Энергосбережение в электрическом освещении

13. Энергосбережение в электрическом освещении

Проанализируем, что и как может влиять на снижение потребления электрической энергии в освещении помещений, объектов, территорий, улиц.

1. Уровни освещенности.

Уровни нормируемой минимальной освещенности определяют строительные нормы Беларуси «СНБ 2.04.05 – 98. «Естественное и искусственное освещение».

Снижать уровни освещенности помещений, чтобы снизить электропотребление не выход из положения, так как это связано со здоровьем людей. Следует заметить, что среднеевропейские уровни освещенности помещений на 100…200 лк выше, чем нормы, определяемые СНБ.

2. Источники света.

Применение современных источников света. Все источники света подразделяются на температурные (лампы накаливания), газоразрядные лампы низкого давления (люминесцентные) и лампы высокого давления (ДРЛ, ДРИ, ДНаТ и т.д.).

На рисунке 13.1 приведена классификация источников света.

Рекомендуемые материалы

Рис. 13.1. Классификация источников света

– Лампы накаливания являются типичными теплоизлучателями. Важнейшие свойства лампы накаливания – световая отдача и срок службы – определяются температурой спирали. При повышении температуры спирали возрастает яркость, но вместе с тем и сокращается срок службы. Сокращение срока службы является следствием того, что испарение материала (вольфрама), из которого сделана нить, при высоких температурах происходит быстрее, вследствие чего колба темнеет, а нить накала становится все тоньше и тоньше и в определенный момент расплавляется, после чего лампа выходит из строя. Светоотдача ламп накаливания составляет примерно от 9 до 19 лм/Вт. Далеко от идеальной светоотдачи (683 лм/Вт).

Спектр излучения сплошной, что обеспечивает идеальную цветопередачу. Зажигание происходит моментально.

– Галогенные лампы. По структуре и принципу действия сравнимы с лампами накаливания, но они содержат в газе-наполнителе незначительные добавки галогенов (бром, хлор, фтор, йод) или их соединения. С помощью этих добавок возможно в определенном температурном интервале практически полностью устранить потемнение колбы (вызванное испарением атомов вольфрама нити накала). Поэтому размер колбы в галогенных лампах накаливания может быть сильно уменьшен.

Конструктивно не отличаются от ламп накаливания, но обладают более высоким сроком службы. Между сроком службы и световой отдачей существует прямая зависимость – чем больше светоотдача – тем меньше срок службы. Срок службы увеличен в галогенных лампах за счет иодно-вольфрамового цикла, возвращающего испарившийся вольфрам обратно на спираль.

– Люминесцентные лампы (флуоресцентная)– это газоразрядные лампы низкого давления. По форме различаются линейные, U-образные, кольцевые, а также компактные. Светоотдача люминесцентных ламп составляет примерно 40, 50, 60, 80 лм/Вт и более. Выпускаются люминесцентные лампы мощностью 20, 30, 40, 80 Вт с колбой диаметром 40 мм и улучшенной конструкции 18, 36, 58 Вт с колбой 26 мм.

– Ртутные лампы высокого давления. Дуговая ртутная люминесцентная (ДРЛ). Характеризуется высокой светоотдачей и сроком службы в среднем 10000 ч. Светоотдача ламп ДРЛ  составляет примерно для ДРЛ 250 – 54, ДРЛ400 – 60, ДРЛ700 – 58, ДРЛ1000 – 59 лм/Вт.

Спектр видимого излучения смещен в сторону ультрафиолетового излучения и поэтому эти лампы непригодны для освещения тех помещений, где работа связана с высокими требованиями по цветопередаче.

– Металлогалогенные лампы дуговые ртутные с излучающими добавками (ДРИ) – это ртутные лампы высокого давления с добавлением иодидов металлов или йодидов редкоземельных элементов. Эти соединения распадаются в центре разрядной дуги, и пары металла могут стимулировать эмиссию света. Световая отдача и цветопередача дугового разряда ртути и световой спектр значительно улучшаются. Светоотдача ламп составляет примерно ДРИ 250 – 76, ДРИ400 – 87, ДРИ700 – 85, ДРИ1000 – 90 лм/Вт.

