На главную

Статьи, публикации, архив номеров  

«     2018     2017  |   2016  |   2015  |   2014  |   2013  |   2012  |   2011  |   2010  |   2009  |   »
«     Январь  |   Февраль  |   Март  |   Апрель  |   Май  |   Июнь  |   Июль  |   Август  |   Сентябрь  |   Октябрь  |   Ноябрь  |   Декабрь     »

Технологии

01.07.2015 Энергоэффективное управление электрическим освещением зданий и открытых территорий

 

Энергоэффективное управление электрическим освещением зданий и открытых территорий

 

Одним из эффективных способов экономии электроэнергии в осветительных установках являются системы управления освещением. Они поддерживают требуемые (нормируемые) уровни освещенности в процессе эксплуатации осветительных установок (ОУ) в соответствии с заданной программой, что исключает перерасход электроэнергии. При использовании систем управления освещением экономия достигается за счет нескольких факторов. Рассмотрим их подробнее.

 

Системы управления освещением представляются одним из эффективных способов экономии электроэнергии в осветительных установках. В статье подробно проанализированы факторы, за счет которых достигается экономия и исключается перерасход энергии.

Авторами рассмотрены устройства дискретного и непрерывного регулирования системы с точки зрения их функций, мест применения и эффективности. Детально описываются характеристики систем, применяемых для дискретного управления.

Представлен анализ режимов работы СООТ и выделены главные принципы построения их энергоэффективных систем управления.

 

Lighting control systems considered in this article are among most effective ways to save energy in lighting installations. Factors which provide economy and exclude energy overruns are analyzed.

The authors examined the devices of discrete and continuous control of the system in terms of their functions, places of application and effectiveness. They also described the characteristics of the systems used for discrete control in details.

The analysis of the modes of lightning networks for open areas is presented in the article. The main principles of their energy-efficient control systems’ construction are pointed out.

 

Во-первых, в начальный период эксплуатации люминесцентных ламп, а также при избыточном количестве светильников (по строительно-конструктивным, архитектурным или другим соображениям) создаваемая в помещении освещенность завышена и может автоматически уменьшаться до требуемого значения, что, по оценке, снижает энергопотребление на 15–20 %.

Во-вторых, значительную экономию электроэнергии позволяет обеспечить рациональное сочетание естественного и искусственного освещения, так как в течение достаточно длительного времени освещение может быть вообще отключено либо включено на минимальную мощность (5–10 % от номинальной). Экономия достигает 25–40 %.

В-третьих, часовая наработка осветительной установки при отсутствии автоматического управления также превышает рациональные значения, так как при стихийном управлении искусственное освещение остается включенным при достаточном естественном освещении, при отсутствии в освещаемых помещениях людей и в нерабочее время.

Экономию электроэнергии от внедрения автоматического управления можно определить по выражению:

WГЭавт = (KЭa – 1) WГО, (1)

где KЭа – коэффициент эффективности автоматического управления, который зависит от сложности систем управления (см. табл.);
WГО – годовое потребление электроэнергии данной системой освещения.

 

Таблица

Коэффициент эффективности автоматизации управления освещением

Уровень сложности системы автоматического управления освещением

KЭa

Контроль уровня освещенности и автоматическое включение и отключение системы освещения при критическом значении Е

1,1–1,15

Зонное управление освещением (включение и отключение освещения дискретно, в зависимости от зонного распределения естественной освещенности)

1,2–1,25

Плавное управление мощностью и световым потоком светильников в зависимости от распределения естественной освещенности

1,3–1,4

Для регулирования освещения в помещениях могут использоваться устройства дискретного и непрерывного регулирования. Дискретное управление освещением на основе программируемых режимов работы весьма эффективно при организации так называемого зонного управления. При нем экономия электроэнергии определяется по сокращению времени горения ламп в различных зонах помещения и мощности отключаемых светильников. Практически система автоматизированного регулирования освещенности включением/отключением групп светильников выполняется на основе несложных и недорогих электронных программируемых устройств с комплектом фотодатчиков, выпускаемых многими производителями (ABB, Legrand и др.).

