Zeitschrift
TEC21 2010|47
Lichtbedarf
Wahl der Mittel
LED werden mittlerweile auch für die Grundbeleuchtung im Zweckbau eingesetzt. Doch die Frage stellt sich, ob LED in jedem Fall die bessere Alternative zu bewährten Leuchtmitteln sind – nur die Betrachtung über die gesamte Nutzungsdauer bringt einen gerechten Vergleich. Wenn die Vorteile der LED nicht genutzt werden, können sie unter wirtschaftlichen Aspekten die falsche Wahl sein.
19. November 2010 - Volker Wouters
LED haben zweifellos das Potenzial, den Beleuchtungsmarkt zu revolutionieren. Gerade für Wechselausstellungen, wie in Museen oder im Verkauf, können dank der grossen Lebensdauer Bewirtschaftungsaufwand und Lagerhaltung reduziert werden. Beim Regulieren der Beleuchtungsstärke (Dimmen) verhalten sich im Gegensatz zu den Leuchtstofflampen sowohl Farbwiedergabe als auch Farbspektrum und -temperatur der LED nahezu konstant. Diese Eigenschaften geben Betreibenden von Beleuchtungsanlagen fast uneingeschränkte Nutzungsmöglichkeiten mit demselben Leuchtmittel. Der Vergleich der mittleren Lebensdauer einer LED von bis zu 50 000 h mit zum Beispiel Fluoreszenzleuchtmitteln, die eine mittlere Lebensdauer von ca. 15 000 h erreichen, ist wohl ihr grösster Vorteil (Abb. 1).[1]
Noch keine Beständigkeit im Sortiment
Damit eine LED ihre prognostizierte Lebensdauer erreichen kann, ist eine gute Wärmeableitung unabdingbar. Die Wärme entsteht vor allem im rückwärtigen Bereich der Leuchte und muss dort auch möglichst direkt abgeführt werden, da sonst der Vorteil des wärmefreien Lichtkegels nicht genutzt werden kann. Die Ableitung muss sowohl in der Konstruktion als auch beim Verbauen der Leuchte berücksichtigt werden.
Die hohe Lebensdauer zieht aber grundsätzliche neue Überlegungen nach sich. Das Unterhaltsdispositiv für LED-Leuchten entspricht nicht mehr dem klassischen Vorgehen beim Ersatz von Leuchtmitteln mit geringerer Lebensdauer. Zudem entwickelt sich der LED-Markt derart rasant, dass nicht garantiert werden kann, dass exakt dieselben Leuchtmittel in ein paar Jahren für den Ersatz noch verfügbar sind. Diesem Umstand ist vor allem bei grossräumig zusammenhängenden Installationen (Tunnel, Strassenbeleuchtung, Lichtdecken u. ä.) Rechnung zu tragen. Ein weiterer Punkt ist das sogenannte Binning, welches die qualitativen Merkmale (Lichtausbeute und Farbtemperatur) der einzelnen LED-Chips regelt. Gerade für vorgenannte grossräumige Installationen ist es massgebend, dass LED-Chips für Ersatz und/oder Unterhalt aus demselben Bin beschafft werden können, wenn ein einheitliches Erscheinungsbild erreicht werden soll.
