Není budova bez (LED) osvětlení

Bez světla by nebylo života ani v inteligentních budovách. Osvětlení vnitřních i vnějších prostor je jednou ze základních podmínek k tomu, aby bylo možné budovu využívat. Kvalita osvětlení je důležitým a v některých případech i rozhodujícím parametrem kvality vnitřního prostředí, neméně důležitá je ale v dnešní době i spotřeba energie.

Vývoj světelných zdrojů a svítidel probíhá již od úsvitu civilizace, a pokud se ohlédneme zpátky, zjistíme, že jde o historii více než zajímavou (u nás se jí zabývala například PhDr. Jitka Lněničková). Lze říci, že zásadním krokem ve vývoji světelných zdrojů bylo použití elektřiny jako zdroje energie a vynález žárovky jako zdroje světla. Její poslední vývojová forma, halogenová žárovka, je výborným zdrojem světla, který splňuje většinu požadavků, jež na zdroj světla klademe. Má však několik zcela zásadních nevýhod: malou účinnost, relativně nízkou barevnou teplotu a relativně krátkou životnost.

Snaha najít zdroj světla s podstatně vyšší účinností a tedy i nižší spotřebou energie stimulovala koncem 20. století velký rozvoj v oblasti světelných zdrojů – objevily se kompaktní zářivky, nové druhy výbojek a nakonec i výkonové LED diody pro osvětlení. Právě LED zažívají v poslední době rychlý vývoj a zdá se, že se stanou ideálním nástupcem žárovky se všemi jejími výhodami a žádnou z jejích nevýhod.

„Organické LED zatím mají příliš vysokou cenu a nízkou účinnost.“

LED diody mají poměrně vysokou účinnost, kterou je možné ještě zvyšovat, mohou mít téměř libovolnou barevnou teplotu a mají velmi dlouhou životnost. Zatím nemohou zcela nahradit zářivky nebo výbojky tam, kde je potřeba rozptýlené světlo o větších intenzitách, respektive nejsou v této oblasti dostatečně cenově konkurenceschopné. Předpokládá se, že organické LED (OLED), které se zatím používají na displeje, by mohly časem sloužit také jako levné plošné zdroje světla. To bude ovšem pravděpodobně ještě nějaký čas trvat.

Objevují se dokonce názory, že organické LED nejsou tou nejschůdnější cestou; mají zatím příliš vysokou cenu a stále ještě nízkou účinnost. Časem se však nepochybně objeví ještě další možnosti zvyšování účinnosti světelných zdrojů. Zatím se ovšem zdá, že v blízké budoucnosti se v oblasti osvětlování budov prosadí světelné zdroje s LED, které jsou velmi flexibilní, dobře se hodí pro moderní velkovýrobu (podobné technologie jako pro výrobu polovodičových součástek), jsou přátelské k životnímu prostředí (neobsahují rtuť ani jiné těžké kovy) a mají dlouhou životnost.

Princip LED osvětlení

Zkratka LED je z anglického light-emitting diode; jde o polovodičovou součástku s takzvaným p-n přechodem, podobně jako u usměrňovacích diod nebo třeba u fotovoltaických článků. Dalo by se říci, že LED diody a fotovoltaické články jsou v principu analogická zařízení, ovšem s inverzní funkcí. Ve fotovoltaickém článku se mění energie fotonů dopadajícího záření na energii elektrického proudu a v LED diodách naopak procházející elektrický proud vyvolává emisi fotonů. Pokud jde o praktické provedení, jsou ovšem mezi fotovoltaickým článkem a LED rozdíly zcela zásadní.

V polovodičích s takzvaným „přímým zakázaným pásem“ (direct band gap semiconductors) dochází k tomu, že při průchodu proudu přes p-n přechod a následné rekombinaci děr a elektronů dojde k vyzáření fotonů (takzvaná elektroluminiscence). Vlnová délka a tedy barva vyzářeného světla odpovídá rozdílu energie mezi posledním obsazeným orbitalem a prvním neobsazeným orbitalem (band gap) a je tedy dána použitým polovodičem. Přehled používaných materiálů spolu se spádem napětí na p-n přechodu (to je vlastně jakési minimální napětí, při němž LED svítí) je v tabulce 1. Z tabulky je vidět, že napětí potřebné pro napájení LED je tím větší, čím větší je energie fotonů světla, tedy čím kratší je jejich vlnová délka).

