Техническое обоснование проекта по внедрению светодиодного уличного освещения (на примере Лос-Анджелеса, США)

Определение критериев оценки светодиодных светильников

В 2009 г. в Лос-Анджелесе состоялся первый конкурс по внедрению систем светодиодного освещения на улицах города. На рисунке 1 представлена продукция участников этого конкурса, которая наглядно демонстрирует диапазон идей и решений.

Для унификации правил отбора муниципалитет Лос-Анджелеса сформулировал следующие группы критериев для оценки уличных светильников:

A. Механические.

B. Электрические.

C. Световые.

D. Соответствие стандартам.

E. Качества и удобство эксплуатации.

F. Интегральные.

G. Социальные.

Рис. 1.1. Продукция участников конкурса

A. Механические критерии

Оценка проводилась на основе The Blue Book, аналога отечественных СНИП. Светильники оценивались, исходя из следующих требований.

1. Маркировка.

2. Отсутствие острых углов в конструкциях, подлежащих обслуживанию.

3. Доступность балласта для обслуживания.

4. Наличие разъемных соединений стартера и балласта для удобства обслуживания.

5. Граничный температурный режим проводов светильника (до 105°С), удаленность проводов от нагревающихся частей балласта, отсутствие помех от проводов для светового потока.

6. Надежность крепления крышек и плафонов наряду с простым механизмом открытия.

B. Электрические критерии

1. Входное напряжение 120 В AC, 50–60 Гц.

2. Коэффициент мощности не менее 0,9 (см. рис. 2).

3. Суммарный коэффициент гармоник не более 15% (см. рис. 3).

4. Заявленный срок службы светильника не менее 50 тыс. ч (см. рис. 4).

5. Потребление электроэнергии на данном этапе конкурса не нормировалось, но оценивалось и сравнивалось относительно светильника ДНАТ (с общим потреблением 138 Вт) (см. рис. 5).

6. Оценка энергоэффективности (см. рис. 6).

Рис. 2. Сравнение коэффициентов мощности

Рис. 3. Суммарный коэффициент гармоник

Рис. 4. Заявленный срок службы светодиодного светильника

Рис. 5. Заявленное и действительное потребление электроэнергии

Рис. 6. Процент экономии электроэнергии относительно светильника ДНАТ (с общим потреблением 138 Вт)

C. Световые характеристики

1. Освещенность

Измерения проводились методом усреднения значений освещенности на сетке между двумя столбами (половина расстояния для 200, 180, 160 и 120 футов между столбами) и сравнивались с ДНАТ (138 Вт). Отдельно измерялась освещенность для пешеходной дорожки со стороны столба, пешеходной дорожки на противоположной стороне и дороги (см. рис. 7).

Высота подвеса светильника составила 26,75 футов (8 м).

Рис. 7. Средняя освещенность на расстоянии 67 м между столбами Примечание. Результаты, относящиеся к ночному зрению, в анализе не принимались во внимание; 1 фут-кандела ≈ 10,764 лк

2. Яркость Измерения проводились методом усреднения значений освещенности на сетке между двумя столбами (полное расстояние для 200, 180, 160 и 120 футов между столбами), и сравнивались с ДНАТ (138 Вт) (см. рис. 8). Рис. 8. Сравнительные показатели средней яркости

3. Дискомфорт от слепящего света

Оценка проводилась на основе измерения уровня яркости в семи точках (см. рис. 9), в которых водители и пешеходы могли ощутить возможный дискомфорт (см. рис. 10, табл. 4).

Рис. 9. Точки измерения уровня яркости

Таблица 4. Оценка дискомфорта от слепящего света
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
200%	180%	160%	140%	120%	ДНАТ	80%	60%	40%	20%
DEI			H	A	BJ	GL		F	KC

4. Световой поток относительно светильника ДНАТ (138 Вт)

Использовалось усредненное значение для всех измерений (см. табл. 1).

 

Таблица 1. Световой поток
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
30%	40%	50%	60%	70%	80%	90%	ДНАТ	110%	120%
	AH		K	J	DFG	EI	BCL

5. Однородность светового распределения

Эта оценка определяет, соответствует ли световой поток светильника требованиям IES-стандартов к минимальному соотношению между средним значением освещенности и ее минимальным значением на различных расстояниях от столба. В качестве критерия использовалось соотношение 6:1 (средняя освещенность/минимальное значение) на различных расстояниях от столба: 50 футов от столба — оценка 1; 100 футов от столба — оценка 10 (см. табл. 2).

