CC BY
78
УДК 628.984 П.П. Долгих, Д.С. Доценко,
Н.В. Цугленок
ВЛИЯНИЕ ТИПА ЛАМПЫ И НАПРЯЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА НА СВЕТОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ОСВЕТИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ
СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ
P.P. Dolgikh, D.S. Dotsenko, N.V. Tsuglenok
THE EFFECT OF THE TYPE OF LAMP AND VOLTAGE SOURCE ON INDUSTRIAL LAMP LIGHT DISTRIBUTION AND EFFICIENT LIGHTING SYSTEM OPERATION
Долгих П.П. - канд. техн. наук, доц. каф. систе-моэнергетики Красноярского государственного аграрного университета, г. Красноярск. E-mail: dpp@rambler.ru
Доценко Д.С. - магистрант каф. агроинженерии Ачинского филиала Красноярского государственного аграрного университета, г. Красноярск. E-mail: demongeroy91@mail.ru Цугленок Н.В. - д-р техн. наук, проф., президент Восточно-Сибирского научно-образовательного и производственного центра СО РАСХН. E-mail: dpp@rambler.ru
Проблема энергосбережения в осветительных установках приобретает большое значение в связи с непрерывно происходящим увеличением масштабов осветительных установок и потреблением в них электроэнергии. Неправильная эксплуатация, когда в определенном осветительном приборе потребители меняют лампу одного типа на лампу другого типа, в совокупности с нестабильным напряжением может являться одной из причин нерационального энергопотребления. Предложено оценку эффективности работы системы освещения давать через закономерности изменения светораспределения осветительного прибора в зависимости от типа лампы и напряжения источника питания. В качестве таких закономерностей в работе получены кривые силы света для осветительного прибора НСП 02-100-001УХЛ с лампой накаливания, светодиодной лампой и компактной люминесцентной лампой при трех уровнях напряжения: 200, 220, 240 В. В результате было установлено, что при равных значениях светового потока в номинальном ре-
Dolgikh P.P. - Cand. Techn. Sci., Assoc. Prof., Chair of Systems of Energetics, Krasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk. E-mail: dpp@rambler.ru
Dotsenko D.S. - Magistrate Student, Chair of Agrarian Engineering, Achinsk Branch, Krasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk. E-mail: de-mongeroy91@mail.ru
Tsuglenok N.V. - Dr. Techn. Sci., Prof., President, Eastern-Siberian Research, Educational and Production Center SB RAAS. E-mail: dpp@rambler.ru
жиме работы среднее значение силы света осветительного прибора с условным источником света следующее: для ламп накаливания -529 кд/клм, для светодиодной лампы - 534, для компактной люминесцентной лампы - 433 кд/клм. Данные зависимости позволили построить пространственные изолюксы условной горизонтальной освещенности, по которым смоделированы системы освещения производственного складского помещения. Доказано, что изменение распределения силы света является причиной корректировки схем расположения осветительных приборов (требуется изменение количества световых точек для ламп накаливания и светодиодных ламп, а для компактных люминесцентных ламп - еще и высоты подвеса). При нормированной освещенности 20 лк и отклонении напряжения &и=±20В от и удельная установленная мощность системы освещения изменяется в пределах от 1,2 до 1,5 Вт/м2 для светодиодных ламп и от 5,1 до 10,3 Вт/м2 для ламп накаливания. Система освещения на
компактных люминесцентных лампах становится неэффективной.
Ключевые слова: осветительный прибор, кривая силы света, пространственные изо-люксы, методика измерения светотехнических параметров, источник света, лампа накаливания, компактная люминесцентная лампа, светодиодная лампа, энергоэффективность.
Energy saving problem in lighting installations is of great importance due to continuous occurring increase in scales of lighting installations and consumption of electric power in them. Misuse takes place when in certain illuminant consumers a lamp of one type is changed for the lamp of another type, in total with unstable tension it can be one of the reasons of irrational energy consumption. It is offered to give an assessment of overall performance of the system of lighting through regularities of change of light distribution of the illuminant depending on the type of lamp and tension of the power supply. As such regularities in the study luminous intensity curves for the NSP 02-100-001UHL illuminant with the glow lamp, a LED lamp and a compact luminescent lamp at three levels of tension were received: 200, 220, 240 V. As a result it was established that at equal values of light stream in nominal operating mode average value of luminous intensity of the illuminant with conditional light source was the following: for glow lamps - 529 cd I klm, for a LED lamp - 534, for a compact luminescent lamp - 433 cd I klm. These dependences allowed constructing spatial isolux of conditional horizontal illumination in which the systems of illumina-
Распределение электроэн
tion of production warehouse were simulated. It was proved that the change of distribution of luminous intensity was the reason of updating of illuminants arrangement (change of quantity of light points for glow lamps and LED lamps, and for compact luminescent lamps - also subweight heights was required) schemes. At rated illumination of 20 lx and tension deviation AU =±20В from Un the specific rated capacity of system of lighting changes ranged from 1.2 to 1.5 WIsq.m for LED lamps and from 5.1 to 10.3 WIsq.m in glow lamps. The system of lighting on compact luminescent lamps becomes inefficient.
