Введение
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, PhilipsLighting, GeneralElectriclighting 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.