Влияние типа лампы и напряжения источника на светораспределение промышленного осветительного прибора и эффективность работы системы освещения

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

Распределение электроэнергии, расходуемой в ОУ, %

Страна	Э Σ	Э пром	Э жил	Э общ.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: Э Σ – доля всей энергии, вырабатываемой в стране и потребляемой на освещение в целом; Э пром , Э жил , Э общ.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 t – 20 ˚С, относительная влажность φ – 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 хозяйственнобытового 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 P = 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 АТV номинальное напряжение U =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,

• 5.    Полученные данные распределения силы света приводили к источнику с условным световым потоком 1000 лм по формуле

  1000 ₌ 1000I a

  ^a        Ф ,

  
  
  
  

• 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.

I = -a— ^a cos в ^,

где Е α – освещенность плоскости, перпендикулярной рассматриваемому направлению, измеренной люксметром, лк; l – расстояние от источника до места замера, м; β – угол падения светового потока на фотоэлемент люксметра, в данном случае угол равен 0°.

где Ф – световой поток лампы, лм; I ¹ _α ⁰⁰⁰ – значения силы света светильника с условным источником света, кд/клм.

Результаты опытов и расчетов, а также справочные данные сводили в таблицу.

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 I ср =529 кд/клм, для СИД I ср = 534 кд/клм, для КЛЛ I ср =433 кд/клм. При увеличении напряжения на 20 В I ср для ЛН увеличивается на 33 %, для СИД – на 5 %, для КЛЛ I ср снижается на 8 %. При снижении напряжения на 20 В I 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 рычаг; 4 – светильник НСП 02-100-001УХЛ; 5 – горизонтальная штанга с поворотной площадкой; 6 – планшет; 7 – люксметр

Рис. 2. Электрическая схема стенда

Таблица 2

Напряже-                       Угол для вычисления силы света, град.

ние, В	0	10	20	30	40	45	50	60	70	80	90
для ЛН «Лисма» Р=60 Вт, Ф=710 лм, С=12 руб.
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=630 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 ASD Р=15 Вт, Ф=750 лм, С=107 руб.
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

Расчетное значение силы света I α , кд/клм

Рис. 3. Кривые силы света для ОП НСП 02-100-001УХЛ: а – с ЛН; б – с СИД; в – с КЛЛ

Рис. 4. Пространственные изолюксы условной горизонтальной освещенности от ОП НСП 02-100-001УХЛ при U=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 Е н - нормированная освещенность, лк; к з -коэффициент запаса; р - коэффициент добавочной освещенности; Хе - сумма относительных условных освещенностей от ближайших светильников, лк.

1000 Е ⋅ k нз

∑ е ⋅ µ

Рис. 5. К расчету точечным методом для складского помещения

Помещение прямоугольной формы размерами 10×7×3,5 м, норма освещенности Елн=20 лк, Егрл=30 лк [7], кз =1,5, р =1,1, расчетная высота подвеса светильника hр=3 м. Исходя из известного светового потока лампы, определяли по Хе расстояние d от ОП до расчетной точки с мини- мальной освещенностью. Затем находили расстояние между ОП и между рядами ОП. Расчет проводили по трем вариантам систем освещения для режима работы ламп при напряжении

U =220 В. Подобные расчеты выполняли для режимов работы при напряжении 200 и 240 В, пользуясь пространственными изолюксами, изображенными на рисунке 6.

—•— 20 лк для ЛИ 200 В — 20 лк для ЛИ 240 В

— 20 лк для СИД 200 В — 20 лк для СИД 240 В — 30 лк для КЛЛ 200 В —•—30 лк для КЛЛ 240 В

Рис. 6. Пространственные изолюксы условной горизонтальной освещенности от ОП НСП 02-100-001УХЛ при напряжении 200 и 240 В

Далее определяли расход электроэнергии W,     Для ЛН учитывали увеличение мощности на кВт·ч, для трех систем освещения при времени 12 Вт при увеличении напряжения на 20 В и работы t = 4300 часов в год (табл. 3).             снижение мощности на 12 Вт при снижении напряжения на 20 В [5], для КЛЛ [8] учитывали

W = P • N • t,          (4) снижение мощности на 3 Вт при снижении напряжения на 20 В. Для СИД такое изменение не учитывали [9].

где Р – мощность лампы, кВт.

Варианты систем освещения для режимов работы ОП

Таблица 3

Варианты систем освещения	Количество световых точек N , шт.	Сумма относительных условных освещенностей Σе , лк	Нормированная освещенность Е , лк	Расстояние до расчетной точки d , м	Расход электроэнергии W , кВт·ч в год	Удельная установленная мощность системы освещения Р уд , кВт/м2
U = 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
U = 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	-	-
U = 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.

■ ЛН

■ СИД

■ КЛЛ

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 U = 200 В, W = 2477 кВт·ч в год; самой энергоэффективной – с СИД при U = 220…240 В, W = 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 433– 534 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 ΔU=±20В от U н 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.