När man väljer rätt ljusflödesmässiga underhållsfaktorer för LED-gatubelysning är det avgörande att ta hänsyn till rätt mängd ljusflödesdegradation för att säkerställa att ett belysningsprojekt uppfyller kraven vid slutet av sin livslängd. Ställer belysningsproffs rätt frågor till sina leverantörer?
Det är välkänt att LED:ens ljusutström minskar över tid, det som kallas ljusflödesdegradation. För att säkerställa att ett belysningsprojekt uppfyller kraven även vid slutet av sin livslängd måste vi därför ta hänsyn till denna ljusflödesdegradation under armaturen livstid.
Genom att göra detta får vi antingen mer ljus än vad som krävs i början av livscykeln, eller så använder vi en metod med konstant ljusutström (CLO) för att leverera konsistenta nivåer under perioden, genom att starta enheten i ett dimmrat läge och gradvis öka till maximal effekt under drifttiden.
Så långt, så bra. Vi har två tydliga val för hur vi hanterar ljusflödesdegradation, och dessa är lättillgängliga från alla stora belysingstillverkare.
Välja rätt CLO-profil
En faktor som lätt kan förbises är dock att matcha CLO-algoritmen till den planerade livslängden för projektet.
Om projektets konstruktionslivslängd är, säg, 100 000 timmar och vi vet att en enhets LED-utström efter denna tid är 80 % av sitt ursprungliga värde, bör armaturerna vid installation starta på 80 % utström och öka effekten så att den når 100 % efter 100 000 timmar.
På motsvarande sätt, om en projektlivslängd är 60 000 timmar och samma produkt har 88 % av sin utström efter denna period, bör CLO-algoritmen starta på 88 % utström och öka till 100 % utström under 60 000-timmarsperioden.
För en typisk LED-lykta med L80 på 100 000 timmar kan CLO spara 10 % av livscykelns energikostnader under perioden.
Det är vanligt att armaturtillverkare ställer in en standard-CLO-algoritm som förutsätter att projektlivslängden är lika med produktlivslängden. Det är viktigt att vara medveten om detta så att CLO-profilen kan matchas korrekt mot installationen.
Glöm heller inte att när CLO-program används i LED-drivdon, om ett drivareutbyte blir nödvändigt, kommer CLO-algoritmen att återställas och starta om från ”livscykelns början” om den inte programmeras enhet för enhet! Detta kommer att resultera i ett underbelyst, och därmed icke-regelenligt, projekt.
Att förstå LED-livslängder och underhållsfaktorer för LED-gatubelysning
Hur vet vi då vad LED:ens utström är vid projektets slut?
Det finns flera modeller som kan användas för att projicera ljusflödesutström, så att vi kan förutsäga vilken ljusutström som kommer att finnas efter en given drifttid. Dessa metoder bygger på uppmätt data och använder sedan matematiska modeller för att förutse hur LED:arna kommer att prestera i framtiden baserat på observerad prestanda under testperioden.
TM-21[1] är en sådan beräkning och används ofta inom belysningsbranschen. Beräkningen baseras på data insamlade enligt LM-80[2]-resultaten för LED:arna.
LM-80 = Testning
LM-80 är en teststandard som definierar hur ett LED-paket, en array eller en modul ska testas samt hur resultaten ska samlas in.
Metoden innebär att LED-proverna monteras i en testkammare med noggrant kontrollerade omgivningsförhållanden och elektriska insignaler, varefter enheterna mäts periodiskt för ljusutström och kromaticitet.
Testets varaktighet måste vara minst 6 000 timmar och fortsätts vanligtvis under en mycket längre period för att förbättra projektionernas noggrannhet och giltighet. Testning utförs vid en LED-höljtemperatur på 55 grader, 85 grader och en tredje temperatur vald av tillverkaren. Data måste samlas in minst var 1 000:e timme vid 25 grader.
LM-80 är bara en tillförlitlig informationskälla som ger kunderna möjlighet att utvärdera och jämföra ljusflödesmässiga underhållsfaktorer för LED-gatubelysningsenheter från olika tillverkare. Det är dock inte ett fullständigt mått på LED-systemets prestanda eller tillförlitlighet.
Det är värt att notera att om drivdonets livslängd är kortare än modulens kan ett drivdonsbyte bli nödvändigt innan armaturen har fullgjort sin livscykel. Det innebär att man inte kan ange ett enda värde för armaturen totala livslängd. Modulens och drivdonets värden ska deklareras separat och inte kombineras.