Световая отдача и более высокий индекс цветопередачи чем ламп ДРЛ, но срок службы ниже.

– Натриевые лампы (ДНаТ) – наиболее эффективные современные источники света. Световая отдача их достигает 100…130 лм/Вт (рекорд среди источников света).  Продолжительность работы – до 15000 ч.

Спектр видимого излучения лежит в зоне желто-красного цвета, что делает эти лампы непригодными для освещения помещений, где выполняется зрительная работа. Обладая высоким световым потоком и искривленным спектром излучения освещение натриевыми лампами создает слепящее действие, дискомфорт, а следовательно быструю утомляемость и снижение работоспособности.

– Светоизлучающие диоды (СИД)

Решение проблемы снижения мощности, электропотребления и

эксплуатационных затрат осветительных установок позволит в скором будущем решить средствами, которые ранее не воспринимались всерьез – это светоизлучающие диоды (СИД).

Светоизлучающие диоды (СТД) LED. Было замечено, что диоды, при применении в них некоторых лигирующих материалов изменяются их характеристики, они излучают свет. Со временем эти диоды стали применять как индикаторы. По мере повышения уровня полупроводниковых технологий стало возможным производить все более яркие светодиоды и разнообразить из цвета.

Спектр светодиодов (кроме белого) линейчатый приближающийся к монохроматическому, поэтому долго не существовало белых светодиодов, так как белый свет представляет собой смешение цветов.

Получить белое свечение светодиодов возможно двумя способами:

– первый, наиболее распространенный, вариант предполагает использование ультрафиолетового светодиода с нанесением на линзу люминофора;

– второй – использование так называемой светодиодной сборки из трех светодиодов – зеленого, красного и синего. Светодиоды, полученные таким способом называют «полноцветными».

3. Светильники и ПРА.

Применение энергосберегающих светильников – конструктивное исполнение светильников и прожекторов (зеркальные отражатели, экранирующие решетки), антивандальная конструкция.

Электронные ЭПРА для люминесцентных ламп и разрядных ламп высокого давления, которые обеспечивают увеличение световой отдачи источников света, снижение потерь в ЭПРА, увеличивают сроки службы ламп. Потери в электронных ЭПРА составляют 1,05…1,08, когда ЭмПРА – 1,2. Коэффициент мощности светильников с ЭПРА составляет 0,92…0,97.

Так как частота подводимого напряжения увеличена с 50 до 30 000 Гц, устранена пульсация светового потока – лампа светит ярче. В результате этих условий экономия электроэнергии при применении ЭПРА достигает 30%.

Производственные помещения

Для освещения производственных помещений применять светильники с разрядными лампами высокого давления и разрядными лампами низкого давления с электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА), имеющих значительно меньшие потери мощности, высокий коэффициент мощности 0,96. Как вариант выпускаются ЭПРА с регулированием светового потока до 50 %.

Производятся светильники с компактными люминесцентными лампами серии ФСП 01 Вт, которые позволяют заменить светильники с лампами ДРЛ мощностью 250 Вт и ФСП 01  – на светильники с лампой ДРЛ400 Вт, такая замена экономит электроэнергию до 3…5 раз.

На рисунке 13.3 представлен внешний вид светильников с
компактными люминесцентными лампами ФСП 01-,
ФСП 01-.

Рис. 13.3. Внешний вид светильника серии ФСП 01-2´57, ФСП 01 4´57

Общественные здания

Уже широко применяются растровые светильники с люминесцентными лампами типа «РУБИН» с мощностью ламп 2´18 Вт; 4´18 Вт; 2´36 Вт; 4´36 Вт с электронными ПРА. Эти светильники имеют зеркальные отражатели из шлифованного алюминия и весьма эффективно распределяют световой поток ламп в помещении, создают комфортные условия.

На рисунке 13.4 представлены растровые светильники с люминесцентными лампами  4´18 и 2´36 Вт.

