Sustainability for energy-efficient lighting

Abstract

The social, environmental and economic side effects of the street lighting are the foremost concern for this thesis, since the expanding use of light at night, along with an inappropriate design, has led a large energy consumption, light pollution and impact on human health and the environment. With increasing consideration on the negative side-effects, it has introduced new recommendations for energy efficient lighting, indicators, and new energy classifications systems to evaluate the energy performance of lighting systems. According to the literature, the energy classification systems are based on installed power and lighting parameters (luminance or illuminance), which influence by regulating the energy consumption and the light levels entering the eye. However, recent studies on the advances of lighting technologies, i.e. light-emitting diode (LED), control systems and luminaires, and developments in mesopic photometry and its influence in energy reduction and vision performance, demand for new requirements. This implies a new quantification system to measure energy efficiency by incorporating all the elements that affect the overall efficiency of the installation. Within this context, an alternative tool to aid decision-makers in choosing the best energy efficiency system to be implemented and to support evidence on the energy savings on street lighting was proposed. This alternative approach takes into consideration the improvement of visual performance by correcting the standard photometry system (photopic) by the mesopic system recommended within the CIE 191:2010 and the operational hours of the lighting system, which are usually disregarded by the most commonly used energy classification approaches. The research outlined in this thesis proposes to use the value function approach that allowed standardizing the proposed energy consumption indicator within a value scale ranging from 0 to 1, which also represents satisfaction degree: the less energy is consumed the more grade of satisfaction. A case study comprising 13 representative streets of the Eixample District of Barcelona was used to validate the alternative approach proposed, and results were compared with those obtained by considering three energy efficiency classifications currently used in Spain, Netherlands and Italy. For the sample, a systematic procedure was carried out to collect data regarding lighting class and geometrical characteristics of the streets, and to the main characteristics of the lighting system. The results derived from the application of the proposed method can be used straightforwardly to quantify the potential energy savings that can be obtained when using different energy classifications. Moreover, these results provide a critical analysis by pointing out the strengths and weakness of the most significant energy performance indicators along with their corresponding energy classification systems. In conclusion, this thesis constitutes a conceptual and empirical approach to the energy classification systems applied in Europe to the street lighting. Thanks to the methodological contribution and the knowledge obtained, this thesis intends to contribute to improving the energy efficiency-based classification systems, and consequently, to move forward into a sustainable and smart assessment tool.

La principal motivación para el estudio del alumbrado público en este trabajo, radica en la influencia que éste ejerce a nivel social, ambiental y económico. El aumento del consumo energético, la contaminación lumínica y el impacto tanto en la salud como en el medio ambiente, son efectos secundarios causados por el uso excesivo de la luz durante la noche junto con un diseño inadecuado del alumbrado público. Por ello, han surgido recomendaciones en el ámbito de eficiencia energética, indicadores y sistemas de clasificación energética que ayudan a evaluar las mejoras necesarias para obtener una instalación de alumbrado público eficiente. La mayoría de los sistemas de clasificación energética están basados en parámetros como la potencia instalada y los niveles de iluminación. Sin embargo, existen estudios que confirman los recientes avances tecnológicos en iluminación y, en el desarrollo de la fotometría mesópica que influye en la reducción del consumo energético y en el rendimiento visual. Esto pone de manifiesto que la evaluación de eficiencia energética del alumbrado público a través de los sistemas de clasificación energética actuales, no deberían basarse solamente en los parámetros básicos, si no que también deberían considerarse otros parámetros que incidan en la eficiencia global de la instalación y que tomen en cuenta las demandas actuales del sector. En este contexto, se ha propuesto una herramienta alternativa que ayude a los responsables de tomar decisiones a seleccionar e implementar el mejor sistema de eficiencia energética, y a evidenciar los ahorros energéticos en el alumbrado público. Este enfoque alternativo toma en cuenta la mejora del rendimiento visual al corregir el sistema de fotometría estándar (fotópico) por el sistema mesópico recomendado en el reporte técnico CIE 191: 2010, así como las horas de funcionamiento del sistema de iluminación. Estos dos parámetros, generalmente son ignorados por los sistemas de clasificación energética usados comúnmente. Esta investigación propone utilizar la Función de Valor, la cual refleja el grado de satisfacción del indicador de consumo energético a partir de un valor estandarizado en una escala del 0 al 1: menos energía es consumida, mayor es el grado de satisfacción que se obtiene. El nuevo enfoque se ha validado en un caso de estudio conformado por 13 calles representativas del distrito del Eixample de Barcelona, cuyos resultados fueron correlacionados con tres sistemas de clasificación energética utilizados actualmente en España, Países Bajos e Italia. Se llevó a cabo un procedimiento sistemático para la colección de datos del caso de estudio, donde se obtuvieron las características geométricas de las calles y sus respectivas clases de iluminación, así como las características principales del sistema de iluminación. Los resultados obtenidos de la aplicación del método propuesto y de las diferentes clasificaciones energéticas, se pueden utilizar de forma sencilla para cuantificar el ahorro energético. Además, estos resultados proporcionan un análisis crítico al resaltar las fortalezas y debilidades de los indicadores de eficiencia energética junto con sus correspondientes sistemas de clasificación energética. En conclusión, este trabajo constituye un enfoque conceptual y empírico de los sistemas de clasificación energética del alumbrado público aplicados en Europa. Gracias al aporte metodológico y al conocimiento obtenido, este trabajo pretende contribuir a la mejora de los sistemas de clasificación basados en la eficiencia energética y, en consecuencia, avanzar hacia una herramienta de evaluación sostenible e inteligente.