Strømbesparelse på lysanlæg

Strømbesparelse på lysanlæg Afleveret: 24. september 2004 P0-projekt gruppe B212

Titel: Strømbesparelse på lysanlæg Tema: Virkelighed og modeller Projektperiode: 2.-24. september 2004 Projektgruppe: B212 Deltagere: Kim Laugesen Asger van der Wehl Henrik Dalsager Martin Nøhr Nielsen Mads Lauridsen Niels Terp Kjeldgaard Jørgensen Synopsis: I dette P0-projekt er der arbejdet med strømbesparelse på lysanlæg. I problemanalysen er miljømæssige og økonomiske aspekter blevet undersøgt. Endvidere er der arbejdet med teknologien bag armaturer. Her er konventionelle reaktorer og højfrekvente forkoblinger blevet undersøgt. Herefter er der foretaget et forsøg hvor effektforbrug og belysningsstyrke er målt. Desuden er der gennemført interviews med institutioner som har skiftet Vejleder: Pauli Minnaar Oplagstal: 12 stk. Sideantal: 18 sider Bilagsantal og -art: 2 stk. Afsluttet den 23. september 2004 lysanlæg. Til slut er der konkluderet på om det kan betale sig at bruge højfrekvente forkoblinger. Rapportens indhold er frit tilgængeligt, men offentliggørelse (med kildeangivelse) må kun ske efter aftale med forfatterne. Afleveret: 24. september 2004 Side 1 af 18

Forord Denne rapport er udarbejdet i forbindelse med vores P0-projekt ved Aalborg Universitet. Fra perioden 2. september til 24. september 2004 har vi arbejdet med temaet Virkelighed og modeller. Målgruppen har været andre studerende på basisårets elektronik og elektroteknik-linje. Vi vil gerne takke vores vejleder Pauli Minnaar fysiklaboratoriets bestyrer Carsten Jørgensen Jens Jørgen Nøhr Nielsen, direktør for Energicenter Ringkøbing og opland A/S Bjarne Andersen, Humlehaveskolen, Odense Kommune Keld Bo Jensen, elektriker ved Aalborg Universitet Indholdsfortegnelse Forord... 2 Indholdsfortegnelse... 2 1. Indledning... 3 2. Problemanalyse... 3 2.1 Miljø... 3 2.2 Økonomi... 5 2.3 Lysteknik for større belysnings anlæg... 6 2.3.1 Klassisk løsning / traditionelle rør... 7 2.4 Teknisk info om højfrekvente armaturer... 8 2.4.1 Netfilter... 8 2.4.2 Ensretter... 8 2.4.3 HF generator... 9 2.4.4 Kontrolkreds... 9 2.4.5 Grafer... 9 2.5 Krav til lys i hverdagen... 10 3. Problemformulering... 11 4. Problemafgrænsning... 11 5. Forsøg... 11 5.1 Teknik... 11 5.2 Enheder... 11 5.3 Forsøgsbeskrivelse... 12 5.4 Materialeliste... 13 5.5 Målinger... 13 5.6 Proportionalitet mellem belysningsstyrke og effekt... 13 5.6.1 Målinger og regression... 14 5.7 Fejlkilder... 14 5.8 Vurdering... 14 6. Interviews... 15 7. Perspektivering... 16 8. Konklusion... 17 9. Kildeliste... 18 Bilag 1 og 2 er placeret bagerst i rapporten Afleveret: 24. september 2004 Side 2 af 18

1. Indledning Oversvømmelse, ørken og andre globale klimaændringer kan blive fremtiden, hvis udledningen af drivhusgasser fortsat stiger eksponentielt. Drivhusgasser, som både kan være naturlige og menneskeskabte, betyder nemlig at varmen fra solens stråler ikke kan slippe ud af jordens atmosfære. Dette er nogenlunde samme effekt som i et drivhus, deraf navnet drivhuseffekten. Den øgede mængde drivhusgasser opstår fx når der bruges fossile brændstoffer til energi-produktion. Siden industrialiseringen er behovet for energi steget og dermed er udledningen af gasser steget tilsvarende. I denne rapport undersøges det, om det er muligt at nedsætte energiforbruget, og evt. hvordan. 2. Problemanalyse 2.1 Miljø Verdenssamfundet er i dag meget vagtsomt overfor udledning af drivhusgasserne. FN har oprettet et klimapanel kaldet IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Panelet blev grundlagt i 1988 og har til opgave bl.a. at undersøge videnskabelig litteratur om klimaændringer og deres virkninger. 1 IPCC har fundet ud af 2 at den globale middeltemperatur ved jordoverfladen er steget 0,3-0,6 o siden slutningen af det 19. århundrede at den globale vandstand er steget 10-25 cm i løbet af de sidste 100 år at de seneste år har været de varmeste siden 1860 at årstiderne har forskudt sig, så foråret kommer tidligere og efteråret senere FN og dets medlemmer blev herved opmærksomme på situationens alvor, og derfor underskrev 154 lande i 1992 en konvention, som skulle forhindre menneskeskabte klimaændringer pga. drivhusgasser, i Rio de Janeiro. Denne konvention kaldes UNFCCC (United Nations Framework Convention on Climate Change) og gennem denne forpligtede mange industrilande sig i 1997 til at mindske deres udslip af drivhusgasser. Denne del af konventionen kaldes Kyoto-protokollen. 3 Drivhusgasser består hovedsageligt af kuldioxid (CO 2 ), metan (CH 4 ), lattergas (N 2 O) og andre industrielle gasser. CO 2 -udslippet udgør 78 % 4 af de samlede gasser. Da drivhusgasserne ikke forurener lige meget omregnes de alle til en CO 2 -ækvivalent, og her udgør CO 2 over halvdelen af forureningen. Gennem Kyoto-protokollen har Danmark forpligtet sig til at nedbringe udslippet af drivhusgasser med 21 % i år 2008-2012 set i forhold til 1990 5. Dette er et ret højt tal da landene i EU gennemsnitligt skal reducere udslippet med 8 %. Størstedelen af udslippet opstår når der skal produceres energi. Ved at anvende vedvarende energi kan udslippet reduceres, men den vedvarende energis andel af hele produktionen er ikke stor nok til at mindske udslippet med 21 %. Jf. Energistyrelsen 6 producerede danske vindmøller (som leverer langt den største del af vedvarende energi) i år 2002 17557TJ ud af en samlet nettoproduktion på 134332TJ. Dette svarer til en andel på ca. 13 %. Afleveret: 24. september 2004 Side 3 af 18

