Лекция 12. Экономия электроэнергии и ресурсов в освещении

Наружное освещение.

На освещение в стране расходуется в среднем 13-14 % всей генерируемой электроэнергии. В промышленности доля энергозатрат на освещение, например на машиностроительных заводах, обычно составляет 8-10% от общего потребления электроэнергии; в текстильной, полиграфической, электронной промышленности – 15-25%. На первый взгляд, возможная экономия незначительна, однако важно, что потенциал энергосбережения при реконструкции осветительных установок легко реализуем, сопровождается значительным снижением эксплуатационных расходов и повышением качества освещения, а, следовательно, улучшением условий труда и повышением его производительности.

Каждое промышленное предприятие расходует электроэнергию не только на основной технологический процесс, но и на вспомогательные нужды. Эта составляющая на отдельных предприятиях достигает до 20% от общего электропотребления. Общими потребителями электроэнергии на вспомогательные нужды являются: электрическое освещение, системы водоснабжения, вентиляционные устройства и компрессорные станции, внутризаводской электрический транспорт. В настоящее время разработано много различных видов осветительных приборов с высоким КПД. Компактные люминесцентные лампы, потребляющие на 75 % энергии меньше, чем лампы накаливания при тех же показателях освещения. Они могут подключаться к тем же патронам, что и традиционные лампы. Их типовой ресурс превышает в 9-13 раз аналогичные показатели для ламп накаливания.

Вольфрамовые галогенные лампы потребляют на 89 % меньше энергии, чем лампы накаливания при том же световом потоке и имеют в 3-5 раз более высокий ресурс работы. Однако их доля в общей массе осветительных приборов остаётся малой, что объясняется необходимостью применения специальной арматуры, а также высокой ценой.
Разрядные лампы высокой интенсивности являются мощными источниками света при малом относительно ламп накаливания потреблении электроэнергии. Основными разновидностями этого класса ламп являются: ртутные, металлогалогенные и натриевые лампы высокого давления. Использование этих ламп связано с необходимостью дополнять их специальными баллонами, значительно повышающими стоимость. Однако все они обладают высокими эксплуатационными качествами. Так, натриевые лампы в 6 раз энергетически более эффективны, чем лампы накаливания, а металлогалогенные – в 5 раз. При этом они обеспечивают высокие цветовые показатели, поэтому рынок этих видов ламп имеет тенденцию к постоянному расширению.

В настоящее время в эксплуатации находится огромное количество светильников с люминесцентными лампами и электромагнитными дросселями, которые не обеспечивают оптимальных режимов работы ламп и имеют низкие эксплуатационные характеристики. На смену дросселям пришла электронная пускорегулирующая аппаратура (ПРА), существенно улучшающая технико-экономические показатели этого типа светильников.
Основой электронных ПРА (электронных балластов) являются полупроводниковые импульсные схемы, которые позволяют обеспечить питание люминесцентных ламп напряжением повышенной частоты, за счёт чего существенно повышается качество освещения при снижении потребления энергии по сравнению со светильниками, использующими традиционные электромагнитные балласты.

Полупроводниковые светоизлучающие диоды (СИД). Светоизлучающие приборы на основе СИД активно внедряются во все сферы городского хозяйства. Технология их создания известна как СИД-технология. СИД и устройства на их основе имеют значительное преимущество перед другими светоизлучающими приборами и устройствами. Малая потребляемая мощность, высокая надёжность, совместимость с интегральными схемами устройств управления, высокая устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, появление внешне чисто зелёных и синих СИД, а также СИД со светоотдачей более 75 лм/Вт (светоотдача стандартных ламп накаливания 15 лм/Вт) – всё это произвело настоящую революцию в области светотехнических и информационных технологий, несмотря на их относительно высокую стоимость.
При модернизации системы освещения используют энергоэкономичные светильники с лампами КЛЛ и ЭПРА ФКУ01-2х18-002УХЛ1, которые предназначены для освещения:

- улиц и дорог местного значения;

- пешеходных улиц и тротуаров;

- подъездов, хозяйственных площадок и площадок при мусоросборниках;

- открытых пространств производственного назначения.

