Энергосбережение и энергоаудит в осветительных и облучающих установках

1.2. Способы экономии электроэнергии
и затрат на освещение

Международная комиссия по освещению (МКО) предлагает при поиске путей экономии электроэнергии без ущерба для качества освещения следующий комплекс мероприятий:

• анализ зрительной задачи с целью определения ее сложности и длительности, с учетом зрительного восприятия в зависимости от возраста работающего и других факторов;
• обеспечение необходимой освещенности для данной зрительной задачи в проектных решениях;
• выбор наиболее экономичных источников света;
• выбор эффективных светильников, обладающих необходимыми характеристиками светораспределения и нужным конструктивным исполнением;
• увеличение коэффициентов отражения поверхностей помещений для повышения коэффициента использования осветительной установки;
• обеспечение гибкости управления осветительными сетями, позволяющего отключать отдельные участки или уменьшать освещенность в случае необходимости;
• совместное использование систем естественного и искусственного освещения;
• организацию соответствующих режимов обслуживания, включающую периодическую чистку светильников и поверхностей помещения, а также замену ламп.

В нашей стране уровни освещенности и требования к осветительным установкам предприятий различных отраслей народного хозяйства, общественных и жилых помещений определялись рядом директивных документов [1-5], различными отраслевыми нормами искусственного освещения и рекомендациями по его устройству, а также рядом других общесоюзных и ведомственных руководящих нормативных документов.

В ноябре 1980 г. Госэнергонадзор Министерства энергетики и электрификации СССР утвердил и ввел в действие как обязательный нормативный документ для всех промышленных предприятий независимо от их ведомственной принадлежности разработанную ВНИСИ "Инструкцию по рациональному использованию электроэнергии и снижению затрат в промышленных осветительных установках (внутреннее освещение)" [6], основные положения которой к настоящему времени не потеряли свою актуальность.

Экономия электроэнергии и затрат на освещение может быть получена за счет: совершенствования систем освещения; использования эффективных источников света; правильного выбора и рационального размещения светильников и применения новых осветительных приборов и устройств; организации управления освещением и его автоматизации; рационального построения осветительных сетей; введения планомерной эксплуатации освещения.

Не допускается экономить электроэнергию в осветительных установках за счет отключения в рабочее время части светильников или использовать источник света меньшей мощности (по сравнению с запроектированной), а также применять различные регуляторы, уменьшающие мощность, потребляемую осветительными установками, если это приводит к нарушению требований норм.

Рациональное использование электроэнергии и затрат на нужды освещения может быть обеспечено в основном за счет: оптимизации светотехнической части осветительных установок; оптимизации осветительных сетей и систем управления и регулирования освещения; рациональной организации эксплуатации освещения.

Оптимизация светотехнической части осветительных установок заключается в обосновании выбора средств и способов освещения. Одной из важных проблем, определяющей экономичность внутреннего освещения, является выбор системы освещения.

Для большинства зрительных работ в соответствии с действующими нормативными документами может быть использована как система одного общего освещения, так и система комбинированного освещения (общее плюс местное). Зрительные работы очень высокой точности по своей психофизиологической специфике всегда требуют применения системы комбинированного освещения. Для зрительных работ высокой и средней точности допускается использование обеих систем в зависимости от результатов технико-экономического сопоставления осветительных установок и конкретных возможностей устройства освещения. Последние определяются особенностями технологии производства и способом организации рабочих мест. Как выбрать наиболее экономичную систему освещения, рассказано в гл. 3.

Вторым направлением, позволяющим получить экономию материальных и энергетических ресурсов, расходуемых на освещение, является применение эффективных источников света. Одним из наиболее эффективных способов уменьшения установленной мощности освещения является использование источников света с высокой световой отдачей. В большинстве осветительных установок целесообразно, как правило, применять газоразрядные источники света: люминесцентные лампы (ЛЛ), в том числе и компактные (КЛЛ) и газоразрядные лампы высокого давления (ГЛВД) - дуговые ртутные типа ДРЛ, металлогалогенные типа ДРИ, натриевые типа ДНаТ. В настоящее время взамен ламп накаливания появились компактные люминесцентные лампы (более подробно об этом в гл. 3.2).