Ovenstående tal er for el-produktionen da det er denne type energiproduktion, som giver det største udslip per energienhed. CO 2 -udslippet fra energiproduktionen kan ses på tabellen fra Elsparefonden nedenunder 7 : Energiform Kg CO 2 per GJ Fjernvarme, biomasse (snit) 10 Fjernvarme, gas/kraftvarme (snit) 20 Fjernvarme kulkraftvarme (snit) 50 Naturgas 57 Olie 74 Kul 95 Elektricitet 220 Da man ikke kan nedbringe udslippet nok ved at bruge vedvarende energi, er det nødvendigt at spare på energien. Da el-produktionen, er den energiform der forurener mest i Danmark, er det oplagt at skære ned på elforbruget. Jf. Energistyrelsen bruger Danmark 116542TJ på el 8. Heraf udgør det offentlige elforbrug 12,5 % og husholdningernes elforbrug 25 % 9. Forbruget i det offentlige og private afhænger af effektiviteten af de brugte apparater hvor mange der er hvor tit de bliver brugt Der findes i dag mange A-mærkede produkter, fx køleskabe, frysere og pærer, men selvom de bruger mindre strøm er elforbruget alligevel steget. Dette skyldes bl.a. at husholdningerne og det offentlige har fået flere elektriske apparater. (de to figurer er fundet på http://www.elsparefonden.dk/) På grafen for det offentliges forbrug kan man se at det er svagt stigende, og at hovedparten af energien bruges på belysning. I denne rapport har vi valgt at koncentrere os om energiforbruget i den offentlige sektor. Dette skyldes bl.a. den vedvarende debat om energibesparelser. Inden for det offentlige er der ligeledes kommet nogle lovbestemmelser, der skal hjælpe med at reducere energiforbruget. 10 Afleveret: 24. september 2004 Side 4 af 18

2.2 Økonomi I dette afsnit undersøges økonomien. i det offentlige, i henhold til brugen af almindelige og højfrekvente (HF) lysarmaturer. Der tages udgangspunkt i et eksempel 11, der behandler elbesparelser på udvalgte skoler. Disse besparelser opnås ved at opsætte HF lysarmaturer i stedet for ældre traditionelle lysarmaturer uden HF forkoblinger. Grunden til at besparelsen skal findes på belysningsområdet, er at 25 % af det samlede elforbrug i skoler, bruges til belysning. I eksemplet står skrevet, at belysningsanlæggene, som er af ældre dato skal udskiftes, og at man derfor skal investere i nye anlæg. Det er her oplagt, at opsætte belysningsanlæg, som er økonomiske og miljømæssigt fordelagtige. Når valget ender på HF armaturer, skyldes det, at den samlede installerede effekt kan nedbringes, i lokalerne der skal belyses, til 6,2W/m 2, hvorimod den gennemsnitlige installerede effekt ligger på 15,3W/m 2, når man ser på ældre installationer uden HF forkoblinger. Elforbruget reduceres altså med cirka 60 %. Dette giver først og fremmest en direkte besparelse på elregningen. Derudover vil der være en indirekte økonomisk besparelse til lyskilder, lyskildeudskiftning, vedligehold af armaturerne og reinvestering. Der vil altså være en økonomisk gevinst på vedligeholdelsessiden, idet HF lyskilderne (T5-rør) har en forventet levetid på ca. 18.000 timer, hvor gamle lyskilder har en forventet levetid på 9.000 timer. HF armaturerne er desværre ikke gratis, og derfor er der også forbundet en udgift med at skifte til disse. Ved installationen af HF armaturer, skal der investeres i armaturerne, og evt. lys- og bevægelsessensorer, for at opnå størst mulig elbesparelse på systemet. Denne investering skal umiddelbart tilbagebetales ved hjælp af besparelsen på elregningen. For at investeringen bliver interessant for beslutningstagerne, er det vigtigt, at investeringen ikke bliver for langsigtet. Der er altså en grænse for hvor lang tid tilbagebetalingstiden må være, for at beslutningstagerne vil acceptere denne. Det offentlige taler om en acceptabel tilbagebetalingstid på maximalt 6 år, hvor erhvervslivet snakker om 3 år. 12 I eksemplet vil tilbagebetalingstiden ca. være 10-15 år, hvis investeringen udelukkende tilbagebetales ved hjælp af besparelser på elregningen. Det vil derfor være nødvendigt at se på supplerende betalingsmuligheder. Elsparefonden yder tilskud til projekter i den offentlige sektor, der har til formål at spare på strømmen. Ved belysningsinstallationer, hvor man installerer HF belysning, yder de 40kr/m 2. Investeringen bliver derfor mere rentabel. Tilbagebetalingstiden vil nu kunne reduceres væsentligt, og i eksempel 2 13 reduceres nettoinvesteringen med 24 % efter tilskuddet fra Elsparefonden. Tallene varierer selvfølgelig fra projekt til projekt, da størrelsen af installationerne har betydning for den samlede investering. Tilbagebetalingstiden, eller afskrivningsperioden, er som sagt en meget vigtig faktor, når man taler om indførelse af HF armaturer. Desto mindre denne er, desto mere tiltrækkende vil investeringen være for beslutningstageren. Følgende giver en illustration af, hvordan afskrivningsperioden kan beskrives: Symbol t P-B (år) P (kw) C (kr.) E (kr./kwh) t B (t/år) Forklaring Afskrivningsperiode Forskel i strømforbrug mellem armaturer med magnetisk reaktor og armatur med HF Meromkostning for armaturer med HF jvf. Armatur med magnetisk reaktor Elektricitets-pris Brændetimer pr. år Afleveret: 24. september 2004 Side 5 af 18

