Да, темп развития светодиодных технологий, который часто любят характеризовать таким параметром как рост световой отдачи, впечатляет. Средний прирост этого показателя для серийно выпускаемых светодиодов за последние пять лет составляет около 13…15 лм/Вт в год. Однако, на сегодняшний день световая отдача светодиодов, применяемых в серийных уличных светильниках еще не превысила этот показатель для натриевых ламп высокого давления — самого распространенного источника света для уличного освещения. Тогда в чем энергоэффективность светодиодных светильников?
Энергоэффективность светильника
Для оценки энергоэффективных свойств осветительного прибора необходимо провести анализ по четырем параметрам:
1) световая отдача источника света;
2) КПД светильника;
3) электрический КПД светильника (потери в блоке питания, ПРА);
4) коэффициент использования светового потока.
Световая отдача светодиодов не превышает этот показатель для традиционных источников света в уличных светильниках, поэтому для экономии электроэнергии необходимо, чтобы значения остальных параметров были больше чем у существующих осветительных приборов.
В двух словах отметим, что КПД блока питания светодиодов и ПРА для газоразрядных ламп примерно одинаковы и равны для большинства образцов 80—85%.
КПД самого светильника (отношение светового потока светильника к световому потоку источников света) зависит от материалов отражателей, рассеивателей и линз. В существующих светильниках с газоразрядными лампами и в светодиодных применяются однотипные материалы, поэтому получить выигрыш более 10—20% в КПД практически не реально. Заметим, что КПД уличного светильника с натриевой лампой высокого давления для большинства образцов довольно высокий. Например, светильники ЖКУ28-150-001, ЖКУ21-150-003, ЖКУ15-150-101Б и др. объединения Galad имеют КПД более 74%. При улучшении этого показателя на 20% получим значение 89%, что сопоставимо с коэффициентом пропускания защитных стекол и рассеивателей из полиметилметакрилата, поликарбоната, стекла [1]. В этом случае мы получаем светильник, светораспределение которого формируется расположением самих светодиодов без дополнительных отражателей, линз, ограждающих конструкций защитного угла, что для уличного светильника крайне проблематично.
Экономия электроэнергии в 20%, которая в лучшем случае получается по трем рассмотренным выше параметрам, не позволит обосновать затраты на установку светодиодных светильников. Здесь «на помощь» продавцам светодиодных светильников пришел последний параметр: коэффициент использования светового потока. Этот коэффициент показывает долю светового потока светильников, которая преобразуется в освещенность (плотность светового потока) расчетной поверхности и характеризует эффективность светораспределения (кривой силы света) осветительного прибора. Для идеальной кривой силы света (КСС) он равен единице, т.е. 100% светового потока светильника преобразуется в освещенность расчетной поверхности.
Идеальная и реальные кривые силы света светильников
Сила света — это пространственная плотность светового потока точечного источника, т.е. осветительного прибора (источника света) геометрические размеры, которого значительно меньше расстояния до освещаемой поверхности [2, 3]. Распределение силы света источника в пространстве (называют фотометрическим телом) представляется трехмерной моделью, а ее сечение продольной плоскостью, на которой расположен сам источник, принято называть КСС для данной плоскости сечения.
КСС светильника обычно принято показывать в полярной системе координат, а характерные плоскости сечения обозначаются азимутальными углами. Ориентация неосесимметричного светильника принимается
такой, чтобы главная поперечная плоскость совпадала с плоскостями С0—С180, проходящими через азимутальные углы 0 и 180, а главная продольная плоскость — с плоскостями С90—С270. При этом узел крепления светильника к кронштейну (для консольных светильников) расположен в плоскости С270.
При идеальной КСС по критерию использования светового потока светильника, освещаемая поверхность должна иметь абсолютно равномерную освещенность, а на краях этой поверхности освещенность снижается до нуля. Например, для случая плоской площадки, над которой параллельно ей в центре располагается световой проем светильника, можно записать систему аналитических выражений идеальной КСС
, при 0 ≤ γ ≤ γпред;
I(C;γ) = 0, при γпред ≤ γ;
,
при
; (1)
,
при
,
где I(C;γ) — сила света светильника в азимутальном угле C и полярном γ, кд; I(0;0) — сила света светильника по оптической оси, кд; γ — полярный угол, град.; γпред — предельный полярный угол соответствующий краю освещаемой площадки, град.; L — длина площадки (размер в плоскости С0-С180), м; B — ширина площадки (размер в плоскости С90-С270), м; Н — высота светового проема светильника над площадкой, м; С — азимутальный угол, град.
