Энергоэффективное освещение. Проблемы и решения

Существующее положение светотехники в России

Современные проблемы энергоэффективного освещения многогранны и имеют широкий спектр. Их решением сейчас занимается большое количество фирм и организаций, работающих в области светотехники. И это действительно актуально, поскольку дефицит энергии становится проблемой все большего числа российских городов. В условиях энергетического и мирового экономического кризиса актуально звучат слова известного писателя-фантаста Артура Кларка: «В качестве единой мировой валюты будет киловатт-час». Россия к этому приближается весьма быстрыми темпами.

В стране в 2006 г. потребность в электроэнергии увеличилась в 2,5 раза. Планы по введению новых генерирующих мощностей были пересмотрены, и вместо 23 ГВт за пятилетку было решено ввести 41 ГВт новых энергетических мощностей. Для сравнения, в Китае в 2007 г. было введено 104 ГВт электроэнергии. И здесь возникает весьма сущетвенный вопрос: по какому пути идти — наращиванию генерирующих мощностей или снижению потребления электроэнергии без ухудшения качества освещения. Как и при решении многих других вопросов, наиболее правильным является золотая середина.

Отметим, что стоимость создания киловатта генерирующих мощностей на электростанциях разного типа стоит примерно 1-3 тыс. долл. США. А снижение установленной мощности на киловатт освещения стоит 150-200 долл. США. Это огромная разница и, кроме того, это связано с решением важнейшей проблемы снижения вредных выбросов в атмосферу.

В табл. 1 представлены некоторые характеристики основных групп источников света, главной из которых является показатель удельной световой энергии, вырабатываемой за срок службы. Если величину световой энергии от лампы накаливания принять за единицу, то можно видеть, что все остальные типы ламп многократно (в разы или даже на порядок) вырабатывают больше световой энергии.

Необходимо отметить, что лампы накаливания, которые сыграли огромную роль в развитии человечества и которым в следующем, 2011 г. исполнится 130 лет со дня их изобретения, сегодня являются недопустимо устаревшим источником света. Их можно сравнить с такой устаревшей техникой, как паровозная или конная тяга, и со многим другим, от чего человечество уже отказалось.

 
Во многих странах мира это очень отчетливо осознается и в последнее время там принимаются исключительно эффективные меры по вытеснению ламп накаливания. Например, в ноябре 2008 г. вышло Постановление Правительства Украины о том, что, начиная с 2009 г., во всех правительственных зданиях лампы накаливания должны быть заменены на другие более энергоэффективные источники света.

С начала 2009 г. в Великобритании из продажи исчезли лампы накаливания мощностью 75 Вт, 100 Вт и 150 Вт. Решено, что специальные уполномоченные будут инспектировать магазины и даже отдельные квартиры, проверяя, какие лампочки продаются и какими пользуется население. Уполномоченные наделены правом изъятия «нелегальных» ламп накаливания. По оценкам британских аналитиков, экономия от таких мер может составить до 8 млрд долл. США. Евросоюз принял решение полностью перейти на энергосберегающие к 2012 г.

В США вышло постановление, подписанное президентом, о том, что с 2011 г. исключаются из производства и применения лампы накаливания мощностью 100 Вт, в 2012 г. — 75 Вт и так далее до 2014 г., когда лампы накаливания должны быть полностью ликвидированы. В Австралии издано постановление правительства о полном переходе на компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) к 2012 г. Это понятно и очевидно, потому что если бы все страны мира перешли на использование КЛЛ, то можно было бы высвободить столько же электроэнергии, сколько за 4 года потребляет вся Австралия.

В России новый закон об энергосбережении (№ 261-ФЗ от 23 ноября 2009 г., ст. 10, п. 8) с 1 января 2011 г. вводит запрет на использование ЛН мощностью 100 Вт и более. А с 1 января 2013 г. может быть введен запрет на ЛН мощностью 75 Вт и более, с 1 января 2014 г. — на ЛН мощностью 25 Вт и более.

Потенциал энергосбережения в освещении

На рис. 1 наглядно показан потенциал энергосбережения в Германии за счет осветительных приборов. За исходную базу (0%) приняты обычные линейные (прямые) трубчатые люминесцентные лампы Т12 диаметром трубки 38 мм. Затем идут лампы Т8 (диаметр трубки 26 мм) — энергоэффективные лампы, прямые, позволяющие сэкономить 7% электроэнергии. Дальше появляются тонкие лампы Т5, и можно видеть, что данные лампы диаметром 16 мм по сравнению с лампами Т12 дают экономию электроэнергии 42%.

