CC BY
87
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МЕТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 48211. Государственная регистрация №0421200025. КБМ 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Разработка новых критериев эффективности дорожных светодиодных светильников
# 07, июль 2013 Б01: 10.7463/0713.0579034
Барышников Н.В., Мазалов В.В., Ширанков А.Ф., Павлов В.Ю., Сафонов П.И.
УДК 628.984
Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана Россия, ФГУП РОСДОРНИИ baryshnikov@bmstu.ru okpacka@mail.ru ashirankov@mail.ru p.v.u@mail.ru
В настоящее время энергосберегающие светодиодные светильники (СДС) быстрыми темпами вытесняют ламповые светильники (ЛС) (газоразрядные натриевые лампы типа ДНаТ; люминесцентные ртутные лампы типа ДРЛ и др.) во всех областях народного хозяйства. Особенно интенсивно данный процесс идёт в сфере дорожного/уличного освещения, поскольку СДС отличаются повышенной надёжностью и большим сроком службы, значительно превышающим надёжность и срок службы ЛС.
Актуальность статьи вызвана не только повсеместным переходом на СДС, но и переизбытком предложений по ним на российском рынке. Сейчас специалистам, эксплуатирующим системы дорожного и уличного освещения, предлагается свыше 50 моделей СДС. Причём если раньше при выборе ЛС было достаточно сравнить два основных паспортных параметра: световой поток Ф [лм] и потребляемая электрическая мощность Р [Вт], - то теперь им необходимо выбирать СДС по набору технических параметров и характеристик, многие из которых непривычны и непонятны.
При выборе СДС обычно пользуются критерием световая отдача светильника (Ф/Р [лм/Вт]): предпочтение отдаётся тому образцу, у которого светоотдача выше. На самом деле при таком подходе неучтёнными остаётся ряд параметров, существенно влияющих на энергоэффективность всей системы освещения.
Правильной выбор «лучшего» (наиболее энергосберегающего) СДС невозможно осуществить без детального исследования конкретной схемы освещения. Для этого можно
воспользоваться специализированной программой БІЛЬиХ для фотометрических расчётов всех стандартных характеристик освещения.
Чтобы провести расчёты с помощью указанной программы, в неё требуется ввести все данные о схеме освещения дорожного полотна (см. рисунок 1): высота подвеса СДС на опорах Н [м], шаг мачтовых опор вдоль дороги Ь [м], вылет середины светильника от края проезжей части 1 [м], ширина дорожного полотна W [м] и др.
Зона подсветки от 1-ого столба Зона подсветки от 2-х столбов
. "7
** 1----------------П
Рисунок 1 - Схема освещения дорожного полотна
Кроме того надо импортировать в программу В1ЛЬиХ специальный файл формата 1Е8, представляющий собой цифровую модель фотометрического тела светильника. Фотометрическим телом светильника называется геометрическое место точек, радиус-векторы которых выходят из светового центра светильника, а длина их пропорциональна силе света светильника в соответствующем направлении. Контур сечения фотометрического тела какой-либо плоскостью называется кривой силы света (КСС) в данной плоскости. Производители, как правило, свободно предоставляют для скачивания /Е£-файлы на своих сайтах или передают их другими способами по просьбе потребителей.
Результатом работы программы является распределение освещённости на дорожном полотне. Так как усреднённая по нескольким контрольным точкам величина освещённости Еср
Ээф = Еср / Р [лк/Вт].
Кроме того для сравнения эффективности замены лампового светильника на светодиодный целесообразно ввести критерий энергосбережения
Эсбер [%] = (Р*Л - Р*СД) X 100% / Р*Л.
Здесь Р*Л = РЛ / ЕЛ ср и Р*СД = РСД / ЕСд ср - потребляемые мощности ЛС и СДС, приведённые к единичной освещённости.