Гибко и плавно управлять светильниками отдельных помещений можно с помощью компонентов Digital Addressable Lighting Interface (DALI) – цифрового интерфейса для электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА). Под DALI подразумевается самостоятельная система, которая управляет светом и другими системами в помещении и, кроме того, открывает возможности информационного обмена с общей системой управления зданием. С ее помощью реальны централизованное управление коммутацией светильников, а также обратная связь, например при выходе ламп из строя. Все аппаратные компоненты (контроллеры, датчики, ЭПРА) системы DALI производятся в едином стандарте разными производителями. Экономическая эффективность внедрения подобных дорогостоящих систем оправданна, когда они строятся комплексно, включая организацию управления не только светом, но и отоплением, вентиляцией и др.

Регулирование освещенности может осуществляться как с помощью компонентов системы типа DALI, так и с помощью блоков регулирования напряжения. Снижением напряжения в сети можно регулировать световой поток газоразрядных ламп до 40 %. Конструктивно блоки регулирования напряжения выполнены в виде шкафа с регулировочным трансформатором, электронными ключами и контроллером, управляющим переключением значений напряжения по определенной программе. Такие установки применяются для группового управления наружным или общим освещением, где суммарная мощность ОУ не менее 5–10 кВт. Устанавливаются блоки регулирования в узлах питания ОУ.

Важными вопросами экономии электрической энергии являются рациональный выбор места размещения пунктов питания и прокладки трасс электрических сетей и выбор напряжения питания источников.

В производственных и общественных помещениях должно обеспечиваться отключение рядов осветительных приборов, расположенных параллельно окнам. Это может снизить расход электрической энергии на 5–10 %, а в помещениях с совместным освещением – естественным и искусственным – рекомендуется производить включение и отключение отдельных групп осветительных приборов в зависимости от уровня освещенности, создаваемого естественным светом в различных зонах помещения. Данная мера дает экономию электрической энергии порядка 10–20 %.

Для наружного освещения территорий целесообразно устройство централизованного дистанционного, телемеханического или автоматического управления, что позволяет экономить 10–15 % электроэнергии. Однако наибольшая экономия достигается при полной автоматизации их управления с учетом использования естественного освещения, присутствия людей в помещении, времени и продолжительности производственного процесса. При этом автоматическое управление осветительной установкой может достигаться как путем дискретного управления через отключение всех или части светильников, так и плавным изменением мощности источников света – всех, каждого или группы светильников в индивидуальном порядке.

В схемах автоматического дискретного управления освещением (светильником, их группой или осветительной установкой в целом) используются различного рода таймеры (реле времени), фотореле (фотоавтоматы), работающие по сигналам датчиков естественной освещенности, фотоакустические автоматы и автоматические выключатели освещения, оснащенные датчиками присутствия людей (животных) или их движения.

Автоматические выключатели освещения, оснащенные датчиками присутствия людей, как правило, ведут подсчет их числа в помещении, что позволяет автоматически включать освещение при входе первого человека и выключать его при выходе последнего. Автоматические выключатели с датчиком движения при обнаружении движения в зоне действия датчика на заданное время (от 5 с до 7 мин) включают освещение, которое по истечении установленного времени работы осветительной установки или светильника автоматически отключается. Фотоакустические автоматические выключатели освещения оборудованы микрофоном, что позволяет включать осветительную установку или светильник при возникновении шума определенного уровня – открывание двери, звонок, разговор, звон ключей, шаги и т. д. Схемы автоматического дискретного управления освещением могут также содержать не один из приведенных первичных преобразователей (присутствие людей, движение, акустический эффект и др.), а любые их комбинации.

Для дискретного управления применяются светочувствительные лестничные автоматические выключатели, светочувствительные автоматические выключатели наружного освещения, фотоакустические лестничные таймеры, автоматические выключатели освещения с датчиком движения и микрофоном.

Светочувствительные лестничные автоматические выключатели, например серий AS (212; 214; 221Т, 222Т, 223; 224), ASO (24, 201, 202, 203, 204, 230), AS-В (230, 24) и др., предназначены для поддержания освещения лестничной площадки, коридора или другого объекта в течение заданного времени (в диапазоне от 30 с до 10 мин). После яркость освещения уменьшается наполовину на 30 с (время повторного отыскания и нажатия кнопки включения), и при ненажатии кнопки включения осветительная установка полностью отключается. Автоматический выключатель обеспечивает управление активной нагрузкой с максимальным током в 16 А при количестве включений не менее 105 и задержке включения 1 с. В зависимости от модификации они отличаются некоторыми дополнительными функциями, например сигнализацией выключенного освещения, антиблокировкой, не допускающей постоянной работы осветительной установки после блокировки выключателя, применением выключателей с кнопками, оснащенными неоновыми лампочками индикации.

