Уличное светодиодное SMART-освещение

Цели организации уличного светодиодного SMART-освещения

Модернизация сетей уличного освещения и строительство новых набирает популярность в нашей стране. Внедряются новые виды освещения как светодиодного, так и автономного освещения на базе солнечных панелей. Рынок предлагает большое количество вариантов: от недорогих светодиодных светильников до сложных интеллектуальных систем управления освещением.

При этом по сей день нет единых требований по закупкам к осветительным устройствам и системам управления освещением. Данная статья подготовлена,чтобы структурировать требования к внедрению светодиодного освещения и интеллектуального управления освещением.

Сети уличного освещения является стратегическим объектом города, который обеспечивает безопасность пешеходов и автомобилей в ночное время. При этом количество точек освещения и их географическое расположение делают их эксплуатацию достаточно дорогой. Требуется время и рабочая сила для выявления и устранения неисправностей. При этом стоимость услуг и тарифы электрической энергии растут на постоянной основе. Эти факторы заставляют руководство городов пересматривать прежние решения и искать новые, наиболее экономически эффективные способы освещения.

Цель организации уличного светодиодного SMART-освещения заключается в том, чтобы использовать решения, позволяющие повышать энергоэффективность уличного освещения и снижать затраты на проведение технического обслуживания, совершенствуя качество городского освещения и сокращая затраты электроэнергии, потребляемой сетями наружного освещения.

В настоящее время на рынке появляется много технических решений, направленных на выявление неполадок, возникающих со светильниками, дистанционное управление светильниками и сбор данных о функционировании светильников, измерение, анализ и управление световым потоком с целью сокращения расходов на электроэнергию, снижения расходов на техническое обслуживание, обеспечение возможности управления в любой ситуации и снижение выбросов углекислого газа в атмосферу.

Сложности при внедрении светодиодного SMART-освещения

Светодиодные светильники – высокотехнологичная продукция, затраты на весь срок эксплуатации которых значительно ниже, чем у традиционных осветительных приборов. Тем не менее, внедрение светодиодного освещения сопряжено с некоторыми осложнениями, включая нижеследующие:

1. Ограниченная политическая воля, отсутствие лидеров. Все преимущества проектов энергосбережения не видны невооруженным глазом. При реализации подобных проектов речь не идет о строительстве какого-либо объекта, например школы, автомобильной дороги или больницы, наличие которого наглядно показывает, куда именно были вложены деньги. В данном случае видимой будет только замена на новые светильники, которые будут ярче светить и выглядеть привлекательнее, тогда как значительная экономия энергии и бюджетных средств, снижение выбросов в окружающую среду будут по-прежнему оставаться невидимыми. Основная задача при внедрении проектов модернизации освещения или строительства новых линий освещения заключается в том, чтобы найти лидера, способного взять ответственность и убедить других в эффективности такого проекта, то есть требуется политическая воля. Ограниченная политическая воля зависит, в том числе, от плохой осведомленности администраций города, от принципов государственных закупок, от неудачных опытов реализации пилотных проектов, связанных с некомпетентностью многих поставщиков.
2. Недостаток финансирования. Многие проекты не запускаются из-за отсутствия необходимых средств на первоначальные капиталовложения, даже с учетом стоимости электроэнергии и расходов на обслуживание.
3. Отсутствие общепризнанных стандартов. В настоящее время не существует единого мнения относительно того, требования каких стандартов следует соблюдать при работе с системами уличного светодиодного SMART-освещения. Эти системы относительно новые и достаточно сложны в решениях, в связи с чем немногие знают о том, как избежать эксцессов с поставщиками некачественной продукции.

Структура уличного  SMART-освещения

Уличное SMART-освещение структурно основывается на следующих компонентах и ​​принципах:

• Светодиодный светильник представляет собой электрический прибор, который обеспечивает яркое и экономичное освещение.
• Модуль управления – устройство, которое используется для управления светильником, измерения параметров светильника и передачи данных по различным каналам связи на следующий иерархический уровень. Управление светильником осуществляется через интерфейсы связи DALI, 1-10В, ШИМ. Передача данных может осуществляться через каналы связи PLC, GSM\GPRS, LoRaWAN, NB IOT.
• Контроллер предназначен для управления наружным освещением через управление электромагнитными пускателями по заданному расписанию. Контроллер может иметь цифровые и аналоговые входы для диагностики напряжения по каждой фазе (A, B, C) в цепях после пускателей, встроенный модем связи с верхним уровнем, интерфейс RS-485, CAN-BUS, Ethernet. Связь с модулем управления осуществляется по различным каналам. Распространенный канал связи – PLC.

