Szybki postęp w badaniach nad wykorzystaniem półprzewodników w oświetleniu i wdrażanie ich efektów w praktyce spowodowały, że stosowanie diod LED jako źródeł światła stało się już rzeczywistością, choć do niedawna rozpatrywano je w kategoriach futurystycznych.
Wejście w życie rozporządzeń Komisji Europejskiej powoduje szybkie wycofywanie z obrotu energochłonnych źródeł światła. Ich miejsce muszą zająć źródła energooszczędne. W ciągu ostatnich kilkunastu miesięcy można zaobserwować mniejsze zainteresowanie tradycyjnymi technologiami oświetlenia energooszczędnego (np. świetlówki kompaktowe) zarówno wśród konsumentów, jak i producentów oraz dużą dynamikę sprzedaży i tempa rozwoju oświetlenia opartego na technologii diodowej.
Prężny rozwój systemów oświetleniowych LED wpisuje się w dwa trendy, czyli ograniczenie kosztów całkowitych funkcjonowania systemu oświetleniowego oraz poprawa jakości i komfortu użytkowników.
Zwiększenie skuteczności świetlnej i kosztów obsługi
Walka producentów źródeł światła o zwiększenie skuteczności świetlnej produktów trwa nieprzerwanie od początku istnienia technologii, które wykorzystują do zasilania energię elektryczną. Skuteczność świetlna pierwszych żarówek pod koniec XIX w. kształtowała się na poziomie około 1,5 lm/W, a sto lat później wynosiła ok. 12 lm/W. W przypadku świetlówek liniowych technologia rozwijająca się na przestrzeni ponad sześćdziesięciu lat zapewniła osiągnięcie skuteczności świetlnej na poziomie 100 lm/W, co było liczbą dwukrotnie wyższą w porównaniu do pierwszych wersji tego produktu.
Podobnie kształtuje się sytuacja w przypadku źródeł wysokoprężnych przeznaczonych do ogólnych celów oświetleniowych. Jedynie źródła sodowe charakteryzują się skutecznością świetlną przekraczającą 150 lm/W (lub 200 lm/W dla lamp niskoprężnych). Należy jednak zaznaczyć, że ze względu na niską jakość wytwarzanego przez nie światła monochromatycznego oraz na fakt, że tak wysoka skuteczność świetlna może być osiągnięta tylko przy dużej mocy (cecha ogólna lamp wysokoprężnych), lampy sodowe są powoli wypierane przez źródła emitujące światło białe i to nawet w typowych dla nich zastosowaniach w oświetleniu ulicznym.
Uznaje się, że mimo wcześniejszych eksperymentów sięgających lat 70. XX w., początkiem wykorzystania LED-ów do celów oświetleniowych był rok 1996, w którym wprowadzono pierwsze diody emitujące światło białe. Skuteczność świetlna pierwszych LEDów wahała się na poziomie 5 lm/W. Po 15 latach na rynku dostępne są już chipy wiodących producentów, o skuteczności świetlnej sięgającej nawet 150 lm/W, podczas gdy w próbach laboratoryjnych zbliżono się już do fizycznej granicy skuteczności świetlnej tej technologii dla światła białego (260–300 lm/W).
Warto przy tym wspomnieć, że w przypadku źródeł LED, podobnie jak w przypadku wyładowczych źródeł światła, strumień świetlny powinien być rozpatrywany z uwzględnieniem zdolności do właściwego odwzorowania barw. Należy pamiętać, że lumen nie jest typową jednostką fizyczną, ale parametrem skorelowanym względem czułości ludzkiego oka, której szczyt przypada na barwę żółto-zieloną (fala o długości 555 nm).
W konsekwencji gdyby jedynym priorytetem w określaniu jakości światła był strumień świetlny, to najbardziej „opłacalne” byłoby skonstruowanie źródła świecącego tylko w tej barwie. Warto posłużyć się porównaniem maksymalnych teoretycznych skuteczności świetlnych dla światła monochromatycznego o tej barwie (683 lm/W) i światła białego świecącego w pełnym spektrum widzialnym (260 lm/W). To właśnie zdolność źródła do emisji światła w pełnym zakresie widma świadczy o jego późniejszej zdolności właściwego oddania barw.
Analizując skuteczność świetlną, nie można nie wspomnieć o sprawności opraw oświetleniowych. W przypadku opraw wykorzystujących tradycyjne źródła światła ich niedoskonałości „marnują” przeciętnie od kilkunastu do nawet kilkudziesięciu procent strumienia źródeł. W przypadku diod LED, zwłaszcza tych wykorzystujących do kształtowania wiązki soczewki, straty są znikome.
