Bogdan ŚLK Philips Lighting Poland S.A. Czy tradycyjna żarówka może być energooszczędna? Streszczenie. Poniższy artykuł podnosi kwestie dotyczące toczącej się debaty dotyczące zastąpienia tradycyjnej żarówki przez energooszczędne zródła światła. Jednocześnie stanowi przegląd istniejących technologii, które mogą zastąpić żarówkę Abstract. Article covers resent discussion regarding the end of history of incandescent lamps and energy saving substitutes like compact fluorescent lamps as well energy saving halogen lamps. (Could the traditional incandescent lamp be an energy saver?). Słowa kluczowe: żarówka, energooszczędność, świetlówka, energia. Keywords: incandescent lamp, energy saving, CFL-I, energy labelling. Wstęp aż do momentu jej przepalenia. W konsekwencji trwałość Przez ostatnie stulecie żarówka, wynalazek Edisona, tradycyjnej żarówki szacuje się na około 1000 h świecenia. była najbardziej popularnym zródłem światła używanym przez człowieka. Czy nadchodzi kres jej użytkowania? W ostatnim czasie w wielu krajach na całym świecie toczy się debata na temat konieczności zastąpienia tradycyjnej żarówki energooszczędnymi zródłami światła. Mając na uwadze toczącą się obecnie dyskusje na temat negatywnego wpływu działalności człowieka na środowisko naturalne, a w szczególności zmian klimatycznych związa- nych z ocieplaniem się klimatu na wskutek zwiększonej emisji gazów cieplarnianych, specjaliści zwrócili uwagę na fakt, że oświetlenie odpowiada za 19% zużycia energii elektrycznej na świecie. Sztuczne oświetlenie pojawiło się we wszystkich dziedzinach życia człowieka i jest nie- odłącznym elementem rozwoju cywilizacji również w XXI wieku. Bez wątpienia najbardziej popularnym zródłem światła Rys.1. Tradycyjna żarówka na trzonku E27 i E14 używanym do oświetlenia wnętrz jest tradycyjna żarówka, która jest powszechnie stosowana w oświetleniu Etykiety energetyczne dla zródeł światła gospodarstw domowych. Mimo, że jest ona systematycznie W dniu 27 stycznia 1998 roku weszła w życie Dyrektywa wypierana przez inne bardziej energooszczędne zródła Komisji 98/11/WE wykonująca dyrektywę Rady 92/75/EWG światła, to w dalszym ciągu, co roku w krajach Unii Europejskiej sprzedawanych jest ponad 2 miliardy tradycyj- w zakresie etykietowania energii lamp gospodarstwa domowego. Zgodnie z ustawodawstwem Unii Europejskiej nych żarówek. Skumulowana wartość energii zużywanej wszystkie zródła światła zasilane napięciem sieciowym i przez żarówki jest znaczna. Szacuje się, że Ich wymiana na przeznaczone do stosowania w gospodarstwie domowym bardziej efektywne zródła światła, tylko w przypadku krajów podlegają obowiązkowej kwalifikacji z uwagi na efektywność Unii Europejskiej, przyniosłaby oszczędności rzędu ponad 3 energetyczną. mld EUR rocznie oraz redukcję emisji CO2 o 20 milionów ton. Żarówka tradycyjna Mimo, że od czasu, kiedy w roku 1879 Edison wynalazł żarówkę ze skrętką ze zwęglonego włókna bambusowego jej parametry znacznie się poprawiły to z uwagi na zasadę działania żarówka jest bardzo nieefektywnym zródłem światła. Żarówka w swojej podstawowej części jest szczelna bańką szklaną zawierającą drut wolframowy zwany potocznie żarnikiem lub skrętką, który jest podgrzewany przez przepływający przez niego prąd elektryczny do wysokiej temperatury. Im wyższa jest temperatura skrętki tym więcej zostaje wyemitowanej energii elektromagnetycznej, z której część stanowi promieniowanie widzialne, czyli światło. Taki sposób emisji światła nazywamy temperaturowym wytwarzaniem światła Rys.2. Etykieta energetyczna dla zródła światła (inkadescencją). Niestety jest to jednak sposób bardzo niedoskonały, bowiem jedynie kilka procent energii Klasy energetyczne (klasy efektywności energetycznej) elektrycznej jest zamieniona