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LED Beleuchtung für Industriehallen. Was ist zu beachten?
Die LED ist längst kein »kleines Licht« mehr. Zahlreiche Leuchtenhersteller haben ihr Produktportfolio bereits scharf in Richtung LED ausgerichtet und altbekannte Leuchtmittel werden zunehmend in den Hintergrund gedrängt. Einer der wichtigsten Absatzmärkte für LED Beleuchtungsanlagen ist die Industrie. Hier herrscht ein lebhafter Wettbewerb, versprechen die ausgedehnten Hallen mit Produktions-, Versand- und Lagerflächen doch attraktive Großaufträge.
Licht in der Industrie soll die Sicherheit erhöhen, die Produktivität und das Wohlbefinden der Mitarbeiter steigern und eines ganz besonders: Es soll wirtschaftlich sein. Doch wie gelingt eine Beleuchtungsplanung bei einem solch anspruchsvollen Bündel an Anforderungen? Wo liegen die Stolpersteine? Sind die technischen Daten der Anbieter dazu ausreichend?
Lichtkonzepte
Das Grundkonzept für Hallenbeleuchtung besteht vorwiegend aus einer flächigen horizontalen Beleuchtung. Auf diesem Weg lassen sich die Mindestanforderungen der Technischen Regeln für Arbeitsstätten (ASR A 3.4) oder auch die einschlägigen Normen (z. B. EN 12464-1) erfüllen und gleichzeitig bleiben die Leuchtenstückzahlen möglichst gering.
In Hochregallagern werden Konzepte bevorzugt, die eine gute vertikale Ausleuchtung der Regalfronten bei größtmöglichem Leuchtenabstand gewährleisten. Für diesen Zweck bieten viele Hersteller ein breites Produktangebot von Leuchten mit verschiedenen Abstrahlcharakteristiken, die mit Linsen und Reflektoren realisiert werden: Breitstrahlend für die Fläche, tiefstrahlend zur Überwindung großer Raumhöhen oder auch engstrahlend für die Ausleuchtung in Hochregallagern. Zusätzlich kann außerdem, je nach Anforderung, zwischen Typen für die Einzel- oder Lichtbandanordnung gewählt werden.
Beispiele zur Abstrahlcharakteristik, berechnet in DIALux evo als Falschfarben und Isoliniendarstellung der Beleuchtungsstärke auf dem Boden, Montagehöhe der Leuchte 8 m. Links: breitstrahlend, rechts: tiefstrahlend. (Quelle: DIAL)
Doch zurück zum Kernargument für eine LED-Beleuchtungsanlage: Die Wirtschaftlichkeit. Marketingaussagen wie »eine Lösung mit LED bietet 50 % Energieeinsparung im Vergleich zu einer konventionellen Beleuchtungsanlage« sind bereits in vielen Planer-Köpfen verankert. Es geht also um Begriffe wie Effizienz in Zusammenhang mit kurzen Amortisationszeiten. Doch sind diese Argumente klar definiert und überzeugend? Ganz sicher ist die LED-eine der effizientesten Lichtquellen und nicht mehr wegzudenken. Es lohnt jedoch, einige Produktdetails kritisch und unbedingt im jeweiligen Kontext zur Anwendung zu betrachten. Welche Leuchteninformationen sind also wichtig, um sich für- oder gegen ein LED-Lichtkonzept entscheiden zu können?
Leuchtenlichtausbeute
Für den Planer sind die Lichtstärkeverteilungskurve (LVK) und der Leuchtenlichtstrom, auch als Brutto- oder Bemessungslichtstrom (lm) bezeichnet, vorwiegend die Parameter, mit denen er arbeitet. Eine entsprechend niedrige Systemleistung (W) macht eine Leuchte natürlich ebenfalls interessant. Oft wird daher die Leuchtenlichtausbeute (lm/W) in den Vordergrund gestellt. Hier sollte man genauer hinschauen. Leider gibt es zahlreiche Produkte, bei denen anstatt der Leuchtenlichtausbeute die Modullichtausbeute der LED-Chips angegeben wird oder diese Angaben vermischt werden. Klarheit können hier die Fotometriedaten schaffen, welche in Lichtberechnungsprogrammen zur Dokumentation der Leuchtendaten genutzt werden können.
Lebensdauer
Des Weiteren wird im Rahmen einer Amortisationsberechnung häufig die Lebensdauer (Lx By) betrachtet. Diese beschreibt nicht die Zeit bis zum Totalausfall einer LED-Leuchte, sondern wir erhalten Auskunft darüber, wie viel Prozent der LED-Leuchten (y) nach der angegebenen Betriebsdauer einen Lichtstrom von x Prozent des Neuzustands unterschreiten. Die Angabe »L80 B10= 50.000 h« bedeutet also, dass nach einer Betriebszeit von 50.000 h statistisch gesehen 10 % der LED-Leuchten einen Lichtstrom von 80 % des Ausgangszustandes unterschreiten. Wichtig: Diese Aussage gilt jedoch nur für die Umgebungstemperatur von + 25 °C und beinhaltet keine Angaben zum Ausfall. Darüber hinaus geht aus dieser Angabe nicht hervor, wie weit der Lichtstrom bei den oben erwähnten 10 % tatsächlich absinkt. Außerdem wird die Leuchte als Ganzes betrachtet. Das bedeutet, dass auch der visuell auffällige Ausfall einzelner LED-Module in einer Leuchte in diesem Zusammenhang als Lichtstromrückgang der kompletten Leuchte gewertet wird und dies somit keinen Mangel darstellt.
