Инженерный расчет эффективности совмещенных систем освещения с автоматическим управлением Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 628.93:729.391.1

ИНЖЕНЕРНЫЙ РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОВМЕЩЕННЫХ СИСТЕМ ОСВЕЩЕНИЯ С АВТОМАТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ

Канд. физ.-мат. наук КИРИЛЕНКО А. И., асп. СТОВПАК А. А.

Минский государственный высший авиационный колледж, УП «Институт НИПТИС»

Проблема энергосбережения в системах освещения (СО) достаточно актуальна на протяжении длительного периода [1]. Одним из наиболее эффективных путей ее решения является применение в системах освещения современных высокоэффективных источников света (ИС), электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА), световых приборов (СП) с высоким КПД при широкомасштабном использовании естественного освещения (ЕО) [2.. .4]. Достичь оптимального результата трудно без применения систем автоматического регулирования освещения. Считается, что такой подход устарел: следует говорить о системах автоматического управления световым потоком, имея в виду управление световым потоком ламп и управление ЕО прежде всего в производственных и административных по-ме-щениях. В литературе рассматривается множество концепций построения таких систем, их функциональные возможности, различные схемные решения, а также оценивается эффективность. Однако анализ показывает, что единого критерия оценки эффективности пока не существует [5]. Конструктор СП решает проблему эффективности искусственного освещения (ИО), т. е. комплекса СП, ИС, ЭПРА; архитектор - проблему эффективности ЕО (более полного использования ресурса светового климата); специалисты по автоматике - проблему эффективности системы автоматического управления освещением (САУО), в которой учитываются собственные энергетические затраты, срок службы и пр.

Несмотря на ряд очевидных приемов повышения эффективности освещения, которые часто игнорируются на практике, пока не известны исследования указанной проблемы при комплексном подходе к вопросу. Прежде всего это касается исследования системы освещения как объекта управления и выработки требований, которым должна отвечать СО, чтобы эффект от управления ею был максимальным.

Цель работы - анализ критериев оценки эффективности СО с САУО, разработка методики инженерного расчета эффективности комплекса ЕО -СО - САУО и определение путей оптимизации параметров СО для достижения максимальной эффективности с учетом упомянутых факторов.

Оценка эффективности СО с САУО и выявление путей повышения эффективности тесно связаны прежде всего с выбором критерия, по которому оценивается эффективность. До настоящего времени эффективность применения управления в СО оценивалась по годовой экономии электроэнергии (ЭЭ) [4]: AW = W - W' , где W - годовое количество ЭЭ, потребленное СО без управления, кВт-ч/год; W ' - годовое количество ЭЭ, потребленное той же СО с данной САУО, кВт-ч/год.

Однако такая оценка эффективности недостаточна по следующим причинам. Во-первых, годовая экономия ЭЭ при использовании САУО зависит от множества факторов, не относящихся непосредственно к самой САУО (например, нормируемая освещенность, особенности светового климата местности, характеристики помещения и т. п.), поэтому одна и та же САУО будет иметь различную эффективность при различных условиях. Во-вторых, такая оценка не является однозначной, так как не ясно, какой максимальный эффект возможен при данных условиях и достигнут ли он. В-третьих, такой критерий не учитывает всех особенностей СО (кроме мощности ИС) как объекта управления. Таким образом, не ясно, какой фактор и в какой степени оказывает влияние на эффективность СО с САУО, а также, какие имеются возможности повышения этой эффективности. СО призвана создавать световой поток и экономично его перераспределять в зависимости от уровня ЕО. Отметим, что применение САУО направлено не на экономию ЭЭ как таковую, а на увеличение произведенной и доставленной на рабочую поверхность световой энергии (лм-ч) при снижении энергозатрат. По этим соображениям при оценке эффективности СО с САУО необходимо учитывать отмеченные факторы [2].

