Пути экономии электроэнергии в электроосветительных установках

1.  Пути экономии электроэнергии в 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.

Рис.4. Относительные характеристики люминесцентных ламп с балластами типа УБИ и 2УБК: 1 – ток сети; 2 – мощность комплекта; 3 – световой поток; 4 - световая отдача

Рис.5. Относительные характеристики люминесцентных ламп с балластами типа 2УБК: I – лампа накаливания; II – лампа отстающего тока; III – лампа опережающего тока; 1 – ток лампы; 2 – мощность лампы; 3 - световой поток; 4 – напряжение на лампе

Характеристики ламп ДРЛ показывают (рис.7), что при изменении уровня напряжения в пределах ± 10% они изменяются практически прямолинейно и могут быть аппроксимированы следующими линейными уравнениями:

для потребляемой комплектом мощности:

; (4)

для тока лампы:

; (5)

для напряжения на лампе:

; (6)

для светоотдачи:

. (7)

Рис.6. Относительные характеристики люминесцентных ламп с бесстартерными балластами 2БЛ: 1 – ток лампы; 2 – мощность комплекта; 3 – световой поток; 4 – световая отдача

Рис.7. Относительные характеристики ламп ДРЛ: 1 – ток лампы; 2 – мощность комплекта; 3 – световой поток; 4 – световая отдача; 5 – срок службы; 6 – напряжение на лампе

Из уравнений (4) - (7) следует, что изменение уровня напряжения на зажимах комплекта лампа-дроссель на 1% вызовет изменение потребляемой мощности на 2,4%, а тока на 2,1%. Светоотдача лампы при этом сохранится практически постоянной. Мало изменяется также напряжение на самой лампе: около 1% на каждый процент изменения напряжения сети. Коэффициент пульсации светового потока  при отклонениях напряжения в пределах ± 10%  практически не изменяется. Коэффициент стабильности горения  при вышеуказанных пределах отклонения напряжения для комплектов с лампами ДРЛ составляет (0,6÷0,7), что соответствует нормам. Недостатком ламп ДРЛ следует считать недопустимость большого снижения напряжения питания. Уже при кратковременном (2-3 периода) снижении напряжения на зажимах комплекта на 10% может произойти погасание лампы, повторное зажигание которой возможно только через 5÷10 мин [13].

На основе анализа характеристик рассмотренных источников света можно сделать следующие выводы. Наиболее чувствительными к изменению питающего напряжения по потребляемой мощности и световому потоку являются ЛН, в том числе и КГ, а также ксеноновые лампы типа ДКсТ. Снижение напряжения, даже в допустимом по нормам пределе – 5% , ведет для ЛН и ДКсТ к потере 15÷20% светового потока, а для других ГРЛ – в среднем 8÷12%. Повышение напряжения в допустимом по нормам пределе (т.е. на 5%), вызывает увеличение мощности, потребляемой всеми источниками света, на 7÷15%. При этом срок службы ЛЛ сокращается на 20÷30%, а ламп ЛН и ДКсТ – в 2 раза. Это обуславливает необходимость жесткой стабилизации напряжения на зажимах источников света. Поэтому стабилизация напряжения позволяет повысить экономичность использования осветительных установок [14,15]. Необходимо учитывать, что уменьшение или регулирование напряжения сети однозначно определяет степень снижения тока и напряжения на ЛЛ, а также её мощности и светового потока. Для ламп высокого давления (для ДРЛ) это справедливо только в отношении мощности и светового потока (Светотехника, 1986, №12, С.14).

Зависимость светового потока ламп от отношения фактического напряжения у ламп - , к номинальному- :

для ЛН: ; (8)

для ДРЛ: ; (9)

для ЛЛ (с ПРА типа УБК): ; (10)

где  - световой поток при, отличном от, лм;

 - световой поток при , лм.