Рис. 13.4. Внешний вид растровых светильников с
люминесцентными лампами

Жилые здания

В последнее время электротехнические предприятия предлагают компактные люминесцентные лампы с цоколем Е 27 мощностью 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 16, 20, 23, 26 Вт,  позволяющих производить полную замену ламп накаливания. Широкий выбор  электробытовых осветительных приборов выпускает БелОМО г. Минск с компактными источниками света галогенными лампами, характеризуемые интенсивным световым потоком, позволяют снизить электропотребление в 2…2,5 раза.

Поступившие в продажу энергосберегающие осветительные приборы конструктивно можно разделить на две группы:

– с компактными галогенными источниками света лампами (КГ);

– с компактными люминесцентными лампами (КЛ).

Галогенные компактные лампы типа КГМ изготавливаются на напряжение 12, 24 В и мощностью 20, 35, 50, 75 Вт, которые имеют целый ряд преимуществ по сравнению с обычными лампами накаливания. Включаются в электрическую сеть с понижающим трансформатором 220/12, или 220/24 В.Трансформатор устанавливается в корпусе осветительного  прибора и имеет мощность, значительно больше чем сама лампа. 

По данным изготовителей осветительных приборов с галогенными лампами потребление электроэнергии снижается  в 2 – 2,5 раза по отношению к обычным лампам накаливания общего назначения они характеризуются более интенсивным световым потоком при той же потребляемой мощности, благодаря высокой световой отдаче, а, следовательно, обладают повышенной энергоэкономичностью. Лампы такого типа обеспечивают стабильный световой поток в течение всего срока службы, великолепную цветопередачу и имеют увеличенный срок службы, в 2 раза больший, чем у обычных ламп накаливания. 

Следует заметить, что сами лампы действительно имеют небольшую мощность, но измеренные потери в трансформаторе составляют до 10 % от мощности трансформатора. Так, например светильник с тремя галогенными лампами мощность каждой по 20 Вт, выпускаемый объединением  «БелОМО» г. Минск, имеет встроенный понижающий трансформатор мощностью 100 В∙А. При расчете электропотребления такими светильниками следует учитывать и потери в трансформаторе.

Вторая группа компактных источников света, применяемых в современных разнообразных по конструкции осветительных приборах, это компактные люминесцентные лампы.

Первоначальной целью выпуска компактных люминесцентных ламп являлась необходимость создания энергоэффективных ламп с относительно небольшим световым потоком для применения в бытовых осветительных приборах. Выпускаемые в настоящее время компактные люминесцентные лампы отличаются меньшими мощностями со шкалой  мощностей от 3 до 105 Вт, с диапазоном светового потока от 125 лм и выше (ведутся разработки).

Рис. 13.5. Внешний вид компактных люминесцентных ламп

Выпускаются компактные лампы со штыревым цоколем типа G23, резьбовым – Ц14 и Ц27 (диаметр цоколя 14 или 27 мм) (рис. 13.5), что делает их применимыми в светильниках разнообразной конструкции. Лампы с резьбовым цоколем без дополнительной переделки  осветительных приборов могут заменять лампы накаливания.

Светильники с линейными компактными люминесцентными лампами отличаются оригинальной конструкцией, создают мягкое, комфортное освещение.

Включение компактных ламп совместно с электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА) снижает пульсацию светового потока, стробоскопический эффект, обеспечивает быстрое зажигание по сравнению с дроссельными электромагнитными ПРА.

Сравнение технических данных ламп накаливания и компактных люминесцентных ламп показывает, что электропотребление значительно меньшее, при относительно одинаковом световом потоке ламп.

Жилищно-коммунальное хозяйство

1. Затрачиваемую электроэнергию на освещение мест общего пользования жилищного фонда можно уменьшить за счет реконструкции освещения подъездов и лестничных площадок.

