Source: http://docplayer.fi/3704484-Julkisen-ulkovalaistuksen-saneeraus-ledeilla-helsinki-led-hankkeen-kannattavuustutkimus.html
Timestamp: 2017-10-22 03:13:23+00:00
Document Index: 20339790

Matched Legal Cases: ['kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ']

Julkisen ulkovalaistuksen saneeraus LEDeillä Helsinki LED -hankkeen kannattavuustutkimus - PDF
Download "Julkisen ulkovalaistuksen saneeraus LEDeillä Helsinki LED -hankkeen kannattavuustutkimus"
1 Tommi Valve Julkisen ulkovalaistuksen saneeraus LEDeillä Helsinki LED -hankkeen kannattavuustutkimus Sähkötekniikan korkeakoulu Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa Työn valvoja: Prof. Liisa Halonen Työn ohjaaja: DI Teemu Pohjola
2 aalto-yliopisto sähkötekniikan korkeakoulu diplomityön tiivistelmä Tekijä: Tommi Valve Työn nimi: Julkisen ulkovalaistuksen saneeraus LEDeillä Helsinki LED -hankkeen kannattavuustutkimus Päivämäärä: Kieli: Suomi Sivumäärä: 9+57 Sähkötekniikan ja automaation laitos Professuuri: Valaistustekniikka Koodi: S-118 Valvoja: Prof. Liisa Halonen Ohjaaja: DI Teemu Pohjola Helsingin kaupunginhallitus perusti vuoden 2014 talousarvioneuvotteluissaan Helsinki LED -hankkeen, jossa ehdotetaan julkisen ulkovalaistuksen noin purkauslamppuvalaisimen korvaamista LED-valaistusratkaisuilla vuoden 2016 loppuun mennessä. Hankkeella tavoitellaan kaupungin juoksevien kulujen vähentämistä, energiasäästöjä sekä kaupunkitilan viihtyvyyden parantamista. Tässä diplomityössä tarkastellaan, onko julkisen ulkovalaistuksen saneeraus LEDeillä tällä hetkellä kokonaistaloudellisesti kannattavaa. Yhtenä työn tavoitteista on selvittää Helsinki LED -hankkeelle mahdollisimman tarkka kustannusarvio ja takaisinmaksuaika. Tavoitteena on pohtia myös vaihtoehtoisia saneerausohjelmia ja vertailla, ovatko ne nettonykyarvoiltaan, takaisinmaksuajoiltaan ja aikatauluiltaan kannattavampia. Elinkaarikustannuslaskelmien mukaan on uudisrakentaminen ja elinkaarensa päässä olevan julkisen ulkovalaistuksen saneeraus LED-valaisimilla kannattavaa kokooja- ja tonttikaduilla sekä kevyen liikenteen väylillä, aukioilla ja puistoissa. Pääkaduilla ovat suurpainenatriumlamppuvalaisimet yhä kustannustehokkaimpia, mutta tämän odotetaan muuttuvan tulevaisuudessa LEDien kehityksen jatkuessa. Kannattavuuslaskennassa ratkaistiin Helsinki LED -hankkeen investointikustannuksiksi noin 101,4 milj. euroa, vuosittaisiksi hoitokustannussäästöiksi noin 3,2 milj. euroa ja energiasäästöiksi noin 27,7 GWh. Lisäksi havaittiin, ettei hankkeen toteuttaminen ole taloudellisesti kannattavaa yli 30 vuoden takaisinmaksuajan sekä lyhyen aikajänteen vuoksi. Jos LEDeillä halutaan kuitenkin vaikuttaa esimerkiksi kaupungin imagoon tai energiatehokkuuteen, suositellaan kustannuksiltaan ja aikataulultaan suotuisampaa vaihtoehtoista saneerausohjelmaa I. Avainsanat: Helsinki, LED, ulkovalaistus, saneeraus, taloudellinen kannattavuus, elinkaarikustannukset, energiatehokkuus
3 aalto university school of electrical engineering abstract of the master s thesis Author: Tommi Valve Title: Renewing the Public Outdoor Lighting with LEDs Feasibility Study of the Helsinki LED Project Date: Language: Finnish Number of pages: 9+57 Department of Electrical Engineering and Automation Professorship: Illumination Engineering Code: S-118 Supervisor: Prof. Liisa Halonen Advisor: M.Sc. (Tech.) Teemu Pohjola The Helsinki LED project was established by the City Board of Helsinki at its 2014 budget session. The project proposes renewing the public outdoor lighting s approximately discharge lamp luminaires with LED lighting solutions by the end of As a result, it aims at reducing the city s running costs, saving energy and enhancing the amenity of urban space. This thesis examines the current economic feasibility of renewing the public outdoor lighting with LEDs. One of the objectives of the study is to determine an accurate cost estimate and payback period for the Helsinki LED project. Moreover, the aim is to consider alternative renewal programs as well as compare the feasibilities of their net present values, payback periods and schedules. Based on the life-cycle costing, renewing the end-of-life public outdoor lighting with LED luminaires is feasible in collector streets, residential streets as well as pedestrian and bicycle ways, squares and parks. For main streets, high-pressure sodium lamp luminaires are still the most cost-effective solution, but this is expected to change in the future due to continuous development of LEDs. The profitability calculations of the Helsinki LED project indicated an approximated investment costs of 101,4 million euros, along with an annual operating cost savings of 3,2 million euros and energy savings of 27,7 GWh. However, the implementation of the project is not economically feasible due to a payback period of over 30 years and a brief time span. Nevertheless, if LEDs are to be used for example in improving the city s image or energy efficiency, the recommended solution is the alternative renewal program I. This program is more feasible based on both the costs and schedule. Keywords: Helsinki, LED, outdoor lighting, renewal, economic feasibility, lifecycle costs, energy efficiency
4 iv Esipuhe Tämän diplomityön aihe muodostui Helsingin kaupunginhallitukselle tehdyn Helsinki LED -hankkeen selvityksen ohessa. Työn tulokset pohjautuvat osittain kyseisen selvityksen sisältöön, josta vastaavat allekirjoittaneen lisäksi Juhani Sandström Helsingin kaupungin rakennusvirastosta, Olli Markkanen, Aki-Pekka Tammilehto, Teemu Pohjola ja Teemu Rinne Helsingin Energiasta sekä Antti Tiensuu ja Aleksanteri Ekrias LiCon-AT Oy:stä. Työn aihe on hyvin ajankohtainen, sillä valaistuksen saralla on parhaillaan tapahtumassa merkittäviä muutoksia Euroopan unionin vihreän ja energiatehokkaan ajattelun sekä alati kehittyvän LED-tekniikan myötä. Työn elinkaarikustannus- ja kannattavuuslaskelmissa tehtiin joitakin oletuksia esimerkiksi katupoikkileikkauksista, saneerattavista valaisimista sekä LEDeistä. Lisäksi jatkuvasti kehittyvät valaistusmarkkinat ja Helsingin kaupungin julkinen ulkovalaistusverkko aiheuttivat omat haasteensa. Kiitän professori Liisa Halosta ja Teemu Pohjolaa mainiosta ohjauksesta ja rakentavasta palautteesta, sekä Olli Markkasta erittäin mielenkiintoisesta aiheesta. Suuret kiitokset myös Aleksanteri Ekriakselle elinkaarikustannuslaskentaan liittyvästä opastuksesta, Jukka Kasalle Trimble NIS -verkkotietojärjestelmään liittyvistä neuvoista, sekä Timo Karjalaiselle ja Jari Kivelle kustannustiedoista. Lisäksi kiitokset kaikille muille, jotka ovat edistäneet tämän työn valmistumista. Lopuksi haluan vielä kiittää Helsingin Energian HelenUlkovalaistuksen henkilöstöä, jotka ovat tutustuttaneet minut valaistuksen kiinnostavaan maailmaan, ja joiden kanssa on ollut ilo työskennellä yli neljän kesän ajan. Erityiskiitokset myös Mariannalle, perheelleni ja opiskelutovereilleni, jotka ovat hienosti jaksaneet tukea minua opiskeluni ja työni aikana. Espoo, Tommi Valve
