В пилотном проекте по созданию системы твердотельного уличного освещения в Каледоне, Канада, были испытаны светодиодные светильники от трех производителей. В статье обсуждаются результаты измерения освещенности, потребляемой мощности и ухудшения светового потока в течение года после установки этой системы.
Проект LightSavers, спонсором которого выступил фонд TAF (Toronto Atmospheric Fund), собрал за год данные о пилотной установке светодиодных систем освещения в г. Каледоне, Канада. Группа исследователей LightSavers один раза в две недели измеряла оптические характеристики осветительных установок с использованием твердотельных источников света, а также металлогалогенных ламп. Выяснилось, что светодиодное освещение имеет ряд преимуществ, к числу которых относятся высокий уровень освещенности, экономия расхода электроэнергии, однородность излучения и относительно небольшая деградация светового потока. Однако из-за более высокой стоимости твердотельных светильников у них достаточно продолжительный срок окупаемости — 14—18 лет. Со временем снижение цен на светодиодную продукцию и рост эффективности твердотельных светильников приведет к уменьшению их срока окупаемости.
Фонд TAF организовал проект LightSavers (www.lightsavers.ca) по ускорению внедрения современных технологий освещения и адаптивному управлению в целях снижения расходов энергии и выделения парниковых газов. Позднее организация The Climate Group приобрела лицензию на использование торговой марки LightSavers у фонда TAF и составила программу LightSavers (www.theclimategroup.org/programs/lightsavers) по поддержке проектов светодиодного освещения и реализации систем интеллектуального управления. Три из пилотных проектов TAF, в т.ч. каледонский проект, составляют часть общей программы The Climate Group. Эта программа позволяет сравнить результаты пилотных проектов всего мира и поделиться этими выводами.
Каледонский проект
Каледонский проект был реализован на городском паркинге. Муниципальные власти обеспечили поставку светодиодных ламп, а руководители программы TAF LightSavers — организацию сбора данных и проведения испытаний в течение ноября 2009 — ноября 2010 гг. Этот проект был относительно небольшим, т.к. в его рамках были установлены девять светодиодных ламп. Также была произведена оценка работы светодиодных светильников от трех производителей и получены практические результаты.
Паркинг в Каледоне был выбран отчасти исходя из того, что эксплуатировавшиеся на нем металлогалогенные лампы плохо работали. В частности, они требовали ежегодной замены из-за чрезмерной деградации светового потока. Протокол пилотного проекта Monitoring and Evaluation Protocol в рамках программы LightSavers представлен на указанном выше сайте.
В каледонском проекте использовались светодиодные светильники от производителей Elumen, Relume и Ruud (BetaLED). Эти изделия можно считать «почти эквивалентными», с точки зрения оптических параметров, со 175-Вт металлогалогенными лампами Gardco CR20 4XL с диаграммой излучения Type IV от компании Philips.
В разных частях паркинга было установлено по три светильника от каждого производителя. На рисунке 1 показаны светильники Elumen. Светильники были установлены на высоте 5 м. Для каждого из четырех тестируемых участков была составлена таблица с восемью ячейками для записи результатов измерения освещенности (см. рис. 2).
 |
Рис. 1. Фонарный столб со светодиодным светильником компании Elumen. Красным цветом помечено место измерения освещенности |
| Рис. 2. Таблица данных об освещенности излучения светильников на паркинге в Каледоне. Для каждой пары фонарей, помеченных красными крестиками, отведено по восемь ячеек |
 |
Как видно из рисунка 2, расстояние между фонарными столбами не было одинаковым во всех случаях, а измерения освещенности проводились непосредственно перед фонарями и между их парами.
Методология измерения освещенности
Перед началом экспериментов были установлены новые лампы. Все измерения проводились спустя примерно 100 ч после эксплуатации светильников, чтобы дать им возможность выйти на полную мощность.
Сначала были измерены энергопотребление и освещенность ламп. Затем измерения освещенности повторялись дважды в месяц. Измерения проводились, по крайней мере, спустя час после заката с помощью фотометра Cooke cal-LIGHT 400. При этом также измерялась температура и атмосферные условия.
На рисунке 3 представлены результаты экспериментов. Как видно из диаграммы, характеристики светодиодных светильников от двух производителей значительно превзошли показатели металлогалогенных ламп.
| Рис. 3. Диаграмма измерений средней и минимальной освещенностей спустя год в четырех контрольных случаях |
 |
Деградация светового потока
В процессе измерений изучалась также деградация светового потока, что стало одной из причин, по которой эксперименты проводились целый год. Возможная деградация светового потока остается препятствием для широкого внедрения светодиодов в системах наружного освещения. С точки зрения экономической целесообразности, светодиодные лампы должны обеспечивать более 70% от начального уровня светоотдачи (L70) в течение продолжительного срока службы. Заявленный срок службы светильников, установленных на паркинге в Каледоне, составлял 100 тыс. ч, или около 22 лет.
