CC BY
2
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 628.9
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-2-320-321
К ВОПРОСУ ОЦЕНКИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ЕСТЕСТВЕННОГО
ОСВЕЩЕНИЯ
В.А. Зайцев, О.Г. Земцова, А. Г. Елистратова, Е.И. Минаков, Р.П. Лукьяновец
Проведено сравнение осветительных систем вертикального положения в помещениях, где боковые проемы ориентированы по сторонам света, и осветительных систем горизонтального положения на крыше здания. Показано, что световые проемы в качестве полых трубчатых световодов имеют высокую первоначальную стоимость, однако обладают лучшими теплофизическими параметрами, а эффективная транспортировка естественного света и его распределение по помещению, осуществленные ими, снижают годовые затраты на освещение.
Ключевые слова: световод, здания, методика, освещение, оценка.
Последнее десятилетие весьма активно ведется поиск оптимальных решений, касающихся того, как же эффективно использовать естественный свет. Данные поиски увенчались определенным успехом, однако не смогли в достаточной мере убедить владельцев зданий внедрить в них соответствующие оригинальные конструктивные решения. Причина этого, главным образом, заключается в том, что проведение естественного света внутрь здания означает большие затраты и продолжительный срок их окупаемости.
Необходимо отметить, что экономические оценки не принимают в расчет следующее: через светопроемы в помещения проникает значительно большее количество естественного света, чем требуется нормативами, при этом поступающее излучение обладает более высоким качеством спектра. Поэтому следовало бы учитывать все количество естественного света, которое проникает через светопроемы, а не только то количество, которое приходится на определенные часы в году, когда уровни естественного освещения выше минимально требуемых.
Также важность приобретает проведение долговременного сравнения работы различных осветительных систем, основываясь на оценке суммарных затрат на них (как эксплуатационных, так и капитальных). К примеру, провести сравнение за полный срок эксплуатации зданий.
Обратимся к сравнению осветительных систем вертикального положения в помещениях, где боковые проемы различно ориентированы по сторонам света, и осветительных систем горизонтального положения на крыше здания, которые представляют собой светоприемные элементы (коллекторы) полый трубчатый световод (ПТС). Для выполнения этих вычислений была использована программа расчета OrigmPro. Все расчёты естественного освещения произведены для светового климата города Пензы. Исходные данные взяты из многолетней базы данных солнечного света. Для систем, которые установлены на крыше, световых колодцев и световодных систем значения наружной общей освещенности (от небосвода и Солнца) были рассчитаны на приёмной плоскости коллектора.
Оценка светового потока, производимого системой освещения. Сравнивая различные системы естественного освещения, можно столкнуться с такой сложностью, как разная степень их способности вводить и распределять свет внутри помещения. Так, для фонарей верхнего света характерно распространение света сверху, в виду чего с увеличением расстояния от них уменьшается уровень освещенности. У боковых светопроемов неравномерное распределения освещенности, то есть освещение лучше непосредственно рядом с ними, тогда как по мере удаления от них освещенность резко снижается и так же резко меняются углы падения излучения на рабочую поверхность (РП).
Чтобы избежать рассмотрения распределения освещенности по РП, целесообразно ввести понятие средней освещенности на РП, а также понятие полного светового потока, падающего на РП. Световые решения сравнивались при условии пасмурного неба, чтобы исключить прямую составляющую солнечного света, для 15 дня декабря и июня. Для выполнения вычислений использовались программы светового моделирования Dialux 4.11. Для осуществления моделирования световодных систем и трапециевидных фонарей использовались данные [1] и методики [2]. Ориентация вертикальных оконных проемов по сторонам света в случае облачного неба не имеет существенного значения, поэтому, исходя из компьютерных расчетов, была принята усредненная величина. Длина ПТС была выбрана 2,4 м при диаметре каждой 530 мм.
Рисунки 1 и 2 представляют ход средней освещенности на РП помещения на протяжении суток от различных светопроводящих систем, занимающих одинаковую площадь.
На графиках показано следующее: ПТС как источники естественного света эффективнее по сравнению с традиционными боковыми проемами, а также системой верхнего света, которое в нашем случае представлено трапециевидными фонарями. Эффективность ПТС обеспечивает купол световода, который захватывает большее количество светового потока, что в итоге и повышает световую эффективность системы.
320
10 11 12 13 14 13 16 17 Время суток, ч
Рис. 1. Величины средней освещенности помещения в декабре, лк
8 10 12 14 16 19 20 22 Время суток, ч
Рис. 2. Величины средней освещенности помещения в июне, лк
Тем не менее, использовать для освещения только световоды можно лишь в промышленных, складских, а также производственных помещениях, поскольку в них не играет большой роли визуальная связь с окружающей средой. Что касается зданий общественного и административного назначения, то они требует комплексных систем освещения.
