А.Е.Атаев, Н.П.Елисеев. Экономия электроэнергии при внутреннем освещении административных объектов, учебных заведений, больниц, детских садов и других общественных зданий

Атаев А.Е., д.т.н. 

Елисеев Н.П., к.т.н. 

кафедра светотехники МЭИ

    Во всем мире на наружное, бытовое и производственное освещение затрачивается значительная часть производимой электроэнергии. В ниже следующей таблице приведены данные по годовому расходу электроэнергии для целей освещения (в абсолютных единицах и в процентах от производимой в стране электроэнергии) в некоторых развитых странах мира и России.

* Данные, относящиеся к России, приведены по бывшему СССР. Сейчас можно лишь сказать, что в процентах цифра возросла, а в абсолютном значении уменьшилась.

    Приведенные цифры не дают представления об эффективности использования электроэнергии на освещение, но показывают насколько значимым является снижение затрат на искусственное освещение при ограниченности и исчерпаемости энергоресурсов, а также ухудшении экологической обстановки. Для России же актуальность решения данной задачи кроме того определяется большим расходом электроэнергии в расчете на миллион жителей ( в 1,5 раза выше, чем в Великобритании и Японии) и наличием дефицита электроэнергии в ряде регионов страны.

    Экономия электрической энергии может быть достигнута как за счет уменьшения установленной мощности, так и за счет уменьшения времени наработки за год. Номинальная мощность осветительного оборудования (установленная мощность ОУ) рассчитывается на стадии ее проектирования исходя из нормированных значений освещенности и качественных характеристик освещения, выбранной системы освещения и принятого способа размещения светильников, начальной световой отдачей используемых комплектов “лампа-пускорегулирующий аппарат (ПРА)”, коэффициента использования светового потока осветительной установки относительно рабочей поверхности, коэффициента запаса, зависящего от изменения светового потока ламп и КПД светильников во времени, снижения отражающих характеристик поверхностей помещения во времени.

Рассмотрим мероприятия, проводимые в Америке, по экономии электроэнергии в быту:

1. Замена ЛН на КЛЛ.

2. Использование ЭПРА. Это обеспечивает экономию до 25% электроэнергии.

3. Новые сверхвысокочастотные лампы (СВЧ). Экономия электроэнергии составляет 30-50%, по сравнению с ДРЛ.

4. Использование естественного освещения (экономия электроэнергии в общественных зданиях достигает 50 %).

5. Использование световодов.

6. Правительственные специальные программы: уменьшение норм затрат электроэнергии на освещение, увеличение цен на электроэнергию, правительственное поощрение научных исследований и разработок, направленных на экономию электроэнергии, замораживание усилий по выработке электроэнергии в США, программа по реконструкции освещения в помещениях в течение 5 лет.

    Похожие усилия предпринимаются в Англии и европейских странах. Интересными мерами, на наш взгляд являются в Англии правительственный подарок каждому пенсионеру по 2 КЛЛ.

    Приведем эффективность источников излучения с точки зрения экономии электроэнергии и срока службы. Эффективность использования электроэнергии прежде всего определяется световой отдачей используемых источников излучения, равной отношению светового потока лампы (лм) к её мощности (Вт). Есть еще много параметров, характеризующих качество источников излучения, из которых здесь целесообразно привести срок службы. В нижеследующей таблице приведены световая отдача и средний срок службы в часах различных наиболее распространенных в настоящее время типов источников света.

Здесь: ЛН - лампы накаливания; ГЛН - галогенные лампы накаливания; ЛЛ - люминесцентные лампы; КЛЛ - компактные люминесцентные лампы; ДРЛ - дуговые ртутные лампы; МГЛ - металлогалогенные лампы; НЛВД - натриевые лампы высокого давления.

    Из приведенной таблицы видно, что КЛЛ и ЛН, применяемые в быту по светоотдаче отличаются примерно в 5 раз, т.е. на получение одного и того же светового потока для компактных люминесцентных ламп требуется в пять раз меньше электроэнергии. За время срока службы одна КЛЛ мощностью 20 Вт позволяет сэкономить , по сравнению с ЛН, 800 кВт ч электроэнергии, для выработки которой потребовалось бы 250 кг каменного угля или 200 литров мазута. Тем не менее у нас в стране КЛЛ применяются ограниченно. Причины две: высокая стоимость и ограниченный выпуск КЛЛ.

В ниже следующей таблице приведены данные по выпуску различных источников света в миллионах штук в России.

Здесь ГЛВД - газоразрядные лампы высокого давления, куда входят ДРЛ, МГЛ и НЛВД.

