Сравнительные возможности осветительной системы, учитывающей особенности сумеречного зрения

Введение

Сотрудники центра Lighting Research Center (LRC) провели исследование Mesopic Street Lighting Demonstration and Evaluation («Демонстрация и оценка возможностей мезопического уличного освещения»), цель которого состояла в том, чтобы ответить на эти вопросы с помощью двух экспериментальных осветительных установок в г. Гротоне, шт. Коннектикут. В одной из них (на ул. Meridian) вместо 100-Вт светильника с натриевой лампой высокого давления (НЛВД) использовался такой же светильник с 55-Вт индукционной (безэлектродной) лампой. В другой (на ул. Shennecossett Road) использовался 70-Вт уличный светильник с металлогалогенной лампой (МГЛ) с керамической горелкой. В обоих случаях излучение индукционной и металлогалогенной ламп со спектром белого света было оптимизировано под особенности человеческого зрения в условиях слабой освещенности.

Сетчатка человека имеет два типа зрительных клеток (рецепторов) — колбочковидные и палочковидные, передающие внешние сигналы в мозг. Существующая фотометрическая система, определяющая количество необходимого света независимо от времени дня или условий освещения, основана на моделировании функций колбочковидных клеток. В условиях дневного (фотопического) освещения преимущественно используется этот вид светочувствительных клеток. Палочковидные клетки, главным образом, обеспечивают ночное (скотопическое) зрение. Сумеречное (мезопическое) зрение, обеспечиваемое совместной работой колбочковидных и палочковидных зрительных клеток, работает, как правило, ночью. Следовательно, можно понизить яркость отраженного света дорог за счет внешних источников света, учитывающих особенности мезопического зрения и обеспечивающих ту же или лучшую видимость.

Источник света должен учитывать не только специфику работы колбочек, но и палочек. С этой целью применяются холодные источники света с более короткими длинами волн. Основываясь на данном выводе, сотрудники центра LRC разработали средство моделирования характеристик зрительного восприятия в условиях слабого освещения — т.н. унифицированную фотометрическую систему (УФС). Справедливость фундаментальных выводов была подтверждена в экспериментах с использованием данной
системы.

В действительности, выбор системы освещения на основе УФС повышает эффективность зрительного восприятия в большей степени, чем можно предсказать, исходя только из изменений в спектре и уровне освещенности. Недавнее практическое исследование по распознаванию определенной цели людьми, перемещающимися вдоль освещенной дороги, показало, что предметы, освещенные МГЛ, быстрее распознаются, чем те, которые освещены НЛВД. Результаты ряда исследований, проведенных к началу 2008 г., указали на явные преимущества применения УФС, которая способствует улучшению зрительного восприятия и снижению энергопотребления. С ее помощью рассчитывались значения яркости дорожного покрытия, освещенного новыми установками. Для этого измерялись освещенность дороги и ее коэффициент отражения, которые вводились в УФС, чтобы определить параметры эквивалентных осветительных установок и равноценные визуальные характеристики.

Цель исследования

Цель проекта Mesopic Street Lighting Demonstration and Evaluation состояла в определении того, возможно ли с помощью двух источников белого света, настроенных с учетом особенностей сумеречного зрения, обеспечить видимость, надежность, безопасность и яркость, аналогичные тем, которыми характеризуются осветительные системы на основе натриевых ламп высокого давления, снизив при этом энергопотребление, по крайней мере, на 30%. Вторая цель проекта заключалась в том, чтобы определить экономическую целесообразность использования таких систем, установленных в г. Гротоне, шт. Коннектикут.