na światło. Pozostałe oznacza się literami od A do G. Etykieta jest umieszczona dziewięćdziesiąt kilka procent jest zamienione na lub nadrukowana czy załączona do pojedynczego promieniowanie cieplne i straty przewodzenia. Równo- opakowania lampy. Klasy energetyczne wyznacza się ze cześnie przy temperaturze powyżej 3300 stopni Celsjusza stosunku rocznego zużycia energii przez dane urządzenie wolfram zaczyna parować. Skrętka staje się coraz cieńsza, 68 PRZEGLD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 5/2007 do standardowego zużycia energii przez tego typu Pozwala to w sposób bardzo prosty poprawić warunki urządzenia określonego odpowiednimi przepisami. Klasą A oświetleniowe w miejscach, gdzie stosowano do tej pory oznacza się urządzenia najbardziej efektywne a klasą G żarówki tradycyjne. najmniej efektywne. Oprócz żarówek halogenowych Halogena A na rynku Najpopularniejsza w Polsce żarówka 100W emitująca pojawiły się również inne typy halogenów na napięcie 1360 lumenów światła posiada klasę energetyczną E. Dla sieciowe niebędące bezpośrednimi zamiennikami porównania Energooszczędna świetlówka kompaktowa tradycyjnych żarówek. świecąca tak samo jasno i posiadająca klasę A może W ciągu ostatnich lat rozwija się dynamicznie cała zużywać nie więcej niż 22,86 Watów. rodzina żarówek halogenowych na napięcie sieciowe. Rysunek nr 2 przedstawia wygląd etykiety energetycznej Można śmiało powiedzieć, że mamy do czynienia z nowym dla zródła światła. Oprócz klasy efektywności energetycznej trendem w przypadku konstrukcji opraw konsumenckich. na etykiecie znajduje się informacja o strumieniu świetlnym Jeszcze do niedawna podstawowym zródłem światła do lampy, jej mocy i trwałości. opraw konsumenckich były żarówki oraz niskonapięciowe Przykładem nowoczesnych lamp żarowych są żarówki żarówki halogenowe. Te ostatnie, z uwagi na większą halogenowe, które dzięki zastosowaniu regeneracyjnego skuteczność świetlną, pozwalały na uzyskanie ciekawych cyklu halogenowego osiągają do 25% wyższą skuteczność efektów świetlnych oraz miniaturyzacje opraw. Jednakże świetlną oraz 2-4 razy większą trwałość niż tradycyjne podstawową trudnością przy konstrukcji opraw żarówki. Wśród żarówek halogenowych możemy wyróżnić oświetleniowych była konieczność stosowania grupę lamp zasilanych napięciem sieciowym 220V oraz transformatora. Niektórzy konstruktorzy korzystali ze stosunkowo tanich transformatorów toroidalnych, które są lampy niskonapięciowe. jednak dość ciężkie. Inni preferowali użycie lekkich transformatorów elektronicznych, te jednak z uwagi na wyższą cenę powodowały, że koszt oprawy był duży. Nowe zródła halogenowe na napięcie sieciowe dokonały rewolucji na rynku. Reflektorowe zródła halogenowe w wersjach z aluminiowym i zimnym lustrem, pojawiły się na rynku opraw konsumenckich kilka lat temu. Przykładem takich zródeł są lampy typu Twistline. Charakterystyczny trzonek typu GU (wersja aluminiowa) i GZ (wersja z zimnym lustrem) pozwala na bardzo prosty montaż i wymianę zródła. Od kilku lat na rynku pojawiły się kapsułki halogenowe na trzonku G9. Pierwsze kapsułki były stosunkowo duże w porównaniu do znanych zródeł niskonapięciowych. Jednakże postępująca miniaturyzacja sprawiła, że w roku 2002 pojawiła się zminiaturyzowana wersja kapsułek halogenowych typu Clickline (maksymalna długość 44 mm). Daje to jeszcze większą swobodę producentom opraw w Rys.3. Żarówka halogenowa na napięcie sieciowe - HalogenA tworzeniu nowych konstrukcji oraz szybką adaptacje istniejących konstrukcji z uwagi na fakt, że gabaryty lamp Żarówki halogenowe na napięcie sieciowe HalogenA Clickline są porównywalne z kapsułkami niskonapięciowymi. Rodzina lamp halogenowych HalogenA przeznaczona do pracy na napięciu sieciowym jest