Энергосберегающие технологии в освещении
Митрофанов С.В,
Валиуллин К. Р.
Оренбургский государственный университет, г. Оренбург
Согласно федеральному закону 261 от 23 ноября 2009 года — с 1го января 2011 года на территории РФ запрещена продажа ламп накаливания (ЛН) мощностью 100 Вт и выше. В перспективе — запрет ЛН мощностью 75 Вт с 2013 года и ЛН мощностью 25 Вт с 1го января 2014 года [1].
В связи с этим становится актуальной проблема выбора энергосберегающих источников освещения. В сознании людей в данный момент прочно закрепилось мнение, что энергосберегающие лампы — это только компактные люминесцентные лампы (КЛЛ).
Однако, такое мнение ошибочно, так как в семействе энергоэффективного освещения есть и источники света, работающие на других принципах — индукционные и светодиодные лампы. В данной работе рассмотрены перспективы замены ЛН на энергосберегающие лампы, а также выполнено сравнение различных типов энергосберегающих ламп между собой с целью оптимального выбора. Сравнение выполнено в четырех категориях. Проанализированы световые, энергетические, эксплуатационные и экономические характеристики. Сравнение выполнено всех трех типов энергосберегающих ламп с наиболее распространенными лампами накаливания. энергосберегающий лампа свет
С точки зрения освещенности, основным параметром любого источника света является световой поток, измеряемый в люменах. Именно этой характеристикой руководствуются при выборе источника освещения. Параметр, связывающий световой поток лампы и ее мощность — световая отдача, измеряемая в Лм/Вт. Она показывает, какая часть электрической энергии преобразуется в световой поток. С этим же параметром тесно связан коэффициент полезного действия лампы. Действительно, чем большее количество полученной энергии будет преобразовано в световой поток, тем выше будет КПД лампы. КПД ламп накаливания очень мал, и составляет в среднем около 5%. Остальная энергия расходуется на нагрев самой лампы. Возможно и создание ЛН с большим КПД, но его увеличение квадратично снижает срок службы лампы и экономически невыгодно. КПД КЛЛ и индукционных ламп — выше в 5-6 раз и их световая отдача составляет около 70-80 Лм/Вт (против 9-17 Лм/Вт у ЛН).
Для светодиодов этот параметр варьируется в очень широких пределах и зависит от качества и мощности светодиода. В настоящий момент световая отдача лучших светодиодов доходит до 120 Лм/Вт и имеет тенденцию к повышению (например, около 5 лет назад этот параметр составлял около 60 Лм/Вт), в то время как возможности люминофоров основанных на люминесценции ламп уже практически исчерпаны.
Электронные пускорегулирующие аппараты для разрядных ламп высокого давления
... ПРА с преобразователем частоты. (ПЧ-преобразователь частоты) 2. СТАРТЕРНЫЕ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЕ АППАРАТЫ ДЛЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 2.1 ОДНОЛАМПОВЫЕ СТАРТЕРНЫЕ ПРА Стартерным ПРА называют аппарат, в котором ... Кроме основных функций ПРА может подавлять радио - помехи, создаваемые лампой, снижать пульсации её светового потока, обеспечивать высокий коэффициент мощности схемы др. С учетом общеинженерных ...
Еще одно заблуждение, которое часто используют в своих доводах противники энергоэффективного освещения — «неестественно холодный свет КЛЛ и СД ламп, напоминающий рабочее помещение». В настоящее время этот довод неубедителен, так как в люминесцентных лампах, путем подбора люминофора можно получить любую цветовую температуру, в светодиодах же подобный подбор осуществляется различным сочетанием полупроводниковых материалов. Стоит отметить, что в санитарных нормах цветовая температура в помещениях строго не регламентируется, но в то же время есть общие рекомендации по ее выбору. Существующие в настоящий момент энергосберегающие лампы полностью им удовлетворяют.