Сравнительное исследование трех технологий освещения

В настоящем исследовании были опробованы две технологии освещения на двух участках различных дорог. Эти технологии были выбраны исходя из их коммерческой значимости, а также способности снизить энергопотребление при тех же характеристиках зрительного восприятия в соответствии с результатами, полученными с помощью УФС. В первом случае использовалась 55-Вт индукционная лампа с драйвером и цветовой температурой 6500 К. При этой температуре лампа имеет высокий коэффициент S/P (скотопический световой поток/фотопический световой поток) равный 2,88 и позволяет оптимизировать зрительное восприятие в сумеречных условиях при излучении в спектре белого света. Световой поток индукционных ламп удерживается на определенном уровне как при высокой, так и низкой температурах окружающей среды. Благодаря достаточно продолжительному сроку службы этих ламп (60 тыс. ч) снижаются расходы на техобслуживание и ремонт.

Во второй технологии использовалась 70-Вт МГЛ с керамической горелкой и цветовой температурой 4000 K. Коэффициент S/P = 1,6, срок службы — 20 тыс. ч. В обоих случаях отношения S/P этих ламп выбирались намного большими, чем у НЛВД с S/P = 0,63. С помощью УФС потребляемую мощность индукционной лампы и МГЛ можно уменьшить по сравнению с тем же показателем НЛВД при схожей эффективности зрительного восприятия.

В таблице 1 приведены значения освещенности и относительной электрической мощности ламп с разными показателями распределения спектральной интенсивности (SPD), определяющие характеристики зрительного восприятия. Унифицированная фотометрическая система позволяет наиболее точно определить эффективность применения ламп с разными SPD, обеспечив приемлемый уровень яркости для глаз человека. По мере уменьшения светового потока эффективность НЛВД снижается по сравнению с другими источниками света, которые обеспечивают лучшие визуальные характеристики.

Таблица 1. Освещенность и относительная мощность, обеспечивающие одинаковую яркость и видимость объектов, освещенных лампами с разными SPD
Источник света	Коэффициент S/P*	0,6 кд/м2		0,3 кд/м2		0,1 кд/м2
		Е**, лк	Отн. мощн. ***, %	Е, лк	Отн. мощн., %	Е, лк	Отн. мощн., %
400-Вт НЛВД	0,66	26,9	100	13,5	100	4,5	100
1000-Вт лампа накаливания	4,41		833	10,5	648	2,6	478
Люминесцентная лампа, 3500 К	1,44		130	10,4	100	2,5	73
400-Вт МГЛ	1,57		119	10,0	88	2,4	63
Люминесцентная лампа, 5000 К	1,97		130	9,0	87	1,9	57
Люминесцентная лампа, 6500 К	2,19			8,5	82	1,8	52

* S/P – отношение между скотопическим и фотопическим световыми потоками

** Е – освещенность

*** Мощность лампы, приведенная к мощности НЛВД

Методология исследования

Коммунальное предприятие Гротона выбрало для демонстрации возможностей двух осветительных систем с использованием индукционных ламп и МГЛ два участка городских улиц.

Улица Meridian

Улица Meridian представляет собой двухполосную дорогу с параллельно расположенными участками парковки по обе стороны. В соответствии со стандартами Светотехнического общества Северной Америки (IESNA), эта улица относится к коллекторному типу дорог, поскольку собирает транспорт с боковых улиц, который затем перемещается на более крупные магистрали. Дорожное покрытие этой улицы — асфальтовое. Его ширина — 40 футов. Южную сторону улицы ограничивает бетонный бульвар. В силу достаточно оживленного пешеходного движения, связанного с расположенным поблизости парком, уличные фонари расположены на расстоянии около 120 футов друг от друга. Их высота составляет 25 футов.

В таблице 2 приводятся параметры осветительных установок на улице Meridian для НЛВД и индукционных ламп. Вид улицы Meridian, освещенной лампами того и другого типа, представлен на рисунках 1 и 2.