Таблица 2. Однородность светового распределения
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
<50									100
CGHL		DK		AEFJ		I	B*

* Тип II реализуется при значении 9

6. Оценка яркости

Светильники сравнивались с лампой ДНАТ на 100 Вт (см. табл. 3).

Таблица 3. Однородность светового распределения
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
50%	60%	70%	80%	90%	ДНАТ	110%	120%	130%	140%
		L	CK	A	GIJ	D	BF	E

D. Соответствие стандартам

1. Соответствие требованиям стандарта IESNA LM-79

Этот стандарт определяет правила измерения светового потока, электрической мощности, светового распределения и цветопередачи для светодиодных источников света.

Продукция только двух производителей соответствовала данному стандарту.

2. Соответствие требованиям стандарта IESNA LM-80

Этот стандарт определяет правила расчета устаревания и эффективного времени жизни светодиодов и светодиодных модулей. Стандарт не относится к светильникам в целом.

Ни один из производителей не предоставил подтверждение о
соответствии данному стандарту.

3. Участие в тестовой программе DOE CALiPER

Данная программа предоставляет возможность независимого тестирования коммерчески доступных светодиодных продуктов. Ни один из производителей не представил результаты тестирования.

4. Соответствие требованиям Energy Star для светодиодных продуктов

Программа Energy Star для светодиодных продуктов устанавливает единые критерии, по которым производители могут доказать качество своей продукции. Ни один из производителей не представил результаты сертификации.

E. Качество и простота эксплуатации

1. Оценка качества производства

Оценка качества материалов, сборки, пыле- и влагозащищенности и т.д.

2. Предполагаемое время жизни светильника.

Окончанием срока службы светильника считается момент 30-% потери светового потока (см. табл. 5).

Таблица 5. Предполагаемый срок службы светильника
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
10 тыс. ч	20 тыс. ч	30 тыс. ч	40 тыс. ч	50 тыс. ч	60 тыс. ч	70 тыс. ч	80 тыс. ч	90 тыс. ч	100 тыс. ч
			А	B–L

3. Простота установки

Оценивалась трудоемкость и время на установку светильника (см. табл. 6).

Таблица 6. Простота установки
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Плохо	180%	160%	140%	120%	ДНАТ	80%	60%	40%	Очень хорошо
J	EF	ADGL	HK			BCI

4. Оценка гарантийного срока (см. табл. 7).

 

Таблица 7. Оценка гарантийного срока
Срок гарантии, лет
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	E			CDFGIJK	B	L			A

 

F. Интегральная характеристика по всем критериям (см. рис. 11)

Рис. 11. Интегральная характеристика по всем критериям

G. Социальные критерии

Кроме технических характеристик, при оценке светильников учитывалось также мнение местных жителей, проживающих на улицах, которые освещены светодиодными светильниками. Было опрошено около 700 человек, из которых 94 предоставили свои оценки о качестве освещения.

Итоги опроса местных жителей см. ниже.

Обработка результатов конкурсного проекта

В результате проведенного конкурса муниципалитет Лос-Анджелеса сформулировал следующие выводы: «Из-за отсутствия принятых стандартов не было возможности отобрать часть светильников, поэтому на тестирование принимались все светильники, каждый из которых подвергся ряду тестов. Проведенное тестирование позволило сделать несколько выводов.

1. Из-за быстрого развития светодиодной продукции не всегда было очевидно, является ли продукт производственным образцом или все еще находится на стадии опытного образца. Даже ведущие производители не имели установленных наименований для своих продуктов и постоянно их меняли при появлении новых светодиодных решений и драйверов. Эта проблема, скорее всего, решится со временем, когда установятся правила игры на этом рынке.

2. Каждый продукт проверялся на соответствие требуемым механическим параметрам. Наибольшая разница наблюдалась в конструкциях светильников, при этом имелись проблемы с потерей света в плафоне и с ненадежным креплением. Многие компании потратили значительное время на разработку сложных конструкций, не задумываясь о процессе серийного производства. Особенно серьезной проблемой оказалось то, что некоторые производители не предусмотрели возможного ремонта светильников, установленных на столбе. В таких светильниках не был предусмотрен доступ к драйверам и источнику питания, или он требовал значительных усилий. Мы пришли к выводу, что поскольку системы управления светодиодным освещением все еще находятся на этапе развития, необходимо, чтобы светодиодный драйвер был доступен для замены.

