LED-belysningens genombrott har medfört en rad fördelar jämfört med traditionella ljuskällor; energiförbrukning och underhållskostnader minskar inom många branscher och tillämpningar.
Energibesparingarna är lätta att observera i praktiken och kan jämföras mellan belysningslösningar genom en enkel jämförelse av effekt eller watttal.
Underhållsbesparingar tas dock ofta för givna. Visst vet vi att LED kan hålla en livstid, men finns det mer att känna till? Skiljer sig marknadens produkter åt? Och om så är fallet, vad är det bästa sättet att jämföra lösningar för att minimera livstidskostnaderna?
Dessa frågor blir särskilt viktiga där underhållskostnaderna är betydande, till exempel i Londons tunnelbanenät, där det har rapporterats att ett enstaka lampbyte ovanför en rulltrappa kan kosta över 1 000 pund[1]. Det är uppenbarligen värt att anstränga sig avsevärt för att undvika haverier i sådana fall. Vägbelysning, trafikinfrastruktur och parkeringsanläggningar är andra exempel där LED:s underhållsfördelar troligtvis är av större intresse än de energibesparingar för vilka tekniken kanske är mest känd.
För att besvara dessa frågor bör vi börja med att titta på de breda kategorierna av haverier, sammanfattade i badkarskurvan.
Badkarskurvan
Badkarskurvan är en grafisk representation av ett systems haverihastighet under dess livstid. Den visar tre distinkta faser av haverier, som ofta kan förklaras av fysikaliska fenomen kopplade till det aktuella systemet. Statistiskt sett är kurvan en summa av olika Weibull-fördelningar, och den generella formen sammanfattar systemets haverihastighet över tid för många typer av system; från elektriska kretsar och mekaniska system (som bilar) till biologiska system och människor. Kurvans form liknar profilen av ett badkar och visar att risken för haveri i ett system är relativt hög i början, sjunker till en platå och sedan ökar igen mot slutet av livstiden.
Tidiga haverier
Den första fasen kännetecknas av en initialt hög men sjunkande haverihastighet och handlar om tidiga haverier, eller barnsjukdomar. Dessa beror ofta på inneboende problem eller fel i systemet som gör att det havererar tidigt i den förväntade livstiden. Det finns många faktorer som kan orsaka tidiga haverier; från genetik i biologiska system till defekta komponenter eller tillverkningsfel i tillverkade produkter. Generellt sett kan man, när barnsjukdomsfasen väl är passerad, hysa större förtroende för systemet. Fabrikstestning genomförs ofta direkt efter tillverkning för att identifiera enheter som uppvisar tidiga haverier och avlägsna dem från leveranskedjan, så att de inte når kunden överhuvudtaget.
Slumpmässiga haverier
Systemets andra fas är den normala driftsfasen. Haverihastigheten når en platå och risken för att en enhet ska haverera är nu oberoende av tid. Det här är den stabilaste delen av ett systems livstid, och haverihastigheten vid denna tidpunkt definierar produktens ”tillförlitlighet”. Tillförlitlighet är en statistisk term som relaterar till sannolikheten för ett slumpmässigt haveri, det vill säga ett haveri som är oberoende av alla andra faktorer, som livslängd. Det är ett mått som inte relaterar till livstid och bör därför bedömas separat när man utvärderar en produkt av något slag. Vad tillförlitligheten berättar för oss är hur ofta ersättningar kan förväntas inom den normala driftsfasen. Dessa typer av haverier är oundvikliga och bör beaktas i alla livstidskostnadsmodeller. Trots det förbises de ofta, och det kommer som en överraskning när haverier väl inträffar. Tillförlitlighet mäts med haverihastigheten och anger hur många slumpmässiga haverier som kan förväntas per miljon timmars drift. Eftersom tillförlitlighet handlar om slumpmässiga haverier gäller haverihastigheten, förutsatt att ett system befinner sig i sin normala driftsfas, oavsett om vi vill förstå det sannolika antalet haverier för 100 produkter i drift under 10 000 timmar, eller 10 000 produkter i drift under 100 timmar. Tillförlitlighetsteknik är en disciplin i sig och omfattar en komplex uppsättning beräkningar och modeller för att fastställa ett systems tillförlitlighet, baserade på etablerade system som MIL-HDBK-217F.
Livstidsslut-haverier
Systemets sista fas är livstidsslut-fasen. Här börjar haverihastigheten öka till följd av utslitningseffekter, och den betecknas ofta som produktens förväntade livslängd eller nominella livslängd. Utslitningseffekterna introduceras ofta av specifika delar av systemet som, till sin natur eller position, är benägna att slitas ut; många komponenter uppvisar dock inga utslitningseffekter alls. Inom elektronik finns det flera nyckelkomponenter att beakta för livstidsslut-effekter; en av dem är den elektrolytiska kondensatorn. Dessa komponenter har en nominell livslängd och slits ut med tiden. Inom mekanik är ett lättförståeligt exempel tänderna på ett kugghjul som slits ned allteftersom systemet används, tills de till sist inte längre fungerar korrekt.
Ett systems förväntade livslängd beräknas ofta med hjälp av vägledning från tillverkaren av utslitningskomponenter i systemet, eller kan beräknas med accelererad livstidsprovning. Vid sådana tester utsätts systemet för extrema förhållanden, varefter ett matematiskt samband används för att beräkna den förväntade livslängden under normala förhållanden utifrån den observerade livslängden under extrema förhållanden.
Hur man bygger in detta i en kostnadsmodell
För belysning, och i situationer där ersättningskostnaderna är medelstora till höga, är det vanligtvis meningsfullt att genomföra reaktivt underhåll (det vill säga ersättning av slumpmässiga haverier) under den normala driftsfasen och genomföra bulkuppgraderingar nära produktens ”förväntade livslängd”; vid den tidpunkten börjar de löpande ersättningarna bli svårhanterliga.
Den totala livstidskostnaden för en produkt eller installation består vanligtvis av följande element:
- Initial enhetskostnad
- Initial installationskostnad
- Årliga energikostnader gånger livstiden
- Årliga CRC-kostnader gånger livstiden
- Reaktivt underhållselement
- Rengöringskostnader
- Testkostnader
- Avfallskostnader
Den totala kostnaden bör sedan divideras med enhetens livstid för att fastställa en årskostnad, som kan jämföras som ett likvärdigt mått mellan belysningslösningar.
Konsekvenser för belysning
Av ovanstående framgår att ett effektivt sätt att minimera de årliga kostnaderna för en installation är att öka produktens livstid. Därigenom sprids de fasta kostnaderna över ett större antal driftsår. Som nämnts tidigare definieras enhetens livstid av utslitningskomponenterna; vid traditionella LED-drivdon är det ofta den elektrolytiska kondensatorn. Systemets livstid kan förbättras avsevärt genom konstruktioner som undviker dessa komponenter helt; flera belysningsproducenter gör framsteg inom detta område, däribland INDO Lightings Direct Drive-teknik.
Produkter med hög tillförlitlighet har ett lägre reaktivt underhållselement än produkter med låg tillförlitlighet. Tillförlitligheten definieras av haverihastigheten, och det är viktigt att förstå att denna är oberoende av livstiden.
Slutsatser
Det är nödvändigt att beakta både livstid och tillförlitlighet för att förstå de verkliga livstidskostnaderna för en belysningsinstallation. Först när man har tillgång till den informationen kan man verkligen jämföra två lösningar på lika villkor och på så sätt avgöra i vilken utsträckning filosofin om att ”installera och glömma” håller streck.
[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