t P B C = P* E * t Som det ses ovenover vil investeringen være fordelagtig, når tælleren er relativ lille og når nævneren er relativ stor. Dermed kan investeringen i HF armaturer betale sig i visse tilfælde. Dette kommer sig af, at P er forholdsvis stor ved indførelse af HF armaturer. Dertil kommer at udgifterne til vedligehold af armaturerne ikke er inddraget i udtrykket. Lysstofrørets levetid er i et HF armatur fordoblet i forhold til alm. armaturer, og dette vil selvfølgelig også nedsætte tilbagebetalingsperioden. Næste aspekt når man ser på rentabiliteten af investeringen, vil være at se på informationen overfor installatørerne og producenterne. Disse skal være klar over det nuværende markeds størrelse, for på den måde at gøre dem interesseret i, at udvikle/tilbyde prisbillige og energioptimale løsninger, som kan dække behovet. Hermed bliver investeringen mindre. En større efterspørgsel af de nye energieffektive lysarmaturer vil gøre fremstillingen af produkterne billigere. Her har det offentlige et forspring, da man vil lave nogle store installationer, når man skifter de gamle armaturer ud med de nye, og dermed kan opnå fastprisaftaler både med leverandører og installatører. B 2.3 Lysteknik for større belysnings anlæg. Generelt er lysstofrør den billigste og mest effektive måde at belyse større rum på. Forklaringen på dette er at finde i lysstofrørenes fysiske egenskaber. Lysstofrør er i princippet et avanceret anode- / katode- rør. Det gælder altså at man mellem en anode og en katode kan få elektroner til at vandre fra den ene til den anden uden brug af ledere. I et lysstofrør har man så isoleret dette fænomen i en atmosfære der sætter andre betingelser end almindelig luft. F.eks. kan man finde store mængder af kviksølv dampe i ældre rørtyper. Dette er bl.a. gjort, for at forlænge afstanden man kan få elektronerne til at springe, og for at skabe en atmosfære med en masse ladede ioner man kan spalte elektroner fra. Ligesom glødepærer skabes der en stor mængde UV lys når man frigiver elektroner. I rør omdannes UV lyset dog ved hjælp af et lag fluorescerende stof på indersiderne i røret til synligt lys. Det gælder for rør af den type at der altid vil være en resistans gennem røret. Når røret antændes defineres denne resistans ud fra længden af røret og gasartens type (antallet af elektroner der er frigivet i røret). I denne sammenhæng gælder det at en stigning i antallet af elektroner betyder mindre Afleveret: 24. september 2004 Side 6 af 18

resistans. Desuden vil der i et lysstofrør opbygge en elektronsky fra gassen når elektroderne opvarmes i begge ender af røret. Da der (i princippet) ingen øvre begrænsning vil ligge for antallet af frigivne elektroner i røret, vil den sænkede resistans bruges direkte til at trække en større mængde elektroner gennem røret. Dette betyder at resistansen vil gå mod nul. I praksis vil det kortslutte forsyningen til røret, eller overbelaste røret og brænde det af først. Derfor er det nødvendigt at gå ind og kontrollere elektronstrømmen i røret. 2.3.1 Klassisk løsning / traditionelle rør Røret bliver holdt i ave af en serieforbundet spole, som får samme funktion som en modstand (jævnfør ohms lov for serielle kredsløb U ( R + R ) I ). Spolen kan fungere som en slags forsinkelse af strømmen. Desuden fungerer den som en transformator der kan levere den nødvendige spænding der kræves for at få elektronerne til at vandre i røret. = 1 2 Det magnetiske felt der dannes i spolen forhindrer den i at levere uanede mængder ampere før den er helt magnetisk ladet. Dette betyder at man midlertidigt får dannet den nødvendige modstand efter en spændingsændring. Den modstand der skal til for at forhindre at røret kan trække nok strøm til at formindske sin egen modstand til nul. Når strømmen vender grundet vekselspænding kan man desuden trække en faldende mængde strøm fra spolen, indtil denne på ny er magnetisk ladet, med den modsatte pol. Dette giver en lidt blødere overgang mellem faseskiftene og forlænger derved levetiden i røret. Hvis røret og spolen er dimensioneret til frekvensen betyder det at man konstant kan begrænse elektron tallet i røret, til en ønsket max værdi, så det ikke danner en kortslutning. Imidlertid kræver det at røret allerede har opnået så lav en resistans at kredsløbet kun skal holde det i gang, da kredsløbet ikke kan levere nok strøm til at sende de første elektroner af sted. Slukkede rør taber hurtigt elektron ladningen og har som et resultat heraf en modstand op til 5 gange større end ved længerevarende drift. Dette problem løses ved at indsætte en starter i kredsløbet. Starteren sidder parallelt med røret således at det kobler elektroderne sammen, men på modsat side af spolen. På den måde trækker man strøm gennem elektroderne, selvom disse ikke nødvendigvis sender elektroner til hinanden. Dette kan man fordi elektroderne reelt er små spoler der, når de ikke er forbundet, virker som elektroder, og når de er forbundet virker som små elektromagneter. Starteren er altså noget der skal skabe en endnu mindre modstand end den der findes i røret. Logisk betyder det at røret bliver ladet op, men da det ikke kan danne lavere modstand end starteren kan, vil det ikke lyse særlig ofte. Derfor kobler starteren ud efter et kort stykke tid. Dette sker fordi selve starteren er et endnu mindre elektroderør (mindre modstand for at Afleveret: 24. september 2004 Side 7 af 18