Конкретные рекомендации по выбору эффективных источников света приведены в гл. 3. При этом должны быть учтены требования, вытекающие из специфики выполняемой работы, к таким техническим параметрам источника света, как спектральный состав, яркость, пульсация светового потока, наличие радиопомех. В случае отсутствия таких специфических ограничений предпочтение следует отдать тому источнику света, который обеспечивает возможность создания наиболее экономичного освещения.

Важным резервом экономии электроэнергии в осветительных установках являются обоснованный выбор эффективного осветительного прибора и рациональное его применение.

Расход электроэнергии может быть уменьшен за счет правильного выбора светораспределения осветительных приборов и их конструктивного исполнения. При выборе типа светильника для внутреннего освещения следует в первую очередь учитывать условия среды освещаемого помещения. Одновременно должны быть учтены и другие технические требования (если они имеются), налагающие ограничения на конструктивное исполнение светильника. После установления необходимой степени защиты светильника от воздействия окружающей среды определяется оптимальное светораспределение, необходимое в рассматриваемом случае.

Существующая номенклатура отечественных и, особенно, зарубежных светильников предоставляет много возможностей для удовлетворения любого набора специфических требований. Поэтому в большинстве конкретных случаев имеются возможности выполнения осветительной установки с помощью светильников нескольких различных типов с необходимыми светораспределением и степенью защиты. Окончательный выбор светильника следует производить по технико-экономическим соображениям на основе анализа возможных вариантов осветительной установки, выявленных светотехническими расчетами.

Использование ламп-светильников со светораспределением типа Г или К (ГОСТ 17677-89. Светильники. Общие технические условия) вместо светильников с теми же кривыми силы света может дать дополнительную экономию годовых затрат на 10-15% за счет снижения затрат на светильники, которые в этом случае не нуждаются в отражателях.

Предпочтение следует отдавать тому варианту, который является более дешевым или обеспечивает меньший расход электроэнергии. Из светотехнических параметров светильников на технико-экономические показатели осветительной установки наиболее сильно влияют светораспределение и эксплуатационная группа светильника. Поэтому эффективность осветительной установки во многом зависит от того, насколько обоснованно выбраны эти параметры. Конкретные рекомендации по выбору типа светильника с учетом оптимизации светораспределения и эксплуатационной группы могут быть получены после анализа светотехнических и технико-экономических расчетов конкретных вариантов освещения. Современные способы расчетов освещения и методика технико-экономической оценки полученных результатов приведены в гл. 2. Примеры использования этой методики и конкретные рекомендации в части выбора светильников по светораспределению и конструктивному исполнению содержатся в гл. 3.

Эффективным способом экономии электроэнергии при освещении люминесцентными лампами является применение светильников, укомплектованных стартерными пускорегулирующими аппаратами (ПРА), а также электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА). Потери мощности в стартерных схемах зажигания меньше, чем в бесстартерных, в 1,5-2,0 раза. Стартерные схемы зажигания всегда обеспечивают также более низкие годовые затраты. Область применения бесстартерных ПРА должна ограничиваться случаями, когда решающими являются не технико-экономические, а специфические технические соображения.

Значительная экономия электроэнергии и затрат может быть получена за счет оптимизации параметров осветительных установок. Экономию электроэнергии, около 6-20%, можно получить за счет снижения коэффициента запаса осветительной установки в зависимости от эксплуатационной группы используемого светильника, т. е. от его конструктивного исполнения. Так, в [1] рекомендуется при выборе светильников по конструктивному исполнению для помещений с тяжелыми условиями среды отдавать предпочтение осветительным приборам (светильникам и лампам-светильникам), относящимся к 5-7-й эксплуатационным группам, применение которых позволяет уменьшить регламентируемое значение коэффициента запаса на 0,2.