Таблица 2. Параметры осветительных установок на улице Meridian
	Освещение с помощью НЛВД	Освещение с помощью индукционных ламп
Тип лампы	НЛВД	Индукционная
Мощность лампы, Вт	100 (118 с балластом)	55, включая мощность драйвера
ССT, К	2100	6500
Ср. световой поток, лм	8460	3300*
Срок службы лампы, тыс. ч	30 (нецикл.)	60
Тип установки	Cobra Head
Кол-во установок	12
Тип распределения света	Тип II
Классификация отсечки	Cutoff
Управление светом	Фотоэлемент
Высота установки, футов	25
Сред. освещенность, лк	8,72*	2,69*

* Данные измерений центра LRC

Рис. 1. Освещение улицы Meridian с помощью НЛВД

Рис. 2. Освещение улицы Meridian с помощью индукционной лампы

Улица Shennecossett Road

На улице Shennecossett Road растут деревья. По стандартам IESNA, это дорога коллекторного типа. У нее асфальтовое покрытие шириной около 30 футов. Уличные фонари установлены на расстоянии около 280 футов друг от друга.

В таблице 3 приводятся параметры осветительных установок на улице Shennecossett Road для НЛВД и МГЛ с керамической горелкой. Вид улицы Shennecossett Road, освещенной лампами того и другого типа, представлен на рисунках 3 и 4.

Таблица 3. Параметры осветительных установок на улице Shennecossett Road
	Освещение с помощью НЛВД	Освещение с помощью индукционных ламп
Тип лампы	НЛВД	Керамическая МГЛ
Мощность лампы, Вт	100 (118 с балластом)	70 (92 с балластом)
ССT, К	2100	4000
Ср. световой поток, лм	8460	4150
Срок службы лампы, тыс. ч	30 (нецикл.)	24
Тип установки	Cobra Head
Кол-во установок	10
Тип распределения света	Тип II
Классификация отсечки	Cutoff
Управление светом	Фотоэлемент
Высота установки, футов	25
Сред. освещенность, лк	8,72*	3,1*

* Данные измерений центра LRC

Рис. 3. Освещение улицы Shennecossett Road с помощью НЛВД

Рис. 4. Освещение улицы Shennecossett Road с помощью МГЛ

Выбор индукционной лампы для освещения улицы Meridian

Коэффициент S/P для индукционной лампы Philips с цветовой температурой 6500 К составляет 2,88 (у НЛВД он равен 0,63). Мезопическая эффективность увеличивается с ростом S/P. На рисунке 5 представлено распределение спектральной интенсивности индукционной лампы с цветовой температурой 6500 К.

Значения яркости в случае применения осветительных систем на основе НЛВД, установленных вдоль улицы Meridian, были получены на основе измерений освещенности дорожного покрытия с учетом того, что отражательная способность асфальтовой дороги равнялась 7%. Средняя освещенность в условиях применения НЛВД на улице Meridian составила 8,72 лк, а среднее значение яркости дорожного полотна — около 0,21 кд/см2.

Применение УФС для определения величины светового потока индукционной лампы позволило получить 3620 лм. Это значение обеспечивает те же характеристики зрительного восприятия, что и 9500-лм 100-Вт НЛВД. В таблице  4 приведены результаты расчетов параметров двух разных систем. Если яркость придорожного тротуара, освещенного НЛВД (S/P = 0,63) в условиях фотопического зрения, составляет 0,21 кд/м2,
эквивалентная яркость в условиях мезопического зрения при тех же условиях освещения равна 0,17 кд/м2. Наоборот, если эквивалентная мезопическая яркость мостовой, освещенной индукционной лампой (S/P = 2,88), составляет 0,17 кд/м2, фотопическая яркость мостовой равна 0,08 кд/м2.
Следовательно, для того чтобы мезопическая яркость достигла
0,17 кд/м2, световой поток каждого нового индукционного светильника должен составлять всего лишь 3620 лм. При той же яркости тротуара в условиях мезопического зрения требуется, чтобы световой поток НЛВД составлял уже 9500 лм.