Neue technische Möglichkeiten
Die Kompaktheit der LED-Leuchten und die Eigenschaft, dass sie im Gegensatz zu herkömmlichen Leuchtmitteln in Lichtrichtung praktisch keine UV- und IR-Strahlung emittieren, erweitert die Einsatz- und Gestaltungsmöglichkeiten. So können Exponate mit LED-Leuchten aus unmittelbarer Nähe angestrahlt werden, ohne dass durch die Energie der emittierten Strahlung das Exponat unzulässig erwärmt oder ausgebleicht wird. So kann Energie gespart werden, denn die notwendige Leistung, um eine gleichbleibende Beleuchtungsstärke mit einem gegebenen Leuchtmittel erreichen zu können, nimmt mit dem Abstand im Quadrat zu. 2009 baute Coop seine Verkaufsstelle in Oberwil komplett um und stellte die Beleuchtung grösstenteils auf LED um. Nicht nur die Bedienzonen, sondern auch die Kühlmöbel werden seitdem mit LED beleuchtet, was schliesslich zu weniger Kühl- und Energiebedarf führt. Die Kompaktheit der Leuchten kann auch im Bereich der Sicherheitsbeleuchtung sinnvoll genutzt werden, helfen doch kleinere, punktförmige Leuchten, die geforderte Gleichmässigkeit der Sicherheitsbeleuchtung gemäss SN EN 1838 von 1:40 deutlich einfacher und mit weniger Leuchten zu erreichen als übliche Leuchten, die höhere Lumenpakete und damit Beleuchtungsstärken erzeugen. Zusätzlich können diese kleinen Leuchten auch deutlich eleganter integriert werden und helfen durch die effektivere Ausleuchtung, die Batteriekapazität, die für die Sicherheitsbeleuchtung gefordert ist, zu reduzieren. Durch die einfache und praktisch verlustlose Regulierung ist auch die sogenannte Konstantlichtstromsteuerung durchaus sinnvoll. Diese verhindert, bedingt durch die natürliche Reduktion des Lichtstromes während der Nutzungslebensdauer, eine Überdimensionierung der Lichtinstallation und spart so Energie. Der Energiebedarf für die Herstellung der LED-Lampen wird zurzeit noch untersucht. Nach Aussagen von Osram dürfte sie im Bereich von Sparlampen liegen.[2]
Bedingt sinnvoll bei kurzen Umbauzyklen
Bei der Entscheidung, ob LED-Leuchtmittel bei einem Bauvorhaben sinnvoll eingesetzt werden können, müssen einige Besonderheiten berücksichtigt werden. Die Beleuchtungskonzepte und die damit verbundenen Ansprüche (optisch, technisch) entwickeln sich stetig, und Umbauzyklen typischer Nutzungen müssen in eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung mit einbezogen werden. Ist also nicht sichergestellt, dass die seinerzeit angeschafften LEDLeuchten den künftigen Ansprüchen genügen werden, und liegt der Umbauzyklus deutlich unter der Lebensdauer der LED-Leuchten (Leuchtmittel), muss die wirtschaftliche Rechtfertigung der vergangenen Anschaffung der LED-Leuchten hinterfragt werden. Die Tatsache, dass ein Leuchtmittel manchen Sanierungszyklus überleben wird und es sich in der Zwischenzeit weiterentwickelt hat, muss von Leuchten- und Steuerungslieferanten berücksichtigt werden. Modular getrennte, universelle Systeme für Leuchten und Leuchtmittel wären ein möglicher Ansatz. Wobei die Frage bleibt, wie realistisch die Annahme ist, dass bei einem Umbauprojekt wirklich die alten Leuchtmittel und Steuerungen aus Gründen der Wirtschaftlichkeit auch nach dem Umbau wieder eingesetzt werden.
Laborwerte bedeuten wenig in der Praxis
Spricht man von LED, muss man immer zwischen dem reinen Leuchtmittel und der kompletten Leuchte unterscheiden. Trotz der bereits hohen Lichtausbeute des Leuchtmittels erreicht das Leuchtensystem nur einen Teil davon. Dies hängt in erster Linie damit zusammen, dass diese hohe Lichtausbeute von über 120 lm/W unter nicht praxisnahen Bedingungen erreicht werden. Im Labor wird die LED bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C, ohne Netzteil und nicht unter Volllast betrieben; das erzeugte Licht ist zudem kaltweiss. Inklusive Netzteil in eine Leuchte eingebaut, unter Volllast betrieben und unter dem Aspekt, dass auf dem Markt eher warmweisses Licht verlangt wird, reduziert sich die Lichtausbeute eines LED-Leuchtmittels auf ca. 60–75 lm/W (Abb. 2). Dennoch hat im Vergleich dazu eine heute als effizient geltende Leuchte (Fluoreszenzleuchtmittel) mit einer Lichtausbeute von ungefähr 85 lm/W keinen wesentlich höheren Gesamtwirkungsgrad mehr.
Angesichts der vergangenen Entwicklung ist aber anzunehmen, dass der Gesamtwirkungsgrad der LED-Leuchten noch deutlich steigen wird. Wenn dies wiederum zu einer grösseren Nachfrage führt, sollten sich auch die Preise auf einem Niveau einpendeln, das die LED zu einer guten Alternative werden lässt.
