Энергосбережение на современном этапе

 - 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 rр. Коэффициенты отражения rр 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.

3.       Применение экономичных источников света на основе газоразрядных ламп

Большое значение для рационального расходования электроэнергии играет применение экономичных газоразрядных источников света – ЛЛ и дуговых ртутных ламп (ДРЛ). Традиционные ЛН имеют низкий энергетический КПД, так как видимое излучение их составляет не более 6% потребляемой мощности, а ДРЛ имеют более высокий КПД – не менее 17%. Для ЛЛ не рекомендуется применять освещенности менее 75 ÷ 100 лк, так как тогда создается впечатление сумеречности. Световая отдача ГРЛ значительно превосходит таковую для ЛН, например (лм/Вт): для ЛН - 10÷ 20; ЛЛ - 42÷ 62; ДРЛ - 35÷55; ДРИ - 64÷ 90.

Световой поток новых ЛЛ больше, чем у ЛН при мощностях до 40 Вт в 5,8 ÷ 6 раз и при мощностях 80 ÷ 200 Вт в 3,7 ÷ 4,2 раза. Лампы ДРЛ при одинаковой мощности имеют световой поток больше, чем у ЛН в 2,7 ÷ 3,2 раза. Например, для ламп мощностью 200 Вт (250 Вт для ДРЛ) световой поток составляет (лм): ЛН – 2700; ЛЛ – 10000; ДРЛ – 11000.

В процессе эксплуатации эти соотношения изменяются. Наиболее экономичными являются ЛЛ типа ЛБ, поэтому применение более эффективных по цветопередаче ламп типов ЛХБ, ЛД и ЛДЦ должно быть экономически обоснованно, так как у них световой поток составляет 62÷ 95% от ЛБ. Необходимо учитывать, что эксплуатация ЛЛ в закрытых светильниках приводит к снижению светового потока ламп на 21 – 25%.

Выбору для целей общего освещения ламп ДРЛ способствует большая мощность этих ламп в сравнении с ЛЛ. По энергетической экономичности лампы ДРЛ с учетом потерь в ПРА и снижения светоотдачи в процессе эксплуатации не уступают ЛЛ. Сравнение удельных расходов электроэнергии - для различных типов ламп с учетом потерь в ПРА газоразрядных ламп (кВт×ч/1000лм/1000ч) показывает, что: для ЛН типа НГ - 220 мощностью 1000 Вт в начале эксплуатации -= 55, в конце срока службы -= 64, а для ламп ДРЛ мощностью 1000 Вт, соответственно – 22 и 31; для ламп ЛЛ типа ЛХБ мощностью 200 Вт, соответственно – 22 и 42. Видно, что лампы ДРЛ в условиях длительной эксплуатации не уступают ЛЛ и, даже превосходят по энергетической экономичности. Необходимо учитывать, что к концу срока службы ГРЛ существенно уменьшается их превосходство в экономичности по сравнению с мощными лампами ЛН. Применение ламп ДРЛ мощностью 250, 400 и 700 Вт в сравнении с ЛЛ целесообразно при большой высоте помещении, более тяжелом тепловом режиме работы и отсутствии специальных требований к качеству освещения, где спектральный состав света ламп ДРЛ не противопоказан. Основные параметры ламп типа ДРЛ представлены в таблицах 1 и 2.

Энергетическая эффективность и срок службы различных типов источников света (ИС), как известно, резко различаются. За период своей работы газоразрядные лампы (ГРЛ) вырабатывают в 50 ÷ 100 раз больше световой энергии на 1 условный Ватт потребляемой мощности по сравнению с ЛН. Например, для сравнения приведем основные характеристики ИС (соответственно, средний срок службы, ч; индекс светоотдачи, Ra; световая отдача, лм/Вт; световая энергия, вырабатываемая за срок службы на условный Ватт, в Млм×ч и в относительных единицах): для ЛН – 1000; 100; 8÷17; 0,013 и 1; для ЛЛ - 10000÷ 12000; 92÷ 57; 48÷ 80; 0,911 и 69; для КЛЛ - 5500÷ 8000; 85; 65÷ 80; 0,46 и 35; для ДРЛ - 12000÷ 20000; 40; 50÷ 54; 0,632 и 48; для натриевых ламп высокого давления (НЛВД) - 10000÷ 12000; 25; 85÷ 120; 0,96 и 94; для металлогалогенных ламп (МГЛ) – 3000÷ 10000; 65; 66 – 90; 0,78 и 60.