Для этих целей разработаны антивандальные светильники серии ЛПБ 31-11-006 с компактной люминесцентной лампой КЛ-11 мощностью 11 Вт (рис. 13.6) вместо существующих светильников ПСХ-60 с лампами накаливания мощностью 60 Вт. Предлагаемая замена не снижает освещенность подъездов и лестничных площадок, так как световой поток компактных люминесцентных ламп выше, чем ламп накаливания.

Рис. 13.6. Внешний вид светильника ЛПБ 31-11-006

2. Применение лестничных автоматов для поддержания включенным освещение лестничных площадок, коридора в течение заданного времени (в диапазоне от 0,5 мин. До 10 мин.), по истечении которого освещение автоматически отключается.

Наружное освещение

Для наружного освещения территории предприятий, организаций, а также уличного освещения выгодно применять разрядные лампы высокого давления типа ДНаТ, имеющих световой поток значительно выше ртутных ламп с электронным пускорегулирующим аппаратом снижающих потери в ПРА до минимума и повышающего коэффициент мощности до 0,96.

Рис. 13.7. Внешний вид светильника с компактными лампами серии ЛКУ 01-42 и ЛКУ 01-2х57

Уже несколько лет как освоено производство светильников с компактными люминесцентными лампами серии  ЛКУ 01-42 с лампой мощностью 42 Вт и ЛКУ 01-2´57 мощностью 2´57 Вт. Светильники ЛКУ 01 с лампой мощностью 42 Вт позволяет заменить светильник РКУ с ртутной лампой ДРЛ125 и уменьшить потребление  электроэнергии в три раза.

3. Управление электрическим освещением.

Применение автоматического или дистанционного управления  ОУ; включение и отключение освещения полностью или по группам светильников; ступенчатое или плавное регулирование светового потока ИС; лестничные автоматы жилых этажных домов. Автоматическое управление электрическим освещением позволяет экономить до 40 % электроэнергии в электрическом освещении.

Одно из направлений снижения электропотребления осветительных установок это автоматизировать управление освещением, сделать его независимым от человеческого фактора. Такие поиски ведутся уже давно, со времен открытия фотоэффекта.

Автоматизация предусматривает включение и отключение источников света в зависимости от уровня естественного освещения. Реализация такой автоматизации началась с внедрения на производственных предприятиях систем зонного управления при совмещенном освещении. При зонном управлении все рабочее освещения производственного корпуса делится на технологические участки, в пределах которых светильники питаются от щитков  освещения, которые управляются дистанционно из диспетчерского пункта или автоматически с помощью программных реле. Каждый участок делится на зоны по условиям естественной освещенности. В результате снижается время горения ламп, а, следовательно, и электропотребление.

Применение многоуровневых автоматов-светорегуляторов, которые состоят из фотодатчика, фотореле и исполнительных аппаратов управления – контакторов. Светорегулятор  позволяет попеременно управлять несколькими рядами светильников от одного фотодатчика. Среднегодовая экономия электроэнергия применения светорегуляторов более 25 % .

Быстрое развитие электроники и микропроцессорной техники предоставило специалистам широкие возможности и выбор схемных реализаций систем автоматического управления освещением на базе тиристоров и симисторов типа ФЭВН-1. Светочувствительный элемент блока снабжен одним или двумя фоторезисторами в зависимости от требуемой освещенности рабочих поверхностей. Силовой блок имеет на выходе мощные тиристоры включающие и отключающие группы светильников.

Разрабатываются схемы автоматического управления освещением со стандартным таймером на микросхеме, который управляется микроконтроллером и специальным блоком синхронизации. Для увеличения числа каналов регулирования и управления схемы с микроконтроллерами целесообразно подключать по последовательному интерфейсу к центральной ЭВМ, которая может одновременно изменять программу работы микроконтроллеров и управлять дистанционно освещением.

Для управления внутренними осветительными установками крупных корпусов административных и общественных помещений разработан иллюминационный процессор L-matrikx 64. Это 64-канальный регулятор яркости с независимым программным обеспечением каждого канала. Процессор имеет следующие параметры:

– количество каналов – 64;

– уровней регулирования – 512

– максимальная мощность нагрузки – 500 Вт на канал;

– силовая сеть 380/220 В (1, 2, 3-х фазной системы напряжения);

– потребляемая мощность 130 Вт.

