В настоящее время энергосберегающие светодиодные светильники (СДС) быстрыми темпами вытесняют ламповые светильники (ЛС) (газоразрядные натриевые лампы типа ДНаТ; люминесцентные ртутные лампы типа ДРЛ и др.) во всех областях народного хозяйства. Особенно интенсивно данный процесс идёт в сфере дорожного/уличного освещения, поскольку СДС отличаются повышенной надёжностью и большим сроком службы, значительно превышающим надёжность и срок службы ЛС.
Актуальность статьи вызвана не только повсеместным переходом на СДС, но и переизбытком предложений по ним на российском рынке. Сейчас специалистам,  эксплуатирующим системы дорожного и уличного освещения, предлагается свыше 50 моделей СДС. Причём если раньше при выборе ЛС было достаточно сравнить два основных паспортных параметра: световой поток Ф [лм] и потребляемая электрическая мощность Р [Вт], – то теперь им необходимо выбирать СДС по набору технических параметров и характеристик, многие из которых непривычны и непонятны.
При выборе СДС обычно пользуются критерием световая отдача светильника (Ф/Р [лм/Вт]): предпочтение отдаётся тому образцу, у которого светоотдача выше. На самом деле при таком подходе неучтёнными остаётся ряд параметров, существенно влияющих на энергоэффективность всей системы освещения.
Правильной выбор «лучшего» (наиболее энергосберегающего) СДС невозможно осуществить без детального исследования конкретной схемы освещения. Для этого можно воспользоваться специализированной программой DIALUX для фотометрических расчётов всех стандартных характеристик освещения.
Чтобы провести расчёты с помощью указанной программы, в неё требуется ввести все данные о схеме освещения дорожного полотна (см. рисунок 1): высота подвеса СДС на опорах Н [м], шаг мачтовых опор вдоль дороги L [м], вылет середины светильника от края проезжей части l [м], ширина дорожного полотна W [м] и др.
 

Рисунок 1 – Схема освещения дорожного полотна
 
Кроме того надо импортировать в программу DIALUX специальный файл формата IES, представляющий собой цифровую модель фотометрического тела светильника. Фотометрическим телом светильника называется геометрическое место точек, радиус-векторы которых выходят из светового центра светильника, а длина их пропорциональна силе света светильника в соответствующем направлении. Контур сечения фотометрического тела какой-либо плоскостью называется кривой силы света (КСС) в данной плоскости. Производители, как правило, свободно предоставляют для скачивания IES-файлы на своих сайтах или передают их другими способами по просьбе потребителей.
Результатом работы программы является распределение освещённости на дорожном полотне. Так как усреднённая по нескольким контрольным точкам величина освещённости Е_ср [лк] характеризует полезный результат действия светильника, а Р – затраты на его достижение, можно ввести критерий энергоэффективности светильника
Э_эф = Е_ср / Р [лк/Вт].
Кроме того для сравнения эффективности замены лампового светильника на светодиодный целесообразно ввести критерий энергосбережения
Э_сбер [%] = (Р*_Л – Р*_СД) × 100% / Р*_Л.
Здесь Р*_Л = Р_Л / Е_{Л ср} и Р*_СД = Р_СД / Е_{СД ср} – потребляемые мощности ЛС и СДС, приведённые к единичной освещённости.
 
Для иллюстрации рационального выбора потребителем «наилучшего» СДС в качестве конкретного примера рассмотрим ситуацию, когда планируется замена светильников ЖКУ 11-250-001 с лампами ДНаТ 250, потребляющих мощность Р_лп = 270 Вт.
Светильники установлены на высоте Н = 12 м, шаг опор L= 30 м, угол наклона консоли к горизонту α = 15°, опоры светильников стоят по обе стороны дороги со смещением на половину шага относительно противоположной стороны. Дорога категории 1А с шириной дорожного полотна W = 16 м, двусторонняя, по две полосы в каждую сторону с разделительной полосой между сторонами встречного движения шириной 1 м. Согласно нормам освещённости по ГОСТ Р 54305-2011 [1] для дорог категории 1А средняя освещённость проезжей части дороги должна удовлетворять требованию Е_ср > 20 лк.
Итак, выше были названы исходные условия решаемой потребителем задачи энергосберегающей модернизации имеющейся у него дорожной осветительной системы. Для своего выбора потребитель определил группу из девяти «претендентов» СДС, поскольку в рекламных материалах они были рекомендованы производителями в качестве энергосберегающей альтернативы светильникам с дуговыми натриевыми лампами ДНаТ 250.
В таблице 1 приведены названия компаний поставщиков/производителей и обозначения соответствующих моделей дорожных/уличных светильников-«претендентов», из которых нашему потребителю необходимо сделать выбор СДС «наилучшего» для своих условий. Параметры Ф и Р взяты из IES-файлов производителей, а среднее значение освещённости поверхности дорожного полотна Е_ср, рассчитано с использованием программы DIALUX. Все СДС приведены в порядке возрастания величины Э_эф. Проанализируем полученный ряд «претендентов», учитывая занимаемое место в составленном рейтинге в комплексе с другими важными критериями: Е_ср и Э_сбер. Также выясним – достаточно ли введённых критериев для объективного сравнения СДС между собой.
 