starte end et koldt lysstofrør) Det har dog den indbyggede funktion at den ene elektrode er så fleksibel at den, når den bliver varm bøjer sig og kortslutter det lille rør i starteren. Dette stopper varmeudledningen i det lille rør som derfor sænker elektron tallet (hæver modstanden) samtidig med at benene skilles af igen. På dette tidspunkt skulle det store lysstofrør gerne være begyndt også at sende elektroner, og derfor være klar til at tage over når starteren kobler ud. Det smarte i det system er at hvis det store rør er ladet nok op til at tage over, vil det have opbygget så lav en modstand, at det lille rør ikke kan tænde igen., men hvis lysstofrøret ikke er ladet nok op til at kunne holde starteren ude, vil starteren begynde forfra igen og gentage processen indtil det store rør er klar. (det er derfor de blinker når rørene ikke kan holde ladningen) Ulempen er et stort spild af energi til opvarmning af de enkelte komponenter. Fosforet reagerer desuden så hurtigt at røret når at opbygge en modstand mellem de 100 tændinger i sekundet. Det gør at der kræves en del strøm for at tænde røret mellem hver fase. Dette betegnes som elektrodetabet i røret. 2 Her gælder P = R I. Højere modstand i røret kræver mere strøm for at levere den spænding der skal til for at frigive de ekstra elektroner der kræves for at holde gang i røret, og dermed et højere effekttab. (de to figurer 1.a og 1.b er taget fra www.howstuffworks.com) Dette kan forbedres ved at ændre på hele kontroldelen til røret. Det gøres ved at bruge HF teknik. 2.4 Teknisk info om højfrekvente armaturer HF forkobling 230 volt Lysrør Net filter Ensretter HF generator Kontrol kreds Ovenfor ses et blokdiagram til et HF armatur, som man kan se er det en enhed, der styrer det hele, i modsætning 14 15 til konventionelle lysrørsarmaturer, hvor der både sidder en starter, kondensator og spole. 2.4.1 Netfilter Den første blok i forkoblingen er et netfilter. Det skal sørge for at forstyrrelser på el nettet ikke går ind og beskadiger hele forkoblingen, samtidig sørger den også for at forstyrrelser i HF forkoblingen ikke kommer ud på el nettet. Netfilteret er egentlig bare et lavpas filter, som filtrerer alle de højere frekvenser fra. 2.4.2 Ensretter Den næste blok er ensretteren, den laver veksel spænding om til jævnspænding, så der ikke er negative spændinger længere. De 230V vekselspænding laves om til ca. 300V jævnspænding. Afleveret: 24. september 2004 Side 8 af 18

2.4.3 HF generator Den tredje blok er højfrekvensgeneratoren, den laver de 300V jævnspænding om til ca. 150V, med en frekvens på alt i mellem 24kHz til 40kHz, alt afhængig af producenten. Selve HF generatoren er egentlig en oscillator, der effektforstærkes bag efter. Det er også i denne blok der skal sættes lysdæmpning til. 2.4.4 Kontrolkreds Det er denne del af forkoblingen der sørger for at udbrændte lysrør bliver deaktiveret, så den ikke står og blinker som de konventionelle lysrør gør når de er ved at være udbrændte. Det er også her der sørges for at der ikke sendes en tændingsimpuls gennem røret, før det er varmt nok, dette gælder selvfølgelig kun varmstarts forkoblinger. Ved varmstart varmes elektroderne op, før der tændes, mens man ved koldstart tænder med en høj spænding med det samme. Selve lysrørene der bruges til en HF kobling er de såkaldte T5 rør. Navnet kommer af at de 5/8 af en tomme i diameter. Der findes også nogle T8 rør, det er så selvfølgelig 8/8 tomme i diameter. De fungerer principielt på samme måde som almindelige lysrør til konventionelle lysrørsarmaturer. 2.4.5 Grafer Disse to grafer er scannet fra et datablad for en HF forkobling. 16 På grafen til venstre kan man se sammenhængen mellem effekt og frekvens. Her er belysningsstyrken holdt konstant. Som det ses svarer et almindeligt armatur til 100 % effekt (den kører med en frekvens på 50Hz), hvorefter effekten falder til næsten 85 % ved en frekvens på 35kHz. Disse tal er generelle og gælder ikke for en bestemt type af forkobling, da frekvensen ved HF forkoblinger kan variere fra model til model. Grafen til højre viser hvordan lysudbyttet (belysningsstyrken) stiger efterhånden som frekvensen øges. Her holdes effekten konstant. Afleveret: 24. september 2004 Side 9 af 18

