Bij het bepalen van de juiste onderhoudsfactoren voor lumenopbrengst bij LED-straatverlichting is het correct meenemen van lumenafname een essentieel onderdeel om te waarborgen dat een verlichtingsontwerp aan de eisen op het einde van de levensduur voldoet. Maar stellen verlichtingsprofessionals hun leveranciers wel de juiste vragen?
Het is algemeen bekend dat de lichtopbrengst van een LED in de loop van de tijd afneemt; dit wordt lumenafname genoemd. Om te waarborgen dat een verlichtingsontwerp ook aan het einde van de levensduur aan de eisen voldoet, moeten wij deze lumenafname over de levensduur van het armatuur dus verdisconteren.
Door dit te doen, eindigen wij ofwel met meer licht dan vereist aan het begin van de levensduur, ofwel maken wij gebruik van een methode met constante lichtopbrengst (CLO) om consistente niveaus gedurende de periode te leveren door de unit in een gedimd toestand te starten en het vermogen geleidelijk te verhogen tot het maximum gedurende de bedrijfslevensduur.
Tot zover uiteraard niets nieuws. Wij hebben twee duidelijke keuzes voor het omgaan met lumenafname, en deze zijn zonder meer beschikbaar van alle grote verlichtingsfabrikanten.
Het juiste CLO-profiel kiezen
Eén overweging die gemakkelijk over het hoofd wordt gezien, is echter het afstemmen van het CLO-algoritme op de ontworpen projectlevensduur.
Als de ontwerplevensuur van het project bijvoorbeeld 100.000 uur bedraagt en wij weten dat na die tijd de LED-opbrengst van een unit 80% van de oorspronkelijke waarde bedraagt, dan dienen de armaturen bij installatie op 80% opbrengst te starten en moet het vermogen zo worden verhoogd dat na 100.000 uur 100% wordt bereikt.
Op vergelijkbare wijze: als een projectlevensduur 60.000 uur bedraagt en datzelfde product na deze periode 88% van zijn opbrengst heeft, dan dient het CLO-algoritme op 88% opbrengst te starten en over de periode van 60.000 uur op te lopen tot 100%.
Kijkend naar een typisch LED-armatuur met een L80 van 100.000 uur, kan CLO 10% van de energiekosten over de levensduur besparen.
Het is gebruikelijk dat armatuurenfabrikanten een standaard CLO-algoritme instellen dat ervan uitgaat dat de projectlevensduur gelijk is aan de productlevensduur. Het is echter belangrijk hier bewust van te zijn, zodat het CLO-profiel correct op de installatie kan worden afgestemd.
Vergeet ook niet dat wanneer CLO-programma’s in de LED-driver worden gebruikt en een driververvanging noodzakelijk wordt, tenzij de driver per unit afzonderlijk wordt geprogrammeerd, het CLO-algoritme opnieuw wordt ingesteld en weer van het ‘begin van de levensduur’ begint. Dit resulteert in een onderverlicht en daarmee niet-conform schema.
Inzicht in LED-levensduren en onderhoudsfactoren voor LED-straatverlichting
Hoe weten wij wat de opbrengst van de LED aan het einde van het project zal zijn?
Er zijn verschillende modellen beschikbaar om de lumenopbrengst te projecteren, zodat wij de lichtopbrengst na een gegeven bedrijfsperiode kunnen voorspellen. Deze methoden werken op basis van gemeten gegevens en gebruiken vervolgens wiskundige modellen om te projecteren hoe de LED’s in de toekomst zullen presteren op basis van de waargenomen prestaties tijdens de testperiode.
TM-21[1] is zo’n berekening en wordt veel gebruikt in de verlichtingssector. De berekening is gebaseerd op gegevens verzameld op grond van de LM-80[2]-resultaten van de LED’s.
LM-80 = Testen
LM-80 is een teststandaard die de manier waarop een LED-pakket, -array of -module getest moet worden en de manier waarop resultaten moeten worden verzameld, definieert.