Предполагается, что в ближайшем будущем энергетическая эффективность станет главным фактором при производстве светотехнических приборов. В результате стандартные лампы накаливания будут вытеснены из потребления в течение 30-40 лет.
Основной задачей установок наружного освещения улиц и дорог с транспортным движением является обеспечение нормируемых уровней средней яркости поверхности асфальтобетонных покрытий проезжей части, равномерности распределения яркости и ограничение слепящего действия.

Нормируемые яркостные параметры достигаются за счёт рационального проектирования наружных осветительных установок на основе учёта отражательных характеристик асфальтобетонных покрытий, имеющих диффузионно-направленный характер отражения. Осветлённое асфальтобетонное покрытие – это шероховатое асфальтобетонное покрытие, в котором гранитный щебень заменён на искусственный или естественный высокопрочный щебень. В качестве светлого щебня, позволяющего повысить отражающие свойства асфальтобетонного покрытия, за рубежом используются не только природные кварциты, известняки, но и искусственные каменные белые материалы: синопал, люксовит и др., имеющие требуемые физико-механические и значительно более высокие отражательные свойства по сравнению с естественными материалами.

В Москве в начале 1970-х годов был для этой цели разработан светлый каменный материал «дорожный ситал» или сокращённо – дорсил, на базе утилизации мартеновских шлаков, отработана технология и было начато опытно-промышленное производство. Опытные участки осветлённых покрытий были уложены на Пролетарском проспекте, Фрунзенском валу, Пушкинской улице и др. Проведённые светотехнические исследования показали, что дорсил по своим свойствам приближается к синопалу.
Время проявления светлого щебня после укладки покрытия, когда с него сдирается черная битумная плёнка шинами проходящего транспорта, зависит от интенсивности движения машин и составляет 8-10 месяцев, а стабилизация отражательных характеристик происходит через 1,2-1,5 года. Возможно ускорение сроков осветления. Перечисленные выше участки осветлённых покрытий, уложенных с соблюдением требуемой технологии, простояли существенно дольше обычных.

В процессе проведённых исследований было установлено, что насыщение отражательных характеристик осветлённых покрытий наступает при содержании дорсила 43% и более. При этом повышение коэффициентов использования светильников (с широким характером светораспределения) по яркости составляет 60 % по сравнению с обычными шероховатыми и 40 % по сравнению с гладкими асфальтобетонными покрытиями. На этот же процент увеличивается и средняя яркость установок наружного освещения. Кроме того, обеспечивается улучшение поперечной равномерности распределения яркости, что весьма важно для широких улиц. Для влажного состояния покрытий преимущества осветлённых ещё весомее по сравнению с традиционными.

Таким образом, использование осветлённых асфальтобетонных покрытий приводит к увеличению их яркости и равномерности распределения яркости без повышения мощности осветительных установок.

Весьма важным является появление новой возможности улучшения поперечного распределения яркости при одностороннем размещении светильников за счёт изменения процентного содержания дорсила в составе асфальтобетонной смеси по полосам движения. Пример использования такой возможности: первая полоса движения – гранитный щебень, вторая полоса – вместо гранитного щебня 33 % дорсила, третья полоса – 38 % дорсила, что обеспечивает очевидное выравнивание поперечной яркости. Такая необходимость обычно возникает для расширяющихся участков автомобильных дорог при сохранении осевого размещения опор и светильников.

Естественно, что чем выше уровень нормируемой средней яркости, тем больше достигается абсолютная экономия установленной мощности и расхода электроэнергии. Поэтому наиболее эффективно использование осветлённых покрытий в транспортных тоннелях, где имеют место высокие уровни освещения, особенно в дневное время.
Насколько дороги светлые щебни? Проведённые НИИ расчёты показали, что по сравнению с карельским или украинским гранитным щебнем щебень из дорсила дороже не более чем в 2,5 раза, а осветлённый асфальтобетон по стоимости превышает обычный в 1,9 раза. Существенное удешевление осветлённого покрытия может быть достигнуто за счёт использования светлых естественных каменных материалов.

Необходимо желание и заинтересованность руководства строительного комплекса и городских заказчиков, которые не проявляются, видимо, по той причине, что дополнительные затраты должны нести строители-дорожники, а экономию получает городское наружное освещение.