Реальные кривые силы света осветительных приборов отличаются от идеальной, что обусловлено трудностью создания формы отражателя, линзы и рассеивателя для переформирования фотометрического тела источника света в направленное светораспределение, которое описывается системой (1). Для такого переформирования КСС требуется многократное переотражение внутри светильника, что ведет к потерям излучения и снижению его КПД. Поэтому при разработке светильника с определенным светораспределением находят компромисс между КПД и соответствием КСС идеальной.
Коэффициент использования светового потока
Метод коэффициента использования светового потока является одним из базовых ручных технологий в проектной практике. Обычно этот метод применяют для расчета средней освещенности расчетных поверхностей в помещениях [3].
В настоящей работе, интерес представляет не непосредственное применение этого метода для проектирования, а оценка с его помощью эффективности использования светильников с различной КСС.
Преобразуя основную расчетную формулу метода можно определить коэффициент использования светового потока [3]
, (2)
где Еср — средняя освещенность расчетной поверхности, лк; Ар — площадь расчетной поверхности, м2; Кз — коэффициент запаса по световому потоку; N — число светильников в осветительной установке; Фсп — световой поток одного светильника, лм.
Применение только одного коэффициента использования светового потока не позволяет рационально подобрать КСС светильника, так как при излучении им в очень узком телесном угле весь световой поток преобразуется в освещенность на рабочей поверхности, но часть этой поверхности просто не будет освещена. Поэтому дополнительно необходимо применять критерий, который также учитывает равномерность распределения освещенности по расчетной поверхности.
Методика исследования
Для сравнения коэффициентов использования уличных светильников со светодиодами и натриевыми лампами высокого давления была сделана выборка из консольных светильников ЖКУ торговой марки GALAD (16 единиц) и светодиодных светильников XLight™ (11 единиц), ООО «Фокус» (3 единицы), LEDEL (2 единицы), Elgo Lighting Industries (1 единица). Всего рассмотрено 17 единиц уличных светодиодных светильников. Выборка светильников формировалась по принципу участия компаний в реальных проектах и доступности технической информации.
Для нахождения средней освещенности расчетной поверхности была использована программа DIALux 4.6. Выбор программы обоснован ее обширным применением в проектной практике.
Моделирование проводилось для квадратной расчетной площадки с одним светильником, расположенным по середине одной из сторон, и для «улицы» (прямоугольника с отношением сторон 1/16) с рядом светильников, расположенных с одной стороны с шагом 25 и 40 м.
Данные по фотометрии светильников приняты на основании сформированных файлов ies производителями этой продукции и представленными на 1.12.2009 г. на сайтах компаний.
Квадратная площадка
Результаты определения коэффициентов использования светового потока для квадратной расчетной площадки представлены в таблице 1. Этот коэффициент является необходимым, но не достаточным для оценки эффективности КСС. Поэтому в таблице 1 также указаны результаты расчета отношения максимальной освещенности на площадке к средней, которое характеризует равномерность освещенности в соответствии с требованиями СНиП 23-05-95.
|
Таблица 1 |
||
|
Значение коэффициентов |
Доля светильников, % |
|
|
ЖКУ |
Светодиодных |
|
|
При отношении ширины площадки к высоте подвеса 0,8 |
||
|
Коэффициент использования светового потока: |
||
|
меньше 0,12 |
– |
29 |
|
от 0,12 до 0,18 |
100 |
59 |
|
больше 0,18 |
– |
12 |
|
Коэффициент Емакс/Еср: |
||
|
меньше 3 |
100 |
100 |
|
от 3 до 5 |
– |
– |
|
больше 5 |
– |
– |
|
При отношении ширины площадки к высоте подвеса 1,4 |
||
|
Коэффициент использования светового потока: |
||
|
меньше 0,24 |
– |
24 |
|
от 0,24 до 0,33 |
100 |
64 |
|
больше 0,33 |
– |
12 |
|
Коэффициент Емакс/Еср: |
||
|
меньше 3 |
87 |
88 |
|
от 3 до 5 |
13 |
12 |
|
больше 5 |
– |
– |
Из таблицы 1 видно, что для квадратной площадки только 12 процентов светодиодных светильников имеют коэффициент использования светового потока выше, чем у светильников с газоразрядными источниками света. Наибольшие коэффициенты использования светового потока светодиодных светильников превысили аналогичные для ЖКУ в 1,1 раза и составили:
– 0,20 для ADVISION S615R/WO при высоком подвесе (отношение B/H = 0,8);
– 0,36 для XLD-ДКУ06-72-220-Л(Sb)-01-WHC-220-SV при низком подвесе (отношение B/H = 1,4).