Таблица 1 – Сравнение светильников по паспортным параметрам и критериям эффективности

Место светильника  по Ээф /энергосбережение при замене ЖКУ 11- 250, %	Поставщики/ производители светильников	Условное обозначение светильника/тип источника света	Световой поток Ф, лм	Потребляемая мощность  Р, Вт	Световая отдача Ф/Р, лм/Вт	Средняя освещенность на дороге Еср, лк	Энергетическая эффективность  Ээф=Еср/Р,лк/Вт
1 / 50	Интер АО	IAO-LD-STR-140-03-01/ СД	13880	145	95,7	30	0,207
2 / 43	ТД Ферекс	ДКУ 01-170-50-Ш/ СД	13998	165	84,8	30	0,181
3 / 42	Завод Лампирис	LMPRS Road-160/СД	14280	172	83,0	31	0,180
4 / 42	Атом Свет	PLANT 02-100-13600-140(Ш1) /СД	13720	140	98,0	25	0,179
5 / 32	Ардатовский светотехн.завод	ДКУ12-150-001/СД	12797	150	85,3	23	0,153
6 / 31	GALADЛЗСИ	ДКУ 01-160х1-001/ СД	12443	160	77,8	24	0,150
7 / 29	ФОКУС	УСС 180-МАГИСТРАЛЬ Ш/ СД	14739	165	89,3	24	0,145
8 / 19	LEDEL	L-Street 96/СД	11085	180	61,6	23	0,128
9 / 2	ИНКОТЕКС ЛидерЛайт	LL-ДКУ-02-180-0302-65Д /СД	16800	180	93,3	19	0,106
10/ 00	Ардатовский светотехн. завод	ЖКУ 11-250-001/ Лампа ДНаТ 250	19610	270	72,6	28	0,103

 
Проанализируем полученные результаты:
1.    СДС-«претенденты» занимают свои места в строках таблицы 1 сверху вниз в порядке убывания их энергоэффективности от Э_эф1 = 0,207 лм/Вт до Э_эф9 = 0,106 лм/Вт. На нижней строке на десятом месте ламповый светильник ЖКУ 11-250-001 с лампой ДНаТ 250, Э_эф10 = 0,103 лм/Вт.
2.    Первое место в рейтинге энергоэффективности (первая строка таблицы 1) занимает СДС IAO-LD-STR-140-03-01 компании «Интер АО», Э_эф1 = 0,207 лм/Вт. При этом по энергосбережению (Э_сбер1 = 50%) этот СДС также на первом месте из всех «претендентов», а по освещённости дороги (Е_ср1 = 30 лк) он на втором месте.
3.    На первом месте по освещённости дороги (Е_ср3 = 31 лк) СДС LMPRS Road-160 компании «Завод Лампирис». При этом он на третьем по энергоэффективности (Э_эф3 = 0,180 лм/Вт) и по энергосбережению (Э_сбер3 = 42%).
4.    Последнее место в рейтинге энергоэффективности занимает СДС LL-ДКУ-02-180-0302-65Д компании «ИНКОТЕКС ЛидерЛайт» (Э_эф9 = 0,106 лм/Вт). По энергосбережению он также на последнем месте (Э_сбер9 = 2%).
 
