvrata boje (tzv. Ra faktorom). Uzvrat boje nije povezan s temperaturom boje, te se ne može na osnovu temperature boje izvoditi zaključak o kvaliteti svjetla.

Uz navedena svojstva izvora svjetlosti (svjetlosni tok, jakost svjetlosti, uzvrat boje, temperature boja, svjetlosna iskoristivost) promatraju se i sljedeća svojstva koja su međusobno višestruko povezana.

Kompaktnost:

• zahtjevi za prostorom,
• veličina svjetiljke,
• utjecaj na arhitekturu,
• mogućnost usmjeravanja svjetla.

Uporaba:

• jednostavnost,
• komfor korisnika (temperatura i uzvrat boje),
• mogućnost regulacije,
• jednostavnost zamjene.

Ekonomičnost:

• svjetlosna iskoristivost,
• vijek trajanja,
• cijena,
• trošak zamjene.

Utjecaj na okoliš:

• potrošnja energije,
• potrošnja prirodnih resursa,
• odlaganje nakon uporabe.

Izvori svjetlosti

Prije 400.000 godina čovjek je počeo koristiti vatru kao izvor svjetla i topline. Oko 70.000 godina prije naše ere izumljena je prva svjetiljka. Šuplja stijena ili čahura bile bi napunjene mahovinom (ili sličnim materijalom) natopljenom životinjskom mašću, koja bi se u slučaju potrebe zapalila. U 7. stoljeću prije naše ere Grci počinju izrađivati tzv. terra cotta svjetiljke kao zamjenu za baklje.

U 18. stoljeću naše ere koristile su se uljne svjetiljke, što je ujedno prvi pokušaji regulacije jakosti svjetlosti, dok u 19. stoljeću postaju popularne plinske svjetiljke. Prijelomni trenutak u razvoju rasvjete dogodio se 1879. godine kada je Thomas Alva Edison koristeći usavršenu ugljenu nit, te uvodeći vakuum unutar žarulje, uspješno demonstrirao rad električne žarulje. Unatrag nekoliko desetaka godina razvoj izvora svjetlosti i svjetiljaka izuzetno je dinamičan, te uključuje najnovije tehnologije, nove optičke sustave, nove materijale i brigu prema okolišu.

Suvremene izvore svjetlosti prvenstveno dijelimo prema načinu generiranja svjetlosti - princip termičkog zračenja (žarulje sa žarnom niti) i princip luminiscencije (tzv. žarulje na izboj). U hrvatskim kućanstvima se najčešće upotrebljavaju standardne tzv. obične žarulje sa žarnom niti, halogene žarulje, fluokompaktne (štedne) žarulje, te u manjem opsegu fluorescentne žarulje (cijevi).

Standardne (obične) žarulje

Standardne žarulje su žarulje sa žarnom niti koje generiraju svjetlost principom termičkog zračenja. Svjetlost nastaje tako što električna struja prolazi kroz žarnu nit od volframa i zagrijava (usijava) ju na temperaturu od 2.600 - 3.000 K. Većina zračenja emitira se u infracrvenom dijelu spektra. Na osnovna svojstva standardne žarulje - svjetlosnu iskoristivost i vijek trajanja - najviše utječe temperatura žarne niti. Što je ona viša, svjetlosna iskoristivost je veća, a vijek trajanja kraći. Vijek trajanja se smanjuje zbog naglog porasta broja atoma wolframa koji se odvajaju sa žarne niti pri porastu temperature, što ne samo da proizvodi tamni sloj na unutrašnjoj strani staklenog balona (što dovodi do smanjenja svjetlosnog toka), već dovodi i do pucanja žarne niti odnosno do pregaranja žarulje.

Ovaj proces može se bitno ublažiti dodavanjem inertnog plina (argon, kripton ili ksenon) u punjenje balona, čime se podiže temperatura žarne niti (time i iskoristivost) i smanjuje isparavanje volframa. Danas standardno punjenje čine plinovi argon i dušik, a kripton ili ksenon dodaju se zbog poboljšanja iskoristivosti. Daljnji korak u poboljšanju iskoristivosti je dvostruko namatanje spirale, čime se smanjuje površina isijavanja, a time i gubici. Primjera radi, za standardnu žarulju snage 100W potrebno je 1m volframa debljine niti kose, a duljina žarne niti je oko 3 cm.

