Як вибрати потужність вуличного LED світильника

Вирішуючи завдання заміни традиційних вуличних світильників на основі натрієвих або ртутних ламп на сучасні, надійні та економічні LED-світильники, фахівці на місцях досить часто стикаються з певними труднощами в розрахунку необхідної потужності LED-випромінювача для реального об’єкта.

Вуличні світильники на основі натрієвих або ртутних ламп поступово поступаються місце надійним і економічним LED-світильників. При заміні одних на інші розрахувати необхідну потужність світлодіодного випромінювача для реального об’єкта досить непросте завдання. Різні постачальники LED-обладнання дають різні рекомендації.

Як правило, їх можна звести до таких основних методик:
1) «Коефіцієнт». Прихильники такого підходу пропонують використовувати простий множник або коефіцієнт. Наприклад, на об’єкті раніше використовувався світильник з лампою ДНаТ потужністю 250 Вт, продуктивністю 40 лм/Вт. Світлодіодний випромінювач має продуктивність 100 лм/Вт. Коефіцієнт перерахунку 100/40=2,5. Отже, для досягнення однакового рівня освітленостей слід застосувати LED-світильник потужністю 250/2,5=100 Вт.

Недоліки методу:

А) Продуктивність ламп ДНаТ – величина непостійна. Вона коливається від партії до партії, залежить від якості матеріалів, до того ж падає пропорційно часу експлуатації лампи.

Б) Продуктивність LED-спалаху також непостійна і також падає з часом (хоча і в 5 разів повільніше).

В) Оптична система обох типів світильників залежно від конструкції і ступеня забрудненості може знижувати світловий потік до неприпустимих величин.

Г) Сучасні LED-випромінювачі можуть мати продуктивність від 90 до 160 лм/Вт, проте це практично не впливає на співвідношення потужності в порівнянні з натрієвою лампою. LED-світильники мають більш високий рівень блискітності, ніж натрієві лампи. Це відбивається на параметрах контрастності світла. Для натрієвої лампи показник становить близько 35, а для LED світильника понад 400.

2) «Паритет освітленості». Порівнюються кінцеві результати роботи світильників за рівнем створюваної ними освітленості. Пропонується порівняння виміряних значень освітленості одного і того ж об’єкта (у точці або групі точок), з заміною натрієвого випромінювача на світлодіодний, і підбором потужності останнього до досягнення рівної освітленості. Недоліки методу:

А) Вимірювання рівнів освітленості проводяться звичайними кишеньковими фотометрами, як правило, не призначеними для вимірювань параметрів LED-випромінювачів. В архіві АН України є наукова робота, проведена спеціалістами інституту Укртрансзв`язок, де показано, що звичайні фотометри занижують показники освітленості від LED-випромінювачів на величину від 23% до 80%. Причина – в програмній адаптації фотометрів під криву спектральної чутливості людського ока в сонячному спектрі. У спектрі LED-випромінювання ця чутливість значно відрізняється.

Б) Кваліфікація вимірників і трудомісткість процесу полігонних вимірювань також вносять помітний негативний внесок у результати розрахунків порівняльної потужності. Часто буває, що на оптичній осі можна отримати однозначне співвідношення, наприклад, той же коефіцієнт 2,5. Але вже в радіусі 1,5-2 м від оптичної осі виміряна освітленість може бути як вище нормативної, так і нижче. Спроби застосувати більш потужний LED світильник для «заливання світлом» протиріч зазвичай призводять до потужності всього на 10-15% меншій, ніж у натрієвої лампи, що практично нівелює саму ідею економії енергоспоживання.

В) Ретельно виміряні рівні освітленості не збігаються при збільшенні або зменшенні реальної висоти підвісу світильника, що змушує знову і знову застосовувати трудомістку процедуру полігональних вимірювань практично для кожного другого вуличного стовпа. Завдання ще більше ускладнюється при наявності ухилу або вигину вулиці, на якій встановлено несучі опори. А враховуючи похибку ручної азимутальної установки LED світильника на реальній трубі консольного підвісу (до 5-10 градусів) – завдання адекватного порівняння величин заміряної освітленості стає практично нерозв’язним.