5 v Sisältö Tiivistelmä Tiivistelmä (englanniksi) Esipuhe Sisältö Symbolit, lyhenteet ja käsitteet ii iii iv v vii 1 Johdanto 1 2 Teoreettinen tausta Valaistuksen energiatehokkuus ja energiapolitiikka Direktiivit ja asetukset Euroopassa LED-saneerauksia Euroopassa ja muualla Valontuotto ja valonlähteet Elohopealamput Induktiolamput Monimetallilamput Suurpainenatriumlamput LEDit Vertailu Helsingin kaupungin julkinen ulkovalaistus Helsingin kaupungin rakennusvirasto ja Helsingin Energia Yleisperiaatteet ja vaatimukset Helsingin kaupungin ulkovalaistuksen tarveselvitys Tutkimusaineisto ja -menetelmät Helsingin kaupungin julkinen ulkovalaistusverkko Nykytila Energiatehokkuus Elinkaarikustannuslaskenta Valaistusratkaisut ja katupoikkileikkaukset Rakennuskustannukset Hoitokustannukset Elinkaarikustannukset Parametrit Kannattavuuslaskenta Helsinki LED -hanke ja vaihtoehtoiset saneerausohjelmat Kustannukset ja säästöt Nettonykyarvo ja sisäinen korkokanta Takaisinmaksuaika Parametrit
6 4 Tulokset Elinkaarikustannuslaskelmat Pääkadut Kokoojakadut Tonttikadut Kevyen liikenteen väylät, aukiot ja puistot Kannattavuuslaskelmat Helsinki LED -hanke Vaihtoehtoinen saneerausohjelma I Vaihtoehtoinen saneerausohjelma II Herkkyysanalyysi Tarkastelu Johtopäätökset Yhteenveto ja suositukset Viitteet 42 A Helsingin kaupungin julkinen ulkovalaistus 46 B Elinkaarikustannuslaskelmat 50 C Kannattavuuslaskelmat 54 vi
7 vii Symbolit, lyhenteet ja käsitteet Symbolit C E k E k, LED H e H l H l, LED H ly H ly, LED H p H sv H v J K 0 K e K e, LED K e1 K e1, LED K h K h, LED K h1 K h1, LED K kp K kp, LED K kp1 K kp1, LED K ru K rv N N d P i S S CO2 S e Kiinteät kustannukset [e/valaisinpylväs] Elinkaarikustannusten nykyarvo [e/tiemetri] LED-valaisimien elinkaarikustannusten nykyarvo [e/tiemetri] Sähkön kokonaishinta [e/kwh] Lampun ryhmävaihdon perushinta sisältäen asennustyön [e/kpl] LED-valaisimen tai moduulin ja liitäntälaitteen ryhmävaihdon perushinta sisältäen asennustyön sekä valaisimen eliniän aikaiset puhdistuskustannukset [e/kpl] Lampun yksittäisvaihdon perushinta sisältäen asennustyön [e/kpl] LED-valaisimen, moduulin tai liitäntälaitteen yksittäisvaihdon perushinta sisältäen asennustyön [e/kpl] Valaisinpylvään ja jalustan hinta sisältäen asennustyön sekä ympärystäytön [e/kpl] Sähköverkon perushinta [e/m] Valaisimen hinta sisältäen ensimmäisen valonlähteen ja asennustyön [e/kpl] Jäännösarvo [e/tiemetri] Investointikustannukset [e] Energiakustannusten nykyarvo [e/tiemetri] LED-valaisimien energiakustannusten nykyarvo [e/tiemetri] Ensimmäisen vuoden energiakustannukset [e/tiemetri] LED-valaisimien ensimmäisen vuoden energiakustannukset [e/tiemetri] Hoitokustannusten nykyarvo [e/tiemetri] LED-valaisimien hoitokustannusten nykyarvo [e/tiemetri] Ensimmäisen vuoden hoitokustannukset [e/tiemetri] LED-valaisimien ensimmäisen vuoden hoitokustannukset [e/tiemetri] Kunnossapitokustannusten nykyarvo [e/tiemetri] LED-valaisimien kunnossapitokustannusten nykyarvo [e/tiemetri] Ensimmäisen vuoden kunnossapitokustannukset [e/tiemetri] LED-valaisimien ensimmäisen vuoden kunnossapitokustannukset [e/tiemetri] Uudisrakentamisen rakennuskustannukset [e/tiemetri] Valaisimien vaihdon rakennuskustannukset [e/tiemetri] Tarkasteluajanjakson pituus [a] Diskontattu takaisinmaksuaika [a] Valaisimen teho liitäntälaitteineen [kw/kpl] Valaisinpylväsväli [m] Ensimmäisen vuoden hiilidioksidipäästösäästöt [t] Ensimmäisen vuoden energiasäästöt [GWh]
8 viii S e1 Ensimmäisen vuoden energiakustannussäästöt [e] S h1 Ensimmäisen vuoden hoitokustannussäästöt [e] S kp1 Ensimmäisen vuoden kunnossapitokustannussäästöt [e] k e Energiakustannusten diskonttauskerroin [-] k kp Kunnossapitokustannusten diskonttauskerroin [-] k v Vakiovalovirtaohjauskerroin [-] k y Yleiskustannuskerroin [-] m Valaisinpylväiden lukumäärä poikkileikkauksessa [kpl] n Valaisimien lukumäärä poikkileikkauksessa [kpl] p Hallinnollisesti määrätty laskentakorko [-] q Yksittäisvaihtojen suhteellinen määrä vuosittain [-] t Tarkasteluvuosi [a] t 1 Vuotuinen polttoaika [h] Lampun hyötypolttoikä [a] t 2 t 2, LED LED-valaistusratkaisun tarkasteluajanjakson pituus [a] β e Energiakustannusten vuotuinen kasvu [-] β kp Kunnossapitokustannusten vuotuinen kasvu [-] Lyhenteet Ecodesign ELY IRR LED MM NPV RoHS SpNa Trimble NIS Wh Ekologinen tuotesuunnittelu Elinkeino-, liikenne- ja ympäristökeskus Sisäinen korkokanta (engl. Internal Rate of Return) Loistediodi (engl. Light-Emitting Diode) Monimetallilamppuvalaisin Nettonykyarvo (engl. Net Present Value) Haitallisten aineiden käytön rajoittaminen (engl. Restriction of Hazardous Substances) Suurpainenatriumlamppuvalaisin Helsingin Energian käyttämä verkkotietojärjestelmä Wattitunti
9 ix Käsitteet Diskonttaus Elinkaarikustannukset ESCO Hoitokustannukset Hyötypolttoikä Jäännösarvo Kokoojakatu Nettonykyarvo Pääkatu Saneeraus Sisäinen korkokanta Takaisinmaksuaika Tonttikatu Valaistuslaitteet Valotehokkuus Valovirta Värilämpötila Värintoistoindeksi Prosessi, jolla selvitetään tulevan rahavirran nykyarvo Valaistuksen elinkaaren aikaiset rakennuskustannukset, hoitokustannukset ja jäännösarvot Palveluliiketoiminta (engl. Energy Service Company), jossa investointikustannukset katetaan toteutuneilla energiasäästöillä Valaistuksen käytönaikaiset energiakustannukset ja kunnossapitokustannukset Purkauslamppujen ryhmävaihtoaika, jolloin valovirta on pudonnut 80 %:iin alkuperäisestä arvostaan Valaistuksen purkamis- ja kierrätyskustannukset sen elinkaaren päättyessä Palvelee kaupungin osa-alueen sisäistä liikennettä sekä alueen yhteyksiä pää- ja tonttikatuverkkoihin, missä nopeusrajoitus on tavallisesti km/h Taloudellinen hyöty tai