TM-21 = Projektioner
TM-21 utvecklades för att extrapolera dessa kortsiktiga LED-komponenttestdata för att förutsäga framtida livslängder och ge säkerhet om tekniken.
För att förutsäga ljusflödesdegradation kräver TM-21 helt enkelt att genomsnittlig ljusutström (som en procentandel av den initiala ljusutströmmen) för de testade LED:arna registreras vid olika jämnt fördelade tidpunkter under testet.
Projektionsmetoden kan sedan användas för att förutsäga ljusflödesdegradation efter en period, eller förutsäga antalet drifttimmar som kommer att förflyta innan ljusutströmmen når en definierad degradationsnivå.
Tabellen ovan (Figur 1) visar ett exempel på hur LM-80-resultaten samlas in och vilka resultat som används i TM-21-beräkningen.
Resultatet av ovanstående är klassad underhållslivslängd för ljusflödet Lx, vilket är den förflutna drifttiden under vilken LED-ljuskällan bibehåller procentandelen, x, av sin ursprungliga ljusutström. Till exempel: L70 (timmar) = tid tills 70 % ljusflödesunderhåll.
Eftersom TM-21 definierar en beräkning baserad på det genomsnittliga ljusflödesunderhållet vid varje mätpunkt är resultatet, per definition, genomsnittligt ljusflödesunderhåll för ett urval enheter efter den klassade underhållslivslängden. Med andra ord, efter de angivna timmarna kommer det aritmetiska medelvärdet av urvalets ljusflödesunderhåll att vara Lx-värdet. Eftersom ljusflödesunderhåll ungefär följer en normalfördelning kan vi också säga att för ett urval LED:ar förväntas hälften av enheterna uppvisa ett högre ljusflödesunderhåll än förväntat, och hälften ett lägre (se Figur 3 nedan).
Vi ser härav att den vanliga metod som specificeras i gatubelysningsupphandlingar, TM-21, endast kan projicera genomsnittliga ljusflödesunderhållsvärden (för en normalfördelning är medelvärde = median = typvärde), och med LxBy-notationen skulle representera LxB50.
Vilken effekt har B-värdet?
Belysningsnivåer och energianvändning
Vissa gatubelysningsupphandlingar efterfrågar projektioner av ”B”-värden som inte representerar det genomsnittliga underhållsprestanda för ljusflödet. Till exempel LxB10, det vill säga antalet drifttimmar tills högst 10 % av LED:arna ger mindre än x % av den initiala ljusutströmmen.
Figur 2 visar att för LED:ar vars degradation följer en normalfördelning är B10 det ljusflödesunderhållsvärde för vilket 10 % faller under Lx-målet och 90 % faller över tröskeln.
För en given LED kommer antalet timmar för ett lägre By-värde alltid att vara färre än antalet timmar till B50. Skillnaden beror på variationen i ljusflödesunderhåll uppmätt mellan testprover. Ett B10-värde är därför mer konservativt än B50. I praktiken innebär detta att B10 nås i ett tidigare skede i livslängden för en uppsättning LED-moduler jämfört med B50.
Som ett exempel: för en LED med L80B50 på 100 000 timmar kan vi förvänta oss att L80B10-värdet är i storleksordningen 70 000 timmar. Vid denna tidpunkt kan vi säga att 10 % av LED:arna har mindre än 80 % av ljusutströmmen. Som framgår av Figur 3 är dock den genomsnittliga ljusutströmmen för detta exempel efter 70 000 timmar faktiskt 87,5 %.
Om en LED-gatubelysningsinstallation projekteras med en projektlivslängd på 70 000 timmar är frågan för projektören om man ska använda L80B10 = 70 000 timmar och sätta underhållsfaktorn till 0,8, eller använda L87,5B50 = 70 000 timmar och sätta underhållsfaktorn till 0,875. Det senare resulterar tydligtvis i lägre energiförbrukning.
Det kan hävdas att det genomsnittliga ljusflödesunderhållsvärdet är mer lämpligt vid val av underhållsfaktor, eftersom vi vill säkerställa att projektet varken är underbelyst eller överbelyst. Med exemplet ovan, om L80B10 används, kommer projektet att vara överbelyst med 7,5 % i genomsnitt, jämfört med L87,5B50 där det inte är det (båda är 70 000 timmar).
Glöm inte att en LED-armatur vanligtvis innehåller ett antal LED:ar. LED-chips degraderar i olika takt, varför ljusflödesdegradationen för armaturen redan utgör ett genomsnitt av de enskilda LED-chipsen i enheten.
