Проблема энергосбережения в осветительных установках
Ю.Б. Айзенберг
профессор, д.т.н.
главный научный сотрудник ООО «ВНИСИ»
генеральный директор ЗАО «Московский дом света»
Проблема энергосбережения в осветительных установках всех стран мира, не только передовых, но и развивающихся, приобрела за последние годы исключительное значение [1-7]. При этом от успехов в решении этой проблемы во многом зависит будущее человеческой цивилизации не только в связи с постепенным исчерпыванием горючих ископаемых, идущих на выработку электроэнергии, но и из-за быстро происходящего загрязнения окружающей среды выбросами в атмосферу вредных веществ (диоксидов углерода и серы, а также ртути), образуемых в результате сжигания топлива при производстве электроэнергии. Известно, что при выработке на тепловых электростанциях (работающих на угле) 1 кВтч электроэнергии (ЭЭ) в атмосферу выбрасывается около 1 кг СО2. Проблема в значительной мере связана также с непрерывно происходящим увеличением масштабов осветительных установок (ОУ) и потреблением в них ЭЭ. Так, в Китае за последние пять лет темпы увеличения потребления ЭЭ в ОУ составляли более 15 % в год, при этом ожидаемый рост за 25 лет (с 1994 по 2020 годы) предположительно составит 400 % (с 200 до 800 ГВт).
Доли ЭЭ, расходуемые в ОУ различных стран мира, показаны в табл. 1. Как видно, на освещение направляется до 20% всей генерируемой ЭЭ, при этом в ряде областей применения, например в коммерческих и общественно-административных зданиях, доля ЭЭ, идущей на освещение доходит до 45% и является доминирующей в энергетическом балансе сооружений (рис. 1). Годовые расходы на освещение в США и сопоставление их с расходами на другие нужды [4] даны на рис. 2. Из рисунка видно, что стоимость ЭЭ, расходуемой в ОУ, превышает затраты на аудио- и видеоаппаратуру и другие бытовые приборы, в 2 раза превосходит расходы населения на приобретение обуви ив 1,5-1,7 раза - на табачные изделия и алкогольные напитки. На рис. 3 приведены данные различных стран о выбросах электростанциями в атмосферу диоксида углерода, при этом от 10 до 20% этих выбросов связаны с ЭЭ, расходуемой в ОУ.
В этой связи во многих государствах мира приняты и реализуются специальные программы энергосбережения, включающие самостоятельные разделы применительно к ОУ. Лидирующую роль играет программа «Green Light» («Зеленый свет») США, а также программы энергосбережения Великобритании, Нидерландов, Дании, Швеции (табл. 2). На базе программы «Green Light» США подготовлены и действуют соответствующие программы Китая, Бразилии. Южной Кореи, Таиланда, Мексики, Чехии. Задачей этих программ является резкое снижение расхода ЭЭ в ОУ (на 20-50 %) и выброса вредных веществ в атмосферу. Снижение энергопотребления при реализации этих программ является результатом разностороннего воздействия как на структуру производства и применения светотехнических изделий, так и на качество выпускаемой техники и эффективность ее использования. Однако необходимо подчеркнуть общее для всех этих документов - основная ставка делается на компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) и их внедрение в наиболее важных и «отзывчивых» сферах применения - в жилом секторе, а также в коммерческих и общественно-административных зданиях, прежде всего государственного подчинения.
Глобальное значение проблемы энергосбережения в ОУ хорошо видно из материалов четырех Всемирных конгрессов Right Light (RL), собираемых каждые два года и рассматривающих только научные, технические и организационные аспекты снижения энергопотребления в светотехнических установках (RL-1 - Стокгольм, 1991; RL-2 - Арнем, 1993; RL-3 - Ньюкасл, 1995; RL-4 - Копенгаген. 1997). Эти конгрессы, организованные Международной ассоциацией энергосбережения при освещении 1AEEL (Internatinal Association Electro Energy in Lighting), при активном участии двух молодых специалистов - Нильса Борга (Швеция) и Эвана Миллса (США) и поддержке государственных организаций по энергосбережению Швеции, Нидерландов, Великобритании, Бразилии и Индии приобрели за последние годы высокий международный авторитет.