Розберемо кілька прикладів реальних завдань вуличного освітлення для порівняння потужності натрієвих і світлодіодних випромінювачів.

Завдання 1. Парки, автостоянки, присадибні ділянки

Подивимося, яким має бути співвідношення потужностей при застосуванні LED світильників у сфері паркового та присадибного освітлення. У цій зоні немає специфічних вимог до діаграми спрямованості, нерівномірності (фахівці використовують термін «зебра»). Несучі опори освітлення розміщуються з порівняно великим інтервалом. Для прикладу замінимо світильники на основі натрієвих ламп потужністю 70 Вт LED-світильниками потужністю 36 Вт. Досліджуваний об’єкт являє собою паркову доріжку довжиною 1 км, вздовж однієї сторони якої встановлено несучі опори освітлення з інтервалом 40 м. Виміряні рівні результуючої освітленості однакові.

Ширина доріжки 3 м
Висота монтажу світильника 5 м
Видалення опори від бордюру 0,5 м
Відстань між опорами 40 м
Мінімальна освітленість 1,5 лк

Для освітлення 1 км такої паркової доріжки енергоспоживання світильників на лампах ДНаТ складе 1750 Вт. LED-світильники сумарно споживають 950 Вт з урахуванням втрат холостого ходу драйверів.

Отже, отриманий рівень економії енергоспоживання дорівнює 46%.

Завдання 2. Однополосні дороги категорії B

Порівняємо потужності натрієвих і LED-випромінювачів, встановлених в один ряд на опорах вздовж односмугової дороги категорії B.

Ширина проїзної частини 7 м
Висота монтажу світильника 9 м
Відстань від опори до бордюру 1
Винос оптичної осі від поздовжньої осі дороги 1
Відстань між опорами 40 м
Мінімальна освітленість 1,0 кд/м2

Для досягнення нормативних показників мінімальної освітленості 1 км такий автодороги повинен освітлюватися натрієвими випромінювачами 150 Вт і сумарною потужністю 3 750 Вт.

Така ж мінімальна освітленість ділянки 1 км може бути досягнута LED-випромінювачами 100 Вт, сумарною потужністю 2 625 Вт (холостий хід драйверів враховано).

Таким чином, одержуваний при установці LED-світильників рівень економії енергоспоживання – 30%.

Завдання 3. Міські вулиці

На тій же ділянці односмугової автодороги категорії Б спробуємо зменшити відстань між несучими опорами освітлення на 15%. Це знизить коефіцієнт нерівномірності освітлення дорожнього полотна («зебру»). Наскільки зміниться співвідношення потужностей натрієвого і LED-випромінювачів?

Ширина проїзної частини 7 м
Висота монтажу світильника 9 м
Відстань від опори до бордюру 1
Винос оптичної осі від поздовжньої осі дороги 1
Відстань між опорами 34 м
Мінімальна освітленість 1,0 кд/м2

Для досягнення нормативних показників мінімальної освітленості 1 км такий автодороги повинен освітлюватися натрієвими випромінювачами 150 Вт сумарною потужністю 4 500 Вт.

Така ж мінімальна освітленість ділянки 1 км може бути досягнута LED-випромінювачами 100 Вт сумарною потужністю 3 000 Вт.

Таким чином, отриманий рівень економії енергоспоживання складе 34%.

Проаналізуємо величини зростання енерговитрат для ДНаТ і LED-світильників, отримані в завданнях 2 і 3:

Зменшення відстані між опорами Зростання енергоспоживання ділянки 1 км лампами ДНаТ Зростання енергоспоживання ділянки 1 км LED-випромінювачами
15% 20% 13%

Як бачимо, зростання сумарного енергоспоживання LED-випромінювачів на ділянці при зближенні несучих опор помітно відстає від зростання енергоспоживання у разі натрієвих випромінювачів. Це – ще один важливий аргумент на користь переходу на LED освітлення вулиць міст і селищ. Сумарні капітальні витрати на обладнання освітлення ділянки також можна значно знизити за рахунок застосування порівняно невисоких (6-7 м) і тому недорогих несучих опор. Так і LED світильники на ці опори можна встановлювати невисокої потужності (60-80 Вт), що також допоможе заощадити. Якщо підрахувати капітальні витрати на устаткування LED-освітленням 1 км вулиці з застосуванням опор висотою 7 м і окремо – висотою 9 м, то з’ясуємо, що в першому варіанті витрати нижче на 18-20%. При цьому нерівномірність («зебра») знизиться до величини 5-7%.

