De ce se supradimensionează sistemele de iluminat cu LED ?

Coeficientul de Menținere (MF) pentru sistemele de iluminat cu LED

 Drd. Ing. Cornel Sfetcu – Metacor Electro SRL   https://www.lighting1.com/lighting-suppliers/metacor-electro-srl

Pe parcursul duratei de viață a unui sistem de iluminat apare o scădere a nivelului de iluminare pe suprafața de lucru, datorită factorilor de mediu, îmbătrânirii instalației și degradării suprafețelor camerei. Pentru a se cuantifica această scădere, se consideră în calculul inițial factorul de menținere MF(menționat și ca factor de întreținere). Valorile aplicate în iluminatul fluorescent se bazează pe studii independente, cum ar fi CIE97 și statuate în EN12464. Aceste valori sunt principial independente de durata de viață utilă a unei instalații de iluminat (adică, perioada în care o instalație este utilizată în mod eficient).
Pentru LED-uri există puține studii pentru determinarea factorului de menținere, prin urmare nici nu există consens în piață. Foarte des, factorul de menținere este folosit în același mod ca și la iluminatul fluorescent, ceea ce poate avea un impact negativ asupra sistemelor cu LED-uri, deoarece durata de viață utilă nu joacă un rol crucial pentru acestea.

Coeficientul de menținere MF

Iluminarea medie pe suprafața de lucru scade în timpul  duratei de utilizare ca urmare a scăderii fluxului luminos al surselor de lumină, a defectelor apărute la sursele de lumină și a deprecierii corpurilor de iluminat sau degradării spațiilor, datorită factorilor de mediu.
Standardul EN12464-1 determină valoarea minimă a iluminării medii care trebuie menținută, independent de numărul de ore de funcționare al instalației și de durata de utilizare a sistemului. Prin urmare, trebuie să se prevadă din start un „surplus” în calculele de proiectare, motiv pentru care în modelul de calcul a fost introdus coeficientul de menținere (CIE 97).
Acest coeficient de menținere (MF) reprezintă o creștere a nivelului inițial de Iluminare medie inițiala (Emi) în dimensionarea instalației pentru realizarea iluminării medii  „menținută” (Em): Em = Emi x MF (CIE 97).
Conform Standardului EN12464-1 trebuie luate în considerare următoarele aspecte:
(1) LLMF (Lamp Lumen Maintenance Factor): Factor de menținere datorat scăderii fluxului luminos al lămpii.
(2) LSF (Lamp Survival Factor): Factor de supraviețuire a lămpii (fără înlocuire imediată a lămpilor defecte).
(3) LMF (Luminaire Mentenance Factor): Factorul de menținere a corpului de iluminat, scăderea fluxului luminos al corpurilor de iluminat datorită factorilor de mediu (3).
(4) RSMF (Room Surfaces Mainenance Factor): Factor de degradare a suprafețelor încăperii datorită factorilor de mediu.

MF = LLMF x LSF x LMF x RSMF (CIE97)

De exemplu: pentru un MF de 80%   și a menține un nivel de iluminare de 300 lx, este necesară instalarea unui sistem cu iluminare inițială de 375 lx.

375 lx = 300 lx : 80%

Documentarea coeficientului de menținere

În standardul EN12464-1 se prevede că proiectantul sistemului de iluminat trebuie să prezinte ipotezele referitoare la factorul de menținere specific considerat în calcul.  Această ipoteză trebuie să fie inclusă în prezentarea rezultatelor către client, deoarece există riscul de comparații false făcute între producători sau soluții datorită ipotezelor de calcul pentru coeficientul de menținere.

Iluminatul fluorescent

Studiile independente publicate (CIE97), plus anii de experiență în utilizarea lămpilor florescente, au permis determinarea unui mod de calcul al coeficientului de menținere pentru iluminatul fluorescent.

LLMF pentru iluminatul fluorescent
Fluxul luminos al surselor de lumină, LED-uri, fluorescente sau cu descărcări are scăderi mai mult sau mai puțin accentuate de-a lungul duratei de viață a lămpii. Raportul dintre fluxul luminos emis de o sursă la un anumit moment în timp și fluxul luminos inițial este denumit coeficient de menținere a fluxului luminos al lămpii (LLMF). Valorile sunt furnizate de către producătorul lămpii.

