Энергосбережение и энергоаудит в осветительных и облучающих установках

3.3. Выбор источников света

Экономия ЭЭ в ОУ может быть получена заменой неэффективных ИС на энергоэкономичные при сохранении нормируемых уровней освещенности (потенциал экономии ЭЭ). Например, за период своей работы разрядные лампы (РЛ) вырабатывают в 50-100 раз больше световой энергии на 1 условный Ватт потребляемой мощности по сравнению с лампами накаливания (ЛН). Одним из наиболее эффективных способов уменьшения установленной мощности и снижения затрат на освещение является использование экономичных источников света с наибольшей световой отдачей [10]. В большинстве осветительных установок специфические требования к параметрам источников света отсутствуют. Если в конкретных случаях при выборе типа лампы не приходится учитывать ограничений, связанных с необходимостью обеспечения правильной цветопередачи, тонкого цветоразличения, устранения радиопомех и т. п., то основным критерием выбора ламп является минимизация установленной мощности освещения и годовых затрат.

Максимально возможная экономия электроэнергии, получаемая за счет правильного выбора источника света, определяется его энергетической эффективностью. Последняя зависит от следующих факторов:

1. световой отдачи источника света (η_ис);
2. потерь мощности в пускорегулирующих аппаратах (ПРА) для газоразрядных ламп, учитываемых коэффициентом α
3. нормативных требований к осветительной установке, зависящих от типа используемого источника света (к ним относятся нормируемая освещенность Е_н и коэффициент запаса К_з).

Нормируемая освещенность в соответствии с действующими нормами искусственного освещения [1] одинакова для установок внутреннего освещения с любыми газоразрядными источниками света. Для осветительных установок с лампами накаливания она должна быть снижена на одну или две ступени. Анализ значений нормируемой освещенности показывает, что среднее ее значение для установки с лампами накаливания составляет при снижении на одну ступень - 0,67 значения нормируемого для установок с газоразрядными источниками света, а при снижении на две ступени - 0,46. Коэффициент запаса, нормируемый для установок с лампами накаливания, всегда ниже аналогичной величины для установок с газоразрядными лампами и составляет в среднем 0,85 от нее.

Мощность (Вт), потребляемая осветительной установкой прямо пропорциональна нормируемой освещенности коэффициенту запаса и потерям в ПРА и обратно пропорциональна световой отдаче лампы, т. е.

(3.3)

где P_оу - мощность, потребляемая осветительной установкой, Вт;

Е_н - нормируемая освещенность, лк;

K_з - нормируемый коэффициент запаса;

η_ис - световая отдача источника света, использованного в установке, лм/Вт;

k - коэффициент пропорциональности;

α - коэффициент, учитывающий потери мощности в ПРА.

Относительная мощность осветительной установки с любым заменяемым источником света (обозначаем соответствующие ему параметры цифрой 2), вычисленная по отношению к мощности, потреблявшейся при ранее использовавшемся источнике света (индекс 1), может быть оценена по соотношению:

(3.4)

Если рассчитать эту величину с учетом оговоренной выше разницы в нормативных требованиях к осветительным установкам с разными источниками света, то можно получить нормативно эквивалентную относительную мощность, которая и определяет энергетическую эффективность любого источника света в настоящий момент.

Для определения усредненных значений энергетической эффективности различных типов источников света световые отдачи последних были усреднены для следующих мощностей ламп: люминесцентных типа ЛБ – 40, 65, 80 Вт: ртутных типа ДРЛ – 250, 400, 700, 1000 Вт; металлогалогенных типа ДРИ – 250, 400, 700, 1000 Вт; натриевых высокого давления типа ДНаТ – 400 Вт; ламп накаливания – от 100 до 1000 Вт.

Результаты расчетов энергетической эффективности для наиболее распространенных источников света приведены в табл. 3.8 [3]. Полученные данные показывают, что экономия электроэнергии при замене менее экономичных источников света на более экономичные может быть очень велика. Относительная экономия электроэнергии Q_отн, получаемая при использовании в осветительной установке нового источника света (обозначаем с индексом 2) вместо применявшегося ранее (индекс 1), может быть вычислена с учетом соотношений (3.3) и (3.4) следующим образом:

(3.5)

При этом имеется в виду, что число часов использования максимума осветительной нагрузки Т одно и то же для обоих источников света, поэтому относительная экономия электроэнергии определяется только соотношением мощностей, потребляемых осветительной установкой в том и другом случаях. В действительности числовые значения расчетной освещенности в контрольных точках, при расчете конкретных вариантов, как правило, отличаются от нормируемых значений. В практике проектирования считаются светотехнически равноценными такие решения, в которых минимальная расчетная освещенность отличается от нормированной не более, чем на-10 – +20%, т. е. приемлемо любое решение, для которого выполняется неравенство:

(3.6)

где Е_{min расч} - минимальная расчетная освещенность.

