Teknik Energi Sistem Penerangan

KONSERVASI

ENERGI SISTEM PENERANGAN

?  Latar Belakang

Sejak dimulainya peradaban hingga sekarang, manusia meciptakan cahaya hanya dari api, walaupun  lebih  banyak  sumber  panas  daripada  cahaya.  Di abad ke-21 ini kita masih menggunakan prinsip yang sama dalam menghasilkan panas dan cahaya melalui lampu pijar. Hanya dalam beberapa dekade terakhir produk-produk penerangan menjadi lebih canggih dan beraneka ragam. Perkiraan menunjukan bahwa pemakaian energi oleh penerangan adalah 20 - 45%  untuk  pemakaian  energi  total  oleh  bangunan  komersial  dan  sekitar  3  -  10%  untuk pemakaian energi total oleh plant industri. Hampir kebanyakan pengguna energi komersial dan industri peduli penghematan energi dalam sistim penerangan. Seringkali, penghematan energi yang cukup berarti dapat didapatkan dengan investasi yang minim dan masuk akal. Mengganti lampu uap merkuri atau sumber lampu pijar dengan logam halida atau sodium bertekanan tinggi akan menghasilkan pengurangan biaya energi dan meningkatkan jarak penglihatan. Memasang dan menggunakan kontrol foto, pengaturan waktu penerangan, dan sistim manajemen energi juga dapat memperoleh penghematan yang luar biasa. Walau begitu, dalam beberapa kasus mungkin perlu mempertimbangkan modifikasi rancangan penerangan untuk mendapatkan penghematan energi yang dikehendaki. Penting untuk dimengerti bahwa lampu-lampu yang efisien, belum tentu merupakan sistim penerangan yang efisien.

?  Teori Dasar Mengenai Cahaya

Cahaya hanya merupakan satu bagian berbagai jenis gelombang elektromagnetis yang terbang ke angkasa. Gelombang tersebut memiliki panjang dan frekuensi tertentu, yang nilainya dapat dibedakan dari energi cahaya lainnya dalam spektrum elektromagnetisnya. Cahaya dipancarkan dari suatu benda dengan fenomena sebagai berikut:

·         Pijar padat dan cair memancarkan radiasi yang dapat dilihat bila dipanaskan sampai  suhu 727˚C. Intensitas meningkat dan penampakan menjadi semakin putih jika suhu naik.

·      Muatan  Listrik:  Jika  arus  listrik  dilewatkan  melalui  gas  maka  atom  dan   molekul memancarkan radiasi dimana spektrumnya merupakan karakteristik dari elemen yang ada.

·      Electro luminescence:  Cahaya  dihasilkan  jika  arus  listrik  dilewatkan  melalui  padatan tertentu seperti semikonduktor atau bahan yang mengandung fosfor.

·         Photoluminescence:  Radiasi  pada  salah  satu  panjang  gelombang  diserap,  biasanya  oleh suatu padatan, dan dipancarkan kembali pada berbagai panjang gelombang. Bila radiasi yang dipancarkan kembali tersebut merupakan fenomena yang dapat terlihat maka radiasi tersebut disebut fluorescence atau phosphorescence.

Cahaya nampak, seperti yang dapat dilihat pada spektrum elektromagnetik, diberikan dalam Gambar 1, menyatakan gelombang yang sempit diantara cahaya ultraviolet (UV) dan energi inframerah (panas). Gelombang cahaya tersebut mampu merangsang retina mata, yang menghasilkan sensasi penglihatan yang disebut pandangan. Oleh karena itu, penglihatan memerlukan mata yang berfungsi dan cahaya yang nampak.

Gambar 1. Radiasi yang Tampak

?  Definisi dan Istilah yang Umum Digunakan

Lumen: Satuan flux cahaya; flux dipancarkan didalam satuan unit sudut padatan oleh suatu sumber dengan intensitas cahaya yang seragam satu candela. Satu lux adalah satu lumen per meter persegi. Lumen (lm) adalah kesetaraan fotometrik dari watt, yang memadukan respon mata “pengamat standar”. 1 watt = 683 lumens pada panjang gelombang 555 nm.

Efficacy Beban Terpasang: Merupakan iluminasi/terang rata-rata yang dicapai pada suatu bidang kerja yang datar per watt pada pencahayaan umum didalam ruangan yang dinyatakan dalam lux/W/m².

Perbandingan Efficacy Beban Terpasang: Merupakan perbandingan efficacy beban target dan beban terpasang.

Luminaire: Luminaire adalah satuan cahaya yang lengkap, terdiri dari sebuah lampu atau beberapa lampu, termasuk rancangan pendistribusian cahaya, penempatan dan perlindungan lampu-lampu, dan dihubungkannya lampu ke pasokan daya.