В СО, построенных на СП постоянной мощности (т. е. без САУО), значительную часть времени работы ИС фактическая освещенность может превышать нормируемую. Применение САУО, способных изменять световой поток в достаточно широких пределах, призвано поддерживать уровни фактической освещенности на рабочих местах, близкие к нормированным значениям в течение всего срока службы ИС. Таким образом, в качестве критерия эффективности СО с САУО можно использовать такие показатели, как превышение фактических параметров освещения над нормируемой величиной.

Рассмотрим пока один, но важный параметр освещения - горизонтальную освещенность рабочей поверхности. САУО должна работать, во-первых, таким образом, чтобы суммарная горизонтальная освещенность в любой точке помещения была не меньше нормируемой:

Е^(х) = Ешо(х) + Еео(х) > Еп, (1)

где Еио(х) - локальная освещенность, создаваемая ИО по разрезу помещения; Еео(х) - локальная освещенность, создаваемая ЕО по разрезу помещения; Е^(х) - суммарная освещенность в точке х; х - расстояние от свето-проема; Еп - нормируемая горизонтальная освещенность.

Во-вторых, САУО должна минимизировать разность Е^(х) - Еп (при

любом х), что обеспечит минимально возможное энергопотребление. По этим соображениям превышение горизонтальной освещенности над нормируемой (т. е. Е^(х) - Еп) может быть использовано для оценки эффективности СО с автоматическим управлением.

Превышение горизонтальной освещенности над нормируемой по разрезу помещения будем определять величиной коэффициента избытка К

Ь

К = | (Щ.(х) - Еп^х, (2)

о

где L - глубина помещения.

Определенный таким образом коэффициент избытка сам по себе может характеризовать эффективность СО во всем помещении, но только при условии, если Eeo(x) < En при любом x. В общем случае коэффициент избытка можно определить как

K = ] Em(x)dx + { E(x) - En)dx , (3)

О xt

где Eeo(x) > En при x e [0, xk] и Eeo(x) < En при x e (xk, L]. По существу (3) означает, что в той зоне помещения (от 0 до xk), где ЕО полностью обеспечивает нормируемую горизонтальную освещенность, любое дополнительное ИО будет избыточным и должно быть отключено САУО. Поэтому первое слагаемое в (3) характеризует способность снижать уровень ИО в этой зоне, а второе - имеет тот же смысл, что и в (2).

Таким образом, для расчета коэффициента избытка согласно (3) необходимо знать распределение горизонтальной освещенности Еео(х) и Еио(х) по рабочей поверхности.

Основываясь на результатах измерения коэффициента естественной освещенности (КЕО) в различных точках помещения и используя двухпа-раметрическую аппроксимацию распределения КЕО, можно предложить следующий закон распределения горизонтальной освещенности ЕО, созданного светопроемом, по разрезу помещения

Eeo(x) = Emaxe-Px , (4)

где Етах - освещенность, создаваемая ЕО вблизи светопроема (х = 0). Параметр в определяется световой активностью помещения, и на основании измерений горизонтальной освещенности рабочей поверхности в офисном помещении получено в = 0,8959. Эта величина принята для дальнейших расчетов.

Для задания горизонтальной освещенности, создаваемой системой ИО, будем полагать, что помещение освещается СП, характеризующимися определенной кривой силы света (КСС). При расчетах используем следующие стандартные типы КСС: косинусная - 1а = I0cosа ; синусная - 1а = I0sinа ;

<" т т -г -г cos а

глубокая - Ia = I0 cos та ; широкая и полуширокая - 1а= I0-,

cos(0 sinn са)

где I0 - осевая сила света, создаваемая ИС, а - угол в меридиональной плоскости СП; С, m, n и 0 - параметры, определяющие угловую зависимость.

СП аппроксимируем точечным круглосимметричным излучателем, горизонтальная освещенность от которого рассчитывается как

ч 1а cos3 а . ч

E^) = ^~2-, (5)

h

где h - высота подвеса СП.

