Энергосбережение и энергоаудит в осветительных и облучающих установках

4.8. Экономия электроэнергии в
наружных осветительных установках

Основной задачей наружного утилитарного освещения (НО) городов и других населенных пунктов, дорог, автострад является обеспечение безопасности движения механизированного транспорта и пешеходов в темное время суток.

Фотометрической характеристикой, определяющей уровень видимости объектов, является яркость (освещенность) дорожного покрытия. Яркостные параметры основных дорожных покрытий (асфальт, бетон и т.д.) зависят от углов падения световых лучей, от состояния поверхности, степени ее влажности, времени эксплуатации и т.д. В связи с этим яркость покрытия связана с освещенностью не прямой зависимостью, что не позволяет проводить нормирование по освещенности. Однако в случае простейших покрытий (грунтовые дороги, щебень и т. д.), имеющих диффузное отражение, может быть использован метод нормирования по освещенности [18, 21].

Освещение улиц, дорог и площадей с регулярным транспортным движением в городских поселениях следует проектировать исходя из нормы средней яркости усовершенствованных покрытий согласно СНиП 23-05-95. Освещение улиц, дорог и площадей городских поселений расположенных в северной строительно-климатической зоне азиатской части РФ и севернее 660 северной широты в европейской части РФ, следует проектировать исходя из средней горизонтальной освещенности покрытий проезжей части согласно СНиП 23-05-95.

Получение нормативных данных при проведении энергетических обследований осветительных установок наружного освещения (ОУ НО) предусматривает контроль следующих параметров, характеризующих качественные показатели ОУ и обеспечивающих достижение нормируемых показателей НО:

• средняя скорость (освещенность покрытия) в зависимости от категории объекта;
• равномерность распределения яркости (освещенности) покрытия;
• органические ослепленности.

Указанные показатели нормируются СНиП 23-05-95.

Приведенные выше нормативные данные, полученные в результате энергетического обследования, позволяют дать качественную характеристику ОУ и ее соответствие СНиП. Однако они не являются достаточными для оценки энергоэффективности ОУ. Рекомендации по энергосбережению в ОУ НО разрабатываются с учетом комплекса показателей организации и исполнения УО и фактически представляют собой оптимизацию ОУ по критерию энергоэкономичность. Основные составляющие компоненты энергоэкономичности ОУ:

• фактическое потребление ЭЭ в ОУ наружного освещения;
• КПД ИС (световая волна);
• КПД и КСС осветительного прибора (ОП);
• техническое исполнение ОУ, устанавливающее отношение между световым потоком, высотой и шагом осветительных опор, параметрами проезжей части;
• время эксплуатации ОУ в течение суток;
• техническое состояние ОП;
• соблюдение регламента обслуживания ОУ;
• качество электрической энергии в осветительных сетях.

Расчет потребляемой ЭЭ (кВт·ч) в ОУ НО производится по формуле:

(4.51)

где Q_c - потери в сетях НО.

Стоимость ЭЭ составляет главную часть затрат на оборудование и эксплуатацию установок НО и определяется, преимущественно, световой отдачей ИС, рациональным распределением светового потока лампы, задаваемым оптической системой ОП, сроком службы и стоимостью ИС. Характеристики основных типов ИС и возможная экономия ЭЭ при переходе на энергоэкономичные ИС приведены в гл. 3. Для НО применяется широкая номенклатура ИС: ЛН, ГЛН, ДРЛ, МГЛ, НЛВД, ДКсТ.

Выбор ИС для ОУ НО основан, главным образом, на выполнении требований СНиП 23-05-95, экономичности ОУ и в ряде случаев цветопередачи. Наименьшие приведенные годовые затраты при сопоставлении ИС с различной световой отдачей, стоимостью и сроком службы, с учетом стоимости светильников при обеспечении нормируемого уровня яркости (освещенности) дорожного покрытия соответствуют ОУ с НЛВД. В этой связи при проектировании установок НО следует отдавать предпочтение НЛВД.

Выбор светильников НО (их КСС, КПД, степень защиты от окружающей среды, габаритные размеры и вес, тип и мощность ИС) производится в зависимости от значимости освещаемого объекта (категории), размеров освещаемой площади, выбранного способа размещения ОП и зкономической целесообразности.