Lux: Merupakan satuan metrik ukuran cahaya pada suatu permukaan. Cahaya rata-rata yang dicapai adalah rata-rata tingkat lux pada berbagai titik pada area yang sudah ditentukan. Satu lux setara dengan satu lumen per meter persegi.

Tinggi mounting: Merupakan tinggi peralatan atau lampu di atas bidang kerja.

Efficacy cahaya terhitung: Perbandingan keluaran lumen terhitung dengan pemakaian daya terhitung dinyatakan dalam lumens per watt.

Indeks Ruang: Merupakan perbandingan, yang berhubungan dengan ukuran bidang keseluruhan terhadap tingginya diantara tinggi bidang kerja dengan bidang titik lampu.

Efficacy Beban Target: Nilai efficacy beban terpasang yang dicapai dengan efisiensi terbaik, dinyatakan dalam lux/W/m².

Faktor pemanfaatan (UF): Merupakan bagian flux cahaya yang dipancarkan oleh lampu- lampu, menjangkau bidang kerja. Ini merupakan suatu ukuran efektivitas pola pencahayaan.

Intensitas Cahaya dan Flux:

Satuan intensitas cahaya I adalah candela (cd) juga dikenal dengan international candle. Satu lumen setara dengan flux cahaya, yang jatuh pada setiap meter persegi (m2) pada lingkaran dengan radius satu meter (1m) jika sumber cahayanya isotropik 1-candela (yang bersinar sama ke seluruh arah) merupakan pusat isotropik lingkaran. Dikarenakan luas lingkaran dengan jari- jari r adalah 4πr2, maka lingkaran dengan jari-jari 1m memiliki luas 4πm2, dan oleh karena itu flux cahaya total yang dipancarkan oleh sumber 1- cd adalah 4π1m.  Jadi flux cahaya yang dipancarkan oleh sumber cahaya isotropik dengan intensitas I adalah:

Flux cahaya (lm) = 4π × intensitas cahaya (cd)

Perbedaan antara lux dan lumen adalah bahwa lux berkenaan dengan luas areal pada mana flux menyebar 1000 lumens, terpusat pada satu areal dengan luas satu meter persegi, menerangi meter persegi tersebut dengan cahaya 1000 lux. Hal yang sama untuk 1000 lumens, yang menyebar ke sepuluh meter persegi, hanya menghasilkan cahaya suram 100 lux.

Hukum Kuadrat Terbalik

Hukum kuadrat terbalik mendefinisikan hubungan antara pencahayaan dari sumber titik dan jarak.  Rumus  ini  menyatakan  bahwa  intensitas  cahaya  per  satuan  luas  berbanding  terbalik dengan kuadrat jarak dari sumbernya (pada dasarnya jari-jari).

E = I / d 2

Dimana:

E = Emisi cahaya

I = Intensitas cahaya

d = jarak

Bentuk lain dari persamaan ini yang lebih mudah adalah:

E1 d1² = E2 d2²

Jarak diukur dari titik uji ke permukaan yang pertama-tama kena cahaya – kawat lampu pijar jernih, atau kaca pembungkus dari lampu pijar yang permukaannya seperti es.

Contoh: Jika seseorang mengukur 10 lm/m² dari sebuah cahaya bola lampu pada jarak 1 meter, berapa kerapatan flux pada jarak setengahnya?

Penyelesaian:

E1m    = (d2 / d1)² * E2

= (1,0 / 0,5)² * 10

= 40 lm/m²

?  Suhu Warna

Suhu warna dinyatakan dalam skala Kelvin (˚K), adalah penampakan warna dari lampu itu sendiri dan cahaya yang dihasilkannya. Bayangkan sebuah balok baja yang dipanaskan secara terus menerus hingga berpijar, pertama-tama berwarna oranye kemudian kuning dan seterusnya hingga menjadi “putih panas”.   Sewaktu-waktu selama pemanasan, kita dapat mengukur suhu logam  dalam  Kelvin  (Celsius  +  273)  dan  memberikan  angka  tersebut  kepada  warna  yang dihasilkan. Hal ini merupakan dasar teori untuk suhu warna. Untuk lampu pijar, suhu warna merupakan  nilai  yang  “sesungguhnya”;  untuk  lampu  neon  dan  lampu  dengan  pelepasan intensitas tinggi (HID), nilainya berupa perkiraan dan disebut korelasi suhu warna. Di Industri, “suhu warna” dan “korelasi suhu warna” kadang-kadang digunakan secara bergantian. Suhu warna lampu membuat sumber cahaya akan nampak “hangat”, “netral” atau “sejuk”. Umumnya, makin rendah suhu, makin hangat sumber, dan sebaliknya.