Для расчетов целесообразно в (5) перейти к линейной координате х, ко-зая связана с углом а соотношс расположения СП. Таким образом

Еио(х) = 10Я(х)-,7Ч " у , (6)

х хо

торая связана с углом а соотношением tgа = —, где х0 - координата

,з х Х0

008 агс^| ь

к2

где Я(х) - зависимость освещенности, создаваемой СП от координаты х, определяемая типом КСС СП.

Таким образом, с учетом (4) и (6) коэффициент избытка будет определяться как

е-Рх4 _ е-Рь

К = ЦЕтаЖ + Етах --Еп(Ь _ хк), (7)

где 10(Етк) - закон изменения 10 в зависимости от Етах (алгоритм управления);

ь 008 агсэд Яь = | Я(х)-к> П )йх ;

о к

1 Е

хк = д при Етах > Еп и хк = 0 при Етах < Еп.

Р Еп

В общем случае, когда установлено несколько светильников в ряду,

N

вклад от первого слагаемого в (7) следует определять как ^ 10 (Етах)Яь ,

г=1

где / - номер СП; N - количество СП в ряду.

Как видно из (7), коэффициент избытка К зависит от Етах и при различных уровнях ЕО в помещении будет иметь различные значения (т. е. изменяться во времени). С учетом этого для оценки эффективности СО введем коэффициент эффективности (энергетической) по световому потоку, который можно определить как

Ег

К = 1 КЕтаХ , (8)

Е

где К задается выражением (7); и Е2 определяются особенностями светового климата местности, коэффициентом автономности ЕО (КАЕО), световой активностью светопроема, параметрами помещения. Чем меньше К, тем эффективней СО.

В СО с СП постоянной мощности осевая сила света 10 СП не изменяется во времени (т. е. не зависит от Етах). Таким образом, из (7) следует:

1 рь Р

К = 1оЯь + Етах-Р--ЕпЬ Етах < Еп;

Е _ Е е_рь 1 Е К = 1оЯь +-*-¡^--Еп(Ь _ при Етах > Еп. (9)

Р Р Еп

При отсутствии ЕО коэффициент избытка принимает минимальное значение Ктт = 10ЯЬ - ЕпЬ . С ростом уровня ЕО значение К такой СО будет увеличиваться и, когда ЕО полностью обеспечит нормируемую горизонтальную освещенность в помещении, достигнет своего максимального значения Ктах = 10ЯЬ и далее увеличиваться не будет.

Заметим, что выражения (3), (7), (9) имеют смысл при Emax е [0, Епе^] и соответственно при xk е [0, L].

Применение САУО направлено на снижение (или недопущение роста) коэффициента избытка с увеличением уровня ЕО в помещении, причем когда ЕО полностью обеспечит нормируемую горизонтальную освещенность в помещении все ИС в ряду отключатся и К =0. Поэтому величина К СО с САУО будет меньше (эффективность выше), чем для СО с СП постоянной мощности (рис. 1).

' I

K

р р р?1 р

Рис. 1. Зависимость коэффициента избытка К от уровня ЕО: площадь под пунктирной кривой - К СО с САУО; площадь между кривыми - энергетический выигрыш от применения САУО;--СО с СП постоянной мощности;----СО с САУО

Алгоритм работы САУО должен строиться таким образом, чтобы минимизировать К В идеальном случае К такой СО равно нулю и можно говорить о том, что достигнут максимальный выигрыш от применения САУО, т. е. достигнуто минимально возможное (для данной СО) энергопотребление при обеспечении нормируемой горизонтальной освещенности. Возможность достижения максимального выигрыша от применения САУО и повышения эффективности СО с САУО в целом зависит от особенностей не только САУО, но и СО как объекта управления (т. е. от «управляемости» СО), и важным фактором, влияющим на «управляемость» СО, является создаваемое ею светораспределение.