Розглянемо ще один вагомий аргумент на користь застосування у міському вуличному освітленні невисоких опор і малопотужних LED-світильників. Таке обладнання шляхом порівняно нескладної і незатратної модернізації перекладається на повне або часткове електроживлення від сонячних батарей. А ось потужні магістральні LED-світильники 150-200 Вт на опорах заввишки 9-12 м потребують величезних площ дорогих сонячних батарей. При цьому вітрові і вібраційні навантаження призведуть до додаткових витрат на забезпечення механічної міцності, також потрібно застосувати дорогі акумулятори великої ємності і великої ваги. В результаті, матеріаломісткість проекту перевищить всякі допустимі норми. Половина чи навіть більше генерованого світлового потоку в такій установці буде розсіюватися на шляху між встановленим на великій висоті випромінювачем і поверхнею освітлюваної дороги.

Завдання 4. Багатосмугові дороги

Досліджуємо, як зміняться співвідношення потужностей при багатосмуговій дорозі і однорядному розміщенні опор освітлення у разі застосування LED-випромінювачів і ДНаТ випромінювачів високої і зменшеної потужності. Тут для забезпечення параметрів мінімальної освітленості на всіх смугах руху потрібно збільшити висоту підвісу світильників. Застосовуючи ДНаТ випромінювачі малої потужності (з міркувань економії енерговитрат), доводиться зменшувати відстань між несучими опорами з-за появи неприпустимої нормативами «зебри».

Ширина проїзної частини 10,5 м
Висота монтажу світильника 11 м
Відстань від опори до бордюру 1,5 м
Винос оптичної осі від поздовжньої осі дороги 1
Мінімальна освітленість 1,0 кд/м2

Однакові рівні освітленості отримані такими варіаціями застосування світильників і відстаней між опорами на ділянці 1 км:

Випромінювач світла Відстань між опорами Кількість випромінювачів на ділянці 1 км
LED 130 Вт 37 м 27 шт.
ДНаТ 250 Вт 43 м 23 шт.
ДНаТ 150 Вт 32 м 30 шт.

 

Отримане сумарне енергоспоживання ділянки 1 км:

Проаналізуємо співвідношення рівнів економії енергоспоживання:

Застосування LED-випромінювачів, порівняно з потужними аналогами ДНаТ на високих опорах, економія Економія енергоспоживання ділянки 1 км за рахунок заміни ламп ДНаТ на менш потужні із зменшенням інтервалів між опорами
35% 22%

Зауважимо, що в разі багатосмугової дороги доводиться зберігати велику висоту підвісу світильників, і тоді заміна ДНаТ випромінювачів на менш потужні (з метою економії) виявляється не такою вже і економною за рахунок збільшення мінімальної кількості опор для їх підвісу. А от у випадку LED-світильників, що характеризуються точною діаграмою спрямованості світлового потоку, забезпечується значне скорочення енерговитрат при збереженні кількості опор.

Завдання 5. Багатосмугові автостради

Розглянемо, наскільки економніше застосувати LED випромінювачі для шосе категорії А, з підвищеними вимогами до мінімального рівня освітленості, в порівнянні з лампами ДНаТ. Світильники змінюються за принципом «1 на 1».

Ширина проїзної частини 10,5 м
Висота монтажу світильника 12 м
Відстань від опори до бордюру 2
Винос оптичної осі від поздовжньої осі дороги 1
Відстань між опорами 40 м
Мінімальна освітленість 1,5 кд/м2

Велика висота підвісу (12 м) призводить до підвищених втрат світлового потоку. Категорія автотраси передбачає також зведення «зебри» до мінімуму. Енергоспоживання LED світильників (одинична потужність 200 Вт) для освітлення 1 км такої траси складе 5 544 Вт, світильників на основі 250 Вт ДНаТ – 6 250 Вт.