Контроллер может идентифицировать электрические неисправности и считывать электрические параметры с электросчетчиков. Это устройство также может указываться как контроллер наружного освещения или контроллер шкафа.

• Система центрального управления – система, взаимодействующая с контроллерами, модулями управления с помощью различных каналов связи для обеспечения удаленной настройки, мониторинга, диагностики и управления уличным освещением. Предназначена для удаленного централизованного круглосуточного управления оборудованием наружного освещения и сбора диагностической информации о текущем режиме работы и состоянии наружного освещения.

Основные преимущества уличного SMART-освещения

Технологические особенности и выгоды от использования светодиодного освещения

Светодиодные светильники для уличного освещения обладают рядом неоспоримых преимуществ и возможностей, недоступных для традиционных источников освещения.

• Высокая световая эффективность. Световая эффективность имеющихся в настоящее время на рынке светильников, выпускаемых производителями качественной продукции, обычно составляет 120-150 Лм/Вт. Однако при слишком быстром повышении уровня эффективности светодиодов рекомендуется проконсультироваться с надежными производителями или представителями данной отрасли для получения последних данных по уровням эффективности.
• Направленность света. Потенциал энергосбережения светодиодных светильников в значительной степени обеспечивается благодаря направленности излучаемого ими света. Светодиодные светильники излучают направленный свет, уменьшая потерю света и направляя его туда, где он действительно нужен.
• Длительный срок службы. Лабораторные испытания и опыт подтверждают, что срок службы качественных светодиодных светильников может составлять 50 000 часов и более, в зависимости от использования. В этом плане светодиоды выгодно отличаются от традиционных ламп, срок службы которых составляет от 5 000 до 15 000 часов.
• Качество света. Благодаря высокому индексу цветопередачи и излучаемому свету, светодиодные светильники гарантируют улучшенную видимость в ночное время и делают дороги более яркими и безопасными.
• Возможности управления. Светодиоды относятся к полупроводниковым технологиям, благодаря чему есть возможность регулировать световой поток. Таким образом можно оптимизировать потребление электроэнергии, изменяя световой поток по мере необходимости. Кроме того, в отличие от традиционных ламп, с меньшим сроком эксплуатации, который сокращается при изменении яркости свечения, срок службы светодиодов будет увеличиваться при уменьшении яркости свечения.

Экономические выгоды от использования светодиодного освещения

Экономические преимущества. Самым убедительным доводом в пользу перехода на светодиодное уличное освещение является их экономическая эффективность. Прямые и косвенные экономические преимущества от использования светодиодов следующие:

— Экономия затрат в течение всего срока эксплуатации. С учетом более длительного срока эксплуатации 50 000 часов и более (по сравнению со сроком эксплуатации традиционных ламп, составляющим 15 000 часов или меньше) совокупная стоимость владения светодиодного уличного освещения будет намного ниже. Совокупная стоимость владения светодиодного уличного освещения включает стоимость электрической энергии, замены ламп, затраты на оплату труда и техническое обслуживание.

— Получение доходов. Эффективное уличное освещение позволяет продлевать время освещения как в городах, так и в сельских районах. Это способствует развитию туризма, увеличению рабочего времени предприятий общественного питания, магазинов, развлекательных центров, а также других видов деятельности, создающих рабочие места и приносящих доходы.

— Снижение расходов на развитие инфраструктуры. Будучи более эффективными, светодиодные светильники потребляют намного меньше электрической энергии, в связи с чем их использование позволяет снижать нагрузку на энергосети. Это позволяет энергопередающим организациям удовлетворять растущие потребности в энергоснабжении, используя существующую инфраструктуру, избегая при этом или откладывая решение вопросов по инвестированию в строительство новых генерирующих мощностей, линий электропередач и распределительных сетей.