Влияние КСС СП на качество светоцветовой среды осознано давно. Так, БелОМО выпускает светильники с изменяющимся углом между лампами и изменяющейся высотой подвеса СП, что и позволяет менять КСС. На основе предложенной методики расчета рассмотрим вопрос о влиянии КСС СП на эффективность СО с САУО. С этой целью разработана программа расчета введенных параметров эффективности для ЭВМ. Программа позволяет производить расчеты в соответствии с выражениями (3), (4), (6), (8) для помещений различной глубины (с боковым расположением све-топроема), с различной высотой подвеса СП, их количеством, типом КСС и для различных уровней ЕО. Расчет горизонтальной освещенности производился в о. е. (при этом Еп = 1). Предполагалось, что ИС во всех СП имеют одинаковые мощность и светоотдачу. Работа САУО в программе реали-

зуется следующим образом: определяется некоторая точка помещения хтт , в которой суммарная освещенность Е^ имеет минимальное значение;

для каждого СП определяется приоритет управления (т. е. последовательность, в которой САУО будет управлять 10 того или иного СП), при этом приоритетным считается СП, изменение 10 которого оказывает наименьшее влияние на Е^(хтт) ; уменьшается 10 каждого СП в соответствии с выбранными приоритетами до тех пор, пока выполняется условие Е^(х) > Еп при всех х.

Необходимо отметить, что на данном этапе рассмотрена простейшая одномерная модель, однако переход к модели большей размерности принципиальных трудностей не создает, но усложняет расчет.

В табл. 1, 2, рис. 2, 3 представлены результаты моделирования работы СО с САУО в рамках предложенной модели для СП с различными КСС. Результаты расчета приведены для помещения глубиной 6 м с тремя рядами СП, расположенными равномерно по разрезу; 10тах - осевая сила света ИС при Етах = 0 (ночью), минимально возможная для обеспечения нормируемой горизонтальной освещенности при данных типах КСС СП; 10 - осевая сила света ИС после срабатывания САУО; Етах/Е„ - отношение уровня ЕО у светопроема к нормируемой освещенности. Из табл. 1 видно, что одна и та же САУО при одинаковом уровне ЕО по-разному управляет 10 (а значит, и световым потоком) ИС в СП с различными КСС. Так, для широкой и полуширокой КСС возможна лишь незначительная регулировка 10 первого ряда СП во всем представленном диапазоне изменения ЕО в помещении, в то время как для СП, например с комбинированной КСС, возможно более глубокое управление 10.

Таблица 1

Результаты расчета эффективности работы САУО при порядном управлении СП

Етах/Еп 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

Тип КСС* 10/10тах 10/10тах 10/10тах 10/10тах 10/10тах

СП 1 СП 2 СП 3 СП 1 СП 2 СП 3 СП 1 СП 2 СП 3 СП 1 СП 2 СП 3 СП 1 СП 2 СП 3

К 0,95 1 1 0,90 1 1 0,85 1 1 0,8 1 1 0,75 1 1

С 1 1 0,74 1 1 0,62 1 1 0,61 1 1 0,6 1 1 0,6

Г 0,03 1 1 0 0,85 1 0 0,82 1 0 0,79 1 0 0,76 1

Ш 0,97 1 1 0,95 1 1 0,93 1 1 0,91 1 1 0,89 1 1

П 0,96 1 1 0,93 1 1 0,9 1 1 0,87 1 1 0,84 1 1

Ком 0,24 1 1 0,1 1 1 0 0,87 1 0 0,85 1 0 0,82 1

*К - косинусная, С - синусная, Г - глубокая, Ш - широкая, П - полуширокая, Ком -комбинированная (СП1 - К, СП2 - С, СП3 - П).

Таблица 2

Результаты расчета относительной эффективности СО с САУО для различных КСС СП

Тип КСС* К С Г Ш П Ком

К /К ^Ч тах 1 0,35 0,87 0,59 0,6 0,26

*К - косинусная, С - синусная, Г - глубокая, Ш - широкая, П - полуширокая, Ком -комбинированная (СП1 - К, СП2 - С, СП3 - П).

Результаты расчетов коэффициента эффективности (энергетической) по световому потоку К представлены в табл. 2 (расчеты производились для Е1 = 0; Е2 = 5Еп), где Ктах - наибольшее значение К среди всех представленных вариантов СО. Назовем отношение Кг/Кгтах относительной эффективностью СО. В данном случае наиболее эффективна, как и ожидалось, будет СО с СП комбинированного типа.

