Наружное освещение: светодиоды против традиционных источников света

21 мая 2012

Использование светодиодов стало модным трендом в светотехнике. Но всегда ли их использование дает выигрыш, и что нужно сделать, чтобы он действительно был ощутимым? Применение светодиодов для освещения помещения с некоторых пор вопросов не вызывает — мощности относительно небольшие, поэтому светильники стоят уже недорого и окупают себя. Гораздо более сложная ситуация складывается в наружном освещении. Большие мощности, сложные условия эксплуатации, высокие требования к оборудованию — все эти факторы делают выгоду от применения светодиодов не столь уж очевидной. В этой статье проводится сравнение светодиодов с традиционными источниками света и делаются выводы о преимуществах тех или иных решений для наружного освещения.

В России для наружного освещения широко используется оборудование, в котором установлены следующие источники света:

Люминесцентные лампы без встроенного ПРА (ЛЛ). Привычные всем «трубки». Отличаются высокой светоотдачей. Недостаток — большие размеры светящегося тела, что затрудняет фокусировку потока света в нужном направлении. В России используются в основном для декоративного наружного освещения. При низкой температуре светоотдача ламп снижается, к тому же могут возникнуть проблемы с запуском лампы.

Люминесцентные лампы со встроенным ПРА (КЛЛ). Снабжены стандартными цоколями E14, E27 или E40. Предназначены для замены ламп накаливания. В обиходе такие лампы называются компактными люминесцентными, хотя подобная формулировка не совсем точная. Дело в том, что существуют компактные люминесцентные лампы с внешними ПРА, которые, впрочем, не предназначены для установки в указанные типы цоколей. Люминесцентные лампы со встроенным ПРА обладают теми же преимуществами и недостатками, что и люминесцентные лампы без встроенного ПРА. Область их применения — садово-парковое освещение и декоративная подсветка.

Галогенные лампы накаливания (ГЛН). Для наружного освещения используются прожектора с линейными ГЛН с цоколем R7s. Иногда можно встретить ГЛН со штырьковыми цоколями в садово-парковых светильниках.

Металлогалогенные лампы (МГЛ). В этих лампах сочетаются высокий коэффициент цветопередачи и высокая светоотдача. Основное направление использования — архитектурная подсветка. У МГЛ очень маленький размер светящегося тела, поэтому в уличных светильниках обычной конструкции данный тип лампы практически не используется (если речь идет о понимании термина МГЛ, используемого инженерами-практиками, о чем пойдет речь дальше) из-за большого слепящего эффекта. Чтобы бороться с этим эффектом, используются системы отраженного света. В них прожектор с МГЛ светит в отражатель, представляющий собой лист металла, покрытый белой краской. В более совершенных системах используются фасеточные отражатели.

Ртутные лампы высокого давления (РЛВД). Наиболее массовый вид ламп для наружного освещения. Обеспечивает относительно высокую светоотдачу и приемлемое качество спектра.

Натриевые лампы высокого давления (НЛВД). Строго говоря, НЛВД является разновидностью МГЛ. Но для практических применений МГЛ, дающие белый свет, и НЛВД считают разными видами источников света, настолько различны их параметры. Наиболее известны отечественные лампы ДНаТ (дуговая натриевая трубчатая), поэтому часто все лампы НЛВД называются именно так. Из всех перечисленных типов традиционных источников света обладают наиболее высокой светоотдачей. Главный недостаток — очень плохая цветопередача, свет имеет специфический желтый оттенок. С середины 80-х годов идет процесс замены РЛВД на НЛВД, в первую очередь в Москве и других крупных городах. Тем не менее, из-за плохого качества спектра НЛВД далеко не везде могут заменить РЛВД. Например, на железных дорогах в России запрещено использование НЛВД.

Энергоэффективность

Когда говорят о светодиодах, то среди преимуществ в первую очередь указывают высокую светоотдачу. Если мы посмотрим таблицу 1, то в настоящий момент светодиоды конкурируют только с НЛВД. Однако здесь все не так просто.