Es ist wichtig zu wissen, dass die Lebensdauerangabe nicht auf Messungen über reale Betriebszeiten von bis zu 50.000 h, sondern auf einer Berechnung basiert. Die IES TM-21-11 beschreibt das Verfahren zur Extrapolation der Lebensdauer von LEDs, die gemäß LM-80-08 gemessen wurden. Die Datenbasis besteht dabei aus einer Mindestanzahl von 10 Testobjekten, die einem Betrieb von mind. 6.000 h unterzogen werden.
Außerdem können die Hersteller unterschiedliche Werte für die Höhe des Grenzwertes für den Lichtstrom (x) und den Prozentanteil der Leuchten (y) wählen, was eine Vielzahl von Variationen wie beispielsweise L80B50: 40.000 h oder L70B10: 30.000 h erlaubt. Somit wird ein Vergleich der Produkte untereinander erschwert.
Welche Rolle spielen die Umgebungsbedingungen?
Zuvor wurde bereits die Umgebungstemperatur von +25°C erwähnt. Alle Angaben zu den Leuchtenlichtströmen, egal ob mit konventioneller oder LED-Technik, werden bei dieser Temperatur bestimmt. Doch gerade Industriehallen mit Produktionsbereichen haben oft abweichende Umgebungsbedingungen. Je nach Fertigungszweig können sehr hohe Umgebungstemperaturen (auch über + 60 °C) auftreten. Hinzu kommen Nutzungsbereiche, in denen eine starke Verschmutzung der Leuchte durch Stäube, Öldämpfe oder Chemikalien nicht zu verhindern ist. Was bedeutet das für eine neue Beleuchtungsanlage mit LED?
Alltagssituation in einer Härterei mit Umgebungstemperaturen von bis zu 60 °C und Öldämpfen (Quelle: DIAL)
Eine LED mit hoher Leistung erzeugt im eingeschalteten Zustand sehr viel Wärme, die abgeleitet werden muss. Durch Verschmutzungen der Kühlkörper, verbunden mit hohen Umgebungstemperaturen, kann die Wärme nicht mehr zuverlässig an die Umgebung abgegeben werden. Dies führt unvermeidlich zu einer Verringerung des Leuchtenlichtstroms.
Viele Hersteller versuchen, dem Verlust des Lichtstroms durch Verschmutzung mit durchdachten Gehäusekonstruktionen entgegen zu wirken und orientieren sich beim Design der Leuchtenkörper stark an diesen Anforderungen. So dienen etwa spezielle Konstruktionen des Kühlkörpers dazu, dass die Leuchte von der Luft durchströmt wird. Dies soll Staubablagerungen durch Konvektion vermindern. Häufig ist auch von einem sogenannten »Kamineffekt« die Rede. Doch auch dieses System funktioniert nicht immer. Ein Schmierfilm aufgrund von Öldämpfen in der Umgebung wird sich unweigerlich zwischen diesen Rippen ablagern und vermindert die Wärmeableitung. Darüber hinaus lassen sich solche Systeme aufgrund der vielen kleinen Zwischenräume bei einer Wartung extrem schlecht reinigen.
Auch eine gut durchdachte Leuchtenkonstruktion kann nicht immer die Temperaturerhöhung am bzw. im Gehäuse vermeiden. Hinzu kommt die Verschmutzung der Lichtaustrittsfläche selbst. Auch bei LED Leuchten ist eine Wartung erforderlich – entgegen häufiger Behauptungen.
Doch wie groß ist der Einfluss der Umgebungstemperatur wirklich? Anhand der folgenden Abbildung erkennt man sehr gut, dass der Leuchtenlichtstrom eines LED Hallen-Tiefstrahlers unmittelbar auf kleine Schwankungen der Umgebungstemperatur reagiert.
Auszug aus der Messung eines 200 W LED Hallentiefstrahlers mit Lichtstromverlauf (rote Linie) und Umgebungstemperatur (gelbe Linie) in Abhängigkeit der Brenndauer (Time) Quelle: DIAL Lichtlabor
Fazit: Vorsicht bei pauschalen Aussagen.
Die Leuchtenlichtausbeute und die Lebensdauer sind wichtige Angaben in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit einer LED-Leuchte. Doch besonders für die Beleuchtung von Industriehallen ist es nicht möglich, Pauschalwerte zur Einsparung anzugeben. Die Entscheidung für LED-Technik bedeutet nicht automatisch auch eine Energieeinsparung von 50 % oder mehr. Die Umgebungsbedingungen haben einen sehr großen Einfluss auf den Leuchtenlichtstrom und damit auch auf die Leuchtenlichtausbeute. Im Falle eines Lichtstromrückgangs können erforderliche Mindestbeleuchtungsstärken nicht mehr erreicht werden. Dies hat zur Folge, dass geplante Leuchtenstückzahlen erhöht, oder Wartungsintervalle verkürzt werden müssen. Die Beschaffungs- bzw. Wartungskosten erhöhen sich und die Amortisationszeit für die Investition in eine Beleuchtungsanlage verlängert sich. Daher ist es unverzichtbar, dass der Planer die Umgebungsbedingungen im Objekt gut kennt und deren Auswirkungen auf die gewählten LED-Leuchten berücksichtigt.