Экономия электроэнергии ∆ от применения регулирования снижением напряжения (кВт×ч/год):

для ЛН: ∆; (11)

для ДРЛ: ∆; (12)

для ЛЛ (с ПРА типа УБК): ∆, (13)

где  - мощность одной лампы при ;

- время снижения напряжения в течение года, час;

Зависимость срока службы ламп от напряжения:

для ЛН: ; (14)

для ЛЛ и ДРЛ: , (15)

где  - номинальный срок службы ламп, ч.

Мощность, потребляемая осветительной установкой:

; (16)

где  – нормируемая освещенность;

 – нормируемый коэффициент запаса;

 - коэффициент потерь в ПРА (для ДРЛ - 1,1);

 - световая отдача лампы (для ДРЛ - 50 лм/Вт);

 - коэффициент пропорциональности.

Для оценки перерасхода электроэнергии, происходящего от перенапряжений, необходимо определить возможный рост потребляемой мощности в зависимости от питающего напряжения:

для ЛН:  (17)

Анализ изменения мощности, потребляемой газоразрядными лампами при изменении питающего напряжения, следует проводить для комплекта «лампа - ПРА». Основная доля дополнительной мощности, потребляемой освещением при превышении , приходится именно на балластное сопротивление ПРА. При росте напряжения питающей сети ток лампы и, следовательно, ток в цепи включенного последовательно балластного сопротивления увеличивается, напряжение на балластном сопротивлении также повышается, а на лампе - уменьшается. Поскольку активное сопротивление лампы сравнительно мало, изменение потребляемой ею мощности практически неощутимо, в то время как потребление мощности балластом возрастает значительно. Электрические параметры всех газоразрядных ламп зависят от схем их включения. При любых схемах параметры газоразрядных ламп значительно меньше зависят от напряжения питающей сети, чем параметры ламп накаливания.

Мощность, потребляемая комплектом «ЛЛ - дроссель», меняется с изменением напряжения в пределах ± 10% в соответствии с соотношением:

 (18)

где - прирост или уменьшение потребляемой мощности при изменении напряжения от номинального, до фактического, Вт;

 – мощность, потребляемая при номинальном напряжении, Вт;

 – фактическое напряжение у ламп, В;

 – номинальное напряжение, В;

 – изменение напряжения (), В;

При включении ЛЛ последовательно с индуктивно-емкостным балластом коэффициент в правой части приведенного выше уравнения (18), несколько меньше 2.

Зависимость мощности и срока службы ламп типа ДРЛ от изменения напряжения линейна в пределах изменения уровня напряжения от номинальных на ± 10%. Для мощности, потребляемой комплектом «лампа ДРЛ - ПРА» справедливо отношение:

. (19)

Таким образом, изменение уровня напряжения на 1% на зажимах комплекта вызывает изменение потребляемой мощности на 2,4%.

Годовой расход электроэнергии в установке общего освещения при заданной (фактической) освещенности равен:

, кВт×ч; (20)

где  - число светильников, шт.;

 - мощность всех ламп каждого светильника, кВт;

 - коэффициент, учитывающий потери мощности в ПРА газоразрядных ламп (для ЛН - С = 1);

- потери мощности в осветительной сети, кВт;

 - число часов использования освещения в году.

С учетом норм освещения для расчета количества светильников применяется формула;

, (21)

где  - минимальная освещенность, лк;

 - коэффициент запаса;

 - площадь помещения, м²;

 - число ламп в каждом светильнике, шт;

 - световой поток каждой лампы, лм;

h - коэффициент использования светового потока, т.е. отношение потока, падающего на расчетную поверхность, к суммарному потоку всех ламп.

Коэффициент h меняется в широких пределах (0,16 ÷ 0,84) и зависит от следующих факторов: КПД и формы кривой распределения силы света светильников; расчетной высоты расположения (возрастая с ее уменьшением); площади помещения (возрастая с ее увеличением); отношения длины помещения А к его ширине Б (уменьшаясь с увеличением этого отношения); коэффициентов отражения потолка , стен и расчетной поверхности r_р. Коэффициенты отражения r_р имеют достаточно большое значение для экономии, за счет рациональной цветовой окраски помещений, например при светлых потолках и стенах коэффициент h больше, чем при темных, на 8 ÷ 18%.

