Вы здесь: Главная Читать бесплатно Избранные статьи О действительной энергоэффективности применения светодиодов в осветительных установках

Избранные статьи из журнала "Светотехника"

О действительной энергоэффективности применения светодиодов в осветительных установках

Опубликовано в № 6 журнала "Светотехника" за 2012 г.

Рассматриваются вопросы энергоэффективности применения светодиодных источников света (СД) в ОУ. Показано, что в настоящее время применение СД не всегда экономически выгоднее, чем ЛЛ и НЛВД. Обращается внимание на необходимость учёта реальных, а не прогнозных параметров СД при сопоставлении ОУ с разными ИС, а также на необходимость выполнения требований нормативных документов при сопоставлении разных ОУ.

В последнее время в популярных изданиях и в рекламе часто появляется информация типа «Замена старых светильников на новые, с СД, позволила сэкономить до 80 % электроэнергии» или «Срок окупаемости наших светильников с СД – полтора года» и т.п. При этом обычно не сообщается, какие ИС использовались в «старых» светильниках, каково освещение было со «старой» ОУ и стало с «новой», какова годовая наработка светильников. Также (нередки утверждения, что светильники с СД в два-три раза экономичнее светильников с ЛЛ и НЛВД. Подобные заявления дезориентируют потребителей, вводят их в заблуждение и в итоге разубеждают в эффективности СД.

Попробуем разобраться в этом вопросе энергоэффективности применения СД без предвзятости.

Введённый с июля 2012 г. ГОСТ Р 54350-2011 «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний» впервые установил специальные параметры для светильников с СД, не предусмотренные для светильников с другими ИС, – световая отдача светильника и коэффициент световой отдачи светильника. При этом коэффициент световой отдачи светильников с СД для общего освещения производственных и общественных зданий должен быть не менее 60%, а их световая отдача – соответствовать  приводимой ниже таблице.

Световая отдача светильников с СД наружного утилитарного освещения с СД должно составлять не менее 65 лм/Вт, а их коэффициент световой отдачи –  не менее 60%.

Таблица. Световая отдача светильников со светодиодами для освещения производственных и общественных зданий

Область применения

светильников

Класс светораспределения

Световая отдача лм, не менее

с рассеивателем

с вторичной оптикой

без оптических и экранирующих элементов

призматическим

матированным

Помещения общественных

зданий

П

65

55

60

Н

60

Р

50

Помещения производственных зданий

П

65

55

65

70

Н, В

60

Р

50

60

65

Данные нормативы основаны на результатах испытаний десятков типов светильников с СД и изучения соответствующей  номенклатуры лучших зарубежных фирм. Они не могут рассматриваться как «слишком заниженные», так как далеко не все светильники, прошедшие испытания в АНО «Светос», Испытательном центре ООО «ВНИСИ» и др. аттестованных центрах, соответствуют этим требованиям. Поэтому для оценки энергоэффективности светильников с СД можно ориентироваться на максимальную из световых отдач, приведённых в таблице – 70 лм/Вт.

Испытания светильников, проводимые в ООО «ВНИСИ» и АНО «Светос», показывают, что даже этим, далеко не запредельным требованиям соответствуют не все представляемые для испытаний светильники.

Как известно, световая отдача СД сильно зависит от условий их работы. Интересные данные на этот счёт приведены в статье [1]. СД серии «XM-L» холодно-белого света при токе 350 мА и температуре p–n-перехода 25 оС имеют световую отдачу до 150 лм/Вт, а при токе 3 А (допустимом для данных СД) и температуре этого перехода  85 оС световая отдача снижается до 83, а у СД тёпло-белого цвета этой же серии даже до 72 лм/Вт. Согласно статье, для снижения стоимости светового потока нужно работать при токе СД около 70% от максимально допустимого и температуре кристалла не выше 90 оС. Но при таких условиях световая отдача «голых» СД составляет 84–98 лм/Вт, что значительно ниже, чем у НЛВД. А с учётом потерь излучения во вторичной оптике и защитном стекле и потерь мощности в управляющих устройствах световая отдача светильников с этими лучшими пока СД не выше  65–75 лм/Вт. По расчётам автора статьи [1] (явно пристрастным), цена 1 лм светового потока светильников с СД производства компании  Cree может составлять 20–25 коп. Цена же 1 лм хороших светильников с ЛЛ или НЛВД не превышает 3 коп. О какой экономии электроэнергии может идти речь? 

