Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Энергосберегающие световые технологии» для студентов «Агроинженерия». Титова Л.Н., Белозоров С.А

Рис. 2. Основные звенья сети освещения

На рис. 2 обозначены элементы схемы: 1 - трансформатор; 2 - щит низкого напряжения подстанции; 3 - линии питающей сети, т.е. все линии от щита подстанции до групповых щитков; 4 - вводный щит здания; 5 - магистральный щиток, устанавливаемый в местах разветвления питающей сети; 6 - групповой щиток, на котором установлены аппараты защиты или управления для групповых линий; 7 - линии групповой сети от групповых щитков до источников света.

Питание их в большинстве случаев осуществляется от общих трансформаторных подстанций (ТП), но линии сетей освещения прокладывают отдельно от силовых линий. Радиальные линии освещения (рис. 3) подключают к распределительному щиту 1, а при схеме трансформатор—магистраль — в самом начале магистрали силовой сети.

Рис. 3. Схема сети электрического освещения

По линиям питания 2 напряжение подается на групповые распределительные пункты 3, от которых по групповым линиям 4 получают питание соединенные по магистральной схеме светильники 5. Чтобы при отключении одного источника питания работа цеха, предприятия, учреждения и т.д. не прерывалась из-за отсутствия освещения, создается перекрестное питание групповых линий.

Цепь аварийного освещения подключают к отдельному независимому источнику — к ТП соседней сети, аккумуляторной батарее, дизельной станции и т.п.

2.2. Выбор типа, мощности, расположения и количества светильников

Выбор типа светильников следует производить с учетом характера их светораспределения, экономической эффективности и условий окружающей среды.

Во взрыво- и пожароопасных зонах следует применять светильники, удовлетворяющие требованиям глав 7.3 и 7.4 ПУЭ.

Минимально допустимую степень защиты светильников по ГОСТ 17677– 82 и ГОСТ 14254– 80 для освещения непожаро- невзрывоопасных помещений с разными условиями среды следует принимать по ВСН 59-88.

Освещение помещений, оборудованных дисплеями, следует выполнять люминесцентными светильниками прямого света, у которых ограничена яркость в зоне от 50 до 90° от вертикали (светильники с несветящимися боковинами и экранирующими решетками или призматическими рассеивателями).

Светильники следует располагать таким образом, чтобы исключить отраженную блескость на экранах.

При проектировании осветительных установок необходимо учитывать требования эксплуатации светильников. С этой целью светильники размещают в местах, удобных для безопасного обслуживания.

В строительной части проектов должны быть предусмотрены технические средства для обслуживания светильников, установленных на высоте более 5 м от пола (напольные передвижные подъемные устройства, стационарные и передвижные мостики, галереи и т. п.).

Светильники, установленные на высоте 5 м и менее от пола (принимается высота до низа светильников), обслуживаются со стремянок, приставных лестниц и тому подобных технических средств.

К светильникам верхнего обслуживания, встраиваемым в подвесные потолки, должен быть обеспечен безопасный доступ обслуживающего персонала. При этом прочность стационарных или передвижных ограждений мостиков должна быть рассчитана с учетом нахождения у любого из светильников двух человек с инструментом общим весом 200 кг.

Расчет систем отопления и вентиляции помещений должен выполняться из условия, что вся электрическая энергия, потребляемая источниками света, превращается в тепло (1 кВт ч соответствует 864 ккал).

Люминесцентные светильники с рассеивающими решетками, встраиваемые в подвесные потолки, 48% тепловой энергии выделяют в освещаемое помещение и 52% – в пространство над потолком, а люминесцентные светильники с рассеивателями – соответственно 40 и 60%.

Светотехническим расчетом могут быть определены:

1) мощность дамп, необходимая для получения заданной освещенности при выбранном типе, расположении и числе светильников,

2) число и расположение светильников, необходимых для получения заданной освещенности при выбранном типе светильников и мощности ламп в них,

3) расчетная освещенность при известном типе, расположении светильников и мощности ламп в них.

Основными при проектировании являются задачи первого вида, поскольку тип светильников и их расположение должны выбираться исходя из качества освещения и его экономичности.

Решение задач при расчете освещения второго вида производится, если мощность ламп точно задана, например, необходимо применить светильники с люминесцентными лампами мощностью 80 Вт.

Задачи третьего вида решаются для существующих установок, если освещенность невозможно измерить, и для проверки проектов и расчетов, например, для проверки точечным методом расчетов, выполненных методом коэффициента использования.