Таблица 4. Сравнение систем с НЛВД и индукционной лампой при яркости в условиях фотопического и мезопического зрения
	Мезопическая яркость, кд/см2	Коэффициент S/P	Фотопическая яркость, кд/м2	Световой поток, лм	Входная мощность лампы, Вт
НЛВД	0,17	0,63	0,21	9500	100
Индукц. лампа		2,88	0,08	3620	60

Рис. 5. SPD индукционной лампы Philips QL1 с температурой 6500 К (Значения SPD были получены в результате эксперимента, проведенного сотрудниками центра LRC)

Выбор МГЛ для освещения улицы Shennecossett Road

Другим источником белого света, коммерчески пригодным для уличного освещения, стала МГЛ, которая испытывалась при цветовой температуре 4000 К. Несмотря на то, что 4000-К лампа менее эффективна для условий мезопического зрения, чем 6500-К, ее применение более оправдано с учетом этих требований, чем МГЛ при 2100 К.

На рисунке 6 показаны SPD трех МГЛ компании Philips с цветовой температурой 4000 К, протестированных в центре LRC. Их коэффициент S/P = 1,6.

Применение УФС для определения величины светового потока индукционной лампы позволило получить 4070 лм. Это значение обеспечивает те же характеристики зрительного восприятия, что и 9500-лм 100-Вт НЛВД. В таблице 5 приведены результаты расчетов параметров двух разных систем.

Средняя яркость тротуара на улице Shennecossett Road, освещенного 70-Вт МГЛ с керамической горелкой, составила
0,07 кд/м2. Эта величина заметно превышает значение 0,03 кд/м2 для НЛВД-системы, обеспечивающей те же характеристики зрительного восприятия. Однако следует заметить, что измерения освещенности проводились вскоре после установки МГЛ-светильников, световой поток которых, как известно, со временем существенно снижается. У используемых в эксперименте МГЛ с керамической горелкой снижение светового потока происходит медленнее (5900 лм по сравнению со средним значением в 4150 лм), но быстрее, чем у НЛВД. Это значит, что со временем яркость МГЛ в условиях фотопического зрения уменьшится относительно той величины, которая была установлена в процессе эксперимента.

Таблица 5. Сравнение систем с НЛВД и МГЛ при яркости в условиях фотопического и мезопического зрения
	Мезопическая яркость, кд/см2	Коэффициент S/P	Фотопическая яркость, кд/м2	Световой поток, лм	Входная мощность лампы, Вт
НЛВД	0,05	0,63	0,07	9500	100
МГЛ		1,60	0,03	4070	70

Рис. 6. SPD МГЛ с цветовой температурой 4000 К

Результаты оценки качества освещения улиц

На разосланные по почте опросники ответили 30 человек с улицы Meridian и 50 человек с улицы Shennecossett Road. Респонденты — пешеходы и водители — должны были оценить видимость, надежность, безопасность, яркость и цветопередачу осветительных систем, сравнив их с освещением этих улиц с помощью НЛВД.

На рисунке 7 представлены результаты сравнительного опроса, целью которого было выявить качество освещения с помощью индукционных ламп и НЛВД на улице Meridian.

Опрос жителей Shennecossett Road показал явное преимущество использования МГЛ с цветовой температурой 4000 К, что хорошо согласуется с результатами, полученными при использовании унифицированной фотометрической системы. Респонденты (водители и пешеходы) сообщили, что чувствуют себя безопаснее и видят лучше в условиях освещения дороги с помощью 70-Вт МГЛ, чем при использовании установок со 100-Вт НЛВД. Однако не следует забывать, что эксперимент проводился при пиковом значении МГЛ, яркость и освещенность которой при эксплуатации уменьшаются.

В Остине, шт. Техас, был проведен еще один эксперимент, в котором НЛВД сравнивалась с двумя двухтрубчатыми 50-Вт люминесцентными лампами Т5 с цветовой температурой 4000 К. Результаты опроса очень схожи с теми, которые были получены в Гротоне.