Když LED svítí

Podobný reflektor s LED čipy pod společným krytem
Zdroj: http://www.sundayschildsnapshots.com/

Reflektor pro videokameru složený ze samostatně zapouzdřených LED
Zdroj: Wikipedia

Pro praktickou realizaci výše uvedeného fyzikálního principu emise fotonů bylo třeba vyřešit celou řadu problémů. V počátcích byl největší problém s malou intenzitou světla a také s jeho barvou, proto se nejdříve LED diody používaly jen jako kontrolky nebo segmentové displeje. Pro tyto účely stačí 30–60 mW elektrického výkonu, ale pro osvětlení je třeba výkon až tisíckrát větší. Toho lze dosáhnout použitím velkého množství jednotlivých malých LED. To může být rozumné řešení, pokud potřebujeme plošné osvětlení. Jednotlivé čipy mohou být individuálně zapouzdřené nebo pod společným krytem.

Graf závislosti logaritmu světelného toku na čase, tzv. Haitzův zákon
Zdroj: Wikipedia

Použití velkého množství malých čipů ale není možné tam, kde potřebujeme malý a výkonný zdroj například pro bodové osvětlení. V každém případě vývoj směřuje ke stále výkonnějším čipům. Zvyšování světelného výkonu LED zdrojů probíhá exponenciálně – podobně, jako je tomu u zvyšování počtu tranzistorů, respektive výpočetního výkonu mikroprocesorů. (Existuje dokonce analogie k Moorovu zákonu, takzvaný Haitzův zákon.)

Chladič s LED čipem (Philips Lumileds)
Zdroj: katalog firmy Philips

LED svítidlo s výraznými chladicími žebry
Zdroj: autor

Výkonné čipy je ovšem nutné efektivně chladit, protože větší část dodané energie se promění na teplo, které však – na rozdíl od žárovek nebo výbojek – není vyzářeno, ale musí být odvedeno. Proto se čipy montují na vhodnou tepelně vodivou podložku.

Na rozdíl od třeba počítačových procesorů tady obvykle nepřichází v úvahu použití chladiče s ventilátorem – používají se tedy různé pasivní žebrované chladiče.

Spektrum bílé LED
Zdroj: Wikipedia

Pokud jde o barvu světla, LED diody jsou z principu jednobarevný zdroj. K vytvoření více méně bílého světla je možné použít dvě cesty: buď lze jako základ vzít LED vyzařující v modré nebo dokonce v ultrafialové oblasti a přidat vhodný luminofor, který toto záření přemění na delší vlnové délky mechanismem nazývaným Stokesův posun, nebo zkombinovat červenou, zelenou a modrou LED. Dnes nejběžnější bílé LED diody obvykle používají jako polovodič InGaN produkující modré světlo a luminofor, který jeho část transformuje na vlnové délky v rozmezí 500 až 700 nm. To dohromady vytvoří bílou barvu. Kvalita barevného podání záleží na použitém luminoforu a ve spektru je vždy více nebo méně znatelný „peak“ v oblasti modré barvy.

Lepšího výsledku lze dosáhnout použitím několika různých, vhodně vybraných luminoforů. Obvykle se pak zlepší kvalita barevného podání na úkor účinnosti nebo naopak. Například LUXEON S (od firmy Philips) má index barevného podání (CRI) 85, což je velmi dobrá hodnota, ale jeho energetická účinnost je jen kolem 80 lm/W. Luxeon R používaný pro méně náročné průmyslové prostory má CRI jen asi 70, ale zase dosahuje při menším proudu účinnost 128 lm/W.