Autor
Volker Wouters, dipl. El. Ing. HTL/SIA; Dozent Elektroengineering Gebäudetechnik Hochschule Luzern, Technik und Architektur;
Leiter Technik und Wissenschaft, Herzog Kull Group
Noch keine Beständigkeit im Sortiment
Damit eine LED ihre prognostizierte Lebensdauer erreichen kann, ist eine gute Wärmeableitung unabdingbar. Die Wärme entsteht vor allem im rückwärtigen Bereich der Leuchte und muss dort auch möglichst direkt abgeführt werden, da sonst der Vorteil des wärmefreien Lichtkegels nicht genutzt werden kann. Die Ableitung muss sowohl in der Konstruktion als auch beim Verbauen der Leuchte berücksichtigt werden.
Die hohe Lebensdauer zieht aber grundsätzliche neue Überlegungen nach sich. Das Unterhaltsdispositiv für LED-Leuchten entspricht nicht mehr dem klassischen Vorgehen beim Ersatz von Leuchtmitteln mit geringerer Lebensdauer. Zudem entwickelt sich der LED-Markt derart rasant, dass nicht garantiert werden kann, dass exakt dieselben Leuchtmittel in ein paar Jahren für den Ersatz noch verfügbar sind. Diesem Umstand ist vor allem bei grossräumig zusammenhängenden Installationen (Tunnel, Strassenbeleuchtung, Lichtdecken u. ä.) Rechnung zu tragen. Ein weiterer Punkt ist das sogenannte Binning, welches die qualitativen Merkmale (Lichtausbeute und Farbtemperatur) der einzelnen LED-Chips regelt. Gerade für vorgenannte grossräumige Installationen ist es massgebend, dass LED-Chips für Ersatz und/oder Unterhalt aus demselben Bin beschafft werden können, wenn ein einheitliches Erscheinungsbild erreicht werden soll.
Neue technische Möglichkeiten
Die Kompaktheit der LED-Leuchten und die Eigenschaft, dass sie im Gegensatz zu herkömmlichen Leuchtmitteln in Lichtrichtung praktisch keine UV- und IR-Strahlung emittieren, erweitert die Einsatz- und Gestaltungsmöglichkeiten. So können Exponate mit LED-Leuchten aus unmittelbarer Nähe angestrahlt werden, ohne dass durch die Energie der emittierten Strahlung das Exponat unzulässig erwärmt oder ausgebleicht wird. So kann Energie gespart werden, denn die notwendige Leistung, um eine gleichbleibende Beleuchtungsstärke mit einem gegebenen Leuchtmittel erreichen zu können, nimmt mit dem Abstand im Quadrat zu. 2009 baute Coop seine Verkaufsstelle in Oberwil komplett um und stellte die Beleuchtung grösstenteils auf LED um. Nicht nur die Bedienzonen, sondern auch die Kühlmöbel werden seitdem mit LED beleuchtet, was schliesslich zu weniger Kühl- und Energiebedarf führt. Die Kompaktheit der Leuchten kann auch im Bereich der Sicherheitsbeleuchtung sinnvoll genutzt werden, helfen doch kleinere, punktförmige Leuchten, die geforderte Gleichmässigkeit der Sicherheitsbeleuchtung gemäss SN EN 1838 von 1:40 deutlich einfacher und mit weniger Leuchten zu erreichen als übliche Leuchten, die höhere Lumenpakete und damit Beleuchtungsstärken erzeugen. Zusätzlich können diese kleinen Leuchten auch deutlich eleganter integriert werden und helfen durch die effektivere Ausleuchtung, die Batteriekapazität, die für die Sicherheitsbeleuchtung gefordert ist, zu reduzieren. Durch die einfache und praktisch verlustlose Regulierung ist auch die sogenannte Konstantlichtstromsteuerung durchaus sinnvoll. Diese verhindert, bedingt durch die natürliche Reduktion des Lichtstromes während der Nutzungslebensdauer, eine Überdimensionierung der Lichtinstallation und spart so Energie. Der Energiebedarf für die Herstellung der LED-Lampen wird zurzeit noch untersucht. Nach Aussagen von Osram dürfte sie im Bereich von Sparlampen liegen.[2]
Bedingt sinnvoll bei kurzen Umbauzyklen
Bei der Entscheidung, ob LED-Leuchtmittel bei einem Bauvorhaben sinnvoll eingesetzt werden können, müssen einige Besonderheiten berücksichtigt werden. Die Beleuchtungskonzepte und die damit verbundenen Ansprüche (optisch, technisch) entwickeln sich stetig, und Umbauzyklen typischer Nutzungen müssen in eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung mit einbezogen werden. Ist also nicht sichergestellt, dass die seinerzeit angeschafften LEDLeuchten den künftigen Ansprüchen genügen werden, und liegt der Umbauzyklus deutlich unter der Lebensdauer der LED-Leuchten (Leuchtmittel), muss die wirtschaftliche Rechtfertigung der vergangenen Anschaffung der LED-Leuchten hinterfragt werden. Die Tatsache, dass ein Leuchtmittel manchen Sanierungszyklus überleben wird und es sich in der Zwischenzeit weiterentwickelt hat, muss von Leuchten- und Steuerungslieferanten berücksichtigt werden. Modular getrennte, universelle Systeme für Leuchten und Leuchtmittel wären ein möglicher Ansatz. Wobei die Frage bleibt, wie realistisch die Annahme ist, dass bei einem Umbauprojekt wirklich die alten Leuchtmittel und Steuerungen aus Gründen der Wirtschaftlichkeit auch nach dem Umbau wieder eingesetzt werden.