Следующий световой параметр — коэффициент пульсации освещения регламентирован более строго. Согласно ГОСТ 17677-82 он не должен превышать 20% для общественных помещений Большие значения коэффициента пульсации негативно влияют на работу мозга, повышая утомляемость и снижая точность работы человека. Современные исследования доказывают, что абсолютно безвредным для человека можно считать освещение с коэффициентом пульсации не более 5%. Люминесцентные лампы, основным недостатком которых долгое время считалось именно мерцание, благодаря использованию электронной пускорегулирующей аппаратуры (ЭПРА) в настоящий момент уже подходят к этому значению. Стоит также отметить, что коэффициент пульсации столь привычной ЛН составляет около 6%. Особняком здесь стоят светодиоды, которые, вследствие работы от постоянного тока практически не имеют пульсаций (Кп<1%).
И последний световой параметр — индекс цветопередачи, характеризующий уровень соответствия естественного цвета тела видимому (кажущемуся) цвету этого тела при освещении его данным источником света. В санитарных нормах значение этого параметра строго регламентировано. Максимальное требование к индексу цветопередачи установлено для конструкторских бюро и составляет 80 единиц. Эталоном в данном случае является лампа накаливания, хотя ее спектр в области синих тонов не идеален. В настоящий момент разработаны люминофоры, обеспечивающий индекс цветопередачи до 95 единиц (LUMILUX DE LUX).
Для светодиодов этот параметр может быть доведен до 90 единиц путем смешивания трех цветов с одного излучающего кристалла, либо использованием тех же люминофоров.
Следующая группа параметров сравнения — энергетические. Рассмотрим две характеристики, наиболее сильно влияющие на работу энергосистемы — коэффициент мощности и кратность пускового тока. В бытовых условиях эти два параметра не оказывают сильного влияния, однако они должны быть учтены при проектировании освещения в офисных зданиях, промышленных цехах и других помещениях, где доля осветительной нагрузки составляет заметный процент от общего энергопотребления.
Техническая эксплуатация и ремонт двигателей постоянного тока (2)
... диапазоне вращения, малая мощность управления, высокое быстродействие, малые габариты и масса. Однако двигатели постоянного тока имеют существенные недостатки, ... х.х., т. е. М = Мэм —Мх . Пусковой момент двигателя должен быть больше статического тормозного М т в состоянии ... стороны геометрической нейтрали, направлены встречно и взаимно компенсируются. Для того чтобы подать от обмотки якоря во внешнюю ...
Коэффициент мощности — величина, показывающая отношение активной (расходующейся на работу) мощности к полной потребляемой мощности. Казалось бы, что данная характеристика не имеет экономического смысла, так как реактивная мощность не регистрируется бытовыми приборами учета электрической энергии. Но при низком коэффициенте мощности значительно возрастает реактивная составляющая тока, которая не совершает полезную работу, а циркулирует между источником электроэнергии и потребителем, повышая токовую нагрузку на провода. Подобное увеличение нагрузки должно быть учтено при проектировании электропроводки и выливается в увеличение сечения токоведущей части провода и усиление его изоляции, что резко удорожает всю конструкцию.
Идеальной с данной точки зрения является лампа накаливания, представляющая собой чисто активную нагрузку, коэффициент мощности которой равен 1. Коэффициент мощности КЛ и ИЛ зависит от используемой ЭПРА. Устаревшие электромагнитные ПРА, которые до сих пор массово используются для пуска люминесцентных ламп и обеспечивают cosц=0,4-0,5, что очень негативно влияет на всю энергосистему, особенно при наличии большого числа таких светильников. В настоящее время в КЛЛ и ИЛ используются современные ЭПРА, обеспечивающие коэффициент мощности до 0,95. Питание светодиодов осуществляется также не напрямую, а через специальное устройство — драйвер, который и определяет значение коэффициента мощности для данного типа ламп. В настоящее время, для большинства светодиодных ламп, значение коэффициента мощности составляет около 0,92-0,95. К сожалению, какими бы совершенными не были устройства компенсации реактивной мощности в энергосберегающих лампах, значение cosц=1 для данных аппаратов не достижимо, а дальнейшее улучшение этого параметра значительно увеличит цену лампы.