Социальные выгоды от использования светодиодного освещения

• Безопасность дорожного движения. Светодиодные светильники улучшают видимость на дорогах как для водителей, так и для пешеходов. Использование светодиодного уличного освещения может в значительной степени повысить безопасность дорожного движения, особенно в плохо освещенных районах и густонаселенных городах. Также нужно обращать внимание, что установка светильников должна быть осуществлена с учетом особенностей светодиодного освещения, а именно, направленности света. Так, при проектировании должен быть исключен эффект зебры, который негативно влияет на зрение человека.
• Преимущества использования для окружающей среды. Помимо экономии энергии, переход на светодиодную технологию приведет к значительному снижению выбросов парниковых газов, приблизительно 0,7 кг на каждый киловатт/час. В дополнение к этому светодиоды обладают и другими экологическими преимуществами: они не выделяют инфракрасного излучения или вредного ультрафиолетового излучения и не содержат ртуть, токсичный металл, используемый рядом традиционных технологий освещения.
• Повышение безопасности граждан, города с комфортными условиями для проживания. Использование светодиодных светильников позволяет улучшать эстетическую привлекательность городов, имидж и культивировать гражданскую гордость.

Внедрение проекта уличного освещения

Руководителю проекта в первую очередь необходимо рассмотреть тип проекта светодиодного освещения, который необходимо будет выполнить. К таким проектам относят «проект модернизации уличного освещения», когда существующие неэффективные светильники подлежат замене на энергосберегающие светодиодные светильники, или «проект по строительству системы светодиодного освещения с нуля», предусматривающий установку освещения в районах, где оно ранее не было предусмотрено.

В случаях, когда речь идет о проекте модернизации существующих светильников, основная цель проекта уличного освещения – экономия энергии и повышение уровня освещенности. При рассмотрении проектов, предусматривающих установку светодиодного уличного освещения с нуля, дополнительные функции светодиодных светильников обеспечивают больше возможностей. Кроме того, отсутствие существующей системы дает большую свободу действий при выборе наиболее экономичного и перспективного решения для освещения.

1. Определение цели проекта

Как уже отмечалось, главной целью уличного освещения является обеспечение соответствующего уровня освещенности на дорогах для безопасности водителей и пешеходов. Важно подчеркнуть, что установка светодиодных светильников также способствует достижению других целей, таких как снижение расходов на электрическую энергию, улучшение уровней освещения и освещение дорог в не электрифицированных районах.  Руководитель проекта должен выбрать наиболее важную цель и обеспечить оптимальное соотношение других целей проекта, так как его основная цель окажет непосредственное влияние на выбор светового решения.

Например, если ключевой целью проекта модернизации уличного освещения является быстрая окупаемость, рекомендуется устанавливать светодиодные светильники без опций диммирования и управления. Если же основная цель заключается в максимальной экономии энергии, уменьшении расходов на обслуживание, рекомендуется устанавливать светильники, оснащенные функциями управления и диммирования.

2. Экономическая целесообразность и возможности финансирования

При рассмотрении проектов модернизации уличного освещения или строительства уличного освещения с нуля необходимо в первую очередь учитывать экономическую целесообразность и возможности финансирования подобных проектов. Несмотря на то, что расходы за период срока службы светодиодных светильников, как правило, оказываются ниже, по сравнению с традиционными технологиями, необходимость в больших капитальных вложениях на начальном этапе чаще всего становится непреодолимым барьером на пути реализации проектов. Одним из главных инструментов финансирования для решения этой проблемы, который позволяет избегать капиталовложений на начальном этапе, является механизм государственно-частного партнерства.

3. Создание проекта

Разработка проектов внедрения светодиодного уличного освещения делится на два этапа. Первый этап включает в себя аудит уличного освещения: детальную оценку существующей системы освещения и исходного положения, особенно объем потребления электроэнергии и определение основных недостатков и областей для усовершенствования.

Факторы, влияющие на подготовку проектов по созданию системы светодиодного освещения с нуля и проектов модернизации уличного освещения, как правило, разные. В связи с этим, первый этап каждого из этих проектов будет рассмотрен по отдельности.

