Проблема энергосбережения в осветительных установках

Проблема энергосбережения в осветительных установках во всех странах мира, приобрела за последние годы особое значение. Проблема в значительной мере связанная с непрерывным увеличением масштабов использования электроэнергии на освещение. Объем электроэнергии расходуемой на освещение в разных странах мира, показана в таблице. Как видно на освещение направляется до 20% всей используемой электроэнергии.

По оценкам метеорологов, глобальное потепление на нашей планете началось приблизительно в 1978 г. и вызвано оно так называемым «парниковым эффектом» — накоплением в атмосфере «парниковых» газов, в первую очередь двуокиси углерода (СО2). Основной вклад в общий объем выбросов СО₂ приходится на уголь и другие виды топлива, используемого на тепловых электростанциях (ТЭС). Затраты электроэнергии на искусственное освещение в мире в начале 2002 г. сопровождались ежегодными выбросами в атмосферу до 300 млн. т СО2. По прогнозам американского Worldwatch Institute, до 2010 г. эта цифра может увеличиться до 450 млн. т/год.

Стабильность температуры окружающей среды является одним из основных условий существования жизни. Главными механизмами, которые обеспечивают стабильность температуры на поверхности Земли, являются излучение Солнца и парниковый эффект.

Явление "парникового эффекта" заключается в том, что после отражения от поверхности Земли часть солнечной энергии не полностью рассеивается в космическом пространстве. Значительная часть теплового излучения задерживается парниковыми газами, которые входят в состав атмосферы Земли. Благодаря этому температура повышается на 33"С. Без парникового эффекта температура возле поверхности Земли не превышала бы 18"С, а это означает отсутствие условий для жизни, так как вода на земной поверхности существовала бы только в виде льда.

Многолетний мониторинг обнаружил ярко выраженную тенденцию к повышению среднегодовой температуры. Большинство специалистов связывают это явление с повышением концентрации газов, которые принято называть парниковыми. Антропогенные выбросы СО₂, СН₄ и N20, которые относятся к группе парниковых газов, способны в значительной степени увеличить парниковый эффект. Результатом этого может быть повышение среднегодовой температуры на протяжении XXI столетия на 2-5°С. В одних регионах температура будет меняться более быстро, в других - медленнее. Результатом этого будет изменение циркуляции ветров и перераспределение осадков. Это, в свою очередь, приведет к увеличению влажности в одних регионах и к засухам в других. Изменение температуры, количества осадков и уровня моря отразится на жизнедеятельности людей. В особенности существенно влияние глобального потепления будет ощущаться в прибрежных зонах. Некоторые из них просто исчезнут. Значительно увеличится эрозия грунта, чаще будут происходить наводнения, затопление прибрежных территорий, увеличится количество увлажненных земель. В сельском хозяйстве возникнет необходимость в проведении ирригационных работ, изменится урожайность и количественный состав культур, а это, в свою очередь, отразится на животноводстве. В энергетическом секторе наиболее значительные изменения произойдут в гидроэнергетике.

Пути решения проблем: уменьшение выбросов и увеличение поглощения парниковых газов.

Соответствующие международные и национальные организации разработали целый ряд мероприятий, направленных на внедрение энергоэффективных технологий, в том числе реализацию первоочередных шагов по экономии электроэнергии в установках внутреннего и внешнего освещения.

Международное энергетическое агентство (IЕА) и Общество экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) вместе с Европейским министерством окружающей среды предложили программу, осуществление которой может снизить затраты электроэнергии на освещение в среднем на 60%. К числу реальных мероприятий повышения энергоэффективности осветительных установок (ОУ) и, соответственно, снижения выбросов СО2 во время работы теплоэлектростанций относятся прежде всего:

1) широкое внедрение в ОУ жилых и общественных зданий энергоэффективных компактных люминисцентных ламп (КЛЛ) взамен ламп накаливания (ЛН);

2) переход в ОУ промышленных и общественных зданий на осветительные приборы (ОП) с линейными люминесцентными лампами (ЛЛ) нового поколения с высокой светоотдачей (100лм/Вт);

3) использование электронных пускорегулирующих аппаратов (ПРА) вместо электромагнитных в светильниках с ЛЛ и КЛЛ;

4) автоматизированный контроль и управление освещением в зависимости от интенсивности природного света и с помощью датчиков присутствия;

5) более эффективное использование естественного освещения за счет применения активных светоперераспределяющих элементов на светопройомах (как боковых, так и потолочных).

