Vývojové trendy LED svítidel

-- Ing. Tomáš Novák, Ph.D., prof. Ing. Karel Sokanský, CSc., Ing. Jaroslav Šnobl, VŠB-TU Ostrava --

Na jaře 2011 byla v Ostravě z důvodu zavedení nových světelných zdrojů v rámci strategie provozu veřejného osvětlení
(VO) provedena analýza trhu vhodných osvětlovacích prostředků. Tato analýza si kladla za základní cíl odhad vývoje nových
LED svítidel a možnost jejich použitelnosti v rámci VO. Správce VO tuto studii zadal z důvodu volby dlouhodobé strategie obnovy osvětlovacích soustav a s tím souvisejícím plánováním investic do zastaralých soustav VO nebo navyšováním objemu financí na údržbu dosavadních osvětlovacích soustav. V příspěvku svítidel v porovnání s klasickými svítidly
osazenými vysokotlakými sodíkovými výbojkami, odhad vývoje technických parametrů LED a rovněž i cenový potenciál
LED techniky.

Úvod

Tento článek vznikl na základě studie, která byla zpracována pro správce VO v Ostravě a je podkladem pro vypracování
plánu rozvoje VO v tomto městě. Cílem studie bylo posoudit použitelnost LED svítidel po technické a ekonomické stránce na veřejných komunikacích. Současný problém, který však brání jejich zavádění, je jejich poměrně vysoká pořizovací cena, která je v porovnání s klasickými svítidly se sodíkovou výbojkou stále podstatně vyšší.

Dalším problémem je správná volba takového chlazení LED modulů, aby se nezkracovala doba života svítidel. V dalším
textu jsou uvedeny konkrétní výpočty s jednotlivými testovanými svítidly a také výpočet návratnosti a odhad současné
ceny LED svítidel. Specifikace LED svítidel dostupných v roce 2011 Pro adekvátní porovnávání současných osvětlovacích prostředků s LED technikou byly na ostravských komunikacích vybrány hodnoty sledovaných parametrů pro nejčastěji používané vysokotlaké sodíkové výbojky o příkonu 70 W. Výbojky tohoto typu jsou osazeny na více než 20 tisících světelných
bodech (z celkového počtu 40 tisíc světelných bodů). Dominantní část těchto světelných bodů je na komunikacích třídy S4. Je nutné upozornit i na skutečnost, že více než 50 % svítidel osazených těmito zdroji je již za doporučenou dobou života (asi dvanáct let) a je nutné je bezpodmínečně vyměnit. Další nejvíce zastoupené třídy komunikací v Ostravě jsou S5, ME3 a ME2. Ostatní třídy komunikací jsou zastoupeny pouze minimálně. Třída S5 je svými požadavky na osvětlovací soustavu velmi
podobná třídě S4, a lze zde tedy použít obdobné typy svítidel. Vyšší třídy typu ME již vyžadují vysokotlaké sodíkové výbojky vyšších příkonů, a tudíž i LED svítidla vyšších příkonů, která však v současné době nejsou na trhu svítidel ještě zavedena.
V tab. 1 jsou uvedeny průměrné hodnoty získané na základě zmíněných specifikací pro svítidla dostupná v roce 2011
a již renomovanými výrobci otestovaná na četných sériích instalovaných osvětlovacích soustav.

Ekonomické porovnání LED svítidel dostupných na trhu v roce 2011

Typová komunikace

Jako podklad pro možné rozhodnutí o celé osvětlovací soustavě, a to nejen na úrovni svítidel, je nutné stanovit nejčastěji
se vyskytující typ komunikace. V Ostravě je nejčastěji zastoupena komunikace zatříděná do třídy S4 podle ČSN EN 13201-2 (Osvětlení pozemních komunikací – Část 2: Požadavky) a velmi významný je i počet světelných bodů založených na této třídě, která má parametry podle tab. 2.

Rozteč 30 m je v současnosti na této třídě komunikace nejrozšířenější. Nicméně při kompletní rekonstrukci lze v rámci
Ostravy volit rozteče blížící se až 40 m. Tyto rozteče jsou u nových osvětlovacích prostředků rozumným kompromisem
mezi možnostmi rozložení světelného toku, mírou oslnění, členitostí terénu a výskytem překážek (vzrostlá zeleň, křižovatky
či budovy).

Parametry porovnávaných svítidel

V tab. 3 je uveden příklad světelnětechnického výpočtu LED svítidel čtyř renomovaných výrobců, která jsou již delší dobu na trhu a jejich funkční stabilita je na vysoké úrovni. Z výsledků provedených výpočtů vyplývá, že pro rozteč stožárů VO 40 m
jsou LED svítidla plně dostačující a splňují všechny požadavky stanovené normou. Průměrná udržovaná osvětlenost
a minimální osvětlenost na komunikaci mají pro 40m rozteč dostatečnou rezervu a při uvážení reálných podmínek
(30m rozteč) budou tyto parametry vycházet ještě příznivěji. Rovnoměrnost osvětlení komunikace LED svítidly je daleko lepší a blíží se hodnotě 0,5. Příkony použitých LED svítidel se pohybují okolo hranice 50 W, oproti příkonu 83 W svítidla s vysokotlakou sodíkovou výbojkou je to značný pokles a možnost úspor. Teplota chromatičnosti uvedených LED svítidel je přibližně 4 000 K, což je vhodný kompromis z hlediska průměrné hodnoty měrného výkonu a pozitivního vnímání produkovaného světla obyvatelstvem.