Светораспределение светильников, применяемых в ОУ, должно наилучшим образом удовлетворять светотехническим требованиям и при заданном фиксированном пространственном положении ОП относительно освещаемой поверхности обеспечить нормируемые СНиП 23-05-95 количественные (средняя горизонтальная освещенность Е_Г,ср, средняя яркость дорожного покрытия L_ср) и качественные (коэффициент неравномерности распределения яркости L_max/L_min, освещенности Е_max/Е_ср, показатель ослепленности Р) показатели ОУ НО.

Качественные показатели ОУ определяются преимущественно формой КСС. Согласно требованиям стандартов [18, 19] с целью ограничения слепящего действия светильников регламентируются значения силы света ОП с широкой и полуширокой КСС, с условной лампой, световой поток которой равен 1000 лм, в диапазоне углов α = 75-90° от вертикали к главной поперечной плоскости.

Ниже в таблице 4.15. приведены допустимые значения силы света светильников в зоне угла α = 75-90° с лампой ДРЛ (числитель) и лампами МГЛ и НЛВД (знаменатель).

Таблица 4.15. Допустимые значения силы света светильников с лампами ДРЛ, МГЛ и НЛВД

α	75°	80°	85°	90°
Сила света, кд	200/200	80/50	25/15	20/0

Характерной особенностью ОП утилитарного НО с лампами МГЛ и НЛВД, является возможность получения широкого светораспределения с резким спадом значений силы света в диапазоне углов α > 750, что позволяет резко снизить слепящее действие ОУ при небольших поперечных размерах светящегося тела.

Экономичность светильника характеризуется его КПД, определяющего эффективность использования светового потока лампы в ОП, и выражается следующим отношением:

(4.52)

где η_ν - КПД светильника;

Ф_св - световой поток светильника,

Ф_л - световой поток ИС.

КПД светильника определяется типом отражателя и качеством его оптических элементов. При эксплуатации КПД ОП непрерывно снижается. При этом одновременно происходит изменение формы КСС. Изменение характеристик ОП сказывается непосредственно на показателях ОУ: средней яркости (освещенности) на поверхности дорожного покрытия. Степень защиты ОП от воздействия окружающей среды и скорость старения определяют коэффициент запаса при проектировании и соответственно экономичность ОУ. В этой связи в целях достижения наибольшей экономичности предпочтение при проектировании и реконструкции ОУ следует отдавать светильникам в пыленепроницаемом или пылезащищенном исполнении.

Получение нормативных данных в результате энергетического обследования систем НО предусматривает, наряду с контролем количественных и качественных показателей, выборочный контроль параметров ОП и разработку рекомендаций по регламенту обслуживания светильников или конструкции ОУ. Испытания ОП предусматривают измерение основных характеристик: КПД, КСС [19].

Техническое исполнение ОУ НО предусматривает оптимальное сочетание в едином комплексе параметров ОП, высоты и шага осветительных опор, способа установки ОП на опоре, габаритов проезжей части. Оптимизация проводится по критерию минимальных энергетических затрат для обеспечения нормируемых уровней яркости (освещенности) полотна проезжей части дороги. Как правило, оптимизация выполняется на стадии проектных работ.

Эффективность применения разрядных ИС, например, НЛВД в системах НО высока, однако при этом предъявляются достаточно жесткие требования к качеству ЭЭ. ГОСТ 13109-97 "Качество электроэнергии" допускает отклонение напряжения ±5% для осветительных сетей. Широко распространенный комплект НЛВД-ПРА обеспечивает оптимальную работу лампы при отклонениях напряжения в сетях в пределах ±5%. Именно этот показатель качества электроэнергии (ПКЭ) НО крайне нестабилен и обусловлен в значительной мере протяженностью участков осветительных сетей с равномерным распределением нагрузок. Уровень напряжения в сетях НО может изменяться от –10 до +25% от нормального, что снижает срок службы разрядных ламп (РЛ), надежность их зажигания и стабильность работы и обуславливает повышенное потребление ЭЭ осветительными установками. О степени влияния колебаний напряжения в осветительных сетях на срок службы и потребление мощности ИС дают представление данные табл. 4.16.

