Kun pohditaan oikeita valonlähteen valovirran ylläpitokertoimia LED-katuvalaistukselle, oikean valovirran alenemisen huomioiminen on kriittinen osa sen varmistamista, että valaistussuunnitelma täyttää käyttöiän lopun vaatimukset. Mutta osaavatko valaistusalan ammattilaiset kysyä toimittajiltaan oikeita kysymyksiä?
On yleisesti tiedossa, että LEDin valovirta heikkenee ajan myötä; tätä kutsutaan valovirran alenemiseksi. Jotta valaistussuunnitelma täyttäisi vaatimukset myös käyttöiän lopussa, meidän on siis otettava huomioon tämä valovirran aleneminen koko valaisimen käyttöiän ajalta.
Tällöin päädymme joko käyttämään enemmän valoa kuin käyttöiän alussa tarvitaan, tai hyödynnämme vakiovalovirtamenetelmää (CLO), joka tuottaa tasaisen valovirtatason koko ajanjaksolle käynnistämällä yksikön himmennettynä ja nostamalla tehoa vähitellen kohti maksimia käyttöiän kuluessa.
Tähän asti kaikki on toki hyvin. Meillä on kaksi selkeää vaihtoehtoa valovirran alenemisen käsittelyyn, ja molemmat ovat helposti saatavilla kaikilta suurilta valaistusvalmistajilta.
Oikean CLO-profiilin valinta
Yksi seikka, joka unohtuu helposti, on CLO-algoritmin sovittaminen suunnitellun hankkeen käyttöikään.
Jos hankkeen suunniteltu käyttöikä on esimerkiksi 100 000 tuntia ja tiedämme, että tämän ajan jälkeen yksikön LED-valovirta on 80% alkuperäisestä arvostaan, meidän tulisi valaisimia asennettaessa aloittaa 80% valovirralla ja nostaa tehoa niin, että valovirta saavuttaa 100% 100 000 tunnin jälkeen.
Vastaavasti, jos hankkeen käyttöikä on 60 000 tuntia ja samalla tuotteella on 88% valovirrastaan jäljellä tämän ajan jälkeen, CLO-algoritmin tulisi aloittaa 88% valovirralla ja nostaa se 100% valovirtaan 60 000 tunnin aikana.
Kun tarkastellaan tyypillistä LED-katuvalaisinta, jonka L80-arvo on 100 000 tuntia, CLO voi säästää jopa 10% elinkaaren energiakustannuksista tänä aikana.
Valaisinvalmistajilla on yleensä tapana asettaa oletusarvoinen CLO-algoritmi, joka olettaa hankkeen käyttöiän olevan sama kuin tuotteen käyttöikä. Tämä on kuitenkin tärkeää tiedostaa, jotta CLO-profiili voidaan sovittaa oikein asennukseen.
Älä myöskään unohda, että kun LED-liitäntälaitteen sisäisiä CLO-ohjelmia käytetään, liitäntälaitteen vaihdon yhteydessä CLO-algoritmi nollautuu ja käynnistyy jälleen ‘käyttöiän alusta’, ellei sitä ole ohjelmoitu yksikkökohtaisesti! Tämä johtaa alivalaistuun ja siten vaatimustenvastaiseen hankkeeseen.
LED-valaisimien käyttöiät & ylläpitokertoimet LED-katuvalaistuksessa
Miten siis tiedämme, millainen LEDin valovirta on hankkeen käyttöiän lopussa?
Valovirran ennustamiseen on käytettävissä useita malleja, joiden avulla voimme ennakoida, millainen valovirta on tietyn käyttöjakson jälkeen. Nämä menetelmät perustuvat mitattuun dataan, jota käsitellään matemaattisilla malleilla LEDien tulevan suorituskyvyn ennustamiseksi testausjakson aikana havaitun suorituskyvyn perusteella.
TM-21[1] on yksi tällainen laskentamenetelmä, jota käytetään yleisesti valaistusalalla. Laskenta perustuu dataan, joka on kerätty LEDien LM-80[2]-testitulosten mukaisesti.
LM-80 = Testaus
LM-80 on testausstandardi, joka määrittelee, miten LED-paketti, -matriisi tai -moduuli tulee testata ja miten tulokset tulee kerätä.