2.5 Krav til lys i hverdagen 17 Alle krav til belysning på arbejdspladser og i skoler kan findes i Dansk Standard 700 (DS 700). I standarden tages der hensyn til 2 ting, nemlig arbejdsfeltet, fx et skrivebord eller lign., men også arbejdsfeltets omgivende rum. Et krav er at lyset skal være i stand til at gengive genstandes farver godt nok. Hvad er så godt nok? Her bruger man farvegengivelsesskalaen R a, hvor den højest opnåelige R a værdi er 100, hvilket svarer til middagssolens farvegengivelse. Generelt skal lyset kunne gengive til en værdi svarende til 80 R a, men der er enkelte undtagelser. Det er til gengæld sværere at konkludere, hvor mange lux (belysningsstyrke) der skal være på de forskellige arbejdspladser. Stort set alle steder skal der min. være 200 lux, men mange steder skal der også min. være 500 lux, det kan være steder hvor arbejdet består af at arbejde med maskiner som drejebænke og slibe maskiner. Der skal også være 500 lux, når arbejdet består af at sortere eller kontrollere produkter og andre varer, eller arbejde med ting, hvor der skal laves meget små, fine detaljer. I skoler skal der minimum være 200 lux. De ovennævnte antal lux skal være på arbejdsgenstanden, fx på tavlen. Der skal også tages højde for blænding. De lamper der er i rummet må selvfølgelig ikke blænde arbejderne. Blænding omfatter også en meget lys ting på en mørk baggrund. Blænding inddeles på en skala fra 0 til 28, men i praksis bruges den kun i mellem 13 til 28. 28 er når man bliver meget blændet. Også her er det forskelligt fra arbejde til arbejde, men generelt er den på 20. Hvordan den regnes ud kan ses i NB metoden. Beregning af indendørs almen belysning, Lysteknisk Selskab, 1991. Der findes også nogle regler om skygger, men de er ikke beskrevet klart, det er mere et vurderings spørgsmål, om de er for mørke, eller der er for skarpe kanter. Det er ikke til at opstille nogle generelle krav til skygger. Der er også andre regler der omhandler flimmer og bevægelse, hvis lyset flimrer, kan det nogle gange se ud til at roterende genstande står stille (stroboskopeffekt), og det er klart at det kan være et stort problem. I DS 700 står der, at man skal eliminere stroboskopeffekten i disse tilfælde. Det var de hovedkrav der var til belysning på arbejdspladser. Der er nogle andre små ting, der også skal overholdes, såsom vedligeholdelse af armaturer. Denne rapport koncentrerer sig dog om effekt-lux-forholdet. Det virker måske lidt mærkeligt, at der kan være så mange krav til en arbejdsgiver, om hvor meget lys der skal være til stede, når der skal arbejdes, men det er ikke for at irritere arbejdsgiveren, men for at det skal være så behageligt og sikkert for medarbejderne, så deres øjne ikke skal blive overanstrengt i løbet af en arbejdsdag. Afleveret: 24. september 2004 Side 10 af 18

3. Problemformulering Problemanalysen argumenterer for, at højfrekvensarmaturer angiveligt er mere energieffektive end almindelige lysstofarmaturer. Dette undersøges i de følgende afsnit vha. et praktisk forsøg Det undersøges endvidere om der er ulemper forbundet med brugen af højfrekvensarmaturer, specielt om belysningsstyrken forringes. Gennem et interview med en skole, som allerede har gennemført udskiftning af armaturer, forsøges det at få indblik i, hvordan de nye armaturer har påvirket arbejdsmiljøet og økonomien. 4. Problemafgrænsning Projektet er afgrænset fra at omhandle CO 2 -udslip fra energiproduktion, til kun at omhandle el-produktion. Endvidere er der fokuseret på elbesparelse, og specielt i den offentlige sektor. Elbesparelsen er begrænset til kun at omhandle belysning. 5. Forsøg 5.1 Teknik Til forsøget er der blevet brugt 2 reaktorer med specifikationerne: Lyfa model BL2994/2 1 40W, 0,42A, 220VAC Koblet parallelt med forsøget er 2 kondensatorer, der henholdsvis havde en kapacitans på 3,7 µf og 2,5µF. HF forkoblingen var af mærket Helvar og havde disse data: 18 Type EL2 36 BC 230-240V, 50-60Hz Effekt lysrør (W) Total strømkreds effekt (W) Frekvens (khz) Effekt tab (W) 2 36 74 30-60 8 Lysrørene, som var af mærket Pope, var begge på 36W/830 og model FTD. 830 fortæller noget om hvilket lys lampen udsender. 5.2 Enheder Effekt er defineret som jævnspænding gange med jævnstrøm: hvor: P = U I P effekten i Watt (W) U er spændingen i volt (V) I er strømstyrken i ampere (A) Afleveret: 24. september 2004 Side 11 af 18

Ved vekselspænding og vekselstrøm er effekten: P = U I Cos(ϕ) hvorϕ er vinklen på faseforskydningen. Lux er SI enheden for belysningsstyrke, hvilket defineres som lysstrøm pr. arealenhed. Lux forkortes med lx. Symbolet for belysningsstyrke er E 1 lux = 1 lumen m 2 hvor lumen er SI enheden lysstrøm. Lumen er den totale lysmængde som en lyskilde udsender per sekund. Symbolet for lysstrøm er Φ. 5.3 Forsøgsbeskrivelse Formålet med forsøgene var at undersøge om højfrekvente armaturer er mere energieffektive end almindelige lysstofarmaturer og endvidere at finde ud af om belysningsstyrken bliver forringet ved brug af højfrekvente armaturer. For at undersøge hvor meget energi de forskellige armaturer forbruger kobledes et wattmeter til deres forsyning. Derefter blev der placeret en lux-måler i en afstand af 180 cm fra lysstofrøret. Derved kunne det måles hvordan de forskellige armaturers lysudbytte var. Til forsøget skulle der bruges både en analog og en digital lux-måler, men desværre fungerede det digitale måleudstyr ikke ordentligt. Selve opstillingen med armaturerne var allerede lavet. Den består af 2 lysstofrør som henholdsvis kan kobles til en almindelig forkobling og en højfrekvent forkobling. Derved sikrer man at det kun er forskellen på de to forkoblinger og ikke opstillinger og lysstofrør som giver forskellige resultater. Herefter skulle systemet sluttes til en forsyning. Til det brugtes en skilletrafo med nødstop. Derefter blev forsøget udført. Det foregik på den måde at begge lysstofrør med en almindelig forkobling først blev tændt, og derefter var kredsløbet tændt i et par minutter så rørene var ordentlig varme. Herefter aflæstes det hvor mange watt systemet brugte og hvor mange lux det udsendte. Der blev udført følgende 6 forsøg: 2 stk. lysstofrør med almindelig forkobling 1 stk. lysstofrør med almindelig forkobling 2 stk. lysstofrør med højfrekvent forkobling 2 stk. lysstofrør med højfrekvent forkobling, hvor den indbyggede dæmper blev skruet op på max 2 stk. lysstofrør med højfrekvent forkobling, hvor dæmperen indstillede lysstyrken så den var magen til de lux 1 stk. lysstofrør med almindelig forkobling udsender. Undersøgelse af om belysningsstyrken er ligefrem proportional med effekten, når der bruges en dæmper på 2 stk. lysstofrør med højfrekvent forkobling. Forsøgene blev foretaget i et mørkelagt lokale. Ovenover ses et billede af forsøgsopstillingen. Afleveret: 24. september 2004 Side 12 af 18