Таблица 1. Сравнение типичных значений характеристик традиционных источников света и светодиодов

Во-первых, НЛВД дает свет во все стороны, а светодиод светит только в одну. Если мы имеем дело с уличным светильником, который светит в одну сторону (на дорогу), то для НЛВД потребуется оптическая система с отражателем, для которой неизбежны потери до 35% светового потока. Светодиоды светят в одну сторону, потребуется линза для перераспределения светового потока и защитный плафон. В лучших моделях уличных светодиодных светильников потери в оптической системе составляют до 25% (стекло плюс оптика). Несложный подсчет показывает, что только за счет этой особенности по энергоэффективности светодиод со светоотдачей 150 лм/Вт при прочих равных условиях будет соответствовать НЛВД со светоотдачей 162 лм/Вт, если бы таковая выпускалась серийно.

Во-вторых, современной тенденцией является экономия не только за счет повышения светоотдачи, но и за счет более эффективного управления источниками света. Например, на дороге, по которой ночью значительно снижается поток машин, можно на это время уменьшить освещенность и сэкономить электричество. Но с НЛВД есть некоторые проблемы. Диммирование допускают только отдельные модели ламп. На практике диммирование возможно только до 50%. При этом потребляемая мощность изменяется в гораздо меньшей пропорции, то есть выигрыш в энергопотреблении практически не наблюдается. При необходимости снижения энергопотребления ночью светильники с НЛВД на дороге просто отключают через один. Такой способ снижения освещенности, хотя и допускается правилами, ухудшает равномерность освещения дорожного полотна. Поэтому с точки зрения безопасности лучше использовать диммирование, а не отключение части светильников. В отличие от НЛВД, светодиоды допускают диммирование вплоть до нулевого уровня. При этом, что очень важно, потребляемая мощность уменьшается приблизительно в той же пропорции, что и снижение уровня освещенности.

Область применения

Светодиодные лампы применяются для уличного освещения как на частных объектах, так и в общественных местах и на предприятиях, например:

1. Подсветки собственного придомового участка.
2. Освещения улиц, тротуаров, дорог в микрорайонах.
3. Создания достаточных условий видимости автотрасс, мостов, виадуков.
4. Формирования необходимого светового потока (в соответствии с нормами ГОСТа) в цехах, складах, конвейерах.
5. Декорирования архитектурных, исторических памятников, садов, скверов.
6. Охраны территорий.

При это конкретная область применения полностью зависит от конструктивных и светотехнических особенностей лед-светильника для улицы:

1. Лампы для уличных фонарей, устанавливаемые на столбы, опоры и стены зданий. Применяются для подсветки улиц, дорог, площадей. Характеризуются большим углом рассеяния от 180 градусов, мощностью до 400 Вт и светимостью до 5 тыс. лм, белым цветовым оттенком, высокой степенью пыле- и влагозащиты, долговечностью до 100 тыс. часов.
2. Прожектор для уличного освещения. Светодиодная подсветка этого типа имеет более направленную фокусировку светового потока, чем выше рассмотренный вариант. В них применяется специальный рефлектор или система линз. Устанавливаются на объекты, где необходима хорошая видимость на дальнем расстоянии от источника света – на стадионах, парковках, ж/д-станциях, охраняемых территориях.
3. Светильники с большим углом рассеивания (до 360 градусов). Устанавливаются для освещения на небольшие расстояния – на садовых участках, в парках, на улицах.
4. Точечные. Отличаются небольшим углом освещения (десять и менее градусов). Применяются для освещения небольшой площади, например, парадного входа.
5. С детекторами движения. Светодиодные лампы этого вида включаются, когда в поле работы датчика попадает перемещающийся объект. Используются для охраны или подсветки частных территорий.
6. Декоративно-рекламные. В категорию входят различного рода лед-светильники и лампы – трубчатые дюралайт для ландшафтного дизайна, линейки для рекламных щитов, сетки для заборов и парковых зон, водостойкие дюрафлекс.

