LED vs. traditionelle Beleuchtung

DAS VORLIEGENDE DOKUMENT WURDE VON DER FIRMA GREENIE POLEN VORBEREITET. ES BEZIEHT SICH AUF DEN VERGLEICH DER LED-LICHTECHNOLOGIE MIT DER LICHTTECHNOLOGIE UNTER VERWENDUNG VON QUECKSILBER, NATRIUM UND METALLHALOGENID.

Vorbereitet von: Damian Szablak, Kamil Cechosz, Tomasz Zwierzchowski

Warum der direkte Vergleich der Katalogmenge an Lumen von der LED-Beleuchtung und von der traditionellen Beleuchtung (Natrium, Quecksilber, Metallhalogenid) keine zuverlässigen Ergebnisse gibt?

Der Vergleich der LED-Beleuchtung mit der traditionellen Beleuchtung auf Basis der Anzahl von Lumen, die in Produktkatalogen angegeben werden, gibt keine zuverlässigen Ergebnisse, weil die Anzahl von Lumen, die das menschliche Auge empfängt, je nach angewandten Beleuchtungstechnologie variiert. Dies resultiert aus drei Faktoren:

1. Während traditionelle Lampen ein schmales Lichtspektrum haben, verfügt eine LED-Beleuchtung über ein breites Lichtspektrum.
2. Die Standardmethodologie zur Bewertung des Lumenwerts berücksichtigt keine Variabilität der Arbeit des menschlichen Auges, je nach Lichtmenge, die an das Auge gelangt.
3. Die Messung des Lichtstrahls für traditionelle Lampen wird alleinig für die Quelle ohne Befestigung gemessen. Die Messung der LED-Lampen berücksichtigt die gesamte Befestigung und die Systemstromversorgung.

1. Während traditionelle Lampen ein schmales Lichtspektrum haben, verfügt eine LED-Beleuchtung über ein breites Lichtspektrum.

Die traditionelle Methode der Berechnung von Lichtleistung der Lampen nimmt keine Lichtreflexion von Objekten an. In Wirklichkeit reflektieren sie jedoch unterschiedliche Mengen von Licht in Abhängigkeit von der Farbe der Oberfläche.

Wenn zum Beispiel ein grünes Objekt mithilfe eines gelben Lichts beleuchtet wird, wird der ganze Lichtkegel von der Oberfläche des Objekts absorbiert und das Objekt wird schwarz aussehen. Wird hingegen ein grünes Objekt entsprechend beleuchtet, und auf eine schwarze Oberfläche gelegt, wird es völlig unsichtbar sein.

In der Praxis ergibt die Lichtreflexion von den tatsächlichen Objekten einen etwas anderen Effekt. Zum Beispiel enthält das grün aussehende Gras verschiedene Pigmente (Chlorophyll, Carotinoide, Xanthophylle etc.). Wenn es durch gelbes Licht beleuchtet wird, reflektiert es einen Teil der Strahlen und wird grau aussehen.

Natriumlampen, die in der Straßenbeleuchtung verwendet werden, haben ein schmales Lichtspektrum und müssen deswegen eine sehr hohe Lichtleistung haben, um ausreichende Sichtbarkeit zu gewährleisten.

Die LED-Beleuchtung hat ein breites Lichtspektrum, ähnlich dem Spektrum der Sonne. Infolge dessen sind die Unterschiede in den Farben der Objekte klarer, so dass es einen besseren Kontrast gibt. Dies sorgt auch für eine bessere Sichtbarkeit in der Umgebung. Die LED-Beleuchtung liefert daher eine bessere Sehschärfe bei viel geringerer Anzahl von Lumen
Klassische Hochdruck-Natriumlampe Moderne Straßenbeleuchtung LED STRADA

 

2. Die Standardmethodologie zur Bewertung des Lumenwerts berücksichtigt keine Variabilität der Arbeit des menschlichen Auges, je nach Lichtmenge, die an das Auge gelangt.

Unsere Augen haben zwei Arten von Photorezeptoren – Stäbchen und Zäpfchen. Die Zäpfchen sind für starkes Licht empfindlich, arbeiten unter normalen Bedingungen und ermöglichen das Farbsehen, das sogenannte „Tagessehen“.

Die Stäbchen empfangen hingegen Lichtreize bei widrigen Bedingungen (mit minimaler Lichtmenge), dabei handelt es sich dann um das sogenannte Nachtsehen. Dies bedeutet, dass der Mensch die Umgebung ohne Farben sieht, weil die Zäpfchen, die für die Farberkennung verantwortlich sind, bei der Nachtsicht nicht aktiv sind.

Belichtungsmesser, die zur Messung der Lichtintensität verwendet werden, messen nur das Tagessehen. Nichtsdestotrotz wird in den tatsächlichen Bedingungen die Beleuchtung entweder mittels Stäbchen oder Zäpfchen, das sogenannte Dämmerungssehen empfangen.