При таком подходе значение относительной экономии электроэнергии может отличаться от величины, рассчитанной по соотношению (3.6). Ее действительное значение может быть определено по формуле:

(3.7)

где C₁ и C₂ - коэффициенты, удовлетворяющие неравенствам:

	(3.8)
	(3.9)

Численные значения величин C₁ и C₂ в каждом конкретном случае могут и не быть известны потребителю, поэтому определенный интерес представляет оценка возможных предельных значений экономии электроэнергии. Максимальная экономия имеет место в том случае, когда C₂ = 0,9 при C₁ = l,2, а минимальная – при обратном соотношении, т. е. C₂ = 1,2, a C₁ = 0,9. Таким образом, пределы возможной экономии лежат внутри интервала, ограниченного минимальным и максимальным значениями, которые можно оценить с помощью следующих соотношений:

	(3.10)
	(3.11)

Результаты расчета экономии электроэнергии, полученные в соответствии с этими соотношениями, приведены в табл. 3.9 [10].

Примечание. Обозначения источников света: ЛЛ – люминесцентные лампы; МГЛ – металлогалогенные лампы; ДРЛ – дуговые ртутные люминесцентные лампы; НЛВД – натриевые лампы высокого давления; ЛН – лампы накаливания.
¹ Знак "плюс" соответствует экономии электроэнергии, знак "минус" – перерасходу, возможному в случае замены варианта с менее эффективным источником света, обеспечивающего освещенность 0,9 Е_н, на вариант с более эффективным источником, создающим освещенность 1,2 Е_н.
² При снижении нормированной освещенности для осветительных установок с лампами накаливания на одну ступень.
³ При снижении нормированной освещенности для осветительных установок с лампами накаливания на две ступени.

Примечание: * В соответствии с требованиями СНиП 23-05-95 ''Естественное и искусственное освещение'' нормируемая освещенность снижена на одну ступень по шкале освещенности.
** В соответствии с требованиями СНиП 23-05-95 ''Естественное и искусственное освещение'' нормируемая освещенность снижена на две ступени по шкале освещенности.

Анализ табл. 3.8-3.10 показывает, что для обеспечения рационального использования электроэнергии, расходуемой на освещение, во всех случаях, где не имеется специфических противопоказаний, в качестве источника света целесообразно применять газоразрядные лампы. Лампы накаливания являются наименее экономичным источником света. Область их применения определяется чисто техническими соображениями. В соответствии с рекомендациями [2] лампы накаливания, как общего применения, так и галогенные ввиду их низкой световой отдачи можно использовать только в следующих случаях:

• для освещения помещений с тяжелыми условиями среды и взрывоопасных, если отсутствуют необходимые светильники с газоразрядными лампами;
• в помещениях, где выполняются зрительные работы VI и VIII разрядов по [1] при временном пребывании людей, а также при постоянном пребывании людей – в случае технико-экономической целесообразности;
• для общего освещения помещений с повышенной опасностью поражения электрическим током при невысоких значениях освещенности (20 лк и ниже) и питании светильников с лампами накаливания напряжением не выше 42 В;
• для местного освещения при необходимости концентрации светового потока или определенной его направленности, а также при конструктивной невозможности установки светильников с люминесцентными лампами;
• в помещениях (независимо от точности выполняемых работ), где недопустимы радиопомехи;
• для аварийного и эвакуационного освещения, когда рабочее освещение выполнено газоразрядными лампами высокого давления (ДРЛ, ДРИ, ДНаТ); при этом преимущество следует отдавать галогенным лампам накаливания, если единичная мощность светильника составляет 1000 Вт и выше.