Důležité parametry světla

Při srovnávání různých světelných zdrojů nás zajímá celá řada parametrů. Nejdůležitější z nich jsou:

• Světelný tok – měří se v lumenech (lm) a vyjadřuje množství vyzářeného světla s přihlédnutím ke spektrální citlivosti našeho oka.
• Světelná účinnost – udává se v lm/W. Ideální bílý zdroj by měl mít 251 lm/W (při barevné teplotě 5800 K), ideální monochromatický zdroj pak 683 lm/W (v oblasti kolem 555 nm).
• Barva světla – je zpravidla popsána teplotou chromatičnosti, která je definována jako teplota „černého tělesa“ (např. vlákno žárovky), jehož světlo vyvolá stejný barevný vjem. Obvykle se rozeznávají tři hlavní skupiny: teple bílá (Warm White) méně než 3 300 K, chladně bílá (Cool White) 3 300 až 5 000 K a denní bílá (Daylight) více než 5 000 K.
• Index barevného podání (R_a, obvykle však CRI z angl. Color rendering index) – hodnocení věrnosti barevného vjemu, který vznikne osvětlením z daného zdroje v porovnání s tím, jaký barevný vjem by vznikl ve světle slunce. Hodnota CRI může být od 0 do 100. Hodnota 0 znamená nemožnost rozeznat barvy, 100 znamená zcela dokonalé podání barev.
• Životnost, resp. střední doba života – udává se počtem provozních hodin, než dojde k poklesu výkonu pod určitou akceptovatelnou hranici nebo ke zničení zdroje. Závisí na mnoha parametrech (na teplotě, stabilitě napájení, počtu cyklů zapnutí/vypnutí apod.). Je to statistická veličina, tj. konkrétní zdroj může vydržet delší nebo kratší dobu.
• Cena – důležitá není jen pořizovací cena světelného zdroje, objektivnější je zvažovat celkové náklady na provoz zdroje po dobu jeho životnosti: zdroj, který má vysokou účinnost a dlouhou životnost, se vyplatí, i když je dražší.
• Velikost zdroje, jeho jas a směrovost – pro rozptýlené celkové osvětlení jsou vhodné plošné zdroje s menším jasem, protože při pohledu neoslňují. Do optických soustav (projektor), nebo pokud potřebujeme nasvětlit nějaký malý předmět, je lepší malý zdroj s co největším jasem a úzkým kuželem světla.
• Možnosti změny intenzity (stmívání) – energeticky efektivní regulace intenzity světla umožňuje plynule přizpůsobit osvětlení okamžité potřebě a je velmi důležitá pro úsporu energie. Ideální je, když se při tom nemění barva světla.
• Požadavky na napájení (stejnosměrný/střídavý proud a napětí) – možnost použít malé stejnosměrné napětí je výhodná u nouzového osvětlení napájeného z baterií.

Vyplatí se LED osvětlení?

Podívejme se tedy, jak si z hlediska výše uvedených parametrů moderní LED zdroje stojí, v čem mají ve srovnání s jinými běžně dostupnými zdroji výhody a kde zaostávají.

• Světelný tok – i přes stálé a velmi výrazné zvyšování výkonu nejsou LED zdroje vhodné tam, kde je třeba vysoký světelný tok. Například na fotbalových stadionech se používají metalhalogenidové výbojky o výkonu až 2 000 W. Pro osvětlení běžných interiérů jsou však současné výkony LED už dostačující.
• Světelná účinnost – v tomto parametru jsou už LED lepší než jiné zdroje se srovnatelným barevným podáním. Tam, kde na barvě nezáleží, jsou ale stále lepší některé výbojky.
• Barva světla – zde jasně vítězí LED. Použitím tří čipů (RGB LED) je možné namíchat v podstatě libovolnou barvu. Pokud se použijí vhodná čidla a regulátor, pak je možné nastavenou barvu velmi přesně udržovat i při změnách podmínek (intenzita osvětlení, teplota apod.).
• Index barevného podání – v tomto případě naopak vítězí tepelné zdroje, tj. například halogenové žárovky, případně zářivky s vícepásmovými luminofory. Většina LED nicméně dosahuje hodnoty CRI > 80, což je pro běžné osvětlení dostačující. Existují však už i LED s  CRI > 90, které je možné využívat i k osvětlení obrazových galerií; jejich účinnost je však poměrně nízká a cena vysoká.
• Životnost – to je silná stránka LED zdrojů. Různé prameny uvádí, že vysoce kvalitní LED mohou při správném provozování svítit i více než 100 000 hodin. Výhodou je, že nejsou citlivé na zapínání a vypínání (jako třeba zářivky a výbojky), velmi snadno se ale zničí překročením maximální povolené teploty čipu (to ale platí pro většinu polovodičových součástek). Je ovšem třeba počítat s určitým stárnutím a změnou některých parametrů. U bílých LED jde především o snižování světelného toku v důsledku změn luminoforu. Udává se, že světelný tok po 50 000 hodinách dosahuje hodnot mezi 50 až 70 % počáteční hodnoty.
• Cena – zatím je pořizovací cena rozumně výkonných LED zdrojů poměrně vysoká; 10W LED žárovka od čínského výrobce stojí kolem 500 korun, LED žárovky od renomovaných evropských firem jsou ještě dražší.
• Velikost – to je silná stránka LED. Moderní výkonné čipy umožňují dosahovat vysoké svítivosti při malých rozměrech.
• Regulace výkonu – výkon je možné snadno regulovat změnou proudu nebo bezztrátově změnou střídy napájecích impulzů (změna doby ZAPNUTO/VYPNUTO). LED mohou být spínány s vysokou frekvencí, takže blikání je nepostřehnutelné.
• Napájení – používá se stejnosměrný proud a jednotlivé LED, respektive jejich čipy, se řadí do série. Pokud je třeba napájet za sítě, musí se použít vhodný předřadník. Obecně platí, že LED by měly být napájeny ze zdroje konstantního proudu.

