Энергосбережение на современном этапе

Интерес к энергосбережению при освещении возобновился в условиях мирового экономического кризиса в 2008 г, заставившего обратить внимание на данную проблему даже высшее руководство России. Расход электроэнергии на освещение промышленных предприятий составляет в среднем по отраслям 5-15% от их общего электропотребления (1). Задачу экономии электроэнергии в электроосветительных установках необходимо решать с учетом правильной эксплуатации осветительных приборов и обеспечения норм освещенности, для создания безопасного и производительного труда. Причем экономия электроэнергии состоит отнюдь не в сокращении разумного ее потребления. Рациональное освещение играет важную роль в обеспечении жизнедеятельности человека, создании комфортных и производительных условий. В предлагаемом материале рассмотрены вопросы, имеющие важное значение при экономичном расходовании электроэнергии в электроосветительных установках промышленного и бытового назначения. Внедрение новых, прогрессивных источников света, применение светильников с высоким КПД и рациональных схем освещения, позволяют во многих случаях повысить эффективность электроосветительных установок, оптимизировать освещенность рабочих мест, способствовать росту производительности и безопасности труда, достичь реальной экономии электроэнергии.

Мировые производители источников света и аппаратуры для их эксплуатации, такие как Osram, Philips Lighting, General Electric lighting и другие, постоянно совершенствуют свою продукцию, разрабатывают новые конструкции ламп и интеллектуальные системы их управления. Большие перспективы имеют безэлектродные лампы, возбуждаемые при помощи СВЧ-источников, светодиодные источники белого цвета, например на гибких полимерных субстрактах (вместо стекла), получившие название ОLED (органические светодиоды), волоконные светодиоды, компактные люминесцентные лампы (КЛЛ).

КЛЛ имеют в 8-10 раз больший срок службы и в 5 раз большую световую отдачу, чем ЛН. При этом КЛЛ является одноцокольной лампой, имеет малые размеры и может напрямую заменять ЛН в существующих светильниках. Применение КЛЛ мощностью 7-50 Вт, вместо ЛН мощностью 40-150 Вт, позволит сэкономить до 60 – 80% потребляемой мощности. Срок окупаемости более дорогих КЛЛ, в зависимости от стоимости электроэнергии, числа часов использования и их цены, составляет от 1,3 до 4 лет.

Для газоразрядных ламп (ГРЛ) будущее за электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА), содержащими выпрямитель, автоколебательный мостовой или полумостовой инвертор, нагруженный на лампу по резонансной схеме. Множество подобных схем запатентовано и производится ведущими фирмами мира. Имеются тенденции сосредоточения всех функций ПРА (обеспечение зажигания, поддержание стабильных параметров лампы, контроля и регулирования) на одной плате и даже микросхеме, встроенных в компактные лампы. Применение «сухих» конденсаторов типа FEC, позволяет повысить нагревостойкость ПРА и дает возможность встраивать их в зажигающие устройства (ЗУ).

На сегодняшний день известны тысячи различных схем включения для ГРЛ и число новых решений постоянно возрастает. Такое большое число вариантов схем связано, в основном, с коньюктурными соображениями разработчиков, спешащих получить патентный приоритет (2,3) на свои схемы, а с не реальной их новизной и экономичностью. Поэтому потребителям необходимо в каждом случае рассматривать предельные возможности схем, их пригодность для использования с теми или иными источниками света, иметь представление о действительно рациональных схемах в конкретных условиях эксплуатации. Проблему внедрения энергосберегающей техники освещения, на основе использования новых ПРА, можно решить только при комплексном подходе, рассматривая систему ГРЛ – ПРА – осветительная арматура, как единое целое.

В ближайшие 5 лет, в соответствии с Директивой ЕС № 2000/55/ЕG, в странах Западной Европы постепенно прекратится выпуск низкоэкономичных электромагнитных ПРА (для ЛЛ), за счет выпуска электронных ПРА (ЭПРА). Воспользовавшись этой ситуацией, ряд фирм уже предлагают на рынке, так называемые «дешевые» ПРА «нового стандарта». В результате неосведомленный потребитель вводится в заблуждение, так как снижение стоимости ЭПРА возможно только за счет резкого ухудшения их надежности, снижения срока службы и «потери» ряда важных функций, по сравнению с ПРА ведущих производителей. Поэтому, получив псевдоэкономию при покупке «дешевых» ЭПРА, потребитель затем понесет значительные убытки, из-за повышения эксплуатационных расходов.