Таблица 4.16. Влияние колебаний напряжения в сетях освещения на электрические и эксплуатационные параметры ламп [10]

Относительное повышение напряжения сети	Относительное увеличение мощности источников света, %			Относительный срок службы источников света, %
ΔU/Uн, %	ЛН	ДРЛ	ДнаТ	ЛН	Разрядные лампы
0	0	0	0	100	100
1	1,6	2,4	2,8	97,1	95,0
2	3,2	4,9	5,6	75,8	93,0
3	4,7	7,2	8,4	66,2	90,0
5	8,1	12,2	14,0	50,5	85,0
7	11,5	17,0	19,6	38,7	80,0
10	16,4	24,3	28	7,0	73,0

Нестабильность напряжения объясняется тем, что трансформаторы городских подстанций, питающие разную бытовую и промышленные нагрузки с высоким уровнем несимметрии и низкими показателями уровня компенсации, при максимальных суточных и годовых графиках работают с фиксированными коэффициентами трансформации. Именно отсутствие устройств автоматического регулирования напряжения на подстанциях делает невозможным поддержание режима стабилизации напряжения с вытекающими последствиями для сетей освещения. Если перенапряжение в осветительных сетях приводит к перерасходу ЭЭ и относительному снижению срока службы ламп, то значительное снижение напряжения, чаще отмечающееся в конечных участках линий НО, обуславливает нестабильность характеристик ламп и является причиной погасания разрядных ламп. Крайняя неустойчивость работы РЛ наблюдается при скачкообразном понижении сетевого напряжения, выражающаяся в периодических циклах погасания РЛ и последующего зажигания и разгорания. Такой циклический режим работы РЛ приводит к катастрофическим процессам износа электродов и преждевременному выходу ламп из строя. Факт произвольного погасания РЛ необходимо расценивать как аварийную ситуацию для данного участка осветительной сети.

Устранить нестабильность напряжения в протяженных сетях НО с помощью различных устройств и приемов на пунктах питания должного эффекта не дают. Учитывая каскадный принцип, эффективным вариантом решения могут оказаться схемы электроснабжения осветительных сетей НО с двухсторонним питанием. Несмотря на то, что участки каскада НО подключены к различным трансформаторным подстанциям, они имеют общие показатели – трехфазную систему питания с одинаковым чередованием фаз при общей частоте и классе напряжения и глухозаземленную нейтраль, т.е. полный набор параметров, необходимых для организации двухстороннего питания НО.

Достоинством двухсторонней системы питания следует считать одинаково высокий уровень напряжения на конечных точках участка сети во всех режимах работы ламп. Организация двухстороннего питания автоматически повышает категорийность ОУ по уровню электроснабжения и является одним из простых и эффективных способов повышения надежности и экономичности ОУ НО [20].

Энергетическое обследование ОУ НО предусматривает контроль ПКЭ в осветительных сетях, выявление равномерности распределения напряжения сети по участкам питания с целью разработки мероприятий по выравниванию напряжения по всей протяженности участка. Нормализация ПКЭ осветительных сетей НО позволяет получить экономию ЭЭ от 10 до 30% и снизить эксплуатационные расходы ОУ.

Рассмотренный комплекс нормативных данных позволяет определить энергетический уровень и состояние системы освещения, рассчитать потенциал экономии ЭЭ и разработать мероприятия по оптимизации ОУ по критерию соответствия требованиям СНиП и энергосбережения.

В соответствии с [21] для определения фактического среднемесячного потребления ЭЭ (кВт·ч) на цели наружного освещения можно пользоваться расчетной величиной активной энергии Q_оу:

(4.53)

где Т_ср - среднемесячное количество часов работы осветительной установки уличного освещения, ч;

P_L - номинальная мощность одной лампы , кВт;

N_L - количество ламп, шт.;

К_пра - коэффициент потерь в ПРА;

К₁ - коэффициент, учитывающий потери напряжения в сетях (принимается 0,9);

К₂ - коэффициент, учитывающий повреждения в сетях (принимается 0,9);

К₃ - коэффициент, учитывающий процент действующих светоточек (принимается 0,95).

© Красноярский государственный аграрный университет