Menetelmässä LED-näytteet asennetaan testikammioon, jossa ympäristöolosuhteet ja sähköiset syötteet on tarkasti hallittu, minkä jälkeen laitteista mitataan säännöllisin väliajoin valovirta ja väriarvo.
Testin kesto on oltava vähintään 6 000 tuntia, ja sitä jatketaan tyypillisesti huomattavasti pidempään ennusteiden tarkkuuden ja luotettavuuden parantamiseksi. Testaus suoritetaan LED-kotelon lämpötilassa 55 astetta, 85 astetta sekä valmistajan valitsemassa kolmannessa lämpötilassa. Dataa on kerättävä vähintään 1 000 tunnin välein 25 asteen lämpötilassa.
LM-80 on vain yksi luotettava tietolähde, jonka avulla asiakkaat voivat arvioida ja vertailla eri valmistajien LED-katuvalaisimien valovirran ylläpitokertoimia. Se ei kuitenkaan ole täydellinen mittari LED-järjestelmän suorituskyvylle tai luotettavuudelle.
On syytä huomata, että jos liitäntälaitteen käyttöikä on lyhyempi kuin moduulin, liitäntälaitteen vaihto saattaa olla tarpeen ennen kuin valaisimen elinkaari päättyy. Tämä tarkoittaa, ettei koko valaisimelle voida ilmoittaa yhtä yksittäistä käyttöikälukua. Moduulin ja liitäntälaitteen arvot tulisi ilmoittaa erikseen, ei yhdistettynä.
TM-21 = Ennusteet
TM-21 kehitettiin ekstrapoloimaan tätä lyhytaikaista LED-komponenttien testidataa tulevien käyttöikien ennustamiseksi ja teknologian luotettavuuden varmistamiseksi.
Valovirran alenemisen ennustamiseksi TM-21 edellyttää vain, että testattujen LEDien keskimääräinen (keskiarvo) valovirta (prosentteina alkuperäisestä valovirrasta) kirjataan tasavälein testin aikana.
Ennustemenetelmää voidaan sitten käyttää valovirran alenemisen ennustamiseen tietyn ajanjakson jälkeen, tai ennustamaan, kuinka monta käyttötuntia kuluu ennen kuin valovirta saavuttaa määritellyn alenematason.
Yllä oleva taulukko (kuva 1) näyttää esimerkin siitä, miten LM-80-tulokset kerätään ja mitä tuloksia käytetään TM-21-laskennassa.
Edellä mainitun tuloksena saadaan nimellinen valovirran säilyvyyden käyttöikä Lx, joka on kulunut käyttöaika, jonka kuluessa LED-valonlähde ylläpitää prosenttiosuuden x alkuperäisestä valovirrastaan. Esimerkiksi: L70 (tuntia) = aika, jossa valovirran säilyvyys on 70% tasolla.
Koska TM-21 määrittelee laskennan, joka perustuu keskimääräiseen valovirran säilyvyyteen kussakin mittauspisteessä, tulos on määritelmän mukaan keskimääräinen valovirran säilyvyys yksikkönäytteelle nimellisen valovirran säilyvyyden käyttöiän jälkeen. Toisin sanoen ilmoitettujen tuntien jälkeen näytteen valovirran säilyvyyksien aritmeettinen keskiarvo on Lx-arvo. Koska valovirran säilyvyys noudattaa likimain normaalijakaumaa, voimme myös todeta, että LED-näytteestä odotamme puolen yksiköistä osoittavan ennustettua korkeampaa valovirran säilyvyyttä ja puolen ennustettua matalampaa valovirran säilyvyyttä (katso kuva 3 alla).
Tästä näemme, että katuvalaistuksen tarjouspyynnöissä yleisesti käytetty menetelmä, TM-21, pystyy ennustamaan vain keskimääräisiä valovirran säilyvyyslukuja (normaalijakaumassa keskiarvo = mediaani = moodi), ja LxBy-merkintätapaa käyttäen tämä tarkoittaisi arvoa LxB50.
Mikä vaikutus B-luvulla on?
Valaistustasot ja energiankulutus
Jotkin katuvalaistuksen tarjouspyynnöt edellyttävät ‘B’-arvojen ennusteita, jotka eivät kuvaa keskimääräistä valovirran säilyvyyttä. Esimerkiksi LxB10, eli toisin sanoen käyttötuntien määrä, jonka jälkeen enintään 10% LEDeistä tuottaa vähemmän kuin x% alkuperäisestä valovirrasta.