Valoarea considerată în calcul pentru LLMF depinde de ciclul de înlocuire a lămpilor până la înlocuirea de grup a acestora.
Ca urmare, coeficientul de menținere (MF) va depinde de ciclul de înlocuire a lămpilor și nu de durata de viață utilă a sistemului de iluminat. O valoare tipică utilizată pentru LLMF în iluminatul fluorescent este de 80%.

LSF pentru iluminatul fluorescent
LSF reprezintă probabilitatea ca lămpile să continue să funcționeze într-o anumită perioadă de timp. În cazul în care în mod accidental una dintre lămpi se defectează, aceasta ar trebui înlocuită. Se face o distincție între cele două moduri de înlocuire a lămpilor:
• înlocuire de grup: toate lămpile sunt înlocuite în același timp, după o perioadă predefinită prin proiect a reducerii fluxului luminos;
• înlocuire individuală combinată cu înlocuire de grup; Dacă o lampă este defectă, înainte de înlocuirea grupului, aceasta va fi înlocuită imediat. În cazul înlocuirii individuale, combinată cu înlocuirea de grup, LSF= 1.

LMF pentru iluminatul fluorescent
LMF reprezintă scăderea relativă de flux luminos datorată depunerii de praf și murdărie pe lampă și/sau pe suprafețele rețectorizante sau transmițătoare ale corpului de iluminat într-o anumită perioadă. În funcție de frecvența de întreținere (curățare), există în raportul CIE97 valori sub formă de tabele.

RSMF pentru iluminatul fluorescent
RSMF este determinat de proporția relativă dintre componenta inter-rețectată inițiala a iluminării, față de valoarea după o anumită perioadă de timp, datorată depunerii prafului pe suprafețele din cameră și deteriorării acestora. În funcție de intervalul de întreținere și tipul de suprafață de rețecție pentru diferitele materiale, CIE97 furnizează valori sub formă de tabel.

Sistemele de iluminat cu LED

Pentru sistemele de iluminat cu LED-uri, la determinarea coeficientului de menținere trebuie ținut cont de câteva diferențe în calcul. Stabilirea factorului care ține seama de deprecierea corpului de iluminat (LMF) și a spațiului (RSMF) se pot considera la fel cu cele din sistemele fluorescente.

LLMF pentru sistemele de iluminat cu LED

LLMF necesită însă o abordare specifică. Având în vedere durata lungă de viață a LED-urilor, marea majoritate a corpurilor de iluminat utilizează o singură sursă LED, caz în care înlocuirea LED-ului se va face odată cu corpul de iluminat, față de corpurile echipate cu lămpi fluorescente, unde sursele se schimbă dar corpul de iluminat rămâne. Fiecare producător de corpuri de iluminat alege marca și tipurile de LED-uri utilizate, ca și driver-ul. Performanța, durata de viață și coeficientul de menținere a fluxului luminos (LLMF) sunt determinate deci prin combinația între alegerea LED-ului, a driver-ului și proiectarea corpului de iluminat. Combinația dintre acești parametri este unică pentru fiecare corp de iluminat, astfel încât LLMF trebuie specificat de către fiecare fabricant în parte. În consecință, LLMF și, prin urmare, și coeficientul de menținere MF, depind de durata de viață utilă a sursei/corpului de iluminat cu LED.
Atâta timp cât nivelul de iluminat la sfârșitul duratei de utilizare trebuie să fie cel normat, trebuie „supra-dimensionată” instalația, de cele mai multe ori prin utilizarea mai multor corpuri de iluminat. Prin urmare, valoarea la începutul perioadei de funcționare a instalației de iluminat este mai mare decât ceea de la final.
Industria de iluminat a standardizat durata de viață a LED-urilor pentru L70 la 50.000 ore, ceea ce corespunde unei valori a LLMF de 0.7, însă atât timp cât durata de funcționare a instalației de iluminat este proiectată pentru aceeași durată de ore. De aceea este importantă indicarea duratei de viață a LED-ului utilizat, întrucât această valoare este de o importanță capitală în determinarea nivelului inițial mediu de iluminare și a numărului de corpuri de iluminat instalate. Un calcul cu o durată de viață utilă de 30.000 de ore va oferi un rezultat diferit de un calcul cu o durată de viață utilă de 50.000 de ore. Pe de altă parte, de ce trebuie făcut un calcul pentru 10-15 ani de utilizare, când clientul are spațiul respectiv închiriat pe o perioadă de 5 ani? Sau cum trebuie făcut calculul pentru sistemele în care se înlocuiesc 1/1 corpurile tradiționale cu cele LED?