В некоторых случаях экономия электроэнергии может быть получена и в осветительных установках с лампами накаливания за счет применения ламп с возможно большей светоотдачей. Так, например, наряду с газонаполненными лампами накаливания с моноспиральным телом накала, мощностью 150 Вт типа Г, выпускаются лампы накаливания той же мощности с биспиральным телом накала типа Б. Средняя продолжительность горения и все остальные параметры этих ламп, за исключением светового потока, одинаковы. Световой же поток у ламп Б на 8% больше, чем у ламп Г. В переводе на стоимостные показатели применение ламп типа Б вместо Г дает экономию 12 кВт·ч на одну лампу за срок службы (т. е. 1000 ч.). Преимущество такого же рода дает и применение криптоновых ламп накаливания мощностью 40, 60, 75 и 100 Вт типа БК, излучающих на 4-16% больший световой поток, чем лампы типа Б той же мощности. Одна лампа БК 220-230-100 по сравнению с лампой Б 220-230-100 экономит 11-16 кВт·ч за свой срок службы.

Основным типом энергоэкономического ИС для ОУ внутреннего освещения и прежде всего жилья являются компактные люминесцентные лампы (КЛЛ). Эти лампы во многих случаях могут напрямую заменять ЛН, генерируя за срок службы в 40-50 раз большую световую энергию. КЛЛ, имеющие в 8-10 раз больший срок службы, в 5 раз большую световую отдачу по сравнению с ЛН и удовлетворительное качество цветопередачи, являются альтернативой ЛН в ОУ жилого сектора, коммерческих и общественно-административных зданиях. Малые размеры КЛЛ, встроенные в цоколь малогабаритные электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА) и стандартный резьбовой цоколь (Е14, Е22) обеспечивают возможность прямой замены ЛН мощностью от 25 до 100 Вт в существующих светильниках. Применение таких КЛЛ может быть наиболее эффективным именно в тех видах ОУ, где наиболее массовыми ИС являются ЛН.

Расчет относительного уменьшения установленной мощности при частичной замене ламп накаливания на компактные люминесцентные лампы с цоколем Е-27 производися по формуле:

(3.12)

где K_лн - доля мощности ЛН, подлежащих замене на КЛЛ;

K_со - отношение световых отдач ЛН и КЛЛ;

K_с - отношение нормируемых значений освещенностей при ОП с КЛЛ и ЛН;

K_кз - отношение коэффициентов запаса для КЛЛ и ЛН.

Экономия электроэнергии при этом составит:

(3.13)

где t - продолжительность работы ОУ, ч.

Выбор среди газоразрядных источников света наиболее целесообразного типа ламп определяется в зависимости от конкретных технических требований к освещению и его технико-экономических и энергетических показателей. При наличии требований к цветоразличению или цветопередаче выбор источников света должен производиться в соответствии с [1]. При использовании люминесцентных ламп (исключая узкополосные) и отсутствии повышенных требований к цветопередаче или цветоразличению следует применять:

• люминесцентные лампы типа ЛБ, имеющие наибольшую световую отдачу;
• рефлекторные люминесцентные лампы типа ЛБР в светильниках без отражателей для тяжелых условий среды (при этом обеспечивается экономия электроэнергии около 20% по сравнению с использованием ламп ЛБ в этих же светильниках);
• амальгамные лампы типа ЛБА при повышенной температуре в зоне работы ламп (экономия электроэнергии до 25% по сравнению с лампами ЛБ).

При наличии требований к цветоразличению должны применяться ЛЛ типов ЛДЦ, ЛЕЦ, ЛХЕ, ЛБТЦ. Использование ЛЛ типов ЛБТЦ, где это возможно, взамен ламп типа ЛДЦ обеспечивает экономию ЭЭ порядка 20%.

В СНиП 23-05-95 приведены рекомендуемые ИС соответственно для производственных помещений и для общего освещения жилых и общественных зданий в зависимости от характеристики зрительной работы и уровня освещенности.

Не рекомендуется применять многоламповые светильники со стандартными ЛЛ из-за напряженного теплового режима, приводящего к ухудшению стабильности характеристик ламп. При повышенной температуре в зоне работы ИС следует применять амальгамные ЛЛ типа ЛБА, что обеспечивает экономию ЭЭ до 25% по сравнению с использованием в этих условиях стандартных ЛЛ.

