Zeitschrift EE

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2010-01

Nachhaltige Gebäude

Abbildung 1: Sitzungssaal (Quelle: Bartenbach Lichtlabor)

Im Rahmen des Programmes ,Energy Conservation in Buildings and Community Systems‘ (ECBCS) der internationalen Energieagentur IEA [1] wurde das Projekt »Energy Efficient Electric Lighting for Buildings« (Annex 45) durchgeführt [2].
Ziel des Projektes war, den Gebrauch energieeffizienter und qualitativ hochwertiger Lichttechnologien zu fördern, um den erwarteten Anstieg des elektrischen Energieverbrauchs einzudämmen.

Energieeffiziente Beleuchtung

Von Wilfried Pohl *

Dazu wurden die bestehenden technischen Möglichkeiten zur Energieeinsparung dokumentiert und das Potential für zukünftige technische Entwicklungen abgeschätzt.
Das Projekt wurde von Prof. Liisa Halonen, Helsinki University of Technology, geleitet. Es ist in 4 Teilprojekte (Subtasks) gegliedert, Subtask B (Innovative Lichttechnologien) wurde vom Autor geleitet.

Energie für die Beleuchtung von Gebäuden

Die Beleuchtung ist ein bedeutender Stromverbraucher und verursacht einen erheblichen Teil der Wartungskosten in vielen Gebäuden. Weltweit werden ca. 20-30% der elektrischen Energie, die für Gebäude aufgewandt wird, für die Beleuchtung benötigt, und bis 2030 wird ein Anstieg um ca. 80% prognostiziert [3]. Zusätzlich verursacht die künstliche Beleuchtung in Gebäuden derzeit ca. 15 bis 25% der Kühllasten.
Die EUP-Richtlinie (Energy Using Products) 2005/32/EG vom 10. August 2007 schreibt eine stufenweise Einführung von Mindestenergieeffizienzklassen für Lampen vor, was u.a. zum umstrittenen ,Glühlampenverbot‘ geführt hat.
Und am 22. April 2009 hat das Europäische Parlament beschlossen, dass alle neuen Gebäude ab 2019 sogenannte Null-Energie-Gebäude sein müssen, d.h. Gebäude, die soviel Energie erzeugen wie sie verbrauchen. Für solche Gebäude wird der Stromverbrauch ein entscheidender Kostenfaktor werden.
Welches Sparpotential im Einsatz hochwertiger Komponenten und Technologien steckt, zeigt allein dieses Beispiel: die Allgebrauchsglühlampe, die immer noch meist verkaufte Lampe der Welt, erzeugt zwar nur 5 - 10% des weltweiten Lichtstromes, verbraucht aber ca. 30% der elektrischen Energie die für Beleuchtung aufgewandt wird [3]!
Über 90% der Beleuchtungsinstallationen weltweit sind älter als 20 Jahre, d.h. diese Installationen sind veraltet und ineffizient. Der Ersatz dieser veralteten Technologien (Lampen, Betriebsgeräte, Steuerungen, Leuchten) erhöht die Beleuchtungsqualität und stellt ein großes Energiesparpotential dar.
Eine intelligente Architektur, die das Tageslicht ausnützt, sowie der Einsatz von energieeffizienten Beleuchtungstechniken wären prinzipiell in der Lage, diesen Energieverbrauch auf weit weniger als die Hälfte zu senken [4]. Berücksichtigt man den mit der elektrischen Endenergie verbundenen Primärenergieverbrauch (ca. das 2,5 - 3fache), so kann damit ein wesentlicher Beitrag zur Verringerung des globalen Energie- und Ressourcenverbrauches und der Treibhausgase geleistet werden [4].