Возможная экономия электроэнергии, которая может быть получена в ОУ за счет замены менее эффективных ИС на более эффективные ИС (при условии сохранения нормируемых уровней освещенности) составляет (в%): ЛН на КЛЛ – 60÷80; ЛН٭ на ЛЛ – 40÷54; ЛН٭ на ДРЛ – 41÷47; ЛН٭ на МГЛ – 54÷65; ЛН٭ на НЛВД – 57÷71; ЛЛ на МГЛ – 20÷23; ДРЛ на МГЛ – 30÷40; ДРЛ на НЛВД – 38÷50. Знак ٭ означает, что замена ламп осуществляется при снижении нормируемой освещенности ЛН на одну ступень в соответствии с действующими нормами освещения.

Лампы КЛЛ имеют в 8 ÷ 10 раз больший срок службы и в 5 раз большую световую отдачу по сравнению с ЛН, поэтому их необходимо использовать в наиболее «отзывчивых» сферах – в жилом секторе, в административных и общественных зданиях. КЛЛ малых размеров, имеющих встроенные в лампу ЭПРА и стандартный резьбовой цоколь (Е27, Е14, В22) могут заменить напрямую в существующих светильниках ЛН мощностью от 25 до 100 Вт. Применение таких КЛЛ может быть наиболее эффективным именно в таких видах ОУ, где сегодня наиболее массовыми ИС являются ЛН. Для сравнения приведем характеристики ЛН и КЛЛ, соответственно мощность (Вт), световой поток (лм) (и отношение световой отдачи КЛЛ к световой отдаче ЛН, в относительных единицах): для ЛН – 25, 200; 40, 420; 60,710; 75, 940; 100, 1360; 2•60, 1460; для КЛЛ – 5, 200(4,3); 7, 400(5,3); 11, 600(4,5); 15, 900(4,7); 20, 1200(4,3); 23, 1500(5,4).

Наиболее перспективными и, в последнее время, доступными являются лампы КЛЛ, у которых при использовании ЭПРА потери мощности достигают от 8 до 12% (при ЭМПРА – до 30÷40%). Высокое качество цветопередачи КЛЛ (Ra = 82÷85) обусловлено применением в них трехкомпонентных люминофоров, которые могут обеспечивать оттенки цвета излучения: дневной белый, белый и тепло - белый. Высокая надежность ЭПРА сделала КЛЛ практически «безразличными» к числу включений. Например, КЛЛ серии Dulux EL допускает около 0,5 млн. включений без ущерба для срока службы. КЛЛ значительно более критичны к температуре окружающего воздуха, чем обычные линейные ЛЛ. Однако тепловой режим светильников при прямой замене в них ЛН на КЛЛ резко улучшается, так как температура в их критических точках в 3 ÷ 4 раза ниже, чем в аналогичных точках ЛН, сопоставимых по световому потоку.