Keywords: illuminant, light intensity curve, spatial isolux, technique of lighting parameters measurement, light source, glow lamp, compact luminescent lamp, LED lamp, energy efficiency.
Введение. Проблема энергосбережения в осветительных установках всех стран мира, не только передовых, но и развивающихся, приобрела за последние годы исключительное значение. Связано это, в значительной мере, с непрерывно происходящим увеличением масштабов осветительных установок (ОУ) и потреблением в них электроэнергии (ЭЭ).
Доли ЭЭ, расходуемые в ОУ различных стран мира, показаны в таблице 1. Как видно, на освещение направляется до 20 % всей генерируемой ЭЭ, при этом в ряде областей применения, например в промышленности, доля ЭЭ, идущей на освещение, доходит до 55 % и является доминирующей в энергетическом балансе сооружений [1].
Таблица 1
(гии, расходуемой в ОУ, %
Страна Эе Эпром Эжил Эобщ.зд
США 20 11 23 66
Германия 10 - - -
Япония 15 55 27 18
Индия 17 9 28 60
Китай 10-13 - - -
Бразилия 17 2 25 44
Примечание: Эе - доля всей энергии, вырабатываемой в стране и потребляемой на освещение в целом; Эпром, Эжил, Эобщ .зд - доля энергии, потребляемой ОУ в промышленности, жилищном секторе, общественных и коммунальных зданиях соответственно.
Усиление внимания к экономичности освещения сопровождается повышением требований к светильникам. Осветительные приборы и комплексы - исключительно широкая группа светотехнических изделий, от которых в значительной степени зависит эффективность использования электрической энергии в ОУ. Под осветительным прибором (ОП) в соответствии с ГОСТ Р 55392-2012 понимают устройство, предназначенное для освещения и содержащее один или несколько электрических источников света (ИС) и осветительную арматуру [2].
Важнейшей светотехнической характеристикой ОП является светораспределение, т. е. распределение его светового потока во внешнем пространстве, выражаемое через распределение силы света или освещенности по заданной поверхности. Распределение силы света ОП общего освещения и прожекторов характеризуется пространственной плотностью светового потока, т. е. формой фотометрического тела ОП, и описывается кривыми силы света (КСС) [2].
В работе [3] указано, что при разработке ОП учитывают свойства ИС, одним из которых являются размеры светящейся поверхности, от которых зависит форма КСС. Рекомендации [4] позволяют дать оценку влияния изменения напряжения на потребляемую мощность, световой поток, световую отдачу, срок службы ИС. Однако в литературе нет сведений об исследованиях, рассматривающих вопрос о том, как влияет некорректная замена одного типа источника света в ОП (рекомендуемая также производителями) на источник другого типа, в совокупности с нестабильным напряжением сети, на эффективность работы системы освещения с точки зрения искажения формы КСС ОП.
Цель исследования: определение закономерности влияния типа лампы и напряжения источника питания на распределение силы света ОП и эффективность работы системы освещения.
Методика исследования. Снятие КСС производили на стенде (рис. 1), позволяющем измерять освещенности в разных направлениях радиуса сферы вокруг ОП, например, через каждые 10°, т. е. под углами 10, 20, 30° и т. д., от оси симметрии. Расстояние от нити накала или центра лампы до точки замера освещенно-
сти (радиус сферы) равно 1 м. В эксперименте влияние постороннего излучения исключали, выполняя замеры в помещении без освещения. Температура воздуха в помещении ? - 20 °С, относительная влажность ф - 60 %.
В эксперименте использовали ОП НСП 02-100-001УХЛ, предназначенный для общего освещения влажных, сырых, пыльных (в том числе пожароопасных зон), производственных помещений, в постройках хозяйственно-бытового назначения (сараи, гаражи, подвалы).