Laborwerte bedeuten wenig in der Praxis
Spricht man von LED, muss man immer zwischen dem reinen Leuchtmittel und der kompletten Leuchte unterscheiden. Trotz der bereits hohen Lichtausbeute des Leuchtmittels erreicht das Leuchtensystem nur einen Teil davon. Dies hängt in erster Linie damit zusammen, dass diese hohe Lichtausbeute von über 120 lm/W unter nicht praxisnahen Bedingungen erreicht werden. Im Labor wird die LED bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C, ohne Netzteil und nicht unter Volllast betrieben; das erzeugte Licht ist zudem kaltweiss. Inklusive Netzteil in eine Leuchte eingebaut, unter Volllast betrieben und unter dem Aspekt, dass auf dem Markt eher warmweisses Licht verlangt wird, reduziert sich die Lichtausbeute eines LED-Leuchtmittels auf ca. 60–75 lm/W (Abb. 2). Dennoch hat im Vergleich dazu eine heute als effizient geltende Leuchte (Fluoreszenzleuchtmittel) mit einer Lichtausbeute von ungefähr 85 lm/W keinen wesentlich höheren Gesamtwirkungsgrad mehr.
Angesichts der vergangenen Entwicklung ist aber anzunehmen, dass der Gesamtwirkungsgrad der LED-Leuchten noch deutlich steigen wird. Wenn dies wiederum zu einer grösseren Nachfrage führt, sollten sich auch die Preise auf einem Niveau einpendeln, das die LED zu einer guten Alternative werden lässt.
Autor
Volker Wouters, dipl. El. Ing. HTL/SIA; Dozent Elektroengineering Gebäudetechnik Hochschule Luzern, Technik und Architektur;
Leiter Technik und Wissenschaft, Herzog Kull Group
Anmerkungen
[1] Die mittlere Lebensdauer ist der Mittelwert einer Anzahl Lampen, die unter genormten Bedingungen betrieben werden (50 % Ausfall). Die Nutzlebensdauer ist erreicht, wenn der verbleibende Anlagenlichtstrom 80 % des anfänglichen Lichtstroms beträgt. 15 000 h entsprechen bei einer durchschnittlichen Nutzung von 2000–3000 h pro Jahr einer Lebensdauer von ca. 5–8 Jahren bzw. 50 000 h einer Lebensdauer von 15–25 Jahren
[2] Bundesamt für Energie, Schlussbericht «Qualitätsmerkmale der LED-Beleuchtung. Aktueller Stand der Technik, Vorteile, Problempunkte und Entwicklungspotential», September 2009
[1] Die mittlere Lebensdauer ist der Mittelwert einer Anzahl Lampen, die unter genormten Bedingungen betrieben werden (50 % Ausfall). Die Nutzlebensdauer ist erreicht, wenn der verbleibende Anlagenlichtstrom 80 % des anfänglichen Lichtstroms beträgt. 15 000 h entsprechen bei einer durchschnittlichen Nutzung von 2000–3000 h pro Jahr einer Lebensdauer von ca. 5–8 Jahren bzw. 50 000 h einer Lebensdauer von 15–25 Jahren
[2] Bundesamt für Energie, Schlussbericht «Qualitätsmerkmale der LED-Beleuchtung. Aktueller Stand der Technik, Vorteile, Problempunkte und Entwicklungspotential», September 2009
Für den Beitrag verantwortlich: TEC21
Ansprechpartner:in für diese Seite: Judit Solt