Анализ сопроводительной технической документации на светильники с СД показывает, что многие производители при указании их светотехнических параметров берут из каталогов световые потоки «голых» СД и умножают их на количество СД в светильнике, совершенно не учитывая никаких, ни оптических, ни электрических, потерь. В результате   выдаются совершенно некорректные данные. В частности, этим грешат ООО «Балакиревский завод электронной техники», «Фокус» и «Ледел».

В какой-то мере положительным ориентиром в корректности предоставляемых данных могут служить ведущие мировые производители – Osram, Philips, General Electric, Toshiba (производят и сами СД, и осветительные приборы с ними).

Osram выпускает светодиодные лампы (СДЛ) «Parathom Classic A 80» мощностью 8 и 12 Вт для прямой замены ЛОН мощностью, соответственно, 40 и 60 Вт. Световые отдачи СДЛ, лм/Вт, – 43,15 у первых и 54,2 у тёпло-белых и 67,5 у холодно-белых вторых.

У СДЛ Philips серий «My Ambiance» и «Master LED Bulb» мощностью 12 Вт, предназначенных для прямой замены ЛОН мощностью 60 Вт световая отдача равна 67,2 лм/Вт.

General Electric в мае с.г. анонсировала серию СДЛ «Energy Smart® LED 27 W» мощностью 27 Вт для замены ЛОН мощностью 100 Вт. Световая отдача модели лампы с цветовой температурой 3000 К – 69 лм/Вт.

Toshiba выпустила свою серию СДЛ мощностью 8,4 Вт для прямой замены ЛОН. При этом: световая отдача моделей холодно-белого света – 77, а тёпло-белого – 71 лм/Вт; срок службы – 25000 ч при спаде светового потока к концу срока службы на 50%; стоят эти новинки около €74.

Компания «Megaman Neonlite International Ltd», известная невероятным многообразием КЛЛ мощностью 3–250 Вт, недавно начала производство СДЛ прямой замены ЛОН и ЛЛ. СДЛ для замены 60-Вт ЛОН имеет световой поток около 800 лм при потребляемой мощности 11 Вт и срок службы 20000 ч. СДЛ для прямой замены ЛЛ мощностью 36 Вт (длина 1200 мм, диаметр 26 мм) имеет световой поток 2500 лм (у ЛЛ– 3350 лм). Кроме того, компания анонсировала серию светодиодных модулей (СДМ) «Tecoh MHx», для применения в светильниках направленного света с зеркальными отражателями взамен МГЛ мощностью 35 Вт, а также серию «Tecoh CFx» СДМ мощностью 20 и 30 Вт, соответственно, для замены КЛЛ общей мощностью 26 (2×13) и 36 (2×18) Вт во встраиваемых светильниках направленного вниз света.

В апреле с.г. компания Aurora International Lighting Corp. (Тайвань) продемонстрировала публично серию линейных СДЛ «Aurora T8 LED Tubes» с колбами из поликарбоната диаметром 26 мм (прозрачными или матированными), предназначенных для прямой замены соответствующих ЛЛ длиной 600‒1800 мм.

С конца 2011 г. к выпуску своих СДЛ приступило и ОАО «Оптоган», серия «Оптолюкс-Е27». Параметры первой модели, предназначенной для прямой замены 60-Вт ЛОН: мощность – 11 Вт, начальный световой поток – 720 лм, цветовая температура – 3000 К, общий индекс цветопередачи – 80, расчётный срок службы – 50000 ч. Эта же компания предлагает и СДЛ серии  «Оптолюкс-Трейд» мощностью 10, 20 и 30 Вт для прямой замены ЛЛ мощностью 18, 36 и 58 Вт соответственно. Световая отдача СДЛ нейтрально-белого и холодно-белого света – от 56 до 73 лм/Вт, а СДЛ тёпло-белого света – от 50 до 63 лм/Вт.