tappio, joka muodostuu kaikkien tulo- ja menokassavirtojen nykyhetkeen diskonttaamisesta Palvelee seudullista ja kaupungin osa-alueiden välistä liikennettä, missä nopeusrajoitus on tavallisesti km/h Valaistuksen uudisrakentaminen tai osittainen uusiminen esimerkiksi valaisimien vaihdoilla Korko, jolla tulo- ja menokassavirtojen nykyarvot ovat samansuuruiset eli nettonykyarvo on nolla Aika, jolloin kumulatiiviset tulokassavirrat kattavat investointikustannukset Palvelee katujen varressa olevien tonttien liikennettä, missä nopeusrajoitus on tavallisesti km/h Kiinteät rakenteet, kuten valaisimet, lamput, pylväät, valaisinvarret, sähkönjakolaitteet sekä johdot Ilmoittaa valonlähteen valovirran käytettyä sähkötehoa kohden [lm/w] Ilmoittaa valonlähteen säteilemän näkyvän valon määrän luumeneina [lm] Ilmoittaa mustan kappaleen absoluuttisen lämpötilan kelvineinä, jonka säteilemä valo vastaa tarkasteltavan tarkasteltavan kohteen valoa [K] Ilmoittaa valonlähteen säteilemän valon kyvyn [0 100] toistaa pintojen värejä verrattuna vertailuvalonlähteeseen
10 1 Johdanto Helsingin kaupunginhallitus [1] perusti vuoden 2014 talousarvioneuvotteluissaan Helsinki LED -hankkeen, jossa ehdotetaan kaikkien julkisten tilojen valaisimien korvaamista energiatehokkailla LED-valaistusratkaisuilla vuoden 2016 loppuun mennessä. Tällä tavoitellaan kaupungin juoksevien kulujen vähentämistä, energiasäästöjä sekä kaupunkitilan viihtyvyyden parantamista [1]. Hanke koskettaa myös kaupungin julkisen ulkovalaistuksen noin purkauslamppuvalaisinta, joista Helsingin Energia valmisteli suosituksensa kaupunginhallitukselle vuoden 2014 syksyllä. Tutkimusaihe on erittäin ajankohtainen, sillä esimerkiksi New Yorkissa, Los Angelesissa, Milanossa ja Vilnassa on jo siirrytty tai päätetty siirtyä lähes kokonaan LED-ulkovalaistukseen [2, 3, 4, 5]. Tähän ovat vaikuttaneet muun muassa LEDvalaisimien viimeaikainen tuotekehitys, hintojen lasku ja valotehokkuuden parantuminen [6]. Helsingin kaupungin julkisessa ulkovalaistuksessa LEDien osuus on vielä marginaalinen, noin 1,1 %. Perinteisiä elohopealamppuvalaisimia on viime vuosina kuitenkin saneerattu myös energiatehokkaammilla LED-ratkaisuilla, sillä Euroopan unionin alueella elohopealamput poistuvat markkinoilta [7]. Tämän jälkeen jälleenmyyjät voivat vielä myydä varastonsa loppuun, mutta uusia lamppuja ei enää markkinoille saateta. Markkinoilta poistumisen taustalla ovat Euroopan unionin ympäristölliset ja energiatehokkuudelliset tavoitteet, joita ohjaavat Ecodesigndirektiivi 2009/125/EY sekä sitä toimeenpanevat asetukset 245/2009 ja 347/2010 [8, 9, 10]. Tämä diplomityö keskittyy tarkastelemaan, onko julkisen ulkovalaistuksen saneeraus LEDeillä tällä hetkellä kokonaistaloudellisesti kannattavaa. Yhtenä työn tavoitteista on selvittää Helsinki LED -hankkeelle mahdollisimman tarkka kustannusarvio ja takaisinmaksuaika. Tavoitteena on pohtia myös vaihtoehtoisia saneerausohjelmia ja vertailla, ovatko ne nettonykyarvoiltaan, takaisinmaksuajoiltaan ja aikatauluiltaan kannattavampia. Lisäksi tarkoituksena on tutkia Helsingin kaupungin julkisen ulkovalaistuksen nykytilaa ja energiatehokkuutta, sekä lyhyesti muutamien muiden kaupunkien LED-saneeraushankkeita. Työ tukee Helsingin Energian kaupunginhallitukselle laatimaa selvitystä. Työn toisessa luvussa kerrotaan enemmän valaistuksen energiatehokkuudesta ja - politiikasta, jotka ovat Helsinki LED -hankkeen ja elohopealamppujen markkinoilta poistumisen takana. Esitellään myös ulkovalaistuksen tyypillisimmät valonlähteet, ja tutustutaan syvemmin Helsingin kaupungin julkiseen ulkovalaistukseen sekä muutamien muiden kaupunkien LED-saneeraushankkeisiin. Kolmannessa luvussa selostetaan työn tutkimusaineisto ja -menetelmät, joilla voidaan suorittaa tarvittavat elinkaarikustannus- ja kannattavuuslaskelmat. Lisäksi perehdytään Helsingin julkisen ulkovalaistusverkon nykytilaan ja energiatehokkuuteen. Neljännessä luvussa esitetään työn tulokset: ensiksi katupoikkileikkauksittain ja sitten saneerausohjelmittain. Suoritetaan myös herkkyysanalyysi. Lopuksi tarkastellaan vielä työn tutkimustulosten merkittävyyttä ja luotettavuutta, sekä esitetään yhteenveto ja suositukset.
11 2 2 Teoreettinen tausta Tässä luvussa esitetään oleellinen teoreettinen taustatieto tämän työn ja aikaisemman tutkimuksen ymmärtämiseksi. Ensiksi kerrotaan valaistuksen energiatehokkuudesta ja -politiikasta, jotka ovat Helsinki LED -hankkeen ja elohopealamppujen markkinoilta poistumisen takana. Tarkastellaan lyhyesti myös muutamien pohjoisamerikkalaisten ja eurooppalaisten kaupunkien LED-saneeraushankkeita. Seuraavaksi esitellään ulkovalaistuksen tyypillisimmät valonlähteet, ja vertaillaan niitä keskenään. Lopuksi tutustutaan vielä Helsingin kaupungin julkiseen ulkovalaistukseen. 2.1 Valaistuksen energiatehokkuus ja energiapolitiikka Maailman energiankulutus kasvaa jatkuvasti [11], vaikka sitä yritetään vähentää erilaisilla energiapoliittisilla säädöksillä, suosituksilla sekä energiansäästö- ja tehokkuussopimuksilla. Valaistus vastaa noin 19 % maailman sähkönkulutuksesta ja aiheuttaa noin 7 % maailman hiilidioksidipäästöistä [11]. Näitä voidaan pienentää merkittävästi parantamalla valaistuksen energiatehokkuutta, jonka on todettu olevan yksi helpoimmista, kustannustehokkaimmista sekä ympäristöystävällisimmistä keinoista hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi [11]. Tämän vuoksi myös Euroopan unioni on asettanut valaistukselle useita vaatimuksia tukeakseen ympäristöllisiä ja energiatehokkuudellisia tavoitteitaan Direktiivit ja asetukset Euroopassa Nykyisin Euroopan unionissa käytetään kuvassa 1 esitettyä direktiivin 2010/30/EU ja asetuksen 874/2012 mukaista energiamerkintää kuvaamaan valaistuksen energiatehokkuutta. Merkintä perustuu sähkölamppujen ja valaisimien sähköiseen hyötysuhteeseen sekä kertoo energiatehokkuuden asteikolla A++ E, jossa A++-luokka on tehokkain ja E-luokka kuluttavin vaihtoehto. Lisäksi siitä ilmenee lampun painotettu energiankulutus kilowattitunteina tunnissa. [12] Perinteiset elohopealamput kuuluvat energiatehokkuusluokka-asteikon alimpiin luokkiin, kun taas ylempiin sijoittuvat esimerkiksi monimetalli- ja suurpainenatriumlamput sekä LEDit. Havaitaan, ettei energiatehokkuutta tule yleistää ainoastaan LEDeihin. Kuva 1: Lampun energiatehokkuuden kertova energiamerkintä [12].