Svjetlosna iskoristivost standardnih žarulja sa žarnom niti snage 25 do 500W iznosi 9 do 17 lm/W. U svjetlost se pretvara 5 do 10% uložene električne energije dok se ostatak pretvara u toplinu. Vijek trajanja standardne žarulje sa žarnom u normalnim pogonskim uvjetima (nazivni napon, sobna temperatura i bez izloženosti vibracijama) iznosi 1.000 sati. Ove žarulje imaju vrlo dobar uzvrat boje (oznaka 1A, Ra > 90) a temperatura boje kreće se u granicama od 2.600 do 2.800 K. Brojne karakteristike žarulje sa žarnom niti ovise o naponu (svjetlosni tok je ovisan o naponu, što se koristi kod regulacije). Snižavanjem pogonskog napona smanjuje se svjetlosni tok, ali se povećava vijek trajanja žarulje. Nasuprot tome, povišenjem napona povećava se svjetlosni tok, ali se smanjuje vijek trajanja žarulje.

Iako imaju vrlo malu svjetlosnu iskoristivost, zbog svojih karakteristika - tople i ugodne bolje, odsutnosti treperenja, trenutnog postizanja maksimalnog svjetlosnog toka, lakog rukovanja i ugradnje te niske cijene - ove žarulje su još uvijek najrasprostranjeniji izvor svjetlosti u svijetu. Međutim, potrebno je naglasiti da razvojem tehnologije i povećanjem svijesti o nužnosti smanjenja potrošnje energije, prvenstveno zbog zaštite okoliša, fluokompaktne žarulje s integriranom elektroničkom prigušnicom (tzv. štedne žarulje) sve više istiskuju standardne žarulje iz svakodnevne upotrebe. Korištenjem štednih umjesto standardnih žarulja, uz zadržavanje istih uvjeta osvijetljenosti prostora, ostvaruju se uštede u energiji i do 80%. O ovome će više riječi biti u poglavlju o fluokompaktnim i štednim žaruljama.

Halogene žarulje

Halogene žarulje su također žarulje sa žarnom niti, te koriste princip termičkog zračenja pri generiranju svjetlosti. Dodatak halogenida (brom, klor, flor i jod) plinskom punjenju gotovo potpuno sprečava crnjenje balona žarulje, čime se održava gotovo konstantan svjetlosni tok kroz cijeli vijek trajanja. Upravo zbog toga, moguće je napraviti balon puno manjih dimenzija, s višim pritiskom plinskog punjenja, čime se dodatno povećava iskoristivost inertnih plinova u punjenju: kriptona i ksenona. Također, moguće je žarnu nit zagrijati na puno višu temperaturu, čime se podiže svjetlosna iskoristivost (ovo nije bilo moguće kod standardne žarulje zbog pojačanog isparavanja volframa pri višim temperaturama).

Osnovne prednosti halogene žarulje u odnosu na standardnu žarulju su:

• viša svjetlosna iskoristivost (do 25 lm/W),
• dulji vijek trajanja (do 4.000 sati),
• optimalna kontrola svjetla,
• male dimenzije,
• konstantan svjetlosni tok kroz vijek trajanja i
• viša temperatura boje - sjajno, bijelo svjetlo.

Kao i standardna žarulja sa žarnom niti, halogena žarulja jako je osjetljiva na promjene pogonskog napona. Pogotovo kod niskonaponskih žarulja (12 V AC), do izražaja dolazi osjetljivost vijeka trajanja o naponu. Zbog toga povećanje pogonskog napona od samo 5% (s 12 na 12,6 V) donosi smanjenje vijeka trajanja za čak 40%! Do ovakve drastične promjene dolazi zbog toga što se halogeni kružni proces odvija samo u strogim temperaturnim (naponskim) granicama, te prestaje pri većim nadvišenjima napona, čime se automatski znatno smanjuje vijek trajanja.