Специалисты фирмы Osram обращают особое внимание на уточнение понятия коэффициента мощности высокочастотной (ВЧ) цепи «лампа - ПРА» применительно к КЛЛ со встроенным ЭПРА. Используемый в теоретической электротехнике термин «коэффициент мощности» (cos) характеризует сдвиг фаз между сетевым током и напряжением и справедлив, строго говоря, только для основной синусоидальной составляющей при частоте 50 Гц. Фазовый сдвиг между высшими гармониками, возникающими из-за несинусоидальной формы  при этом не учитывается. Истинный коэффициент мощности ВЧ цепи «КЛЛ – встроенный ЭПРА» определяется как , где - активная мощность, потребляемая лампой вместе с ЭПРА; - эффективные значения тока и напряжения. У КЛЛ серии Dulux EL и других подобных ламп, как правило, не превышает 0,5, что является результатом искаженного по форме (несинусоидального) тока сети, содержащего ВЧ гармонические составляющие. Таким образом, для КЛЛ со встроенным ПРА коэффициент мощности не может определятся только сдвигом фаз (cos), как в случае компоненты частотой 50 Гц. По этой причине традиционный для схем включения ЛЛ метод компенсации коэффициента мощности с помощью конденсатора в рассматриваемом случае непригоден.

Потребление электроэнергии КЛЛ со встроенным ЭПРА составляет только 20% от сравнимой по световому потоку ЛЛ. Расход электроэнергии при работе КЛЛ не зависит от коэффициента мощности схемы и определяется только активной мощностью, фиксируемой обычным электросчетчиком. По сравнению с ЛН фактическое потребление тока у КЛЛ из-за невысокого коэффициента мощности ≈ 0,5 снижается не до 20, а до 40%. Но, и это обуславливает, соответственно, снижение потерь в линии между источником питания и потребителем, и дает дополнительную экономию.

Весьма перспективным направлением миниатюризации КЛЛ, предназначенных для прямой замены ЛН, является разработка так называемых спиральных ламп. Форма разрядной трубки в виде геликоида с тем или иным числом витков позволяет образовывать компактное и осесимметричное светящееся тело, уменьшить полную длину КЛЛ, свести к минимуму потери светового потока, за счет снижения взаимной экранировки отдельных участков трубки. По форме светящегося тела спиральные КЛЛ максимально приближаются к светораспределению ЛН, что повышает эффективность работы зеркальных отражателей светильников.

Как известно, вредное воздействие на окружающую среду при производстве электроэнергии (ЭЭ) на тепловых электростанциях (ТЭС) в наибольшей степени связано с выбросами двуокиси углерода (). В среднем выработка каждого кВт×ч ЭЭ на ТЭС, работающей на каменном угле, приводит к эмиссии 1 кг  и, в итоге, к образованию «парникового эффекта» на Земле. Применение КЛЛ с ЭПРА и высоким коэффициентом мощности может примерно на 50% снизить мощность питающих электрогенераторов и эмиссию в атмосферу.

Оценим среднюю экономию для России от замены одной ЛН мощностью = 100 Вт (криптоновая, со световым потоком 1500 лм и средним сроком службы 1000 ч) на эквивалентную ей по световому потоку КЛЛ мощностью = 23Вт с ЭПРА, со средним сроком службы 10000 часов и цоколем Е27, при среднем их времени суммарной работы 1000 ч/год, т. е. за 10 лет – = 10000 ч. Розничная цена Ц за одну штуку: для ЛН – Ц = 5 руб, для КЛЛ с ЭПРА – (250 ÷ 450) руб. (средняя цена на лампы фирм Osram, Philips, GE-Lighting). Тариф на электроэнергию =0,85 руб/кВт×ч (по данным Челябэнерго за 2003 год). Стоимость электроэнергии затраченная за время работы : для ЛН - = 0,1×10000×0,85 = 850 руб.; для КЛЛ - = 0,023×10000×0,85 = 196 руб. Стоимость ламп, заменяемых за время работы : для ЛН -= 10×5 = 50 руб; для КЛЛ - = (250÷450) руб. Суммарные затраты за время работы : для ЛН - = 850 + 50 = 900 руб; для КЛЛ -= 196 + (250÷450) = (446÷646) руб. Экономия = 900 - (446÷646) = (254 ÷ 454) руб. Видно, что срок окупаемости затрат на приобретение одной КЛЛ мощностью 20÷23 Вт ценной примерно 15 долл. США, за счет 80% - ной экономии энергии и 10 – кратного срока службы составит для России (с учетом постоянно растущих тарифов на ЭЭ) – не менее 5 лет (без учета затрат на обслуживание).