Однако, высокоэффективные ЭПРА все еще дороги, и, кроме того, замена ими в уже работающих светильниках обычных ПРА или затруднена, или вообще не возможна. Поэтому приемлемым решением проблемы повышения эффективности и экономичности существующего осветительного оборудования является дополнительная комплектация стандартных ПРА относительно недорогими и несложными электронными схемами. Такие схемы могут быть смонтированы как в автономном корпусе, так и встроены в объединенный блок с обычными ПРА.

Предлагаемый читателю материал в известном смысле уникален, и по подходу и по содержанию. В нем сделана попытка обобщить отечественный и мировой изобретательский опыт в области энергосбережения при освещении. В материале рассмотрены некоторые вопросы по рациональной эксплуатации электроосветительных установок, с целью поддержания их технико-экономических показателей на высоком уровне и различные мероприятия по экономии электроэнергии при освещении. Так как материал подготовлен в основном для изобретателей-предпринимателей, приведем некоторые патентные рубрики, касающиеся электроосвещения и устройств для его эксплуатации (2,3). Согласно международной патентной классификации (МПК⁷) устройства для питания газоразрядных ламп имеют следующие рубрики: HO5B 41/00 – схемы и устройства для зажигания и/или приведения в действие газоразрядных осветительных ламп; 41/16 – схемы, в которых лампа питается постоянным и/или переменным током низкой частоты (50 Гц); 41/23 – для ламп без вспомогательного пускового электрода; 41/231 - для ламп высокого давления; 41/232 – для ламп низкого давления; 41/233 – с использованием резонансных схем; 41/24 – в которых лампы питаются переменным током высокой частоты; 41/26 – от источника постоянного тока с помощью преобразователя; 41/28 – с помощью статического преобразователя; 41/29 – с использованием полупроводниковых приборов; 41/36 – регулирование.

При подготовке данного материала автор использовал публикации из журнала «Светотехника», Московского издательского дома «Свет», рекламную информацию, предоставленную представительством фирмы OSRAM в Москве и патентную информацию, а так же результаты исследований зарубежных и отечественных светотехников, в частности Рохлина Г.Н., Гуторова М.М., Фугенфирова М.М., Краснопольского А.Е., Айзенберга Ю.Б., Кунгса Я.А., Кнорринга Г.М., Скобелева В.М., Уэймауса Д., Штурма К.Г., Хольцера В. и других. Кроме того, приведены результаты многолетних исследований автора данного материала, проводимых в Магнитогорском государственном техническом университете (МГТУ) по совершенствованию существующих ПРА для газоразрядных ламп. Материал подготовлен преподавателем энергетического факультета ГОУ ВПО МГТУ им. Г.И Носова, доцентом кафедры «Теплотехнических и энергетических систем», кандидатом технических наук А.П. Морозовым на основе одноименной монографии (4).

1. Пути экономии электроэнергиив электроосветительных установках

Повышение энергоэффективности осветительных установок (ОУ) неразрывно связано с задачей комплексного снижения затрат в ОУ, так как для любого потребителя важно не только снижение энергоемкости, но и срок окупаемости затрат на новую или переоборудованную ОУ. В конечном итоге эффективность ОУ определяется стоимостью световой энергии, генерируемой за срок службы ОУ и в значительной степени зависящей от затрат на электроэнергию. Понятно, что экономия электроэнергии на освещение не должна достигаться за счет снижения норм освещенности, отключения части световых приборов или отказа от использования искусственного освещения при недостаточном уровне естественного света, поскольку потери от ухудшения условий освещения могут значительно превосходить стоимость сэкономленной электроэнергии (аварии, снижение качества продукции, ухудшение зрения и т.д.). Эффективной следует считать такую ОУ, которая создает высококачественное освещение и сохраняет свои характеристики на протяжении длительной работы при наименьших капитальных и эксплуатационных затратах, в том числе при минимальном энергопотреблении.