    КЛЛ за 1995 год было выпущено всего 0,2 млн. штук, что составляет 0,015% от общего объема. В Англии же уже в 1992 году было продано населению около 6 млн. штук КЛЛ, что составляет 2,6% от общего объема проданных населению источников света. На одну семью в среднем в Англии уже в 1990 году приходилось по 15 КЛЛ, и это позволило при довольно высоких нормах освещенности затратить за год на освещение всего 800 кВт ч. С 1990 года идет уменьшение годового потребления электроэнергии для освещения на один дом и к 2000 году планируется цифра 650 кВт ч.

В России о массовом использовании КЛЛ в квартирах пока говорить вообще не приходится. Тем не менее сегодня уже на Московском электроламповом заводе и в Саранском АО "Лисма" производственные мощности могут позволить выпускать КЛЛ в количестве 2 млн. штук в год.

    Можно отметить также новейшие только разрабатываемые дуговые натриевые лампы высокого давления, серные лампы, сверхвысокочастотные лампы, источники излучения на светодиодах, источники излучения на основе автоэлектронной эмиссии. Однако, несмотря на более высокую светоотдачу, активно они будут использоваться заметно позже, и сегодня влиять на экономию электроэнергии по стране не могут.

         Наиболее массовыми источниками света в течение ближайшего десятилетия, позволяющими получить значительную экономию энергоресурсов и находящими все более широкое применение как для освещения общественных зданий, так и для освещения в быту будут ЛЛ и КЛЛ. Это обусловлено их достоинствами: высокими световыми отдачами (до 87 лм/Вт для мощных ламп), хорошей цветопередачей (общий индекс цветопередачи более 80), компактностью их светящих тел, позволяющую уменьшить материалоемкость светильников, а также возможностью прямой замены ЛН на КЛЛ со встроенными ПРА и цоколем Е-27.

Достоинства современных источников света в полной мере могут быть реализованы с соответствующими пускорегулирующими аппаратами. В настоящее время для включения источников света используются: как электромагнитные ПРА (ЭМПРА, обычные, с пониженными потерями, с минимизированными потерями), так и электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА, неуправляемых и управляемых).

К достоинствам ЭМПРА следует отнести чрезвычайно высокую надежность и относительно низкую стоимость.

К достоинствам комплектов "лампа-ЭПРА" следует отнести:

- практически полное отсутствие пульсаций светового потока ламп, что позволяет использовать данные комплекты для освещения помещений с тяжелой зрительной работой,

- высокие световые отдачи комплекта " КЛЛ-ПРА", достигающие световой отдачи самих ламп при их работе на частоте 50 Гц, что позволяет обеспечить экономию электроэнергии в осветительной установке на 25%,

- больший на 30-40 % срок службы ламп при их работе с ЭПРА, по сравнению с ЭМ ПРА,

- возможность регулирования световым потоком ламп при работе с ЭПРА.

    Однако сравнительная дороговизна ЭПРА делает оправданным в настоящее время использование также ЭМПРА. Тем не менее на Западе в последние годы КЛЛ изготавливают только с ЭПРА, более того, ЭПРА начинают интенсивно использовать для ЛЛ и ламп высокого давления. Причем потребность в ЭПРА для ЛЛ на Западе ежегодно возрастает на 20-30%.

    Проведенный нами анализ показал, что при реализации указанных возможностей потенциал снижения установленной мощности искусственного освещения в общественных зданиях весьма ограничен. Например, лучшие из применяемых в настоящее время для внутреннего освещения общественных зданий источники света по характеристикам световой отдачи практически достигли “потолка” в 96–104 лм/Вт, а для современных типов светильников реальные значения КПД составляют 70–80% и резерв его повышения практически исчерпан. Все шире применяются отделочные материалы с высокими (до 0,8) коэффициентами отражения.

    Тем не менее возможно значительное уменьшение потребления электроэнергии в осветительных установках. Анализ показывает, что в структуре энергопотребления общественных зданий доля расхода энергии на цели освещения достигает 70%, четкая же персональная ответственность и материальная заинтересованность в экономии электроэнергии трудно реализуемы. В этом случае оптимизировать энергопотребление можно за счет применения автоматизированных систем управления. Системы управления освещением (СУО) поддерживают требуемые (нормируемые) уровни освещенности в процессе эксплуатации осветительной установки в соответствии с заданной программой, исключая перерасход электроэнергии.

    При использовании СУО экономия электроэнергии достигается за счет нескольких факторов.

    Во-первых, в начальный период эксплуатации люминесцентных ламп, а также при избыточном (по строительно-конструктивным, архитектурным или другим соображениям) количестве светильников создаваемая в помещении освещенность завышена и может автоматически уменьшаться до требуемого значения, что по оценке снижает энергопотребление на 15–25%.