Kuva 2 osoittaa, että LEDeille, joiden heikkeneminen noudattaa normaalijakaumaa, B10 olisi se valovirran säilyvyysarvo, jonka alle 10% jää Lx-tavoitearvosta ja jonka yläpuolelle 90% jää.
Millä tahansa LEDillä alemman By -arvon tuntimäärä on aina pienempi kuin B50:n tuntimäärä. Ero riippuu testinäytteiden välillä mitatusta valovirran säilyvyyden vaihtelusta. B10-arvo on siis varovaisempi kuin B50. Käytännössä tämä tarkoittaa, että B10 saavutetaan LED-moduulisarjan käyttöiässä aikaisemmin kuin B50.
Esimerkiksi LEDille, jonka L80B50-arvo on 100 000 tuntia, L80B10-arvon voisi odottaa olevan noin 70 000 tuntia. Tässä vaiheessa voimme todeta, että 10%:lla LEDeistä valovirta on alle 80%. Kuten kuvasta 3 kuitenkin nähdään, keskimääräinen valovirta tässä esimerkissä 70 000 tunnin jälkeen on itse asiassa 87,5%.
Jos LED-katuvalaistusasennus siis suunnitellaan 70 000 tunnin hankkeen käyttöiälle, suunnittelijan kysymys kuuluu: käytetäänkö arvoa L80B10 = 70 000 tuntia ja ylläpitokertoimena 0,8, vai arvoa L87.5B50 = 70 000 tuntia ja ylläpitokertoimena 0,875. Jälkimmäinen johtaa selvästi vähäisempään energiankulutukseen.
Voidaan perustellusti sanoa, että keskimääräinen valovirran säilyvyysluku sopii paremmin ylläpitokertoimen valintaan, koska haluamme varmistaa, ettei hanke ole ali- tai ylivalaistu. Yllä olevaa esimerkkiä käyttäen, jos käytetään arvoa L80B10, hanke on keskimäärin 7,5% ylivalaistu verrattuna arvoon L87.5B50, jossa näin ei ole (molemmat ovat 70 000 tuntia).
Älä unohda, että LED-valaisin sisältää yleensä useita LEDejä. LED-sirut heikkenevät eri nopeuksilla, joten valaisimen valovirran aleneminen on jo itsessään yksittäisten LED-sirujen valovirran alenemien keskiarvo yksikön sisällä.
Valaisinvertailujen tarkkuus
Ylivalaistuksen riskin lisäksi toinen ‘B’-lukuihin liittyvä ongelma on niiden laskentatapa. TM-21 on määritelty laskentamenetelmä keskimääräiselle valovirran säilyvyydelle, ja se edellyttää, että LEDit testataan LM-80:n mukaisesti. TM-21 ei kuitenkaan anna ohjeistusta siihen, miten ‘B’-luvut lasketaan.
Näin ollen kaikki toimitetut luvut on laskettu valmistajan itse valitsemalla menetelmällä. Tämä on ongelmallista, sillä yhtenäisen laskentatavan puuttuminen tarkoittaa, ettei tuloksia voida verrata suoraan keskenään, mikä parhaimmillaankin hämärtää valaisinten välistä päätöksentekoprosessia.
Brittiläisten standardien tulkinta
BS 5489-1 -standardin liite C kuvaa prosessin LED-katuvalaistuksen ylläpitokertoimien laskemiseksi valaistussuunnitelmissa käytettäväksi.
Tässä asiakirjassa valovirran säilyvyyteen viitataan ainoastaan Lx-arvona ilman menetelmää By-arvojen sisällyttämiseksi yhtälöön. Tämä tarkoittaa, että minkä tahansa muun arvon kuin B50:n käyttöä voitaisiin pitää harhaanjohtavana.
BY -lukujen haltuunotto: valovirran alenemisen vaihtelu
Yksi keskeinen tekijä, jota ‘B’-arvo pyrkii valottamaan, on LED-näytteiden välinen valovirran säilyvyyden vaihtelu testauksen aikana.