12 Ecodesign-direktiivissä 2009/125/EY säädetään energiaan liittyvien tuotteiden ekologiselle suunnittelulle asetettavien vaatimusten perusteet. Direktiivillä tavoitellaan tuotteiden ympäristövaikutusten vähentämistä koko elinkaaren ajalta. Tärkeimpiä tavoitteita ovat myös luonnonvarojen käytön ja energiatehokkuuden parantaminen. Direktiivissä ei suoraan määritellä tuoteryhmäkohtaisia vaatimuksia, vaan sen nojalta annetaan yksittäisille tuoteryhmille Ecodesign-asetuksia, jotka ovat voimassa jokaisessa Euroopan unionin jäsenmaassa. Erityisesti palvelusektorin valaistustuotteiden ympäristövaikutusten vähentämiseksi säädettiin direktiiviä toimeenpaneva asetus 245/2009. Asetuksessa keskeisimmiksi ympäristönäkökohdiksi määritellään käytönaikainen energiankulutus ja lamppujen elohopeapitoisuus. [8, 9] Asetuksien 245/2009 ja 347/2010 mukaiset energiatehokkuus-, suorituskyky- ja tuotetietovaatimukset palvelusektorin valaistustuotteille otetaan käyttöön vaiheittain vuosina Asetukset koskevat loiste- ja purkauslamppuja sekä niiden virranrajoittimia ja valaisimia. Vaatimukset kohdistuvat pääosin tuotteiden valotehokkuuteen, valovirran alenemaan ja eloonjäämisasteeseen. Merkittävin käytännön vaikutus tapahtuu , kun elohopealamput ja niitä suoraan korvaavat suurpainenatriumlamput poistuvat markkinoilta. Varsinaisesti asetuksissa ei kielletä niiden myyntiä, vaan niissä kielletään yleisesti tehottomien tuotteiden markkinoille saattaminen. Samanaikaisesti elohopealampuilta raukeaa RoHS-direktiivissä 2011/65/EU (engl. Restriction of Hazardous Substances) määritelty elohopean käyttöoikeus. Seuraava huomattava käytännön vaikutus havaitaan vuonna 2017, jolloin osa monimetallilampuista poistuu markkinoilta. [7, 9, 10] Euroopan unionin palvelusektorin asetuksilla tavoitellaan TWh:n vuosittaista energiasäästöä koko alueella vuosina [13]. Pelkästään elohopealamppujen poistumisen arvioidaan vähentävän katuvalaistuksen vuosittaista energiankulutusta noin 4 TWh:lla ja hiilidioksidipäästöjä noin 2 miljoonalla tonnilla vuoteen 2020 mennessä [14]. Huomataan, että energiatehokkaalla valaistuksella voidaan merkittävästi pienentää energiankulutusta ja päästöjen määrää. Lisäksi asetukset merkitsevät sitä, että esimerkiksi kaupunkien on uusittava elohopeavalaistuksensa tehokkaammilla induktio-, monimetalli- ja suurpainenatriumlampuilla tai LEDeillä, joita tarkastellaan tarkemmin luvussa 2.2. Monet kaupungit, kuten New York, Los Angeles, Milano, Vilna ja Turku ovat viime vuosina havainneet, että valaistuksen energiatehokkuutta voidaan parhaiten kohentaa LED-ratkaisuilla, joilla usein saadaan myös merkittäviä hoitokustannussäästöjä LED-saneerauksia Euroopassa ja muualla Yhdysvalloissa toteutetaan yksi maailman suurimmista LED-saneerausprojekteista, kun New Yorkin kaupungin kaikki katuvalaisinta uusitaan LED-valaistusratkaisuilla vuoteen 2017 mennessä. Projektin on arvioitu kustantavan noin 76,5 miljoonaa dollaria, ja vuosittain on määrä saneerata noin valaisinta. Arvioiden mukaan toimenpiteillä säästetään vuosittain noin 14 miljoonaa dollaria valaistuksen hoitokustannuksissa. [2, 15] 3
13 Yhdysvaltojen toiseksi suurimmassa kaupungissa Los Angelesissa saneerattiin noin katuvalaisinta LED-valaistusratkaisuilla vuosina Projektin kokonaiskustannukset olivat noin 57 miljoonaa dollaria. Los Angelesin kaupungin katuvalaistusviraston (engl. Bureau of Street Lighting) mukaan saneerauksilla saavutettiin yli 63 %:n energiasäästö sekä vähennettiin vuosittaisia hiilidioksidipäästöjä yli tonnilla. Takaisinmaksuajaksi arvioitiin 7 vuotta, jonka jälkeen kaupungin odotetaan vuosittain säästävän noin 10 miljoonaa dollaria valaistuksen hoitokustannuksissa. [3] Italian toiseksi suurimmassa kaupungissa Milanossa saneerataan noin valaisinta LED-valaistusratkaisuilla vuosina Kaupungissa järjestetään vuoden 2015 maailmannäyttely, johon on päätetty valmistautua myös uudella valaistusjärjestelmällä. Toimenpiteisiin ovat erityisesti vaikuttaneet energiatehokkuus, kestävä kehitys sekä maailmannäyttelyn pääteema: Feeding the Planet, Energy for Life. [4] Liettuassa saneerataan pääkaupunki Vilnan kaikki katuvalaisinta energiatehokkaammilla LED-valaistusratkaisuilla vuosina Valaistuksen energiankulutuksen arvioidaan vähenevän yli 70 % ja kaupungin saavan noin 2 miljoonan euron vuosittaiset energiakustannussäästöt. Lisäksi yleisen turvallisuuden odotetaan parantuvan ja ympäristösaasteiden vähentyvän, kun lähes elinkaarensa päässä oleva valaistus uusitaan. [5] Turun kaupunkia pidetään yhtenä LED-katuvalaistuksen edelläkävijöistä Pohjois- Euroopassa. Kaupungin perinteisiä elohopealamppuvalaisimia on viime vuosina saneerattu LED-valaistusratkaisuilla, ja viimeisetkin noin elohopealamppuvalaisinta uusitaan vuosina Tämän jälkeen LEDien osuus kaupungin katuvalaistuksesta on lähes 30 %. Arvioiden mukaan saneerauksilla saavutetaan noin 70 %:n energiasäästö elohopealamppuvalaisimiin verrattuna. Turussa kaikki saneeraukset ovat toteutettu ESCO-hankkeina, joissa kustannukset katetaan toteutuneilla energiasäästöillä. [16] 2.2 Valontuotto ja valonlähteet Keinovalonlähteet jaotellaan tavallisesti valontuotoltaan termiseen säteilyyn ja luminesenssisäteilyyn. Termisessä säteilyssä aineen osasten lämpöliike aikaansaa värähtelyä kaikilla aallonpituuksilla, ja sen spektri on jatkuva. Luminesenssisäteilyä tapahtuu vastaavasti vain tietyillä aallonpituuksilla tai spektrin osilla, mutta se on voimakkaampaa kuin aineen saman lämpötilan mukainen terminen säteily. Ulkovalaistuksen tyypillisimmät valonlähteet perustuvat pääasiassa joko kaasujen luminesenssisäteilyyn eli purkaussäteilyyn (elohopea-, induktio-, monimetalli- ja suurpainenatriumlamput) tai elektroluminesenssisäteilyyn (LEDit). [17] 4
14 Elohopealamput Elohopealamppujen valontuotto perustuu suurpaineisessa elohopeahöyryssä tapahtuvaan kaasupurkaukseen. Sähkövirta aikaansaa kaasuatomien virittymistä korkeammille energiatasoille, jonka jälkeen ne putoavat takaisin luonnollisille tasoilleen. Syntyvä sähkömagneettinen säteily on pääosin näkyvää valoa ja osin ultraviolettisäteilyä. Lamppujen väriominaisuuksia ja valotehokkuutta voidaan parantaa pinnoittamalla niiden ulkokupujen sisäpinnat loisteaineella, jolloin osa ultraviolettisäteilystä muuttuu näkyväksi valoksi. Elohopealamput tuottavat valkoista valoa, ja ne tarvitsevat kuristimen, mutteivät sytytinlaitteita. [17] Yleisesti elohopealamppuja pidetään kaikkein yksinkertaisimpina, helppokäyttöisimpinä ja luotettavimpina purkauslamppuina [17], mutta nykyisin niiden käyttöä ei enää uudisrakentamisessa suositella Ecodesign-asetuksien sekä kokonaistaloudellisuuden vuoksi. Lamppujen hyötypolttoikä on tavallisesti noin tuntia ja valotehokkuus lm/w [18]. Elohopealamppuja on perinteisesti käytetty esimerkiksi ulko- ja teollisuusvalaistuksessa sekä varastojen ja myymälöiden valaistuksessa [17]. Helsingissä niillä valaistaan pääasiassa kokooja- ja tonttikatuja sekä kevyen liikenteen väyliä, aukioita ja puistoja. Kuvassa 2 esitetään elohopealamppuvalaisimilla valaistu Ratavallintie. Kuva 2: Elohopealamppuvalaisimilla valaistu Ratavallintie.