Если внедрить современную технику с регулированием светового потока ламп и использовать датчики естественной освещенности, то можно сэкономить в первом случае 58%, в другом — 71%. Если применить полный арсенал энергосберегающих мероприятий, включая датчики движения, то при использовании ламп Т5 (16 мм) можно получить экономию электроэнергии 82%.

Необходимо отметить, что это только одна линейка светильников и здесь не рассмотрены компактные лампы. Также нужно напомнить, что с появлением ламп Т5 все пускорегулирующие аппараты стали электронными. Из рис. 1 становится понятно, какой огромный потенциал заложен в экономии электроэнергии в осветительных установках только при использовании лишь одной линии люминесцентных ламп.

 

Перспективное направление светотехники — освещение светодиодами

Сегодня самое перспективное и интересное направление, в котором работает огромное количество фирм, где достижения меняются буквально на глазах, — светодиоды. Прогноз совершенствования параметров светодиодов приведен на рис. 2.

Правая кривая — это кривая роста световой отдачи сверхярких светодиодов за последние 8 лет. Согласно данным книги по светодиодам немецкого общества светотехников, изданной в 2003 г., светодиоды достигли колоссальных успехов, поскольку их световая отдача уже тогда превышала в 2 раза световую отдачу ламп накаливания, т.е. 20-25 лм/Вт. 15 февраля 2010 г. пресс-служба европейского отделения компании CREE сообщила о создании лабораторного образца белого светодиода со световой отдачей 208 лм/Вт. Это, конечно, колоссальное достижение. И сегодня уже есть целый ряд установок, где светодиоды применяются даже для общего освещения. Но это очень дорого. Например, здание Turning Torso в Мальме (Швеция), выполненное в виде 190-метровой винтовой башни, реальный пример использования светодиодов для освещения помещений, где даже все коридоры в карнизах освещены светодиодами. Но это тот случай, когда со стоимостью никто не считался, потому что светодиоды стоили почти по доллару за штуку.

Перечислим свойства светодиодов, которые в ближайшем будущем сделают их самыми экономичными по сравнению с другими источниками света:

• высокая световая отдача (100-150 лм/Вт);
• малое энергопотребление (единицы ватт);
• высокие значения КПД световых приборов и коэффициентов использования светового потока в осветительных установках;
• малые габариты (точечные или плоские приборы);
• высокая долговечность (более 10 лет непрерывной работы);
• отсутствие пульсации светового потока;
• возможность получения излучения различного спектрального состава;
• возможность снижения коэффициента запаса осветительных установок благодаря стабильности характеристик и высокому сроку службы;
• возможность использования для освещения выцветающих объектов (произведений искусств, продукции полиграфии, текстильного производства);
• высокая устойчивость к внешним воздействиям (температуре, вибрации, ударам, влажности);
• электробезопасность и взрывобезопасность;
• возможность резкого уменьшения размера, материалоемкости и трудоемкости производства световых приборов;
• возможность создания необслуживаемых светильников;
• высокая степень управляемости (возможность построения систем многоуровневого управления освещением);
• высокая технологичность при массовом производстве;
• низкие затраты на упаковку и транспортировку.

 

Согласно данным американского журнала, светодиоды в 2005 г. в Америке применялись в основном в транспортном секторе — 52%, отдельно на освещение автомобилей приходилось 14%, а на бытовое освещение — всего 6%. Там же дается прогноз, что в 2010 г. бытовое освещение займет уже 13% от общего количества выпускаемых светодиодов (их будет выпущено для этой цели на 1 млрд долл. США).

Для подготовки к массовому применению светодиодов в России необходимо:

• провести комплекс психофизиологических исследований разных по назначению осветительных установок со светодиодами и разработать нормативные материалы по их применению (пересмотреть СНиП и СанПиН);
• разработать и стандартизировать методы фотометрии светодиодов;
• осуществить подготовку кадров специалистов в этой области;
• провести большую разъяснительную работу среди специалистов и населения;
• спроектировать и оборудовать показательные установки различного назначения;
• разработать серии разнообразных осветительных приборов со светодиодами;
• резко снизить стоимость светодиодов.