Esimerkiksi jos meillä on näyte 10 LEDiä ja käytämme niitä 100 000 tuntia, olisi toivottavampaa, että mitatut valovirran säilyvyystulokset muistuttaisivat alla olevan kuvan 3 ‘Esimerkkiä 1’ pikemminkin kuin ‘Esimerkkiä 2’.
Kuva 3. Valovirran säilyvyyden vaihtelu näytteiden välillä
Tämä johtuu siitä, että vaikka molemmilla on sama keskimääräinen valovirran aleneminen (ja siten identtiset L80B50-arvot), Esimerkki 1 tarjoaa tasaisemman valovirran säilyvyyden. Tämä tarkoittaisi, että kaikki LEDit heikkenisivät huomattavasti tasaisemmin ja tuottaisivat siten johdonmukaisemman valovirran ajan myötä.
Jos voisimme olla varmoja, että molempien esimerkkijoukkojen B10-arvot on laskettu samalla menetelmällä, esimerkkijoukon 1 laatu korostuisi arvon L80B10 kysynnässä. Todellisuudessa tämän tunnusluvun laskennalle ei kuitenkaan ole standardointia, joten vertailujen tekeminen ei ole aina hyödyllistä.
Vaihtoehtoinen tapa asiakkaille kerätä tietoa vaihtelusta on tarkistaa yksikön LM-80-testiraportin tulosten varianssi tai keskihajonta. Koska LM-80 on alan standarditestimenetelmä, tämä varmistaisi oikeudenmukaisen ja luotettavan vertailun samankaltaisten valaisimien välillä.
Tämä voitaisiin jopa lisätä hankinta-asiakirjoihin yksinkertaisesti ilmoittamalla suurin sallittu keskihajonta (mittari tulosten vaihtelulle keskiarvosta) mistä tahansa valovirran säilyvyyden mittauspisteestä LM-80-testiprosessin aikana.
Yhteenveto
Vaihtoehtoisten ‘B’-lukujen käyttö vakiomuotoisten TM-21-ennusteiden sijaan voi:
- Johtaa ylivalaistuun hankkeeseen ja siten korkeampiin elinkaarikustannuksiin
- Hämärtää eri valaisimien välistä vertailua, koska ei ole standardia, joka varmistaisi valmistajien käyttävän samaa laskentatapaa. Vertailun vuoksi TM-21 on sama kaikilla valmistajilla
B50:n käyttö on tarkin ja tarkoituksenmukaisin mittari, joka takaa johdonmukaisuuden LED-katuvalaistuksen ylläpitokerroinperiaatteiden kanssa samalla maksimoiden asennuksen käyttöiän ja tehokkuuden.
Mutta tietenkään asia ei koskaan ole aivan niin yksinkertainen!
Vaikka TM-21:n käytössä ja kaikkien ‘B’-väitteiden sivuuttamisessa on selkeitä etuja, TM-21:n ongelma on siinä, että LED, jonka valovirran säilyvyys vaihtelee paljon LED-näytteiden välillä, käsitellään samalla tavalla kuin LED, jonka valovirran säilyvyys on hyvin tasainen LED-näytteiden välillä.
Siksi on suositeltavaa määritellä LED-valonlähde, jonka valovirran säilyvyyden suorituskyvyn vaihtelu on mahdollisimman pientä. Tämä voidaan tehdä johdonmukaisella ja vertailukelpoisella tavalla määrittelemällä LM-80-testitulosten pienimmät havaitut vaihtelut (katso kuvan 2 beigellä korostettu Std Dev. -rivi).
Viime kädessä standardien täyttämiseen vaadittua enemmän energiaa käyttäminen ei tietenkään ole toivottavaa. Tavoitesuorituskykymittarin, kuten L80B10:n, asettaminen ei ainoastaan aiheuta tätä ja ole altis manipuloinnille, vaan vaikuttaa myös kykyyn vertailla valaisimia tarkasti.
Lawrence Baynham MEng toimii INDO Lightingin teknologiajohtajana. Hänen havaintonsa julkaistiin ILP Lighting Journal -lehden marras-joulukuun 2017 numerossa otsikolla “Diminishing Returns”, ja ne esiteltiin myös hänen webinaarissaan “To B50 or not to B50”.
[1] TM-21-11 Projecting Long-Term Lumen Maintenance of LED Light Sources – Illuminating Engineering Society of North America (IESNA)
[2] LM-80-08 Approved Method: Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources – IESNA
