LED vs. tradycyjne oświetlenie

Wyjaśniamy dlaczego nie powinno się porównywać oświetlenia LED z sodowym na podstawie ilości lumenów

OPRACOWANIE PRZYGOTOWANE PRZEZ FIRMĘ GREENIE POLSKA DOTYCZĄCE PORÓWNANIA TECHNOLOGII OŚWIETLENIA LED Z TECHNOLOGIAMI OŚWIETLENIA RTĘCIOWEGO, SODOWEGO ORAZ METALOHALOGENKOWEGO

Opracowane przez: Damian Szablak, Tomasz Zwierzchowski

Dlaczego bezpośrednie porównanie katalogowych ilości lumenów z oświetlenia LED oraz oświetlenia tradycyjnego (sodowego, rtęciowego, metalohalogenkowego) nie daje wiarygodnych wyników?

Porównywanie oświetlenia LED z oświetleniem tradycyjnym na podstawie ilości lumenów wskazanych w katalogach produktów nie da wiarygodnych wyników bowiem ilość lumenów jakie odbiera oko człowieka różni się w zależności od użytej technologii oświetlenia. Wynika to z trzech czynników:
1. Tradycyjne lampy mają wąskie widmo świecenia, w przypadku gdy oświetlenie LED posiada szerokie widmo świecenia.
2. Standardowa metodologia wyznaczania wartości lumenów nie uwzględnienia zmienności pracy oka ludzkiego w zależności od ilości światła jakie do niego dociera.
3. Pomiar strumienia świetlnego dla lamp tradycyjnych jest mierzony dla samego źródła bez oprawy, pomiar lamp LED uwzględnia całą oprawę oraz układ zasilający.
Poniżej opisujemy każdy z czynników ze szczegółami.

1. Tradycyjne lampy mają wąskie widmo świecenia, w przypadku gdy oświetlenie LED posiada szerokie widmo świecenia.

Tradycyjna metoda obliczania mocy świetlnej lamp zakłada brak odbicia światła od obiektów. W rzeczywistości jednak obiekty odbijają różne ilości światła w zależności od koloru ich powierzchni. Przykładowo jeśli oświetlimy zielony obiekt przy pomocy żółtego światła, to cała wiązka światła zostanie pochłonięta przez powierzchnię obiektu i będzie on wyglądał na czarny. Jeśli tak oświetlony zielony obiekt umieścimy na czarnej powierzchni to będzie on zupełnie niewidoczny. W praktyce odbicie światła od rzeczywistych obiektów daje trochę inny efekt. Przykładowo trawa, która wygląda na zieloną, zawiera kilka różnych barwników (chlorofil, karotenoidy, ksantofile itd.), zatem oświetlona żółtym światłem odbije część promieni i będzie wyglądać jakby miała kolor szary. Lampy sodowe stosowane w oświetleniu ulicznym mają wąskie widmo światła i dlatego muszą posiadać bardzo dużą moc świetlną, aby zapewnić wystarczającą widoczność.

Oświetlenie LED posiada szerokie widmo światła, zbliżone do widma słońca. Dzięki temu różnice w kolorach obiektów są wyraźniejsze, co daje lepszy kontrast i zapewnia lepszą widoczność na danym obszarze. Oświetlenie LED zapewnia zatem większą ostrość widzenia przy znacznie mniejszej ilości lumenów. W poniższym zrzucie ze spektometru, pierwszy wykres dotyczy lampy sodowej wysokoprężnej, a drugi – lampy ulicznej LED Strada z naszej oferty.

 

2. Standardowa metodologia wyznaczania wartości lumenów nie uwzględnienia zmienności pracy oka ludzkiego w zależności od ilości światła jakie do niego dociera.

Nasze oczy posiadają dwa główne rodzaje fotoreceptorów – czopki i pręciki. Czopki są wrażliwe na mocne światło, pracują w warunkach normalnych (dzień) i umożliwiają widzenie barwne. Mówimy wtedy o widzeniu fotopowym. Natomiast pręciki odbierają bodźce świetlne w warunkach niekorzystnych (przy znikomej ilości światła). Mówimy wtedy o widzeniu skotopowym (człowiek widzi wtedy świat pozbawiony barw, bowiem czopki odpowiedzialne za rozpoznawanie kolorów są nieaktywne przy widzeniu nocnym).

Światłomierze używane do pomiaru natężenia światła mierzą jedynie widzenie fotopowe. Natomiast w rzeczywistych warunkach oświetlenie będzie odbierane zarówno przy pomocy pręcików jak i czopków (widzenie mezopowe).
Z pomocą przychodzi tutaj współczynnik S/P, który umożliwia przeliczenie tradycyjnych lumenów na lumeny jakie w rzeczywistości odbiera oko człowieka.

S/P oznacza stosunek pomiędzy niebiesko-zieloną barwą a zielono-żółtą barwą światła. Im większy jest udział barwy niebiesko-zielonej tym większa wartość współczynnika i jednocześnie lepsza widoczność. Źródła światła z wysokim współczynnikiem S/P zapewniają lepszą widoczność przy niższej intensywności oświetlenia.

