Temperatura otoczenia jako główny czynnik wyboru rozwiązania dla opraw oświetleniowych w strefach EX

Z artykułu dowiesz się:

• jaki wpływ na dobór odpowiedniej oprawy oświetleniowej pracującej w trudnych warunkach przemysłowych i strefach zagrożenia wybuchem ma temperatura otoczenia,
• jakie są zalety i wady poszczególnych źródeł światła,
• jak poprawić pracę źródła LED w wysokich temperaturach,
• co wpływa na odporność temperaturową baterii.

Wybór odpowiedniego typu oświetlenia jest bezpośrednio związany z kosztami i rachunkiem ekonomicznym każdego przedsiębiorstwa. Z jednej strony chcemy jak najwięcej światła o najlepszej jakości do poprawnej pracy, z drugiej, aby pobór energii był jak najmniejszy, w szczególności w okresie, w którym opłaty za dostawę ulegają znacznej zwyżce.

Ważność oświetlenia – jego sprawność – jest również wprost proporcjonalna do strat, jakie można ponieść przy jego braku. Straty to koszty. Koszty przerwy w oświetleniu niestety nie zawsze są wprost proporcjonalne do czasu jej trwania i zależą od rodzaju procesu, w którym ta przerwa następuje (przemysł petrochemiczny, chemiczny, farmaceutyczny, papierniczy, spożywczy itd.).

Jeżeli jednak mówimy o znaczeniu zasilania, to na pewno oprócz strat mówimy o bezpieczeństwie. Bezpieczeństwo parametrów procesu przemysłowego i mogące w tym czasie powstawać zagrożenia są bardzo ważnym aspektem całościowej kalkulacji. Aby mieć pewność, że dane urządzenie jest poprawnie dobrane, trzeba dokonać tzw. analizy i zadać sobie przy tym kilka pytań:

• Czy urządzenie jest przeznaczone do instalacji w tym miejscu?
• Czy uruchomi się w różnych warunkach pracy?
• Czy osiągnie parametry pracy znamionowej?
• Czy jest trwałe i posłuży przez długi okres?
• Czy nie stanowi zagrożenia dla innych systemów, procesów i obsługi?

Powołując się na zapisy ustaw, rozporządzeń oraz norm dotyczących opraw oświetleniowych, przy dostarczaniu odpowiedniego natężenia oświetlenia jesteśmy zmuszeni do doboru właściwego rozwiązania wiążącego się z wyborem technologii wykonania tego produktu oraz kalkulacją ryzyka nieprawidłowego jego działania, a co za tym idzie kompromisów i uwarunkowań ze względu na pracę w różnych warunkach otoczenia.

Patrząc na miejsca pracy, w których musimy jako ludzie dokonywać czynności przy udziale światła sztucznego, w dniu dzisiejszym zmuszeni jesteśmy do wytworzenia produktu coraz lepiej dopasowanego do danego środowiska i do strefy klimatycznej, w jakiej on pracuje. W tej sytuacji można rozróżnić dwie podstawowe grupy, w których temperatura otoczenia odgrywa decydującą rolę:

• położenie na Ziemi,
• rozmieszczenie na obiekcie.

Przyjmując przedstawiony poniżej podział na strefy klimatyczne i panujące tam warunki otoczenia, możemy rozróżnić główne lokalizacje przemysłowe, gdzie przy doborze oświetlenia temperatura również posiada ogromne znaczenie:

• instalacje zewnętrzne lądowe (rafinerie, zbiorniki wolnostojące – magazyny, zakłady chemiczne, elektrownie),
• instalacje zewnętrzne morskie (statki, platformy).

Warunki otoczenia w różnych strefach klimatycznych

STREFA KLIMATÓW RÓWNIKOWYCH

• średnia roczna temperatura powietrza 24–25°C
• roczne amplitudy temperatury nie przekraczają 5°C

STREFA KLIMATÓW PODRÓWNIKOWYCH

• średnia roczna temperatura powietrza powyżej 20°C
• roczna amplituda temperatura 5 –10°C

STREFA KLIMATÓW ZWROTNIKOWYCH

• średnia temperatura najchłodniejszego miesiąca powyżej 15°C
• dobowe amplitudy temperatury wynoszą około 40°–50°

STREFA KLIMATÓW UMIARKOWANYCH

• średnia temperatura powietrza miesięcy letnich około 15°C
• średnia temperatura powietrza miesiąca najchłodniejszego około 0°C
• roczne amplitudy temperatury powietrza poniżej 20°C

STREFA WOKÓŁ KÓŁ PODBIEGUNOWYCH

• temperatura najcieplejszego miesiąca nie przekracza 0°C
• roczne amplitudy temperatury powietrza poniżej 10°C
• na terenie kół polarnych przez cały rok temperatury ujemne (od –20° do –50°C)

Temperatura oddziaływania zależna od miejsca instalacji – obiekty i pomieszczenia

Biorąc po uwagę instalację opraw wewnątrz obiektów i pomieszczeń, temperatura odgrywa znaczącą rolę przy instalacjach takich jak:

• mroźnie,
• kotły, piece,
• instalacje podziemne (górnicze),
• instalacje procesowe,
• hale przemysłowe i magazynowe.