Рис. 7. Результаты опроса жителей улицы Meridian

Экономическая целесообразность

Затраты на техническое обслуживание и ремонт — важная статья расходов для любого коммунального предприятия, отвечающего за эксплуатацию уличных осветительных систем. Эти издержки занимают второе место после энергозатрат. Каждая осветительная система, позволяющая снизить затраты на техобслуживание, рассматривается в качестве замены дорогостоящим осветительным установкам. Стоимость НЛВД относительно невысока, а ее срок службы составляет 30 тыс. ч. Срок службы индукционных ламп превышает этот показатель в два раза, однако в конце данного срока в осветительной установке необходимо заменить и лампу, и драйвер. Эти компоненты стоят намного дороже, чем 100-Вт НЛВД. Следовательно годовые затраты на техобслуживание индукционной системы немного выше (на 0,97 долл.), чем установки с НЛВД. МГЛ с керамической горелкой дороже натриевых ламп (на 111 долл.) при меньшем сроке службы (24 тыс. ч). В результате годовые расходы на техобслуживание МГЛ-систем на 16,74 долл. выше, чем установок с НЛВД.

Перед заменой существующих НЛВД на индукционные лампы или МГЛ в уличных осветительных установках следует провести экономический анализ. Срок окупаемости двух новых установок достаточно продолжительный. При замене существующих НЛВД на индукционные лампы он становится больше и значительно вырастает при использовании МГЛ вместо НЛВД. Период окупаемости новых осветительных установок на базе индукционных ламп равен 7,1 лет, в течение которых эти системы должны обеспечивать энергосбережение, чтобы компенсировать дополнительные капитальные затраты. При замене осветительных НЛВД-установок системами на основе индукционных ламп с меньшим энергопотреблением их период окупаемости увеличивается до 13,9 лет. Система МГЛ обеспечивает минимальную годовую экономию средств (4,54 долл.) по сравнению с НЛВД-системой из-за больших расходов на техобслуживание и ремонт.

55-Вт осветительная установка на основе индукционных ламп имеет наименьшую стоимость жизненного цикла из трех рассматриваемых систем — 1549 долл. Аналогичный показатель для
70-Вт МГЛ составляет 1824, 21 долл., а 100-Вт НЛВД — 1832,65 долл.

Подробные расчеты экономической целесообразности см. в [1].

Выводы

На основе данных исследования можно сделать следующие выводы.

– В качестве замены уличных светильников на основе НЛВД-ламп рекомендуются источники белого света, настроенные на условия сумеречного зрения с высоким коэффициентом S/P. Цветовая температура этих источников света должна составлять около 6500 К, а светоотдача — 65—70 лм/Вт. При низких значениях яркости в 0,1 кд/м2 экономия электроэнергии может достичь 40—50%. При более высоких значениях яркости в 0,3 кд/м2 экономия электроэнергии составляет
около 30%.

– 55-Вт индукционная осветительная система при 6500 К является энергоэффективной
заменой 100-Вт уличного НЛВД-
светильника и должна рассматриваться в качестве новой осветительной установки.
Ее также следует считать заменой существующих 100-Вт НЛВД-систем для уличного освещения.

– 70-Вт МГЛ-установка не может считаться хорошей заменой системы уличного освещения на основе 100-Вт НЛВД, главным образом, из-за того, что имеет минимальные преимущества по сравнению с НЛВД-системой.

– В качестве замены НЛВД-светильников можно рассмотреть белые светодиоды при условии, что их светоотдача будет достаточно высокой, срок службы — более 50 тыс. ч, а стоимость — экономически оправданной.

– Для определения требуемой мощности ламп при замене существующих светильников рекомендуется использовать унифицированную фотометрическую систему, позволяющую выполнять расчеты с учетом коэффициента S/P. Для новых осветительных установок организация IESNA разработала рекомендации по уровню яркости света в зависимости от типа освещаемой улицы. Для существующих осветительных систем расчет яркости выполняется путем измерения освещенности и отражающей способности поверхности дороги. Полученные значения яркости вводятся в УФС, чтобы определить параметры новой системы, обеспечивающей эквивалентное зрительное восприятие освещаемых объектов и предназначенной для замены существующей установки.

Литература

1. Mesopic Street Lighting Demonstration and Evaluation Final Report//www.lightingresearch.org/researchAreas/pdf/GrotonFinalReport.pdf.