Светочувствительные автоматические выключатели наружного освещения, например серий AWZ (AWZ-30), AZ (112, 112 plus, B, B plus), AZH (106, C, S, S plus) и др., предназначены для управления осветительными установками улиц, площадей, витрин магазинов, реклам. Включение происходит в сумерки, выключение – на рассвете. Их основные параметры: максимальный ток активной нагрузки 16 А; регулируемый от 2 до 100 лк порог включения; налаженный (около 7 лк) порог включения (на 1–15 с) и выключения (10–30 с); встроенная сигнализация питания и включения.

Автоматические выключатели освещения со встроенными датчиками движения, допустим серии А1-230-027 (открытой установки) и С1-230-028 (скрытой установки), предназначены для управления осветительными установками в местах кратковременного пребывания человека – подъездах жилых домов, лифтовых холлах, коридорах, на лестничных площадках. Пироэлектрический датчик выключателей реагирует на инфракрасное излучение тела человека или любого другого живого объекта, фиксируемое при их появлении в зоне его обнаружения.

Данный выключатель выполняет следующие функции:

• включение осветительной установки при движении источника инфракрасного излучения в зоне действия встроенного датчика в темное время суток, определенного минимальным уровнем освещенности – менее 2 лк;

• отключение осветительной установки через определенный интервал времени при прекращении движения источника инфракрасного излучения в зоне действия встроенного датчика.

Автоматический выключатель управляет осветительными установками, выполненными как лампами накаливания, здесь же галогенные, так и люминесцентными лампами, в том числе энергосберегающими.

Дальнейшим шагом автоматического управления осветительной установкой является создание локальных или централизованных систем, позволяющих плавно изменять световой поток источников искусственного освещения в зависимости от освещенности. Она создается естественным освещением с целью поддержания создаваемой этими системами суммарной освещенности рабочих поверхностей на заданном уровне. Подобные системы управления могут организовываться на локальном или централизованном уровне. На локальном они предназначены для управления и отдельным светильником, и группой светильников. На централизованном уровне управление осуществляется всеми светильниками осветительной установки помещения или осветительных установок всех помещений здания. Системы могут быть созданы с использованием различного рода таймеров (реле времени) и задавать режим работы осветительной установки с учетом не только времени суток, но и дней недели. Например, это позволяет отключать осветительную установку в определенные часы суток, выходные и праздничные дни, что дает дополнительную экономию электрической энергии. Они могут дополняться автоматическими выключателями отдельных светильников или групп светильников, оснащенных датчиками учета присутствия людей, движения, звука.

В мероприятия по экономии электрической энергии необходимо включать чистку остеклений окон и световых фонарей с периодичностью не реже двух раз в год. Это сократит время работы установки искусственного освещения в среднем на 3–6 %. Кроме того, нужно производить заблаговременно окраску колонн, стен, потолка и производственного оборудования в светлые тона.

При разработке и реализации мероприятий по рациональному использованию электрической энергии их экономическую целесообразность следует просчитывать путем полного сопоставления технико-экономических показателей сравниваемых вариантов, равноценных по светотехническому эффекту. Основными составляющими затрат на сооружение и эксплуатацию осветительной установки являются: стоимость электроэнергии, зависящая от типа и установленной мощности источников; капитальные вложения, включающие стоимость светильников, их монтажа и одного комплекта ламп; затраты на обслуживание осветительной установки. Стоимость электроэнергии обычно преобладает в общей сумме затрат. При анализе вариантов возможных решений на начальном этапе создания осветительной установки или ее модернизации можно ограничиться только сопоставлением установленной мощности (относительной разницы установленных мощностей) и капитальных затрат на приобретение светильников.

Установленная мощность осветительной установки, как правило, пропорциональна произведению коэффициента использования светового потока (hсп), КПД светильника (hсв), нормируемой освещенности рабочей поверхности для определенного типа источника (Е), принимаемого при расчете коэффициента запаса (Kз), световой отдачи источника света (hис) и коэффициента (KПРА), учитывающего потери энергии в пускорегулирующей аппаратуре ЭПРА. Отсюда относительная разность установленных мощностей (∆Р, отн. ед.) для рассматриваемых вариантов (1 и 2) может быть определена как:

(2)

Положительное значение ∆Р соответствует экономии электрической энергии в варианте 1 по отношению к варианту 2, а отрицательное – ее перерасходу. При этом не следует делать преждевременных выводов о более или менее экономичных вариантах осветительных установок вообще, а нужно говорить только о предпочтительных для данных конкретных условий.