Оценка теплопоступлений от солнечной радиации. Теплопоступления в здание от солнечной радиации в течение года через окна или фонари верхнего света QS, МДж или кВтч, определяются согласно формуле:
а =Хт к • ад
(1)
где 7 - число ориентации по сторонам света, включая горизонтальную плоскость; / - номер ориентации по сторонам света, на которую ориентированы какие-либо ограждения здания; / =1,2,..., у - коэффициент учета затенение непрозрачными элементами окна или фонаря, выходящего на /-ю ориентацию по сторонам света; к) - коэффициент относительного проникания солнечной радиации через прозрачную часть окна или фонаря /-й ориентации по сторонам света; So- площадь окна/световода, выходящего на /-ю ориентацию по сторонам света, м2; Qj - поток суммарной солнечной радиации, приходящей за отопительный период на поверхность /-й ориентации по сторонам света, МДж/м2 или кВтч/м2.
Расчетные параметры стекла для оконных проемов принимались с учетом климатических условий г. Пенза. Использовались: а) двухкамерные стеклопакеты с мягким селективным покрытием при коэффициенте приведенного сопротивления теплопередаче ,Ко=0,68 м2 °С/Вт, т=0,8, к=0,48, б) ПТС марки Solatube Бау%Ш^у81ет8 (США), обладающие средним сопротивлением теплопередачи 0,28 м2 0С/Вт [3] и коэффициентом проникновения солнечной радиации равным 0,16 [4]. Определим общегодовые теплопотери в помещении от солнечной радиации через светопрозрачные конструкции различной площади.
На рисунке 3 показано линейное возрастание теплопоступлений при увеличении площади светопрозрач-ных конструкций. Как и следовало полагать, наибольшее поступление тепла обеспечивает южная ориентация окна. Зимой такая ориентация благоприятна, так как компенсирует тепловые потери, летом же, это расположение влечет за собой расходы на вентиляцию и кондиционирование [5,6].
ЮГ
юв_юз ^ в_з
св сз
ПТС
_ ийа СЕВЕР
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Площадь сне та прозрачны к конструкции различной ориентации, м'
Рис. З.Зависимость теплопоступлений от солнечной радиации (ГДж) помещение от площади светопрозрачной конструкции (м2) при различной ее ориентации
Важно указать, что для обеспечения одинакового КЕО площади боковых окон и ПТС должны существенно различаться. То есть для того, чтобы иметь КЕО равным 1,5% площадь окна должна быть 26 м2, а общая площадь ПТС должна быть всего 6м2 (см. рисунок 30).
31,51
Рис. 4. Годовое теплопоступление от солнечной радиации (ГДж) через светопроемы при КЕ0=1,5%
Оценка тепловых потерь за отопительный период. На то, каковы будут основные потери теплоты Q0, Вт через ограждающие конструкции, влияет разность температур наружного и внутреннего воздуха, а также тепловое сопротивление этих конструкций. Их можно определить по формуле:
Q0 = -к-а - Гср) • п, (2)
где к - коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м2 °С); п - коэффициент, зависящий от положения наружной поверхности по отношению к наружному воздуху [7,8].
Коэффициент теплопередачи ограждения обратно пропорционален приведенному сопротивлению теплопередаче Rо:
1
к = —
Показатель к характеризует количество тепла, проходящее через один квадратный метр конструкции при разности температур по обе стороны в один градус за 1 час.
Рисунок 5 демонстрирует следующее: при применении ПТС общие теплопотери за отопительный сезон оказываются в два раза выше при одинаковом остеклении. Это происходит по причине того, что у ПТС более низкое сопротивление теплопередаче.
ПТС
2
Ё: й
5 10 15 20 25 30 35 40 45 Площадь свегопрозрачной конструкции различной ориентации, м
Рис. 5. Тенлоиотери через сеепюпрозрачные ограждения различной ориентации за отопительный период: 1 - южной ориентации; 2 - юго-восточной и юго-западной ориентации; 3 - северной, восточной и западной
ориентации
Оценка капитальных затрат на совмещенное освещение. Затраты оценивались исходя из данный профессиональных организаций о стоимости одного светильника, а также стоимости монтажа и обслуживания осветительной установки. Также были учтены и стоимость установки конструкций и других компонентов.
Все итоги сводились к годовым, срок службы вертикальных светопроемов принимали равным 50 годам, а светопроемов на крыше - 30. Согласно предположению, оптические компоненты световодных систем следует заменить через 30 лет. Для систем искусственного освещения срок службы светильников принимался равным 20 года, поскольку была учтена стабильность характеристик ламп, равно как и затраты, сопряженный с их заменой.
Расчетным помещением является административное здание с графиком работы с 7 утра до 24 вечера (двухсменный режим) при нормированной освещенности 500лк. Размеры помещения - 10х10м при высоте потолка 3м.
Для искусственного освещения закладывались люминесцентные светильники 4x18Вт с ЭПРА (рис. 7).
Рис. 6. Оценка тепловых потерь через ограждающие конструкции различной ориентации при КЕО=1,5%
Рис. 7. Годовые приведенные затраты1 на освещение помещения: 1 - окна восточной и западной ориентации; 2 - южной; 3 - юго-восточной или юго-западной ориентации; 4 - северо-восточной или северо-западной;
5 - северной ориентации
Более высокими показали себя затраты на устройство и эксплуатацию оконных проемов 1-4 ориентации, причина заключается в том, что летом по причине большого теплопритока от солнечного излучения возрастают расходы на вентиляцию помещения.