Do povećanja napona dolazi uglavnom zbog neodgovarajućih transformatora (magnetski transformatori imaju nelinearnu karakteristiku, pa pri rasterećenju dolazi do rasta napona). Zbog toga suvremeni rasvjetni sustavi koriste elektroničke transformatore.

Pri smanjenju napona dolazi do blagog povećanja vijeka trajanja, ali ne takvog kao kod standardnih žarulja. Halogene žarulje se najčešće u kućanstvima koriste kao dodatni izvor svjetlosti na radnom stolu, u kuhinji ili u kupaonici. Zbog malih dimenzija jako su pogodne za dekorativnu rasvjetu.

Fluorescentne žarulje

Fluorescentne žarulje pripadaju grupi niskotlačnih izvora na izboj. Svjetlost se generira izbojem u živinim parama visoke luminoznosti, pri čemu se stvara uglavnom nevidljivo ultraljubičasto zračenje, koje se fosfornim slojem na unutrašnjoj stijenki cijevi pretvara u vidljivo svjetlo. Ovaj princip generiranja svjetlosti naziva se fotoluminiscencija. U običnom govoru često ih se naziva i neonkama što je potpuno krivi naziv jer u njima nema neona! Neonske cijevi najčešće se koriste za obojene svjetlosne natpise (reklame) i nikako ih ne treba miješati s fluorescentnim žaruljama (cijevima).

Spektar zračenja koji daje fluorescentna cijev dosta je složen, a uporabom različitih fluorescentnih materija moguće je dobiti drukčije karakteristike - različite temperature boje, faktore uzvrata i svjetlosne iskoristivosti. Odlikuje ih dosta dugi vijek trajanja, prosječno gledano i preko 15.000 sati.

Postoje i okrugle i fluorescentne cijevi U-oblika. S napretkom tehnologije, smanjuje se promjer cijevi, čime se postiže veća iskoristivost svjetlosnog sustava (izvor svjetlosti je bliži točkastom). Danas se najčešće koriste cijevi promjera 26 mm, dok nove generacije cijevi imaju promjer od 16 mm.

Kao i sve žarulje na izboj, fluorescentne cijevi ne mogu se priključiti direktno na mrežni napon, već trebaju prigušnicu, i starter kod starijih generacija prigušnica (zbog većeg napona pri paljenju nego u radu). Magnetske prigušnice su induktivni otpori koji se spajaju u seriju s izvorom svjetlosti. Suvremeni rasvjetni sustavi sve više koriste i elektroničke prigušnice, kojima se potrošnja električne energije smanjuje i do 25%, produljuje se radni vijek fluorescentne cijevi, niži su troškovi održavanja, a dobiva se rad bez treperenja koje se inače javlja uz magnetsku prigušnicu.

Studije s područja ergonomije potvrdile su da je latentno treperenje svjetla stresni faktor za osobe koje su mu izložene, a pogotovo pri radu s računalom. Rezultati ove vrste stresa su povećani umor, nedostatak koncentracije i pogreške u radu. Zato Smjernica Europske komisije 2000/55/EC od studenog 2005. godine zabranjuje uporabu magnetskih prigušnica u svim novim instalacijama fluorescentne rasvjete.

U kućanstvima se fluorescentne cijevi najčešće koriste za osvjetljavanje radne površine na kuhinjskom pultu, te u većim stambenim objektima za rasvjetu u dizalima. Bitno je naglasiti da sve žarulje na izboj koje sadrže živu (dakle i fluorescentne cijevi) pripadaju grupi proizvoda koje se tretiraju kao opasan otpad te se ne smiju bacati u smeće, već njihovo prikupljanje i daljnja prerada treba biti posebno organizirana.