Повышение энергоэффективности ОУ неразрывно связано с задачей комплексного снижения затрат в ОУ, так как для любого потребителя важно не только снижение энергоемкости его ОУ, но и срок окупаемости затрат на новую или переоборудуемую ОУ (так называемый pay back period). В конечном итоге эффективность ОУ определяется стоимостью световой энергии, генерируемой за срок службы ОУ и в значительной ни зависящей от затрат на ЭЭ [8]. Как известно [9], затраты потребителя Qn определяются приведенными расходами в ОУ, причем
Qn =е„К+Э, (1)
где К - капитальные затраты на оборудование ОУ (инвестиции); Э - годовые эксплуатационные расходы; е„ -нормативный коэффициент капитальных вложений. При этом, как было показано С.А Клюевым [91,
где /V - число осветительных при (ОН) в ОУ, зависящее от параметров ламп и светильников; А - цена лампы, руб.; п -число ламп в ОП; Б - цена ОП, руб.; М„ - стоимость монтажа, руб.; а - коэффициент, определяющий потери мощности в ПРА, отн. ед.; р - мощность лампы, Вт; С -стоимость монтажа электротехнической части (на 1 кВт мощности ламп и потерь в ПРА); а - стоимость замены лампы, руб.; тЛ - номинальный срок службы лампы; Т'- число часов использования максимума осветительной нагрузки в год; тч - число чисток в год; В -стоимость одной чисти ОП, руб.
Расчет К, Э и Qn ведется для сравниваемых вариантов ОУ, в которых создаются одинаковые условия освещения, прежде всего, генерируется одинаковый полезный световой поток
здесь - средний эксплуатационный КПД ОП, отн. ед.; цксс -средний эксплуатационный коэффициент использования светового потока ОП с - 1 в помещении с определенными параметрами (геометрическими соотношениями, коэффициентами и характером отражения поверхностей), отн. ед.; Coy - коэффициент, учитывающий влияние многократных отражений и равный 1,0-1,04 - для промышленных ОУ и 0,75-0,79 - для ОУ общественных зданий; Ен -нормированная освещенность, лк; К3 - коэффициент запаса -величина, обратная коэффициенту эксплуатации; S -освещаемая площадь, м2; Uoy - коэффициент использования ОУ (Uoy=ксс); z = Еср / Emin - коэффициент, учитывающий неравномерность освещенности в ОУ; Кэм - коэффициент эффективности ОП в ОУ, связывающий основные параметры, определяющие потребительские свойства ОП. Коэффициент эффективности прибора показывает, во сколько раз световой поток лампы в ОП или мощность ОП в конкретной ОУ должны быть больше полезно используемых из-за реальных свойств ОП и ОУ, далеких от совершенства (для идеальных ОП и ОУ К3 = 1, z = 1, z = 1, Uoy = 1).
Как было подробно показано в [8], в итоге для конкретных реальных ОУ затраты потребителя
где Фл - средний эксплуатационный световой поток ламп, лм; Нл - средняя эксплуатационная световая отдача ламп, лм/Вт.
При этом затраты 3э, на выработку световой энергии 9 в ОУ за время Г можно представить в виде
По мнению Вайера и Зонневельдта [3], энергетическая эффективность ОУ определяется отношением общего эксплуатационного светового потока ОУ к ее средней мощности за все воемя использования:
где I Фоп - суммарный световой поток осветительных приборов, лм; Ј Роу - суммарная установленная мощность ОУ; С, - коэффициент, определяющий снижение времени использования ОУ за счет применения систем управления освещением; Кф - коэффициент, определяющий Спад светового потока ОУ в процессе эксплуатации.
Для повышения эффективности ОУ (снижения стоимости полезно используемой световой энергии и энергопотребления), как хорошо видно из приведенных выражений (1)-(7), необходимо как повышение номинальных параметров (и, прежде всего, и и лксс), так и улучшение эксплуатационных характеристик. Таким образом, эффективность ОУ зависит, прежде всего, от:
световой отдачи источников света (ИС) и их срока службы;
светотехнических (ц, КСС) и энергетических (а) параметров ОП;
стабильности на протяжении эксплуатации параметров светильников и, в частности, характеристик ИС при работе в светильниках;
тарифов на ЭЭ;
числа часов использования ОУ в год.
Наряду с этим, немаловажное значение имеет стоимость ламп и светильников, а также стоимость монтажа и обслуживания.
Перефразируя и дополняя А.И. Слейтера [2], необходимо отметить, что наиболее эффективные ОУ должны производить высококачественный свет только в таком количестве и в то время, сколько, где и когда это требуется, и сохранять свои характеристики на протяжении длительной работы при наименьших капитальных и эксплуатационных затратах, в том числе при минимальном энергопотреблении.
Следовательно, очевидна необходимость при решении проблемы энергосбережения рассмотреть технические характеристики, эффективность применения, масштабы использования и структуру производства различных групп:
источников света;
осветительных приборов; пускорегулирующей аппаратуры;
систем, сокращающих время использования искусственного освещения (в том числе, естественного освещения; автоматического управления временем и интенсивностью работы ОУ, а также систем, позволяющих использовать в ОУ электроэнергию, вырабатываемую путем преобразования солнечной энергии).
Вместе с тем, важное значение имеют энергосберегающие способы освещения и современные методы и режимы эксплуатации ОУ.