2.3. Внутреннее освещение зданий должно отвечать требованиям СП 52.13330.2011 [4].

Внутренне освещение

На изложенных общих принципах должно базироваться освещение любого внутреннего помещения. Однако в таких общественных помещениях, как магазины и театры, где не ставятся крайне ответственные задачи зрительной работы и где воздействие на воображение и привлекательность более приоритетны, чем комфортность и эффективность зрительного восприятия, качество освещения имеет менее важное значение. Оно весьма существенно там, где приходится иметь дело с очень ответственными задачами зрительной работы, – в механических цехах, операционных, учреждениях, школьных классах, студенческих аудиториях.

Исследования условий оптимального освещения помещений, требующих комфортности, привели к следующим выводам: потолки лучше всего делать белыми с высоким коэффициентом отражения, порядка 85%; коэффициент отражения стен должен составлять 40–60% (при этом возможен широкий спектр приятных оттенков); коэффициент отражения мебели должен составлять около 35%, пола – не менее 20%. Эти требования подразумевают, в частности, что на окнах должны быть предусмотрены неяркие занавеси, задергиваемые в темное время суток, а поверхность стола должна иметь достаточно высокий коэффициент отражения, чтобы по яркости она не контрастировала с белой бумагой. Высокие коэффициенты отражения способствуют созданию идеальных условий для зрительной работы, т.к. уменьшаются коэффициент ослепленности и отраженная блесткость.

2.4. Зажигание газоразрядных ламп и пускорегулирующая аппаратура (ПРА)

Люминесцентные лампы включаются в сеть посредством специальных пускорегулирующих аппаратов (ПРА). В зависимости от особенностей и режима зажигания люминесцентных ламп ПРА подразделяются на: импульсного зажигания с предварительным подогревом электродов и использованием стартера; горячего зажигания с использованием постоянного подогрева электродов; мгновенного зажигания при холодных электродах лампы. Основными элементами схемы импульсного зажигания люминесцентных ламп являются: лампа, дроссель – в качестве балластного сопротивления и стартер.

Балластное сопротивление предназначено для стабилизации режима дугового разряда в лампе.

В распространенных стартерных схемах самым ненадежным элементом схемы является стартер с подвижными, биметаллическими электродами. Существуют и безстартерные схемы включения люминесцентных ламп.

Электроды лампы разогреваются током вторичных обмоток накального трансформатора TV, что позволяет снизить напряжение зажигания лампы и, когда оно становится равным приложенному к лампе напряжению, возникает разряд. В рабочем режиме напряжение, подводимое к автотрансформатору, снижается из-за падения напряжения в дросселе, однако некоторый подогрев электродов накальным трансформатором сохраняется, зажигание происходит с первого включения, что устраняет "мигание" люминесцентных ламп, характерное для стартерных схем.

Альтернативой стартерной схеме зажигания ЛЛ является электронное ПРА.

Электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА) — электронное устройство, осуществляющее пуск и поддержание рабочего режима газоразрядных осветительных ламп.

Работа ЭПРА делится на три фазы:

Предварительный разогрев электродов лампы. Делает запуск лампы мгновенным, мягким (продлевает срок службы лампы) и возможным при низких температурах окружающей среды.

Поджиг — ЭПРА генерирует импульс высокого (до 1,6 кВ) напряжения, вызывающего пробой газа, наполняющего колбу лампы.

Горение — на электродах лампы поддерживается небольшое напряжение, достаточное для поддержания ее горения.

ЭПРА может оснащаться устройством плавного регулирования яркости, требующим использования внешнего светорегулятора, специально предназначенного для управления электронным балластом.

2.5. Светодиодные светильники и их характеристики

В начале двадцать первого века разработаны и внедрены в промышленное производство, новые источники освещения с улучшенными качественными характеристиками, которые позволяют значительно снизить затраты электроэнергии. Лампы и другие осветительные приборы на основе светодиодов уже давно используются для освещения жилых, офисных и производственных помещений, а также уличного освещения.

Светодиод – это полупроводниковый прибор, в основе действия которого лежит процесс преобразования электрического тока непосредственно в световое излучение. Данная технология развивалась с середины 20-го века. И светодиод из маломощного источника светового излучения превратился в полноценный осветительный прибор, по качественным характеристикам, превосходящий различные виды ламп. Сегодня светодиодные технологии используются для различных целей.

Характеристики.