Рассмотрим некоторые мероприятия по экономии электроэнергии при освещении:

1) Замена ламп накаливания (ЛН) на люминесцентные (ЛЛ) и другие газоразрядные, с увеличением эффективности в несколько раз.

2) Сокращение непроизводительной продолжительности горения ламп, за счет максимального использования естественного освещения, правильного устройства управлением освещением, применения автоматического и программного управления освещением.

3) Экономия за счет рациональной световой окраски стен и потолков производственных помещений.

4) Оптимальные схемы замены изношенных ламп в процессе эксплуатации, с определением полезного срока службы ламп путем экономического расчета выбора варианта замены, при котором приведенные годовые затраты на освещение будут минимальными. Замена ламп после их перегорания не является наилучшим решением. Большинство типов ламп (ЛЛ, ДРЛ) перегорают, когда их световой поток снижается до 50% и более. Это означает, что уровень освещенности бывает недостаточным для выполнения задач по организации комфортных и безопасных условий работы, но при этом расход электроэнергии на освещение составляет 100% (т.е. вы платите за 100%, а потребляете – 50%).

5) Поддержание светильников в надлежащей чистоте с обеспечением их высокого светового КПД и необходимой формы кривой силы света.

6) Правильный выбор светильников и ламп, удовлетворяющих строительным нормам и правилам (например, СНиП 181 - 81).

7) Правильная эксплуатация электроосветительных установок и их планово – предупредительный ремонт.

8) Выбор более экономичных для конкретных осветительных установок источников света и светильников. Например, замена традиционных ламп накаливания на более экономичные криптоновые ЛН (например типа НБК с биспиральным телом накала, заполненных криптоном). Эти лампы дороже ламп типа НБ, заполненных аргоном, но значительно экономичнее по расходу электроэнергии. Лампы НБК - 220 расчитанные на 220 В имеют на 11 – 16% больший световой поток, чем лампы НБ - 220 (например, для 100 Вт ламп световой поток составляет: для НБ - 200 – 1240 лм, а для НБК - 220 – 1380 лм). Известно (1) также, что для ламп с напряжением 127 В (НБ - 127 и НБК - 127) световой поток выше, чем при напряжении 220 в, на 5,5 – 19%.

9) Замена светильников с низким или ухудшенным за время эксплуатации КПД, на более эффективные, например с корпусами из алюминия с отражением, близким к зеркальному.

10) Разработка и применение рациональных схем осветительных сетей, уменьшение потерь электроэнергии, повышение коэффициента мощности (cos φ) в электроосветительных установках.

2. Экономия расхода электроэнергии и повышение срока службы ламп  при регулировании напряжения

Зависимость срока службы источников света от фактического уровня напряжения выражают (5,6) эмпирической формулой вида:

 (1)

где  и  - напряжения, соответственно фактическое и номинальное, В;

 – уровень напряжения;

 – соответствующий срок службы;

 – показатель изменения срока службы.

При небольших отклонениях напряжения  от номинального эта формула позволяет считать, что отклонение срока службы лампы (в%),  т.е. иначе говоря, изменение напряжения на 1% вызывает изменение срока службы на % в сторону, обратную изменению напряжения. Для ЛН –  = 14 (7 - 9), для ЛЛ –  = 1,5÷3,2 (для емкостного балласта) и  = 0,7 ÷ 3 (для индуктивного балласта) (10). На рис.1 приведены рассчитанные по уравнению (1) кривые зависимости срока службы ламп от фактического подводимого к ним напряжения.

Рис.1. Зависимость срока службы ламп от фактического напряжения  (все данные в процентах номинальных значений)

Относительные энергетические и световые характеристики источников света  могут быть описаны при небольших изменениях напряжения линейным двухчленном:

; (2)

где  и  - соответственно, фактическое и номинальное значение характеристики;

 – уровень напряжения;

или степенной функцией (11, 12):  (3)

где m – показатель степени для соответствующей характеристики.