bezpośrednim zamiennikiem tradycyjnych żarówek. Żarnik halogenowy został zaprojektowany na napięcie 230V i umieszczony w bańce szklanej przypominającej gabarytami żarówkę. Lampy typu HalogenA występują na naszym rynku oświetleniowym w kilku wersjach, które stanowią bezpośredni zamiennik tradycyjnych żarówek zarówno w bańce A60 (HalogenA BTT), jak również G95 (HalogenA GLOB) oraz żarówek zwierciadlonych (HalogenA PAR). Tabela 1. Porównanie lamp HalogenaA z tradycyjnymi Rys.4. Kapsułki halogenowe Clickline na napięcie sieciowe (wersja żarówkami matowana i przezroczysta) Żarowki reflektorowe PAR HalogenA Nowe żarówki Clickline są wykonane ze specjalnego szkła kwarcowego pochłaniającego promieniowanie nadfioletowe i mają długość niewiele większą od PAR 38 PAR 38 niskonapięciowych. Ponadto posiadają w torze prądowym opatentowany bezpiecznik zabezpieczający przed R95 PAR 30L potencjalną eksplozja lampy przy końcu jej trwałości zgodnie z normą IEC 432-2. Dzięki temu zgodnie z normą IEC 598-1 żarówki halogenowe Clickline mogą być stosowane w R60/63 PAR 20 oprawach otwartych. Dzięki możliwości bezpośredniej pracy na tradycyjnych, tanich ściemniaczach nadają się do R50 PAR 16 tworzenia różnych efektów oświetleniowych. Należy jednak pamiętać, że żarówki halogenowe na napięcie sieciowe są mniej wydajne energetycznie od Lampy halogenowe HalogenA charakteryzują się halogenów niskonapięciowych i mają od nich krótszą większą skutecznością świetlną i dwukrotnie większą żywotność. trwałością niż odpowiadające im żarówki tradycyjne. PRZEGLD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 5/2007 69 Tabela 2. Porównanie MASTER PAR Electronic E20 z tradycyjną Nowa generacja energooszczędnych żarówek żarówką i standardowym halogenem. halogenowych Prowadzone przez Philips Lighting prace w dziedzinie technologii materiałowej doprowadziły do uzyskania technologii powłok interferencyjnych mających właściwości odbijania promieniowania podczerwonego. Opatentowane pokrycie odbijające promieniowanie podczerwone składa się z kilku warstw tantalu i dwutlenku krzemu naniesionych na szkło żarnika żarówki halogenowej. Celem pokrycia jest zawracanie ciepła (promieniowania podczerwonego) z powrotem na żarnik lampy halogenowej, poprzez co uzyskuje się znaczne większą skuteczność świetlną (lm/W) niż w przypadku tradycyjnych żarówek halogenowych. Na targach oświetleniowych po raz pierwszy pojawiły się żarówki halogenowe MASTER Classic, które zostały zaprojektowane w oparciu o sprawdzoną technologię integracji elektronicznego transformatora z energooszczędną, niskonapięciową kapsułką halogenową. yródła światła z rodziny Master Classic mają kształt i gabaryty typowej, tradycyjnej żarówki. Rys.5. Zasada działania technologii powłok interferencyjnych Korzyści uzyskane ze stosowania tej innowacyjnej technologii to: a) większy strumień świetlny (przy tej samej mocy lampy), b) mniejsza moc lampy (przy identycznym strumieniu świetlnym), c) dłuższa trwałość (identyczny strumień świetlny) lub kombinacja w/w korzyści. Powyższa technologia jest stosowana przez firmę Philips Rys.6. Halogenowa żarówka energooszczędna Philips w niskonapięciowych żarówkach halogenowych z rodziny MASTER. Lampy MASTER Line ES o identycznym Żarówka energooszczędna MASTER Classic przy emisji strumieniu świetlnym co tradycyjne niskonapięciowe żarówki tej samej ilości światła co tradycyjna żarówka zużywa o 50% halogenowe MR16 zużywają o 40% mniej energii mniej energii elektrycznej i ma trzykrotnie większą trwałość. elektrycznej i emitują 40% mniej ciepła. Równocześnie trwałość MASTER Line ES wynosi 5000 h świecenia, Tabela 3. Podstawowe dane techniczne lamp MASTER Classic podczas, gdy trwałość dla standardowych halogenów nie przekracza 2000-3000 