Для эксперимента выбирали три типа ламп с близким по величине световым потоком Ф ~ 700 лм: лампа накаливания (ЛН) «Лисма» мощностью Р = 60 Вт, компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) ASD мощностью Р = 15 Вт, светодиодная лампа (СИД) ASD мощностью Р = 7 Вт.
Порядок определения силы света и построения КСС для ОП с тремя типами ламп следующий [5]:
1. Собирали схему измерительной установки по рисунку 2 и устанавливали с помощью автотрансформатора А^ номинальное напряжение и=220 В для осветительного прибора с ЛН.
2. Перемещая датчик люксметра на стенде, устанавливали необходимый угол для вычисления силы света: 10, 20, 30, 40 и т. д.
3. Для каждого угла люксметром измеряли освещенность в выбранном направлении.
4. Определяли силу света, кд,
Е 12
I = Еа1
ооб Р
(1)
где Еа - освещенность плоскости, перпендикулярной рассматриваемому направлению, измеренной люксметром, лк; I - расстояние от источника до места замера, м; в - угол падения светового потока на фотоэлемент люксметра, в данном случае угол равен 0°.
5. Полученные данные распределения силы света приводили к источнику с условным световым потоком 1000 лм по формуле
I
1000
1000Iа Ф
л - Т1000
где Ф - световой поток лампы, лм; 1а - значения силы света светильника с условным источником света, кд/клм.
Результаты опытов и расчетов, а также справочные данные сводили в таблицу.
6. Далее опыт повторяли при напряжении 200 и 240 В.
7. Затем аналогичные опыты производили с КЛЛ и СИД.
8. По опытным данным вычерчивали в полярных координатах КСС для ОП с тремя типами ламп.
Результаты исследования. В таблице 2 даны результаты расчетов силы света ОП с условным источником света по трем типам
ламп. На рисунке 3 представлены кривые силы света для ОП НСП 02-100-001УХЛ.
При равных значениях светового потока в номинальном режиме работы среднее значение силы света ОП с условным источником света для ЛН /ср=529 кд/клм, для СИД /ср=534 кд/клм, для КЛЛ /ср=433 кд/клм. При увеличении напряжения на 20 В /ср для ЛН увеличивается на 33 %, для СИД - на 5 %, для КЛЛ /ср снижается на 8 %. При снижении напряжения на 20 В /ср для ЛН снижается на 33 %, для СИД - на 18 %, для КЛЛ - на 18,5 %.
Используя полученные данные, строили пространственные изолюксы по методике, изложенной в [6] (рис. 4).
Рис. 1. Стенд для определения характеристик ОП: 1 - блок управления с приборами и автотрансформатором; 2 - датчик люксметра; 3 - подвижный рьнаг; 4 - светильник НСП 02-100-001УХЛ; 5 - горизонтальная штанга с поворотной площадкой; 6 - планшет; 7 - люксметр
Рис. 2. Электрическая схема стенда
Таблица 2
Расчетное значение силы света и кд/клм
Напряжение, В Угол для вычисления силы света, град.
0 10 20 30 40 45 50 60 70 80 90
для ПН «Лисма» Р=6 0 Вт, Ф=710 лм, С=12 р уб.
220 422 394 436 563 591 584 570 598 577 556 542
200 281 267 288 366 394 373 392 408 391 380 373
240 549 521 563 739 788 795 774 809 767 732 718
для СИД ASD P=7 Вт, Ф=63 ¡0 лм, С=97 руб.
220 345 350 345 345 355 360 360 345 315 290 260
200 310 310 305 305 315 320 320 300 280 255 230
240 365 365 370 360 375 380 370 360 335 305 270
для КЛЛ AS D Р=15 Вт, Ф=750 лм, С=107 ру б.