С учетом (2) и (3) может быть рассчитана зависимость подводимого напряжения от уровня таких относительных величин, как активная Кр, реактивная  мощности и cos φ комплекса ПРА – лампа, тока , напряжения , светового потока , световой отдачи  и коэффициента амплитуды тока .

Из теории работы источников света известно (8, 11, 13), что отклонение напряжения на зажимах осветительных приборов вызывает изменение их энергетических и светотехнических характеристик, в частности, меняются ток, мощность (активная и реактивная), значение и качественные характеристики светового потока (например, коэффициент пульсации), световая отдача, коэффициент амплитуды тока ГРЛ (что приводит к изменению их срока службы). В последнем случае усредненная зависимость срока службы ГРЛ от коэффициента амплитуды тока ламп  показывает (рис. 2), что на участке ab (1,41 ≤  ≤ 1,8) срок службы практически не зависит от , а на участке bc, малые изменения  вызывают большие изменения срока службы ламп.

Рис.2. Кривая относительного изменения срока службы газоразрядной лампы в зависимости от коэффициента амплитуды тока

Для ламп накаливания все характеристики могут быть представлены (8, 9, 11, 12) степенной функцией в виде уравнения (3), где показатель m будет равен: 1,58 – для мощности; 1,8 – для тока; 3,61 – для светового потока; 2,03 – для светоотдачи; 14 – для срока службы. Анализ кривых показывает (рис. 3), что при изменении напряжения на лампе в пределах 0,9≤≤11, изменение тока лампы составляет 0,5%, потребляемой мощности - 1,8%, светового потока - 3,5%, светоотдачи – 2%, на каждый процент изменения напряжения сети. Коэффициент мощности установок с ЛН равен единице. Пульсациями светового потока в установках с ЛН из – за их незначительности можно пренебречь. Галогенные лампы типа КГ являются разновидностью обычных ламп накаливания, но имеют по сравнению с последними значительно лучшие энергетические и светотехнические характеристики.

Рис.3. Относительные характеристики ламп накаливания:

1 – ток лампы; 2 – мощность лампы; 3 – световой поток;

4 - светоотдача лампы; 5 – срок службы

Характеристики комплектов ЛЛ – ПРА, когда ПРА принимаются индуктивными или индуктивно – емкостными (2УБК, УБЕ + УБИ), не зависят от типа ламп (ЛД, ЛБ и другие), но, в тоже время, эти характеристики различны при различных схемах ПРА. Все зависимости для ЛЛ приведены на рис. 4 и 5. Существенно, что если у ЛН изменению напряжения на 1% соответствует изменение светового потока на 3,7%, то у ЛЛ поток изменяется в этом случае в среднем на 1 – 1,5%. С изменением подводимого напряжения световая отдача ЛЛ меняется очень мало, причем она даже увеличивается с уменьшением напряжения сети, достигая максимума при напряжении 90 ÷ 80% от номинального, снижаясь при дальнейшем уменьшении напряжения. Следует отметить, что напряжение на ЛЛ также возрастает с понижением сетевого напряжения, в то время, как ток лампы понижается. При включении ЛЛ мощностью 80 Вт по бесстартерной схеме с балластом 2БЛ-80/220, ток и мощность комплекта меняются почти так же, как у ламп на 30 и 40 Вт в схемах с УБИ (рис.6), а общий световой поток - также, как световой поток ламп на 30 и 40 Вт в схемах с 2УБК, т.е. изменяется на 1% с изменением напряжения сети на 1%. Зажигание ЛЛ в схемах с УБИ происходит при напряжении сети  ≥ 78÷82% от номинального напряжения U_ном, погасание включенных ламп - при  ≤ 63÷66% от U_ном; в схемах с 2УБК лампы зажигаются при  ≥ 75÷80% от U_ном, лампы отстающего тока гаснут при  ≤ 78÷82% от U_ном, лампы опережающего тока - при  ≤ 53÷60% от U_ном; в схеме с 2БЛ - 80 зажигание происходит при  ≥ 77 ÷ 82% от U_ном, а погасание – при  ≤ 6 5÷70% от U_ном.