Niebagatelne w przypadku oświetlenia LED-owego jest wielokrotne zmniejszenie kosztów związanych z jego obsługą, czyli rzadsze wymiany (nawet dziesięciokrotnie) oraz możliwość ich planowania wynikająca z faktu, że diody LED w trakcie pracy powoli tracą strumień świetlny, nie przestają jednak działać. Dlatego podawana trwałość źródeł półprzewodnikowych związana jest ze spadkiem strumienia świetlnego (najczęściej do 70% strumienia początkowego), a nie z ich wygasaniem jak w przypadku źródeł tradycyjnych.
Zmiana sposobu oświetlania wnętrz
Należy sobie również zdać sprawę z faktu, że w zakresie oświetlenia LED dokonał się już bardzo duży postęp (aktualnie około 150 lm/W) i, biorąc pod uwagę limit fizyczny (260–300 lm/W), dalsze postępy w tej materii będą zapewne coraz trudniejsze i mniej spektakularne. Obecnie największe i najłatwiejsze do osiągnięcia możliwości tworzenia dodatkowych oszczędności tkwią w zaawansowanych układach sterowania oświetleniem, w maksymalnym wykorzystaniu światła dziennego oraz zmianie filozofii oświetlania wnętrz.
Oświetlenie jest zwykle tak projektowane, aby zapewnić właściwy poziom natężenia oświetlenia w sytuacji braku oświetlenia naturalnego. Ponieważ jednak natężenie światła słonecznego – zwłaszcza w pomieszczeniach przeznaczonych do pracy, w których ludzie przebywają w ciągu dnia – jest dość znaczne, udział oświetlenia sztucznego może być zredukowany bez szkody dla komfortu użytkowników. Do tworzenia współczesnych systemów tzw. oświetlenia aktywnego stosuje się czujniki poziomu i kierunku oświetlenia naturalnego, które są zlokalizowane wewnątrz i na zewnątrz budynków i sterują automatycznie układami redukującymi natężenie oświetlenia sztucznego. Szeroko stosowane są również czujniki obecności PIR. Dzięki tego typu układom i przy odpowiedniej architekturze budynku zaoszczędzić można do 75% kosztów energii elektrycznej.
Dodatkowe oszczędności można uzyskać dzięki zmianie sposobu oświetlania i redukcji poziomu natężenia oświetlenia w miejscach, gdzie jest ono zbędne. Biorąc jako przykład oświetlenie biurowe – oznacza to zmniejszenie poziomu natężenia oświetlenia ogólnego do 300 lx, dodatkowe doświetlenie stanowisk pracy do wymaganego poziomu 500 lx (również przy użyciu opraw przenośnych) oraz doświetlenie płaszczyzn widocznych (np. ścian) dodatkowymi dedykowanymi oprawami, jak również stworzenie akcentów świetlnych mających wpływ na odbiór estetyczny wnętrza i subiektywne postrzeganie jakości systemu oświetleniowego. Również w tym przypadku uzyskane oszczędności mogą być znaczne.
Biorąc pod uwagę oczekiwania w stosunku do źródeł światła wykorzystywanych w tego typu aktywnych układach oświetleniowych, takie jak zdolność redukcji strumienia świetlnego w bardzo szerokim (niemal 0–100%) zakresie i brak wpływu na trwałość oraz barwę światła, LED-y udowadniają tutaj swoją absolutną wyższość nad źródłami tradycyjnymi. Firma Wojnarowscy sp. z o.o. wprowadziła w tym roku do oferty produktów Spectrum LED i Spectrum LED Integra szeroki wachlarz opraw oświetleniowych i źródeł LED umożliwiających tworzenie tego typu nowoczesnych systemów.
Zmiana założeń projektowych budynków
W ostatnich latach, na fali działań zmierzających do redukcji emisji CO2, popularne stały się rozmaite sposoby klasyfikacji budynków w zakresie stopnia ich oddziaływania na środowisko. Powstało również wiele organizacji mających na celu ustalanie standardów tzw. zielonych budynków i przeprowadzanie audytów. Ma to znaczenie nie tylko wizerunkowe, ale w większości przypadków może się po prostu opłacać ze względu na ograniczenie kosztów eksploatacji, ulgi podatkowe, a czasem wręcz zmniejszenie kosztów inwestycji, a w konsekwencji większą atrakcyjność dla potencjalnych inwestorów lub najemców.