V posledním sloupci jsou uvedeny hodnoty svítidla s vysokotlakou sodíkovou výbojkou jako zástupce nejčetněji
používaného svítidla na ostravských komunikacích pro třídy S4 a S5.

Ekonomická rozvaha a návratnost

V tab. 4 je vzájemné porovnání investičních a provozních nákladů LED svítidla a klasického svítidla; z dále uvedeného
je zřejmé, že po dvanácti letech (životnost svítidel odpovídá 50 000 h) jsou celkové náklady téměř totožné. Největší
rozdíl je v počáteční investici do nákupu svítidel, kdy pořizovací cena LED svítidla je dvojnásobná. Avšak tato cena
je vykompenzována nízkou spotřebou elektrické energie LED svítidla oproti svítidlu se sodíkovou výbojkou. Postupně
se tak počáteční investice do LED svítidla vrátí.

Cena elektrické energie je ve výpočtu pro zjednodušení (a její složitý odhad do budoucna) brána jako konstantní po dobu dvanácti let, což nebude platit při uvážení současného trendu růstu elektrické energie. Při reálném každoročním
zvyšování této ceny to bude přispívat ke snižování nákladů na provoz LED svítidla a to se bude nadále stávat stále více
perspektivnějším.

Závěr

Závěrem lze říci, že LED svítidla dostupná na trhu jsou schopna na komunikacích nižších tříd konkurovat klasickým svítidlům s vysokotlakou sodíkovou výbojkou, která jsou dosud majoritně používána. Uvedené výpočty pro LED svítidla vybraná od renomovaných firem a dostatečně vyzkoušená v praxi v plné míře splňují požadavky normy ČSN EN 13201-2 pro třídu S4.
Původní zpracovaná studie posuzuje možnosti využití LED svítidel i pro komunikace jiných tříd.

Na komunikacích tříd s nižšími požadavky na osvětlenost, tzn. třída S4 a S5, již mohou LED svítidla konkurovat klasickým
svítidlům v tom, že za dobu jejich života (dvanáct let) mají v porovnání se svítidlem s vysokotlakou sodíkovou výbojkou téměř totožné náklady (počáteční investice, údržba, elektrická energie).

Je třeba poznamenat, že uvedená cena LED svítidla je vztažena k většímu objemu odebraných svítidel (cena jednotlivých
kusů se může značně měnit) a je dána pro velkého správce osvětlovací soustavy. Pro komunikace tříd s vyššími požadavky
na osvětlenost, než má třída S4, tj. zejména třídy řady ME, nejsou LED svítidla ještě na trhu. Ukončení vývoje takovýchto LED svítidel se odhaduje za asi deset let, kdy má být dosaženo měrného výkonu 200 lm/W. Po tomto stadiu je možné očekávat cenovou konkurenceschopnost, ale i výkonnostní nahraditelnost svítidel osazených až 400W vysokotlakou sodíkovou
výbojkou.

Poděkování
Tento článek byl podpořen projektem Optimalizace spotřeby elektrické energie využitím moderních světelných zdrojů,
číslo projektu SP 2011/135.

Tab. 1. Porovnání průměrných parametrů LED svítidel a klasických svítidel se sodíkovou vysokotlakou
výbojkou určených pro třídy komunikace S4 a S5

Tab. 2. Parametry vzorové komunikace S4

Tab. 3. Výpočty osvětlení vzorové komunikace s vybranými LED svítidly a svítidla s vysokotlakou
sodíkovou výbojkou 

Tab. 4. Porovnání celkových nákladů na LED svítidlo a klasické svítidlo (pro jednoduchost byly
uvažovány současné ceny práce a elektrické energie)

Literatura:
[1] ČSN EN 13201-2 – Osvětlení pozemních komunikací – Část 2: Požadavky.
[2] SOKANSKÝ, K. – NOVÁK, T. – ŠNOBL, J.: Využití nových technologií ve veřejném osvětlení města Ostrava. Studie pro Ostravské komunikace a. s., Ostrava 2011.
[3] SOKANSKÝ, K. – NOVÁK, T. – ŠNOBL, J.: Hodnocení VO z pohledu výkonnostních parametrů. In: Sborník konference Kurz
osvětlovací techniky XXVIII, Dlouhé Stráně, 2010.
[4] CIE Pub. 115 Berlin Editorial Version II (draft) (2007) Recommendations for the Lighting of Roads for Motor and Pedestrian Traffic.

Recenze: prof. Ing. Jiří Habel, DrSc., ČVUT, Fakulta elektrotechnická