Исследования, проведённые в Лёвенском католическом университете (Бельгия), показали, что СДЛ прямой замены ЛЛ могут снижать потребление электроэнергии на 70 %, но при этом среднее значение светового потока составляет лишь 44% от характерного для ЛЛ мощностью 36 Вт с такими же размерами [2]. При этом для сравнения использовались светильники с ЛЛ устаревшего типа (с колбами диаметром 26 мм) и ЭмПРА далеко не лучшего качества (мощность потерь 15 Вт), уступающими ПРА класса D, запрещённым к применению в ЕС ещё в 2005 г.). Кроме того, авторами отмечено, что из 12 типов испытанных СДЛ только 2 имели общий индекс цветопередачи более 80, некоторые же имели коэффициент мощности около 0,5 и совершенно недопустимую форму потребляемого тока, а снижение светового потока после 2000 ч работы у 4 из 12 типов СДЛ превысило 10% (у одного– 38,7%). Также в [2] указано на отсутствие стандартов, недостоверную или дезориентирующую техническую информацию, низкое качество некоторых светотехнических изделий. Весьма многозначителен вывод «Зрительные испытания подтвердили, что характеристики СДЛ прямой замены всё ещё не позволяют использовать их вместо ЛЛ, особенно в случае офисного освещения».

Интересен в этом отношении прогноз Osram: «Светодиоды уже достигли высокой световой отдачи: 100 лм/Вт. Osram объявила о достигнутой световой отдаче в 162 лм/Вт. К 2013–2015 гг. прогнозируется получить световую отдачу 210 лм/Вт, и уже тогда можно будет говорить о замене высокоэффективных ИС (ЛЛ и РЛВД)[3 ].

Согласно вышесказанному и протоколам испытаний многих образцов светильников с СД, например, в ООО «ВНИСИ», их реальная световая отдача – не выще 70 лм/Вт.  

Светильники с ЛЛ с колбой диаметром 16 мм при КПД светильника 80% (вполне реальном) имеют световую отдачу не ниже 80 лм/ Вт. Примерно так же как и светильники с МГЛ с керамическими горелками. Светильники для функционального уличного освещения с зеркальными НЛВД производства ЗАО «Рефлакс» имеют световую отдачу выше 120 лм/Вт, а многие типы светильников с внешними отражателями с НЛВД – выше 100 лм/Вт.

Опубликованы результаты сопоставления светильников уличного освещения с тремя видами ИС – СД, безэлектродными индукционными лампами ВД и НЛВД с   ЭмПРА и ЭПРА, произведённого в филиале ОАО «МРСК Центр» – «Белгородэнерго» [4]. Сопоставление производилось по мощности, световому потоку, световой отдаче, общему индексу цветопередачи, сроку службы и другим эксплуатационным параметрам. По всем светотехническим показателям лидирующие позиции заняли светильники с НЛВД (9,5 баллов по 10-балльной шкале), светильники с безэлектродными лампами – вторые (9,4 балла). В отстающих оказались светильники с СД. С точки зрения затрат на эксплуатацию наиболее эффективными оказались светильники с  безэлектродными индукционными лампами ВД. При стандартном времени работы наружного городского освещения в 5000 ч в год последние лампы будут служить до 20 лет! Немного отстают НЛВД в сочетании с ЭПРА, и на третьем месте – НЛВД с ЭмПРА. По заключению экспертов, стоимость эксплуатации светильников с СД пока не выдерживает конкуренции.

&Обобщая вышесказанное с учётом элементарных расчётных оценок, можно заключить, что капитальные затраты на внедрение светильников с СД в общее внутреннее и функциональное наружное освещение при сегодняшнем состоянии техники принципиально неокупаемы.

Следует сказать несколько слов и о другом экономически важном параметре светильников – сроке службы. Многие производители  дают для него 100000 ч, притом, что для самих СД, как правило, больше 50000 ч, и то с существенными оговорками, уже никто не даёт. В действительности же срок службы в реальных условиях эксплуатации значительно (иногда на порядки) меньше [1].

Всё это только дискредитирует СД. Люди тратят огромные средства на замену старых светильников на сверхмодные, с СД, и здорово «обжигаются».