Для иллюстрации рационального выбора потребителем «наилучшего» СДС в качестве конкретного примера рассмотрим ситуацию, когда планируется замена светильников ЖКУ 11250-001 с лампами ДНаТ 250, потребляющих мощность Рлп = 270 Вт.
Светильники установлены на высоте Н = 12 м, шаг опор Ь = 30 м, угол наклона консоли к горизонту а = 15°, опоры светильников стоят по обе стороны дороги со смещением на половину шага относительно противоположной стороны. Дорога категории 1А с шириной дорожного полотна W = 16 м, двусторонняя, по две полосы в каждую сторону с разделительной полосой между сторонами встречного движения шириной 1 м. Согласно нормам освещённости по ГОСТ Р 54305-2011 [1] для дорог категории 1А средняя освещённость проезжей части дороги должна удовлетворять требованию Еср > 20 лк.
Итак, выше были названы исходные условия решаемой потребителем задачи энергосберегающей модернизации имеющейся у него дорожной осветительной системы. Для своего выбора потребитель определил группу из девяти «претендентов» СДС, поскольку в рекламных материалах они были рекомендованы производителями в качестве энергосберегающей альтернативы светильникам с дуговыми натриевыми лампами ДНаТ 250.
В таблице 1 приведены названия компаний поставщиков/производителей и обозначения соответствующих моделей дорожных/уличных светильников-«претендентов», из которых нашему потребителю необходимо сделать выбор СДС «наилучшего» для своих условий. Параметры Ф и Р взяты из /Е£-файлов производителей, а среднее значение освещённости поверхности дорожного полотна Еср, рассчитано с использованием программы П1ЛЬиХ. Все СДС приведены в порядке возрастания величины Ээф. Проанализируем полученный ряд «претендентов», учитывая занимаемое место в составленном рейтинге в комплексе с другими важными критериями: Еср и Эсбер. Также выясним - достаточно ли введённых критериев для объективного сравнения СДС между собой.
Место светильника по Ээф / энергосбережение при замене ЖКУ 11- 2S0, % Поставщики/ производители светильников Условное обозначение светильника/ тип источника света Световой поток Ф, лм Потребляемая мощность P, Вт Световая отдача Ф/P, лм/Вт Средняя освещенность на дороге Ecp, лк Энергетическая эффективность Ээф=ЕcpIP,лк/ Вт
1 / S0 Интер АО IAO-LD-STR-140-03-01/ СД 13880 14S 95,7 30 0,207
2 / 43 ТД Ферекс ДКУ 01-170-50-Ш/ СД 13998 1б5 84,8 30 0,181
3 / 42 Завод Лампирис LMPRS Road-160/СД 14280 172 83,0 31 0,180
4 / 42 Атом Свет PLANT 02-100-13600-140(Ш1) /СД 13720 140 98,0 2S 0,179
5 / 32 Ардатовский светотехн.зав од ДКУ12-150-001/СД 12797 1S0 85,3 23 0,153
6 / 31 ОАЬАБ ЛЗСИ ДКУ 01-160x1-001/ СД 12443 1б0 77,8 24 0,150
7 / 29 ФОКУС УСС 180- МАГИСТРАЛЬ Ш/ СД 14739 1б5 89,3 24 0,145
S / 19 ЬБББЬ L-Street 96/СД 1108S 180 б1,б 23 0,128
9 / 2 ИНКОТЕКС ЛидерЛайт КЬ-ДКУ-02-180-0302-65Д /СД 1б800 180 93,3 19 0,10б
10 / 00 Ардатовский светотехн. завод ЖКУ 11-250-001/ Лампа ДНаТ 250 19б10 270 72,б 28 0,103
Проанализируем полученные результаты:
1. СДС-«претенденты» занимают свои места в строках таблицы 1 сверху вниз в порядке убывания их энергоэффективности от Ээф1 = 0,207 лм/Вт до Ээф9 = 0,106 лм/Вт. На нижней строке на десятом месте ламповый светильник ЖКУ 11-250-001 с лампой ДНаТ 250, Ээф10 = 0,103 лм/Вт.