Осветлённое покрытие позволит за срок службы покрытия только на одной въездной зоне тоннеля получить экономию электроэнергии не менее 1 млн. кВт•ч, сократить эксплуатационные расходы, а главное, снизить время введения ограничений движения в тоннелях, вызванных нахождением в них автоподъёмника при обслуживании светильников.
Помимо тоннелей осветлённые покрытия рекомендуется использовать на магистральных улицах общегородского значения, площадях, скоростных дорогах, а также для выделения наиболее конфликтных участков, таких как разделение направлений движения и т.п.
Важным преимуществом осветлённых покрытий в городе является меньший их нагрев в летний период, что способствует снижению износа покрытий и улучшению состояния воздушной среды, благодаря меньшему канцерогенному испарению битума.
Преимущества осветлённых покрытий свидетельствуют о необходимости проведения работ по их использованию в городах.

При квалифицированном, заинтересованном и ответственном отношении к осветительным установкам и использовании современных методов и средств освещения можно снизить энергопотребление в 2-3 раза без ухудшения качества освещения.

Внутреннее освещение

Расход электроэнергии на освещение промышленных предприятий непрерывно растет и составляет в среднем по отраслям промышленности 5-10% их общего потребления.
Электрическое освещение наряду с другими устройствами технического оснащения производственных помещений создает комфортные условия для производительного труда, уровень освещенности значительно влияет на производительность труда. Поэтому задачу экономии электроэнергии, потребляемой осветительными установками, следует понимать так: при минимальных затратах электроэнергии путем правильного устройства и эксплуатации средств освещения обеспечить оптимальную освещенность помещений и рабочих мест и высокое качество освещения, создать обстановку для наиболее производительного труда работающих.

Рациональное устройство естественного освещения производственного помещения и создание достаточной освещенности рабочих поверхностей, требующейся технологическим процессом производства, должно быть предусмотрено при проектировании здания. Иногда об этом забывают, применяя проекты зданий, предназначенных для производств с меньшими требованиями к уровню освещенности. Недостаточная естественная освещенность в подобных зданиях ниже допустимой для данного типа производства, особенно в облачные зимние дни, приводит к необходимости использования электрического освещения в дневное время.
Рассмотрим возможность экономии электроэнергии при проектировании и эксплуатации осветительных установок (ОУ).

Чрезвычайно важно правильно выбрать тип источника света. Одной из основных характеристик ламп является световая отдача Н, характеризующаяся отношением светового потока лампы к её электрической мощности. Для промышленности рекомендуются следующие типы ламп: лампы накаливания (ЛН) – Н = 10-20 лм/Вт, люминесцентные лампы (ЛЛ) – Н = 42-62 лм/Вт; дуговые ртутные люминесцентные (ДРЛ) – Н = 35-55 лм/Вт и дуговые ртутные с исправленной цветностью (ДРИ) – Н = 64-90 лм/Вт.

Для характеристики сравнительной эффективности ламп накаливания, люминесцентных ламп и ламп ДРЛ приводим в табл. 2 данные о световых потоках ламп сравниваемой мощности.

Таблица 2

Из табл. 2 следует, что световой поток новых люминесцентных ламп больше, чем ламп накаливания при мощностях до 40 Вт, в 5,8-6 раз и при мощностях 80-200 Вт в 3,7-4,2 раза.

Применение ламп ДРЛ мощностью 250, 400, 700 и 1000 Вт в сравнении с люминесцентными лампами целесообразно при большой высоте помещений (граница по высоте между ними не установлена), более тяжелом тепловом режиме работы, трудности доступа к светильникам и отсутствии специальных требований к качеству освещения, где спектральный состав света ламп ДРЛ не противопоказан.

При сравнении эффективности применения газоразрядных ламп и ламп накаливания следует учесть некоторые существенные особенности газоразрядных ламп. Как известно, газоразрядные лампы обладают падающей вольт-амперной характеристикой: при увеличении тока лампы напряжение на ней уменьшается. В связи с этим включение лампы непосредственно в сеть привело бы к быстрому неограниченному росту тока и перегоранию лампы. Поэтому газоразрядные лампы должны обязательно включаться последовательно с балластным сопротивлением, ограничивающим ток. При переменном токе это сопротивление может быть активным (например, лампа накаливания), индуктивным (дроссель) или емкостным (конденсатор). Для уменьшения потерь в балластном сопротивлении предпочтение отдается дросселям и конденсаторам. Широкое применение имеют дроссели, имеющие в 3-4 раза больший срок службы (до 10 лет), чем конденсаторы. Балластное сопротивление с устройством, обеспечивающим зажигание лампы, а также некоторыми другими элементами, например для подавления помех, повышения cos ? и др., называется пускорегулирующей аппаратурой лампы (ПРА).