Spre deosebire de iluminatul fluorescent, în care există o singură valoare a LLMF, la sistemele LED acesta poate avea mai multe valori, în funcție de durata de viață utilă a sistemului, a valorii Lx și a temperaturii joncțiunii.
De aceea, la alegerea LED-ului, pentru a fi în măsură să publice valori valide pentru durata de funcționare și LLMF a corpului de iluminat, fabricanții de corpuri de iluminat ar trebui să conlucreze doar cu producătorii care sunt în măsură să furnizeze datele necesare, ce permit determinarea
duratei de viață și a curbei de menținere a fluxului luminos a LED-urilor utilizate. Datele solicitate trebuie redactate cu ajutorul a două metode de măsurare acceptate la nivel global: LM80 și TM21.
Există surse LED pentru care deprecierea fluxului luminos este mai mică decât standardul acceptat în industria de iluminat. Se poate ajunge la 80% sau maximum dat în literatura de specialitate, 97% pentru 50.000ore. În acest caz, LLMF crește la 0,8 sau mai mult, motiv pentru care

proiectantul nu va trebui să supradimensioneze instalația.
Datorită acestui fapt se poate renunța la 10 până la 25% din numărul corpurilor de iluminat inițial. Acest lucru se traduce în costuri mai mici pentru investiție și instalare, ca și un consum energetic mai mic, cu menținerea nivelului normat de iluminare.

LSF (Lamp Survival Factor) pentru LED
Dacă fabricantul specifică o rată efectivă de căderi totale a LED-urilor în timpul duratei lor de viață utilă mai mică de 0,5%, LSF poate fi considerat unitar LSF=1. Cei mai mulți dintre fabricanți însă nu pot sau nu dau această cifră.
Sau dacă o dau, aceasta poate fi de exemplu sub forma 1% pentru 5.000 ore (cinci mii ore), ceea ce extrapolat la 50.000 ore reprezintă 10% căderi ale surselor LED. Deja o cifră care înseamnă o valoare a LSF=0,9. Fără a ține cont de posibila accelerare în cascadă a defectelor.

Cât trebuie deci considerată valoarea LSF pentru LED?
Este de la sine înțeles că și această valoare trebuie pusă la dispoziția proiectantului de către fabricanți. Altfel, pentru a considera în calcul LSF=1, trebuie specificat faptul că înlocuirile trebuie făcute imediat la apariția unui defect.
Influența unui LED defect pentru tot pachetul depinde de schema electrică de conectare. În cazul în care LED-urile sunt conectate în serie și presupunem că are loc un un scurtcircuit la unul dintre LED-uri (pare a fi cazul, în practică, pentru LED-uri în 99% din cazuri), un LED defect nu va avea nici un impact asupra funcționării pachetului cu LEDurile rămase. Pentru alte scheme (de exemplu, mai multe șiruri paralele), acest lucru nu se mai aplică.
Câteva considerații asupra duratei de viață a LED au fost publicate în câteva standarde internaționale cu privire la modul în care durata de viață ar trebui să fie declarată pentru corpurile de iluminat cu LED:
– IEC/EN 62717 – 2013 LED – module pentru iluminat general – Cerințe de performanță și
– IEC/EN 62722-2-1 -2016 –  Cerințe particulare pentru corpuri de iluminat cu LED-uri.

Ce spun noile standarde?
Componenta cea mai critică într-un corp de iluminat cu LED-uri este driver-ul. În cele mai multe cazuri, trebuie luată în considerare înlocuirea driver-ului defect, astfel încât să nu afecteze valoarea LSF a sistemului cu LED-uri. IEC/EN 62722 prevede metoda de testare și timpul
minim admis pentru testarea LED-urilor. Timpul minim de încercare este de 6000 de ore, iar fluxul luminos este înregistrat la fiecare 1000 de ore. Aceste valori sunt extrapolate folosind o metodă prezentată în IES TM21.
Durata de viață a modulului LED și a driver-ului trebuie declarate separat. În cazul în care durata de viață pentru driver este mai scurtă decât cea a modulului LED, se ia în considerare că o înlocuire a driver-ului poate fi necesară înainte de sfârșitul ciclului de viață al corpului de iluminat.
Acest lucru înseamnă că nu poate fi declarată o singură cifră pentru durata de viață a corpului de iluminat.