Этот пример очень показателен с точки зрения возможной ошибки, которую может совершить потребитель, выбирая «наилучший» СДС, основывая свой выбор только на сравнении традиционных паспортных параметров светильников Ф, Р и световой отдачи Ф/Р. Мы сталкиваемся здесь с противоречивой ситуацией. СДС LL-ДКУ-02-180-0302-65Д, являясь одним из самых «мощных» СДС (Р₉ = 180 Вт), также «лидирует» и по величине светового потока светильника (Ф₉ = 16800 лк). Кроме того он также входит в тройку лучших по световой отдаче (Ф₉/Р₉ = 93,3 лм/Вт). Однако, при всём этом, он дает самую низкую из всех «претендентов» освещенность дороги (Е_ср9 = 19 лк). Такое значение Е_ср не удовлетворяет минимальному требованию Е_ср > 20 лк, и по этой причине данный СДС должен быть снят с «конкурса претендентов».
Для объяснения таких результатов необходимо рассмотреть распределение плотности светового потока в пространстве, или так называемое фотометрическое тело светильника. Столь малое значение Е_ср объясняется крайне неудачной формой фотометрического тела, сформированное оптикой данного светильника. Причём СДС LL-ДКУ-02-180-0302-65Д имеет наихудшую его форму из всех остальных СДС. Причина этого – наихудшее инженерное решение оптики данного СДС для данной схемы освещения. Из-за этого из всего светового потока, излучаемого девятым СДС (Ф₉), на дорожную поверхность S_дор попадает полезная часть Ф_дор9 [лм], наименьшая по величине, чем у остальных «претендентов» Ф_дор, а оставшаяся часть светового потока бесполезно теряется, распространяясь в окружающем пространстве. Указанный фактор исследован в работе [2] и схематично поясняется на рисунках 2а и 2б.
 

а).	б).

Рисунок 2 – Распределение светового потока (освещенности) на дороге.
а – нерациональное распределение светового потока светильника;
б – рациональное распределение светового потока светильника.
 
Из рисунка 2 ясно, что доля полезного светового потока, излучаемого данным светильником (см. рисунок 2а), заметно меньше доли полезного потока, получаемого от светильника с более рациональной формой фотометрического тела.
В связи с этим необходимо ввести критерий эффективности оптики
О_эф = Е_cр / Ф [лк/лм],
который обуславливает падающую на дорогу полезную часть светового потока Ф_дор, так как Ф_дор = Еc · S_дор. Сразу же следует заметить принципиальное отличие эффективности оптики светильника О_эф от общеизвестного коэффициента полезного действия светильника
КПД_св = Ф / Ф_ист,
характеризующего лишь потери света, излучаемого источником Ф_ист на внутренних и внешних оптических и экранирующих частях светильника, и не учитывающего форму фотометрического тела.
В таблице 2 приведены значения эффективности оптики О_эф для всех рассматриваемых светильников, расположенные слева направо в порядке, соответствующем номеру строки рейтинга светильника таблицы 1. Можно видеть, что тройка лидеров рейтинга энергоэффективности по сравнению с остальными СДС имеет также самые высокие и близкие между собой по величине показатели О_эф1,2,3 = (2,14–2,17)·0,001 [лк/лм]. Эта особенность может свидетельствовать о достигнутом совершенстве в создании первичной и вторичной оптики (возможно близости к некому пределу), формирующей «правильное» с точки зрения наилучшего освещения дорожной поверхности фотометрическое тело.
 
Таблица 2 – Эффективность оптики рассматриваемых светильников

Место светильника в рейтинге энергоэффективности	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Оэф = Едор/ Ф, · 0,001 лк/лм	2,16	2,14	2,17	1,82	1,80	1,93	1,63	2,07	1,13	1,43

