Як вибрати потужність вуличного LED світильника?

Вуличні світильники

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

Вуличні світильники на основі натрієвих або ртутних ламп сьогодні поступаються місцем надійним та економічним LED світильникам. При заміні одних на інші розрахувати необхідну потужність світлодіодного випромінювача для реального об'єкта є досить непростим завданням. Різні постачальники LED обладнання дають відмінні 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 освітленості слід застосувати LED світильник потужністю 250/2,5 = 100 Вт.

    Недоліки методу:

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

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

    В) Оптична система обох типів світильників, в залежності 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, однак це практично не впливає на співвідношення потужності в порівнянні з натрієвої лампою. LED світильники мають більш високий рівень блискості, ніж натрієві лампи. Це позначається на параметрах контрастності світла. Для натрієвої лампи показник становить близько 35, а для LED світильника – більше 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 (в точці або групі точок), з заміною натрієвого випромінювача на світлодіодний, і підбором потужності останнього для досягнення заміряного рівня освітленості.

    Недоліки методу:

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

    Б) Кваліфікація вимірювачів 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% менше, ніж у натрієвої лампи, що практично нівелює саму ідею економії енергоспоживання.

    В) Ретельно виміряні рівні освітлення 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 встановлені несучі опори. А враховуючи похибку ручної азимутальної установки LED світильника на реальній трубі консольного підвісу (до 5-10 градусів) – завдання адекватного порівняння величин виміряної освітленості стає практично нездійсненним.

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

Завдання 1. Парки та автостоянки, присадибні ділянки

Подивимося, яким має бути співвідношення потужностей при застосуванні LED світильників у сфері паркового та присадибної освітлення. У цій зоні немає специфічних вимог до діаграми спрямованості, нерівномірності (спеціалісти вживають термін «зебра»). Несучі опори освітлення розташовуються з порівняно великим інтервалом. Для прикладу замінимо світильники на основі натрієвих ламп потужністю 70 Вт, на LED світильники потужністю 36 Вт. Досліджуваний об'єкт являє собою паркову доріжку протяжністю 1 км, уздовж одного боку якої встановлені несучі опори освітлення з інтервалом 40 м. Виміряні рівні результуючої освітленості однакові.

Ширина доріжки: 3 м
Висота монтажу світильника: 5 м
Віддалення 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 становитиме 1750 Вт. LED світильники сумарно споживають 950 Вт з урахуванням втрати холостого ходу драйверів.

Как выбрать мощность уличного LED светильника

Отже, отриманий рівень економії енергоспоживання дорівнює 46%.

Завдання 2. Односмугові дороги категорії Б

Порівняємо потужності натрієвих та LED випромінювачів, встановлених в один ряд на опорах вздовж однополосної дороги категорії В.

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

Для досягнення нормативних показників мінімальної освітленості, 1 км такої автодороги повинен освітлюватися натрієвими випромінювачами 150 Вт і сумарною потужністю 3750 Вт.

Така ж мінімальна освітленість тієї ж ділянки 1 км може бути досягнута LED випромінювачами 100 Вт, сумарною потужністю 2625 Вт (холостий хід драйверів врахований).

Как выбрать мощность уличного LED светильника

Таким чином, отриманий при встановленні LED світильників рівень економії енергоспоживання – 30%.

Завдання 3. Міські вулиці

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

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

Для досягнення нормативних показників мінімальної освітленості, 1 км такої автодороги повинен освітлюватися натрієвими випромінювачами 150 Вт сумарної потужністю 4 500 Вт.