Особое внимание следует уделять выбору схем размещения светильников. Для повышения экономичности осветительных установок, помимо традиционно применяемых "равномерных" схем с расположением светильников в вершинах прямоугольников или ромбов, перспективно использование целого ряда так называемых "неравномерных" схем размещения. Повышение энергетической эффективности осветительных установок при неравномерном размещении светильников имеет место в тех случаях, когда при их равномерном размещении дискретные с большим разрывом мощности ламп приводят к резкому увеличению коэффициента неравномерности освещения, т. е. к отклонению расчетной освещенности от нормированного значения или к необходимости увеличения числа светильников, что ведет к росту годовых затрат и повышенному расходу электроэнергии. Конкретные рекомендации по выбору и использованию экономичных схем размещения осветительных приборов приведены в гл. 3.

В помещениях с подвесными потолками, оборудованными устройствами для кондиционирования воздуха или вентиляции, рекомендуется использование специальных встраиваемых светильников, совмещенных с системой кондиционирования или вентиляции, что может снизить установленную мощность осветительной установки на 15-20% при значительном одновременном уменьшении мощности кондиционеров. Исследования показали, что светотехнические и электротехнические характеристики, а следовательно, и энергетическая экономичность светильников с люминесцентными лампами зависят от теплового режима светильников. Это объясняется тем, что параметры разряда в люминесцентных лампах определяются главным образом давлением паров ртути, которое зависит от температуры стенок колб. Световой поток люминесцентных ламп значительно уменьшается против оптимальной величины при повышении температуры стенки колбы лампы. Мощность люминесцентных ламп при снижении светового потока также уменьшается, но в меньшей мере, чем световой поток, что приводит к снижению световой отдачи ламп и ведет к необходимости увеличения установленной мощности. Повышение температуры колб люминесцентных ламп сверх оптимальной приводит и к другим нежелательным последствиям - уменьшению срока службы ламп, снижению надежности зажигания.

Важным шагом в направлении создания новых осветительных установок являются предложенные Ю. Б. Айзенбергом и Г. Б. Бухманом комплектные осветительные устройства - КОУ на основе щелевых светильников-световодов (ЩСС) [10], они характеризуются высокой технико-экономической эффективностью. Светотехническими преимуществами КОУ со ЩСС являются: большая световая отдача источников света и уменьшение количества осветительных приборов ввиду их большой единичной мощности; высокий КПД вводных устройств; уменьшение длины сетей и, следовательно, потерь электроэнергии в них (следствием сокращения длины сетей является также экономия проводниковых материалов и электроустановочных устройств).

Применение КОУ со ЩСС может дать 15-25% экономии электроэнергии по сравнению с обычными осветительными приборами. Экономия первоначальных затрат составляет не менее 25-30%. Трудоемкость монтажных работ при оборудовании осветительных установок снижается в 15-25 раз. В 20-30 раз уменьшается расход материалов, идущих на изготовление светильников; в 10-50 раз снижается число точек обслуживания в осветительных установках. Одна система КОУ со ЩСС может заменить 30-50 светильников для тяжелых условий среды. Особенно эффективно применение этих устройств во взрыво- и пожароопасных зонах, а также в помещениях с тяжелыми условиями среды, где затруднено или недопустимо размещение светильников. Использование КОУ в этих случаях позволяет вынести всю электрическую часть освещения за пределы освещаемого помещения. Перспективными областями применения разработанных систем освещения со ЩСС являются также общее освещение крупных помещений производственных цехов, где эксплуатация большого количества светильников затруднительна, освещение общественных зданий с особыми архитектурно-эстетическими решениями и местное либо общее локализованное освещение протяженного производственного оборудования.

Важным вопросом в деле экономии электроэнергии и затрат в осветительных установках является совершенствование схем питания и распределения электрической энергии. Сюда можно отнести рациональный выбор размещения пунктов питания и трасс прокладки осветительных сетей, а также вопросы применения напряжения 660/380 В для питания осветительных установок повышенной мощности.