2. Первое место в рейтинге энергоэффективности (первая строка таблицы 1) занимает СДС 1Л0-ЬБ-8ТК-140-03-01 компании «Интер АО», Ээф1 = 0,207 лм/Вт. При этом по энергосбережению (Эсбер1 = 50%) этот СДС также на первом месте из всех «претендентов», а по освещённости дороги (Еср1 = 30 лк) он на втором месте.
3. На первом месте по освещённости дороги (Еср3 = 31 лк) СДС LMPRS Road-160 компании «Завод Лампирис». При этом он на третьем по энергоэффективности (Ээф3 = 0,180 лм/Вт) и по энергосбережению (Эсбер3 = 42%).
4. Последнее место в рейтинге энергоэффективности занимает СДС КЬ-ДКУ-02-180-0302-65Д компании «ИНКОТЕКС ЛидерЛайт» (Ээф9 = 0,106 лм/Вт). По энергосбережению он также на последнем месте (Эсбер9 = 2%).
Этот пример очень показателен с точки зрения возможной ошибки, которую может
совершить потребитель, выбирая «наилучший» СДС, основывая свой выбор только на
сравнении традиционных паспортных параметров светильников Ф, Р и световой отдачи Ф/Р. Мы сталкиваемся здесь с противоречивой ситуацией. СДС КЬ-ДКУ-02-180-0302-65Д, являясь одним из самых «мощных» СДС (Р9 = 180 Вт), также «лидирует» и по величине светового потока светильника (Ф9 = 16800 лк). Кроме того он также входит в тройку лучших по световой отдаче (Ф9/Р9 = 93,3 лм/Вт). Однако, при всём этом, он дает самую низкую из всех «претендентов» освещенность дороги (Еср9 = 19 лк). Такое значение Еср не удовлетворяет минимальному требованию Еср > 20 лк, и по этой причине данный СДС должен быть снят с «конкурса претендентов».
Для объяснения таких результатов необходимо рассмотреть распределение плотности светового потока в пространстве, или так называемое фотометрическое тело светильника. Столь малое значение Еср объясняется крайне неудачной формой фотометрического тела, сформированное оптикой данного светильника. Причём СДС ЬЬ-ДКУ-02-180-0302-65Д имеет наихудшую его форму из всех остальных СДС. Причина этого - наихудшее инженерное решение оптики данного СДС для данной схемы освещения. Из-за этого из всего светового потока, излучаемого девятым СДС (Ф9), на дорожную поверхность 8дор попадает полезная часть Фдор9 [лм], наименьшая по величине, чем у остальных «претендентов» Фдор, а оставшаяся часть светового потока бесполезно теряется, распространяясь в окружающем пространстве. Указанный фактор исследован в работе [2] и схематично поясняется на рисунках 2а и 2б.
а). б).
Рисунок 2 - Распределение светового потока (освещенности) на дороге. а - нерациональное распределение светового потока светильника; б - рациональное распределение светового потока светильника.
Из рисунка 2 ясно, что доля полезного светового потока, излучаемого данным светильником (см. рисунок 2а), заметно меньше доли полезного потока, получаемого от светильника с более рациональной формой фотометрического тела.
В связи с этим необходимо ввести критерий эффективности оптики
Оэф = Еср / Ф [лк/лм],
который обуславливает падающую на дорогу полезную часть светового потока Фдор, так как Фдор = Еср • 8дор. Сразу же следует заметить принципиальное отличие эффективности оптики светильника ОЭф от общеизвестного коэффициента полезного действия светильника
КПДсв = Ф / Фист,
характеризующего лишь потери света, излучаемого источником Фист на внутренних и внешних оптических и экранирующих частях светильника, и не учитывающего форму фотометрического тела.