Noggrannhet i armaturjämförelser
Förutom risken för överbelysning finns ett annat problem med användningen av ”B”-värden, nämligen hur de beräknas. TM-21 är en definierad beräkningsmetod för genomsnittligt ljusflödesunderhåll och kräver att LED:arna testas enligt LM-80. TM-21 ger dock ingen vägledning om hur ”B”-värden ska beräknas.
Följaktligen beräknas alla uppgivna värden med en metod som väljs av tillverkaren. Detta är problematiskt eftersom avsaknaden av ett standardiserat tillvägagångssätt innebär att resultaten inte kan jämföras på ett likvärdigt sätt, vilket i bästa fall gör beslutsprocessen mellan armaturer svårare.
Tolkning av brittiska standarder
Bilaga C till BS 5489-1 beskriver processen för beräkning av underhållsfaktorer för LED-gatubelysning att användas i belysningsprojektering.
Detta dokument hänvisar endast till ljusflödesunderhåll som ett Lx-värde utan metod för att inkludera By-värden i ekvationen. Det innebär att användning av något annat än B50 kan anses vilseledande.
Att förstå BY-värden: Variation i ljusflödesdegradation
En viktig faktor som ”B”-värdet försöker belysa är variationen i ljusflödesunderhåll mellan LED-prover under testning.
Om vi till exempel har ett urval på 10 LED:ar och driver dem i 100 000 timmar vore det mer önskvärt att de uppmätta ljusflödesunderhållsresultaten liknar ”Exempel 1” i Figur 3 nedan snarare än ”Exempel 2”.
Figur 3. Variation i ljusflödesunderhåll mellan prover
Skälet till detta är att trots att de har samma genomsnittliga ljusflödesdegradation (och därmed identiska L80B50-värden) erbjuder Exempel 1 större konsekvens i ljusflödesunderhållet. Det innebär att alla LED:ar skulle degradera mycket jämnare och därmed ge en mer konsistent ljusutström över tid.
Om vi kunde vara säkra på att samma metoder användes för att beräkna B10-värden för båda exempeluppsättningarna, skulle kvaliteten hos exempeluppsättning 1 framhävas av begäran om L80B10. I verkligheten finns det, som vi vet, ingen standardisering för beräkningen av detta mätvärde, vilket innebär att jämförelser inte alltid är meningsfulla.
Ett alternativt sätt för kunder att samla information om variabilitet är att kontrollera variansen eller standardavvikelsen i resultaten från en enhets LM-80-testrapport. Eftersom LM-80 är ett branschstandardtestförfarande säkerställer detta en rättvis och robust jämförelse mellan likvärdiga armaturer.
Detta kan till och med inkluderas i upphandlingsdokument genom att helt enkelt ange en maximal tillåten standardavvikelse (ett mått på variationen av resultat från genomsnittet) för varje ljusflödesunderhållsmätpunkt under LM-80-testprocessen.
Sammanfattning
Användning av alternativa ”B”-värden jämfört med standard-TM-21-projektioner kan:
- Resultera i ett överbelyst projekt och därmed högre livscykelkostnader
- Göra bedömningar mellan olika lykter svårare, eftersom det inte finns någon standard som säkerställer att tillverkarna använder samma beräkning. TM-21 är däremot detsamma för alla tillverkare
Att använda B50 är det mest träffsäkra och lämpliga måttet för att säkerställa konsekvens med underhållsfaktorer för LED-gatubelysningsprincipen och samtidigt maximera installationens livslängd och effektivitet.
Det är naturligtvis aldrig riktigt så enkelt som det låter.
Även om det finns tydliga fördelar med att använda TM-21 och bortse från alla ”B”-påståenden, är problemet med TM-21 att en LED med hög grad av variation i ljusflödesunderhåll mellan LED-prover behandlas likadant som en LED med mycket konsekvent ljusflödesunderhåll mellan LED-prover.
Det är därför önskvärt att specificera en LED-källa med så liten variation i ljusflödesunderhållsprestanda som möjligt. Detta kan göras på ett konsekvent och jämförbart sätt genom att specificera minimalt observerade variationer i LM-80-testresultaten (se beigmarkerad standardavvikelserad i Figur 2).
Att använda mer energi än vad som krävs för att uppfylla standarderna är uppenbarligen inte önskvärt. Att sätta ett målprestandamätvärde som L80B10 orsakar inte bara detta och är öppet för manipulation, utan påverkar också möjligheten att jämföra armaturer på ett korrekt sätt.
Lawrence Baynham MEng är teknisk direktör på INDO Lighting. Hans slutsatser publicerades i ILP Lighting Journal november/december 2017 under titeln ”Diminishing Returns”, och presenterades i hans webbinarium ”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