Выбор рациональных схем питания освещения, размещения и типов распределительных пунктов и щитков, токов уставок аппаратов защиты, трасс прокладки сети, сечений и марок кабелей и проводов целесообразно выполнять с применением ПЭВМ, поскольку автоматизированное проектирование в ряде случаев может обеспечить наиболее экономичный вариант электроснабжения.

Из опыта проектирования осветительных установок ряда крупных промышленных сооружений следует, что применение для таких объектов магистральных схем питания, построенных с использованием шинопроводов серий ШРА-73, ШОС-67 и др., позволяет значительно упростить и сократить монтажные работы, а также облегчить последующую эксплуатацию освещения.

Магистральные схемы питания освещения с использованием шинопроводов ЩРА-73 дают существенные преимущества перед традиционными схемами: полностью исключаются групповые щитки и шкафы управления; повышается надежность и долговечность питающих сетей благодаря простоте схемы, малому количеству входящих в нее элементов и большому сроку службы шинопроводов ШРА-73; сокращается протяженность групповых сетей на 40% за счет отсутствия подъемов от групповых щитков; отсутствуют подъемы и спуски в питающих сетях, что экономит кабели больших сечений; обеспечивается гибкость сети при росте нагрузок электроосвещения, вызванном изменением назначения помещений; достигается высокая индустриальность монтажа за счет применения комплектных линий и укрупненных блоков из шинопроводов.

Перспективным направлением является также питание освещения напряжением 660/380 В в крупных производственных зданиях с большими электросиловыми нагрузками, где для силовых электроприемников применяется такая система напряжения. Использование в этих случаях специальных источников света позволяет получить экономию электроэнергии от 3,0 до 13,0% при одновременном уменьшении годовых затрат на 5,0-7,0%.

Большой резерв экономии электроэнергии, расходуемой на освещение, заложен в максимальной рационализации управления и регулирования освещением. Своевременное включение и выключение освещения с учетом существующего режима работы предприятия, согласование работы искусственного освещения с динамикой естественного освещения (с целью максимального использования последнего), а также обеспечение возможностей регулирования искусственного освещения в течение рабочей смены (динамическое освещение) позволяют получить значительную экономию электроэнергии (см. гл. 4).

Как показывает практика и подтверждают многочисленные исследования, осуществление мероприятий по централизованному управлению освещением может обеспечить экономию 10-20% электроэнергии, расходуемой на освещение. В целях экономии электроэнергии в помещениях с боковым и комбинированным естественным светом управление освещением должно обеспечить возможность отключения рядов светильников, параллельных окнам. В протяженных цехах светильники должны отключаться не целыми рядами, а группами, которые по условиям производства должны работать одновременно. Это может привести к снижению расхода электроэнергии примерно на 5-10%.

При освещении больших помещений (площадью более 500 м²) с большой удельной установленной мощностью (20 Вт/м² и более) необходимо предусматривать централизованное автоматическое или ручное управление искусственным освещением, которое бы позволило своевременно включать и выключать частично или полностью осветительные установки в начале и конце работы с учетом графиков работы отдельных участков, а также выключать осветительные установки с газоразрядными лампами высокого давления мощностью более 1000 Вт на обеденный перерыв, оставляя включенным только дежурное освещение.

В помещениях с совмещенным освещением рекомендуется регулировать включение и выключение частей осветительной установки в зависимости от уровня освещенности, создаваемой естественным светом в различных зонах помещения. Автоматическое или ручное централизованное управление может обеспечить при некотором увеличении капитальных затрат на устройство автоматизации управления и регулирования освещения, при простом включении и выключении по заданным заранее графикам экономию электроэнергии около 10-15%, а в установках совмещенного освещения - до 10-20% и более в зависимости от сезонной длительности светлого времени суток и графика работы конкретного предприятия.

Перечень рекомендаций по выбору и использованию конкретных технических средств и способов управления внутренним освещением промышленных и общественных зданий и сооружений приведен в гл. 4.

Большие возможности для экономии электроэнергии в установках наружного освещения городов, населенных пунктов и промышленных предприятий создаются при использовании устройств централизованного дистанционного или телемеханического, а также автоматического управления освещением. Такие устройства позволяют уменьшить потребление электроэнергии на уличное освещение до 50%. Конкретные данные по этим вопросам приведены в гл. 4.