S/P ist das Verhältnis zwischen der blaugrünen Farbe und der grüngelben Farbe des Lichts. Je größer der Anteil der blaugrünen Farbe, desto höherer ist Wert des Koeffizienten und die Sichtbarkeit ist verbessert. Die Lichtquellen mit einem hohen Koeffizient S/P garantieren eine bessere Sichtbarkeit bei einer niedrigeren Lichtintensität

Die Tabelle zeigt ein Beispiel der Umrechnung von traditionellen Lumen in Lumen, die durch das Auge tatsächlich empfängt werden. Die LED-Beleuchtung hat viel höhere Lichtleistung, was eine bessere Sichtbarkeit mit einem kleineren Energieverbrauch bietet.

 

3. Die Messung des Lichtstrahls für traditionelle Lampen wird alleinig für die Quelle ohne Befestigung gemessen. Die Messung der LED-Lampen berücksichtigt die gesamte Befestigung und die Systemstromversorgung.

Traditionelle Entladungslampen mit Natrium, Quecksilber und Metallhalogenid werden auf Basis der Effizienz der Lampe bei Raumtemperatur ausgewertet. Diese Methode berücksichtigt nicht den Einfluss des Gehäuses, in dem die Lampe installiert wurde. Einige Quellen der LED-Beleuchtung und der Natrium-Hochdrucklampen sind in der Regel sehr effektiv (z.B. beträgt ihr Wirkungsgrad bis zu 100 Lumen pro Watt). Der alleinige Energiewirkungsgrad spiegelt jedoch nicht die Lichtmenge wider, die in Wirklichkeit durch eine Lichtquelle zum bestimmten Ziel geliefert wird. Die Lichteffizienz sollte im Verhältnis zu dem Lampengehäuse gemessen werden. Es sollte die Menge der Lumen, die tatsächlich zum Ziel kommen, bewertet werden und nicht die Menge der Lumen, die von der Lampe emittiert werden. Die so gemessene Beleuchtungseffizienz wird immer geringer sein, als der von der Beleuchtungsquelle emittierte Wert von Lumen. Die geringere Effizienz ist ein Ergebnis der Faktoren, die die im Gehäuse eingebaute Beleuchtung beeinflussen:

– Gefangenes Licht – Traditionelle Lampen emittieren das Licht in alle Richtungen. Solche Beleuchtungsquellen benötigen entsprechende Spiegel innerhalb des Gehäuses, die mit der Aufgabe die maximale Anzahl der Lichtstrahlen widerzuspiegeln und sie an das Ziel zu richten. Es ist jedoch unmöglich, effektiv alle Lichtstrahlen umzuleiten.

– Schutzlinsen – Die Leuchten besitzen in der Regel Linsen, die neben ihrer Schutzfunktion, versuchen die Lichtstrahlen auf das Ziel zu fokussieren. Die Materialien aus denen die Linsen gebaut wurden, garantieren keine hundertprozentige Durchlässigkeit des Lichts und ein Teil der Lichtleistung geht verloren.

– Betriebstemperatur – Im Falle von Temperaturveränderungen haben mehrere Lichtquellen eine reduzierte Leistung. Es wird eine Quelleleistung von 25°C gemessen. Die tatsächliche Betriebstemperatur unterscheidet sich jedoch von der Testtemperatur signifikant, insbesondere im Falle der Straßenbeleuchtung.

– Stromversorgung – Die meisten Lichtquellen haben eine Spannungsversorgung, die die Eingangsspannung an die von der Lampe verwendeten Spannung anpasst. Die durch die Spannungsversorgung verursachten Schäden, variieren von 5% bis 25%.

Ein weiterer Faktor, der die Endleistung der Beleuchtung beeinflusst und sehr wichtig beim Vergleich zwischen einer herkömmlichen und der LED-Beleuchtung ist, ist die Leistungsdauer bzw. der Leistungsverlust im Laufe der Zeit. Traditionelle Beleuchtungsquellen (vor allem metallhalogene Lampen) werden durch einen signifikanten Verlust an Leistung gekennzeichnet, sogar schon nach kurzer Einsatzdauer:

Natrium-Hochdrucklampen verlieren mehr als 30% der Leistung und ihre Lebensdauer beträgt 24 000 Stunden. Metallhalogenlampen verlieren bis zu 50% der Leistung, und die Lebensdauer beträgt 6000 bis 15 000 Stunden. Die LED-Beleuchtung hat eine Lebensdauer von 50 000 bis 100 000 Stunden und einen Leistungsverlust von 30% für eine Leuchtdauer von 50 000 Stunden.

Die obige Zusammenstellung zeigt deutlich, dass die LED-Beleuchtung eine bessere Leistung über einen weitaus längeren Zeitraum bietet, als die herkömmliche Lichtquelle. Sodass ein Wechsel oder die Reparatur der Beleuchtung erst wesentlich später vorgenommen werden muss.

Fallstudie:
Im US-Bundesstaat Wisconsin wurden auf dem Parkplatz einer Schule Natrium-Hockdrucklampen (Erzeugnis von 19 000 Lumen) mit LED-Lampen (Erzeugnis von 8040 Lumen). Nach dem Wechsel der Beleuchtung hatten die Parkbenutzer den Eindruck, dass die Fläche trotz weniger Lumen wesentlich besser beleuchtet wurde.

Die mit LED-Lampen (8040 Lumen) beleuchtete linke Seite des Parkplatzes, sorgt somit für eine bessere Sichtbarkeit, als der durch Natrium-Hochdrucklampen beleuchtete Bereich (19 000 Lumen).

Referenzen:

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