Следующий важный энергетический параметр — кратность пускового тока. Он также абсолютно не важен в бытовых условиях, но должен быть учтен при проектировании электропроводки и устройств защиты, так как в момент включения большого количества ламп суммарный пусковой ток может достигать очень больших значений и спровоцировать срабатывание защитного устройства. Для ЛН увеличенный пусковой ток объясняется тем, что сопротивление холодной спирали относительно мало в момент включения и дальше увеличивается за счет ее нагрева. По этой причине, пусковой ток может превышать номинальный в 12-20 раз. Длительность пускового тока у ЛН составляет несколько миллисекунд. Пусковой ток КЛЛ обусловлен необходимостью выработки импульса высокого напряжения для зажигания тлеющего разряда в ртути и зарядом конденсатора, обеспечивающего компенсацию реактивной мощности. В связи с этими явлениями пусковой ток КЛЛ может превышать номинальный в 17 раз. Длительность пускового тока составляет несколько миллисекунд.
Намного выгоднее на данном фоне выглядят ИЛ для работы, которых не требуется высоковольтного разряда. Однако и тут есть пусковые токи, связанные, прежде всего с процессами насыщения в высокочастотном трансформаторе. Однако данный процесс проходит за короткое время, что и обуславливает значение кратности пускового тока для данных ламп в диапазоне от 2 до 4, и время его длительности, не превышающее 2-3 миллисекунды. Наилучшим же решением с данной точки зрения является светодиодная лампа, так как в силу своей конструкции светодиоды не требуют пускового тока при включении, сразу переходя на номинальный режим работы.
Следующая сравнительная категория наиболее важна именно с бытовой точки зрения. Это эксплуатационные параметры, включающие в себя срок службы лампы, ее устойчивость к различным воздействиям, а также безопасность.
Срок службы энергосберегающих лам является очень спорным параметром. Для ламп накаливания в силу их распространенности и долгого применения срок службы установлен достаточно точно и составляет около 1000 часов непрерывной работы. Определение срока службы КЛЛ — задача более сложная, так как он зависит от ряда факторов — таких как частота включений/отключений лампы, температура эксплуатации лампы, параметры ПРА. Отрицательную репутацию создали дешевые КЛЛ, в ПРА которых нет устройства для прогрева электродов. Такое удешевление конструкции снижает срок службы лампы при частых включениях в 2-3 раза. Что касается более качественных ламп, то на собственном опыте, я могу утверждать, что срок службы КЛЛ может достигать заявленных 8000 часов и даже превышать эту цифру.
Производители индукционных ламп и светодиодных светильников заявляют рекордные цифры до 150000 часов работы. Нехитрый расчет показывает, что 150000 часов — это более 17 лет непрерывной работы. Разумеется, лабораторные исследования в данной области не проводятся. За это время будут разработаны новые кристаллы, и возникнет необходимость уже в их тестировании. Поэтому срок службы светодиода не может быть гарантирован, а может быть только предсказан, на основании опытных данных, при работе светодиода в режиме перегрузки. Зная срок службы кристалла при токе, превышающем номинальный, с помощью специальных формул можно экстраполировать это число на номинальный режим работы. Отсюда и возникают такие большие цифры. Но, если в случае со светодиодами, подобный перенос физически и математически обоснован, то в случае индукционных ламп гарантировать срок службы в 150000 часов невозможно. Но, нельзя не признать, что, благодаря тому, что ИЛ работает без электродов, срок ее службы будет значительно выше срока службы обычных КЛЛ. Поэтому в данном обзоре остановимся на среднем значении срока службы в 100000 ч для светодиодов и 80000 часов для индукционных ламп.
Теперь рассмотрим устойчивость выбранных ламп к различным внешним воздействиям. Разумеется, наибольшее влияние на устойчивость оказывает светильник, в котором работает лампа. Но в данном сравнении условимся, что лампа работает сама по себе без защит и прочего оборудования. Одна из наиболее частых причин выхода ламп из строя — механическое повреждение. Колбы ЛН выполняются из тонкого стекла, ее повреждение выводит лампу из строя. Аналогично относятся к повреждениям КЛЛ и ИЛ. Светодиодные лампы, как правило, не содержат стеклянных частей, и повредить ее достаточно сложно. К примеру, светодиодная лампа стабильно работает даже после падения с высоты 1,5 метра, чего нельзя сказать о других видах ламп. Следующий тип воздействия — температурное. В нашей стране, в условиях резкоконтинентального климата, температура воздуха может колебаться от -40 до +40 градусов. По опыту долгого использования, можно уверенно сказать, что ЛН испытание температурами выдерживают — они светят как при малых, так и при высоких температурах. Сложнее дело обстоит с люминесцентными лампами. КЛЛ и ИЛ обычного исполнения уверенно работают при температурах в диапазоне от -15 до +40 градусов. При меньших температурах газовый разряд в ртути не начинается и лампа просто не загорится.