В таблице 2 приведены значения эффективности оптики Оэф для всех рассматриваемых светильников, расположенные слева направо в порядке, соответствующем номеру строки
рейтинга светильника таблицы 1. Можно видеть, что тройка лидеров рейтинга энергоэффективности по сравнению с остальными СДС имеет также самые высокие и близкие между собой по величине показатели ОЭф152,3 = (2,14-2,17)-0,001 [лк/лм]. Эта особенность может свидетельствовать о достигнутом совершенстве в создании первичной и вторичной оптики (возможно близости к некому пределу), формирующей «правильное» с точки зрения наилучшего освещения дорожной поверхности фотометрическое тело.
Таблица 2 - Эффективность оптики рассматриваемых светильников
Место светильника в рейтинге энергоэффективности 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Оэф = Едор/ Ф, -0,001 лк/лм 2,16 2,14 2,17 1,82 1,80 1,93 1,63 2,07 1,13 1,43
Также стоит обратить внимание на следующее сравнение СДС, занимающих 8 и 9 места в таблице 1: световой поток Ф8 = 11085 лм меньше, чем Ф9 = 16800 лм на 29%, но при этом освещённость Еср8 = 23 лк на 21% больше, чем Еср9 = 19 лк, а объяснение этого «нонсенса» видно из таблицы 2: поскольку Оэф8 = 2,07-0,001 [лк/лм] в 1,83 раза больше, чем
ОЭф9 = 1,13-0,001 [лк/лм], и, следовательно, только за счёт гораздо более эффективной оптики 8-й СДС со значительно меньшим световым потоком (Ф8 < Ф9) создает существенно большую освещённость (Еср8 > Еср9).
Резюмируем причины, «опустившие» СДС-«аутсайдеров» на 8-е и 9-е места списка рейтинга энергоэффективности:
а) у 8-го СДС наихудшая из всех световая отдача светильника - Ф8 / Р8 = 61,6 [лм /Вт], а это свидетельствует либо о значительном отставании используемых светодиодов от уровня современных достижений в светоотдаче, либо чрезмерных потерях света внутри светильника, обусловленных существенными недостатками оптики, определяющие очень низкое значение КПДсв8. Однако при этом, оптика формирует очень хорошее фотометрическим тело и входит в четверку лучших СДС по показателю ОЭф8 = 2,07-0,001 [лк/лм], компенсируя наихудшую светоотдачу, и обеспечивая только благодаря этому качеству, выполнение нормативного условия Еср8 = 23 лк > 20 лк;
б) у 9-го СДС наихудшая из всех формирующая оптика с крайне низким значением ОЭф9 = 1,13-0,001 [лк/лм] даже ниже, чем у лампового светильника ЖКУ 11-250-001, у которого ОЭф10 = 1,43-0,001 [лк/лм]! А это для СДС не допустимо, так как не реализуется одно из присущих природе светодиодов преимуществ - направленность излучаемого светового потока
(т.е. ограниченность излучаемого пучка света телесным углом в пределах 120 град.) в отличие от ламп накаливания, дуговых и люминесцентных ламп, испускающих световой поток в ближней зоне во всех направлениях окружающего пространства. Поэтому качество оптической системы, формирующей фотометрическое тело СДС (оцениваемое величиной Оэф = Е^ / Ф [лк/лм]), следует рассматривать, как наиважнейший фактор наряду со светоотдачей Ф/Р [лм/Вт], совместно определяющих энергоэффективность СДС. И поэтому разработка «оптики» СДС по большому счету должна основываться на новейших технологиях, применяемых в современном оптическом приборостроении.
Теперь, наконец, попытаемся ответить на вопрос потребителя: «Какому же из
рассматриваемых СДС все-таки следует отдать предпочтение в своем выборе для наилучшего решения задачи энергосберегающей замены светильника ЖКУ 11-250-001 с лампой ДНаТ 250?»