?  Perubahan Warna

Kemampuan sumber cahaya merubah warna permukaan secara akurat dapat diukur dengan baik oleh indeks perubahan warna. Indeks ini didasarkan pada ketepatan dimana serangkaian uji warna dipancarkan kembali oleh lampu yang menjadi perhatian relatif terhadap lampu uji, persesuaian yang sempurna akan diberi angka 100. Indeks CIE memiliki keterbatasan, namun cara ini merupakan cara yang sudah diterima secara luas untuk sifat-sifat perubahan warna dari sumber cahaya.

Tabel 1. Penerapan kelompok perubahan warna

Kelompok perubahan warna	Indeks(Ra) umum perubahan warna CIE	Penerapan khusus
1A	Ra > 90	Dimana perubahan warna yang akurat diperlukan misal pemeriksaan warna cetakan
1B	80 < Ra < 90	Dimana pertimbangan warna yang akurat penting atau perubahan warna yang baik diperlukan untuk alasan penampilan misal cahaya peraga
2	60 < Ra < 80	Dimana perubahan warna yang cukup/ moderate diperlukan
3	40 < Ra < 60	Dimana perubahan warna memiliki sedikit arti namun adanya penyimpangan warna tidak dapat diterima
4	20 < Ra < 40	Dimana perubahan warna tidak ada penting sama sekali dan penyimpangan warna dapat diterima

Kesalahpahaman yang umum terjadi adalah bahwa suhu warna dan perubahaan warna keduanya menjelaskan sifat yang sama terhadap lampu. Selain itu, suhu warna menjelaskan penampilan warna sumber cahaya dan cahaya yang dipancarkannya.  Perubahan warna menjelaskan bagaimana cahaya merubah warna suatu objek.

JENIS-JENIS SISTIM PENCAHAYAAN

Bagian ini menjelaskan berbagai jenis dan komponen sistim pencahayaan.

Lampu Pijar (GLS)

Lampu pijar bertindak sebagai ‘badan abu-abu’ yang secara selektif memancarkan radiasi, dan hampir seluruhnya terjadi pada daerah nampak. Bola lampu terdiri dari hampa udara atau berisi gas,   yang   dapat   menghentikan   oksidasi   dari   kawat   pijar   tungsten,   namun   tidak   akan menghentikan penguapan. Warna gelap bola lampu dikarenakan tungsten yang teruapkan mengembun pada permukaan lampu yang relatif dingin. Dengan adanya gas inert, akan menekan terjadinya penguapan, dan semakin besar berat molekulnya akan makin mudah menekan terjadinya penguapan. Untuk lampu biasa dengan harga yang murah, digunakan campuran argon nitrogen  dengan  perbandingan  9/1.  Kripton  atau  Xenon  hanya  digunakan  dalam  penerapan khusus seperti lampu sepeda dimana bola lampunya berukuran kecil, untuk mengimbangi kenaikan harga, dan jika penampilan merupakan hal yang penting.

Gas yang terdapat dalam bola pijar dapat menyalurkan panas dari kawat pijar, sehingga daya hantar yang rendah menjadi penting. Lampu yang berisi gas biasanya memadukan sekering dalam kawat timah. Gangguan kecil dapat menyebabkan pemutusan arus listrik, yang dapat menarik arus yang sangat tinggi. Jika patahnya kawat pijar merupakan akhir dari umur lampu, hal yang berbeda terjadi untuk kerusakan sekering.

Gambar 2. Lampu pijar dan
Diagram Alir Energi Lampu Pijar

Ciri-ciri:

·         Efficacy – 12 lumens/Watt

·         Indeks Perubahan Warna – 1A

·         Suhu Warna - Hangat (2.500˚K – 2.700˚K)

·         Umur Lampu – 1-2.000 jam

Lampu Tungsten--Halogen

Lampu halogen adalah sejenis lampu pijar. Lampu ini memiliki kawat pijar tungsten seperti lampu pijar biasa yang digunakan di rumah, tetapi bola lampunya diisi dengan gas halogen. Atom tungsten menguap dari kawat pijar panas dan bergerak naik ke dinding pendingin bola lampu. Atom tungsten, oksigen dan halogen  bergabung pada dinding bola lampu membentuk molekul oksihalida tungsten. Suhu dinding bola lampu menjaga molekul oksihalida tungsten dalam keadaan uap. Molekul bergerak kearah kawat pijar panas dimana suhu tinggi memecahnya menjadi terpisah-pisah. Atom tungsten disimpan kembali pada daerah pendinginan dari kawat pijar – bukan ditempat yang sama dimana atom diuapkan. Pemecahan biasanya terjadi dekat sambungan antara kawat pijar tungsten dan kawat timah molibdenum dimana suhu turun secara tajam.