Потери мощности в ПРА люминесцентных ламп составляют 5-40 % номинальной мощности их. Они обусловлены потерями в постоянно включенном в цепь горящей лампы балластном сопротивлении (дросселе, конденсаторе). Для включения люминесцентных ламп в ПРА имеются ионные биметаллические тепловые реле времени (стартеры). Стартерные ПРА часто выходят из строя, возникают отказы зажигания и мигание ламп, средний срок службы стартера 2000-3000 ч – это меньше, чем срок службы люминесцентных ламп. Недостатки стартерных схем в эксплуатации вызвали появление различных схем бесстартерного зажигания люминесцентных ламп. В бесстартерных ПРА осуществлен подогрев электродов лампы, который не отключается при горении лампы, что ведет к увеличению потерь электроэнергии. Однако по расходу электроэнергии бесстартерные ПРА по сравнению со стартерными в большинстве случаев более экономичны.
Весьма экономичны также групповые (на 30-80 люминесцентных ламп) ПРА, где потери составляют 5-10 %.

Во всех промышленных осветительных установках следует, как правило, применять газоразрядные источники света (люминесцентные, ртутные, металлогалогенные и натриевые лампы).
Экономичные компактные люминесцентные лампы (интегральные, с электронной ПРА, встроенной в резьбовой цоколь) предназначены для использования в административных помещениях для прямой замены ламп накаливания. В табл. 3 приводятся данные и упрощенный расчет, иллюстрирующие экономический эффект от замены ЛН на компактные ЛЛ. Затраты снижаются: на замену ламп накаливания – в 10 раз, на оплату электроэнергии – в 5,4 раза.

Для общего освещения (коридоров, вестибюлей, лестниц) предназначены энергоэкономичные светильники с КЛЛ и ЭПРА ФП001-11-001, ФП001-11-002.
Загрязнение светильников веществами, находящимися в воздухе производственных помещений: пылью, грязью, конденсатом паров и газов – приводит к резкому снижению их КПД и изменению формы кривой силы света.

В пыльных и грязных производствах наблюдаются случаи понижения освещенности в 8-10 раз. Поэтому постоянное поддерживание светильников в надлежащей чистоте имеет огромное значение для рационального использования электроэнергии в электроосветительных установках.

Периодичность очистки зависит от степени загрязнения воздушной среды производственного помещения и наружного воздуха. Правила технической эксплуатации электроустановок (ПТЭ) требуют производить не менее двух чисток стекол в год при минимальной запыленности и не менее четырех при значительных выделениях пыли, дыма и копоти. Методы очистки зависят от стойкости загрязнений: для легко удаляемой пыли и грязи достаточно промывки стекол мыльным раствором и водой с последующей протиркой. При стойких маслянистых загрязнениях, масляной копоти для очистки необходимо применять специальные составы.

Эффективность регулярной протирки остекления очень высока: продолжительность горения ламп при двухсменной работе цехов сокращается в зимнее время не менее чем на 15 %, а в летнее время на 90 %.

Для экономного расходования электроэнергии в электроосветительных установках должна быть предусмотрена рациональная система управления освещением. Правильно построенная схема управления освещением помогает сократить продолжительность горения ламп и с этой целью предусматривается возможность включения и выключения отдельных светильников, групп их, освещения помещения, здания, всего предприятия.
В невысоких и небольших производственных и вспомогательных помещениях (с высотой до 4-5 м) возможно применение выключателей на один-два светильника или малую группу светильников. В таких помещениях существенное значение для экономии электроэнергии имеет применение потолочных выключателей. Потолочные выключатели позволяют оставлять включенными минимальное количество ламп, что очень важно, когда остается работать во вторую и третью смены небольшое число работающих. Из опытных данных установлено, что применение потолочных выключателей дает экономию электроэнергии 10-15 кВт•ч в месяц на один выключатель. Для крупных цехов возможно применение дистанционного контакторного управления освещением всего цеха из ограниченного количества мест – одного или двух, что облегчит управление освещением и позволит более экономно расходовать электроэнергию. Пункт управления освещением размещается в помещениях дежурного персонала цеха. Дистанционное управление освещением цеха должно обладать необходимой гибкостью, обеспечивающей включение его в зависимости от уровня естественной освещенности помещения и времени выполнения в нем работ. Особо должно быть построено управление аварийным освещением в зависимости от его значения для данного производства.