Далее, сравнение «старых» и «новых» светильников, как правило, проводится некорректно. Например, в обычные светильники с четырьмя ЛЛ мощностью 18 Вт устанавливают четыре СДЛ их прямой замены мощностью 10 Вт и сообщают, что светильники теперь потребляют вдвое меньше электроэнергии, но не говорят, что их световой поток при этом упал больше, чем вдвое [2]. Типы светораспределения у светильников с ЛЛ и СД примерно одинаковы, поэтому при сохранении количества светильников в «старой» и «новой» ОУ освещённость на расчётной поверхности прямо пропорциональна световому потоку светильников. У обычного четырёхлампового светильника световой поток с ЛЛ мощностью 18 Вт световой поток равен 5400 или 4800 лм при потребляемой мощности, с учётом потерь в ЭПРА, соответственно, 72 или 60 Вт. А для создания тех же световых потоков светильниками с СД требуется мощность, соответственно, не менее 75 или 64 Вт.

К примеру, известны четырёхламповые светильники одной серии в двух исполнениях: с линейными СДЛ, имеющие световой поток 3400 лм при мощности 60 Вт, и с четырьмя ЛЛ мощностью 18 Вт – 3560 лм при мощности 70 Вт  (с ЭПРА). Экономия электроэнергии, даже при работе светильника с СД 5000 ч в год и несколько меньшей освещённости от него, чем от светильника с ЛЛ, составит 50 кВт∙ч, что при существующем тарифе на электроэнергию даст экономию около 200 руб. в год. При этом цена светильников с ЛЛ мощностью 18 Вт – 1250 руб., а с СДЛ – 4710 руб. Срок окупаемости последних, соответственно, – 17,3 лет, то есть больше срока службы СД (при расчётной наработке 5000 ч в год и гипотетическом сроке службы СД 50000 ч). Учёт стоимости замен ЛЛ в процессе эксплуатации может ускорить окупаемость, но не более, чем на один год.

В недавнем отчёте Минэнерго США [5] говорится, что СДЛ имеют сравнительно небольшое конкурентное преимущество перед КЛЛ и существенное – перед ЛОН. При этом у СДЛ мощностью 12,5 Вт световой поток такой же, как у КЛЛ и ЛОН мощностью 15 и 60 Вт соответственно.

Сегодня нередки публикации, содержащие с рекомендацией пользоваться при   сравнении светильников с СД и с НЛВД не функцией V(λ), а V'(λ). Однако в соответствии с рекомендациями МКО и, например, стандарту DIN 5011 последняя применима при яркостях поля адаптации до 0,01 кд/м2. Нормируемой же минимальной яркостью дорожного покрытия даже для улиц с самым малым движением («Улицы и дороги местного значения. Одиночные автомобили») является 0,2 кд/м2. При такой яркости адаптации максимум спектральной чувствительности глаза приходится на длину волны 540 нм, т.е. переход на  V'(λ) был бы ничем не оправдан.

Изучение предложений ОП с СД в Интернете показало, что многие компании  просто не понимают требований нормативных документов по освещению или даже не подозревают об их существовании. Так, спокойно предлагаются светильники с СДЛ прямой замены ЛЛ для подвесных потолков типа «Армстронг» с обещанной экономией энергии на 50% по сравнению со «старыми» светильниками с ЛЛ. При этом, иногда даже честно, указывается световой поток светильников с СД. Например, обычно около 2500 лм для светильника с СД для замены светильника с четырьмя ЛЛ по 18 Вт. Но у последнего даже с ЭмПРА  световой поток не меньше 4500 лм.  Получается экономия энергии ценой почти двойного снижения освещённости, что едва ли оправдано не только гигиенически, но и  экономически.

По исследованиям американских учёных [6], повышение энергоэффективности освещения всегда (будь то свечи, газовые лампы или ЛН) сопровождалось не снижением потребления энергии, а ростом уровнем освещения домов и улиц, так как освещённость от  искусственных ИС всегда ощутимо меньше естественной освещённости, при которой эволюционировало зрение человека.

Но где же сегодня светильники с СД применять и можно, и экономически выгодно, а иногда и необходимо (о светосигнальной аппаратуре, где СД сегодня нет альтернативы, мы тут не говорим)? Прежде всего, это архитектурно-художественное освещение. Широкая гамма цветов и лёгкая светорегулируемость СД открывают совершенно новые   возможности в этой области. Безусловно, перспективно и экономически выгодно применение СД в системах аварийного освещения, а также во взрывозащищённых светильниках с любой степенью взрывозащиты. Весьма широкая и экономически оправданная область применения СД – акцентирующее освещение в музеях, выставочных галереях, магазинах.