От 24 до 29 процентов светильников со светодиодами имеют коэффициенты использования светового потока ниже, чем у ЖКУ.
Расчетная площадка «улица»
Результаты определения коэффициентов использования светового потока и неравномерности освещения для улицы представлены в таблице 2.
|
Таблица 2 |
||
|
Значение коэффициентов |
Доля светильников, %, |
|
|
ЖКУ |
Светодиодных |
|
|
При отношении ширины площадки к высоте подвеса 0,8 |
||
|
Коэффициент использования светового потока: |
||
|
меньше 0,42 |
– |
47 |
|
от 0,42 до 0,57 |
100 |
24 |
|
больше 0,57 |
– |
29 |
|
Коэффициент Емакс/Еср: |
||
|
а) при шаге опор 25 м: |
||
|
меньше 3 |
100 |
100 |
|
от 3 до 5 |
– |
– |
|
больше 5 |
– |
– |
|
а) при шаге опор 40 м: |
||
|
меньше 3 |
100 |
100 |
|
от 3 до 5 |
– |
– |
|
больше 5 |
– |
– |
|
При отношении ширины площадки к высоте подвеса 1,4 |
||
|
Коэффициент использования светового потока: |
||
|
меньше 0,54 |
– |
29 |
|
от 0,54 до 0,66 |
100 |
36 |
|
больше 0,66 |
– |
35 |
|
Коэффициент Емакс/Еср: |
||
|
а) при шаге опор 25 м: |
||
|
меньше 3 |
69 |
76 |
|
от 3 до 5 |
31 |
24 |
|
больше 5 |
– |
– |
|
а) при шаге опор 40 м: |
||
|
меньше 3 |
– |
18 |
|
от 3 до 5 |
94 |
70 |
|
больше 5 |
6 |
12 |
Для улицы шириной в три полосы примерно 30—35 процентов светодиодных светильников имеют коэффициент использования светового потока выше, чем у светильников с газоразрядными источниками света. Наибольшие коэффициенты использования светового потока светодиодных светильников превысили аналогичные для ЖКУ в 1,2—1,28 раза и составили:
– 0,74 для ADVISION S615R/WO при высоком подвесе (отношение B/H = 0,8);
– 0,80 для ADVISION S615R/WO при низком подвесе (отношение B/H = 1,4).
Этот же светильник показал наихудшие результаты по коэффициенту Емакс/Еср среди светильников со светодиодами.
От 29 до 47 процентов светильников со светодиодами имеют коэффициенты использования светового потока при расчетной площадке «улица» ниже, чем у светильников с газоразрядными лампами.
Критерий выбора эффективной КСС светильника при нормировании минимальной освещенности
Выше изложенный материал по выбору эффективной КСС относился к варианту, когда нормируется средняя освещенность расчетной поверхности. Однако, существуют также варианты, когда нормируется минимальная освещенность на объекте, например, открытые площадки спортивных сооружений, территории железнодорожных объектов (переезды, пассажирские платформы, складские территории и т.д.) и др.
Для этих случаев целесообразно путем подстановки в формулу (2) минимальной освещенности расчетной поверхности Еmin и отношения средней освещенности к минимальной Z получить критерий эффективности КСС по минимальной освещенности
, (3)
где Емин — минимальная освещенность на расчетной поверхности, лк; Z — отношение средней освещенности поверхности к минимальной.
Критерий ηи является комплексным и учитывает как эффективность использования светового потока светильника, так и неравномерность освещенности площадки. Значения критерия для светодиодных светильников и ЖКУ при ширине улицы в три полосы и шаге опор 25 м представлены в таблице 3.
|
Таблица 3 |
||
|
Значение коэффициентов |
Доля светильников, % |
|
|
ЖКУ |
Светодиодный |
|
|
При отношении ширины площадки к высоте подвеса 0,8 |
||
|
Коэффициент ηи: |
||
|
меньше 0,19 |
– |
6 |
|
от 0,19 до 0,30 |
100 |
65 |
|
больше 0,30 |
– |
29 |
|
При отношении ширины площадки к высоте подвеса 1,4 |
||
|
Коэффициент ηи: |
||
|
меньше 0,11 |
– |
41 |
|
от 0,11 до 0,15 |
100 |
24 |
|
больше 0,15 |
– |
35 |
Аналогично результатам анализа светильников по коэффициенту использования светового потока для улицы шириной в три полосы результаты сравнения по коэффициенту ηи показывают, что примерно 30—35 процентов светодиодных светильников имеют указанный коэффициент выше, чем у светильников ЖКУ.