5.4 Materialeliste Skilletrafo med nødstop, wattmeter, lux-måler, diverse ledninger, ur, 2 almindelige lysstofrør, 2 sæt konventionelle reaktorer, højfrekvent forkobling, tommestok. 5.5 Målinger Type watt lux volt Ampere Alm. Lysstofrør, 2 stk. Alm. Lysstofrør, 1 stk. HF lysstofrør, 2 stk. HF lysstofrør, 2 stk. med 10V dæmp (Max!) HF lysstofrør, 2 stk. med dæmp så det ligner Alm. Lysstofrør, 1 stk. VA (målt med wattmeter #2) Phi (målt med wattmeter #2) 105 190 241 0,66 188 54 54 95 242 0,37 127 63 72 160 241 0,32 - - 70 152 242 0,32 - - 51 95 242 0,23 - - 5.6 Proportionalitet mellem belysningsstyrke og effekt For at være i stand til at beregne hvorvidt der spares energi ved at installere højfrekvente armaturer, er det nødvendigt at undersøge sammenhængen mellem belysningsstyrke og effekt. Det er gjort vha. den samme forsøgsopstilling med det højfrekvente armatur og den indbyggede dæmper. Det er foretaget ved at regulere spændingen på dæmperen fra 1V til 10V med 1V interval. Til hver spænding er der foretaget en lux- og effekt-måling. Hvis forsøget viser at sammenhængen er ligefrem proportional kan forskellen i effekt og lux mellem almindelige reaktorer og højfrekvente forkoblinger beregnes direkte. Eksempelvis kan man beregne hvor meget mindre effekt det højfrekvente armatur bruger set i forhold til det konventionelle armatur: (her er tallene fra de andre målinger brugt) 105W 72W 105W 100 % = 31,4% Afleveret: 24. september 2004 Side 13 af 18

5.6.1 Målinger og regression Styrespænding [V] Effekt [W] Belysningsstyrke [lux] 1 27 12,5 2 32 29 3 38 47 4 43 66 5 48 82,5 6 52 101,5 7 57 117 8 61 129,5 9 65 139,5 10 69 148 Belysningsstyrke [lux] 150 130 110 90 70 50 30 10 y = 3,3536x - 77,746 R 2 = 0,9958 20 30 40 50 60 70 Effekt [W] Denne graf viser at forholdet mellem belysningsstyrke og effekt er næsten lineær. Regressionsværdien R 2 er næsten lig 1. Det betyder at omregningen mellem konventionelle og højfrekvente armaturer kan foretages direkte. 5.7 Fejlkilder Under forsøget var der flere fejlkilder. Det lykkedes desværre ikke at få den elektroniske lux-måler til at virke, og derfor blev målingerne kun udført analogt. Der blev altså ikke lavet kontrolmålinger. Ved forsøget med den højfrekvente forkobling viste wattmeteret at de to rør brugte 0 watt, hvilket ikke hænger sammen, eftersom de lyste på fuld styrke. Derfor blev der skiftet watt-meter midt under forsøget. Der blev dog målt på de almindelige rør igen med det nye wattmeter. Herved blev det opdaget at det nye wattmeter ca. målte 5 watt mindre i forhold til de gamle målinger. Årsagen formodes at være wattmeteret, der blev brugt først, ikke fungerede korrekt pga. støj fra HF forkoblingen. Dette er ikke så godt da man kun må sende små mængder støj ud på lysnettet, der var desværre ikke et måleapparat til rådighed sådan at støjniveauet kunne måles. Der var heller ikke mulighed for at sammenligne almindelige rør med T5 rør. Dette skyldes, at T5 rør ikke kunne fremskaffes. Det havde været interessant at se om T5 rør ville give mere lys og bruge mindre effekt. Den højfrekvente spole var også af ældre dato, og i dag findes der mere effektive spoler, hvilket betyder at målingerne skiller sig ud fra de oplysninger der er indhentet i andre rapporter. 5.8 Vurdering Som man kan se i tabellen over forsøget, gav det ikke de forventede resultater. Det var forudset at en HF forkobling ville give flere lux, end med traditionelle reaktorer, men som man kan se i ovenstående tabel, er dette ikke tilfældet i det udførte forsøg. 190lux 160lux En HF forkobling giver 16 % 100% = 15,8% mindre lux end den traditionelle løsning. 190lux Da lysstofrørene med HF forkobling i forsøget ikke kunne give lige så mange lux som en konventionel reaktor, blev der lavet en undersøgelse af forholdet mellem belysningsstyrke og effekt for at gøre en omregning fra lux til Afleveret: 24. september 2004 Side 14 af 18