 Вот некоторые, довольно интересные результаты расчетных оценок экономических и экологических выгод массового применения КЛЛ в быту в странах Западной Европы (по данным Philips Lighting и Osram). Если в любом из 145 млн. домашних хозяйств стран Европейского Союза 3 шт. ЛН по 60 Вт будут заменены эквивалентными по световому потоку тремя КЛЛ по 11 Вт с вмонтированными электронными ПРА, то при средней наработке 4 ч/сутки можно получить годовую экономию электроэнергии, эквивалентную ликвидации на европейском континенте десяти теплоэлектростанций мощностью 600 МВт каждая. По расчетам фирмы Osram, замена в 35 млн. домашних хозяйств Германии только одной ЛН 60 Вт на КЛЛ 11 Вт позволила бы за срок службы в 10 тыс. ч сэкономить около 17,5 млн. кВт-ч, что равнозначно снижению потребления на ТЭС каменного угля на 5 млн. т/год и, соответственно, сокращению выбросов СО2 на 15 млн. т ежегодно.

Заслуживают внимания и оценки специалистов Siemens AG результатов широкого внедрения высокочастотных электронных ПРА при реконструкции старых и обустройстве новых внутренних ОУ с ЛЛ. Если бы все ЛЛ, которые эксплуатируются в сооружениях Германии (большее 300 млн. шт.), работали с электронным ПРА (вместо электромагнитных), то экономия электроэнергии составила бы около 6,5 млрд. кВтч/год. Этот потенциал эквивалентен годовому потреблению 2 млн. т угля в обычных ТЭС или годовому производству электроэнергии на немецкой АЭС Isar I. Такая экономия электроэнергии позволила бы сократить выброс СО2 ориентировочно на 6 млн. т ежегодно! Это послужило бы существенным вкладом в защиту окружающей среды, если учесть, что в Германии на освещение расходуется около 50 млрд. кВт-ч/год (9-10% от общего объема выработанной электроэнергии), а ТЭС, которые вырабатывают электроэнергию, выбрасывают в атмосферу большее 27 млн. т СО2 в год.

В рамках осуществления энергосберегающей программы SAVE Европейская энергетическая комиссия провела исследования по выявлению первоочередных мероприятий по экономии электроэнергии на искусственное освещение. При этом было выявлено, что все ОУ с ЛЛ в Западной Европе потребляют ежегодно 10 млрд. кВт-ч, что равно общему годовому потреблению электроэнергии в Бельгии и Португалии на все промышленные и хозяйственные нужды.

Основные области применения осветительных приборов с ЛЛ — это производственные, административно-управленческие, учебные, лечебные учреждения, музеи и ряд других объектов. Снижение собственных потерь ПРА в светильниках, которые применяются в больших количествах для общего освещения помещений, создает хорошие предпосылки для уменьшения затрат электроэнергии в ОУ с ЛЛ.

Энергетическая комиссия внесла в Европейский парламент предложения по регламентации требований к повышению энергоэффективности ПРА для ЛЛ на базе классификации, разработанной CELMA - Европейской ассоциацией производителей осветительных приборов. Целью этой акции является поэтапное, на протяжении нескольких лет, сокращение объемов выпуска и применение электромагнитных ПРА (как со стандартным, так и с пониженным уровнем потерь) и широкомасштабное внедрение в новые системы освещения светильников, оснащенных энергоэкономичными электронными ПРА. Если эти предложения будут реализованы, то до 2020 г. в странах Европейского Союза в установках внутреннего освещения с ЛЛ можно будет рассчитывать на экономию до 12 млрд. к Вт-ч/год и снижение эмиссии СО2 на ТЭС приблизительно на 6 млн.т/год. Расчеты показали, что реально экономия электроэнергии, которая достигается в установках внутренего освещения при широком использовании новых светильников с ЛЛ повышенной светоотдачи с электронными ПРА, а также регулирующих систем и эффективных методов естественного освещения может составить 75%. Это соответственно обеспечит снижение эмиссии СО2 в 2 раза.

Эксперты фирмы Philips Licht убедительно доказали, что при реконструкции всех ОУ промышленных и общественных сооружений в Германии с использованием ЛЛ с повышенной светоотдачей (90 — 100 лм/Вт) и электронных ПРА, а также ОП с КПД70% можно в среднем добиться снижения удельной мощности освещения с 25 до 10 Вт/м2 без ухудшения его количественных и качественных светотехнических параметров. Это разрешило бы реально рассчитывать на экономию электроэнергии более чем на 2 млрд. Евро (действующий в Германии тариф на промышленную электроэнергию равен 0,078 Евро/кВт-ч). Количество ежегодно сэкономленного каменного угля на ТЭС при этом составило бы 8,5 млн. т, а это значит, что при экономии, получаемой от сокращения удельной мощности ОУ в 2,5 раза, объем выбросов СО2 в атмосферу снижается на 25,4 млн. т/год.