Предположительно на все эти работы необходимо затратить 4-5 лет, после чего эти новые источники света смогут найти более широкое применение. До этого, особенно в жилье, перспектива массового использования светодиодов весьма призрачна.

Пути повышения энергоэффективности систем освещения

ООО «ВНИСИ» был рассчитан потенциал экономии электроэнергии в осветительных установках. Экономия электроэнергии может быть достигнута совершенствованием следующих средств освещения:

• расширением производства эффективных источников света и области их применения возможно получить экономию электроэнергии минимум 14%;
• увеличением световой отдачи источников света — 6%;
• повышением стабильности характеристик источников света — 3%;
• повышением КПД осветительных приборов — 6%;
• улучшением эксплуатационных свойств осветительных приборов — 3,5%;
• снижением энергопотребления осветительных приборов, в частности благодаря использованию электронной пускорегулирующей арматуры (ЭПРА) — 1,5-2%.

Совершенствованием способов освещения тоже можно достичь экономии электроэнергии:

• расширением области применения системы общего локализованного освещения — 6,5%;
• при применении систем регулирования общего освещения в зависимости от уровня естественной освещенности — 4,5-7,5%;
• расширением применения системы комбинированного освещения — 4%.

Эти данные базируются на реальном учете имеющейся в стране ситуации, реальных световых отдачах, объемах производства и возможности замены разных источников света. Суммарная возможная экономия составляет 45-50% от величины электроэнергии, которая сегодня расходуется в стране на освещение, и это вполне достижимо. А ведь в России порядка 108-110 млрд кВтч идет на освещение, а значит половина — это более 50 млрд кВт*ч. Поэтому перспективы экономии электроэнергии заманчивы, но нужно работать интенсивно в этом направлении и изменить отношение к данному вопросу на государственном уровне.

Мероприятия по повышению энергоэффективности систем освещения

Во всем мире, в частности, в странах, которые входят в Международное энергетическое агентство (МЭА), к основным энергосберегающим действиям в области освещения можно отнести:

• использование компактных люминесцентных ламп (КЛЛ);
• установка электронных пускорегулирующих устройств (ЭПРА);
• применение прямых тонких люминесцентных ламп типа Т5 (16 мм);
• широкое использование систем автоматического регулирования освещения в зависимости от внешних факторов;
• использование комбинированных осветительных приборов, использующих для питания солнечную энергию.

 

Компактные люминесцентные лампы и их использование в жилых зданиях

Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) являются сегодня основным типом источников света (ИС), с которым связываются надежды и планы энергосбережения в осветительных установках (ОУ), так как эти лампы имеют в 8-10 раз больший срок службы и в 5 раз большую световую отдачу, т. е. генерируют за срок службы в 40-50 раз большую световую энергию.

Кроме того, КЛЛ во многих случаях благодаря своим малым размерам и наличию резьбового цоколя (интегральные лампы) могут заменять напрямую лампу накаливания (ЛН) в существующих светильниках. Таким образом, применение КЛЛ может быть наиболее эффективным именно в тех видах ОУ, где сегодня наиболее массовым ИС являются ЛН.

Такой областью применения является, бесспорно, жилой сектор (ОУ жилых зданий). В большинстве стран мира именно в жилье ЛН остаются основным ИС, в то время как в промышленности, коммерческих и общественных зданиях прямолинейные ЛЛ и разрядные лампы высокого давления (РЛВД) уже занимают доминирующее положение.

В Германии, Швеции, Великобритании ЛН в жилье составляют 86-87%, в Бразилии и Мексике — 92-95%, в США и Китае действующий парк бытовых светильников с ЛН составляет 2,9 и 3,2 млрд шт. соответственно.

Наряду с этим важно также отметить экологическое значение КЛЛ, так как одна КЛЛ мощностью 18 Вт за свой срок службы позволяет не только в 5 раз сократить расход электроэнергии по сравнению с ЛН мощностью 60 Вт, но и уменьшить в 2 раза выбросы в атмосферу диоксида углерода и на 7,5 кг — диоксида серы. К тому же, собственное содержание ртути в КЛЛ является мизерным (меньше 3 мг в современных качественных лампах) и практически не представляет угрозы для окружающей среды. Немаловажно также и то, что КЛЛ надо менять не каждые 8-10 мес., как ЛН, а один раз примерно в 9-10 лет.

Даже частичный перевод ОУ жилого сектора на КЛЛ — огромный резерв экономии энергетических ресурсов и сохранения окружающей среды.