Для оценки соответствия нормам фактической освещенности для действующих осветительных установок может использоваться формула:

; (лк). (22)

Известно [13], что световой поток  ламп к концу срока их службы значительно уменьшается, например для ЛН – на 15%, ЛЛ – на 40 ÷ 45%, ДРЛ – на 30%. Замена изношенных ламп в процессе эксплуатации может производиться по мере выхода их из строя или методом групповой замены – через определенные интервалы времени, несколько меньше расчетного срока службы (серьезным недостатком последнего метода является большой расход ламп).

Коэффициент полезного действия светильников снижается, и форма кривой силы света изменяется, в процессе их эксплуатации без регулярной чистки, за счет загрязнения производственными веществами. Для различных производственных помещений КПД светильников может снижаться в 2 ÷ 10 раз. Поэтому поддержание светильников в надлежащей чистоте имеет большое значение для рационального использования электроэнергии в электроосветительных установках.

Годовая экономия эксплуатационных затрат на лампы при работе на сниженном напряжении составит (руб/год):

;  (23)

где n – количество ламп, шт;

m – коэффициент, учитывающий зависимость срока службы ламп от напряжения (для ЛН – m = 14; для ЛЛ и ДРЛ – m =3,2);

- стоимость ламп, руб/шт;

- стоимость замены лампы, руб/шт.

Суммарная годовая экономия от снижения питающего напряжения составит (руб/год):

. (24)

Стоимость съэкономленной электроэнергии составит (руб/год):

; (25)

где - стоимость 1 кВт×ч электроэнергии, руб.

Оценим возможную экономию электроэнергии, получаемую при регулировании (снижении) питающего напряжения для различных ламп (соответственно – уровень напряжения, в% от номинального; световой поток,% от номинального; экономия электроэнергии, кВт×ч/год; - мощность номинальная осветительной установки, кВт): для ламп накаливания (ЛН) – 90; 68; 0,15; 85; 56; 0,23; для ламп ДРЛ – 90; 67; 0,24; 85; 51; 0,36; для люминесцентных ламп (ЛЛ с компенсированным ПРА) – 90; 90; 0,13; 85; 84; 0,19; где - время работы лампы на сниженном напряжении.

Напряжение в осветительных сетях отклоняется от номинального значения в диапазоне – 10 ÷ +25%. При годовом числе часов горения ламп, равном 3600, напряжение в течение примерно 660 часов составляет 110% от номинального. При перенапряжениях возрастает мощность, потребляемая источником света, с перерасходом электроэнергии, и средний фактический срок службы лампы уменьшается. Например, увеличение напряжения питания на 5% приводит к снижению срока службы лампы накаливания в двое, а газоразрядных ламп – в 1,2 раза.

Согласно СНИП II – 4 – 79 на нормы проектирования искусственного освещения и инструкции по рациональному использованию электроэнергии (Светотехника, 1981, №5. С. 4 – 14) не допускается экономить электроэнергию в осветительных установках за счет применения устройств, уменьшающих мощность, потребляемую осветительными установками, если это приводит к нарушению требований норм. В лампах накаливания допускается снижение напряжения до 0,8 от номинального (); люминесцентные лампы устойчиво зажигаются при снижении напряжения до 0,8, а лампы ДРЛ (согласно ГОСТ 16354 – 70) – до 0,85.

Колебания напряжения приводят к перерасходу электроэнергии или снижению нормируемой освещенности. Напряжения у ламп не должно быть выше 105% номинального, а для газоразрядных ламп – не ниже 85%. Расчетное падение напряжения в осветительной электросети допускается не более 2,5%. Снижение напряжения на 1% вызывает уменьшение светового потока ламп: накаливания – на 3 – 4%, люминесцентных ламп – на 1,5% и ламп ДРЛ – на 2,2%. Падение напряжения при запуске электродвигателей может достичь 15 – 20% от номинальной величины в сети. Значительно повышается напряжение в электросети в ночное время, когда остаются включенными на ночь конденсаторные установки для компенсации низкого cos, при малой величине реактивной мощности.