LED-belysningens fremvekst har brakt med seg en rekke fordeler sammenlignet med tradisjonelle lyskilder, og reduserer energiforbruk og vedlikeholdskostnader på tvers av en rekke bransjer og bruksområder.
Energibesparelser er lette å observere i praksis, og kan sammenlignes på tvers av belysningsløsninger ved en enkel sammenligning av effekt eller wattstyrke.
Vedlikeholdsbesparelser blir derimot ofte tatt for gitt. Vi vet selvfølgelig at LED-er kan vare en levetid, så hva mer er det å vite? Finnes det noen forskjeller mellom tilbudene på markedet? Og i så fall, hva er den beste måten å sammenligne løsninger på for å minimere levetidskostnadene?
Disse spørsmålene blir spesielt viktige der vedlikeholdskostnadene er betydelige, slik som på London Undergrounds nett, hvor det er rapportert at et enkelt lampeskift over en rulletrapp kan koste over £1 000[1]. I disse tilfellene er det åpenbart verdt å gå ganske langt for å unngå feil. Veibelysning, motorveier og parkeringsanlegg er andre eksempler hvor vedlikeholdsfordelene ved LED-er trolig er av større interesse enn energibesparelsene de kanskje er mest kjent for.
For å svare på disse spørsmålene bør vi først se på de brede feilkategoriene, oppsummert ved badekarkurven.
Badekarkurven
Badekarkurven er en grafisk fremstilling av et systems feilrate over levetiden. Den viser tre atskilte feilfaser, som ofte kan forklares med fysiske fenomener knyttet til det aktuelle systemet. Statistisk sett er kurven en sum av ulike Weibull-fordelinger, og den generelle formen oppsummerer feilraten over tid for mange ting, fra elektriske kretser og mekaniske systemer (som biler) til biologiske systemer og til og med mennesker. Kurvens form ligner profilen til et badekar, og viser at sannsynligheten for at et system svikter, er relativt høy i starten, avtar til et platå, og deretter øker igjen mot slutten av levetiden.
Innkjøringsfeil
Den første fasen har en i utgangspunktet høy, men avtagende feilrate, og handler om tidlige feil, eller innkjøringsfeil. Disse skyldes ofte iboende problemer eller feil i systemet som fører til at det svikter tidlig i systemets forventede levetid. Det er mange faktorer som kan forårsake tidlig feil, fra genetikk i et biologisk system til defekte komponenter eller produksjonsfeil i menneskeskapte produkter. Generelt sett kan man ha større tillit til systemet når denne innkjøringsfasen er over. Fabrikktesting utføres ofte umiddelbart etter produksjon for å identifisere enheter som viser tidlig feil, og fjerne disse fra forsyningskjeden slik at de aldri når kunden.
Tilfeldige feil
Systemets andre livsfase er den normale driftsfasen. Feilraten når et platå, og sannsynligheten for at en enhet svikter, er nå uavhengig av tid. Dette er den mest stabile delen av systemets levetid, og feilraten på dette tidspunktet definerer produktets «pålitelighet». Pålitelighet er et statistisk begrep knyttet til sannsynligheten for at en tilfeldig feil oppstår (det vil si en feil som er uavhengig av alle andre faktorer, som levetid). Det er et mål som ikke er knyttet til levetid, og bør derfor vurderes separat når man evaluerer et produkt av noe slag. Det påliteligheten forteller oss, er hvor ofte utskiftinger bør forventes innenfor den normale driftsfasen. Denne typen feil er uunngåelig og bør tas med i enhver levetidskostnadsmodell. Likevel blir de ofte oversett, og det kommer derfor som en overraskelse når feil faktisk oppstår. Pålitelighet måles ved feilraten, og forteller hvor mange tilfeldige feil som bør forventes per million driftstimer for enheten. Siden pålitelighet handler om tilfeldige feil, forutsatt at systemet er innenfor sin normale driftsfase, gjelder feilraten uansett om vi ønsker å forstå det sannsynlige antallet feil blant 100 produkter som opererer i 10 000 timer, eller 10 000 produkter som opererer i 100 timer. Pålitelighetsteknikk er en egen disiplin og omfatter et komplekst sett med beregninger og modeller for å fastslå påliteligheten til et system, basert på etablerte systemer som MIL-HDBK-217F.
Slitasjefeil
Systemets siste livsfase er slitasjefasen. Dette er der feilraten begynner å øke på grunn av slitasjeeffekter, og omtales ofte som forventet levetid eller nominell levetid for produktet. Slitasjeeffektene skyldes ofte spesifikke deler av systemet som, på grunn av sin natur eller plassering, er utsatt for slitasje, men mange komponenter viser ingen slitasjeeffekter i det hele tatt. Innen elektronikk er det flere nøkkelkomponenter man må vurdere for slitasjeeffekter ved slutten av levetiden, blant annet elektrolyttkondensatoren. Disse komponentene har en nominell levetid, og vil slites ut over tid. I mekanikk er et enkelt eksempel å visualisere tennene på et tannhjul, som slites ned etter hvert som systemet brukes, helt til de ikke lenger fungerer som de skal.
Systemets forventede levetid beregnes ofte ved hjelp av veiledning fra produsenten av slike slitasjekomponenter i systemet, eller kan beregnes ved hjelp av akselerert levetidstesting. I slike tester utsettes systemet for ekstreme forhold, og en matematisk sammenheng brukes deretter til å beregne forventet levetid under normale forhold ut fra den observerte levetiden under ekstreme forhold.
Slik bygger du dette inn i en kostnadsmodell
For belysning, og i tilfeller hvor utskiftingskostnadene er middels til høye, er det som regel fornuftig å utføre reaktivt vedlikehold (det vil si utskifting ved tilfeldige feil) innenfor den normale driftsfasen, og gjennomføre samleoppgraderinger nær produktets «forventede levetid», et punkt hvor de ad hoc-baserte utskiftingene begynner å bli uhåndterlige.
Den totale levetidskostnaden for et produkt eller en installasjon består vanligvis av følgende elementer:
- Innledende enhetskostnad
- Innledende installasjonskostnad
- Årlige energikostnader * levetid
- Årlige CRC-kostnader * levetid
- Reaktivt vedlikeholdselement
- Rengjøringskostnader
- Testkostnader
- Avhendingskostnader
Denne totalkostnaden bør deretter deles på enhetens levetid for å fastsette en årlig kostnad, som kan sammenlignes direkte mellom ulike belysningsløsninger.
Konsekvenser for belysning
Ut fra dette kan man se at en effektiv måte å minimere de årlige kostnadene til en installasjon på, er å øke produktets levetid. På denne måten fordeles de faste kostnadene over flere driftsår. Som nevnt tidligere, defineres enhetens levetid av slitasjekomponentene, som for tradisjonelle LED-drivere ofte er elektrolyttkondensatoren. Systemets levetid kan forbedres betraktelig med design som unngår disse komponentene helt, og flere belysningsprodusenter gjør fremskritt på dette området, blant annet INDO Lightings Direct Drive®-teknologi.
Produkter med høy pålitelighet vil ha et lavere reaktivt vedlikeholdselement enn produkter med lav pålitelighet. Påliteligheten defineres av feilraten, og det er viktig å forstå at denne ikke er knyttet til levetid.
Konklusjon
Det er avgjørende å vurdere både levetid og pålitelighet for å forstå de reelle levetidskostnadene til en belysningsinstallasjon. Først når man har denne informasjonen, kan man virkelig sammenligne to løsninger direkte, og dermed avgjøre i hvilken grad «monter og glem«-filosofien holder stikk.
[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, 26. juni 2015