Прогнозный расчет показывает, что если в каждой из 145 млн. квартир России 3 штуки обычных ЛН по 60 Вт заменить тремя КЛЛ по 11 Вт с ЭПРА, то при средней ежесуточной наработке 4 часа можно было бы получить годовую экономию ЭЭ, эквивалентную 10 тепловых ТЭС мощностью 600 МВт каждая.

Необходимо учитывать, что на светотехническом рынке КЛЛ действуют производители (прежде всего из Китая и Юго-Восточной Азии), которые производят очень дешевые лампы (около 2 долларов) низкого качества, практически ни по одному из параметров, не удовлетворяющих международным нормам и стандартам и созданных с очевидным нарушением патентных прав и авторских приоритетов. Чем больше новых производителей КЛЛ будет проникать на рынок, тем труднее будет массовым потребителям отличать лампы высокого качества, от низкокачественных. Необходимо отдавать предпочтение лампам от ведущих мировых фирм – Osrum, Philips Lighting и других. Можно констатировать, что цены на КЛЛ, минимум в 20 раз превышающие стоимость ЛН, сегодня явно не по карману «среднему» гражданину России.

4. Особенности работы и включения газоразрядных ламп в сеть

Для газоразрядных ламп (ГРЛ) важным вопросом экономного расходования электроэнергии является усовершенствование схем и применяемых конструкций пускорегулирующих аппаратов (ПРА). Технические и экономические параметры ГРЛ существенно зависят от параметров ПРА, без которых не могут работать практически все газоразрядные лампы. Разрядный источник света и ПРА образуют единый комплект, элементы которого находятся в неразрывной взаимосвязи. От параметров ПРА зависят: световая отдача комплекта ГРЛ - ПРА, срок службы лампы, габаритные размеры и стоимость светильника, общие затраты на осветительную установку. Традиционные массовые электромагнитные ПРА (ЭМПРА) рассеивают в виде тепла до 40% номинальной мощности ЛЛ и до 10÷25% электрической энергии, потребляемой лампой типа ДРЛ. При традиционно используемых соотношениях электрических параметров разрядных источников света и питающей сети, параметры ЭМПРА близки к предельно возможным. В общем смысле ПРА – это изделие, с помощью которого осуществляется питание ГРЛ от сети, обеспечивающее необходимые режимы зажигания, разгорания и работы лампы. При этом ПРА должно обеспечивать: зажигания лампы, т.е. пробой межэлектродного промежутка; разгорание лампы, т.е. процесс установления рабочих параметров лампы после ее зажигания; устойчивость режима работы лампы в контуре, заключающуюся в способности контура автоматически восстанавливать исходное значение тока при его флюктуационных изменениях. Необходимо учитывать, что устойчивый режим работы от источника напряжения, без токоограничивающих элементов – балластов, принципиально невозможен для разрядных ламп, имеющих падающие вольт-амперные характеристики (ВАХ). Кроме основных функций ПРА может подавлять радиопомехи, создаваемые лампой, снижать пульсации ее светового потока, обеспечивать высокий коэффициент мощности схемы. Дополнительно ПРА должны обладать минимальными собственными потерями и надежностью.

ПРА классифицируются на:

1) электромагнитные с реактивными и активными токоограничивающими элементами (балластами) и их комбинациями, причем в основном контуре этих ПРА находятся только токоограничивающие элементы (индуктивный, индуктивно-емкостный и другие);

2) резистивные – с балластными резисторами или нелинейными резисторами (например, вольфрамовая спираль лампы накаливания);

3) полупроводниковые – со стабилизацией тока лампы с помощью полупроводниковых элементов (нелинейный транзисторный ПРА, импульсный транзисторный ПРА или динамический балласт);

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7