LED осветление и енергийна ефективност

Технологиите за осветление правят нещо повече от това да хвърлят светлина върху околното пространство. Те влияят на настроението ни, на здравето ни, на ефективността на работата ни. LED осветлението стана популярно заради своята икономичност, но всъщност изборът на диодната технология се определя не само от това колко вата изразходва то. Диодното осветително тяло има способността да пресъздава цветовете реалистично и да дава повече светлина от енергията, която консумира. 

Текст: списание Строители 

Мотивите за първоначалния възторг от светодиодното осветление бяха икономичността му и дългият живот на устройствата. Днес обаче оборудването на дадено пространство с диодни осветителни тела взема под внимание други фактори: колко добре се виждат цветовете, какво настроение създава, как влияе на здравето на хората в даденото пространство. За целта важни са цветната температура, индексът за цветопредаване (CRI) и едва тогава енергийната ефективност, която на свой ред се определя не просто от това колко вата мощност консумира лампата, а колко точно светлина излъчва с единица консумирана енергия. Свикнали сме да казваме, че светлината на нашите осветителни тела е „топла“ или „студена“, което ще рече по-червеникава или по-синкава. Това се нарича цветна температура. Измерва се в градуси по Келвин.  По-ниските цветови температури, около 2700К, изглеждат визуално „топли“ и имат повече червено-жълт нюанс. Цветовите температури в средния диапазон между 3500 до 4100K имат по-неутрален и бял вид. В другия край на скалата са високите цветови температури над 4100K, които имат хладен, синкав отенък. 

Енергийна ефективност 

Сред широката общественост е прието да се смята, че светодиодното осветление е икономично. При сравнение на LED крушка с обикновена крушка с нажежаема жичка можем да установим, че първата консумира значително по-малко електроенергия. За да измерим реалната енергийна ефективност обаче е нужно да знаем съотношението между отдаваната светлина и консумираната електроенергия – колко лумена светлина произвежда тялото от един ват ток. Това е съотношението лумен на ват (lm/W).  При старите крушки с нажежаема жичка ефективността е средно 16 лумена на ват (от 10 до 18) 9 до 25lm/W са налице при халогенните осветителни тела. Компактните флуорисцентни крушки са с ефективност средно 60 лумена на ват (42-75). При диодните технологии обаче не е необичайно да се достигне до 150 лумена на ват, а някои от новите разработки през последните години достигат над 170 лумена на ват! 

Индекс на цветопредаване

Когато посред бял ден погледнем който и да е обект в природата, ние сме в състояние да го видим благодарение на факта, че той отразява част от светлината на слънцето. Реално всеки обект абсорбира някаква част от слънчевата светлина и отразява друга част от нея – ние виждаме отразената.  При изкуственото осветление обектите също отразяват светлината. Ала ако самият светлинен източник не излъчва светлина в дадена част от спектъра, то тя няма как да бъде отразена. Това отговаря на въпроса защо някои цветове на дадени обекти се „променят“, когато ги осветяваме с изкуствена светлина.  Индексът на цветопредаване (CRI) измерва способността на даден източник на светлина да ни показва реалистично цвета на обектите. Прието е, че идеалният индекс на цветопредаване е този на слънчевата светлина. Той се приема за 100. Всички изкуствени източници, създадени от човешка ръка, се сравняват него. Интересно е да се знае, че светлината на крушката с нажежаема жичка също постига индекс на цветопредаване 100. 

Повечето от добре познатите технологии за осветление имат по-нисък индекс на цветопредаване. Например, прозрачните живачни лампи имат индекс 17. При флуорисцентните той варира от 51 до 89 в зависимост от технологията. Като цяло индекс на цветопредаване от над 80 се счита за добър. Днес обаче все по-често осветителните тела гарантират отличен CRI - над 90. Това е най-доброто осветление и е подходящо за домове и жилища, музеи, ресторанти.  Макар че изглежда като ясен и точен измерител за качеството на LED осветлението, CRI все пак не е абсолютен показател за избора. Индексът се калкулира на база възпроизвеждането на малка подборка от цветове, повечето пастелни, като се допуска, че ако тези цветове се показват добре, то значи така ще е и с всички други цветове. Но, подобно на цветната температура, най-добрият начин да се разбере крайния резултат е да се вземат мостри и да се осветят, за да се види възпроизвеждането на цветовете. Така може да се окаже изненадващо, че едно осветително тяло с 85 CRI работи отлично, а друго осветително тяло с 95 CRI е „живо разочарование“.