К

0,8 0,6 0,4 0,2 0

/3 /1

^ 5 /6

0

0,5

1

1,5

2

3

4 Етах/Еп 5

Рис. 2. Зависимость коэффициента избытка от соотношения Етах/Еп для СО с СП постоянной мощности с различными КСС: 1 - К; 2 - С; 3 - Г; 4 - Ш; 5 - П; 6 - Ком

Рис. 3. Зависимость коэффициента избытка от соотношения Етах/Еп для СО с САУО с различными КСС СП: 1 - К; 2 - С; 3 - Г; 4 - Ш; 5 - П; 6 - Ком

На рис. 2 представлены графики изменения коэффициента избытка К при изменении соотношения Етах/Еп для СО с СП постоянной мощности с различными КСС. В данном случае предпочтительнее использовать СП с синусной КСС. Эти же зависимости, но для СО с автоматическим управлением, представлены на рис. 3. В этом случае, как видно из графиков, целесообразно применение СП с комбинированной КСС, однако при Етах < 0,5Еп предпочтительнее использовать СП с синусной КСС. В общем случае можно сказать, что для данного уровня ЕО в помещении существует наиболее оптимальное для управления (с точки зрения минимума К) сочетание типов КСС СП в ряду.

Таким образом, основываясь на результатах расчета можно утверждать, что:

• при рассмотрении различных СО, управляемых одинаковым образом, эффективность освещения колеблется в широких пределах;

• СО, построенные на основе действующих СНиП (равномерное и симметричное расположение СП, применение ИС повышенной мощности и,

следовательно, с высокой светоотдачей, использование ИС одинаковой мощности и одинаковых типов), являются далеко не оптимальными с точки зрения управляемости освещением с целью энергосбережения;

• при изменении уровней ЕО в широких пределах не удается оптимизировать СО без управления КСС СП порядно.

В Ы В О Д Ы

1. Особенности СО существенно влияют на эффективность управления ею, поэтому необходима совместная разработка подсистем ЕО, ИО и САУО.

2. Необходима разработка широкой номенклатуры СП с управляемой КСС.

3. Актуальна проблема управлением ЕО в помещениях.

ЛИТЕРАТУРА

1. А й з е н б е р г Ю. Б. Эффективные осветительные установки - важный резерв экономии электроэнергии // Энергоменеджер. - 1997. - С. 19-23.

2. К и р и л е н к о А. И., С т о в п а к А. А. Оценка эффективности систем освещения по произведенному световому потоку // Энерго- и материалосберегающие экологически чистые технологии: Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Гродно, 2002.

3. С Н Б 2.04.05-98. Естественное и искусственное освещение.

4. К у н г с Я. А. Автоматизация управления электрическим освещением. - М.: Энер-гоатомиздат, 1989.

5. К и р и л е н к о А. И., С т о в п а к А. А. Современные принципы управления освещением // Энергия и менеджмент. - 2004. - № 2. - С. 26-28.

6. С о л о в ь е в А. К. Эффективность применения автоматически регулируемого совмещенного освещения в производственных зданиях с равномерным верхним естественным освещением // Светотехника. - 2000. - № 3. - С. 26-29

Представлена кафедрой общетехнических дисциплин Поступила 25.06.2004

УДК 621.311

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ НЕСТАБИЛЬНО РАБОТАЮЩИХ УЧАСТКОВ НЕФТЕПРОВОДА

Канд. техн. наук КОЛЕСНИК Ю. Н., канд. техн. наук, доц. ТОКОЧАКОВА Н. В.

Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»

Участки нефтепровода относятся к крупнейшим потребителям электроэнергии. Ее годовой расход в РУП «Гомельтранснефть "Дружба"» составляет около 500 млн кВт • ч, а доля электроэнергетической составляющей затрат в структуре себестоимости транспортировки нефти достигает 50 %.