Управление наружным освещением с разделением его на части (освещение дорог и проездов, охранное освещение, освещение открытых мест работы, освещение больших площадей и открытых складов) должно быть максимально централизовано в масштабе всего предприятия.
Централизуется обычно и управление освещением всего предприятия, т.е. освещением всех зданий и наружным освещением. Для дистанционного управления освещением используются телефонные кабели и кабели телеуправления. Управление освещением всего предприятия, как правило, сосредоточивается на пункте дежурного энергетического хозяйства предприятия.

Централизация управления освещением всего предприятия преследует цель выбора наиболее рационального времени включения и выключения освещения, сочетания его с уровнем естественной освещенности, с началом, перерывами и окончанием работ в цехах предприятия.

В практике применяются различные схемы автоматизации управления освещением.
Для автоматизации управления включением и отключением осветительных установок применяются фотореле и фотоавтоматы типов ФР2, реле времени типа 2РВМ с приводом от часового механизма.

Так, на ряде предприятий внедрена упрощенная схема включения и отключения цехового освещения с использованием программного реле времени типа 2РВМ.
Для автоматизации управления освещением в настоящее время применяются тиристорные ограничители напряжения типа ТН-3-220, выпускаемые отечественной промышленностью в двух модификациях: с нагрузкой 63 и 1000 А на фазу. Ограничители могут использоваться для дистанционного управления освещением и отключением нагрузки.
Колебания напряжения приводят к перерасходу электроэнергии. Напряжение на выводах ламп не должно быть выше 105 % и ниже 85 % номинального напряжения.
Снижение напряжения на 1 % вызывает уменьшение светового потока ламп: накаливания на 3-4 %, люминесцентных ламп на 1,5 % и ламп ДРЛ на 2,2%. Перенапряжение сети приводит к увеличению потребляемой энергии осветительными установками.

Зависимость снижения срока службы ламп и увеличение количества ламп, необходимых для эксплуатации осветительных установок, от величины перенапряжения приведено в табл. 4.

Таблица 4

Одной из основных причин, вызывающих значительные колебания напряжения в осветительной сети промышленных предприятий, являются пусковые токи крупных электродвигателей, установленных на агрегатах с тяжелыми маховыми массами, прессах, компрессорах, молотах и др.

Значительно повышается напряжение в электросети промышленных предприятий в ночное время, когда остаются выключенными на ночь компенсирующие устройства. Колебание напряжения вызывается также изменением силовой нагрузки в течение суток.
Для устранения влияния колебаний напряжения на эффективность осветительной установки применяют отдельные трансформаторы для осветительной нагрузки и компенсирующие устройства, включаемые и отключаемые строго по суточному графику.

В последнее время для стабилизации напряжения в осветительных установках находит применение автоматическое регулирование напряжения. Для промышленных осветительных электросетей разработаны и широко применяются автоматическое регулирование напряжения с помощью последовательно регулируемых трансформаторов и включение в сеть дополнительной индуктивности.

Вывод. Таким образом, с целью снижения установленной мощности осветительных установок и расходов на их эксплуатацию при одновременном создании комфортных условий труда необходимы следующие мероприятия:

- замена источников света новыми энергоэффективными лампами при условии обеспечения установленных норм освещенности;

- максимальное использование естественного освещения в дневное время и автоматическое управление искусственным освещением в зависимости от уровня естественного освещения; управление включением освещения может осуществляться от инфракрасных датчиков, реагирующих на присутствие людей или движение;

- использование современной осветительной арматуры с рациональным светораспределением;

- использование электронной пускорегулирующей аппаратуры (ЭПРА);

- применение автоматических выключателей для систем дежурного освещения в зонах временного пребывания персонала;

- окраска поверхностей производственных помещений и оборудования в светлые тона для повышения коэффициента использования естественного и искусственного освещения;
- содержание светопрозрачных конструкций и осветительных приборов в чистоте;
- установка защиты от превышения номинальных уровней напряжения.