Na rysunku 1 pokazano podział elektrycznych źródeł światła ze względu na sposób jego wytworzenia. Do podstawowych źródeł stosowanych aktualnie w obiektach przemysłowych można zaliczyć:

• żarówkę,
• rurę fluorescencyjną (potocznie zwaną świetlówką),
• lampę sodową,
• lampę metalohalogenkową,
• lampę indukcyjną,
• coraz bardziej rozpowszechnione lampy LED.

Źródło wyładowcze w postaci lamp rtęciowych ze względu na swoją szkodliwość zostało wycofane z produkcji i nie będzie brane pod uwagę przy dalszej analizie.

Aby stwierdzić, czy dane źródło najbardziej pasuje do naszej instalacji, w artykule dokonano ogólnej charakterystyki poszczególnych rozwiązań z pokazaniem ich zalet i wad.

Każde ze źródeł posiada specyficzne parametry fizyczne ze względu na zastosowaną technologię. Dlatego też znając dokładnie te parametry i uwarunkowania dotyczące temperatury, możemy stwierdzić, czy dane źródło światła będzie pracowało poprawnie i nie ulegnie szybkiej degradacji oraz czy rachunek ekonomiczny będzie na odpowiednim, akceptowalnym poziomie.

Żarówka tradycyjna (próżniowa, gazowa), halogenowa

Zalety:

• bardzo dobra odporność na zmiany temperatury,
• poprawna praca przy temperaturach ujemnych i dodatnich,
• bardzo duży współczynnik oddawania barw w szerokim spektrum temperatury otoczenia.

Wady:

• bardzo mała skuteczność świetlna: 15 lm/W – żarowe, do 35 lm/W – halogenowe,
• niska trwałość: 1000 h żarowe, 3000 h halogenowe,
• wysoka temperatura żarnika (2500°C), bańki ok. 80–150°C.

Świetlówka liniowa, kompaktowa

Zalety:

• bardzo dobra odporność na zmiany temperatury w przedziale wartości dodatnich,
• poprawna praca przy temperaturach dodatnich (załączenie-wyłączenie),
• dobry współczynnik oddawania barw w szerokim spektrum temperatury otoczenia.

Wady:

• średnia skuteczność świetlna: 40–100 lm/W i trwałość: do 15 000 h dla T8, 25 000 h dla T5,
• mała odporność na niskie temperatury – spadek strumienia świetlnego,
• stosowanie układu zapłonowego.

Ze względu na wadę świetlówki polegającą na małej wartości strumienia w temperaturach ujemnych (wyk. 1) to źródło światła w wersji standardowej eliminuje się przy aplikacjach zewnętrznych lub w mroźniach.

Na wykresie widać znaczący spadek sprawności przy obniżonej temperaturze otoczenia. Aby powstrzymać ten efekt i poprawić parametry pracy w niskich temperaturach, stosuje się następujące rozwiązanie:

• specjalna budowa (obudowa) rury jarzeniowej,
• obudowa z polimetakrylanu (PMMA):
  • osłona w celu wytworzenia warstwy o niskim współczynniku przenikalności temperatury,
  • wytworzenie wyższej temperatury dla zachodzącego zjawiska chemicznego jonizacji zderzeniowej gazu,
  • uzyskanie większej sprawności w parach rtęci w polu między elektrodami wewnątrz rury.

Lampy sodowe wysokoprężne

Zalety:

• bardzo dobra skuteczność świetlna: 200 lm/W i dobra trwałość: do 30 000 h,
• bardzo dobra odporność na zmiany temperatury w ujemnym i dodatnim zakresie,
• niewielki spadek strumienia świetlnego w czasie pracy i bardzo dobra kontrastowość.

Wady:

• mała odporność na niskie temperatury podczas zapłonu,
• długi okres zapłonu (nawet do 5 minut przy ujemnych temperaturach otoczenia),
• utrudniony ponowny zapłon (zakaz stosowania w oświetleniu awaryjnym),
• niski współczynnik oddawania barw R_a < 40.