Вольт-амперная характеристика сведодиодов в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток, начиная с некоторого порогового напряжения. Это напряжение позволяет достаточно точно определить материал полупроводника. КПД светодиодов в основном колеблется от 30 до 50%. Потребление энергии в 8 раз меньше, чем у ламп накаливания. Срок службы — в 80 раз дольше (почти 50 тысяч часов).

Цвета и материалы полупроводника.

Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов.

Преимущества.

По сравнению с другими электрическими источниками света (преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:

Высокий КПД. Современные светодиоды немного уступают по этому параметру только натриевым газоразрядным лампам. Однако натриевые лампы малопригодны для освещения жилых помещений из-за специфического цвета.

Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).

Длительный срок службы. Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.

Спектр современных люминофорных диодов аналогичен спектру люминесцентных ламп, которые давно используются. Схожесть спектра обусловлена тем, что в этих светодиодах также используется люминофор, преобразующий ультрафиолетовое или синее излучение в видимое с хорошим спектром.

Малая инерционность.

Малый угол излучения. Это может быть как достоинством, так и недостатком.

Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но высокая стоимость при использовании в освещении.

Безопасность — не требуются высокие напряжения.

Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.

Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.), в отличие от люминесцентных ламп.

Светодиодное освещение — одно из перспективных направлений технологий искусственного освещения, основанное на использовании светодиодов в качестве источника света. Использование светодиодных ламп в освещении уже занимает 6% рынка. Развитие светодиодного освещения непосредственно связано с технологической эволюцией светодиода. Разработаны так называемые сверхъяркие светодиоды, специально предназначенные для искусственного освещения.

Светодиодные светильники применяются для:

 освещения различных объектов: стен, фасадов зданий, рекламных щитов;

 освещения офисных и промышленных помещений, кафе и ресторанов и т.п.;

 подсветка дорожных знаков, освещение улиц, дорог, АЗС, туннелей;

 освещение подвалов, подъездов, гаражей;

 светодиодная подсветка для подвесных натяжных потолков;

 декоративное освещение для массовых мероприятий;

 освещение объектов и памятников культуры;

 светодиодная подсветка витрин, барных стоек, рекламных стендов;

 изготовления бытовых осветительных приборов (например, фонариков, гирлянд)  и др.

В зависимости от назначения меняются и характеристики светодиодных светильников. Они подразделяются на следующие категории:

 светодиодные светильники для ЖКХ;

 офисные светодиодные светильники;

 уличные светодиодные светильники;

 промышленные светодиодные светильники;

 светодиодные прожекторы;

 точечные светодиодные светильники;

 светодиодные светильники потолочные или настенные;

 светильники светодиодные накладные и др.

Преимущества.

В сравнении с обычными лампами накаливания, светодиоды обладают многими преимуществами.

Экономично используют энергию по сравнению с предшествующими поколениями электрических источников света — дуговых, накальных и газоразрядных. Так, световая отдача светодиодных систем уличного освещения с резонансным источником питания достигает 132 лм/Вт, что сравнимо с отдачей натриевых газоразрядных ламп — 150-220 лм/Вт. Люминесцентные лампы имеют световую отдачу 60-100 лм/Вт, а лампы накаливания — 10-30 лм/Вт (включая галогенные).

При оптимальной схемотехнике источников питания и применении качественных компонентов, средний срок службы светодиодных систем освещения может быть доведен до 50 тысяч часов, что в 30-60 раз больше по сравнению с массовыми лампами накаливания и в 4-6 раз больше, чем у большинства люминесцентных ламп.

Возможность получать различные спектральные характеристики без применения светофильтров (как в случае ламп накаливания).

Безопасность использования.

Малые размеры.

Высокая прочность.

Отсутствие ртутных паров (в отличие от газоразрядных люминесцентных ламп и других приборов), что исключает отравление ртутью при переработке и при эксплуатации.

Значительно снижает класс опасности электронных отходов.

Малое ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.

Незначительное тепловыделение (для маломощных устройств).

В отличие от люминесцентных ламп, у которых с прогревом потребляемая мощность увеличивается, у светодиодных ламп с прогревом потребляемая мощность падает до 30 % при сохранении яркости, это обусловлено уменьшением падения напряжения светодиодов с прогревом.

Среди производителей именно светодиодные источники света считаются наиболее функционально-перспективным направлением, как с точки зрения энергоэффективности, так и затратности практического применения.

Недостатки

Основной недостаток — высокая цена. Отношение цена/люмен у сверхярких светодиодов в 50 — 100 раз больше, чем у обычной лампы накаливания. Впрочем, на начало 2011 года в продаже уже появились светодиодные лампы по ценам (за люмен), конкурентоспособным с компактными люминесцентными лампами.