h. I tak halogenową żarówkę z zimnym lustrem o mocy 50W możemy zastąpić energooszczędnym ekwiwalentem o mocy 30W uzyskując identyczną ilość światła. Wśród energooszczędnych odpowiedników żarówek halogenowych są lampy MASTER Line 111 (lampa o mocy 60W jest odpowiednikiem standardowej lampy halogenowej Alu Line 111 100W), jak również kapsułki halogenowe Tym samym po raz pierwszy sformułowanie żarówka MASTER Capsule (20W, 30W, 45W, 60W). energooszczędna stało się najbardziej trafne (do tej pory Mamy, więc energooszczędne zamienniki tradycyjnych wielu konsumentów nazywało tak energooszczędną niskonapięciowych żarówek halogenowych. Stąd już tylko świetlówkę kompaktową). krok do prawdziwej rewolucji, jaką z pewnością staną się Żarówki energooszczędne MASTER Classic zostały energooszczędne żarówki halogenowe na napięcie zaprojektowane jako bezpośrednie zamienniki najczęściej sieciowe. spotykanych żarówek tradycyjnych w bańce A55 o mocach 40W i 60W oraz standardowych żarówek w kształcie Energooszczędne żarówki halogenowe na napięcie świeczki o mocy 40W. Po raz pierwszy od pojawienia się sieciowe energooszczędnej świetlówki kompaktowej mamy do Dzięki zastosowaniu nowoczesnych podzespołów wyboru energooszczędną żarówkę, dzięki której można elektronicznych udało się zminiaturyzować gabaryty oszczędzać energię przy zachowaniu znakomitej jakości elektronicznych transformatorów do rozmiarów światła charakterystycznej dla lamp żarowych. Nowa umożliwiających ich zintegrowanie z energooszczędnymi generacja energooszczędnych żarówek MASTER Classic niskonapięciowymi kapsułkami halogenowymi MASTER. posiada klasę efektywności energetycznej B. Pierwszą energooszczędną żarówką halogenową jest MASTER PAR Electronic E20. Lampa o mocy 20W stanowi Świetlówki kompaktowe zintegrowane energooszczędny ekwiwalent dla żarówek zwierciadlanych Ta zupełnie nowa generacja zródeł światła będąca R63 60W oraz halogenów PAR20 50W. energooszczędną alternatywą dla tradycyjnych żarówek 70 PRZEGLD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 5/2007 została wprowadzona na rynek oświetleniowy na początku lat osiemdziesiątych i dokonała prawdziwej rewolucji w oświetleniu gospodarstw domowych Rys.7. Miniaturyzacja lamp fluorescencyjnych Rys.8. Schemat świetlówki kompaktowej PL Electronic z Świetlówki kompaktowe zintegrowane to lampy będące elektronicznym układem zapłonowym bezpośrednim zamiennikiem tradycyjnej żarówki, które mogą być bezpośrednio zamontowane w typowych Najnowsza generacja świetlówek kompaktowych pod oprawach oświetleniowych. W porównaniu z żarówkami względem gabarytów niewiele różni się od tradycyjnych świetlówki kompaktowe zużywają pięciokrotnie mniej energii żarówek (świetlówka Genie 5W ma długość 107mm), zaś elektrycznej czynnej, a ich średnia trwałość jest kilkakrotnie świetlówki Ambiance swoim wyglądem zewnętrznym większa. upodobniły się do żarówek. Wśród stosowanych układów zapłonowych możemy wyróżnić trzy wersje: a) układ zapłonowy elektroniczny z przegrzewaniem elektrod, b) układ zapłonowy elektroniczny bez przegrzewania elektrod (tzw. zimny zapłon), c) układ zapłonowy klasyczny z przegrzewaniem elektrod (dławik indukcyjny wraz z zapłonnikiem). Na rysunku 8 przedstawiono ideowy schemat zasilania świetlówki kompaktowej w wersji elektronicznej z układem przegrzewania elektrod. Zmienny prąd zasilania po przejściu przez układ prostujący (1) ładuje kondensator elektrolityczny (2) do napięcia stałego około 300V. Napięcie na kondensatorze zasila generator wielkiej częstotliwości 40-50 kHz wykonany z tranzystorami T1 i T2 w postaci kluczy. Prąd wielkiej częstotliwości przechodzi przez elektrody świetlówki i jest stabilizowany przez dławik indukcyjny. Dodatkowo elektrody lampy są przegrzewane za