Совет! Ввиду большой экономичности в потреблении электроэнергии светодиодную лампу в фонаре для уличного освещения вполне можно питать с помощью аккумулятора, который в свою очередь может подзаряжаться от солнечного света днем. К тому же его можно оснастить фотореле и датчиком движения, заставляющего включаться лед-элемент только при наступлении темноты и при обнаружении перемещения объекта.

Световой поток

Тем не менее, светодиодные светильники пока и не вытеснили светильники на НЛВД с магистралей. Причина в том, что в уличном освещении широко используются НЛВД мощностью 400 Вт. Их световой поток составляет 48000 лм. Светильник с такой лампой дает световой поток около 30000 лм. В то же время как максимальное значение светового потока для серийно выпускаемых уличных светильников на светодиодах пока не превышает 26500 лм. Реально же приобретают и используют светильники со световым потоком до 18000 лм. Примерно такой световой поток дает НЛВД мощностью 250 Вт.

При равном потоке субъективно освещенность объекта и различимость мелких деталей у светодиодного светильника будет выше, чем у светильника с НЛВД. Это связано с более высоким качеством спектра у светодиодов. Данное обстоятельство позволяет некоторым производителям утверждать, что их светодиодные светильники, имеющие световой поток, например, 10000 лм, сопоставимы с аналогами на НЛВД мощностью 250 Вт. Также добавляются рассуждения о меньшей скорости падения светового потока у светодиодов по сравнению с НЛВД. На самом деле, если речь идет об уличном светильнике, то первая же серьезная проверка освещенности контролирующими службами покажет, что такой светильник не может полноценно заменить ДНаТ-250 и не укладывается в нормы. Действующие в России на момент написания статьи правила не дают поблажек светильникам с более высоким качеством спектра, если речь идет о наружном освещения. Коэффициенты запаса, устанавливаемые правилами, также не зависят от типа источников света. Другой вопрос, что можно установить светодиодные светильники с меньшим, чем у натриевых, световым потоком там, где не действуют жесткие нормы, например, на придомовой территории.

Качество цветопередачи

В числе преимуществ светодиодов по сравнению с некоторыми другими источниками света следует отметить лучшую цветопередачу. В первую очередь речь идет о значительном превосходстве по данному параметру светодиодов над НЛВД при том, что оба источника имеют сопоставимую светоотдачу. Действительно, если CRI для НЛВД составляет 20…30, то у современных белых светодиодов от ведущих производителей он редко падает ниже 60. Отсюда можно сделать вывод, что применение светодиодов вместо НЛВД может быть целесообразным для архитектурной подсветки, так как позволяет улучшить качество спектра. Исключение составляют те случаи, когда подсветка желтого оттенка, характерного для НЛВД, изначально обусловлена замыслом архитектора.

Если опираться только на такой показатель как CRI, то здесь светодиоды находятся примерно на уровне ЛЛ и КЛЛ и уступают лучшим образцам МГЛ. Серии светодиодов, предназначенных для наружного освещения, как правило, имеют CRI не более 80, что связано с необходимостью обеспечить большую светоотдачу и, следовательно, больший световой поток. Применительно к светодиодам действует простая закономерность — при прочих равных условиях чем выше светоотдача, тем ниже значение CRI.

Отдельно следует рассматривать РЛВД — они по цветопередаче уступают светодиодам, но, это связано не с принципом работы, а с сугубо экономическими причинами. Технология РЛВД являются устаревшей, в ее развитие не вкладываются значительные средства, к тому же уличные светильники на РЛВД зачастую позиционируются в нижнем ценовом сегменте и к качеству цветопередачи ламп для них не предъявляется высоких требований.