Vom elektrischen Strom zur Helligkeit

Die Umwandlung von elektrischer Energie in Helligkeit erfolgt in drei Technologie-Schritten, ausgehend vom elektrischen Anschluss bis hin zu den erzeugten Helligkeiten an den Raumoberflächen (visuelle Umgebung): die Lampe (inkl. Betriebsgeräte), die Leuchte und der Raum.
Die Lampe wandelt elektrische Leistung in Lichtstrom um, die Leuchte verteilt diesen Lichtstrom entsprechend der Beleuchtungsaufgabe im Raum, und der Raum schlussendlich verstärkt oder vermindert diesen Lichtstrom über Reflexionen und wandelt ihn in Oberflächenhelligkeiten (visuelle Umgebung) um.
Die Effizienz dieser verschiedenen Transformationen wird beschrieben durch

  • die Lichtausbeute der Lampe (in lm/W inkl. Betriebsgeräte)
  • den Leuchtenbetriebswirkungsgrad (in %)
  • den Raumwirkungsgrad (in %)

Das Produkt dieser drei Faktoren ergibt die Gesamteffizienz der Beleuchtungsinstallation [4,5].

Kleiner Lichttechnik-Glossar
Viele Lichtquellen geben ihre Strahlungsleistung nicht nur im Bereich sichtbarer Strahlung ab. Und auch innerhalb des sichtbaren Bereiches ist das menschliche Auge unterschiedlich empfindlich. Licht-Anteile von den Rändern des sichtbaren Bereiches rufen weniger starke Empfindungen hervor als Anteile aus der mitte dieses Bereiches.
Der Lichtstrom (engl. luminous flux) quantiviziert genau jenen Teil der Strahlungsleistung, der im Auge wirksam wird. Im Grunde könnte man ihn - als Bestandteil der gesamten Strahlungsleistung - auch inWatt messen. Wegen der Bedeutung für die Lichttechnik und aus traditionellen Gründen hat diese Größe aber eine eigene Einheit: Lumen.
Analoges gilt für die "Empfängergröße" der Lichttechnik, die Beleuchtungsstärke (engl. illuminance). Sie wird in Lux angegeben und gibt an, wieviel Lumen auf einen Quadratmeter einer Empfängerfläche treffen.
Die Lichtausbeute ist der Quotient aus dem Lichtstrom, den eine Lampe abgibt, und der Leistung, die sie im Betrieb konsumiert. Sie wird in Lumen pro Watt angegeben; der Leuchtenbetriebswirkungsgrad gibt an, weieviel Prozent des erzeugten Lichts tatsächlich aus der Leuchte hervordringen.

Ein entscheidender Punkt ist die Auswahl der richtigen Lampe, die die erforderliche Lichtqualität (Spektrum, Farbtemperatur TF und Farbwiederrage Ra) und die geforderten Betriebseigenschaften aufweist. Die Lichtausbeute reicht dabei von ca. 10lm/W der Allgebrauchsglühlampe bis hin zu ca. 100lm/W für Gasentladungslampen (z. Bsp. Leuchtstofflampe).
Hochwertige Leuchten, die Wirkungsgrade zwischen 70 und 90% (je nach Anwendungszweck) erreichen, sorgen für eine optimale Verteilung dieses Lichtstroms im Raum und erzielen auf diese Weise einen optimalen Raumwirkungsgrad. Dabei spielen auch die Raumoberflächen eine entscheidende Rolle: erhöht man z. Bsp. den mittleren Reflexionsgrad der Raumbegrenzungsflächen von 20% auf 70% so steigt die mittlere Beleuchtungsstärke durch Vielfachreflexionen um ca. 80%!
Hoffnungsträger für energieeffiziente Beleuchtungen in der Zukunft sind die LED (Leuchtdioden, punktförmige Lichtquellen, derzeit ca. 60-80lm/W), die bereits jetzt ihren Einzug in die Allgemeinbeleuchtung vollzieht, und die OLED (organische LED, flächige Lichtquellen), die in den nächsten 10 Jahren den Markt erobern wird. Beide Lichtquellen bieten eine hervorragende spektrale Qualität und optimale Betriebseigenschaften, und für beide Lichtquellen wird eine Lichtausbeute bis zu ca. 150lm/W prognostiziert.

Abbildung 2: LED Leuchte (Quelle: Bartenbach Lichtlabor)

Für den Energieverbrauch ist neben der Effizienz der Beleuchtungsinstallation die Betriebsdauer der Anlage entscheidend. Diese Betriebszeiten können gering gehalten werden, in dem möglichst viel Tageslicht genutzt wird (intelligente Architektur) und das Licht intelligent gesteuert wird (z. Bsp. durch tageslichtabhängige Dimmung und Anwesenheitssensoren).
Ein Wartungsplan, der regelmäßige Überprüfungen, Reinigung und Erneuerung von veralteten Komponenten (insbesondere Lampentausch vor Ausfall) regelt, sorgt für einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage.