Valoarea Lx
O măsurătoare pentru „viață utilă medie” a fost introdusă în IEC 62717. Aceasta este timpul scurs până când 50% din corpurile de iluminat cu LED-uri coboară sub fluxul luminos declarat, de exemplu, LM80.
Durata de viață a unui modul LED utilizat într-un corp de iluminat este legată de deprecierea fluxului luminos la o temperatură ambiantă dată. L70, L80 sau L90 indică fluxul luminos în procente față de fluxul inițial, care rămâne după sfârșitul duratei de viață. Lânga valoarea L se pot explicita și valorile B și C.
Valoarea Lx are consecințe directe asupra LLMF și, prin urmare, asupra calculului factorului de menținere MF.
LLMF este practic egal cu valoarea Lx la 50.000 h. L80 corespunde unei valori a LLMF de 0,8 pentru 50.000 h.
Pentru a considera corect în calcul valoarea Lx trebuie definită durata nominală de viață și temperatura de lucru de către furnizorul sistemului LED.

Valoarea By
Valoarea By exprimă degradarea graduală a fluxului luminos. Valoarea B50 indică faptul că valoarea L declarată se va realiza de către 50% din modulele LED, iar restul de 50% pot avea o valoare mai mică a fluxului luminos.
Valoarea B10 înseamnă că minimum 90% din modulele LED vor avea valoarea Lx declarată și doar 10% vor avea un nivel mai scăzut de flux. O valoare B10 este, prin urmare, mai conservatoare decât B50. Din punct de vedere practic, înseamnă că B10 este atinsă într-un stadiu mai avansat al vieții unui set de module cu LED-uri, comparativ cu B50.

Valoarea Cy
Valoarea Cy exprimă degradarea abruptă a fluxului luminos ca procent „y” de module LED de același tip, care sunt defecte la terminarea duratei de viață nominale. Un defect abrupt este considerat atunci când modulul LED nu mai emite lumină. Sunt foarte puțini fabricanți care prezinta valorile C pentru LED-uri.

Valoarea Fy
Valoarea Fy dă combinația între valoarea defectelor graduale (B) și valoarea defectelor totale (C). Nu avem date din literatura de specialitate sau din partea furnizorilor pentru a le putea prezenta.

Durata de viață a driver-ului
Driver-ul poate fi comparat cu oricare alte componente electronice, cum ar fi balasturile HF ori pentru lămpi T5. Durata de viață așteptată depinde de proiectarea în sine, de componentele utilizate și de temperatura de lucru a acestor componente. În general driver-ele trebuie marcate cu temperatura de referință, Tc, care nu trebuie depășită, și de rata estimată a defectelor.