Но значение CRI отражает только точность воспроизведения восьми цветов (в расширенном варианте — 14) и не отражает такой показатель, как непрерывность спектра. У газоразрядных источников спектр состоит из отдельных линий. У светодиодов он непрерывен, что является большим преимуществом. Т.е. при равном с газоразрядным источником света CRI у светодиодов субъективно будет наблюдаться лучшая цветопередача. Однако пока что методики, позволяющие оценить цветопередачу с учетом непрерывности спектра, не стандартизированы. Поэтому при проектировании наружного освещения обоснование использования светодиодов вместо МГЛ для повышения качества спектра может базироваться лишь на субъективном мнении. Тем не менее, есть один момент, который делает целесообразным использование светодиодов вместо МГЛ. Речь идет о свойственном МГЛ эффекте изменения цветовой температуры во времени. Наблюдать его может каждый, просто гуляя по вечернему городу. Подсветка зданий, выполненная на МГЛ, со временем приобретает неприятный зеленоватый оттенок. Еще больше портит впечатление, когда изменение цветовой температуры различно у ламп, освещающих одно и то же здание.

Самостоятельная установка фонаря

Никаких особо сложных действий предпринимать не придётся. Достаточно самых простых знаний правил электрики. Если таковых нет совсем, лучше во избежание неприятностей пригласить для такой работы специалиста. Установку обширной сети фонарей также лучше доверить мастеру, ведь придётся не просто поставить фонари и провести к ним электричество, а ещё и вычислить радиус освещения, его силу и другие важные детали.

А несколько небольших светильников без проблем можно поставить самостоятельно. Сначала стоит узнать несколько важных аспектов установки:

• Фонари не должны светить прямо в окна, иначе уснуть ночью будет проблематично.
• Ставить несколько светильников в шаге друг от друга невыгодно. Они должны быть распределены относительно равномерно.
• Освещение не должно заходить на другие участки.
• Выключатели следует надёжно защитить от попадания влаги специальными пластиковыми коробочками.

Шнур также необходимо хорошо защитить, но скорее не от влаги, а от перерезания. Если кабель протянут под землёй, его стоит дополнительно защитить от механических повреждений во время ландшафтных и сельскохозяйственных работ.

Шнур помещается в специальную защитную трубу. А уже для безопасности трубы со шнуром рекомендуется сверху насыпать слой гальки.

Такие разные светодиоды

Тем не менее, использование светодиодов само по себе не дает светильнику однозначного преимущества по техническим характеристикам в сравнении с его «собратьями», в которых установлены традиционные высокоэффективные источники света. Как видно из таблицы 1, для светодиодов характерен большой разброс параметров в зависимости от типа. Поэтому превосходства над ДНАТ по светоотдаче или над МГЛ по CRI можно достичь, выбирая определенные типы светодиодов.

В качестве примера в таблице 2 приведены характеристики некоторых типов светодиодов, наиболее часто используемых в наружном освещении.

Таблица 2. Параметры некоторых светодиодов, наиболее часто используемых в наружном освещении

Из таблицы видно, что наибольшей светоотдачей обладают светодиоды Cree XT-E/XM-L. Если же целью является упрощение конструкции светильника, т.е. уменьшение количества светодиодов, здесь лучше всего подойдет Cree XM-L с высоковольтным питанием. При мощности 6 Вт он заменяет как минимум пять светодиодов мощностью 1,2 Вт.

Следует также отметить, что преимущества светодиодов могут быть полностью раскрыты в уличных светильниках лишь при использовании качественной оптики производства таких ведущих компаний как Ledil, Khatod, LedLink и некоторых других.

Примеры светильников

Помимо многочисленных преимуществ, у светодиодных светильников есть один серьезный недостаток — высокая цена. Тем не менее, он уже сейчас успешно преодолевается. Примером тому может быть светильник российского производства EcoLight EL-ДКУ-02-050-0021-65Х (рис. 1), цена которого составляет всего 5900 руб.