220 290 300 310 340 360 370 370 360 330 320 295
200 235 240 255 275 295 300 305 290 270 260 250
240 260 280 290 310 340 345 340 330 300 295 275
/ кО'кги „ / , кд/к.Ы „ о
в а.° а '
I , кд/кгм а °
а
Рис. 3. Кривые силы света для ОП НСП 02-100-001УХЛ: а - с ЛН; б - с СИД; в - с КЛЛ
10 20 30 а
-0,7 -1 -15 -2 -3 -4 -5 -7 10 -15 -20 -30 40 50
(¡,М
10 20 10 б
-0,7 -1 -1.5 -2 -3 -4 -5 -7 -10 -15 -20 -30 40 -50
10
10
Ьр, м
* ' ^ \
Ш /
-Г л Л У
с!, м а'
80 70 60 50
-0.7 -1 -1.5 -2 -3 -4 -5 -7 -10 -15 -20 -30 40 -50
10 20
30 в
40
45
Рис. 4. Пространственные изолюксы условной горизонтальной освещенности от ОП НСП 02-100-001УХЛ при и=220 В: а - с ЛН; б - с СИД; в - с КЛЛ
Пользуясь пространственными изолюксами, производили расчет системы освещения точечным методом на примере здания со складским помещением (рис. 5).
где Ен - нормированная освещенность, лк; кз -коэффициент запаса; у - коэффициент добавочной освещенности; 1е - сумма относительных условных освещенностей от ближайших светильников, лк.
Ф =
1000Е, ■ к
Рис. 5. К расчету точечным методом для складского помещения
Помещение прямоугольной формы размера- подвеса светильника Лр=3 м. Исходя из извест-ми 10*7*3,5 м, норма освещенности Елн=20 лк, ного светового потока лампы, определяли по 1е Егрл=30 лк [7], кз=1,5, у=1,1, расчетная высота расстояние б от ОП до расчетной точки с мини-
мальной освещенностью. Затем находили рас- и=220 В. Подобные расчеты выполняли для ре-
стояние между ОП и между рядами ОП. Расчет жимов работы при напряжении 200 и 240 В,
проводили по трем вариантам систем освеще- пользуясь пространственными изолюксами,
ния для режима работы ламп при напряжении изображенными на рисунке 6.
Рис. 6. Пространственные изолюксы условной горизонтальной освещенности от ОП НСП 02-100-001УХЛ при напряжении 200 и 240 В
Далее определяли расход электроэнергии кВт-ч, для трех систем освещения при времени работы ? = 4300 часов в год (табл. 3).
W = Р • N • I,
где Р - мощность лампы, кВт.
(4)
Для ЛН учитывали увеличение мощности на 12 Вт при увеличении напряжения на 20 В и снижение мощности на 12 Вт при снижении напряжения на 20 В [5], для КЛЛ [8] учитывали снижение мощности на 3 Вт при снижении напряжения на 20 В. Для СИД такое изменение не учитывали [9].
Варианты систем освещения для режимов работы ОП
Таблица 3
Варианты систем освещения Количество световых точек Ы, шт. Сумма относительных условных освещенностей !е, лк Нормированная освещенность Е, лк Расстояние до расчетной точки б, м Расход электроэнергии W, кВгч в год Удельная установленная мощность системы освещения Руд, кВт/м2
и = 220 В
С ЛН 6 42 20 2,5 1548 0,0051
С СИД 12 42 20 1,8 361 0,0012
С КЛЛ 12 55 30 1,6 774 0,0026
и = 200 В
С ЛН 12 42 20 1,5 2477 0,0103
С СИД 15 42 20 1,2 452 0,0015
С КЛЛ - 55 30 Менее 0,5 м - -
и = 240 В
С ЛН 6 42 20 2,7 1858 0,0051
С СИД 12 42 20 1,5 361 0,0012
С КЛЛ - 55 30 Менее 0,5 м - -
При изменении напряжения питающей сети фективной в силу повышенных норм освещен-система освещения на КЛЛ становится неэф- ности для данного типа ламп и необходимости
изменения высоты подвеса ОП для корректи- ровки параметров схемы.
3000
лн
сид
клл
220 в 200 в 240 в
Напряжение сети, В
Рис. 7. Потребление электроэнергии системами освещения с тремя видами ламп при различных режимах работы сети
Наиболее энергозатратной является система освещения с ЛН при и = 200 В, М = 2477 кВт-ч в год; самой энергоэффективной - с СИД при и = 220...240 В, М = 361 кВт-ч в год.
Выводы
1. Экспериментальным путем доказано, что замена источника света одного типа на другой с одинаковым световым потоком в светильнике при нестабильном напряжении приводит к изменению распределения силы света. Для ОП НСП 02-100-001УХЛ с ЛН, КЛЛ и СИД со световым потоком Ф ~ 700 лм среднее значение силы света варьируется в пределах 433534 кд/клм.