Аудит проектов уличного освещения

Проект по модернизации уличного освещения: некоторые вопросы, рассматриваемые при проведении аудита, включают:

• Определение категории дороги, согласно нормативным документам текущего и прогнозируемого движения автомобильного транспорта и пешеходного потока. Соответствует ли имеющаяся система освещения потребностям в освещении? Указать требуемый уровень освещения.
• Схема движения – улица двусторонняя или односторонняя; дорога занята в определенные часы или дорога занята всю ночь (например, дорога в аэропорт)?
• Обеспечивают ли установленные опоры освещения необходимый уровень освещения на всей дороге? Соответствуют ли они требованиям по высоте и расстоянию установки?
• Подходят ли существующие опоры для установки предлагаемого светодиодного светильника, необходима ли замена кронштейнов, есть ли необходимость изменения расположений опор?
• Какое состояние кабелей и проводки между осветительными опорами и внутри них?
• Часы горения освещения в летнее и зимнее время.
• Изношенность сетей, необходима ли ее полная замена?
• Укажите текущую стоимость электроэнергии для уличного освещения – в киловатт-часах и тенге.
• Как происходит обслуживание, ежегодно на тендерной основе?
• Как относятся люди к существующей системе освещения?
• Наличия зоны покрытия мобильной связи.
• Температурный диапазон в зимнее и летнее время.

Проект по созданию системы светодиодного освещения с нуля. Светодиодные решения для уличного освещения обладают рядом дополнительных преимуществ, включая улучшение уровней освещения, по сравнению с традиционными светильниками. Эти дополнительные параметры следует учитывать при разработке проекта по созданию сетей светодиодного освещения с нуля. При разработке такого проекта чаще всего возникают следующие вопросы:

• Оптимальный уровень освещения улиц с учетом ее категории, потребностей пешеходов, а также с учетом текущего и прогнозируемого движения автомобильного транспорта и пешеходного потока.
• Схема движения на данной дороге – дорога всегда свободна, дорога загружена в определенные часы или дорога занята всю ночь (например, дорога в аэропорт)?
• Что находится на этой улице (жилые дома, многоэтажные дома и т. д.)?
• Наличие деревьев, линии связи, труб водо-, газо- и теплоснабжения, имеются ли пешеходные переходы?
• Точки подключения к сетям электропитания, мощность существующих трансформаторных подстанций.
• Наличие зоны покрытия мобильной связи.
• Температурный диапазон в зимнее и летнее время.

На втором этапе предусмотрена разработка оптимального решения по установке наружного освещения, соответствующего проектным и бюджетным требованиям, с учетом результатов проведенного аудита, а также нормативных документов, регулирующих уличное освещение.

Разработка решения и выбор технологий

Система уличного освещения должна обеспечивать возможность визуального обнаружения объектов на больших расстояниях. Способность систем дорожного освещения освещать объект определяется факторами освещения, такими как освещенность, блескость, однородность освещения. Система управления освещением должна позволить снизить расходы на эксплуатацию уличного освещения, вовремя выявлять неисправности светильников, аварии на линиях электропитания. Программное обеспечение диспетчерского пункта системы управления должно содержать карту города, с указанием GPS координат шкафов управления, светильников, показывать журнал событий, выводить на экран показание счетчика электроэнергии, в случаях неисправностей выдавать визуальное и звуковое предупреждения.

Команда разработчиков проекта занимается выработкой оптимального решения по установке уличного освещения, системы управления освещением, соответствующего проектным и бюджетным требованиям, позволяющего устранять недостатки, выявленные во время аудита, и использовать лучшие практические методы, отраслевые стандарты и правила с целью создания безопасных условий вождения.

Инициаторам проекта рекомендуется обосновать проект путем сравнения с результатами других успешно внедренных проектов или проведения испытаний выбранного решения в рамках небольшого пилотного проекта перед тем, как приступить к его расширению.  Проведение пилотных проектов позволяет снизить риски неудач при выполнении проекта, благодаря предоставлению сведений об уровнях освещения, соответствия системы заявленным параметрам и экономии электроэнергии.

 Определение объема работ проекта

После успешного проведения пилотного проекта и оформления результатов протоколом, наступает этап определения объема работ.