Низкая предельная температура: мощные осветительные светодиоды требуют внешнего радиатора для охлаждения, потому что имеют неблагоприятное соотношение своих размеров к выделяемой тепловой мощности (они слишком мелкие) и не могут рассеять столько тепла, сколько выделяют (несмотря даже на более высокий КПД, чем у ламп накаливания). Осветительный светодиод мощностью 10 Вт требует пассивный радиатор. Такой радиатор не только удорожает конструкцию, но и с трудом может быть вписан в формат бытовых осветительных приборов.

Для питания светодиода от питающей сети необходим низковольтный источник питания постоянного тока, тоже с радиатором, что дополнительно увеличивает объём светильника, а его наличие дополнительно снижает общую надёжность и требует дополнительной защиты. Поэтому многие разработчики ограничиваются выпрямителем, а светодиоды включают последовательно.

Высокий коэффициент пульсаций светового потока при питании напрямую от сети промышленной частоты без сглаживающего конденсатора, при его наличии пульсации малы.

Дешёвые массовые LED имеют светоотдачу 60-100 лм/Вт.

Спектр отличается от солнечного.

Немецкие специалисты в процессе тестирования в конце 2009 года обнаружили, что реальный средний срок службы светодиодных ламп для напряжения 220-240 В оказался около 1000 часов против заявляемых производителями 50000 часов.

Несмотря на лёгкость регулировки яркости светодиода изменением питающего его постоянного напряжения, большинство ламп, предназначенных для сети 220-240 В, не приспособлены для питания их через диммер. Причина в конструкции встроенного в лампу вторичного источника питания. Однако, существуют специальные регулируемые диммером светодиодные лампы.

2.6. Устройства управления освещением

Приборы и устройства, которые помогают управлять освещением и экономить электроэнергию в зависимости от освещенности (от времени суток):

фотоэлементы, фотореле и сумеречные выключатели (рис.4);

энергосберегающие блоки;

энергосберегающие светильники и фотоакустические патроны.

Одним из самых простых устройств автоматического управления освещением являются фотоэлемент или, как их еще называют, фотореле.

Фотоэлементы позволяют включать и выключать светильники и другие электроприборы в зависимости от уровня освещенности. Датчики автоматически срабатывают (включают и выключают свет) определяя степень естественного освещения вне зависимости от уровня влажности и температуры окружающей среды. Их можно использовать как в ночное, так и в дневное время.

Фотореле применяются для управления освещением на дорогах, автостоянках, дворовых территориях в садах, подъездах, холлах и прочих помещениях, а также при освещении витрин, световой рекламы, вывесок и т.д.

Монтаж фотоэлементов выполняется вне помещения. Во всех фотоэлементах присутствует регулировка уровня освещенности, при котором будет срабатывать датчик освещенности и, например, включаться светильник. В более дорогих фотоэлементах присутствует также и регулировка по выдержке времени, что, например, позволяет избежать выключения освещения рекламного щита из-за света фар проезжающего мимо автомобиля или из-за проблескового маячка спецтехники.

Сумеречные выключатели выпускаются как единым блоком, который устанавливается вне помещений, так и в виде модульного реле, которое устанавливается в ящик или боксе внутри помещения, с выносным фотодатчиком, который монтируется вне помещения.

Сумеречные выключатели бывают еще со встроенным таймером. Благодаря этому становится возможным управление освещенностью, в зависимости от времени. При помощи таймера устанавливается время разрешения работы сумеречного выключателя. В разрешенный период времени выход будет включаться, когда измеренная освещенность будет находиться ниже заданного значения. Если измеренная освещенность выше заданного значения или таймер находится за пределами разрешенного периода, выход будет выключен. Причем, для модели с недельным таймером данный период времени можно выставить разный на каждый день недели или на группу дней (например, для выходных дней).

Включение освещения происходит при уровне шума, превышающем пороговое значение, если уровень освещенности соответствует темному времени суток. Выключение освещения происходит через заданный интервал времени, если нет шумов, превышающих пороговое значение.

Подключение блока осуществляется в разрыв фазы. Блок должен устанавливаться на открытой поверхности (стене, потолке).

Антивандальный энергосберегающий светильник со встроенным оптико-акустическим датчиком предназначен для освещения лестничных площадок, пролётов, коридоров, подсобных помещений, кладовок и других помещений с временным пребыванием людей в жилых и общественных зданиях. Светильник включается только в темное время суток, когда в помещении появляются люди, а после того, как люди покинули помещение, отключается.