Впрочем, существуют лампы обоих типов, рассчитанные на более широкий температурный диапазон. Со светодиодами ситуации прямо противоположная. Холод никак не мешает им работать, но при повышении температуры кристалла выше 50°С происходит тепловой пробой и светодиод выходит из строя. Учитывая нагрев самого светодиода при работе, верхняя планка рабочей температуры светодиода — около 30°С. Еще один тип воздействия, скорее внутренний, чем внешний — нестабильность питающего напряжения. ЛН может работать как в глубоком недокале, так и при повышенном напряжении, однако стоит помнить, что срок службы такой лампы находится в обратной квадратичной зависимости от приложенного к ней напряжения. Для остальных типов ламп устойчивость работы при различных напряжениях определяется качеством элементной базы ПРА или драйвера лампы. Единственной оговоркой является то, что при напряжении, меньше номинального на 20% КЛЛ и ИЛ не загорятся. Наконец рассмотрим самый важный из параметров данной категории — безопасность ламп. Световые нормы были рассмотрены выше, здесь же обратим внимание на опасности во время эксплуатации. Лампу накаливания можно считать абсолютно безопасной — она не содержит ядовитых веществ, и причинить себе вред, можно только порезавшись об осколки этой лампы.
Светодиодные лампы еще более безопасны, так как не содержат даже стеклянных составляющих. Принцип работы КЛЛ и ИЛ подразумевает наличие в них ртути. Стандартная КЛЛ содержит около 2-6 мг ртути, ИЛ около 1-2 мг. Ртуть — вещество I класса опасности, ПДК ртути составляет 0,0003 мг/м 3 для жилых помещений и 2,1 мг/кг для почвы. Из этих цифр наглядно видно, что в случае повреждения колбы КЛЛ или ИЛ необходима демеркуризация помещения, а также необходимы специальные пункты по утилизации таких ламп, в то время как отработавшие ИЛ и светодиодные лампы могут быть утилизированы с обычными бытовыми отходами. Но ситуация не настолько ужасна, как кажется на первый взгляд — в настоящее время уже начат выпуск КЛЛ по технологии Amalgam, ртуть в них содержится в виде твердых соединений и при повреждении колбы пары ртути не распространяются по помещению. Еще одним вредным фактором люминесцентных ламп является паразитное УФ излучение, делающее их нежелательными для использования вблизи человека.
И последняя, наиболее важная категория параметров — экономические. Для наглядности сравнения привяжем его к реальной ситуации. Пусть стоит задача освещения подъезда пятиэтажного жилого дома в ночные часы. Необходимое число светильников — 12, световой поток от каждого из них -1000 Лм. Время работы — 4258 часов в год. Для освещения на базе ЛН выберем лампы мощностью 100 Вт и простейший светильник для нее. Для варианта с КЛЛ — лампы мощностью 11 Вт и светильником ЛПБ 01-11-001, для светодиодного освещения — светильник Sveteco 8/968/10/220AC/Д/О со встроенным датчиком звука, для индукционной лампы — лампу мощностью 23 Вт и простейший светильник. Результаты расчета приведены в таблице 1.