В помещениях с тяжелыми условиями среды целесообразно использовать разрядные лампы высокого давления взамен ЛН, например, металлогалогенные лампы (МГЛ) или натриевые лампы высокого давления (НЛВД), лампы-светильники типа ДРИЗ (лампа дуговая ртутная с иодидными излучающими добавками в зеркализованной колбе – лампа-светильник) взамен дуговых ртутных люминесцентных ламп (ДРЛ), щелевые световоды с лампами типа ДРЛ или ДРИЗ взамен светильников с ЛН и ЛЛ.

Целесообразно расширить применение ламп типа НЛВД в ОУ для разрядов IVб, IVв, IVг и ниже (по СНиП 23-05-95), а также при смешанном освещении для точных зрительных работ. Возможная экономия ЭЭ при этом может составить 20-45%.

В последние годы отдельные зарубежные фирмы рекомендуют использовать натриевые лампы высокого давления для установок внутреннего освещения в сочетании с другими лампами высокого давления, например, с лампами типов, ДРИ или ДРЛ. Такие осветительные установки, называемые установками смешанного света, считаются в настоящее время очень перспективными именно с точки зрения экономии электроэнергии. Сочетание натриевых ламп, имеющих среди источников света высокого давления самую большую световую отдачу, с лампами ДРИ или ДРЛ, обладающими меньшей пульсацией светового потока и другим его спектральным распределением, открывает перспективу создания энергетически экономичного освещения, обеспечивающего лучшую цветовую среду в помещении при несколько меньшей пульсации освещенности. На основе этих соображений в [10] рекомендуется применение натриевых ламп высокого давления в сочетании с лампами ДРЛ в количестве 40-50% или с лампами ДРИ в количестве 20-40 % суммарной установленной мощности для освещения зрительных работ малой и средней точности. В общем случае, если для конкретных объектов тип источника света заранее не обусловлен определенными требованиями или особенностями производства, выбор ламп следует производить на основе технико-экономических расчетов осветительных установок с различными источниками света.

Для обеспечения высокой экономичности решений освещения за счет выбора эффективного типа источника света в тех случаях, когда нет возможности проведения многовариантных расчетов на ПЭВМ, была выполнена работа [10] по выявлению эффективной области применения основных массово выпускаемых газоразрядных источников света: люминесцентных ламп типа ЛБ и газоразрядных ламп высокого давления типов ДРЛ и ДРИ. При расчете были учтены в соответствии со СНиП II-4-79 основные нормативные требования к освещению и найдены способы их наиболее экономичного удовлетворения для случаев освещения производственных помещений с типовыми строительными параметрами. В работе рассмотрены следующие наиболее распространенные строительные МОДУЛИ: 6x6 м, 6x12 м, 6x18 м, 6x24 м и 12x18 м. Возможные высоты помещений варьировались от 3 до 25 м. В качестве примера часть полученных обобщенных результатов этой работы представлена в табл. 3.11. В ней для каждого уровня освещенности приведено по два варианта высот подвеса светильников: в верхней строке – рекомендуемый, соответствующий экономическим требованиям, в нижней строке, в скобках – допустимый соответствующий минимуму расхода электроэнергии (в этом случае экономические показатели ухудшаются на 10-15%). Приведенные в табл. 3.12 высоты подвеса светильников над полом получены с учетом использования светильников, имеющих эффективное для этих случаев светораспределение.

Светильники с люминесцентными лампами размещались линиями (сплошными или с разрывами) в 2, 3 или 4 ряда в зависимости от ширины пролета и нормируемой освещенности. При освещенности от 750 лк и выше для широких строительных модулей (6x18, 6x24 и 12x18 м) использовались также 5-8-рядные схемы размещения. Экономия материальных затрат и электроэнергии в установках с люминесцентными лампами создавалась дополнительно за счет введения продольной неравномерности в размещении светильников в линии путем увеличения расстояния между светильниками по всей длине ряда в средних рядах при 3-4-рядном размещении. Такая разрядка средних рядов позволила несколько снизить установленную мощность и неравномерность распределения освещенности по помещению.

Таблица 3.12 составлена без учета требований к цветоразличению и цветопередаче. При наличии таких требований выбор источников света должен производиться по приложению 6 к СНиП II-4-79. (Осветительные установки с использованием узкополосных люминесцентных ламп при составлении табл. 3.12 не анализировались).