3. Значительная разница наблюдалась в использовании вторичной оптики — часть светильников имела отдельные линзы, другие использовали встроенную оптику из стекла или поликарбоната. Мы не пришли к единому мнению о более перспективной технологии оптической системы и предполагаем, что решение должно приниматься в каждом конкретном случае, основываясь на (1) отсутствии слепящего эффекта и (2) сроке службы такой системы.

4. С точки зрения надежности источников питания и потребляемой мощности, наши ожидания были более чем оправданы. Мы планировали уменьшить потребляемую мощность уличных светильников на 40% относительно 100-Вт светильника ДНАТ, однако результаты тестирования показали уменьшение потребления в диапазоне 35—65%. Мы предполагаем, что потребление станет еще ниже с развитием светодиодных технологий. Показатель коэффициента мощности у всех светильников был выше ожидаемого, иногда даже выше 0,98. Однако у некоторых светильников суммарный коэффициент гармоник был выше ожидаемого.

5. С точки зрения световых характеристик, у нас не осталось сомнений, что светодиодная технология при использовании с соответствующим корпусом подходит для освещения жилых районов. Несколько из представленных светильников значительно улучшили однородность света даже при расстоянии между столбами более 180 футов (55 м). Однако несколько светильников имело слабую оптическую систему и не обеспечило необходимого уровня распределения по типу III — это было заметно по темным участкам со стороны дороги и пешеходной дорожки.

6. Несмотря на то, что в целом жители улиц с установленными светодиодными светильниками одобрили новый вариант освещения, мы обнаружили, что большинство недовольных жильцов жаловалось на свет, цветовая температура которого была выше 5500 К. По этой причине мы приняли решение об ограничении светового диапазона температур на уровне 4300 К. Хотя показатели энергосбережения при такой цветовой температуре ниже, чем в более холодном диапазоне, мы предполагаем, что эту потерю вполне можно оправдать выигрышем в световом восприятии. Кроме того, можно предположить, что точечная яркость светодиодных светильников может представлять для местных жителей больше неудобств, чем свет от ламп ДНАТ, поэтому важно, чтобы светильники были экранированы, по крайней мере, со стороны жилых домов».

На основе первого этапа конкурса в Департаменте освещения Лос-Анджелеса был составлен перечень технических требований, который был опубликован в январе 2010 г. Этот перечень стал важным шагом на пути стандартизации светодиодных систем освещения и, по-нашему мнению, может стать основой для формулировки технического задания и в других городах. Ниже приведены требования, выписанные из этого перечня.

Формирование технического задания

Выводы

Опыт Лос-Анджелеса по тестовой эксплуатации светодиодных продуктов на улице города показал впечатляющие результаты по энергетической эффективности светодиодного освещения. Однако в техническом задании муниципалитет города намеренно уменьшил энергоэффективность через ограничение тока на светодиодах, установил минимальный уровень потери в световом потоке (что пока возможно только для самых передовых и дорогих производителей — Cree, Lumileds, OSRAM, Niche), а также ввел дополнительные требования по сервисному обслуживанию и увеличил срок гарантии на светильники. По нашему мнению, это самый главный вывод, который следует учесть в дальнейших проектах: эффект от внедрения светодиодных источников света заключается не столько в снижении затрат на электроэнергию, сколько в увеличении срока эксплуатации систем освещения. Поэтому срок службы, ремонтопригодность и простота замены компонентов светильника являются ключевыми моментами, которые обязательно должны быть прописаны в техническом задании.

Важным шагом на пути внедрения светодиодного освещения на улицах городов должна стать стандартизация светодиодных систем освещения, например, на основе американских стандартов LM-79 и LM-80.

Еще одним важным выводом является требование по управлению светодиодным светом, которое появилось в перечне требований Лос-Анджелеса. Например, использование беспроводных технологий в уличных светильниках открывает не только новые возможности в сервисном обслуживании светильников, но и новые возможности для передачи данных, например, интеграцию систем уличного освещения в АСКУЭ.

Данил Ситников Инженер компаний Тагарт Ресерч (Украина)/Inteltech LLC(США). Более 10 лет занимается разработкой и производством электроники, в том числе участвовал в проектах по разработке систем контроля доступа на основе RFID, акусто-магнитных систем защиты товаров, контроллеров для торговых автоматов и POS терминалов, светодиодных ламп в форматах MR16 и PAR16, систем управления полупроводниковыми системами освещения. Образование: Национальный Технический Университет Украины (КПИ); Киевский Национальный Экономический Университет; Институт Кибернетики (Киев).