15 Induktiolamput Induktiolamppujen valontuotto perustuu sähkömagneettiseen induktioon sekä pienpaineisessa elohopeahöyryssä tapahtuvaan kaasupurkaukseen. Suurtaajuinen sähkövirta aikaansaa induktiokelassa sähkömagneettisen kentän, joka ionisoi täytöskaasun. Syntyvä ultraviolettisäteily muutetaan näkyväksi valoksi lamppujen ulkokupujen sisäpintojen loisteaineilla. Induktiolamput tuottavat valkoista valoa, ja ne tarvitsevat toimiakseen ulkoisen suurtaajuusvirtalähteen. [17] Induktiolamput ovat erittäin pitkäikäisiä, sillä ne eivät sisällä kuluvia osia [17]. Tämän vuoksi niitä suositellaan käytettäviksi kohteissa, jotka ovat sijainniltaan ja valaistuksen huollon kannaltaan hankalia. Lamppujen hyötypolttoikä on tavallisesti yli tuntia ja valotehokkuus lm/w. Induktiolamput soveltuvat esimerkiksi ulko- ja teollisuusvalaistukseen sekä pysäköintialueiden valaistukseen. [19] Helsingissä niillä valaistaan pääasiassa kevyen liikenteen väyliä, aukioita ja puistoja. Kuvassa 3 esitetään induktiolamppuvalaisimilla valaistu Arabianaukio. Kuva 3: Induktiolamppuvalaisimilla valaistu Arabianaukio Monimetallilamput Monimetallilamput ovat kehitetty elohopealampuista, ja siksi niiden valontuottoperiaate on myös samankaltainen. Merkittävin ero tekniikassa on eri metallien halogeeniyhdisteiden hyödyntäminen suurpaineisessa kaasupurkauksessa. Kullakin metallilla on omanlaisensa säteilyominaisuudet, joilla voidaan parantaa lamppujen va-
16 lotehokkuutta ja väriominaisuuksia. Lisäksi metallihalidit vaikuttavat purkauksessa syntyvään ultraviolettisäteilyn määrään. Monimetallilamput tuottavat valkoista valoa, ja ne tarvitsevat sytyttimen sekä kuristimen. Lisäksi niiden polttoasento on useimmiten rajoitettu. [17] Viime vuosina monimetallilamput ovat kehittyneet kaikkein monikäyttöisimmiksi purkauslampuiksi. Niitä suositellaan käytettäviksi kohteissa, joissa vaaditaan hyvä värintoisto. Lamppujen hyötypolttoikä on tavallisesti tuntia ja valotehokkuus lm/w. Monimetallilamput soveltuvat esimerkiksi ulko-, julkisivuja teollisuusvalaistukseen sekä urheilutilojen ja myymälöiden valaistukseen. [19] Helsingissä niillä valaistaan pääasiassa tonttikatuja, kevyen liikenteen väyliä, aukioita ja puistoja. Kuvassa 4 esitetään monimetallilamppuvalaisimilla valaistu Tuikkupuisto. 7 Kuva 4: Monimetallilamppuvalaisimilla valaistu Tuikkupuisto Suurpainenatriumlamput Suurpainenatriumlamppujen valontuotto perustuu suurpaineisessa natriumhöyryssä tapahtuvaan kaasupurkaukseen. Sähkövirta aikaansaa kaasuatomien virittymistä korkeammille energiatasoille, jonka jälkeen ne putoavat takaisin luonnollisille tasoilleen. Syntyvä sähkömagneettinen säteily on pääosin näkyvää valoa, eikä loisteaineita tarvita. Lamput tuottavat oranssinkeltaista valoa, ja ne tarvitsevat sytyttimen sekä kuristimen. Erityistapauksena korvaavat suurpainenatriumlamput, jotka soveltuvat suoraan käytettäviksi elohopealamppuvalaisimien liitäntälaitteiden kanssa. [17]
17 Nykyisin suurpainenatriumlamppuja pidetään kaikkein kustannustehokkaimpina purkauslamppuina [20]. Niitä suositellaan käytettäviksi kohteissa, joissa ei vaadita erityisen hyvää värintoistoa. Lamppujen hyötypolttoikä on tavallisesti tuntia ja valotehokkuus lm/w. Suurpainenatriumlamput soveltuvat esimerkiksi ulko- ja teollisuusvalaistukseen sekä varastojen ja kasvihuoneiden valaistukseen. [17, 19] Helsingissä niillä valaistaan muun muassa pää-, kokooja- ja tonttikatuja sekä kevyen liikenteen väyliä ja puistoja. Kuvassa 5 esitetään suurpainenatriumlamppuvalaisimilla valaistu Lampputie. 8 Kuva 5: Suurpainenatriumlamppuvalaisimilla valaistu Lampputie LEDit LED-valaistusratkaisujen valontuotto perustuu loistediodeihin (engl. Light-Emitting Diode), jotka ovat puolijohdekomponentteja. Valaisin tai lamppu alkaa säteillä valoa johtamalla sähkövirtaa diodin läpi, mitä kutsutaan elektroluminesenssiksi. Tavallisesti valaistusratkaisuissa käytetään useita diodeja, ja valon värin määrittelee pääasiassa käytettävä puolijohdemateriaali. LEDien lämmönhallinta on erittäin tärkeää, sillä puolijohdeliitoksen lämpeneminen pienentää valontuottoa ja lyhentää elinikää. Lopullisiin arvoihin vaikuttavat lämpötilan suuruus, valaistusratkaisun ohjausvirta ja jäähdytyslevyn ominaisuudet. [19] Yhdysvaltain energiaministeriön (engl. Department of Energy) [6] mukaan LEDit kehittyvät jatkuvasti yhä paremmiksi, edullisemmiksi ja valotehokkaammiksi. Nykyään LED-valaistusratkaisuja voidaan soveltaa jo useimmissa valaistuskohteissa, ja