Характерно, что в Украине, в отличие от промышленно развитых стран Запада, имеет место чрезмерное потребление электроэнергии в промышленности и вместе с тем снижение ее нормы на освещение квартир. Последний фактор обусловлен недостаточной, пока что, обеспеченностью населения жилой площадью и относительно низкими доходами. И все же социальная неустроенность, хочется верить, явление временное, не настолько принципиальное, чтобы сдерживать поступь светотехники. Тем паче, что именно такой прогресс обещает народному хозяйству незаурядный экономический выигрыш. Так, переход от светильников с традиционными лампами накаливания (средняя мощность 120 Вт) на энергоэкономичные даст возможность снизить установленную мощность и потребляемую электроэнергию не меньше, чем на 70 %. При обновлении хотя бы пятой части светильников с ЛН до 2006 г., что целиком реально, суммарное снижение мощности составит более 3 млн. кВт. Таким образом ежегодная экономия энергии будет составлять 6 млрд. кВт-ч.

На данное время состояние освещения в Украине может быть расценено как критическое. Вот что в подтверждение сказанного отмечает всезнающая статистика. Свыше 60% ОУ производственных площадей промышленных зданий, 75% помещений административных учреждений, в том числе три четверти школ и других учебных заведений, около 90% внешнего освещения вообще не отвечают нормативным требованиям. Основными причинами такого положения является дефицит экономных источников света и осветительных приборов, эксплуатация физически устаревших изделий. Кроме этого, большинство отечественных аналогов по-своему техническому уровню еще уступают изделиям передовых зарубежных фирм.

В настоящее для потребностей освещения в народнохозяйственном комплексе Украины используется свыше 260 млн. единиц приборов, которые потребляют 14% произведенной электроэнергии. Парк светильников Украины (в шт.) приведен на рис. 1. Парк светильников с разными источниками света в Украине и в отдельных регионах приведен на рис. 2. Однако эти цифры не свидетельствуют о максимальной эффективности освещения. Из-за низкой эффективности источников света и световых приборов удельный вес затрат электроэнергии на освещение в Украине в 1,5 раза выше, чем в развитых странах.

Структура парка светильников с разными источниками света в Западной Европе (в %) приведена на рис.3.

Парк светильников в разных областях экономики Украины приведен на рис. 4.

Основными причинами такого состояния являются:

1) использование малоэффективных светильников, оснащенных высокозатратными лампами накала;

2) эксплуатация физически изношенных приборов, в которых отражатели и рассеиватели снизили свои оптические характеристики.

Нерациональность использования электроэнергии связана прежде всего с тем, что большая группа светильников для промышленного освещения имеет низкий коэффициент полезного действия и малоэффективное распределение силы света. Для решения энергетических и экологических проблем, связанных с электрическим освещением, необходимо значительно повысить эффективность использования электроэнергии в осветительных установках.

Решение этих проблем сводится к решению четырёх основных задач:

1. Совершенствование средств освещения за счет применения прогрессивных источников света.

2. Совершенствование способов освещения за счет внедрения новых принципов проектирования и нормирования освещения.

3. Улучшение эксплуатации ОУ.

4. Стимулирование потребителей электроэнергии за использование энергосберегающих источников света.

Из этих задач экономии электроэнергии первая является важнейшей, поскольку создает базу для решения всех других. Решать эту задачу необходимо в два этапа.

Первый этап — замена в осветительных установках светильников с лампами накаливания (ЛН) на светильники с газоразрядными лампами, в первую очередь на люминесцентные (ЛЛ) и газоразрядные лампы высокого давления (ГРЛВД, ДРЛ, ДРИ, ДНаТ). Средняя экономия электроэнергии при замене ЛН на ЛЛ составляет - 64%, а ЛН на ГЛВТ - 70%. Поэтому при проектировании новых ОУ или реконструкции действующих выбор источников света должен осуществляться, как правило, на основе технико-экономического сравнения вариантов освещения конкретного объекта с учетом всех капитальных и эксплуатационных затрат.

Тем не менее, учитывая стойкую тенденцию роста тарифов на электроэнергию в сравнении с ростом цен на светотехнические изделия, можно смело сказать, что экономия электроэнергии будет решающим фактором в определении эффективности ОУ. Поскольку светоотдача газоразрядных ламп в 3-6 раз выше, чем ЛН, а срок службы в 8-10 раз больше, то проектным организациям необходимо расширять и зоны использования газоразрядных ламп высокого давления. Замена светильников с ЛН на светильники с ЛЛ и ГЛВТ в наших условиях окупит себя на протяжении года, при этом значительно увеличится освещенность рабочих мест.

Экономия электрической энергии за счет замены источников света приведена на рис. 5.

Второй этап - это разработка, освоение и применение в ОУ новых источников света с высокоинтенсивными энергоэффективными лампами, ПРА с пониженными потерями и с электронным ВЧ ПРА.