Z výše uvedeného je vidět, že LED světelné zdroje jsou v současné době zajímavou a široce využitelnou alternativou ke klasickým zdrojům světla a díky rychlému vývoji technologie a snižování cen lze očekávat jejich výrazné rozšíření. Můžeme říci, že jsou ideálním osvětlením pro inteligentní budovy, protože umožňují velmi snadno měnit intenzitu světla, jsou přitom velmi energeticky úsporné a mohou výborně spolupracovat s různými regulačními systémy, které řídí osvětlení podle potřeb uživatelů.

Inteligentní osvětlení

Osvětlování takzvaných „inteligentních“ budov klade na světelné zdroje některé nové požadavky. Jedním z nejdůležitějších je pochopitelně energetická účinnost, neméně důležitá je ale i kompatibilita s regulačními systémy, které se v těchto budovách používají (například DALI). Světelné zdroje v inteligentních budovách by měly splňovat následující požadavky:

• Možnost přizpůsobování intenzity světla měnícím se podmínkám bez změny barevné teploty světla, například vyrovnávání kolísání intenzity denního světla (daylight equalisation) nebo přizpůsobení intenzity světla požadavkům obyvatel (pracovníků).
• Vypínání světla – buď časové řízení, nebo detektory pohybu.
• Zónování, tj. používání dalších zdrojů světla (vedle celkového osvětlení), které v určitém místě a čase zajistí požadovanou intenzitu osvětlení s minimální spotřebou a bez nepříznivého ovlivnění zbytku prostoru.
• Rozumně dlouhá životnost zdrojů a časová stabilita intenzity světla.
• V inteligentních budovách je spousta elektronických zařízení, proto je velmi důležitá i naprostá elektromagnetická kompatibilita osvětlovacích zdrojů.
• Efektivní a flexibilní software pro ovládání osvětlení, který umožní snadné ovládání (třeba i z jednotlivých osobních počítačů) a ve spojení s instalovaným hardwarem dokáže výrazně snížit spotřebu. (Například firma Digital Lumens na svých stránkách tvrdí, že v průmyslových podnicích dokážou jejich inteligentní osvětlovací systémy s LED snížit spotřebu energie na osvětlení až o 90 %. Je to skoro neuvěřitelná úspora, nicméně ze své zkušenosti s neuvěřitelnou neefektivností osvětlení v několika průmyslových provozech, které jsem blíže poznal, jsem nakloněn tomu věřit.)

Jak se LED osvětlení vyrovnává s těmito specifickými požadavky inteligentních budov? Změna intenzity světla je u něj bezproblémová a velmi dobře snáší i časté zapínání a vypínání spojené třeba s použitím detektorů pohybu. Velkou výhodou LED je také okamžitý náběh na plnou intenzitu. Na trhu jsou napájecí zdroje pro LED kompatibilní s DALI a se zaručenou elektromagnetickou kompatibilitou. Malá velikost LED zdrojů velmi usnadňuje zónování, velmi dlouhá životnost pak významně snižuje náklady na údržbu.