Сумарна економія -12%. Додаткові фактори, такі як велика тривалість безперервної служби, наявність встановлених можливостей керування яскравістю і точність розподілу світлового потоку LED-світильників збільшують економічність. До речі, сучасні методи управління світловіддачею вуличних LED-світильників забезпечують автоматичне зниження енерговитрат на 20-30% у періоди скорочення трафіку (зазвичай з 1:00 до 5:00). Цей принцип, що не потребує додаткових датчиків або керуючих сигналів, реалізований в серії магістральних LED світильників СДВ 02 виробництва компанії ЕКТА.

Завдання 6. Переваги точної спрямованості пелюсток діаграми світлорозподілу LED світильників

Досліджуємо властивість точної спрямованості пелюсток діаграми світлорозподілу LED світильників, і що це може дати в плані економії енергоспоживання. Припустимо, якась вулиця категорії Б спочатку освітлювалася світильниками на лампах ДНаТ 100 Вт, однак кризові фактори змусили перейти на використання ламп ДНаТ 70 Вт. При цьому, з-за недостатньої ширини бічних пелюсток діаграми спрямованості світильників на лампах ДНаТ 70 Вт довелося збільшити їх кількість. Іншими словами, якщо ДНаТ 100 Вт допустимо розмістити на відстані 50 м одна від іншої, то ДНаТ 70 Вт доводиться зближувати до 33 м, або монтувати додаткові світильники. Скільки електроенергії можна заощадити при переході на LED-світильники 48 Вт, розмістивши їх з інтервалом 50 м, при дотриманні вимог до освітленості?

Ширина проїзної частини 10,5 м
Висота монтажу світильника 9 м
Відстань від опори до бордюру 1
Мінімальна освітленість 1,0 кд/м2

Отримані результати енергоспоживання ділянки 1 км:

ДНаТ 100 Вт ДНаТ 70 Вт LED 48 Вт
2000 Вт 2170 Вт 1020 Вт

Як бачимо, перехід на начебто потужну лампу ДНаТ 70 Вт веде насправді до збільшення споживання електроенергії. А от показники економії при переході на LED світильники:

Висновки

  1. Чим вище категорія освітлюваної дороги, тим менші відмінності в енергоспоживанні між ДНаТ і LED. У той же час, експлуатаційні витрати в разі використання LED світильників на порядок нижчі, ніж у випадку ДНаТ, оскільки LED світильники практично не вимагають обслуговування. Сучасні вуличні LED світильники, крім того, володіють можливостями дистанційного керування димміруванням в ручному або автоматичному режимі, а кращі моделі обладнані самонавчальними драйверами, що дозволяє додатково економити до 20-30% енерговитрат.
  2. На багатосмугових швидкісних автотрасах категорії А, де використовуються світильники на основі потужних (250-400 Вт) ламп ДНаТ на опорах заввишки понад 12 м, не завжди можливо «1 на 1» замінити їх адекватним LED-світильником. В цих випадках буде потрібно зробити додатковий перерахунок світлорозподілу. Технічно і економічно вигідне застосування замість одного випромінювача двох малопотужних LED-світильників на одній несучій опорі, або зниження висоти підвісу, або застосування додаткових опор. Точне формування діаграми спрямованості LED світильників дозволяє додатково економити до 10-15% енерговитрат при зниженні нерівномірності освітлення до рівня 5-7%, але за рахунок нарощування кількості LED-світильників.
  3. Найбільший виграш по енергоспоживанню і питомими капітальними витратами на 1 км забезпечують LED-світильники при розміщенні їх на висотах підвісу 5-8 м, в поєднанні з низькою вартістю несучих опор.

Як бачимо, рівень економії енерговитрат від заміни натрієвих випромінювачів на LED-стрімко знижується з ростом висоти підвісу, за умови заміни «1 на 1» з виміряними рівними рівнями освітленості.

Джерело: ekta.ua