Примечания: 1. В таблице приняты следующие обозначения: р – показатель ослепленности; К_п – коэффициент пульсации; n=Е_max/E_min – показатель неравномерности освещения (в числителе – значение для осветительных установок с люминесцентными лампами, в знаменателе – с лампами типов ДРЛ и ДРИ); Е_н – нормируемая освещенность.
2. Для каждого уровня освещенности приведены два варианта высот подвеса светильника: в верхней строке – рекомендуемый, в соответствии с экономическим критерием, в нижней (в скобках) – допустимый, соответствующий минимуму расхода электроэнергии.

Результаты расчетов, на основе которых составлена табл. 3.12, показывают, что для помещений малой высоты (примерно до 6 м) из существующей номенклатуры газоразрядных источников света наиболее эффективными оказываются люминесцентные лампы типа ЛБ, поскольку они обладают относительно малой пульсацией светового потока (которую к тому же легко уменьшить применением двухламповых компенсированных ПРА) и более высокими световыми отдачами, чем у ламп ДРЛ. Хорошая равномерность распределения освещенности по помещению, свойственная установкам с люминесцентными лампами, обусловлена малой единичной мощностью светильников. Она может еще более снижаться в некоторых вариантах путем увеличения расстояния между светильниками в средних рядах при 3-4-рядном их размещении. Однако установки с люминесцентными лампами имеют худшие экономические показатели.

Для помещений средней высоты (6-10 м) во многих случаях преимущество получают металлогалогенные лампы типа ДРИ, у которых коэффициент пульсации и расход электроэнергии значительно ниже, чем у ламп ДРЛ. Для помещений высотой 10-20 м требования норм к качественным показателям освещения могут быть обеспечены применением более дешевых светильников с лампами ДРЛ: затраты для них существенно меньше, чем для ламп ДРИ, хотя расход электроэнергии при этом выше. Для помещений выше 20 м преимущество получают металлогалогенные лампы ДРИ. Их большой единичный световой поток позволяет сокращать количество необходимых светильников и соответственно затраты по сравнению с вариантами, выполненными светильниками с лампами ДРЛ. Одновременно происходит резкое снижение установленной мощности, что обеспечивает уменьшение расхода электроэнергии.

В некоторых случаях энергетически и экономически выгодными оказываются газоразрядные источники света, рассчитанные в комплекте с ПРА на питание напряжением 380 В. Это чрезвычайно выгодно энергетически, так как может обеспечить значительную экономию потерь мощности в сетях. Проектирование и строительство промышленных предприятий, весь силовой электропривод которых рассчитан на питающие сети напряжением 660/380 В (система с глухозаземленной нейтралью), ставит вопрос о необходимости установки в цехах специально для нужд освещения трансформаторов, понижающих напряжение с 660/380 до 380/220 В, что ведет к значительному увеличению единовременных и текущих затрат на освещение, а также росту потерь мощности. Исследования показали перспективность создания газоразрядных ламп высокого давления типа ДРИ с более высоким рабочим напряжением на лампе, а также специальных ПРА к ним, позволяющих питать светильники фазным напряжением 380 В системы 660/380 В. Предварительная оценка эффективности использования этих изделий показала, что они будут экономически и энергетически выгодны, если их основные светотехнические показатели (световая отдача и срок службы - для ламп, потери мощности - для ПРА) будут не хуже, чем у существующих аналогов, рассчитанных на питание напряжением 220 В, а при увеличении световой отдачи ламп на 10% - дадут значительную экономию электроэнергии. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, проводимые в направлении создания таких изделий, закончились разработкой и освоением производства ламп типов ДРИ400/380 и ДРИ700/380, а также соответствующих ПРА, зажигающих устройств и светильников. Технические и экономические параметры этих изделий, предусмотренные на первые 2 года выпуска, обеспечивают (при использовании этих изделий вместо аналогичных на напряжение 220 В) возможность получения экономии электроэнергии около 3% за счет сокращения потерь мощности в групповых сетях и дополнительно около 10% за счет повышения световой отдачи рассматриваемых ламп не менее, чем на 10%, что позволит довести суммарную экономию электроэнергии до 12-13%.

Применение газоразрядных ламп высокого давления, рассчитанных на питание напряжением 380 В, целесообразно не только на предприятиях, где используется система напряжения 660/380 В, но и при напряжении 380/220 В. Включение светильников в этом случае на линейное напряжение 380 В позволит получить ту же экономию электроэнергии.

© Красноярский государственный аграрный университет