Исходя из этого срока службы, ежегодная деградация светового потока светильников не должна превышать 2%. У металлогалогенных ламп деградация за год достигла 51%. По всей видимости, эти ламы не были должным образом герметизированы, и на их работу повлияла влажность.
В светильниках компании Elumen для противодействия деградации используется механизм постепенного увеличения управляющего тока. Проводившиеся в течение года измерения были нерегулярными. Их показания оказывались выше и ниже первоначально полученных, а последний результат превзошел начальный на 11,5%. Специалисты проекта LightSavers считают, что срок службы светильников Elumen превышает 20 лет.
Измерения характеристик светильников Relume в течение года оказались ниже первоначально полученных, однако результат последнего измерения в точности совпал с первым. По мнению специалистов проекта LightSavers, листья на деревьях поблизости от фонарей перекрывали часть света и, таким образом, влияли на результаты измерения характеристик в течение года. Эти данные указывают на то, что срок службы светильников Relume превышает 20 лет.
Деградация характеристик светильников Ruud в течение года составила 8,95%. Возможно, отчасти это ухудшение было вызвано преждевременным нарушением работы металлогалогенных фонарей, находившихся поблизости и излучавших свет на участок измерения характеристик светильников Ruud. Группа исследователей заменила металлогалогенные лампы в конце эксперимента, что снизило показатель деградации. При этом, однако, он не дотянул до требуемых 2%. Исследователи LightSavers намереваются провести дополнительные фотометрические измерения характеристик светильников Ruud.
Исследователи также попытались оценить корреляцию оптических характеристик с температурой, т.к. тепловой расчет является важным параметром источника твердотельного освещения. Корреляция оказалась незначительной. Это обстоятельство позволило сделать вывод о том, что тепловой расчет всех протестированных светильников был правильным.
Измерение потребляемой мощности и экономия ее расхода
Исследователи LightSavers измерили ток, потребляемый каждым светильником, а затем рассчитали потребление ламп. Так, металлогалогенные лампы потребляют 218 Вт. Измерения твердотельных источников света оказались чуть более сложными. На вход металлогалогенных ламп подавалось напряжение 347 В. На момент приобретения светодиодных светильников ни один из них не работал при таком высоком напряжении, поэтому на каждый фонарь был установлен трансформатор, подававший 120 В. Экспериментаторы измеряли ток на выходе трансформатора, и потому в сравнительных показаниях потери в нем не учтены.
Потребляемая мощность твердотельных светильников от компаний Rudd, Relume и Elumen составила 92, 70 и 67 Вт, соответственно. Следует заметить, что со временем потребление светильника Elumen растет за счет увеличения управляющего тока, компенсирующего деградацию излучения.
В таблице 1 сведены данные о стоимости изделий, экономии и периоде окупаемости для светодиодных светильников. В указанную стоимость включена цена трансформатора. Несмотря на то, что период окупаемости достигает 18 лет, инвестиции в этот тип освещения оправданы, если срок службы данных источников света превышает 20 лет. В случае если светодиодные светильники устанавливаются вместо отслуживших металлогалогенных ламп, период окупаемости сокращается на три года.
Учитывая значительное падение цен на твердотельные источники света с момента поставки этих светильников, а также их усовершенствованные характеристики и большой объем партии, период окупаемости данных источников света на текущий момент мог бы оказаться существенно меньше, чем приведенные цифры. Кроме того, на относительно высокой стоимости проекта сказалась необходимость установки трансформаторов. Изделия следующего поколения поддерживают возможность питания от 347 В, что существенно улучшает экономические показатели новых ламп.
По мнению специалистов группы LightSavers, при стоимости светильника менее 1000 долл. период окупаемости составляет менее 10 лет. Возможно, уже в этом году цены достигнут указанного уровня.
|
Таблица 1. Экономические показатели светодиодных светильников |
|||||
|
Светильник |
Стоимость, долл. |
Ежегодная экономия расходов*, долл. |
Среднегодовая экономия на обслуживании, долл. |
Простая окупаемость**, лет |
Рентабельность инвестиций за 20 лет**, % |
|
Elumen |
1349 |
50 |
36 |
14,2 |
47 |
|
Relume |
1772 |
49 |
17,3 |
18 |
|
|
Ruud |
1651 |
41 |
17,9 |
15 |
|
* Из расчета 0,075 долл./(кВт∙ч)
** Из расчета, что ежегодная инфляция цен за энергию составляет 3,5%