18 niillä päästään samoihin valotehokkuuksiin kuin perinteisillä purkauslamppuvalaisimilla [21]. LED-valaisimien valotehokkuuden arvioidaan nousevan vuoteen 2020 mennessä jopa 200 lm/w:iin [6]. LEDit ovat myös erittäin pitkäikäisiä, sillä niiden hyötypolttoiäksi arvioidaan yli tuntia [19]. Helsingissä niillä valaistaan muun muassa kokooja- ja tonttikatuja sekä kevyen liikenteen väyliä, aukioita ja puistoja. Kuvassa 6 esitetään LED-valaisimilla valaistu Sysimiehentie. 9 Kuva 6: LED-valaisimilla valaistu Sysimiehentie Vertailu Ulkovalaistuksen tyypillisimpiä valonlähteitä vertaillaan taulukossa 1. Huomataan, että elohopealampuilla on suuri energiankulutus, lyhyt hyötypolttoikä ja huono valotehokkuus. Ne voittavat muut valonlähteet ainoastaan yksikköhinnassa, sekä osan monimetallilampuista hyötypolttoiässä ja suurpainenatriumlampuista värintoistossa. Lisäksi havaitaan, että induktiolamppujen ja LED-valaisimien hyötypolttoikä on merkittävästi pidempi, sekä monimetalli- ja suurpainenatriumlamppujen valotehokkuus korkeampi kuin muiden valonlähteiden. Todellisuudessa purkauslamppujen valotehokkuudet ovat kuitenkin ainakin % pienemmät, kun huomioidaan valaisimien ja liitäntälaitteiden aiheuttamat häviöt [19]. Elohopea-, induktio- ja monimetallilamput sekä LEDit tuottavat valkoista valoa ja suurpainenatriumlamput oranssinkeltaista valoa. Useimmat induktio- ja monimetallilamput sekä LED-valaisimet omaavat hyvän värintoistokyvyn, kun taas elohopea-
19 ja suurpainenatriumlamppujen värintoisto on huonompaa. Värit toistuvat siis luonnollisempana valkoisessa valossa kuin keltaisessa. Motivan [22] mukaan väreillä voidaan myös vaikuttaa kohteiden näkyvyyteen sekä kuljettajien näkö- ja havainnointikykyihin. Esimerkiksi kohteiden havaitseminen ääreisnäön alueella paranee valkoisessa valossa ja alhaisilla valaistustasoilla. Toisaalta mitä monokromaattisempaa valoa käytetään, sitä parempia ovat kuljettajien näöntarkkuus ja havaitsemisnopeus keskeisnäön alueella. 10 Taulukko 1: Ulkovalaistuksen tyypillisimmät valonlähteet [6, 17, 18, 19]. Elohopea- Induktio- Monimetalli- Suurpaine- LEDlamput lamput lamput natriumlamput valaisimet Yksikköhinta [-] edullinen korkea korkea kohtalainen korkea Hyötypolttoikä [h] Tehoalue [W] Valonsäätö [%] Valotehokkuus [lm/w] Värilämpötila [K] Värintoistoindeksi [-] Yleisesti purkauslamput eivät sovellu valonsäätöön erityisen hyvin, eivätkä elohopeaja induktiolamput käytännössä ollenkaan. Monimetalli- ja suurpainenatriumlamppuja ei ole mahdollista himmentää alle 50 %:iin aiheuttamatta muutoksia hyötypolttoiässä ja valon värissä. LED-valaisimien valonsäätö on sen sijaan huomattavasti käytännöllisempää ja taloudellisempaa. Ne voidaan esimerkiksi integroida älykkääseen valaistusverkkoon, jolloin valaisimia on mahdollista säätää ohjauslaitteiden avulla portaattomasti jopa %:iin. [19] Nykyään suurpainenatriumlamppuja pidetään vielä kustannustehokkaimpina tieja katuvalaistuksen valonlähteinä [20]. LEDien yleistymistä ovat hidastaneet muun muassa valaisimien korkea hinta, lämmönhallinta sekä käyttökokemusten ja standardisoinnin puute [21]. Myös monimetalli- ja suurpainenatriumlamput ovat viime vuosina kehittyneet entistä pitkäikäisemmiksi ja valotehokkaammiksi [22]. Tulevaisuudessa energiatehokkaampien LED-valaisimien odotetaan kuitenkin yleistyvän niiden tuote- ja hintakehityksen jatkuessa. Siten voidaan yhä vähentää valaistuksen energiankulutusta, hiilidioksidipäästöjä sekä hoitokustannuksia. 2.3 Helsingin kaupungin julkinen ulkovalaistus Helsinkiä on ohjeistetusti valaistu jo vuodesta 1818: ensiksi kaupunkilaisten omilla valolyhdyillä ja 1860-luvusta julkisella kaasukatuvalaistuksella. Sähkövaloja kokeiltiin ensimmäistä kertaa katuvalaistuksessa vuonna Helsingin kaupungin
20 sähkölaitos perustettiin vuonna 1909, jonka myötä alkoi myös laajempi sähkövalaistuksen käyttö. Useimmat julkiset paikat olivat sähköisesti valaistuja ennen toista maailmansotaa, ja viimeisetkin kaasuvalot poistettiin vuonna Sähkölaitos teki 1950-luvulla yleissuunnitelman koko kaupungin valaistuksesta, ja seuraavan 30 vuoden aikana valaisimien kokonaismäärä moninkertaistui. [23] Nykyään Helsingin julkinen ulkovalaistusverkko koostuu yli valaisimesta ja yli katuvalokeskuksesta Helsingin kaupungin rakennusvirasto ja Helsingin Energia Helsingin kaupungin rakennusvirasto määrittelee Helsingin valaistuksen yleisen laadun, tavoitetason ja sisällön. Lisäksi sen tehtäviin kuuluvat valaistuksen tarveselvitysten ja keskeisten yleissuunnitelmien laadinta sekä tarvittavien valaistuspalveluiden hankinta. Helsingin kaupungin julkinen ulkovalaistus tilataan Helsingin Energialta sisäisenä elinkaaripalveluhankintana, jonka kiinteä hinta on viime vuosina ollut noin 20 miljoonaa euroa. Palveluun sisältyy ulkovalaistusjärjestelmän vuosittainen investointi, käyttö, ylläpito ja energia. [24] Helsingin Energia vastaa kokonaispalveluna Helsingin kaupungin julkisen ulkovalaistuksen suunnittelusta, rakentamisesta, ylläpidosta ja taseesta. Helsingissä valaistaan kulkuväylien, puistojen ja aukioiden ohella myös keskeisiä kaupunkikuvallisia rakennuksia, siltoja ja taideteoksia. Kaiken kaikkiaan kaupunkia valaisee yli valaisinta, jotka esitetään kuvassa 7. Valaisimista noin 69,3 % on suurpainenatriumlamppuvalaisimia, 16,4 % elohopealamppuvalaisimia, 10,9 % monimetallilamppuvalaisimia, 1,1 % LED-valaisimia, 0,9 % induktiolamppuvalaisimia ja 1,4 % muita valaisimia. Ulkovalaistusjohtoja Helsingissä sijaitsee yhteensä noin km, josta maakaapelia on noin 89 % ja ilmajohtoa noin 11 %. 11 Kuva 7: Helsingin kaupungin julkinen ulkovalaistusverkko (7/2014).