Предположим, что все СДС имеют равные показатели надёжности работы в реальных условиях эксплуатации, равные ресурсы работы и одинаковые цены, то основываясь на данных таблице 1 остаются три претендента: 1-й СДС (лидирует Ээф1 и Эсбер3) и 3-й СДС (лидирует Е^), все остальные СДС уступают по показателям Ээф^ Эсбер^ Е^. Можно считать незначительным преимуществом Еср3 = 31 лк относительно Еср1 = 30 лк и большим преимуществом Эсбер1 = 50% относительно Эсбер3 = 42%.
В итоге, по совокупности критериев (Ээф, Е^, Эсбер) лучшим оказался 1-й СДС. Он удовлетворяет всем техническим требованиям потребителя для энергосберегающей модернизации освещения и имеет наилучшую совокупность критериев на рассмотренном примере дороги.
Таким образом, разработаны и научно обоснованы новые комплексные критерии Эсбер [%], Ээф [лк/Вт], Е^ [лк] и Оэф [лк/лм]. Предложенные критерии необходимо использовать и применять в целях энергосберегающей модернизации его схемы дорожного/уличного освещения выбрать наилучшие модели СДС из предлагаемых на рынке. А при проектировании современных высокоэффективных СДС необходимо применять критерий Оэф [лк/лм].
Список литературы
1. ГОСТ Р 54305-2011. Дороги автомобильные общего пользования. Горизонтальная освещенность от искусственного освещения. Технические требования. Введ. 2011-08-31. М.: Изд-во стандартов, 2011. 8 с.
2. Мори Райт (Maury Wright). Диаграмма направленности излучения твердотельных источников света для наружного освещения // Современная светотехника. Электрон. журн. 2010. № 6. Режим доступа: http://www.lightingmedia.ru/magazine/archive/magazine 13.html (дата обращения 29.03.2013).
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE BAUMAN MSTU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. №0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Developing new criteria of efficiency for road LED luminaires
# 07, July 2013
DOI: 10.7463/0713.0579034
Baryshnikov N., V., Mazalov V.V., Shirankov A.F., Pavlov V.Yu., Safonov P.I.
Bauman Moscow State Technical University, 105005, Moscow, Russian Federation
Russia, FSUE ROSDORNII baryshnikov@bmstu.ru okpacka@mail.ru ashirankov@mail.ru p.v.u@mail.ru
This article is important because of both wide assortment of road LED luminaires on the Russian market and a large set of their technical parameters and characteristics. New criteria of energy efficiency for road LED luminaires were elaborated and scientifically corroborated. These criteria of energy efficiency of LED luminaires allow one to prevent a wrong choice of a luminaire and to identify the most suitable model. Appropriateness of criteria introduction was confirmed by the example of choosing the most energy-efficient LED luminaires for the selected scheme of road illumination. The introduced criteria allow experts in road and street illumination to choose the most suitable luminaire from all available ones on the LED luminaire market in order to replace the incandescent luminaires for the purpose of energy-saving.
Publications with keywords: LED luminaire, road illumination, criteria of energy efficiency Publications with words: LED luminaire, road illumination, criteria of energy efficiency
References
1. GOST R 54305-2011. Dorogi avtomobil'nye obshchego pol’zovaniya. Gorizontal'naya osveshchennost' ot iskusstvennogo osveshcheniya. Tekhnicheskie trebovaniya [State Standard of RF 54305-2011. General-use automobile roads. Horizontal illumination from artificial lighting. Technical requirements]. Moscow, Standards Publishing House, 2011. 8 p.
2. Mori Rayt (Maury Wright). Diagramma napravlennosti izlucheniya tverdotel'nykh istochnikov
sveta dlya naruzhnogo osveshcheniya [Radiation pattern of solid-state light sources for outdoor lighting]. Sovremennaya svetotekhnika, 2010, no. 6. Available at:
http://www.lightingmedia.ru/magazine/archive/magazine 13.html , accessed 29.03.2013.