Относительная разность приведенных установленных мощностей позволяет определить годовой потенциал экономии или перерасхода электрической энергии DW (кВт•ч) при применении того или иного варианта изготовления осветительной установки:

DW = DPWгод2, (3)

где Wгод2 – годовое потребление электрической энергии светотехнической установкой, кВт•ч.

Потенциал экономии электрической энергии в значительной мере определяется использованием ЭПРА, преимущества которых перед электромагнитными ПРА в сравнении с люминесцентными лампами состоит в следующем:

1. При комплектации светильников ЭПРА экономия электроэнергии составляет около 25 % по сравнению со светильниками с электромагнитными ПРА. При этом световой поток ламп увеличивается на 5–7 %. Возможность регулирования светового потока светильника от 10 до 100 % в ручном режиме или автоматическом, с помощью фотодатчиков. Увеличение срока службы ламп за счет стабильных параметров зажигания и горения.

2. Коэффициент мощности светильника не менее 0,95.

3. Световой комфорт:

• зажигание ламп без мигания;

• приятный, немерцающий свет без стробоскопических эффектов благодаря работе лампы в высокочастотном режиме.

4. Эксплутационная безопасность:

• предохранительное отключение питания при неисправной лампе;

• соответствие требованиям европейских стандартов по безопасности и электромагнитной совместимости;

• схема защитного отключения в случае кратковременного броска напряжения и при периодически появляющемся перенапряжении.

Сети освещения открытых территорий (СООТ) являются неотъемлемой частью инженерной инфраструктуры любого здания, города или поселка. Затраты на электроэнергию в СООТ в населенных пунктах оцениваются в 30 % от всех затрат на освещение. С учетом дополнительных затрат на обслуживание сетей освещения они составляют весьма значительную долю в структуре затрат региональных бюджетов.

Основу существующих СООТ составляют автономно функционирующие фрагменты, управление которыми осуществляется с применением фотореле или таймеров. В качестве коммутационной аппаратуры для всей СООТ обычно используются контакторы или магнитные пускатели. Приборы учета электроэнергии практически повсеместно однотарифные. Кроме того, достаточно часто, особенно в сельских районах, встречаются варианты СООТ, совмещенные с сетями электроснабжения коммунально-бытового сектора (воздушные линии напряжением 0,38 кВ). В таких СООТ управление осветительными приборами осуществляется индивидуально ручным выключателем, установленным на опоре воздушной линии, а оплата за потребленную электроэнергию взимается по усредненному количеству часов горения светильников, не соответствующему, как правило, реальному режиму их работы. Контроль текущего расхода электроэнергии, режимов работы электрооборудования в таких СООТ не ведется. Как следствие, имеют место значительные нерациональные затраты бюджетных средств на оплату электроэнергии и дополнительные эксплуатационные расходы.

Таким образом, состояние СООТ характеризуется следующими признаками:

• отсутствие централизованного мониторинга оборудования и управления режимами работы;

• отсутствие режимов энергосбережения;

• эксплуатация морально устаревшего и изношенного оборудования;

• неэффективный учет электроэнергии (однотарифный учет или расчетные схемы оплаты);

• высокий уровень эксплуатационных затрат;

• распределение шкафов управления по большой территории;

• возможность несанкционированного вмешательства в процесс управления из-за доступности оборудования шкафов управления для посторонних лиц;

• экологические проблемы, возникающие при утилизации вышедших из строя ртутных ламп.

Автоматизация процессов управления в СООТ часто сводится к введению функций внешнего централизованного компьютерного управления с использованием проводных каналов связи, прокладываемых от центра управления до каждого шкафа управления линией освещения, а при невозможности такового – к использованию выделенных радиоканалов или сетей операторов мобильной связи для передачи команд управления. В этом случае включение и отключение сетей УО происходит централизованно и, как правило, объектом управления является вся линия освещения. Информативность диспетчерского персонала здесь связана с неоправданным ростом затрат на централизованную систему управления, а сбои в канале связи могут привести к полной потере управления линией освещения или фрагментом СООТ.