При использовании эффективных средств освещения затраты электроэнергии можно снизить почти вдвое. Основные направления решения этой важной задачи будут состоять в совершенствовании средств и методов освещения и улучшении эксплуатации осветительных приборов.

Усовершенствование средств освещения включает, прежде всего, работу над такими важными проблемами, как:

1) повышение коэффициента полезного действия;

2)стабилизация светового потока источников света в процессе службы;

3) разработка, производство и использование световых приборов с эффективным свето- распределением;

4) стабилизация характеристик осветительных приборов во время эксплуатации.

Акционерное общество "Ватра" занимает одно из ведущих мест в Украине по выпуску светотехнического оборудования.

Структура номенклатуры светотехнического оборудования, которое выпускается предприятием, определяется следующими основными направлениями:

1. Светильники для общего освещения помещений промышленного и сельскохозяйственного назначения с нормальными и трудными условиями окружающей среды.

2. Взрывобезопасные светильники для освещения шахт и других взрывоопасных помещений и пространств.

3. Прожекторы для освещения больших открытых пространств (спортивных сооружений, железнодорожных вокзалов и т.д.), а также для общего освещения объектов промышленного и с/х назначения.

4. Светильники внешнего освещения -улиц, дорог, парков и скверов.

5. Светильники местного освещения.

6. Светильники для освещения административно-общественных помещений.

7. Транспортное освещение.

8. Светильники для жилья.

9. Энергосберегающая пускорегулирующая аппаратура.

10. Энергосберегающие светильники по индивидуальным заказам.

Выпускаемые светильники классифицируются по светотехническим параметрам и конструктивным характеристикам. Выбирая изделие, необходимо учесть его конструктивное исполнение, светораспределение, яркость и экономичность. От правильного выбора светильника и его размещения зависит качество освещения в помещении: его равномерность, распределение яркости по внутренним поверхностям, степень прямого и отраженного блеска и затенения рабочего места, оптимальное тенеобразование.

Правильный выбор осветительных приборов по светораспределению дает минимальные затраты электроэнергии. Возможная ее экономия вследствие использования светильников с эффективным для заданных условий светораспределением составляет 15—20% при маленьких высотах помещения и 20—40 % — при высоких. Так, при замене диффузных люминес-центных светильников на зеркальные можно сэкономить до 30% электроэнергии.

Для повышения эффективности использование электроэнергии в светотехнических установках на предприятии ведутся работы в нескольких направлениях.

Во-первых, кардинально меняется номенклатура в части увеличения объемов выпуска световых приборов с энергоэкономичными источниками света. За последние три года производство светильников с газоразрядными и люминесцентными лампами увеличилось на 33%. Сокращение части неэкономных светильников с лампами накаливания на более экономные с люминесцентными или газоразрядными позволит при существенном сокращении потребления электроэнергии повысить уровень, и качество освещения.

Второе направление — это совершенствования конструкции осветительных приборов с целью повышения коэффициента полезного; действия, разработка и производство светильников с эффективным светораспределением, стабилизация светотехнических параметров эксплуатации. В частности, на примере прожекторов «Ватры», история которых началась с Олимпиады-80 и которые выдержали испытание временем, был сделан шаг вперед в освоении совершенных технологий. Значительные изменения испытали классические олимпийские варианты прожекторов, а также создан ряд принципиально новых конструкций, которые отличаются улучшенными светотехническими характеристиками. Применение этих прожекторов дает значительную экономию материальных и энергетических ресурсов. Так например, реконструкция освещения стадиона «Украина» в г. Львове позволила при снижении электропотребления на 10% увеличить освещенность. А ожидаемая экономия электроэнергии после предложенной реконструкции освещения Национального спортивного комплекса «Олимпийский» в г. Киеве новыми прожекторами «Ватры» может составить 127 тыс. кВт-ч в год. По таким энергоэффективным проектам с новыми высокоэффективными прожекторами производства ОАО "Ватра" в 2002 г. осветили стадионы в городах Днепропетровске, Сумах, Мариуполе.

Широкое использование этой техники обеспечит существенное снижение затрат электроэнергии на освещение в разных областях народного хозяйства. Поэтому важной задачей является закрепление энергосберегающих требований к светотехническим изделиям в стандартах и нормах, что исключило бы использование энергозатратной осветительной техники в народном хозяйстве.

Во многих странах мира кроме норм искусственного освещения действуют стандарты по энергосбережению, где критерием оценки рационального энергопотребления является предельно допустимая удельная мощность осветительной установки. Законодательное введение ограничений максимальных значений удельной мощности стимулирует использование наиболее эффективных источников света, световых приборов и методов освещения. Это позволит сэкономить до 60 % электроэнергии, которая используется на освещение.