Рис. 1. Светильник EcoLight EL-ДКУ-02-050-0021-65Х

Светильник выполнен на основе светодиодов Nichia, также производитель оставляет за собой право комплектовать его светодиодами Semileds. При потребляемой мощности 50 Вт световой поток составляет 3400 лм. Цветовая температура — от 4700 до 6500K. Светильник предназначен для пешеходных тротуаров и дорог категории В, парков, скверов, парковок и т.п.

Близкий по параметрам светильник РКУ стоит около 1200 руб., поэтому о победе светодиодных светильников над традиционными источниками света говорить преждевременно. Но посмотрим на проблему с другой стороны. Дизайн светильников РКУ слишком традиционен. Если вы устанавливаете светильники на парковке перед бизнес-центром или же в садово-парковой зоне вокруг него, то вам явно захочется установить дизайнерские светильники, цена которых заведомо выше 6000 руб. В то же время, светильник EcoLight EL-ДКУ-02-050-0021-65Х внесет разнообразие в окружающий ландшафт и создаст прогрессивный имидж компании, территорию которой он освещает.

Что же касается светодиодных прожекторов для архитектурной подсветки, то уже сейчас их стоимость сопоставима со стоимостью светильников на МГЛ. Одним из способов снижения стоимости прожектора является использование светодиодов OSRAM с высокачественной первичной оптикой, что позволяет получить направленный световой поток без использования вторичной оптики. При этом получается двойная экономия — на дополнительных линзах и на их установке.

Российская выпустила светодиодный прожектор Linterna L30 на основе светодиодов OSRAM. Световой поток — 3000 лм, что примерно соответствует прожектору на МГЛ мощностью 70 Вт с учетом потерь в оптической системе. Цена Linterna L30 составляет 5800 руб. Для сравнения, цена 70-ваттного прожектора заливающего света на МГЛ составляет около 4200 руб., стоимость запасной МГЛ с керамической горелкой — 1000 руб. Итого получаем комплект стоимостью 5200 руб.

Специалистам хорошо известно, что лучший светильник — это тот, который специально разработан под конкретный проект освещения. Меньший, чем нужно, световой поток — это плохо. Но не менее плохо, если световой поток больше, чем нужно. При этом идут лишние затраты на производство и установку светильника, происходит световое загрязнение окружающей среды.

Индивидуальное малосерийное производство светильников — дорогое удовольствие, если речь идет о традиционных источниках света. Светодиоды имеют то преимущество, что мощность и световой поток светильника можно менять в широких пределах, просто меняя их количество. Технология производства светодиодного светильника по индивидуальному заказу была создана польской компанией ELGO Lighting Industries (рис. 2). Минимальное количество светильников в партии — одна штука. При этом по цене такие светильники мало чем отличаются от моделей, выпускаемых крупносерийно. Предложенная ELGO Lighting Industries технология производства светильников по индивидуальным заказам, возможно, является для светодиодов именно тем самым killer application, т.е. «убойным приложением», которое позволит потеснить традиционные источники света в уличном освещении.

Рис. 2. Светильник ELGO Adquen OU

В серию светильников ELGO Adquen, выпускаемых под заказ, входят уличные и тоннельные светильники, прожектора, а также некоторые другие виды светильников. Уличный светильник ELGO Adquen OU предназначен для установки на автомагистрали со средней интенсивностью движения, например, магистральные улицы районного значения. Световой поток для топовой модификации достигает 26500 лм. Светодиодный прожектор ELGO Adquen ON (рис. 3) может использоваться для архитектурной подсветки.

Рис. 3. Светодиодный прожектор ELGO Adquen ON

Светильники ELGO Adquen могут по желанию заказчика быть собраны на базе светодиодов CREE типов XP-G, XP-E или XR-E. В отличие от большинства аналогов, светильники ELGO Adquen OU, как, впрочем, и другие светильники серии Adquen, имеют плафоны из закаленного стекла, а не пластмассы. Это немаловажно в условиях современного мегаполиса с его загазованной атмосферой и использованием противогололедных химических реагентов. Стеклянный плафон повышает долговечность дорогостоящего светодиодного светильника.