Основным тормозом на пути широчайшего внедрения КЛЛ на настоящем этапе является их относительно высокая цена. Вместе с тем, как показали многовариантные расчеты, выполненные во многих странах, срок окупаемости затрат на КЛЛ составляет, в зависимости от стоимости электроэнергии, числа часов использования ламп и их цены, от 0,5 до 1 года.

Как показывает исследование, в Европе не более 42-46% парка существующих бытовых светильников допускает прямую замену ЛН на КЛЛ. Абсолютно невозможно использование КЛЛ в весьма популярных в быту светильниках с малогабаритными галогенными лампами (ГЛН). Отдельную проблему представляет собой необходимость замены парка напольных (частично настольных и настенных) светильников отраженного света с ГЛН. Замена подобных светильников отраженного света на соответствующие по светораспределению и дизайну приборы с КЛЛ представляется исключительно важной.

Для внедрения КЛЛ во всех странах мира играет большую роль разъяснение населению достоинств и экономической выгоды нового поколения ламп. Но самым главным, бесспорно, является целенаправленная организационная работа государства, электростанций, коммунальных электросетевых предприятий по внедрению КЛЛ в жилой сектор и государственные учреждения на основе создания различных экономических льгот и поощрений.

Применение ламп люминесцентных прямых типа Т5 с ЭПРА

Применение нового поколения люминесцентных ламп с диаметром трубки 16 мм (так называемых ламп Т5) с электронными пускорегулирующими аппаратами является важным и перспективным направлением современной светотехники. К сожалению, в настоящее время в России серийное производство подобных ламп не освоено, выпуск светильников с импортными лампами Т5 осуществляется в мизерных количествах.

В мире за последние годы производство и применение лампы Т5 с ЭПРА бурно прогрессировали, завоевывали все новые позиции, быстро вытесняя лампы типа Т8 в колбе с диаметром 26 мм, не говоря уже о лампах типа Т12 в колбе с диаметром 38 мм, которые давно не выпускают ведущие электроламповые фирмы мира. Масштабы экспансии новой техники столь велики, что лампы Т5 в Германии и Великобритании составляют сегодня не менее 30%, в США — 40%, а в Швеции — 70% от объема всех выпускаемых ЛЛ. При этом новая техника во всех этих странах разрабатывается только для ламп Т5.

Отечественная же промышленность, теряя темп, все более отстает от конкурентов, продолжая массовый выпуск устаревшей техники — ламп Т12 и Т8 в основном с электромагнитными ПРА со стандартными потерями. Эти аппараты запрещены к производству в Европе с мая 2002 г. из-за их энергетической неэффективности и поэтому в основном направляются на экспорт в Россию и страны СНГ.

Основные преимущества новой техники:

• повышенная световая отдача (до 105 лм/Вт);
• пониженный спад светового потока благодаря использованию между люминофором и стеклом колбы защитной пленки, исключающей отрицательное влияние на них ртути (через 10 тыс. ч наработки световой поток снижается не более чем на 5% и остается далее на этом уровне, по сравнению с 20-30% снижением светового потока для обычных ЛЛ;
• оптимальная световая отдача ламп Т5 имеет место при температуре окружающего воздуха не 22-25°, как для обычных ЛЛ, а при 35°С, т.е. практически не снижается во многих светильниках;
• при работе только со специальными электронными ПРА потери мощности комплекта лампа-ПРА снижаются на 30-35%; при этом ЭПРА имеют схему «cut off», исключающую постоянный подогрев электродов после включения ламп;
• резко сниженное содержание ртути в этих лампах (с 30 до 3 мг);
• уменьшение диаметра трубки на 40% (по сравнению с ЛЛ типа Т8), уменьшение длин ламп Т5 приблизительно на 50 мм по сравнению с близкими по мощности лампами Т8;
• увеличение среднего значения срока службы ламп до 16 тыс. ч;
• высокий индекс цветопередачи (80-90).

 

Сравнение характеристик ламп Т8 и Т5 с Тн = 4000 К приведено в табл. 2.