Lampy sodowe niskoprężne

Zalety:

• bardzo dobra skuteczność świetlna: 200 lm/W i dobra trwałość: do 20 000 h,
• bardzo dobra odporność na zmiany temperatury w ujemnym i dodatnim zakresie,
• niewielki spadek strumienia świetlnego w czasie pracy i bardzo dobra kontrastowość,
• zapłon możliwy przy bardzo niskich temperaturach (od –50°C; standardowo –30°C).

Wady:

• bardzo długi okres zapłonu (nawet do 10 minut przy ujemnych temperaturach otoczenia),
• utrudniony ponowny zapłon (zakaz stosowania w oświetleniu awaryjnym),
• niski współczynnik oddawania barw R_a < 20.

Lampy metalohalogenkowe

Zalety:

• dobra skuteczność świetlna: 100 lm/W i dobra trwałość: do 20 000 h,
• bardzo dobra odporność na zmiany temperatury w ujemnym i dodatnim zakresie,
• niewielki spadek strumienia świetlnego w czasie pracy,
• dobry współczynnik oddawania barw R_a < 80.

Wady:

• mała odporność na niskie temperatury podczas zapłonu,
• długi okres zapłonu, w szczególności w ujemnych temperaturach otoczenia,
• utrudniony ponowny zapłon (zakaz stosowania w oświetleniu awaryjnym),
• specjalny układ zapłonowy.

Lampy indukcyjne

Zalety:

• bardzo dobra skuteczność świetlna: ok. 120 lm/W i trwałość: od 60 000 do 100 000 h,
• bardzo dobra odporność na zmiany temperatury w ujemnym i dodatnim zakresie,
• niewielki spadek strumienia świetlnego w czasie pracy,
• dobry współczynnik oddawania barw R_a > 80,
• szybkie uruchomienie i osiągnięcie parametrów znamionowych pracy.

Wady:

• bardzo wysoki koszt inwestycyjny,
• utrudniony zapłon z wykorzystaniem generatora wysokich częstotliwości.

Źródła LED

Zalety:

• bardzo dobra skuteczność świetlna: do 220 lm/W i trwałość: od 50 000 do 200 000 h,
• bardzo dobra odporność na zmiany temperatury w ujemnym zakresie,
• niewielki spadek strumienia świetlnego w czasie pracy (wolna utrata światłości),
• dobry współczynnik oddawania barw od R_a = 70 do R_a = 90,
• możliwość sterowania w pełnym zakresie światłości różnymi metodami.

Wady:

• średnio wysoki koszt inwestycyjny zależny od jakości produktu,
• degradacja złącza przy pracy w wysokiej temperaturze – ograniczenie trwałości,
• stosowanie specjalnego zasilacza stałonapięciowego lub stałoprądowego.

Jak poprawić pracę źródła LED w wysokich temperaturach?

W celu uzyskania optymalnych warunków pracy dla źródła światła należy „odprowadzić” ciepło, co można uzyskać dzięki specjalnej konstrukcji obudowy i radiatorom słupkowym, które dają znacznie lepszy efekt niż stosowane dotychczas rozwiązania.

Materiał użyty do budowy samego korpusu i dodatkowego radiatora powinien być wykonany z odlewu aluminium o bardzo dużej gęstości, gdyż tylko jednolita struktura materiałowa pozwoli na szybkie odprowadzenie nadmiaru ciepła. Czynnikiem porównawczym świadczącym o jakości materiału, z jakiego wykonany jest odlew, jest jego waga.

Ważne

Wzrost temperatury na złączu LED o 20°C może spowodować 6-krotne skrócenie pracy z parametrami znamionowymi. Luminancja jest zależna od temperatury i zawsze zmniejsza się wtedy, gdy temperatura wzrasta. Przedstawione na wykresie 2 zależności pokazują degradację złącza LED przy wzroście temperatury, co znacząco ogranicza czas żywotności.

¹Zbyt wysoka temperatura wewnątrz oprawy dodatkowo uszkadza silikonowe soczewki, powodując ich mechaniczne zniszczenie. Powinno się uważać na nieprawidłowy montaż bez uwzględnienia czynnika zewnętrznego. Ponadto za każdym razem należy unikać dodatkowego źródła, które może wzmacniać lub zaburzać proces chłodzenia. Dotyczy to źródeł naturalnych, jak promieniowanie słoneczne, czy sztucznych, jak bliskość montażu przy instalacjach procesu produkcyjnego wytwarzającego wysoką temperaturę.