Typowymi cechami tego typu budynków jest tworzenie przemyślanej bryły architektonicznej, jej właściwego usytuowania względem kierunków geograficznych, zapewnienie możliwie wysokiej izolacyjności obiektu i ochrony przed nadmiernym, bezpośrednim nasłonecznieniem, jak również energooszczędność instalacji i redukcja emisji cieplnej urządzeń wewnątrz budynku, dzięki czemu często możliwe jest zastąpienie układu klimatyzacji skuteczną wentylacją bez pogorszenia komfortu użytkowników.
Jednym z międzynarodowych standardów audytorskich w zakresie budynków energooszczędnych jest BRE Environmental Assessment Method. Wymogi w zakresie projektowania oświetlenia w budynkach biurowych przewidują m.in.: doświetlenie minimum 80% przestrzeni światłem dziennym, instalację indywidualnie sterowanych rolet rozpraszających, odrębne sterowanie oświetleniem na maksymalnie cztery stanowiska pracy, lokalizację wszystkich stanowisk pracy w odległości nie większej niż 7 m od okna, lokalną, a nie ogólną instalację oświetleniową, obowiązkowe układy czujników oświetlenia naturalnego i automatyczne układy ściemniania.
W związku z coraz częstszym stosowaniem systemów elektronicznego zarządzania budynkami, jak również ze względów oszczędnościowych, projektanci częściej decydują się na zintegrowane prowadzenie instalacji sterującej i zasilającej poszczególne układy w budynku. W korpusach opraw oświetleniowych lokowane są już nie tylko czujniki obecności i poziomu natężenia oświetlenia zastanego, ale również czujniki przeciwpożarowe, alarmu, spryskiwacze, głośniki radiowęzła itp. W dodatku coraz częściej rezygnuje się z popularnych sufitów podwieszanych, ponieważ przestrzeń pomiędzy sufitem podwieszanym a stropem uważana jest według najnowszych trendów w architekturze za przestrzeń zmarnowaną (wyobraźmy sobie powierzchnię całkowitą, jaką daje przestrzeń sufitu podwieszanego o wysokości 30–50 cm na każdym piętrze w kilkudziesięciopiętrowym biurowcu), podczas gdy zmniejszanie wysokości pomieszczeń utrudnia stosowanie opraw oświetleniowych o dystrybucji bezpośredniej i pośredniej. Integracja wielu funkcji w oprawie oświetleniowej wymusza zmniejszanie gabarytów poszczególnych elementów.
Diody LED, w przeciwieństwie do tradycyjnych źródeł światła, większość energii zamieniają na światło, a tylko znikomą na ciepło. Dzięki bardzo niskiej emisji cieplnej w okresie wysokich temperatur pomagają zdecydowanie obniżyć koszty układu klimatyzacji w pomieszczeniach. Umożliwiają również konstruowanie bardziej kompaktowych opraw poprzez eliminację dużych odbłyśników. Dzięki źródłom LED można także zmniejszyć przekroje instalacji zasilającej oraz zredukować zabezpieczenia obwodów ze względu na mniejszy prąd pobierany. Zalety te mają wpływ nie tylko na zmniejszenie kosztów instalacji, ale również na estetykę nowoczesnych, „sterylnych” wnętrz.
Kryteria tworzenia oświetlenia
W dzisiejszych czasach przed projektantami oświetlenia stawiane są nowe zadania. Cytując J.A. Veitch, „oświetlenie to o wiele więcej niż zapewnianie widzialności”. Do tradycyjnych kryteriów, które bierzemy pod uwagę w fazie projektowania, takich jak odpowiedni poziom natężenia, unikanie refleksów i olśnienia, właściwa barwa i odpowiednie oddawanie barw, właściwe modelowanie i harmonijna dystrybucja światła, należy dzisiaj dołączyć jeszcze inne, czyli integrację światła naturalnego, możliwość adaptacji do zmieniających się sytuacji oświetleniowych, efektywność energetyczną, możliwość indywidualnej kontroli przez użytkowników oraz cechy estetyczne, obejmujące światło jako element wystroju. Znana japońska projektantka Motoko Ishii mawia, że „światło ma ogromny wpływ na ludzką wrażliwość – dociera do głębi duszy i rozbudza uśpione uczucia”.