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

Как выбрать мощность уличного LED светильника

Таким чином, отриманий рівень економії енергоспоживання складатиме – 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 випадку 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. Та й LED світильники на ці опори можна встановлювати невисокої потужності (60-80 Вт), що також допоможе заощадити. Якщо підрахувати капітальні витрати на обладнання LED освітленням 1 км вулиці із застосуванням опор висотою 7 м і окремо – висотою 9 м, виявиться, що у 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 бюджетної модернізації переводиться на повне або часткове електроживлення від сонячних батарей. А ось потужні магістральні LED світильники 150-200 Вт на опорах висотою 9-12 м потребуватимуть величезних площ дорогих сонячних батарей. При цьому вітряні і вібраційні навантаження призведуть до додаткових витрат на забезпечення механічної міцності, також потрібно буде застосувати дорогі акумулятори великої ємності та ваги. В результаті матеріаломісткість проекту перевищить всякі допустимі норми. Половина або 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 випадку застосування LED і ДНаТ випромінювачів високої і зменшеної потужності. Для забезпечення параметрів мінімальної освітленості на всіх полосах руху потрібно буде збільшити висоту підвісу світильників. Застосувуючи ДНаТ випромінювачі малої потужності (з міркувань економії енерговитрат), доводиться зменшувати відстань між несучими опорами, через появу неприпустимої нормативами «зебри».

Ширина проїзної частини: 10,5 м
Висота монтажу світильника: 11 м
Віддалення опори від бордюру: 1,5 м
Винесення оптичної осі від поздовжньої осі дороги: 1 м
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
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:

Як вибрати потужність вуличного LED світильника?

Проаналізуємо співвідношення рівнів економії енергоспоживання:

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

Зауважимо, що в випадку багатосмугової дороги доводиться зберегти велику висоту підвісу світильників, і тоді заміна ДНаТ випромінювачів на менш потужні (з метою економії) виявляється не такою вже й економною, за рахунок збільшення мінімальної кількості опор для їх підвісу. А ось 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 багатосмугового 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
Віддалення опори від бордюру 2 м
Винесення оптичної осі від поздовжньої осі дороги 1 м
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 (потужністю 200 Вт) для освітлення 1 км такої траси становитиме 5544 Вт, світильників на основі 250 Вт ДНаТ – 6250 Вт.

Сумарна економія – 12%. Додаткові фактори, такі як великий строк служби, наявність встановлених можливостей діміювання й точність розподілу світлового потоку LED світильників збільшують економічність. До речі, сучасні методи управління світловіддачею вуличних LED світильників забезпечують автоматичне зниження енерговитрат на 20-30% в періоди скорочення трафіку (зазвичай з 1:00 до 5:00) Цей принцип, що не потребує ніяких 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, щоб дізнатися як це впливатиме на економію енергоспоживання. Припустимо, що якась вулиця категорії Б спочатку освітлювалась світильниками на лампах ДНаТ 100 Вт, однак кризові чинники змусили перейти на використання ламп ДНаТ 70 Вт. При цьому, через недостатню ширину бічних пелюсток діаграми направленості світильників на лампах ДНаТ 70 Вт, довелося збільшити їх кількість. Іншими словами, якщо ДНаТ 100 Вт можливо розмістити на відстані 50 м одна від одної, 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 таким же інтервалом 50 м, при дотриманні вимог до освітленості?

Ширина проїзної частини: 10,5 м
Висота монтажу світильника: 9 м
Віддалення опори від бордюру: 1 м
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 нібито малопотужну лампу ДНаТ 70 Вт призводить насправді до збільшення споживання електроенергії. А ось показники економії при переході на LED світильники:

Як вибрати потужність вуличного LED світильника?

Висновки

  • 1) Чим вище категорія освітлюваної дороги, тим незначніші відмінності в енергоспоживанні між ДНаТ та LED. У той же час, експлуатаційні витрати у випадку використання LED світильників – є значно нижчими, ніж при використанні ДНаТ, оскільки LED світильники практично не потребують обслуговування. Сучасні вуличні LED світильники, крім того, володіють можливостями дистанційного керування діміюванням 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) ДНаТ ламп на опорах висотою більше 12 м, не завжди можливо «1 на 1» замінити їх адекватним LED світильником. В цих випадках потрібен додатковий перерахунок світлорозподілу. Технічно та економічно вигідно застосування замість одного випромінювача двох малопотужних LED світильників на одній несучій опорі, або зниження висоти підвісу, чи застосування додаткових опор. Точне формування діаграми направленості 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 з енергоспоживання та питомих капітальних витрат на 1 км забезпечують LED світильники при розміщенні їх на висоті 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 однаковими рівнями освітленості.

Як вибрати потужність вуличного LED світильника?