Concluzii

• Contrar cu situația sistemelor de iluminat fluorescente, la sistemele de iluminat cu LED nu poate fi definită o valoare „standard” a MF. Proiectarea unui sistem de iluminat cu LED trebuie făcută cu un MF specific echipamentului ales. Nu trebuie să avem (aveți) ceva de comentat dacă la aceeași lucrare se vor prezenta valori (documentate!!!) diferite ale MF.
• Pentru sistemele de iluminat cu LED-uri sursa nu mai poate fi considerată independentă de corpul de iluminat.
• Performanța, durată de viață și reducerea fluxului luminos (valoarea LLMF) ale corpului sunt determinate de alegerea LED-urilor, driver-elor și de proiectarea termică a corpului de iluminat cu LED-uri. Combinația dintre acești trei parametri este unică pentru fiecare corp de iluminat și pentru orice fabricant. Și ar trebui să fie pusă la dispoziție de către fabricanți… deși nici măcar cei din vechea garda a industriei de iluminat nu se sinchisesc…
• Pentru a putea face o comparație corectă între diferitele tipuri de corpuri de iluminat cu LED-uri într-un proiect, acestea trebuie să fie calculate cu factorul lor de întreținere specific. Diferențierea în calculul MF se datorează în principal valorii LLMF, și secundar valorii LSF, ceilalți doi parametrii (valoarea LMF și valoarea RSMF) rămân aceiași pentru diferite tipuri de corpuri de iluminat într-un proiect.
• Durata de viață utilă preconizată este un parametru critic pentru a determina MF și, în consecință, trebuie să fie inclusă în prezentarea către client a proiectelor de sisteme de iluminat cu LED-uri.
• Deși MF=0,8 este o valoare care a făcut, face și din păcate va mai face „carieră” în Sistemele de iluminat… este o cifră arbitrară și nu există nici un motiv pentru a fi utilizată în orice calcul. Este absolut corect ca o valoare a MF pentru LED-uri să fie mai mare decât 0,8, ceea ce nu înseamnă obligatoriu că cifra este incorectă atâta timp cât LLMF și LSF sunt corecte.
• Deja foarte multe instalații pentru clădiri au supradimensionări din proiectare (pompe, ventilatoare, încălziri, aer condiționat). LED-urile ne oferă o șansă de a evita supradimensionarea în iluminat, care poate fi evitată printr-o bună alegere a fabricantului de sisteme LED și prin specificarea cât mai exactă a LLMF. Dacă totuși s-a supradimensionat, nu uitați că LED-ul este cea mai versatilă sursă de lumină în ceea ce privește reglajul. Un sistem de control programat pentru durata de viață poate duce la economii importante pentru client și la creșterea duratei de viață a sistemului.
• Deși durata de viață declarată de cei mai mulți fabricanți este de 50.000 h LLMF, se pot lua în calcul valori mai mici ale duratei de utilizare a sistemului și deci fără o „supra-dimensionare” a proiectului. Este foarte probabil ca un spațiu de birouri sau spațiu comercial, de exemplu, să trebuiască să fie modificat înainte de a se scurge cele 50.000 de ore.
• Deși economia de energie pentru sistemele LED este „fashion” azi, se fac calcule pentru 50.000-100.000 h fără a se lua în considerare durata de utilizare, deși acest lucru conduce la supradimensionări în sistemul instalat, la costuri mai mari de investiție și instalare și la risipă de energie electrică.
• Deși ingineria presupune exactitate tehnică pentru proiectant, iar pentru client să compare „mere cu mere”, este complicat atât pentru proiectant să expună dar mai ales pentru client să înțeleagă „LED-ilumecăreasca”. Sunt multe informații de pus cap la cap și de tradus pentru clienți, L80 B10 50.000h la 25 grade C dau o valoare a LLMF și MF… iar L70 B50 30.000h la 25 grade C înseamnă altă valoare a LLMF și MF… ne pierdem noi în termeni… dar clientul în a înțelege?
• Deși unii cheltuiesc milioane de vorbe sau bani pentru a mai obține 1Lm/W eficacitate, proiectarea din păcate nu cheltuiește ceva neuroni (chiar dacă aceștia sunt ceva mai valoroși decât vorbele și banii) pe eficientizarea proiectului. Insistați Domnilor proiectanți să cereți date de la furnizori…până la urmă noi îi plătim pe ei, nu ei pe noi.
• Informațiile din noile Standarde ajută la clarificarea metodelor de măsură și la prezentarea soluțiilor. Așteptăm validarea mărcii ENEC+ pentru utilizarea valorilor Lx și By, ceea ce va face comparațiile mai ușor de făcut.
PS. În cele din urmă, un proiect în care soluția luminotehnică nu are o valoare documentată a MF (Factor de Menținere)… este un „amatorism” care va costa clientul la emiterea fiecărei facturi lunare de energie electrică (plus toate celelalte cifre dragi celor din ESCO-uri, din PR și din  Marketing…).

Bibliografie
• EN12464-1: European lighting application standard.
• CIE 97; Guide on the maintenance of indoor electric lighting systems
• LM-80-08: IES (illuminating Engineering Society) approved method for measuring the lumen retention of LED light sources
• TM-21-11: IES : method for projecting the lumen maintenance of LED light sources from the data obtained by the procedures found in IES document LM-80-08
• EN12464 Determination of the Maintenance Factor.
• ZVEI: Guide to Reliable Planning with LED Lighting:Terminology, Definitions and Measurement Methods: Basis for Comparison: Revised 2nd edition,March 2016
• Peter Bracke, CL,BvG, JB,PH, WR: Rev.1 07/10/2015: Maintenance factor, levensduur en optimale gebruiksduur van led verlichtingstoestellen
• 1st Cree XLamp LED Thermal Management,” Application Note: CLD-AP05.002, Cree Inc

 Notă: articolul a apărut în numărul 7/2016 al revistei ELECTRICIANUL