21 Rakennusviraston ja Helsingin Energian tärkeimpiä tavoitteita ovat laadukkaan, kustannustehokkaan sekä energiatehokkaan valaistuksen toteuttaminen kaupungin strategiaohjelman mukaisesti [24]. Julkisen ulkovalaistusverkon energiatehokkuusohjelmaa on toimeenpantu vuotuisen uudisrakentamisen ohella myös elohopealamppuvalaisimien saneerausohjelmassa, jossa uusitaan noin valaisinta vuosina Elohopealamppuvalaisimia on saneerattu energiatehokkaammilla suurpainenatriumlamppu-, monimetallilamppu- ja LED-valaisimilla kokonaistaloudellisten tarkastelujen mukaisesti. Arvioiden mukaan elohopealamppuvalaisimista on vuoden 2014 lopussa uusittu yli 75 %, ja LED-valaisimia on yli Helsingin Energia on viime aikoina seurannut yhä tarkemmin energiatehokkaiden valonlähteiden kehitystä. LED-valaisimien käytettävyyttä on esimerkiksi selvitetty erilaisilla tutkimushankkeilla, joista merkittävimpinä voidaan pitää Herttoniemen ja Munkkiniemenrannan testausalueita sekä Aalto-yliopiston ja VTT:n AthLEDicstutkimusta. Lisäksi historiallisia Y-valaisimia on varustettu LED-valonlähteillä. LEDien yleistymiseen on myös valmistauduttu uudella koko kaupungin kattavalla C2 SmartLight -ohjausjärjestelmällä, jonka palvelusopimus kattaa vuodet Samalla uusittiin osittain tai kokonaan kaikki katuvalokeskukset, ja varustettiin ne energiamittareilla sekä uusilla ohjauslaitteilla. Ohjausjärjestelmän sopimuskaudella asennetaan myös noin valaisinkohtaista ohjainta. Toimenpiteillä voidaan parantaa energiatehokkuutta entisestään, sillä valaisimien valaistusaikaa ja -tehoa on mahdollista säätää aluekohtaisesti. Lisäksi samalla mahdollistetaan Helsingin julkisen ulkovalaistuksen ohjaaminen tulevaisuudessa esimerkiksi liiketunnistimien ja liikennemäärien mukaan [25] Yleisperiaatteet ja vaatimukset Helsingin kaupungin julkisen ulkovalaistuksen tarkoituksena on lisätä ihmisten turvallisuutta, viihtyvyyttä ja turvallisuuden tunnetta, jotta jokainen kokisi kaupungin suojaisaksi paikaksi asua, oleskella ja liikkua kaikkina vuoden ja vuorokauden aikoina. Viime vuosina on parannettu etenkin jalankulkujen, pyöräteiden ja liikenteellisesti vaarallisten alueiden valaistusratkaisuja. [24] Julkinen ulkovalaistus syttyy ja sammuu Helsingissä vuorokauden valaistusolojen mukaan. Turvallisuudesta ja valaistuksen tasosta ei ole haluttu tinkiä sammuttamalla valaisimia öisin tai kesäisin, sillä arvioiden mukaan yksikin vakava onnettomuus söisi muodostuneet kustannussäästöt useiden vuosien ajalta [26]. Sen sijaan yön hiljaisina tunteina valaistusta himmennetään paikoissa, joissa se on teknisesti ja turvallisesti mahdollista. Nykyisin Helsinkiä voidaan pitää erittäin hyvin valaistuna, sillä toimivien valaisimien osuus on kausittaisessa laskennassa viime vuosina ollut noin 98 % [27]. Kaupungissa havaittujen pimeiden valaisimien syitä ovat tavallisesti ilkivalta, valaisimien ja lamppujen vikaantuminen sekä aurauskaluston aiheuttamat vauriot. Helsingin Energian tavoitteena on korjata välitöntä vaaraa aiheuttavat kolari- ja myrskyvauriot viivytyksettä ja muut ulkovalaistusviat keskimäärin 8 vuorokaudessa [27]. Valaistuk- 12
22 sen kausihuollot toteutetaan alueittain ja siten, että toimimattomia valaisimia on korkeintaan 4 % [24]. Päivisin palavaan valaistukseen vaikuttavat useimmiten huoltotoimet tai katuvalokeskusten toimintahäiriöt. Julkisen ulkovalaistuksen on ensisijaisesti mahdollistettava näkeminen, mutta lisäksi sen on oltava teknisesti toimiva, kokonaistaloudellinen, ympäristöystävällinen sekä esteettinen. Euroopan unionissa tie- ja katuvalaistuksen valaistusteknilliset vaatimukset määritellään standardissa EN :2003 (engl. Road Lighting Part 2: Performance Requirements), mitoitukset standardissa EN :2003 (engl. Road Lighting Part 3: Calculation of Performance) ja mittaukset standardissa EN :2003 (engl. Road Lighting Part 4: Methods of Measuring Lighting Performance) [28, 29, 30]. Vaatimuksia asetetaan valaistusluokittain muun muassa joko luminanssille, estohäikäisylle ja ympäristön valaistukselle tai valaistusvoimakkuudelle [28]. Helsingissä käytettävät valaistusluokat ja -periaatteet esitellään Helsingin kaupungin ulkovalaistuksen tarveselvityksessä Helsingin kaupungin ulkovalaistuksen tarveselvitys Tarveselvityksessä määritellään Helsingin kaupungin julkisen ulkovalaistuksen yleiset tarpeet, tavoitteet, suositukset ja suunnitteluperiaatteet. Lisäksi se sisältää valaistusperiaatteet julkisivu- ja erikoisvalaistukselle. Tarveselvityksessä huomioidaan ympäristön toiminnalliset ja kaupunkikuvalliset vaatimukset sekä valaistuksen tekninen toimivuus ja uudistustarpeet. Valaistuksen suunnittelussa keskitytään erityisesti häikäisyn ja häiriövalon minimoimiseen, oleskelun ja liikkumisen turvallisuuden takaamiseen sekä esteettömyyden huomioimiseen. Uusin tarveselvitys toimii Helsingin ulkovalaistuksen budjetoinnin, päätöksenteon, suunnittelun ja kehittämisen perustana seuraavat 20 vuotta. [20] Kaupungin valaistustavoissa noudatetaan katujen toiminnalliseen luokitukseen, ajoneuvoliikenteen määrään ja nopeuteen sekä julkiseen ja polkupyöräliikenteeseen perustuvaa katuluokkakohtaista valaistusluokitusta. Puistoraittien ja ulkoilureittien tapauksessa valaistusluokkaan vaikuttavat puiston sijainti ja puistoluokka sekä ulkoilureitin sijainti ja ympäristön valoisuus. [20] Taulukossa 2 esitetään Helsingissä käytettävät standardin CEN/TR :2004 (engl. Road Lighting Part 1: Selection of Lighting Classes) mukaiset M- ja P-luokat [31], joiden valaistusteknilliset vaatimukset perustuvat standardiin EN :2003 [28]. Yleisesti tarveselvityksellä tavoitellaan valtaosaan Helsinkiä soveltuvia standardeja valaistusratkaisuja, jotka ovat kustannustehokkaita, kaupunkikuvallisesti yhtenäisiä ja teknisesti laadukkaita. Eri valaistustavoilla, valon väreillä ja valaistusluokilla tuetaan julkisen ulkovalaistusverkon hierarkiaa, jotta esimerkiksi voidaan erottaa ja tunnistaa liikenteellisesti merkittävimmät pääkadut vähemmän liikennöidyistä kaduista myös pimeän aikaan. Päiviseen hierarkiaan on mahdollista vaikuttaa esimerkiksi erilaisilla valaistuslaitteilla, joiden ulkonäöstä annetaan suositukset Helsingin kaupunkikalusteohjeessa. [20] 13
23 14 Taulukko 2: Helsingissä käytettävät katu- ja valaistusluokat [20]. Katuluokka Pääkadut Alueelliset kokoojakadut Paikalliset kokoojakadut Tonttikadut Baanaverkko Puistoraitit Ulkoilureitit, lenkkipolut ja ladut Valaistusluokka M1+P1, M2+P2, M3a+P3 M3a+P3/P4, M3b+P4 M3b+P4, M4+P4/P5 M4+P4/P5, M5+P5/P6 P2 P3, P4 P5, P6 Tarveselvityksessä [20] asetetaan alueittaiset tavoitteet myös valaistuksen värilämpötilalle ja värintoistoindeksille. Kantakaupungissa, tonttikaduilla, kevyen liikenteen väylillä, aukioilla ja puistoissa suositellaan käytettäviksi valonlähteitä, jotka tuottavat kelvinin valkoista valoa ja omaavat hyvän yli 60 värintoistoindeksin. Pää- ja kokoojakaduilla voidaan kuitenkin valaistusteknisistä ja kustannussyistä edelleen käyttää kelvinin ja alle 60 värintoistoindeksin suurpainenatriumlamppuja. Asetettujen tavoitteiden myötä Helsingin julkisessa ulkovalaistuksessa siirrytään valkoiseen ja värintoistoltaan yhä parempaan valoon entistä kattavammin.