Gambar 3 Lampu halogen tungsten

Ciri-ciri:

·         Efficacy – 18 lumens/Watt

·         Indeks Perubahan Warna – 1A

·         Suhu Warna – Hangat (3.000K-3.200K)

·         Umur Lampu – 2-4.000 jam

Kelebihan:

·         Lebih kompak

·         Umur lebih panjang

·         Lebih banyak cahaya

·         Cahaya lebih putih (suhu warna lebih tinggi)

Kekurangan:

·         Lebih mahal

·         IR meningkat

·         UV meningkat

·         Masalah handling

Lampu Neon

Ciri-ciri lampu Neon

Lampu neon, 3 hingga 5 kali lebih efisien daripada lampu pijar standar dan dapat bertahan 10 hingga 20 kali lebih awet.   Dengan melewatkan listrik melalui uap gas atau logam akan menyebabkan radiasi elektromagnetik pada panjang gelombang tertentu sesuai dengan komposisi kimia dan tekanan gasnya. Tabung neon memiliki uap merkuri bertekanan rendah, dan akan memancarkan  sejumlah  kecil  radiasi  biru/  hijau,  namun  kebanyakan  akan  berupa  UV  pada 253,7nm dan  185nm.

Bagian dalam dinding kaca memiliki pelapis tipis fospor, hal ini dipilih untuk menyerap radiasi UV dan meneruskannya ke daerah nampak. Proses ini memiliki efisiensi sekitar 50%. Tabung neon merupakan lampu ‘katode panas’, sebab katode dipanaskan sebagai bagian dari proses awal.  Katodenya  berupa  kawat  pijar  tungsten  dengan  sebuah  lapisan  barium karbonat.  Jika dipanaskan, lapisan ini akan mengeluarkan elektron tambahan untuk membantu pelepasan. Lapisan ini tidak boleh diberi pemanasan berlebih sebab umur lampu akan berkurang. Lampu menggunakan kaca soda kapur yang merupakan pemancar UV yang buruk. Jumlah merkurinya sangat kecil, biasanya 12 mg. Lampu yang terbaru menggunakan amalgam merkuri, yang kandungannya sekitar 5 mg. Hal ini memungkinkan tekanan merkuri optimum berada pada kisaran suhu yang lebih luas. Lampu ini sangat berguna bagi pencahayaan luar ruangan karena memiliki fitting yang kompak.

Gambar 4b. Diagram alir energi lampu neon

Apa perbedaan lampu neon T12, T10, T8, dan T5?

Keempat lampu tersebut memiliki diameter yang beragam (berbeda sekitar 1,5 inchi, yaitu 12/8 inchi untuk lampu T12 hingga 0,625 atau 5/8 inchi untuk lampu T5). Efficacy merupakan lain yang membedakan satu lampu dari yang lainnya. Efficacy lampu T5 dan T8 lebih tinggi 5 persen dari lampu T12 yang 40-watt, dan telah menjadi pilihan paling populer untuk pemasangan lampu baru.

Pengaruh suhu

Operasi lampu yang paling efisien dicapai bila suhu ambien berada antara 20 dan 30°C untuk lampu neon. Suhu yang lebih rendah menyebabkan penurunan tekanan merkuri, yang berarti bahwa energi UV yang diproduksi menjadi semakin sedikit; oleh karena itu, lebih sedikit energi UV yang berlaku sebagai fospor sehingga sebagai hasilnya cahaya yang dihasilkan menjadi sedikit.  Suhu  yang  tinggi  menyebabkan  pergeseran  dalam  panjang  gelombang  UV  yang dihasilkan sehingga akan lebih dekat ke spektrum tampak. Makin panjang panjang gelombang UV akan makin sedikit pengaruhnya terhadap fospor, dan oleh karena itu keluaran cahaya pun akan berkurang. Pengaruh keseluruhannya adalah bahwa keluaran cahayanya jatuh diatas dan dibawah kisaran suhu ambien yang optimal.

Ciri-ciri:

Halofosfat

·         Efficacy – 80 lumens/Watt (gir HF menaikan nilai ini sebesar 10%)

·         Indeks Perubahan Warna –2-3

·         Suhu Warna – apa saja

·         Umur Lampu 7-15.000 jam

Tri-fosfor

·         Efficacy – 90 lumens/Watt

·         Indeks Perubahan Warna –1A-1B

·         Suhu Warna – apa saja

·         Umur Lampu 7-15.000 jam