Głównym aspektem wpływającym na zwiększenie komfortu i subiektywnego postrzegania jakości oświetlenia jest rezygnacja z jednego lub kilku głównych źródeł światła o stosunkowo dużej mocy, powodujących olśnienia i duże kontrasty, na korzyść bardziej precyzyjnego systemu z odrębną dedykacją do oświetlania płaszczyzn widocznych (np. ściany, sufit), płaszczyzn roboczych (np. biurka) oraz oświetlenia akcentującego elementy wystroju i architektury pomieszczeń. Dzięki temu mamy możliwość kontroli kontrastu, czyli różnicy w luminancji poszczególnych powierzchni, wpływającej w znaczny sposób na stopień męczenia się wzroku przez ciągłą adaptację oka oraz kreowania pomieszczeń o bardzo wysokim komforcie świetlnym. Jednocześnie ma to wpływ na zmniejszenie zużycia energii oraz znaczne zwiększenie atrakcyjności wizualnej pomieszczenia. Aktualnie istniejące źródła LED umożliwiają elastyczne kreowanie tego typu układów.
Harmonia oświetlenia
Pasjonatów oświetlenia od zawsze interesował jego wpływ na psychikę, emocje i samopoczucie ludzi. Na przełomie wieków niemiecka uczona Suzanne Fleischer przeprowadziła ze swoim zespołem bardzo ciekawe badania, których wyniki znane są pod pojęciem Harmonii oświetlenia. Przedmiotem badań był wpływ i preferencje użytkowników w zakresie rodzaju i barwy sztucznego światła w pomieszczeniach, w których pracowali. Naukowcy doszli do wniosku, że preferencje są zmienne i w dużym stopniu mają na nie wpływ warunki pogodowe.
W przypadku słonecznej pogody i bezchmurnego nieba użytkownicy preferowali oświetlenie pośrednie o chłodniejszym odcieniu, a w miarę wzrostu zachmurzenia i mniejszej ekspozycji na bezpośrednie promienie słoneczne ich preferencje przesuwały się w kierunku światła bezpośredniego o raczej ciepłej barwie. Potwierdzeniem tych badań może być fakt, że mieszkańcy ciepłych krajów Europy Południowej preferują chłodne oświetlenie o barwie 4000 K lub nawet 6500 K, podczas gdy w krajach położonych bardziej na północ użytkownicy częściej wybierają barwy cieplejsze 2700––3000 K.
„Trzecie oko”
Do równie ciekawych wniosków doszli naukowcy badający wpływ światła na stymulację aktywności ludzi. Odkryli oni w oku człowieka receptory niewizualne, nazywane potocznie „trzecim okiem”. Rytm życiowy każdego człowieka, okresy aktywności i snu zależą od poziomu melatoniny – hormonu produkowanego przez gruczoł szyszynki. Obecne w oku receptory niewizualne właśnie do szyszynki przekazują bodźce, które stymulują lub wstrzymują jej pracę. Tak się składa, że są one szczególnie wrażliwe na światło niebieskie o długości fali 410–460 nm. 18 lx takiego światła daje ten sam efekt co 450 lx światła białego. Ekspozycja na takie światło powoduje zahamowanie produkcji melatoniny, zwiększając naszą sprawność i aktywność. Już jakiś czas temu producenci tradycyjnych źródeł światła zaproponowali użytkownikom świetlówki liniowe o bardzo wysokiej temperaturze barwowej (8000 K), o widmie przesuniętym w kierunku barwy niebieskiej, ale funkcję tę znacznie lepiej można zrealizować z wykorzystaniem niebieskich diod LED załączanych czasowo w okresach spadku aktywności w cyklach dobowych.
Dzięki integracji układu oświetleniowego z systemem zarządzania budynkiem, wykorzystującym czujniki obecności, ruchu oraz poziomu natężenia oświetlenia zastanego, użytkowanie budynku staje się w dużej mierze bezobsługowe. Użytkownik nie musi sam włączać i wyłączać oświetlenia oraz ustawiać jego natężenia. Wystarczy, by określił swoje aktualne oczekiwania co do jego funkcji. Dzięki możliwościom nowoczesnych systemów LED użytkownik może określić funkcje oświetlenia w danym czasie.
I tak dostosowując pomieszczenie do pracy, zwiększamy poziom natężenia na płaszczyznach roboczych, zmniejszamy kontrasty, dodajemy chłodne akcenty (np. niebieską domieszkę w układach RGB). Natomiast aby w pomieszczeniu wypocząć, postępujemy odwrotnie: zwiększamy kontrasty, wygaszamy płaszczyzny robocze, zwiększamy natężenie oświetlenia akcentującego, dodajemy ciepłe akcenty itp. Ponadto oświetlenie RGB, jakie emitują diody LED, daje nieograniczone możliwości kreowania sekwencji świetlnych, zwiększając tym samym atrakcyjność i różnorodność estetyczną. Firma Wojnarowscy sp. z o.o. oferuje produkty służące zarówno do tworzenia systemów oświetleniowych w zakresie oświetlenia ogólnego, dedykowanego, akcentującego i ozdobnego, jak również do sterowania ich pracą.