Niewątpliwie najlepszą metodą na poprawienie pracy źródła LED jest odprowadzenie bezpośrednio wytworzonego ciepła z procesu świecenia LED tak szybko, jak tylko się da, z jak najbliżej wytworzonego procesu. Możemy to uzyskać dzięki zastosowaniu płytki PCB z warstwą aluminium o dobrej przenikalności temperaturowej odprowadzającej ciepło bezpośrednio od wlutowanej diody LED. Płytka PCB składa się z płytki aluminium o grubości do 1 do 3 mm powleczonej ceramiczną warstwą izolacyjną, na której prowadzone są miedziane ścieżki zasilające. Całość stanowi kompletny element, który jest często łączony z dodatkowym radiatorem lub korpusem poprzez pastę termoprzewodzącą dla zapewnienia jak największej powierzchni oddawania ciepła.

W momencie, gdy konstrukcja źródła światła LED, płytka PCB, radiator oraz zasilacz znajdują się wewnątrz obudowy, najczęściej w przypadku oprawy liniowej – i jest ona narażona na duże wahania temperatury wewnętrznej i zewnętrznej – niezwykle ważne staje się stosowanie specjalnego dławika drenażowego. Zapewnienie odpowiedniej wentylacji i wyrównanie ciśnienia pomiędzy wnętrzem a atmosferą zewnętrzną uniemożliwiają kondensację pary wodnej. Dodatkowo chronią przed zwiększoną temperaturą, jaka może wytworzyć się podczas dużego nasłonecznienia we wnętrzu oprawy. W miejscu montażu dławików stosuje się specjalną zaślepkę lub specjalne dławiki wprowadzające przewody zasilające oprawę.

Odporność temperaturowa układu zasilania

W celu wytworzenia strumienia świetlnego z niektórych źródeł światła należy w odpowiedni sposób dobrać układy zasilania. Aby zrobić to poprawnie, trzeba stosować takie układy, które dadzą jak najlepsze rezultaty elektryczne i świetlne. Niestety zarówno na parametry energii, które są przekazywane do źródła światła, jak i na trwałość elementu, jakim jest zasilacz, bardzo duży wpływ ma temperatura. W przypadku źródeł LED w tym momencie najsłabszym ogniwem jest układ zasilania (statecznik), który decyduje o awaryjności całej oprawy.

Z uwagi na to, że zastosowane jest odpowiednie chłodzenie dla LED, żywotność oprawy wyznacza w tym przypadku statecznik. Dzieje się tak na skutek odporności elementów elektronicznych na wysoką temperaturę, a w szczególności kondensatorów i ścieżek miedzianych. Wysychanie, będące w 80% przypadków przyczyną awarii, powoduje, że zasilacz przestaje poprawnie pracować, ponieważ nie ma odpowiedniego poziomu filtracji dolno- i górnoprzepustowej oraz zdolności magazynowania energii. Wybór odpowiedniego kondensatora stanowi kompromis między ceną a jakością, ponieważ wraz z elementami magnetycznymi jest on często najdroższą częścią zasilacza.

Niebezpieczne są wysokie temperatury panujące wewnątrz oprawy, wyższe niż dopuszczalne podczas pracy zasilacza, jak również przenoszenia przez płytkę PCB ciepła ze źródła światła na układ zasilania, nawet przez wewnętrzną przestrzeń powietrzną, które prowadzą do odparowania elektrolitu z kondensatora. O sile całej oprawy będzie decydował jedynie układ elektroniczny złożony z najwyższej jakości komponentów i o długotrwałym czasie pracy bezawaryjnej.

Z teorii Arrheniusa wynika, że żywotność kondensatora aluminiowego podwaja się wraz ze spadkiem temperatury otoczenia o 10°C. Odseparowanie układu elektroniki od radiatora daje znacząco wyższe rezultaty niż montaż w zintegrowanej obudowie. Bardziej zapobiegliwi producenci stosują 2 lub 3 zasilacze dla jednego zestawu świetlnego, aby uzyskać większą sprawność. Obniżenie obciążenia powoduje zmniejszenie grzania elementów wewnętrznych, które wraz z temperaturą zewnętrzną mogłyby spowodować dużą degradację i w konsekwencji awarię.

Odporność temperaturowa baterii

Do zasilania awaryjnego opraw w przypadku zaniku napięcia podstawowego jesteśmy zobligowani przez przywołane w rozporządzeniach normy i zapisy ustawy o ochronie przeciwpożarowej i ustawy Prawo budowlane do niezwłocznego dostarczenia oświetlenia, tj. w ciągu 0,5 s dla stref wysokiego ryzyka oraz 50% En w ciągu 5 s i 100% En w ciągu 60 s dla dróg ewakuacyjnych i stref antypanicznych.