Таблица 1 — Экономический расчет различных вариантов освещения.
|
Лампа накаливания |
Компактная люминесцентная |
Светодиодная |
Индукционная |
||
|
Цена лампы, руб. |
6 |
105 |
—— |
1150 |
|
|
Цена светильника, руб. |
50 |
220 |
2250 |
150 |
|
|
Затраты времени на установку, ч. |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
|
|
Энергопотребление, Вт |
60 |
11 |
10 |
23 |
|
|
Срок работы, ч |
1000 |
10000 |
80000 |
80000 |
|
|
Долговечность светильника, ч |
52560 |
52560 |
80000 |
52560 |
|
|
Обслуживание (Цена ламп), руб./год |
355,18 |
750,38 |
1437,08 |
880,33 |
|
|
Обслуживание (Раб. время), ч/год |
25,548 |
2,5548 |
0,31935 |
0,31935 |
|
|
Обслуживание (Раб .время), руб./год |
1788,36 |
178,836 |
22,3545 |
22,3545 |
|
|
Обслуживание (Всего), руб. |
2143,54 |
929,22 |
1459,43 |
902,68 |
|
|
Электроэнергия, Вт |
3065760 |
562056 |
510960 |
1175208 |
|
|
Электроэнергия, руб. |
5732,97 |
1051,04 |
955,50 |
2197,64 |
|
|
Расходы на утилизацию, руб./год |
0 |
127,74 |
0 |
15,9675 |
|
|
Капитальные расходы, руб. |
1092 |
4320 |
27420 |
16020 |
|
|
Дополнительный расход, руб. |
0 |
3228 |
26328 |
14928 |
|
|
Ежегодные расходы, руб. |
7876,51 |
2108,00 |
2414,92 |
3116,29 |
|
|
Ежегодная экономия, руб. |
0 |
5768,51 |
5461,59 |
4760,23 |
|
|
Окупаемость, лет |
0 |
0,56 |
4,82 |
3,14 |
|
Расчетные формулы представлены ниже. Затраты на замену ламп:
, (1)
где t р.л =4258 — время работы лампы, ч/год;
t сл.л — срок службы лампы, ч; m — количество ламп/светильников, шт;
Р л — цена одной лампы, руб;
Р св — цена светильника, руб;
t р.св — время работы светильника, ч/год;
t сл.св — срок службы светильника, ч.
Затраты на облуживание:
, (2),
где Р раб =70 руб/час — цена рабочего времени;
t зам =0,5 ч — затраты времени на замену одной лампы.
Затраты на обслуживание:
- (3)
Расход электрической энергии:
, (4)
где W л — энергопотребление одной лампы, Вт
Цена потребленной электрической энергии:
(5),
где Р ээ =1,87 руб./кВтч. — цена электрической энергии.
Расходы на утилизацию:
(6),
где Р ут =25 руб./шт. для люминесцентных ламп 0 руб./шт. для ЛН и светодиодных светильников.
Капитальные расходы:
(7)
Ежегодные расходы:
- (8)
Разница в капитальных расходах, а также ежегодная экономия и срок окупаемости рассчитана относительно варианта с ЛН. На данный момент — наиболее выигрышным вариантом является освещение на базе КЛЛ, однако развитие и удешевление светодиодных технологий уже сейчас позволяет подобрать вариант светодиодного освещения, не уступающий по экономическим параметрам. Индукционные лампы пока отстают, но данное обстоятельство связано только с их относительной редкостью.
Комплексно анализируя различные виды энергоэффективного освещения — невозможно выбрать какой-либо один наиболее выигрышный вариант. На данный момент с небольшим отрывом наибольшими преимуществами обладают КЛЛ, но они уже практически достигли апогея в своем развитии, в то время как светодиодная индустрия только начинает развиваться и дополнительные инвестиции в данную отрасль, только ускорят это развития. Индукционные лампы в настоящее время еще мало распространены и малоизученны потребителем, однако со временем они займут свою нишу, как например замена морально устаревшим натриевым уличным фонарям.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/suschestvuyuschie-tehnologii-v-oblasti-energoeffektivnogo-osvescheniya/
1) Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации » Ст. 10.
2) Айзенберг Ю.Б. Энергоэффективное освещение. Проблемы и решения /Ю. Б. Айзенберг, О. В. Малахова // информационный бюллетень «Энергосовет», № 6 (11), 2010 г.
3) Айзенберг Ю.Б. Современные проблемы энергоэффективного освещения. Энергосбережение. 2009. №1. С. 42-47.