Watt mulig. Det konventionelle armatur gav en bestemt mængde lux, og indsættes dette tal i den fundne funktion for E(P) kan effektforbruget fra HF armaturet findes, og dermed kan besparelsen beregnes. Forskriften kom til at hedde E ( P) = 3,354( P) 77, 75. Det konventionelle armatur brugte 105W og udsendte 190lux. Dette lux-tal indsættes nu i forskriften. 190 + 77,75 E 83 3,354 ( P) = 3,354( P) 77,75 = 190 P = = 79, W HF forkoblingen bruger altså 80 watt, i forhold til de 105 watt som et konventionel lys armatur bruger ved samme belysningsstyrke. Derfor bliver besparelsen: 105W 80W 100% = 24% 105W Det svarer til en besparelse på 24 %. Så man kan se at der er potentiale i HF forkoblinger. Når der blev brugt dæmp på HF forkoblingen faldt belysningsstyrken 8 lux i forhold til forsøget med HF forkobling uden dæmp. Det er åbenbart ikke muligt at nå helt de samme antal lux, når man vil have muligheden for at kunne dæmpe sit lys. Dette er endnu en faktor man skal have med, når man skal til at vælge hvilken slags lys man skal have. Det var oprindeligt planlagt at HF systemet skulle dæmpes til at give samme antal lux som den almindelige opkobling og derefter aflæse wattforbruget, men dette kunne ikke lade sig gøre, da den almindelige opkobling fra starten af gav flere lux. Derfor blev forsøget udvidet til at få HF forkoblingen til at give lige så mange lux, som en enkelt traditionel forkobling. Herefter blev der set på, hvor mange watt der bliver brugt i hvert af de to systemer. De giver hver især 95 lux, men watt forbruget er en anelse lavere, med HF forkobling, nemlig 3 watt. Det er dog ikke den store besparelse, og forsøget blev kun lavet pga. nysgerrighed efter at sammenligne effektforbruget imellem de to systemer. I praksis er det utænkeligt at bruge 2 rør med HF forkobling selvom de bruger mindre strøm end 1 rør med konventionel reaktor. Det skal kort nævnes, at der i forsøget blev brugt almindelige rør med en dertil bygget HF forkobling, dette betyder at potentialet i HF ikke bliver udnyttet fuldt ud. Da forsøget blev udført med nye rør, var stroboskopeffekten endda rimeligt udvisket. 6. Interviews Som skrevet i problemformuleringen gennemføres et interview med en skole, som allerede har gennemført udskiftning af armaturer, for at forsøge at få et indblik i hvordan det har påvirket arbejdsmiljøet og økonomien. Følgende personer er blevet interviewet: Humlehaveskolen i Odense Kommune Elektriker Keld Bo Jensen, elektriker ved Aalborg Universitet Betjentene på basis, Aalborg Universitet Desværre var der ingen af disse kontakter som kunne give brugbar information. De får bare sat systemerne op, og derefter følger de ikke op på hvilke ændringer det medfører. Afleveret: 24. september 2004 Side 15 af 18

7. Perspektivering I vores forsøg fandt vi ud af at man ved at bruge HF forkoblinger kan spare strøm. Det er godt for den enkelte forbruger at han kan spare penge på elregningen, men samfundsmæssigt set har det også stor betydning at vi sparer på strømmen. Gennem vores problemanalyse fandt vi ud af at elproduktion er den energiform som udleder mest CO 2 per produceret energienhed. Derfor er det oplagt at spare på strømmen, og især efter Danmark har tilsluttet sig Kyoto-aftalen er det vigtigt at vi reducerer vores udslip af drivhusgasser. Et er dog at være god ved miljøet i forbrugsfasen, men mht. bortskaffelse er det mere besværligt at sige om højfrekvente forkoblinger er en fordel eller ej. Vi har fundet ud af at lysstofrørene har flere brændetimer med en HF forkobling, men samtidig indeholder selve forkoblingen mere elektronik end en konventionel reaktor. Det betyder at der kommer mere elektronikaffald, hvilket er mere besværligt at bortskaffe. Mht. produktionen af HF forkoblinger har vi ikke været i stand til at finde oplysninger om hvor meget det forurener osv. Vi har ikke selv den fornødne viden til at vurdere om den ekstra mængde elektronik forurener mere set i forhold til de konventionelle reaktorers indhold. Det er altså ikke kun forbrugsfasen, der har betydning for armaturernes miljøbelastning, men også produktion og bortskaffelse. Et andet aspekt ved brugen af HF forkoblinger er arbejdsmiljøet. Pga. de højere frekvenser hvormed armaturerne drives skaber lysstofrørene mindre flimmer. Dette er mere behageligt at arbejde ved og dermed er arbejdsmiljøet forbedret. I visse tilfælde kan dæmpning af lyset forbedre arbejdsmiljøet idet man kan undgå skarpt lys, hvor det er uønsket. Endvidere undgår man med HF forkoblinger flimmer i opstartsfasen, og hvis et lysstofrør er ved at være udbrændt vil det elektroniske kredsløb udkoble røret, så man undgår blink, som man kender det fra almindelige reaktorer. Man kan opnå en større strømbesparelse ved at kombinere HF forkoblinger med zonestyring og lyssensorer. Zonestyring fungerer på den måde at man inddeler rum og afdelinger i forskellige sektioner, sådan at man kan slukke eller dæmpe lyset sektionsvis, det sker vha. bevægelsessensorer som registrerer om der er mennesker til stede i den enkelte sektion. Lyssensorer kan placeres i rum hvor der er gode dagslysforhold. De registrer nemlig hvor mange lux det naturlige lys giver. Herved kan det kunstige lys dæmpes og man kan spare strøm. Forbrugeren kan altså få en mindre elregning, men man skal huske at det er en langsigtet investering at anskaffe HF systemer. Det tager nemlig et stykke tid inden de dyrere anlæg er tilbagebetalt vha. elbesparelsen. Afleveret: 24. september 2004 Side 16 af 18