Oddawanie barw
Pierwsze półprzewodnikowe źródła światła cieszyły się niechlubną sławą lamp mało wydajnych, ale również dających brzydkie, „trupie” światło. Ponieważ główny wyścig pomiędzy producentami odbywał się i dalej odbywa głównie na polu strumienia świetlnego i skuteczności świetlnej, parametrem, który często schodzi na plan dalszy, jest oddawanie barw. Tymczasem to właśnie tutaj możliwe są manipulacje, które zwiększą poziom strumienia świetlnego kosztem jakości oddawania barw. Jest to możliwe, gdyż zmysł wzroku jest na tyle doskonały, że potrafi tak skorygować światło o wyraźnej dominancie barwnej (np. żółto-zielonej), że jest postrzegane jako białe. Nie potrafi jednak zobaczyć kolorów, jeśli odpowiadająca im długość fali nie jest obecna w widmie światła. To właśnie było i, w przypadku wielu produktów wciąż oferowanych na rynku, dalej jest powodem kiepskiej jakości światła.
Najczęściej tzw. biała dioda jest w rzeczywistości diodą niebieską (ok. 450 nm), której widmo transformowane jest do szerszego spektrum zbliżonego do światła białego dzięki luminoforom. Wciąż stosowana w większości produktów starsza technologia polegała na użyciu tzw. żółtego luminoforu, który wprawdzie zapewniał dobrą skuteczność świetlną (pamiętajmy, że szczyt czułości oka ludzkiego przypada na barwę żółto-zieloną), ale słabo pracował w paśmie czerwieni. Było to powodem złych ocen jakości światła np. przy oświetlaniu skóry, której kolor zawiera dużo czerwieni. Przy braku czerwieni w widmie światła skóra wyglądała „trupio”. Mimo tej wady produkty mogły mieć współczynnik oddawania barw CRI (Ra) większy niż 80, ponieważ oddawanie innych barw było na dobrym poziomie. Nowocześniejsze technologie zastępują luminofor żółty mieszaniną luminoforu zielonego i czerwonego, które w połączeniu z barwą niebieską diody zapewniają elastyczne i precyzyjne kształtowanie widma. Jednym z producentów korzystających z tej technologii jest firma Toshiba LED, której generalnym dystrybutorem na rynku polskim jest firma Wojnarowscy sp. z o.o.
Kolejne schematy (wykres 7) pokazują porównanie odwzorowania barw przez nowoczesne diody LED oraz, dla porównania, przez najwyższej klasy ceramiczne lampy metalohalogenkowe, które ze wszystkich tradycyjnych źródeł światła charakteryzują się najlepszym oddawaniem barw w całym spektrum.
Podsumowanie
Biorąc pod uwagę ponad stuletnią historię oświetlenia elektrycznego i jego relatywnie powolny rozwój w ciągu tego okresu, w ostatnich latach mamy do czynienia z prawdziwą rewolucją technologiczną. Wśród produktów LED możemy znaleźć takie, które pod płaszczykiem nowej technologii oferują tak słabe parametry, że z trudem można je zaliczyć do produktów oświetleniowych. Jednocześnie wielu producentów wyrobów oświetleniowych wykorzystujących tradycyjne technologie, delikatnie mówiąc, nie wspiera tego rozwiązania, bo nie leży to w ich szeroko pojętym interesie. Tak czy inaczej LED-y nie są przyszłością oświetlenia – są teraźniejszością.
Ze względu na najnowsze osiągnięcia technologii LED trudno wskazać dziedzinę oświetlenia, w której tradycyjne źródła światła przewyższałyby źródła półprzewodnikowe. LED-y dają zupełnie fenomenalne możliwości kreacji systemów oświetleniowych, o fantastycznych, nieosiągalnych dotychczas możliwościach aranżacji, funkcjonalności i energooszczędności. Są jednocześnie śmiertelnym zagrożeniem dla wielu przedsiębiorstw działających w przemyśle oświetleniowym, które nie będą w stanie lub nie zdążą przystosować się do warunków tej nowej technologii.
Autor: Wojciech Lisiecki, dyrektor ds. rozwoju, Wojnarowscy sp. z o.o.