Следствием указанных преимуществ являются:

• снижение установленной мощности осветительных установок на 20-30% и расхода электроэнергии в них из-за возможности существенного уменьшения коэффициента запаса ОУ и потерь мощности в системах питания;
• снижение расхода материалов на производство ЛЛ и светильников, которые могут иметь существенно меньшие габариты;
• исключение вредного воздействия на здоровье людей пульсации светового потока ламп;
• повышение эффективности световых приборов, благодаря более высокому КПД и возможности обеспечить требуемые кривые силы света с помощью зеркальной и призматической оптики, значительно лучше работающей с лампами меньшего размера светящего тела;
• повышение комфортности освещения административных помещений благодаря исключению слепящего действия в любых направлениях с помощью специальных зеркальных экранирующих «трехмерных» решеток;
• улучшением экологии новой техники (резкое снижение возможностей ртутного отравления);
• значительное улучшение экологической обстановки (светильник с двумя лампами мощностью по 35 Вт с ЭПРА выбрасывает в атмосферу за год на 1350 кг меньше двуокиси углерода по сравнению со светильниками с электромагнитным ПРА);
• возможности производства встраиваемых светильников с длиной, не превышающей размеры стандартных строительных модулей (благодаря уменьшенной длине лампы Т5);
• улучшение эстетических характеристик светильников с новыми лампами (меньшие поперечные размеры и высота), соответствие строительному модулю подвесных потолков.

 

Сравнительные параметры ОУ административного помещения со светильниками с ЛЛ Т8 и Т5 приведены в табл. 3.

Можно ожидать, что важнейшим тормозом для ускоренного внедрения новой техники послужит первоначально ее высокая цена, которая может быть в 4-5 раза выше, чем у существующих светильников с ЛЛ типа Т8. Эти приборы, как например, потолочные светильники с 4-мя лампами по 18-20 Вт, электромагнитным ПРА и зеркальными экранирующими решетками, выпускаемые миллионами штук в год, упали в цене за последние 5-6 лет с 90-100 до 15-20 долл. США. Естественно, что должен пройти определенный период с начала серийного производства, за который новое дорогое изделие сможет заметно подешеветь.

Требования к энергоэффективному осветительному оборудованию

Поставки энергоэффективного светотехнического оборудования в настоящее время в России малы. Хотя все это оборудование, в принципе, в наличии имеется, наиболее эффективное оборудование российского производства практически отсутствует, а объем внешних поставок этого оборудования окажется недостаточным в случае существенного увеличения потребности в нем.

В данный момент, общий объем светотехнического рынка, включая импортные товары, составляет примерно 2 млрд долл. США в год и, скорее всего, будет продолжать расти.

Отечественная продукция удовлетворяет примерно 50% общей потребности в светотехнических изделиях (источниках света, светильниках, источниках питания, комплектующих и т.д.). Большую часть российской продукции составляют неэффективные устаревшие изделия, такие как лампы накаливания, люминесцентные лампы первого и второго поколений (Т12, Т8), электромагнитные ПРА и т.д.

Качество и эффективность многих импортных изделий также не соответствуют лучшим международным стандартам. Высококачественное оборудование для систем освещения слишком дорого для российского рынка и конкретно для конечных потребителей.

Отсутствие технического контроля и контроля качества импортных товаров привело к наплыву на российский рынок светотехнических изделий сомнительного качества, поступающих как на легальный рынок, так и на обширный черный рынок. Однако на рынке светотехнической продукции наблюдаются некоторые позитивные изменения. Например, на российском рынке, все шире представлены мировые лидеры в области разработки и производства электрических ламп (Осрам, Филипс, Дженерал электрик и некоторые другие).

Выбирая источники света важно понимать, что в энергоэффективных светильниках должны использоваться лампы с повышенной световой отдачей, как правило, более 50 лм/Вт, с небольшим спадом светового потока для обеспечения возможности резкого уменьшения нормируемого коэффициента запаса для снижения установленной мощности осветительных установок, индексом цветопередачи более 80, сроком службы более 4 тыс. ч и cos fi > 0,9.

Литература
1.    Айзенберг Ю.Б., Демирчан Х.С. О повышении использования электроэнергии в осветительных установках, Светотехника. 1989. № 12. С. 1-6.
2.    Айзенберг Ю.Б. Современные проблемы энергоэффективного освещения. Энергосбережение. 2009. №1. С. 42-47.
3.    Айзенберг Ю.Б. Задача стимулирования производства и применения энергоэффективных светотехнических изделий. Светотехника. 2009 г. № 2.
4.    Айзенберг Ю.Б. Формирование светотехнического рынка России для повышения эффективности освещения. Светотехника. 2009 г. № 6.

Современные мужские рубашки дешево можно купить в нашем магазине в Боярке.