 
Также стоит обратить внимание на следующее сравнение СДС, занимающих 8 и 9 места в таблице 1: световой поток Ф₈ = 11085 лм меньше, чем Ф₉ = 16800 лм на 29%, но при этом освещённость Еc = 23 лк на 21% больше, чем Еc = 19 лк, а объяснение этого «нонсенса» видно из таблицы 2: поскольку О_эф8 = 2,07·0,001 [лк/лм] в 1,83 раза больше, чем О_эф9 = 1,13·0,001 [лк/лм], и, следовательно, только за счёт гораздо более эффективной оптики 8-й СДС со значительно меньшим световым потоком (Ф₈ < Ф₉) создает существенно большую освещённость (Еc > Еc).
Резюмируем причины, «опустившие» СДС-«аутсайдеров» на 8-е и 9-е места списка рейтинга энергоэффективности:
а) у 8-го СДС наихудшая из всех световая отдача светильника – Ф₈ / Р₈ = 61,6 [лм /Вт], а это свидетельствует либо о значительном отставании используемых светодиодов от уровня современных достижений в светоотдаче, либо чрезмерных потерях света внутри светильника, обусловленных существенными недостатками оптики, определяющие очень низкое значение КПД_св8. Однако при этом, оптика формирует очень хорошее фотометрическим тело и входит в четверку лучших СДС по показателю О_эф8 = 2,07·0,001 [лк/лм],компенсируя наихудшую светоотдачу, и обеспечивая только благодаря этому качеству, выполнение нормативного условия Еc = 23 лк > 20 лк;
б) у 9-го СДС наихудшая из всех формирующая оптика с крайне низким значением О_эф9 = 1,13·0,001 [лк/лм] даже ниже, чем у лампового светильника ЖКУ 11-250-001, у которогоО_эф10 = 1,43·0,001 [лк/лм]! А это для СДС не допустимо, так как не реализуется одно из присущих природе светодиодов преимуществ – направленность излучаемого светового потока (т.е. ограниченность излучаемого пучка света телесным углом в пределах 120 град.) в отличие от ламп накаливания, дуговых и люминесцентных ламп, испускающих световой поток в ближней зоне во всех направлениях окружающего пространства. Поэтому качество оптической системы, формирующей фотометрическое тело СДС (оцениваемое величиной О_эф = Еc / Ф [лк/лм]), следует рассматривать, как наиважнейший фактор наряду со светоотдачей Ф/Р [лм/Вт], совместно определяющих энергоэффективность СДС. И поэтому разработка «оптики» СДС по большому счету должна основываться на новейших технологиях, применяемых в современном оптическом приборостроении.
 
Теперь, наконец, попытаемся ответить на вопрос потребителя: «Какому же из рассматриваемых СДС все-таки следует отдать предпочтение в своем выборе для наилучшего решения задачи энергосберегающей замены светильника ЖКУ 11-250-001 с лампой ДНаТ 250?»
Предположим, что все СДС имеют равные показатели надёжности работы в реальных условиях эксплуатации, равные ресурсы работы и одинаковые цены, то основываясь на данных таблице 1 остаются три претендента: 1-й СДС (лидирует Э_эф1 и Э_сбер3) и 3-й СДС (лидирует Еc), все остальные СДС уступают по показателям Э_эфi, Э_сберi, Еci. Можно считать незначительным преимуществом Е_ср3 = 31 лк относительно Е_ср1 = 30 лк и большим преимуществом Э_сбер1 = 50% относительно Э_сбер3 = 42%.
В итоге, по совокупности критериев (Э_эф, Еc, Э_сбер) лучшим оказался 1-й СДС. Он удовлетворяет всем техническим требованиям потребителя для энергосберегающей модернизации освещения и имеет наилучшую совокупность критериев на рассмотренном примере дороги.
 
Таким образом, разработаны и научно обоснованы новые комплексные критерии Э_сбер [%], Э_эф [лк/Вт], Еc [лк] и О_эф [лк/лм]. Предложенные критерии необходимо использовать и применять в целях энергосберегающей модернизации его схемы дорожного/уличного освещения выбрать наилучшие модели СДС из предлагаемых на рынке. А при проектировании современных высокоэффективных СДС необходимо применять критерий О_эф [лк/лм].
 
Список литературы
1. ГОСТ Р 54305-2011. Дороги автомобильные общего пользования. Горизонтальная освещенность от искусственного освещения. Технические требования. Введ. 2011-08-31. М.: Изд-во стандартов, 2011. 8 с.
2. Мори Райт (MauryWright). Диаграмма направленности излучения твердотельных источников света для наружного освещения // Современная светотехника. Электрон. журн. 2010. № 6. Режим доступа: http://www.lightingmedia.ru/magazine/archive/magazine_13.html (дата обращения 29.03.2013).

http://technomag.bmstu.ru/doc/579034.html