В крайна сметка всички специалисти от областта признават, че съществуващата система за оценка на цветовете е твърде несъвършена и има нужда от „ремонт“. Ето защо Обществото за осветително инженерство (IES) работи по по-всеобхватна замяна на CRI, наречена IES-TM-30-15. Тъй като тя е доста по-прецизна, изисква и значително по-задълбочено разбиране на цветовете. Затова CRI продължава да се използва масово в цялата индустрия и вероятно това ще продължи да е така още известно време.  Ахилесовата пета на оценките за цветовото възпроизвеждане се оказва един наситено червен цвят, известен още като R9. R9 се счита за много важен, дори за най-важен параметър на въпроизвеждането на нюансите на човешката кожа. Изначално той не е включен сред тестовите цветни образци, използвани за изчисляване на CRI, затова от осветителите се изисква да го оценяват допълнително. Това е важно при планирането на интериорни пространства, в които ще присъстват хора, като и за осветяването на червени обекти – фасади, цветни акценти и др. 

Светлината като средство за въздействие 

Различните пространства се нуждаят от различни цветови температури и оценки на индекса за цветопредаване. Например, качеството на светлината, което се изисква за мокрото помещение на хотел, е много по-различно от това, което трябва да се използва в ресторанта или бара на същия хотел. За сервизните помещения основните цели могат да бъдат яркостта и икономията на енергия – за прането не е важно лампата да има добро цветопредаване, а да е силна светлината. Тук CRI може да е по-нисък, но е съществено да има възможно повече лумени светлина с възможно най-малко ватове електроенергия.  В зоната с ресторанти и барове обаче е желателно всеки детайл от интериора да изглежда приятно за окото. Затова би било добре да е налице CRI от поне 80, а още по-добре е CRI над 90. За подобни пространства, където посетителите искат да се почувстват приятно, е хубаво CRI при R9 (наситеното червено) да е около или над 50. Подобно на CRI, цветната температура също е много важна за приложението. Сервизното помещение може да се осветява с по-“хладен“ източник на светлина, с в ресторанта и бара искаме да създадем уют и топлота, затова е по-добре да потърсим по-топла светлина. Там обстановката може да се осветява с тяло с 2700K светлина. 

Здравни аспекти

С популяризирането на светодиодното осветление се заговори и за въздействието му върху здравето. През 2017г. Американската медицинска асоциация (AMA) излезе с официално изявление, в което предупреди, че градските власти трябва сериозно да се замислят за здравето на жителите си при инсталирането на яркото ново поколение диодно осветление по обществени места. Колко сериозен е проблемът?  Цветната температура е един от големите проблеми на диодното осветление. Когато е в синкавия спектър, светлината всъщност може да увреди ретината, казват лекарите. Наред с това синкавите светлини влияят на нервната система, което води до смущения в съня. Нарушаването на човешките “циркадни ритми“ (редуването на сън и будуване) има редица неприятни последствия – умора, нервност, напрежение, нарушена концентрация, нарушена трудоспособност, световъртеж и др. Това, впрочем, е причината, поради която всички съвременни смартфони имат „вечерен“ режим с намаляване на излъчването на светлина от синия край на спектъра. Препоръката на медиците е дори уличното диодно осветление да се изгражда при цветна температура около 3000 градуса Келвин – тоест в по-“топлия” спектър на светлината. 

Влияние върху околната среда 

Когато става дума за осветление за външно приложение, диодното осветление е рисково не само за хората. Неговата яркост може да повлияе зле на дивата природа. Светлините заблуждават дивите животни и нарушават миграцията на птиците, изменят се храненето и поведението на животните при сън. Това е важно да се знае при реализацията на проекти за екстериорно осветление и осветление на специфични обекти (монументи и др.), тъй като нормите за опазване на околната среда стават и ще стават все по-стриктни. 

Топлина и охлаждане

В процеса на работа диодите отделят значителна топлина, което може да доведе до тяхното увреждане. Това налага да се предвиди охлаждането им. Като цяло производителите на диодно осветление имат грижата да вградят възможно най-добрите технологии за охлаждането на диодните осветителни тела. Все пак осигуряването на добро проветрение помага да се осигури дълготрайната работа на LED осветлението.  При високоефективните светодиоди охладителният компонент представлява значителна част от устройството и това трябва да се вземе под внимание при проектирането на осветителната система.  Специално внимание е нужно да се обърне на охлаждането на водоустойчивите диодни системи. Те са капсуловани по един или друг начин, което намалява възможностите им за проветрение и охлаждане. При някои водоустойчиви LED дори е предвидено да бъдат постоянно под вода и именно водата да бъде техният охладител. Това означава, че без мокрене те не се охлаждат и тяхното качество бързо ще деградира. 