Tabela przedstawia przykładowe przeliczenie tradycyjnych lumenów na lumeny jakie w rzeczywistości są rejestrowane przez oko. Oświetlenie LED posiada znacznie wyższą wydajność świetlną zapewniając lepszą widoczność przy mniejszym zużyciu energii.

 

3. Pomiar strumienia świetlnego dla lamp tradycyjnych jest mierzony dla samego źródła bez oprawy, pomiar lamp LED uwzględnia całą oprawę oraz układ zasilający.

Tradycyjne lampy wyładowcze sodowe, rtęciowe oraz metalohalogenkowe są oceniane na podstawie efektywności samej lampy w temperaturze pokojowej. To podejście nie bierze pod uwagę wpływu oprawy w jakiej zainstalowana jest lampa. Niektóre źródła oświetlenia LED oraz wysokociśnieniowe lampy sodowe wydają się być bardzo efektywne (np. ich efektywność to nawet 100 lumenów na wat). Jednak sam współczynnik efektywności energetycznej nie odzwierciedla ilości światła jaka w rzeczywistości jest dostarczana przez źródło światła do danego celu.

Efektywność oświetlenia powinna być mierzona w stosunku do lampy w oprawie. Oceniana powinna być ilość lumenów jakie w rzeczywistości docierają do celu, a nie ilości lumenów emitowanych przez lampę. Tak mierzona efektywność oświetlenia będzie zawsze niższa niż wartość lumenów jakie są emitowane przez źródło oświetlenia. Niższa efektywność jest wynikiem czynników, które mają wpływ na oświetlenie zainstalowane w oprawie:
– Uwięzione światło – Tradycyjne lampy emitują oświetlenie we wszystkich kierunkach. Takie źródła oświetlenia potrzebują odpowiednich luster wewnątrz opraw, które mają za zadanie odbić maksymalną ilość promieni światła i skierować je na cel. Jednakże nie jest możliwe efektywne przekierowanie wszystkich promieni świetlnych.
– Ochronne soczewki – Oprawy oświetlenia zazwyczaj posiadają soczewki, które oprócz funkcji ochronnej pomagają skupić promienie świetlne na celu. Materiały, z których zbudowane są soczewki nie zapewniają 100% przepustowości światła i część wydajności świetlnej zostaje utracona.
– Temperatura pracy – Wiele źródeł światła ma obniżoną wydajność w przypadku zmian temperatury. Wydajność źródłowa mierzona jest przy 25°C. Natomiast rzeczywista temperatura pracy znacząco różni się od temperatury testowej, zwłaszcza w przypadku oświetlenia ulicznego.
– Źródło zasilania – Większość źródeł światła posiada zasilacze, które dostosowują napięcie wejściowe do używanego przez lampę. Straty spowodowane przez zasilacze wahają się od 5% do 25%.
Kolejnym czynnikiem, który wpływa na finalną wydajność oświetlenia i który jest bardzo ważny przy porównaniach oświetlenia tradycyjnego z oświetleniem LED to utrata wydajności na przestrzeni czasu. Tradycyjne źródła oświetlenia (zwłaszcza lampy metalohalogenkowe) charakteryzują się znaczącą utratą wydajności nawet po krótkim okresie użytkowania:

Wysokoprężne lampy sodowe tracą ponad 30% wydajności, a ich żywotność wynosi 24 000 godzin. Lampy metalohalogenkowe tracą nawet 50% wydajności, a ich żywotność wynosi 6000 – 15 000 godzin. Oświetlenie LED charakteryzuje się żywotnością na poziomie 50 000 – 100 000 godzin oraz utratą wydajności na poziomie 30% dla czasu świecenie 50 000 godzin.

Z powyższego zestawienia jasno wynika, że oświetlenie LED oferuje lepszą wydajność przez znacznie dłuższy okres czasu niż tradycyjne źródła oświetlenia dzięki czemu konieczność wymiany, bądź naprawy oświetlenia może być znacznie odłożona w czasie.

Studium przypadku:
W stanie Wisconsin w USA na parkingu szkolnym wymienione zostały lampy wysokosodowe, które dawały 19 000 lumenów na lampy LED dające 8040 lumenów. Po zmianie oświetlenia użytkownicy parkingu mieli wrażenie, że teren jest znacznie lepiej oświetlony mimo, iż obszar oświetlony jest przy użyciu mniejszej ilości lumenów.

Lewa strona parkingu oświetlona lampami LED (8040 lumenów) zapewnia lepszą widoczność niż teren oświetlony lampami sodowymi wysokoprężnymi (19 000 lumenów).

Przypisy:

1. U.S. Department of Energy – LED Application Series: Outdoor Area Lighting
2. DRK Enterprises – The Perception of Lights and the Ideal Street Light
3. Sigma Luminous – Why You Shouldn’t Compare Lumens between Lighting Technologies
4. Innovative Lighting – LED vs HID Source vs. System Efficiency