Оправдано и местное освещение ими  – настольные и станочные светильники с СД [3].

Некоторую экономию энергии светильники с СД могут давать в ЖКХ – в освещении мест общего пользования, где светильники работают почти или вообще круглосуточно, а требуемая освещённость невысока. Целесообразно применение светильников с СД и в общем освещении некоторых производственных помещений с большим временем работы ОУ и низкими требованиями к освещённости. При этом целесообразность их применения во многом обусловлена не столько экономией электроэнергии, сколько большим сроком службы СД.

Между тем параметры СД непрерывно повышаются. На выставке «Light + Building» в 2012 г. шведской компанией AURA Light International ABбыли представлены СДЛ прямой замены ЛЛ мощностью 14, 28 и 35 Вт с колбами диаметром 16 мм. Световая отдача моделей этих ламп с цветовой температурой 4000 К – до 100 лм/Вт при температуре окружающего воздуха до 25 оС, то есть практически как у лучших ЛЛ. Заявленный срок службы этих СДЛ – до 60000 ч, как у прославленных ЛЛ этой компании. На выставке также демонстрировался светильник с двумя такими СДЛ мощностью 28 Вт. Мощность светильника – 60 Вт и световая отдача – 78 лм/Вт. Так что когда цена этих светильников приблизится к цене аналогов с ЛЛ, они станут реальной силой. И возможно, это случится достаточно скоро.

Автор: Л.П. Варфоломеев

Список литературы:

  1. Миронов С. Светодиоды Cree для типовых приложений // Полупроводниковая светотехника. – 2012. – № 2. – С. 11–14.
  2. Ван Гилс М. и др. Характеристики линейных светодиодных ламп прямой замены // Светотехника. – 2012. – № 1. – С. 37-45.
  3. Osram. Каталог «Источники света» на 2011–2012 гг.
  4. Бородин К. Белгородэнерго протестировало уличные светильники. – 30.08.2012.
    URL: http://energo-news.ru/archives/100605 (дата обращения: 10.09.2012).
  5. URL: www.ledinside.com/news. – 05.07.2012 (дата обращения: 10.09.2012).
  6. Tsao, J.Y. et al. Solid-state lighting: an energy-economics perspective // J. Phys. D:
    Appl. Phys. – 2010. – Vol. 43, No. 35. URL: stacks.iop.org/JPhysD/43/354001 (дата обращения: 10.09.2012); Развитие освещения светодиодами может не уменьшить энергопотребления на освещение // Светотехника. – 2010. – № 6. – С. 75. 

[1] Слушатели курсов по энергосбережению в светотехнике, проводимых московским «Домом Света», в июне с.г. рассказали, что на крупном заводе на Урале была смонтирована ОУ из нескольких тысяч светильников с СД производства ОАО «Протон». Через полгода эксплуатации вышло из строя больше половины светильников. Аналогичные ситуация возникали несколько лет назад в наружном освещении Сумгаита (Азербайджан), Перми и некоторых других городов.

[2] Хорошие ЛЛ мощностью 18 Вт (например, серии  «Master TL-D Super 80», Philips) имеют световой поток 1350 лм (при работе с ЭмПРА, а с ЭПРА они дают  такой же световой поток при мощности 16 Вт). СДЛ мощностью 10 Вт для прямой замены ЛЛ мощностью 18 Вт имеют световой поток не более 750 лм (например, у СДЛ «Оптолюкс-Трейд» («Оптоган») – 600 лм при цветовой температуре 4000–6500 К и 570 лм при 3000 К; мощность этих ламп – 8,5 Вт. В пересчёте на 10 Вт мощности это соответствует примерно 706 и 670 лм светового потока).

[3] При этом необходимо особое внимание обращать на управляющие устройства и ПРА, так как пульсации светового потока в местном освещении недопустимы.

Рецензируемый журнал

Журнал «Светотехника» входит в перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёных степеней доктора и кандидата наук. Также он входит в базу данных следующих агентств и издательских домов:
Thomson Scientific (расширенная база индекса цитирования); EBSCO Publishing House; Elsevier Publishing House; SCOPUS Journals Analyzer; Academic Journal Catalogue (AJC).

Подпишитесь на нашу рассылку

 
 x 
Корзина пуста