De methode omvat het plaatsen van het LED-monster in een testopstelling met nauwkeurig geregelde omgevingscondities en elektrische ingangen, en het periodiek meten van lumenopbrengst en chromaticiteit van de apparaten.
De duur van de test bedraagt minimaal 6.000 uur en wordt doorgaans veel langer voortgezet om de nauwkeurigheid en geldigheid van projecties te verbeteren. Tests worden uitgevoerd bij een LED-behuizingstemperatuur van 55 graden, 85 graden en een derde temperatuur die door de fabrikant wordt gekozen. Gegevens moeten minimaal elke 1.000 uur worden verzameld bij 25 graden.
LM-80 is slechts één betrouwbare informatiebron die klanten in staat stelt onderhoudsfactoren voor lumenopbrengst van LED-straatverlichting van verschillende fabrikanten te evalueren en te vergelijken. Het is echter geen volledige maatstaf voor de prestaties of betrouwbaarheid van het LED-systeem.
Het is vermeldenswaard dat, als de levensduur van de driver korter is dan die van de module, vervanging van de driver vóór het einde van de levenscyclus van het armatuur noodzakelijk kan zijn. Dit betekent dat geen enkel getal de totale levensduur van het armatuur kan verklaren. De waarden van de module en de driver dienen afzonderlijk te worden vermeld en niet gecombineerd.
TM-21 = Projecties
TM-21 is ontwikkeld om deze kortetermijn testgegevens van LED-componenten te extrapoleren om toekomstige levensduren te voorspellen en vertrouwen in de technologie te bieden.
Voor het voorspellen van lumenafname vereist TM-21 eenvoudigweg dat de gemiddelde lumenopbrengst (als percentage van de initiële lumenopbrengst) van de geteste LED’s op verschillende gelijkmatig verspreide tijdpunten tijdens de test wordt geregistreerd.
De projectiemethode kan vervolgens worden gebruikt om lumenafname na een bepaalde periode te voorspellen, of om te voorspellen na hoeveel bedrijfsuren de lumenopbrengst een bepaald afnameniveau zal bereiken.
Bovenstaande tabel (Figuur 1) toont een voorbeeld van hoe de LM-80-resultaten worden vastgelegd en welke resultaten worden gebruikt in de TM-21-berekening.
Het resultaat hiervan is de gewaardeerde lumenonderhoudlevensduur Lx, dit is de verstreken bedrijfstijd gedurende welke de LED-lichtbron het percentage x van zijn initiële lichtopbrengst handhaaft. Bijvoorbeeld: L70 (uren) = tijd tot 70% lumenonderhoud.
Omdat TM-21 een berekening definieert op basis van het gemiddelde lumenonderhoud op elk meetpunt, is het resultaat per definitie het gemiddelde lumenonderhoud van een steekproef van units na de gewaardeerde lumenonderhoudlevensduur. Met andere woorden: na de geciteerde uren zal het rekenkundig gemiddelde van de lumenonderhoudswaarden van de steekproef de Lx-waarde zijn. Omdat lumenonderhoud een normale verdeling volgt, kunnen wij ook zeggen dat voor een steekproef van LED’s verwacht mag worden dat de helft van de units een hoger lumenonderhoud vertoont dan voorspeld en de andere helft een lager lumenonderhoud dan voorspeld (zie Figuur 3 hieronder).
Hieruit blijkt dat de gangbare methode die in aanbestedingen voor straatverlichting wordt gespecificeerd, TM-21, uitsluitend in staat is gemiddelde lumenonderhoudswaarden te projecteren (bij een normale verdeling geldt: gemiddelde = mediaan = modus) en in de LxBy-notatie LxB50 zou vertegenwoordigen.
Wat is de invloed van de B-waarde?