Наибольшие коэффициенты ηи светодиодных светильников превысили аналогичные для ЖКУ в 1,5—2,5 раза и составили:
– 0,44 для Xlight XLD-Кобра-120-WHC-TSB при высоком подвесе (отношение B/H = 0,8);
– 0,38 для Xlight XLD-Кобра-120-WHC-PRB при низком подвесе (отношение B/H = 1,4).
В целом можно отметить, что часть светодиодных светильников имеют лучшее распределение светового потока с точки зрения равномерности освещенности и в случае нормирования минимальной освещенности на площадке с их помощью можно добиться экономии электроэнергии от 40 до 60%.
Коэффициент использования светового потока близкий к 100% для светодиодных светильников
Такую или аналогичную строку можно прочитать во многих сравнениях уличных светильников с газоразрядными лампами и светодиодами, например, на сайте ЦЕРС Групп (http://zers-group.ru/plugins/content/content.php?content.68).
Как показывает представленный выше анализ, теоретически такой высокий коэффициент использования светового потока возможен, но практические результаты куда скромнее. Для расчетной площадки «улица» наилучшие коэффициенты использования светового потока светодиодных светильников превысили аналогичные для светильников с традиционными источниками света в 1,2—1,28 раза и достигли только 74—80 %. При этом наилучшей оказалась КСС светильника ADVISION S615R/WO, которая представлена на рисунке 1. Согласно техническим характеристикам этого светильника (http://elgo.ru/files/docs/Advision_S615R.pdf) КСС формируется при помощи алюминиевых отражателей и его КПД составляет 79,9 %.
| Рис. 1. КСС светильника ADVISION S615R/WO |
 |
В целом за счет более высокого КПД и коэффициента использования светового потока на «улице» по сравнению с правильно подобранным светильником ЖКУ этот образец может сэкономить примерно 29% электроэнергии. Это лучший результат из 17 рассмотренных образцов. Поэтому вполне можем признать, что для уличного освещения замена светильников с натриевыми лампами высокого давления мощностью 250 Вт на светодиодные светильники мощностью менее 195 Вт мероприятие технически не обоснованное.
Маркетинговые мифы о светодиодных светильниках
Уличные светодиодные светильники имеют коэффициенты использования светового потока меньше указываемых 90—100% производителями и продавцами. При этом указанный коэффициент для 29—47% светильников со светодиодами ниже аналогичного для светильников с традиционными газоразрядными лампами.
На сегодняшний день замена светильника с натриевой лампой высокого давления мощностью 250 Вт на светодиодный светильник менее 195 Вт технически не обоснована, т.е. наибольшая экономия электроэнергии при такой замене может составить не более 30%. В двух из трех случаев подобных замен экономия электроэнергии будет равна нулю, или возможен перерасход электроэнергии.
Наилучшего энергоэффективного результата в уличной осветительной установке с технической и экономической точки зрения можно достичь только путем профессионального проектирования, которое должно обосновать какой из источников света в конкретной ситуации лучше применить: газоразрядную лампу или светодиод.
Литература
1. Варфоломеев, Л.П. Элементарная светотехника/Под ред. Ю.Б. Айзенберга. — М.: Знак, 2008. — 220 с.
2. Щепина, Н.С. Основы светотехники: Учебник для техникумов /Н.С. Щепина. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 344 с.
3. Справочная книга по светотехнике/Под ред. Ю.Б. Айзенберга. 3-е изд. перераб. и доп. — М.: Знак, 2006. — 972 с.
 |
Евдасев Игорь, к.т.н. В 1998 году закончил УО «Белорусский государственный университет транспорта», инженер-электромеханик. Опыт работы 10 лет. Сегодня Заведующий научно-исследовательской лабораторией «Системы электроснабжения транспорта», доцент кафедры «Электрический подвижной состав», эксперт-энергоаудитор. Участвовал в энергетических обследованиях систем освещения предприятий железнодорожного транспорта (более 50 объектов). |