Окупаемость светодиодов основывается на предположении, что они не только потребляют меньше электроэнергии, но и дольше служат, чем традиционные источники света. К сожалению, единой методики определения срока службы светодиодных светильников пока не существует, чем активно пользуются некоторые производители, зачастую указывающие время работы светодиодов до снижения светового потока до 50%. При этом срок службы блока питания в технических характеристиках вообще не указывается.

Другим наглядным примером возможностей, заложенных в светодиоды CREE, является уличный светильник СТРИТ-150 производства российской . В нем используются светодиоды CREE XP-G со светоотдачей 132 лм/Вт. При этом их цветовая температура составляет 5600K. При потребляемой мощности 158 Вт световой поток составляет 13360 лм. Применение оптики компании Ledil позволило добиться правильной формы КСС типа «бабочка», обеспечивающую равномерность освещения дороги. При этом на КСС отсутствуют побочные «выбросы», что снижает слепящий эффект.

Компания Siteco (подразделение OSRAM, производящее светильники) создала светильник Siteco Streetlight 10 Midi LED (рис. 4), предназначенный для магистральных улиц районного значения. Производитель заявляет срок службы всей системы, включая блок питания, не менее 50000 часов. По завершении срока работы световой поток снижается всего до 83% от начального значения. То есть светодиоды должны проработать более 50000 часов, чтобы световой поток уменьшился вдвое.

Рис. 4. Siteco Streetlight 10 Midi LED отличается низкой скоростью падения светового потока

Можно ли собрать светодиодный светильник для уличного освещения самостоятельно

Для тех, кто имеет опыт в радиотехнике и самостоятельной сборке электроники, особого труда собрать прибор уличного освещения на базе светодиодной лампы не составит особого труда. Предлагаем рассмотреть пошаговую инструкцию изготовления элементарной схемы:

1. Для начала необходимо приобрести материалы – лед-лампочку (прожектор или фонарь) необходимой мощности и степени защиты (лучше от IP65), проводку нужно длины, выключатель, распредмодуль, блок питания, рассчитанный на лампу. Некоторые модели ламп уже содержат в себе драйвер и радиатор и рассчитаны на сеть в 220В.
2. Потребуется набор электромонтажных инструментов.
3. Если был выбран вариант лампы на 220 вольт, к ней потребуется патрон и плафон с кронштейном или петлей для подвешивания.
4. Проводку необходимо подвести к заранее установленному патрону с лампочкой и плафоном (либо к прожектору или фонарю), следуя правилам электромонтажных работ. К светильнику должны подходить фаза (через выключатель), ноль от распределительного модуля или щитка и заземление на корпус (если потребуется).
5. Блок питания (когда используется отдельная лампочка низкого напряжения) можно установить в помещении и от него вести проводку на фонарь.
6. После соединения всех контактов цепь проверяется на надежность, щиток включается и проверяется работа светильника.

Выводы

В настоящее время сложно сделать однозначный вывод об абсолютном преимуществе одного типа светильника над другим. В каждом конкретном случае требуется тщательный экономический расчет.

Светодиоды уже достигли такого уровня развития (XM-L, XT-E) что возможно изготовить светильник даже более эффективный, чем изделие, выполненное на натриевой лампе. Конечно, первоначальная стоимость светодиодного светильника достаточно высока, но затраты на эксплуатацию — значительно ниже, и в конечном счете может оказаться экономически целесообразным применение именно светодиодного светильника вместо светильника с натриевой лампой. Принимая во внимание, что развитие светодиодных технологий идет достаточно быстрыми темпами, происходит постоянное снижение стоимости и еще не достигнут предел по эффективности, можно с уверенностью предсказать неизбежное и явное уже в скором времени превосходство светодиодов над традиционными, даже самыми эффективными, источниками света.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail

•••