Verlichtingsniveaus en energieverbruik
Sommige aanbestedingen voor straatverlichting vragen om projecties van ‘B’-waarden die het gemiddelde lumenonderhoudsprestatie niet vertegenwoordigen. Bijvoorbeeld LxB10, met andere woorden: het aantal bedrijfsuren totdat niet meer dan 10% van de LED’s minder dan x% van de initiële lichtopbrengst levert.
Figuur 2 toont dat, voor LED’s waarvan de afname een normale verdeling volgt, B10 de lumenonderhoudswaarde is waarbij 10% onder het Lx-doel valt en 90% boven de drempel uitkomt.
Voor een gegeven LED is het aantal uren voor een lagere By-waarde altijd kleiner dan het aantal uren tot B50. Het verschil is afhankelijk van de spreiding in lumenonderhoud gemeten tussen teststeekproeven. Een B10-waarde is daardoor conservatiever dan B50. In de praktijk betekent dit dat B10 in een eerder stadium van de levensduur van een set LED-modules wordt bereikt dan B50.
Als voorbeeld: voor een LED met L80B50 van 100.000 uur verwachten wij dat de L80B10-waarde rond de 70.000 uur ligt. Op dat punt kunnen wij stellen dat 10% van de LED’s minder dan 80% van de lichtopbrengst heeft. Zoals echter te zien is in Figuur 3, is de gemiddelde lichtopbrengst voor dit voorbeeld na 70.000 uur in feite 87,5%.
Als een LED-straatverlichting wordt ontworpen met een projectlevensduur van 70.000 uur, is de vraag voor de ontwerper dan of L80B10 = 70.000 uur moet worden gebruikt en de onderhoudsfactor op 0,8 moet worden gesteld, of dat L87.5B50 = 70.000 uur moet worden gebruikt en de onderhoudsfactor op 0,875 moet worden gesteld. Het laatste resulteert duidelijk in minder energieverbruik.
Er kan worden betoogd dat de gemiddelde lumenonderhoudswaarde beter geschikt is voor het bepalen van de onderhoudsfactor, omdat wij willen waarborgen dat het schema niet onderverlicht of oververlicht is. Gebruikmakend van bovenstaand voorbeeld: bij gebruik van L80B10 zal het schema gemiddeld 7,5% oververlicht zijn, terwijl dit bij L87.5B50 niet het geval is (beide zijn 70.000 uur).
Vergeet niet dat een LED-armatuur doorgaans een aantal LED’s bevat. LED-chips nemen in verschillende mate af, zodat de lumenafname van het armatuur al een gemiddelde is van de lumenafname van de afzonderlijke LED-chips in de unit.
Nauwkeurigheid van armatuurvergelijkingen
Naast het risico van oververlichting is een ander probleem bij het gebruik van ‘B’-waarden de manier waarop ze worden berekend. TM-21 is een gedefinieerde berekeningsmethode voor gemiddeld lumenonderhoud en vereist dat de LED’s worden getest conform LM-80. TM-21 biedt echter geen richtlijnen voor het berekenen van ‘B’-waarden.
Alle verstrekte waarden worden derhalve berekend met een methode die door de fabrikant zelf is gekozen. Dit is problematisch, omdat het ontbreken van een gestandaardiseerde aanpak betekent dat resultaten niet op een eerlijke basis kunnen worden vergeleken, hetgeen het besluitvormingsproces tussen armaturen op zijn best vertroebelt.
Interpretatie van Britse normen
Bijlage C van BS 5489-1 beschrijft het proces voor het berekenen van onderhoudsfactoren voor LED-straatverlichting voor gebruik in verlichtingsontwerpen.
Dit document verwijst uitsluitend naar lumenonderhoud als Lx-waarde zonder methode voor het opnemen van By-waarden in de vergelijking. Het gebruik van iets anders dan B50 kan daardoor als misleidend worden beschouwd.
Grip krijgen op BY-waarden: variatie in lumenafname
Eén sleutelfactor die de ‘B’-waarde probeert te belichten, is de variatie in lumenonderhoud tussen LED-monsters tijdens het testen.
Als wij bijvoorbeeld een steekproef van 10 LED’s nemen en deze 100.000 uur laten werken, zou het wenselijker zijn als de gemeten lumenonderhoudsresultaten gelijken op die van ‘Voorbeeld 1’ in Figuur 3 hieronder in plaats van op ‘Voorbeeld 2’.
Figuur 3. Variatie in lumenonderhoud tussen monsters
De reden hiervoor is dat, ondanks dezelfde gemiddelde lumenafname (en daardoor identieke L80B50-waarden), Voorbeeld 1 meer consistentie in lumenonderhoud biedt. Dit betekent dat alle LED’s veel gestager afnemen en daardoor een consistentere lichtopbrengst in de loop van de tijd leveren.
Als wij er zeker van konden zijn dat dezelfde methoden worden gebruikt voor het berekenen van B10-waarden voor beide voorbeeldsets, zou de kwaliteit van voorbeeldset 1 worden benadrukt door de aanvraag voor L80B10. In de praktijk is er echter, zoals wij weten, geen standaardisering voor de berekening van dit kengetal, waardoor vergelijkingen niet altijd zinvol zijn.
Een alternatieve manier waarop klanten informatie over variabiliteit kunnen verzamelen, is het controleren van de variantie of standaardafwijking van resultaten in het LM-80-testrapport van een unit. Omdat LM-80 een door de industrie vastgestelde testprocedure is, zou dit een eerlijke en robuuste vergelijking tussen vergelijkbare armaturen waarborgen.
Dit kan zelfs worden opgenomen in aanbestedingsdocumenten door eenvoudigweg een maximaal toegestane standaardafwijking (een maatstaf voor de spreiding van resultaten ten opzichte van het gemiddelde) te vermelden voor elk meetpunt voor lumenonderhoud tijdens het LM-80-testproces.
Samenvatting
Het gebruik van alternatieve ‘B’-waarden in vergelijking met de standaard TM-21-projecties kan:
- Leiden tot een oververlicht schema en daardoor hogere levensduurkosten
- Het oordeel tussen verschillende armaturen vertroebelen, omdat er geen norm is die fabrikanten dwingt dezelfde berekening te hanteren. Ter vergelijking: TM-21 is voor alle fabrikanten gelijk
Het gebruik van B50 is de meest nauwkeurige en geschikte maatstaf om consistentie met de principes van onderhoudsfactoren voor LED-straatverlichting te waarborgen, terwijl tegelijk de levensduur en efficiëntie van de installatie worden gemaximaliseerd.
Uiteraard is het nooit helemaal zo eenvoudig.
Hoewel er duidelijke voordelen zijn aan het gebruik van TM-21 en het negeren van eventuele ‘B’-beweringen, is het probleem met TM-21 dat een LED met een grote spreiding in lumenonderhoud tussen LED-monsters op dezelfde manier wordt behandeld als een LED met een zeer consistent lumenonderhoud tussen LED-monsters.
Het is daarom wenselijk een LED-bron te specificeren met zo min mogelijk variatie in lumenonderhoudsprestaties. Dit kan op een consistente en vergelijkbare wijze worden gedaan door minimaal waargenomen variaties in de LM-80-testresultaten te specificeren (zie de beige gemarkeerde Std Dev-rij in Figuur 2.)
Uiteindelijk is het duidelijk onwenselijk om meer energie te verbruiken dan noodzakelijk om aan de normen te voldoen. Het instellen van een doelprestatiemetric zoals L80B10 veroorzaakt dit niet alleen maar is ook vatbaar voor manipulatie, en beïnvloedt bovendien de mogelijkheid om armaturen nauwkeurig te vergelijken.
Lawrence Baynham MEng is Technical Director bij INDO Lighting. Zijn bevindingen werden gepubliceerd in het ILP Lighting Journal van november/december 2017 onder de titel “Diminishing Returns” en gepresenteerd in zijn webinar “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