Abbildung 3: Halbierung des weltweiten Endenergieverbrauchs von 2005 bis 2030 [4]

Abbildung 4: LED im Detail

Abbildung 5: LED Leiste (Quelle: Bartenbach Lichtlabor)

Ausblick

Von den weltweit eingesetzten und im Nichtwohnbereich dominierenden Leuchtstofflampen (LL) sind mehr als die Hälfte T12-Lampen (38 mm Durchmesser, seit über 30 Jahren veraltet), die inzwischen eingeführte T5-Technik (16 mm Durchmesser) kann zusammen mit modernen elektronischen Vorschaltgeräten den Energieverbrauch und die Kosten stark reduzieren.
Im Wohnbereich dominiert nach wie vor die Allgebrauchsglühlampe, ein Ersatz durch Halogen Glühlampen bzw. LED kann den Großteil des Energieverbrauchs einsparen. Ein Ersatz durch die Kompaktleuchtstofflampe (sogenannte Energiesparlampe) ist dort sinnvoll, wo auf die Lichtqualität der Glühlampe (spektrale Qualität und Brillanz) verzichtet werden kann.
Im Zuge des Projektes wurden verschiedenste Szenarien durchgerechnet und die entsprechenden Energieverbräuche für elektrische Beleuchtung in Gebäuden ermittelt.
Ein optimistisches aber durchaus realistisches Szenario führt zu der unten im Diagramm dargestellten Entwicklung des Stromverbrauches. Die Berechnung geht von einer Zunahme des benötigten Lichtstromes von 50% bis 2030 aus. Trotzdem wird vor allem durch das Auslaufen der Allgebrauchsglühlampe und ineffizienter Halogen Glühlampen sowie durch den Ersatz alter T12-Leuchtstofflampen (38 mm Durchmesser) durch die T5 (16mm) der Stromverbrauch bis 2015 halbiert ! Die LED spielt vorerst eine untergeordnete Rolle, da es bis 2030 dauert, bis die LED eine spürbare Marktdurchdringung erreicht.
Die weitere Verringerung des Verbrauchs von 2015 bis 2030 ist zurück zu führen auf das komplette Verschwinden der Allgebrauchsglühlampe, auf einen generellen Anstieg der Lichtausbeuten der Lampen sowie auf den Ersatz überalterter Beleuchtungstechnologien (Leuchten, Betriebsgeräte etc.).

Zusammenfassung

Eine intelligente Architektur, die das Tageslicht ausnützt, sowie der Einsatz von energieeffizienten Beleuchtungstechniken wären prinzipiell in der Lage, den elektrischen Energieverbrauch für Beleuchtung auf weniger als die Hälfte zu senken.
Beim Bemühen um Energieeffizienz sollte aber nicht außer Acht gelassen werden, dass die Beleuchtungsqualität im Vordergrund zu stehen hat, die ganz massiv über die visuelle Umgebung unsere Lebensqualität beeinflusst. Im Beleuchtungssektor sind wir durch die bereits verfügbaren und zukünftigen Technologien in der glücklichen Lage, den zunehmenden Lichtbedarf und Qualitätsanspruch mit abnehmendem Energieverbrauch zu vereinbaren.
Das Projekt wurde in Österreich vom BMVIT (Betreuer Herr DI Werner Weiß) gefördert.

Literatur

  • [1] IEA, Internationale Energie Agentur, eine zwischenstaatliche Einrichtung zur Förderung
    energiesparender Technologien und Aktivitäten, http://www.iea.org/
  • [2] http://www.lightinglab.fi/IEAAnnex45
  • [3] Light’s Labour’s Lost. International Energy Agency IEA Publications, France
  • [4] Guidebook on energy efficient electric lighting, IEA, Annex 45, 2009, erscheint demnächst
  • [5] Tetri, E. & Pohl, W. (2008) Concepts and techniques for energy efficient lighting solutions
    IEECB Frankfurt

*) Mag. Wilfried Pohl leitet als Prokurist die Forschung im Bartenbach LichtLabor, Email: This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. [^]

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