Отдельного рассмотрения требует возможность снижения энергопотребления в ОУ за счет существенного улучшения качества освещения (снижения слепящего действия, улучшения распределения яркости в поле зрения, повышения равномерности распределения освещенности, выбора правильного направления распространения света, создания необходимого тенеобразования и др.).
Важнейшей задачей является законодательное закрепление энергосберегающих требований к светотехническим изделиям и установкам в стандартах, нормах и правилах, а также выработка и реализация экономических мер стимулирования энергосбережения в ОУ. Рассмотрим последовательно основные группы вопросов, влияющих на энергопотребление и снижение стоимости световой энергии. В настоящей статье проанализирована лишь одна, хотя и исключительно важная сторона рассматриваемой проблемы.
Компактные люминесцентные лампы и их использование в жилых зданиях. Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) являются сегодня основным типом ИС, с которым связываются надежды и планы энергосбережения в 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 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 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 ЭЭ по сравнению с ЛН мощностью 60 Вт (на сумму 33 доллара США), 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) и практически не представляет угрозы для окружающей среды. Немаловажно также и то, что КЛЛ надо менять не каждые 8-10 месяцев, 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. Именно поэтому наибольший объем исследований в мире посвящен этой проблеме, в результате чего собран и изучен самый широкий и достоверный статистический материал об энергоэкономичном освещении жилья. Среди всех исследований на эту тему выделяются фундаментальные работы Б. Вордман и Д. Палмер [8, 9], которые будут многократно использоваться ниже.
Основным тормозом на пути широчайшего внедрения КЛЛ на настоящем этапе является их относительно высокая пена. Вместе с тем, как показали многовариантные расчеты, выполненные во многих странах, срок окупаемости затрат на КЛЛ (Pay back period) составляет в зависимости от стоимости ЭЭ, числа часов использования ламп и их цены от 1,3 до 4 лет (рис. 4, 5; табл. 3) [6, 10, 11]. На рис. 6 даны интересные сведения о числе часов работы электрического освещения в различных помещениях жилых квартир в Дании и Германии [12].
Исчерпывающие данные Б. Бордман и Д. Палмер о характеристиках осветительных установок в жилом секторе 23 стран Европы приведены в табл. 4 и на рис. 7. Как видно, потребление ЭЭ на освещение одного европейского жилья, отражающее уровень развития стран, колеблется от 240 до 775 кВт-ч/год (для США 2280 кВт-ч/год; Японии - 1042 кВт-ч/год; Китая - 100 кВт-ч/год), а число применяемых ИС от 9 в Румынии до 34-40 в Нидерландах и Швеции (в США и Японии по 30 ИС). При этом доля жилищ с КЛЛ в Европе колеблется от 0,5-1,4% в Румынии и Болгарии до 40-52% в Дании, Италии, Нидерландах. Если же в качестве контрольной цифры принять число КЛЛ в жилище (рис. 7, табл. 4), то лидирующее положение занимают Нидерланды (2,7 КЛЛ), Германия (2,1 КЛЛ), Дания (2 КЛЛ). Общее количеств КЛЛ, эксплуатируемых в 150 млн. жилищ стран ЕС составляет на конец 1997 г. 138 млн. ламп (100 млн. ламп было в 1996 г.) [6].
В табл. 5 приведены сводные данные о продаже KJUI в мире [13, 14]. Как видно из этой таблицы, за 8 лет объемы производства КЛЛ выросли в 4,3 раза, при этом среднегодовые темпы прироста составляли в последний период 17-24%. Особенно важно также отметить структурные изменения в выпуске КЛЛ. Если в 1990 г. почти 60% КЛЛ имели исполнение со штырьками (для независимой установки ПРА), то в 1997 г. ситуация коренным образом изменилась - около 60% в выпуске составили интегральные КЛЛ с резьбовым цоколем и со встроенным электронным ПРА (ЭПРА), предназначенные для прямой замены ЛН, в основном в существующих светильниках.
Данные табл. 5 могут быть существенно скорректированы с учетом материалов последней публикации [15] о состоянии светотехники в Китае. В этой статье указывается, что объемы производства КЛЛ в Китае составили в 1994-1996 гг. соответственно 60, 80 и 100 млн. штук (что существенно меняет представленную в табл. 5 картину и показывает, сколь большое значение в этой стране придается энергосбережению). С учетом этих данных Китай выходит на второе место в мире по выпуску КЛЛ после всей Западной Европы, при этом сильно опережает и Северную Америку, и Японию. Нельзя не отметить резкое отставание стран Восточной Европы (10 млн. КЛЛ и Латинской Америки (12 млн. КЛЛ) не говоря уже о России (0,5 млн. КЛЛ).