Мероприятия по энергосбережению в СООТ в основном связаны с заменой ламп светильников на энергосберегающие и c пофазным управлением линиями освещения (при этом светильники подключаются на разные фазы линий освещения через один).

Диагностика неисправностей оборудования в большинстве случаев отсутствует, и для определения неисправных светильников (перегоревших ламп), обрывов линий обслуживающему персоналу приходится включать освещение в дневное время и визуально производить осмотр линий и светильников, что приводит к росту эксплуатационных затрат.

Анализ режимов работы СООТ позволил выделить основные принципы построения энергоэффективных систем управления ими:

• применение экологически чистых энергосберегающих ламп;

• регулирование светового потока светильников;

• дистанционное адресное управление режимами работы светильников;

• централизованный мониторинг состояния системы освещения и ее элементов;

• рациональное сочетание принципов дистанционного и автономного управления;

• применение многотарифного коммерческого учета электроэнергии;

• выявление и предотвращение несанкционированных вмешательств;

• повышение информированности диспетчерского персонала.

Эффективное дистанционное управление режимами работы СООТ основано на применении GSM/GPRS-технологий и позволяет оперативно получать информацию о текущем состоянии оборудования и режимах его работы.

Сегодня на рынке систем управления светотехническим оборудованием имеются отечественные и зарубежные разработки с широким диапазоном функциональных возможностей, в которых используются силовые провода для передачи команд управления светильниками, а для управления шкафами – GSM/GPRS-каналы операторов мобильной связи.

Вместе с тем необходимо отметить, что любая система управления энергозатратным объектом, таким как СООТ, должна в первую очередь удовлетворять критерию энергоэффективности, то есть позволять комплексно экономить электроэнергию и снижать эксплуатационные затраты, тем самым приводя к комплексной экономии бюджетных средств. Исходя из данного положения, анализа технических решений, имеющихся на рынке и перспективных к применению в данной области технологий, коллективом ООО «Научно-производственная фирма «Электронные информационные системы» (РФ) разработаны технические решения по созданию энергоэффективной системы управления СООТ. Их практическая реализация позволит реализовать систему управления СООТ, сочетающую в себе возможности индивидуального адресного управления светильниками, их функциональной диагностики и комплексной диспетчеризации режимов управления при минимизации затрат на энергопотребление и эксплуатацию (см. рис.).

 

 

Основные функции энергоэффективной системы управления СООТ, обеспечивающие ее конкурентные преимущества:

• адресное управление светильниками, позволяющее выполнять включение, отключение, регулировку светового потока по астрономическому времени, географической координате, местоположению объектов и по требованиям к режимам их освещения;

• автоматическая диагностика системы освещения, в основу которой положена авторская технология локализации неисправных ламп и мест обрывов линии;

• передача сигналов управления светильникам по сети электроснабжения с использованием модуляции основной гармоники напряжения сети (авторская технология);

• централизованный коммерческий учет электроэнергии, сигнализация аварийных режимов и несанкционированного вмешательства.

Основные составляющие экономического эффекта:

• невысокие затраты на внедрение системы;

• экономия потребляемой электроэнергии за счет применения энергосберегающих натриевых ламп с возможностью регулировки их светового потока по заданному расписанию или команде диспетчера (применяются адресно управляемые ЭПРА);

• существенное снижение эксплуатационных затрат за счет большего срока службы ламп; снижения затрат (ГСМ, электроэнергия, заработная плата выездной бригады и др.) на выявление неисправных ламп, мест обрывов линий, осмотр шкафов управления и замену коммутационной аппаратуры (применены силовые тиристорные коммутаторы-модуляторы); использования оптимальных схем оплаты за потребленную электроэнергию (применение дифференцированного тарифа);

• отсутствие затрат на прокладку дополнительных проводов управления.

 

Викентий РУСАН,
доктор технических наук, профессор, БГАТУ,
Аит БАХАЖУ М.,
аспирант, БНТУ

 

(Статья поступила в редакцию 29.06.2015 г.)

 

Литература

 

1. Естественное и искусственное освещение. Строительные нормы проектирования: ТКП 45-2.04-153-2009. – Минск, 2009.

2. www.es.ua.

3. www.econom-energo.ru.

4. www.echelon.com.

5. www.vossloh-schwabe.com.

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком