LED-valaistuksen aikakausi on tuonut mukanaan monia etuja perinteisiin valonlähteisiin verrattuna ja vähentänyt energiankulutusta sekä huoltokustannuksia lukuisilla toimialoilla ja käyttökohteissa.
Energiansäästöt näkyvät käytännössä helposti, ja eri valaistusratkaisuja voidaan vertailla yksinkertaisesti tehon tai wattimäärän perusteella.
Huoltosäästöt sen sijaan otetaan usein itsestäänselvyytenä. Tiedämme toki, että LEDit voivat kestää käytännössä koko elinkaaren ajan, joten mitä muuta asiasta pitäisi tietää? Onko markkinoilla tarjottavien ratkaisujen välillä eroja? Ja jos on, mikä on paras tapa vertailla ratkaisuja elinkaarikustannusten minimoimiseksi?
Nämä kysymykset korostuvat erityisesti silloin, kun huoltokustannukset ovat merkittäviä, kuten Lontoon metroverkossa, jossa yhden liukuportaiden yläpuolisen lampun vaihdon on raportoitu maksavan yli £1 000[1]. Näissä tapauksissa kannattaa selvästi nähdä huomattavastikin vaivaa vikojen välttämiseksi. Katuvalaistus, tievalaistus ja pysäköintialueiden valaistus ovat muita esimerkkejä, joissa LEDien huoltoedut voivat kiinnostaa enemmän kuin energiansäästöt, joista ne ehkä tunnetaan parhaiten.
Näihin kysymyksiin vastaamiseksi kannattaa ensin tarkastella vikojen laajoja kategorioita, joita kuvaa niin sanottu kylpyammekäyrä.
Kylpyammekäyrä
Kylpyammekäyrä on graafinen esitys järjestelmän vikaantumisasteesta sen elinkaaren aikana. Se esittää kolme erillistä vikaantumisvaihetta, jotka voidaan usein selittää kyseiseen järjestelmään liittyvillä fysikaalisilla ilmiöillä. Tilastollisesti käyrä on eri Weibull-jakaumien summa, ja sen yleismuoto kuvaa monien järjestelmien, kuten sähköpiirien, mekaanisten järjestelmien (esimerkiksi autojen), biologisten järjestelmien ja jopa ihmisten, vikaantumisastetta ajan kuluessa. Käyrän muoto muistuttaa kylpyammeen profiilia: järjestelmän vikaantumistodennäköisyys on aluksi suhteellisen korkea, laskee sitten tasanteelle ja nousee jälleen elinkaaren loppua kohti.
Alkuvaiheen viat
Ensimmäisessä vaiheessa vikaantumisaste on aluksi korkea mutta laskeva, ja kyse on varhaisvioista eli alkuvaiheen vioista. Nämä liittyvät usein järjestelmän luontaisiin vikoihin, jotka aiheuttavat vikaantumisen järjestelmän odotetun eliniän alkuvaiheessa. Varhaisvikoja voivat aiheuttaa monet tekijät, biologisen järjestelmän perimästä viallisiin komponentteihin tai ihmisen valmistamien tuotteiden valmistusvirheisiin. Yleisesti ottaen, kun tämä alkuvaiheen vikajakso on ohitettu, järjestelmään voidaan luottaa entistä enemmän. Tehdastestaus tehdään usein välittömästi valmistuksen jälkeen, jotta varhain vikaantuvat yksiköt tunnistetaan ja poistetaan toimitusketjusta, eivätkä ne koskaan päädy asiakkaalle.
Satunnaisviat
Järjestelmän elinkaaren toinen vaihe on normaali käyttöikävaihe. Vikaantumisaste tasaantuu, eikä yksikön vikaantumistodennäköisyys enää riipu ajasta. Tämä on järjestelmän elinkaaren vakain osa, ja tässä vaiheessa vikaantumisaste määrittää tuotteen ”luotettavuuden”. Luotettavuus on tilastollinen käsite, joka kuvaa satunnaisen vian todennäköisyyttä (eli vian, joka on riippumaton kaikista muista tekijöistä, kuten iästä). Se on mittari, joka ei liity käyttöikään, ja siksi sitä tulisi tarkastella erikseen minkä tahansa tuotteen arvioinnissa. Luotettavuus kertoo, kuinka usein vaihtoja on odotettavissa normaalin käyttöikävaiheen aikana. Tämäntyyppiset viat ovat väistämättömiä, ja ne tulisi ottaa huomioon jokaisessa elinkaarikustannusmallissa. Tästä huolimatta ne jäävät usein huomiotta, joten vikojen ilmetessä ne tulevat yllätyksenä. Luotettavuutta mitataan vikaantumisasteella, joka kertoo, kuinka monta satunnaisvikaa on odotettavissa miljoonaa laitteen käyttötuntia kohden. Koska luotettavuus liittyy satunnaisvikoihin, vikaantumisaste pätee samalla tavalla riippumatta siitä, tarkastellaanko todennäköistä vikamäärää 100 tuotteen joukossa 10 000 tunnin käytön aikana vai 10 000 tuotteen joukossa 100 tunnin käytön aikana, kunhan järjestelmä on normaalissa käyttöikävaiheessaan. Luotettavuustekniikka on oma tieteenalansa, ja se kattaa monimutkaisen joukon laskelmia ja malleja järjestelmän luotettavuuden määrittämiseksi, jotka perustuvat esimerkiksi vakiintuneisiin standardeihin, kuten MIL-HDBK-217F:ään.
Elinkaaren lopun viat
Järjestelmän elinkaaren viimeinen vaihe on elinkaaren loppuvaihe. Tässä vaiheessa vikaantumisaste alkaa nousta kulumisilmiöiden vuoksi, ja vaihetta kutsutaan usein tuotteen odotetuksi eliniäksi tai nimelliseliniäksi. Kulumisilmiöt johtuvat usein järjestelmän tietyistä osista, jotka luonteensa tai sijaintinsa vuoksi ovat alttiita kulumiselle; monet komponentit eivät kuitenkaan kulu lainkaan. Elektroniikassa elinkaaren lopun ilmiöiden kannalta keskeisiä komponentteja on useita, joista yksi on elektrolyyttikondensaattori. Näillä komponenteilla on nimellinen käyttöikä, ja ne kuluvat ajan myötä. Mekaniikassa helppo havainnollistava esimerkki on hammaspyörän hampaat, jotka kuluvat järjestelmän käytön myötä ja lopulta lakkaavat toimimasta kunnolla.
Järjestelmän odotettu elinikä lasketaan usein kuluvien komponenttien valmistajan ohjeiden perusteella, tai se voidaan laskea kiihdytetyllä elinikätestauksella. Tällaisissa testeissä järjestelmä altistetaan äärimmäisille olosuhteille, minkä jälkeen matemaattisen yhteyden avulla lasketaan odotettu elinikä normaaliolosuhteissa äärimmäisissä olosuhteissa havaitun eliniän perusteella.
Miten tämä huomioidaan kustannusmallissa
Valaistuksessa, ja tapauksissa joissa vaihtokustannukset ovat keskisuuria tai suuria, on yleensä järkevää tehdä korjaavaa huoltoa (eli satunnaisesti vikaantuneiden yksiköiden vaihtamista) normaalin käyttöiän aikana ja toteuttaa laajamittaiset päivitykset lähellä tuotteen ”odotettua elinikää”, jonka jälkeen yksittäiset vaihdot alkavat käydä hallitsemattomiksi.
Tuotteen tai asennuksen kokonaiselinkaarikustannus koostuu tyypillisesti seuraavista osista:
- Yksikön hankintakustannus
- Asennuksen alkukustannus
- Vuotuiset energiakustannukset * käyttöikä
- Vuotuiset CRC-kustannukset * käyttöikä
- Korjaavan huollon osuus
- Puhdistuskustannukset
- Testauskustannukset
- Hävityskustannukset
Tämä kokonaiskustannus tulee sitten jakaa yksikön käyttöiällä vuotuisen kustannuksen määrittämiseksi, jolloin eri valaistusratkaisuja voidaan vertailla keskenään samoin perustein.
Merkitys valaistuksessa
Edellä esitetystä voidaan päätellä, että tehokas tapa minimoida asennuksen vuotuiset kustannukset on pidentää tuotteen käyttöikää. Näin kiinteät kustannukset jakautuvat useammalle käyttövuodelle. Kuten aiemmin todettiin, yksikön käyttöiän määrittävät kuluvat komponentit, jotka perinteisissä LED-liitäntälaitteissa ovat usein elektrolyyttikondensaattori. Järjestelmän käyttöikää voidaan parantaa merkittävästi ratkaisuilla, jotka välttävät nämä komponentit kokonaan; useat valaistusvalmistajat, kuten INDO Lighting Direct Drive® -teknologiallaan, ovat edistyneet tällä saralla.
Tuotteilla, joilla on korkea luotettavuus, on pienempi korjaavan huollon osuus kuin tuotteilla, joiden luotettavuus on matala. Luotettavuuden määrittää vikaantumisaste, ja on tärkeää ymmärtää, että se ei liity käyttöikään.
Yhteenveto
Sekä käyttöikä että luotettavuus on tärkeää ottaa huomioon, jotta valaistusasennuksen todelliset elinkaarikustannukset ymmärretään. Vasta kun nämä tiedot ovat käytettävissä, voidaan kahta ratkaisua todella vertailla samoin perustein ja selvittää, missä määrin ”asenna ja unohda” -filosofia pitää paikkansa.
[1] “The one factor driving the adoption of LED lighting on the Tube”, http://luxreview.com/article/2015/06/the-one-factor-driving-the-adoption-of-led-lighting-on-the-tube, 26th June 2015