8. Konklusion Gennem projektet har vi arbejdet med strømbesparelse på lysanlæg. Vi har lavet en problemanalyse, et forsøg og et par interviews. Vha. disse kan vi nu svare på vores problemformulering: Er højfrekvensarmaturer mere energieffektive end almindelige lysstofarmaturer? Vores forsøgsresultater viste at lysstofrør med en HF forkobling bruger mindre strøm end lysstofrør med en konventionel reaktor. HF forkoblingen brugte 72W og den konventionelle reaktor brugte 105W. Lux-værdierne viste sig at være 15 % lavere ved HF forkoblingen, men da rørene ikke var placeret i en lampeparabol som forstærker og reflekterer lyset kan tallene ikke sammenlignes med de krav som stilles i DS700. Den HF forkobling vi brugte i vores forsøg var fra midten af 90 erne, og teknologien er sikkert blevet forbedret siden, men vi har ikke haft mulighed for og midler til at investere i en ny forkobling. Vi foretog diverse interviews med institutioner, som har opsat HF forkoblinger, for at høre hvordan økonomien i praksis er, men de personer vi talte med var ikke i stand til at give os konkrete oplysninger om emnet. Problemet er nok at den daglige bruger i større institutioner ikke ligger mærke til hvordan strømforbruget ændres, men kun bestyrelse osv. som arbejder med regnskaber kan se en ændring. Er der ulemper forbundet med brugen af højfrekvensarmaturer? Vi har fundet ud af at flimmer ved brug og blinken fra udbrændte rør ikke findes ved HF forkoblinger da de elektroniske kredsløb forhindrer dette. I forsøget fandt vi dog ud af at lysstofrørene med en HF forkobling giver færre lux end en konventionel reaktor. I vores forsøg opdagede vi også at forkoblingen sendte støj ud på nettet, vi havde dog ikke udstyr til at måle det med, og derfor ved vi ikke hvor alvorligt det er. HF forkoblinger kan sende støj ud, men der er et indbygget filter i anlægget som skal forhindre dette. Konklusionen er at HF forkoblinger er en langsigtet investering, som både giver økonomiske og miljømæssige fordele i længden. Afleveret: 24. september 2004 Side 17 af 18

9. Kildeliste Bog 1: DS 700:1997 Kunstig belysning i arbejdslokaler, udgivet 1997 af Dansk Standard i København. 1 IPCC s officielle hjemmeside http://www.ipcc.ch/about/about.htm 2 Rapport om fremtidens klima fra DMI http://www.dmi.dk/dmi/www_fremtids.pdf 3 UNFCCC s officielle hjemmeside http://unfccc.int/resource/convkp.html 4 Dansk Industris hjemmeside om drivhuseffekt http://www.di.dk/oekonomiogsamfund/emne.asp?page=doc&objno=282492 5 Kyoto-protokollen på Finansministeriets hjemmeside http://www.fm.dk/1024/vispublikation.asp?artikelid=5381 6 Energistyrelsens energistatistik 2002 om el og fjernvarme http://www.ens.dk/graphics/publikationer/statistik/stat_02/08_el_og_varme.htm 7 Elsparefondens side om CO 2 -udslip http://www.elsparefonden.dk/main.asp?page=/energi_og_miljoe/enheder.htm 8 Se note 6 9 Se note 7 10 Lov om fremme af besparelse i energiforbruget fra Statens juridiske online informationssystem http://www.retsinfo.dk/_getdocm_/accn/a20000045030-regl 11 Rapport om belysning i undervisningslokaler http://www.a-klubben.dk/emne.asp?i=173 12 Se note 11 13 Eksempel på installation af HF forkobling på skole, se bilag 1 14 Teknisk rapport om HF forkoblinger http://www.glamox.dk/glx/articleadmin/showimage.aspx?tbltype=article&type=images&imageid=10673 15 Rapport fra El-fagets uddannelsesnævn om lysrørskoblinger http://www.el-uddannelse.dk/fpi/pt/hft-0011.pdf 16 Datablad for Helvar HF forkobling model EL2 36 BC. 17 Se bog 1 18 Blokdiagram over forkoblingen kan ses under bilag 2 Afleveret: 24. september 2004 Side 18 af 18

Bilag 1 Tilskudssag Ansøger Ansøger: Odense Kommune Udførelsessted: Humlehaveskolen Kontaktperson: Bjarne Andersen Telefonnummer: 66104606 E-mail: Lokaletype: Skole-pilotprojekt Antal lokaler: 37 Lokaleareal (m2): 3.036 Belysningssystem Armaturleverandør: Fagerhult Belysning AS Armaturmodel: Fagerhult: Combifive med EP afskærmning og oplys (8, 2002) Fagerhult: Semi T5 med EP afskærmning og oplys (9, 2002) Antal armaturer i alt: 394 Antal styringer i alt: Samlet pris armaturer: Samlet pris belysningssystem: Samlet pris belysningssystem pr. m2: Samlet pris belysningssystem pr. armatur: 320.000 kr. 320.000 kr. 105 kr. 812 kr. Installation Installatør: Samlet pris montering armaturer: Samlet pris installation: Samlet pris installation pr. m2: Samlet pris installation pr. armatur: Lindpro a/s 192.500 kr. 192.500 kr. 63 kr. 489 kr. Økonomi Samlet investering for projektet: Tilskud for projektet: Nettoinvestering: Totalpris pr. m2 før tilskud: Totalpris pr. m2 efter tilskud: Totalpris pr. armatur før tilskud: Totalpris pr. armatur efter tilskud: 512.500 kr. 121.440 kr. 391.060 kr. 169 kr. 129 kr. 1.301 kr. 993 kr. Alle priser er ekskl. moms. Kilde: http://belysning.sparel.dk/index.aspx?articleid=+409&journal=039-11-461-019 Afleveret: 24. september 2004 Bilag 1