Najczęściej zasilanie awaryjne na instalacjach i obiektach przemysłowych jest realizowane poprzez:

• moduły akumulatorowe wraz z zasilaczem wewnątrz opraw,
• instalację zasilania rezerwowego zasilaną z zestawu źródła prądu stałego: instalację 220V DC Centralna Bateria.

W obu przypadkach źródłem zmagazynowanej energii jest akumulator, na który ze względu na właściwości elektrochemiczne ogromny wpływ ma temperatura. Każde zwiększenie temperatury pracy (otoczenia) o 10°C ponad znamionowe 20°C powoduje skrócenie żywotności ogniwa akumulatorowego o połowę. Akumulator indywidualny wewnątrz oprawy, przewidziany standardowo na 4 lata żywotności, w temperaturze otoczenia 50°C będzie pracował ze znamionowymi parametrami przez pół roku. Natomiast akumulator stacjonarny, przewidziany według EUROBAT na 10 lat pracy, w temperaturze otoczenia 30°C będzie pracował ze znamionowymi parametrami 5 lat. Co ważne, negatywny wpływ na pracę źródła energii, jakim jest akumulator, ma również temperatura ujemna.

Ze względu na zachodzące procesy fizykochemiczne zdarza się, że zmagazynowana w baterii energia nie ma możliwości zostać w pełni wykorzystana, co przy złym stanie ogniw może doprowadzić do braku podania napięcia na zasilacz, a tym samym do całkowitego braku oświetlenia.

Niekorzystny wpływ na żywotność baterii mają również nagłe skoki temperatury. Ilość energii, którą możemy pobrać z akumulatora, zależy od jego temperatury. Różnica podczas pracy akumulatora w temperaturach w okresie letnim i zimowym może powodować zmniejszenie zmagazynowanej energii nawet o połowę.

Dobierając wartość pojemności do mocy źródeł światła, jakie go obciążają, musimy pamiętać o tej zależności i w niektórych przypadkach przewymiarować tak, aby mógł pracować prawidłowo w danej instalacji.

Dodatkowo pod uwagę musimy brać także sytuacje niekorzystne, takie jak niedoładowanie baterii do pełnej pojemności i degradacja struktury wewnętrznej, gdyż w takim przypadku zarówno pojemność, jak i sprawność będą proporcjonalnie mniejsze.

Przyczyną tego jest zjawisko elektrochemiczne występujące wewnątrz ogniwa, gdy wewnętrzny opór rośnie, wskutek czego reakcja chemiczna przebiega wolniej. Mając na uwadze zależność, która może wystąpić również w źródle światła, jakim jest świetlówka fotoluminescencyjna, przy wyższym poborze prądu możemy uzyskać efekt niepożądany w postaci załączenia z niedostatecznymi parametrami świetlnymi lub całkowitego zaniku światła.

Najgroźniejsze są przerwy w dostawie energii, które mogą doprowadzić do głębokiego rozładowania, a w konsekwencji do uszkodzenia akumulatora. Przestój w dostawie energii, efekt niepełnego rozładowania i ładowania spowodowane czasem braku napięcia mogą spowodować, że rozładowanie większej pojemności jest mniej niekorzystne dla układów o czasie działania 3 h niż 1,5 h.

Zestaw akumulatorów jest tak słaby, jak najsłabsze jest jego ogniwo, dlatego bardzo ważne jest utrzymanie wszystkich ogniw w jak najlepszej kondycji. Odpowiednie sprawdzanie stanu przez pomiary manualne czy automatyczne pozwala na szybkie oszacowanie kondycji całego zestawu.

Rozładowując akumulator, musimy pamiętać o zależności temperatury, w jakiej odbywa się ten proces, a urządzenie wykonujące go powinno być wyposażone w układ wspomagający, regulujący zadaną wartość na odpowiednim poziomie. Często do zapewnienia odpowiedniego poziomu prądu ładowania i rozładowania dla danego typu baterii wykorzystywane są wzorcowe krzywe histerezy. Pozwala to uniknąć przekroczenia zakładanej wartości ułamkowej znamionowej pojemności.

Przyjęło się, że oznaczeniem 1C podajemy tzw. prąd jednogodzinny. Poszczególne typy akumulatorów, mając różne zależności prądu ładowania od temperatury, mogą zostać albo niedoładowane i wtedy nie posiadają w pełni swoich właściwości, albo mogą być przeładowane i same w sobie mogą stanowić niebezpieczeństwo, łącznie z zagrożeniem wybuchu ogniwa.