В зависимости от того, проводится модернизация существующих сетей освещения или планируется строительство сетей с нуля, объем работ может включать следующие виды мероприятий:

1. Проектно-изыскательские работы.
2. Подготовку рабочего проекта: составление спецификации, выбор и обоснование оборудования освещения, технологий управления.
3. Получение положительного заключения экспертизы.

Критерии оценки проекта

Качество проектирования уличного освещения

Качественное и высококвалифицированное проектирование уличного освещения на начальном этапе реализации проекта — залог успеха по завершении. На этапе проектирования учитываются все нюансы, определяются характеристики улиц, спецификация материалов, источников света, определяется месторасположение опор и светильников, поэтому проектирование уличного освещения напрямую влияет на уровень безопасности населения в темное время суток, а также на качество жизни населения в целом. Проект освещения – это руководство по организации освещения. Проект создается командой инженеров-светотехников и представляет собой набор чертежей и документов, называемых рабочим проектом. В зависимости от объекта и желаемого результата рабочий проект может отличаться, но обычно состоит из таких частей:

• Техническое задание
• Ведомость объема работ
• Расположение оборудования
• Расчет освещения
• Чертежи электротехнической части
• Чертежи системы управления
• Комплектация щитов управления и электропитания
• Спецификация оборудования и материалов
• Оценка воздействия на окружающую среду

Проект уличного освещения состоит из следующих этапов:

1. Обследование объекта и анализ полученных данных.
2. Топографическая съемка местности.
3. Подбор осветительного оборудования, системы управления, соответственно поставленным задачам и особенностям объекта, требованиям заказчика к эстетике и бюджету освещения.
4. Светотехнический расчет наружного освещения (расстановка светильников на плане и расчет требуемой освещенности).
5. Согласование и утверждение проекта с заказчиком, государственными органами.
6. Реализация проекта освещения.

До вступления к проектированию необходимо в обязательном порядке составить техническое задание. Оно необходимо, чтобы заказчик и исполнитель синхронно и одинаково понимали задачу, чтобы не было разногласий, когда заказчик имел в виду одно, исполнители это поняли по-своему и сделали не то, чего от них ожидали.

Для выполнения светотехнических расчетов применяется чаще всего программа Dialux (программа для расчета и проектирования освещения) от немецкой компании DialGmbH. С ее помощью рассчитывают уровень освещенности, а потом сверяют результаты с ГОСТом и СНиПами. Если что-то не сходится или освещение получается неравномерным, корректируют расстановку светильников. Еще одним важным моментом являются электрические расчеты. В данном разделе рассчитывают нагрузку, которую получат сети освещения от линии питания, сечение кабеля, состав щитов электропитания и предусматривают защиту от удара током, от молнии, от перенапряжений. Это один из самых важных этапов, так как от того, как он выполнен, зависят жизнь и здоровье людей. При подборе оборудования для интеллектуального управления необходимо найти компромисс «цена – качество». Главное – не экономить на качестве, от этого снижается безопасность. Лучше выбрать проверенное временем оборудование.

После того как все технические параметры проекта освещения определены, оборудование подобрано и согласовано с заказчиком, приходит время формирования спецификации планируемых к закупке материалов и оборудования.

Технические требования к светодиодным светильникам

В этом разделе перечислены основные технические требования и рекомендуемые документы для светодиодного освещения.

Ключевые параметры светильников, определяющие качество освещения:

• Световой поток (лм): количество света, излучаемого светильником;
• Мощность лампы (Вт): количество электроэнергии, потребляемой светильником, обеспечение светового потока;
• Световая эффективность светодиодов (Лм/Вт). Световая эффективность определяет эффективность светодиодов. Этот параметр измеряет количество света, излучаемого источником на единицу мощности, и выражается в люменах на ватт;
• Световая эффективность светильника (Лм/Вт). Светодиодный светильник состоит из драйвера, радиатора и оптики. Каждый их этих компонентов может уменьшить изначальную световую эффективность светодиодов. Принимая во внимание тот факт, что поверхность дороги освещается светильником, лучше всего использовать показатель эффективности светильника, а не светодиодов;
• Ватт на квадратный метр (Вт/м²): количество энергии, необходимое каждому осветительному прибору для освещения дорожной поверхности до заданного уровня освещенности. Это наиболее эффективный способ измерения эффективности источника света при освещении дорог, несмотря на то, что световая эффективность и световой поток чаще всего считаются наиболее подходящими параметрами для измерений;
• Срок службы (часов). Срок службы светодиодов измеряется иначе, чем срок службы традиционных ламп, который завершается после того, как лампа перестает излучать свет полностью. Светодиоды, как правило, не перестают излучать свет полностью, однако изнашиваются или тускнеют по истечении определенного периода времени, когда излучаемый ими световой поток оказывается не соответствующим заданным уровням освещенности. Срок службы светодиодов завершается тогда, когда излучаемый ими световой поток составляет 70% оригинального значения. 
• Индекс цветопередачи. Индекс, используемый для измерения способности искусственного света воспроизводить цвета объекта, по сравнению с естественным источником света (солнце), индекс цветопередачи которого составляет 100. Чем выше значение индекса цветопередачи, тем лучше видимость.
• Вт/м² и стоимость потребления электрической энергии. Светодиоды излучают направленный свет, что делает их исключительно эффективными при освещении определенных поверхностей, таких как дороги, и позволяет снижать значение Вт/м². Для сравнения, традиционные лампы рассеивают свет во всех направлениях, в том числе и туда, где он не нужен, поэтому светодиодные лампы потребляют намного меньше электроэнергии для обеспечения одинакового уровня освещенности на дороге. Это хорошо заметно при сравнении годовой стоимости потребления электрической энергии, которая у светодиодных ламп будет намного ниже.
• Срок службы. Светодиоды имеют длительный срок службы, несмотря на то, что для их установки требуется изначальное большое капиталовложение, светодиоды, в большинстве случаев, представляют собой наиболее экономичный вариант освещения в долгосрочной перспективе. Это связано с экономией затрат в течение всего срока эксплуатации светодиодов, включая ремонт, замену и стоимость утилизации.
• Опасные вещества. Светодиодные системы более безопасны для окружающей среды за счет того, что они не содержат опасных веществ (например, ртути), в соответствии с международными нормативами. Кроме этого, светодиоды также реже утилизируют благодаря более длительному сроку эксплуатации.

Не все светодиоды могут быть соответствующего качества

Производители, выпускающие низкокачественную продукцию, часто указывают на этикетках информацию, вводящую в заблуждение, в особенности, сочетая высокие уровни яркости с низкими ценами. Далее приведены несколько ключевых рекомендаций, которым необходимо следовать:

• Производители заявляют об определенной эффективности своей продукции. Удостоверьтесь в том, что производитель указал эксплуатационные параметры всего системного приложения (включая исходные компоненты и арматуру), а не только светодиодного кристалла (например, эффективность осветительного устройства на основе светодиодного кристалла, световая эффективность которого составляет 130 Лм/Вт, составит 90 Лм/Вт).
• Убедитесь в том, что вы выбрали модернизируемые и перспективные конструкции осветительных приборов, которые позволяют производить замену старых светодиодных модулей новыми, без демонтажа осветительного устройства со столба и без необходимости замены драйверов и других компонентов осветительного устройства.
• Производители дают различные гарантии. Убедитесь, что предлагаемая вам гарантия является всеобъемлющей и распространяется на все светодиодные приложения, а не только на отдельные компоненты. Если на кристаллы дается гарантия сроком на десять лет, но при этом оптика или радиатор окажутся бракованными, продукт не будет работать должным образом. Большинство производителей, выпускающих высококачественную продукцию, дают всеобъемлющую гарантию сроком приблизительно на три года.
• Производитель, выпускающий качественную и надежную продукцию, должен иметь протоколы испытаний, подкрепляющие его заявления в отношении надежности продукта и его эксплуатационных характеристик. Убедитесь в том, что испытания проводились, а также в наличии соответствующих документов. В противном случае мы рекомендуем вам усомниться в высоком качестве предлагаемого вам продукта.

В заключение хотел бы отметить, что переход на светодиодное освещение в городах и селах всегда должен сопровождаться внедрением интеллектуальных систем управления на основе СМАРТ-технологий.

Мади Агыбаев,
специалист по инновационным технологиям