Следващото поколение OLED

OLED са органични светодиоди, за които в последно време се говори, че са по-добрият вид диоди и че ще „заменят“ вече популярните „обикновени“ диоди. По-дълготрайни са: ако средният LED има живот 50000 часа, органичният може да достигне 100000 часа. Постигат и завидно добра енергийна ефективност: около 140 лумена на ват.  Сравнени с LED, органичните светодиоди имат някои характеристики, които могат да ги направят предпочитани за редица приложения. OLED осветлението работи чрез електрическо възбуждане на изключително тънки слоеве от органичен полупроводников материал за генериране на мека, естествена светлина без ярки отблясъци. Това ги прави подходящи за различни концепции за интериорен дизайн, което включва и различни по форма осветителни тела. OLED могат да се поставят върху различни гъвкави и твърди основи, включително върху стъкло (например върху огледало), пластмаси, метали, дрехи и керамика. Тази гъвкавост позволява създаването на OLED осветителни тела с широк ъгъл на осветяване, в най-различни форми. 

OLED нямат драматичен проблем с охлаждането. Но най-хубавото е, че имат прекрасен индекс на цветопредаване – над 90. Затова се считат за прекрасни като осветление, например, за музеи, където е важно пресъздаването на реалистичните цветове на изложените обекти. Наред с това OLED не излъчват ултравиолетови лъчи, така че не увреждат материите. По този начин са прекрасни за оставяне на трайно и силно впечатление у посетителите.  Ценно е, че органичните диоди нямат силни отблясъци. Това ги прави подходящи за болници и лаборатории, както и за модерни офиси, където интериорът е доминиран от стъкло, метал, полирани материи. Светлината на OLED се възприема като „мека“ и много приятна.  Много съществена подробност е, че т. нар. кехлибарен OLED няма син компонент на светлината. Това може да е проблемно при някои дизайни, но от друга страна е добре дошло за приложения, при които светлината може да има влияние върху човешкото здраве – например за осветяване на здравни заведения, домове за възрастни и др. Не влияе на циркадните ритми и на нервната система. 

Бъдещето - лазерни LED

И докато практическият свят все още е видял малко реализации на OLED, то специалистите все повече коментират, че бъдещето на диодното осветление е в... лазерите. Лазерният диод има редица важни предимства. На първо място лазерните диоди са значително по-малки от своите LED колеги. Фактът, че лазерен диод може да произвежда до 1000 пъти повече светлина само за 2/3 от енергията на класическия диод означава, че е възможно дори да осветим цяла къща, използвайки само един-единствен лазерен диод. Как става това? Решението е в оптични кабели. Тези кабели могат да разпределят светлината от лазерен диод върху полупрозрачна пластмаса. Това превръща мощния лъч светлина в топъл, разсеян блясък. Само с няколко лазерни диода можем да получим светлина в различни помещения. Първите комерсиални системи за осветяване с лазерни диоди вече се прилагат в автомобилите. 

LED прозорци 

Когато се вземат предвид всички предимства на светодиодните технологии за осветление, не е изненадващо, че наред с всички други приложения тази технология даде тласък на „изкуствените прозорци“. Това са правоъгълни осветителни тела, предназначени да симулират присъствието на прозорци в помещения, където реално няма (или има недостатъчно) прозорци. Високият индекс на цветопредаване на съвременните диоди и тяхната цветна температура позволяват осветителните тела да изглеждат така, сякаш наистина през тях „грее“ слънцето. 

Подобни прозорци могат да помогнат за справянето с нервни разстройства и депресия у служителите в офиси и цехове, където недостатъчната дневна светлина се отразява отрицателно в психо-емоционален план. Изкуствените прозорци се проектират така, че имат дори „сянка“, която се мести „в зависимост от разположението на слънцето“. Терапевтичното въздействие на подобни изкуствени прозорци не може да отмени нуждата от квалифицирана лекарска помощ за страдащите от депресии, но може да помогне за тяхното лекуване и възстановяване. Панелите са вече много популярни сред болници, санаториуми и други заведения за здравна грижа, включително домове за възрастни.