Повышение эффективности использования электроэнергии на освещение может быть достигнуто только при условии организации правильной эксплуатации освещения, поддерживающей основные показатели осветительных установок на необходимом техническом уровне. Без четко действующей службы эксплуатации любые самые совершенные осветительные установки быстро приходят в негодность и теряют свою начальную эффективность. Основными функциями службы эксплуатации освещения предприятий или организаций являются: приемка в эксплуатацию новых или реконструированных осветительных установок; чистка светильников и ламп; замена ламп; проведение планово-предупредительного ремонта; внедрение современных средств и способов централизованного управления освещением; установление режимов включения и выключения искусственного освещения с учетом изменения естественного освещения; проведение периодических обследований осветительных установок и выявление необходимости их реконструкции; организация светотехнических мастерских для ремонта и эксплуатации осветительного оборудования; организация своевременной окраски помещений и регулярной чистки остеклений светопроемов.

В целях обеспечения эксплуатации осветительных установок на каждом предприятии целесообразно устанавливать штатное расписание инженерно-технических работников для обслуживания освещения, исходя из следующих соображений: один техник-светотехник при установленной мощности осветительных установок 250-750 кВт; один инженер-светотехник при установленной мощности осветительных установок 750-2000 кВт; один инженер-светотехник и один техник-светотехник при установленной мощности освещения 2000-3500 кВт.

Еще одним фактором, кроме вышеперечисленных, позволяющим уменьшить установленную мощность осветительных установок, является правильный выбор окраски потолков, стен и полов помещений, а также их своевременная чистка и обновление. Отражающая способность поверхностей помещения зависит от их светлоты, а также от степени загрязненности и выцветания красок. Скорость загрязнения зависит от угла наклона поверхности к горизонтали. В сильно запыленных помещениях освещенность уменьшается на 10-18% вследствие уменьшения отражающих свойств поверхности. Поэтому при выборе характера отделки интерьера целесообразно отдавать предпочтение светлым тонам. Не меньшее внимание необходимо уделять своевременной очистке отражающих поверхностей.

Одним из важных резервов экономии электроэнергии и затрат на эксплуатацию осветительных установок является нормализация режимов напряжения в осветительных сетях. Опыт работы осветительных установок самого различного назначения показывает, что в связи с неравномерностью графиков электрической нагрузки в осветительных сетях неизбежно возникает отклонение напряжения от номинального. Выполненное авторами в разное время обследование осветительных установок 100 крупных объектов показало, что напряжение в осветительных сетях отклоняется от номинального значения на -10 +25%. При годовом числе часов горения ламп, равном 3600, напряжение в течение приблизительно 660 ч составляет 110% номинального.

При таких превышениях напряжения резко возрастает мощность, потребляемая источниками света, а средний фактический срок службы ламп значительно уменьшается. Таким образом, перенапряжения приводят к экономическому ущербу, обусловленному перерасходом электроэнергии, потребляемой на освещение, и сокращением срока службы источников света.

Значительный рост мощности, потребляемой лампами при повышении напряжения, требует уделять особое внимание вопросам изучения динамики изменения напряжения в осветительных сетях и способам борьбы с отрицательными последствиями отклонения напряжения от номинала. Выбор того или другого способа зависит от конкретных условий, имеющих место на освещаемом объекте в течение длительного периода времени (года или более). Основными способами борьбы с перенапряжениями в настоящее время являются использование различных способов ограничения напряжения, а также применение источников света, рассчитанных на работу в режиме перенапряжения.

Анализ работы ограничителей напряжения в сетях освещения показывает, что экономия электроэнергии достигает 15% общего расхода энергии на освещение промышленных и крупных административных зданий.

В качестве резюме в табл. 1.1, взятой из [3], показан потенциал экономии электроэнергии от внедрения различных мероприятий по совершенствованию осветительных установок.

© Красноярский государственный аграрный университет