Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Разработка новых критериев эффективности дорожных светодиодных светильников

# 07, июль 2013
DOI: 10.7463/0713.0579034
Файл статьи: Shirankov_P.pdf (425.80Кб)
авторы: Барышников Н. В., Мазалов В. В., Ширанков А. Ф., Павлов В. Ю., Сафонов П. И.

УДК 628.984

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

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 DIALUX 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 L [м], вылет середины светильника от края проезжей части l [м], ширина дорожного полотна W [м] и др.

 

Рисунок 1 – Схема освещения дорожного полотна

 

Кроме того надо импортировать в программу DIALUX специальный файл формата IES, 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 IES-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 [лк] характеризует полезный результат действия светильника, а Р – затраты на его достижение, можно ввести критерий энергоэффективности светильника

Ээф = Еср / Р [лк/Вт].

Кроме того для сравнения эффективности замены лампового светильника на светодиодный целесообразно ввести критерий энергосбережения

Эсбер [%] = (Р*Л – Р*СД) × 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 11-250-001 с лампами ДНаТ 250, потребляющих мощность Рлп = 270 Вт.

Светильники установлены на высоте Н = 12 м, шаг опор L= 30 м, угол наклона консоли к горизонту α = 15°, опоры светильников стоят по обе стороны дороги со смещением на половину шага относительно противоположной стороны. Дорога категории 1А с шириной дорожного полотна = 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 IES-файлов производителей, а среднее значение освещённости поверхности дорожного полотна Еср, рассчитано с использованием программы DIALUX. 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.

 

Таблица 1 – Сравнение светильников по паспортным параметрам и критериям эффективности

Место светильника
по Ээф / энергосбережение

при замене

ЖКУ 11- 250, %

Поставщики/

производители светильников

Условное обозначение светильника/тип

источника света

Световой поток Ф, лм

Потребляемая мощность
Р, Вт

Световая отдача Ф/Р, лм/Вт

Средняя освещенность на дороге Еср, лк

Энергетическая эффективность
Ээф=Еср/Р,лк/Вт

1 / 50

Интер АО

IAO-LD-STR-140-03-01/ СД

13880

145

95,7

30

0,207

2 / 43

ТД Ферекс

ДКУ 01-170-50-Ш/ СД

13998

165

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

25

0,179

5 / 32

Ардатовский светотехн.завод

ДКУ12-150-001/СД

12797

150

85,3

23

0,153

6 / 31

GALADЛЗСИ

ДКУ 01-160х1-001/ СД

12443

160

77,8

24

0,150

7 / 29

ФОКУС

УСС 180-МАГИСТРАЛЬ Ш/ СД

14739

165

89,3

24

0,145

8 / 19

LEDEL

L-Street 96/СД

11085

180

61,6

23

0,128

9 / 2

ИНКОТЕКС ЛидерЛайт

LL-ДКУ-02-180-0302-65Д /СД

16800

180

93,3

19

0,106

10/ 00

Ардатовский светотехн. завод

ЖКУ 11-250-001/

Лампа ДНаТ 250

19610

270

72,6

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 IAO-LD-STR-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 LL-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 LL-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 (Ф99 = 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 LL-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 Sдор 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 = Еcр / Ф [лк/лм],

который обуславливает падающую на дорогу полезную часть светового потока Фдор, так как Фдор = Еcр · Sдор. 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 Оэф1,2,3 = (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 Еcр8 = 23 лк на 21% больше, чем Еcр9 = 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 (Еcр8 > Еcр9).

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 Еcр8 = 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 которогоОэф10 = 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 = Еcр / 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 Еcр3), все остальные СДС уступают по показателям Ээфi, Эсберi, Еcрi. 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, Еcр, 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], Еcр [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 (MauryWright). 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).


Тематические рубрики:
Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2019 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)