2. Изменение распределения силы света является причиной корректировки схем расположения ОП (требуется изменение количества световых точек для ЛН и СИД, а для КЛЛ - еще и высоты подвеса).
3. При нормированной освещенности 20 лк и отклонении напряжения Ди=±20В от ин удельная установленная мощность системы освещения изменяется в пределах от 1,2 до 1,5 Вт/м2 для СИД и от 5,1 до 10,3 Вт/м2 для ЛН. Система освещения на КЛЛ становится неэффективной.
Литература
Айзенберг Ю.Б. Проблема энергосбережения в осветительных установках. Энергосовет. - URL: http://www.energosovet.ru/ stat707.html (дата обращения: 03.01.2017). ГОСТ Р 55392-2012. Приборы и комплексы осветительные. Термины и определения. -М.: Стандартинформ, 2014. - 43 с. Айзенберг Ю.Б. Основы конструирования световых приборов: учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1996. - 704 с. Козловская В.Б., Радкевич В.Н., Сацукевич В.Н. Электрическое освещение: учебник. -Минск: Техноперспектива, 2011. - 543 с. Долгих П.П., Кунгс ЯЛ, Цугленок Н.В. Лабораторный практикум и курсовое проектирование по освещению и облучению: учеб. пособие / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2002. - 281 с.
Кнорринг Г.М., Фадин И.М., Сидоров В.Н. Справочная книга для проектирования электрического освещения - 2-е изд., пере-раб. и доп. - СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 1992. - 448 с. ОСН-АПК 2.10.24.001-04. Нормы освещения сельскохозяйственных предприятий, зданий и сооружений / Гипронисельхоз. -М., 2004. - 35 с.
8. Черепанов В.В., Коротаев А.В. Исследова- 5. ние характеристик компактных люминесцентных ламп // Энергосовет. - 2011. -
№ 3(16) - С. 65-68.
9. Филонович А.В., Горлов А.Н., Филатов Е.А. Потребление электроэнергии светодиод- 6. ными светильниками при снижении напряжения // Прогрессивные технологии и процессы: сб. науч. ст. междунар. молодежной науч.-практ. конф.: в 2 т. - Курск: Университетская книга, 2014. - С. 218-220. 7.
Literatura
8.
1. Ajzenberg Ju.B. Problema jenergosbere-zhenija v osvetitel'nyh ustanovkah. Jenergo-sovet. - URL: http://www.energosovet.ru /stat707.html (data obrashhenija: 03.01.2017). 9.
2. GOST R 55392-2012. Pribory i kompleksy osvetitel'nye. Terminy i opredelenija. - M.: Standartinform, 2014. - 43 s.
3. Ajzenberg Ju.B. Osnovy konstruirovanija svet-ovyh priborov: ucheb. posobie dlja vuzov. - M.: Jenergoatomizdat, 1996. - 704 s.
4. Kozlovskaja V.B., Radkevich V.N., Sacukevich V.N. Jelektricheskoe osveshhenie: uchebnik. -Minsk: Tehnoperspektiva, 2011. - 543 s.
Dolgih P.P., Kungs Ja.A., CuglenokN.V. Labora-tornyj praktikum i kursovoe proektirovanie po os-veshheniju i oblucheniju: ucheb. posobie / Kras-nojar. gos. agrar. un-t. - Krasnojarsk, 2002. -281 s.
Knorring G.M., Fadin I.M., Sidorov V.N. Spravochnaja kniga dlja proektirovanija jel-ektricheskogo osveshhenija - 2-e izd., pere-rab. i dop. - SPb.: Jenergoatomizdat. Sankt-Peterburgskoe otd-nie, 1992. - 448 s. OSN-APK 2.10.24.001-04. Normy osveshhenija sel'skohozjajstvennyh predprijatij, zdanij i sooruzhenij / Gipronisel'hoz. - M., 2004. - 35 s. Cherepanov V.V., Korotaev A.V. Issledovanie harakteristik kompaktnyh ljuminescentnyh lamp // Jenergosovet. - 2011. - № 3(16) -S. 65-68.
Filonovich A.V., Gorlov A.N., Filatov E.A. Po-treblenie jelektrojenergii svetodiodnymi svet-il'nikami pri snizhenii naprjazhenija // Progres-sivnye tehnologii i processy: sb. nauch. st. mezhdunar. molodezhnoj nauch.-prakt. konf.: v 2 t. - Kursk: Universitetskaja kniga, 2014. -S. 218-220.