Fluokompaktne žarulje i štedne žarulje

Fluokompaktne žarulje su zapravo fluorescentne cijevi savinute u različite oblike, čime se postižu manje ukupne dimenzije izvora svjetlosti, dok se zadržavaju sve karakteristike rada fluorescentnih cijevi. Njihov je naziv na engleskom jeziku Compact Fluorescent Lamps pa se često koristi i skraćenica CFL žarulje. Fluokompaktne žarulje pripadaju grupi niskotlačnih žarulja na izboj, pri čemu se svjetlost generira principom fotoluminiscencije. Izboj se događa između elektroda u živinim parama, pri tlaku od oko 1,07 Pa (tlak para tekuće žive pri temperaturi od 40°C). Osim žive, u punjenju se obično nalazi i neki inertni plin (argon, kripton, neon, ksenon, ...), kao pomoć prilikom paljenja žarulje. Količina korištene žive stalno sa smanjuje, i danas iznosi 5-10 mg u kvalitetnijim cijevima.

Kao i većina žarulja na izboj, fluokompaktne žarulje moraju imati predspojnu napravu koja se naziva prigušnica, a služi za ograničavanje pogonske struje na vrijednost za koju je žarulja napravljena, te osigurava potreban startni i pogonski napon. Temperaturu boje svjetla koju daju fluokompaktne žarulje moguće je kontrolirati fosfornim omotačem, kao i kod fluorescentnih cijevi. Standardno se koriste trokomponentni fosfori.

Fluokompaktne žarulje proizvode se u snagama od 3 do 70 W. Postoje izvedbe s integriranom elektroničkom prigušnicom i standardnim grlom E27 i E14, koje mogu zamijeniti gotovo svaku standardnu žarulju, ostvarujući pri tome uštedu energije od gotovo 80%. Kao što je već navedeno za ovakvu izvedbu fluokompaktnih žarulja koristi se naziv - štedne žarulje. Primjer štedne žarulje sa pripadajućim dijelovima prikazan je na slici.

Ušteda uvođenjem novog rasvjetnog sustava sa štednim žaruljama sastoji se od nekoliko elementa:

- ušteda električne energije zbog smanjene potrošnje rasvjetnog sustava,

- ušteda na troškovima nabave zbog duljeg vijeka trajanja žarulje,

- ušteda električne energije zbog smanjenja dodatnog zagrijavanja prostora uzrokovanog rasvjetom (ušteda na hlađenju prostora),

- povećana udobnost i sigurnost zbog veće pouzdanosti rasvjetnog sustava,

- smanjenje opterećenja napojnih vodova,

- manja osjetljivost sustava o pogonskom naponu i

- uporaba ekološki prihvatljivijeg izvora svjetlosti (smanjenje emisije CO2 i drugih štetnih tvari zbog niže potrošnje energije). Zahvaljujući svojim dimenzijama, fluokompaktne žarulje razvijene su prvenstveno kao zamjena za standardne žarulje snaga od 25 do 200W, ali se uslijed konstantnog razvoja njihovo područje primjene znatno proširilo. One danas predstavljaju jedan od najpopularnijih izvora svjetlosti, budući da spajaju visoku iskoristivost fluorescentnih cijevi i relativno male dimenzije.

Za koliko vremena će se kućanstvu isplatiti zamjena standardne žarulje snage 100W odgovarajućom štednom žaruljom, ako se uzme u obzir godišnje vrijeme rada od 700 sati?

Odabrana je štedna žarulja snage 21W, 1.200 lumena, vijek trajanja 8.000 h.

• Godišnja potrošnja električne energije uz korištenje standardne žarulje iznosi 70 kWh (100W × 700 h).
• Godišnja potrošnja električne energije uz korištenje štedne žarulje iznosi 14,7 kWh (21W × 700 h).
• Izračunata godišnja ušteda u električnoj energiji iznosi 55,3 kWh (70 kWh - 14,7 kWh).
• Cijena električne energije prema tzv. plavom tarifnom modelu za kućanstva iznosi 0,87 kn/kWh, s uračunatim porezom na dodatnu vrijednost.

Izračunata novčana ušteda: 48,11 kn/god.
Cijena nove štedne žarulje iznosi oko 45 kn.

Jednostavni period povrata investicije iznosi 0,94 godine ili 11 mjeseci, uz napomenu da nova žarulja ima 8 puta duži vijek trajanja od standardne žarulje sa žarnom niti. Bitno je naglasiti da uz godišnji rad od 700 sati vijek trajanja instalirane štedne žarulje (uz normalne pogonske uvjete) iznosi 11,4 godine što je gotovo dovoljno da ukućani i zaborave kako se mijenjaju žarulje!