    Во-вторых, наиболее значительную экономию электроэнергии позволяет обеспечить рациональное использование естественного освещения (ЕО) (переход от искусственного освещения к совмещенному), так как в течение достаточно большого времени суток освещение может быть вообще отключено либо включено на минимальную мощность (1–10% от номинальной). Экономия может достигать 25–40%.

    В-третьих, часовая наработка осветительной установки при отсутствии автоматического управления также превышает рациональные значения, так как при стихийном управлении искусственное освещение остается включенным при достаточном ЕО и отсутствии в освещаемых помещениях людей, а также в нерабочее время из-за забывчивости персонала.

    Проводимый нами комплекс работ направлен на создание отечественных автоматизированных систем управления освещением (СУО) общественных зданий. Разрабатываются как элементы таких СУО (электронные пускорегулирующие аппараты, контроллеры и др.), так и алгоритмы работы для подобных систем. При этом к разрабатываемым системам предъявляются требования не только обеспечения экономии электроэнергии, но и создания комфортной световой среды для пользователей, а также условий для удобного использования и обслуживания осветительной установки.

Исходя из этого, автоматизированные СУО должны выполнять следующие функции:

I. контроль состояния помещений, а именно: контроль количественных и качественных характеристик освещения в различных зонах помещения; контроль наличия людей в помещении; контроль состояния органов ручного управления освещением; контроль исправности светильников и режима их работы, контроль напряжения, тока, энергопотребления осветительной установки, а также характеристик качества электроэнергии;

II. управление освещением помещений, а именно: автоматическое и/либо ручное управление (сценарий устанавливается с пульта управления); включение и выключение освещения в помещении полностью или по группам светильников; плавная регулировка светового потока каждого светильника или отдельных групп светильников.

    Системы общего назначения, наилучшим образом подходящие для централизованного управления освещением в зданиях, целесообразно строить по двухуровневой схеме. При этом СУО содержит некоторое количество контроллеров, размещенных вблизи управляемых осветительных установок и образующих первый уровень управления. Централизованное управление второго уровня осуществляется персональной ЭВМ, единственной на все здание, и взаимодействующей уже не с отдельными датчиками и светильниками, а с контроллерами первого уровня. Это позволяет гибко совмещать централизацию управления освещением с локальным управлением, собирать статистические данные о работе освещения в каждом помещении, а также ограничивать возможности индивидуальных пользователей по воздействию на освещение, что необходимо в целях экономии электроэнергии. Двухуровневая СУО сохраняет частичную работоспособность при отказе практически любых ее элементов и предоставляет большие возможности по интеграции управления освещением с другими информационными системами здания.

    Создаваемая нами СУО (её структурная схема приведена на рис.) строится по двухуровневой схеме путем объединения локальных систем в централизованную, с распределением приоритетов в управлении между центральным постом и потребителем в зависимости от ситуации. При этом центральная ЭВМ в основном выполняет функции контроля состояния ОУ и задания режимов работы системы, а локальные контроллеры – учет требований индивидуальных пользователей и непосредственное управление освещением. Такая схема позволяет добиться наибольшей экономии электроэнергии.

    Одним из аспектов, осложняющих применение микропроцессорных СУО в отечественных условиях, является традиционное присутствие в таких системах большого количества дополнительных электропроводок, служащих для обмена информацией между элементами СУО. Наиболее эффективным способом решить эту проблему является использование для этой цели проводов электрической сети. Нами разработан оригинальный способ помехоустойчивого обмена цифровой информацией через сетевую электропроводку, который будет использован в создаваемой СУО.

    Автоматизация управления освещением в разрабатываемой системе представлена функциями учета естественного света в помещении, контроля присутствия людей и возможностью работы с беспроводным дистанционным управлением. Следует отметить, что осветительная установка, управляемая по сигналам фотодатчиков, по сути является установкой совмещенного освещения. Это накладывает дополнительные специфические требования к количественным и качественным характеристикам световой среды, а следовательно, и к алгоритму работы СУО. Например, решающая роль в определении "поведения" осветительной установки в зависимости от уровня естественного света может принадлежать некоторым качественным характеристикам освещения, а не традиционно используемой горизонтальной освещенности. Поэтому актуальной светотехнической задачей исследований в области СУО, решаемой в настоящее время на кафедре светотехники МЭИ, является установление приоритетов в системе параметров световой среды и выработка алгоритма работы СУО в зависимости от наиболее важных из этих параметров.

    Следует отметить, что стоимость электроэнергии в России заметно меньше, чем в развитых странах, что в силу дороговизны элементов автоматизированных СУО препятствует в настоящее время широкому их применению. Однако наблюдаемая явная тенденция выравнивания цен на электроэнергию и необходимость улучшения экологической обстановки делают актуальными решение задач по разработке как элементов СУО, так и алгоритмов работы автоматизированных СУО.

Источник: http://www.aces.ru/

Электротехника