Rys.9. Zintegrowane świetlówki kompaktowe pomocą układu przegrzewania w celu uzyskania optymalnej temperatury elektrod przed zapłonem w gazie. Spowalnia to Świetlówki kompaktowe mogą być stosowane w proces zużywania elektrod, co ma pozytywny wpływ na większości standardowych opraw oświetleniowych, we trwałość lampy. Świetlówki kompaktowe wyposażone w wszystkich rodzajach pomieszczeń np. w mieszkaniach układ przegrzewania elektrod, są praktycznie niewrażliwe na prywatnych, biurach, salach wystawowych, restauracjach, częstość włączeń, jeżeli powtórne włączenie nie następuje hotelach, korytarzach, jak również w oświetleniu wcześniej niż trzy minuty po zgaszeniu (czas stygnięcia zewnętrznym ogrodów, alejek, skwerów itp. Do oświetlenia elementów elektronicznych lampy). zewnętrznego należy stosować lampy w szczelnych Ponieważ częstotliwość pracy świetlówek z oprawach. elektronicznym zapłonem jest około 1000 razy większa od Należy pamiętać, że świetlówki kompaktowe uzyskują częstotliwości sieci zasilającej, dławik indukcyjny jest pełny strumień świetlny parę minut po włączeniu. Lamp tego niewielki. Dzięki temu kompaktowa świetlówka elektroniczna typu nie należy stosować w obwodach ze ściemniaczami ma małe rozmiary i jest bardzo lekka. Zastosowanie światła, wyłącznikami elektronicznymi (istnieją na rynku elektroniki umożliwia ponadto natychmiastowe i świetlówki kompaktowe współpracujące ze ściemniaczami, bezmigotliwe zaświecenie świetlówki. lecz są one rzadko spotykane na rynku) oraz fotokomórką. Elektroniczne układy zapłonowe bez przegrzewania Może to spowodować uszkodzenie świetlówki lub elektrod są co prawda tańsze, lecz ich wrażliwość na częste współpracującego urządzenia. włączanie i wyłączanie jest większa. W przypadku stosowania w instalacji dużej liczby Różnica w kształcie, wymiarach, sposobie zaświecania, świetlówek kompaktowych należy rozważyć kompensację masie i strumieniu emitowanego światła stwarzają dziś pojemnościową poszczególnych obwodów w celu poprawy możliwość właściwego dobierania świetlówki kompaktowej w współczynnika mocy, który dla świetlówek kompaktowych celu zapewnienia odpowiedniej jakości oświetlenia dla wynosi 0.50 - 0.65. każdego i w każdej sytuacji, gdzie do tej pory używano tradycyjnych żarówek. PRZEGLD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 5/2007 71 Podsumowanie Na rynku oświetleniowym jak nigdy dotąd jest wiele alternatyw dla zwykłej żarówki. Jedną z nich są energooszczędne świetlówki kompaktowe dużo mniejsze, tańsze, o dużo wyższej jakości, niż pierwsze tego typu lampy. Philips ogłosił również wprowadzenie na rynek nowej generacji energooszczędnych halogenów, które zużywają 50% mniej energii elektrycznej w stosunku do żarówek i świecą trzykrotnie dłużej. Możemy śmiało powiedzieć, że technologicznie jesteśmy przygotowani do zastąpienia tradycyjnych żarówek przez energooszczędne zródła światła. Nie są to już tylko świetlówki kompaktowe, ale również prawdziwie energooszczędne żarówki. Dodatkowo, należy mieć na uwadze nowe technologie w zakresie wykorzystania fizyki ciała stałego, jakimi są systemy oświetleniowe wykorzystujące diody elektroluminescencyjne (LED, OLED), które w przyszłości gwarantować będą jeszcze większe oszczędności. LITERATURA [1] Praca zbiorowa PKOśw, Technika Świetlna 98 Poradnik- Informator. Rys.10. yródła światła do oświetlenia gospodarstwa domowego [2] Praca zbiorowa: Light Innovation & More. Philips Lighting, 2002. [3] Materiały niepublikowane Philips Lighting.. Rys.10. yródła światła do oświetlenia gospodarstwa domowego Autorzy: mgr inż. Bogdan Ślęk, Philips Lighting Poland S.A., ul. Kossaka 150, 64-920 Piła, E-mail: Bogdan.Slek@Philips.com 72 PRZEGLD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 83 NR 5/2007