Освещение общественных и жилых помещений

В управлении электрическим освещением общественных, административных зданий, жилых помещений могут использоваться датчики движения, которые предлагаются зарубежными производителями.

Датчик движения ST03 фирмы «Flash »

Датчик движения настенный c выключателем серии ST03, внешний вид которого представлен на рисунке 13.8, устанавливается на стене помещения и  автоматически включает освещение при входе в помещение и автоматически отключает, когда люди покинут помещение. Угол обзора 140° по горизонтали; отключаемая мощность ламп – 1200 Вт.

Датчик движения автоматически включает освещение при входе в помещение или когда человек оказывается в зоне действия датчика на улице. Освещение автоматически отключается, как только люди покинут помещение. Устройство может работать и как обычный выключатель.

Применение датчика-выключателя для управления электрическим освещением избавит от проблемы бесцельно включенного освещения, позволит экономить электроэнергию. Экономия достигается за счет сокращения времени использования осветительных приборов посредством автоматического  управления.  

Рис. 13.8. Внешний вид датчика движения серии ST03

Определить эффективность внедрения датчика-выключателя а, следовательно, и экономию электроэнергии можно, сопоставив время использования осветительной установки при ручном и автоматическом управлении после установки датчика-выключателя.

Расчет энергосберегающих мероприятий

Потребление электрической энергии на электрическое освещение в промышленности составляет до 15 %; на освещение общественных зданий до 80 %. Поэтому разработка и расчет энергосберегающих мероприятий производится с целью экономии электроэнергии затрачиваемой и на электрическое освещение помещений. Электрическое освещение сооружается не на один год, а на десятилетия, за это время осветительное оборудование источники света и светильники претерпевают физический износ и морально устаревают. Развитие и производство светотехнических устройств развивается, появляются новые решения и разрабатываются  новые изделия по светотехническим и электрическим параметрам превосходящие прежние разработки. Экономически целесообразно произвести замену устаревших источников света, светильников, систем управления электрическим освещением на более новые с улучшенными техническими характеристиками, так как такая замена окупится за счет стоимости сэкономленной электроэнергии.

Произведем на примере расчет энергосберегающих мероприятий.

ПРИМЕР 1

Произвести замену ламп накаливания в светильниках освещения лестничных площадок жилого дома на компактные люминесцентные энергосберегающие (КЛЭ).

Произвести расчет экономии электроэнергии при замене  лампам накаливания мощностью 60 Вт, в количестве 20 шт., на компактные люминесцентные лампы мощностью 11 Вт. 

Сравнительные технические данные ламп накаливания и компактных люминесцентных ламп приведены в таблице 13.1.

Таблица 13.1

Сравнительные данные ламп накаливания и компактных
люминесцентных ламп

РЕШЕНИЕ:

Определим потребление электрической лампой накаливания мощностью 60 Вт

,

где     – установленная мощность освещения, кВт;

 – коэффициент спроса;

 – время работы освещения, 10 час в сутки или 3500 час в год:

.

Определим потребление электроэнергии компактной люминесцентной лампой мощностью 11 Вт

,

где  – время работы освещения, 10 час 

.

При замене одного светильника подъезда экономия составит:

;

.

Произведем перевод электроэнергии () в условное топливо.

В тоннах условного топлива – ,

где 0,28 – переводной коэффициент электроэнергии () в тонны условного топлива (т у.т.), что в денежном выражении составит – ,

Бесплатная лекция: "2.5 Историческое значение образования государства у восточных славян" также доступна.

где 120 – стоимость тонны условного топлива, у.е. на 2008 год.

Определим капиталовложения в мероприятия:

стоимость компактной люминесцентной лампой составят – 12000 руб или 6,1 у.е. (курс рубля Республики Беларусь к у.е равен 2120).

Всего требуется 20 ламп –

Срок окупаемости составит:

.