Na ovaj način učinjen je i korak u smanjenju emisija CO2 u iznosu od 15,3 kg/god. (55,3 kWh/god × 277 g CO2/kWh).

Na osnovu svega iznesenog u ovom poglavlju sasvim je jasno da je ugradnja štednih žarulja u potpunosti isplativa. Prilikom kupovine novih štednih žarulja kupci svakako trebaju voditi računa o deklariranom vijeku trajanja žarulje jer se na mjestima gdje se rasvjeta puno koristi isplati ugrađivati žarulje duljeg vijeka trajanja. Uobičajeno se za kućanstva uzimaju štedne žarulje s vijekom trajanja do 8.000 sati.

Regulacija - upravljanje rasvjetom, ovisnost o dnevnom svjetlu

Osnovni postulat za uštede električne energije u sustavu električne rasvjete glasi: Kad ne trebaš rasvjetu, gasi je! Naime, čest je slučaj da je rasvjeta uključena u prostorima u kojima nema nikoga. U ovom slučaju ne pomaže ni ugradnja najštedljivije žarulje, jer i ona radi bez ikakve potrebe!

Energetski najučinkovitija mjera za poboljšanje svjetlosne udobnosti boravka u zatvorenom prostoru je u što većoj mjeri koristiti dnevno svjetlo. Dnevno svjetlo osigurava zdravije uvjete u prostorijama, omogućava veće standarde vizualne udobnosti, čini prostorije vedrijima i ugodnijima za boravak, štedi energiju i novac, smanjuje emisije štetnih plinova u atmosferu i štedi ograničene globalne zalihe energenata. Zbog svih tih razloga, trebalo bi što je više moguće koristiti dnevno svjetlo.

Međutim, kako je dnevno svjetlo često nedovoljno, koristi se umjetna rasvjeta, uvijek vodeći računa da razina rasvijetljenosti ne smije biti niža od razine propisane standardom. Dakle, nikako ne treba štedjeti na način da se zbog slabe rasvijetljenosti ugrožava vid i narušavaju uvjeti za život i rad. Na ovaj način ostvarene uštede u energiji nemaju smisla. Nedostatna rasvjeta, osim ugrožavanja vida, izaziva stres koji se očituje povećanim umorom i rastresenošću. Isto tako, niti prekomjerna rasvijetljenost nije dobra i ugrožava zdravlje. Pri opremanju stana ili kuće pravilan izbor i raspored rasvjetnih tijela u funkcionalnom, ali i dekorativnom smislu jednako je značajan kao i izbor namještaja ili boja za zidove.

Na žalost, čest je slučaj da se ovom segmentu posvećuje premalo pozornosti pa tako rasvjetna tijela s pripadajućim električnim instalacijama završe na sredini sobe, uz nekoliko nasumice raspoređenih utičnica po zidovima. Srećom, danas se sve češće i kod nas koriste uređaji za automatsku regulaciju jačine rasvjete, ovisno o dnevnom svjetlu. Takvi sustavi, sukladno zadanim postavkama, podešavaju rasvjetu u prostoru ovisno o doprinosu dnevnog svjetla i na taj način štede energiju.

Ovakvi sustavi regulacije rasvjete postali su praksa u novoizgrađenim uredskim prostorima. Naime, u uredskim prostorima, dobivene uštede u električnoj energiji opravdat će početnu investiciju. Manja primjena ovih sustava u kućanstvima vezana je uz relativno dugačak period povrata početne investicije zbog visoke cijene ugradnje, ali i manjeg broja sati korištenja umjetne rasvjete tijekom dana u kućanstvima. Jeftinija inačica ovog sustava, s ručnim podešavanjem razine rasvijetljenosti, već se dosta često može sresti u hrvatskim kućanstvima.

Izvori:

• "Priručnik za energetske savjetnike" : grupa autora, UNDP Hrvatska, FER, 2007.
• Wikipedia, besplatna online enciklopedija, http://en.wikipedia.org/