24 15 3 Tutkimusaineisto ja -menetelmät Tässä luvussa selostetaan työn tutkimusaineisto ja -menetelmät, joilla voidaan suorittaa tarvittavat elinkaarikustannus- ja kannattavuuslaskelmat. Ensiksi selvitetään Helsingin kaupungin julkisen ulkovalaistusverkon nykytila, sekä tutkitaan sen energiatehokkuutta. Seuraavaksi tutustutaan elinkaarikustannuslaskennassa käytettäviin valaistusratkaisuihin, katupoikkileikkauksiin, yhtälöihin ja parametreihin. Lopuksi esitellään vielä kannattavuuslaskennassa sovellettavat saneerausohjelmat, yhtälöt ja parametrit. 3.1 Helsingin kaupungin julkinen ulkovalaistusverkko Tavallisesti tie- ja katuvalaistuksen saneerausselvityksissä käsitellään esimerkiksi hankkeiden tavoitteita, valaistuksen nykytilaa ja tyypillisesti käytettyjä valaistusratkaisuja. Lisäksi ehdotettujen toimenpiteiden kannattavuutta vertaillaan elinkaarikustannusten sekä muiden taloudellisten tunnuslukujen perusteella. Useimmiten koko selvityksen perustana toimii valaistuksen nykytilan tutkimus, jossa kartoitetaan tarkasteltavien valaistuslaitteiden ikä- ja sijaintitiedot. [22, 32] Tässä työssä Helsingin kaupungin julkisen ulkovalaistusverkon nykytila selvitettiin Trimble NIS - verkkotietojärjestelmällä, jonka jälkeen sen energiatehokkuutta tutkittiin Microsoft Excelillä Nykytila Julkisen ulkovalaistusverkon kaikki valaisimet etsittiin Trimble NIS -verkkotietojärjestelmän tietokannasta kuvan 8 finder-kyselyllä, jossa useita suodattimia ja loogisia operaattoreita yhdisteltiin erilaisiin attribuuttivertailuihin. Kyselyn vertailuoperaattoreina toimivat yhtä suuri kuin (=), erisuuri kuin (<>) ja välillä. Havaitaan, että valaisimet haettiin TAI-suodattimilla ja laji-attribuutilla, jolloin kohde läpäisi suodattimen jonkin siihen kohdistuvan ehdon täyttyessä. Huomataan myös, että osa tuloksista suodatettiin pois JA-suodattimilla sekä laskutustieto-attribuutilla, jolloin kohde läpäisi suodattimen vain kaikkien siihen kohdistuvien ehtojen täyttyessä. Tässä työssä Helsingin kaupungin julkiseen ulkovalaistukseen ei sisällytetty Helsingin Energian kiinteistöjen, Helen Sähköverkko Oy:n, Liikenneviraston, VR:n eikä yksityisen sektorin valaisimia. Lisäksi kokonaismäärästä poistettiin vuoden 2014 alussa ELY-keskukselle siirtyneet valaisimet, jotka oli merkitty laskennallinen käyttöönottovuosi -attribuutilla. Finder-kysely palautti valaisimet graafisesti verkkotietojärjestelmän taustakartalle, jonka jälkeen hakutuloksista tehtiin Excel-raportti. Seuraavaksi tämän raportin sisällöstä luotiin Microsoft Excelillä liite A1, jossa Helsingin kaupungin julkiset ulkovalaisimet esitetään valonlähteiden, lampputehojen ja valaisimien käyttöönottovuosien mukaan. Lisäksi tuloksista laadittiin Trimble NISillä liitteet A2 ja A3, joissa valaisimien sijainnit esitetään kaupungin kartalla valonlähteittäin ja käyttöönottovuosittain.
25 16 Kuva 8: Trimble NIS -verkkotietojärjestelmällä luotu finder-kysely. Liitteen A1 ensimmäiseen laskentasarakkeeseen yhdistettiin kaikki ennen vuotta 1984 asennetut valaisimet sekä verkkotietojärjestelmän virheelliset tiedot, sillä tavallisesti tie- ja katuvalaistukselle asetetaan 30 vuoden tekninen elinikä [18]. Havaittiin, että kaikista valaisimista tähän ryhmään kuului noin 18 % ja uudempiin asennuksiin noin 82 %. Lisäksi huomattiin, että valaisimista lähes puolet on otettu käyttöön vuosina Tässä työssä oletettiin, että kaikkien valaisinpylväiden, kaapelien ja johtojen asennusvuodet vastaavat valaisimien käyttöönottovuotta. Liitteistä A1, A2 ja A3 nähdään suurpainenatriumlamppujen olevan selkeästi käytetyin julkisen ulkovalaistuksen valonlähde. Myös perinteisiä elohopealamppuvalaisimia on vielä laajasti käytössä eri puolilla Helsinkiä, ja erityisesti kantakaupungissa sijaitsee useita iäkkäitä elohopealampuilla varustettuja ripustusvalaisimia. Lisäksi huomataan, että korvaavia suurpainenatriumlamppuvalaisimia käytetään kattavasti ulkoilureiteillä, lenkkipoluilla ja laduilla. Vastaavasti induktiolamppuvalaisimia sijaitsee pääasiassa vain Länsi-Pasilassa ja muutamissa puistoissa. Kaiken kaikkiaan havaitaan monimetallilamppujen ja LEDien yleistyneen viime vuosina Helsingin kaupungin julkisessa ulkovalaistuksessa.
26 Energiatehokkuus Helsingin kaupunki tavoittelee hiilidioksidipäästöjen vähentämistä, energiatehokkuuden parantamista ja uusiutuvan energian edistämistä lukuisten eri sitoumuksien ja toimenpideohjelmien avulla. Kaupungin on määrä vähentää hiilidioksidipäästöjään 30 % vuoden 1990 tasosta vuoteen 2020 mennessä. Lisäksi Helsinki on sitoutunut kunta-alan energiatehokkuussopimuksessa vähentämään energiankulutustaan 9 % vuoden 2005 tasosta kaudella Näihin tavoitteisiin sisältyy yhtenä osana myös kaupungin julkinen ulkovalaistus. [33] Kuvassa 9 esitetään Helsingin kaupungin julkisen ulkovalaistusverkon sähkönkulutuksen ja valaisimien lukumäärän kehitys vuosina Havaitaan, että ulkovalaistusverkko sisälsi vuoden 2014 toukokuussa valaisinta, joiden vuosittaiseksi sähkönkulutukseksi arvioitiin noin 49,1 GWh ( e). Tämä vastasi noin 3 %:a kaupungin oman toiminnan energiankulutuksesta ja 5 %:a hiilidioksidipäästöistä. Lisäksi nähdään verkon kokonaiskulutuksen vähentyneen noin 25 % ja valaisinkohtaisen kulutuksen noin 37 % vuosina , vaikka valaisimien lukumäärä on samanaikaisesti lisääntynyt noin 19 %. 1, Sähkön ominaiskulutus [MWh/a, valaisin] 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0, ,92 MWh/valaisin MWh kpl ,58 MWh/valaisin (- 37 %) MWh (- 25 %) kpl (+ 19 %) Sähkön kokonaiskulutus [MWh/a] 0, Kulutus/valaisin [MWh/a, valaisin] Kokonaiskulutus [MWh/a] Valaisimien lukumäärä Kuva 9: Helsingin julkisen ulkovalaistusverkon energiatehokkuus (5/2014). Julkisen ulkovalaistusverkon energiatehokkuusohjelman ansiosta kokonaiskulutuksen arvioidaan vähenevän noin 20 % ( e) vuoden 2005 tasosta vuoteen 2018 mennessä [33]. Jo nyt tehdyillä toimenpiteillä havaittiin verkon sähkönkulutuksen vähentyneen noin 15 % vuoden 2005 tasosta, joten kunta-alan energiatehokkuussopimuksen säästötavoite ylitetään Helsingin kaupungin julkisessa ulkovalaistuksessa selvästi.