Таким образом, можно заключить, что верхние световые проемы в качестве полых трубчатых световодов имеют высокую первоначальную стоимость, однако обладают лучшими теплофизическими параметрами, а эффективная транспортировка естественного света и его распределение по помещению, осуществленные ими, снижают годовые затраты на освещение.
Список литературы
1. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Энергоэффективные здания. М.: АВОК-ПРЕСС, 2003.
200 с.
2. СП 23-102-2003. Естественное освещение жилых и общественных зданий. М.: Госстрой России, 2005.
82 с.
3. Закгейм А.Л. Светодиодные системы освещения: энергоэффективность, зрительное восприятие, безопасность для здоровья (обзор) // Светотехника. 2012. №6. С. 12-21.
4. Классификация трубчатых направляющих систем дневного освещения // Кровли. 2020. № 1. С. 2-9.
5. Коржнева Т.Г. Учет ресурса естественного света при оптимизации энергозатрат помещения / Т.Г. Коржнева, В.Я. Ушаков, А.Т. Овчаров // Вестник ТГАСУ. 2023. № 3(40). С.156-164.
6. Коржнева Т.Г. Анализ теплопотерь помещений через системы естественного освещения / Т.Г. Коржнева, В.Я. Ушаков, А.Т. Овчаров // Известия ТПУ, 2023. Т. 322. № 4. С. 56-60.
7. Кунгс Я.А., Фаермарк М.А. Экономия электрической энергии в осветительных установках. М.: Энер-гоатомиздат, 1984. 161 с.
8. Малявина Е.Г. Теплопотери здания: справочное пособие. М.: АВОК-ПРЕСС, 2007. 144 с.
Зайцев Виталий Андреевич, студент, зирроГ:@ртеи.ги, Россия, Пенза, Пензенский государственный университет,
Минаков Евгений Иванович. д-р техн. наук, профессор, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Земцова Ольга Григорьевна, канд. техн. наук, доцент, Россия, Пенза, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства,
Елистратова Анна Григорьевна, старший преподаватель, Россия, Пенза, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства,
Лукьяновец Роман Павлович, канд. техн. наук, доцент, начальник кафедры, Россия, Пенза, Филиал Военной академии материально-технического обеспечения (г. Пенза)
ON THE ISSUE OF ENERGY EFFICIENCY ASSESSMENT MODERN NATURAL LIGHTING SYSTEMS V.A. Zaitsev, O.G. Zemtsova, A.G. Elistratova, E.I. Minakov, R.P. Lukyanovets
A comparison was made between vertical lighting systems in rooms where the side openings are oriented to the cardinal directions, and horizontal lighting systems on the roof of the building. It is shown that light openings as hollow tubular light guides have a high initial cost, however, they have the best thermophysical parameters, and the efficient transportation of natural light and its distribution throughout the room, carried out by them, reduce annual lighting costs.
Key words: light guide, buildings, methodology, lighting, assessment.
Zaitsev Vitaly Andreevich, student, support@pnzgu. ru, Russia, Penza, Penza State University,
Minakov Evgeny Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Tula, Tula State University,
Zemtsova Olga Grigoryevna, candidate of technical sciences, docent, Russia, Penza, Penza State University,
Elistratova Anna Grigoryevna, senior lecturer, Russia, Penza, Penza State University,
Lukyanovets Roman Pavlovich, candidate of technical sciences, docent, head of the department, Russia, Penza, Branch of the Military Academy of Logistics (Penza)
УДК 621.3.079
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-2-324-325
АЛГОРИТМ РАБОТЫ ЦИФРОВОГО РЕГУЛЯТОРА БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО СЛЕДЯЩЕГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С СИНХРОННЫМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
И.Ф. Байбиков, А.В. Стариков, В.Н. Козловский, С.Л. Лисин
В статье рассматривается принцип построения следящего электропривода и алгоритм работы цифрового регулятора, которые обеспечивают высокое быстродействие при минимуме вычислительных затрат. Для реализации такого электропривода необходим только датчик положения ротора синхронного двигателя. Приведены аналитические выражения, отражающие все вычислительные процедуры, выполняемые цифровым регулятором. Показано, что для реализации предлагаемого алгоритма работы цифрового регулятора необходимо выполнить только 3 операции умножения в цикле управления электроприводом. Приведена дискретная передаточная функция следящего электропривода, полученная с учетом предлагаемого алгоритма функционирования цифрового регулятора. Приведены результаты вычислительных и натурных экспериментов, показывающие, что время переходного процесса в следящем электроприводе с синхронным двигателем и предлагаемым алгоритмом работы цифрового регулятора не превышает 0.064 с. Предложен способ дальнейшего увеличения быстродействия следящего электропривода.
Ключевые слова: цифровой регулятор, следящий электропривод, синхронный двигатель, алгоритм работы, дискретная передаточная функция.
Следящие электроприводы с синхронными двигателями находят широкое применение в прецизионных металлобрабатывающих станках и промышленных роботах. При этом необходимо отметить, что динамическая точность и производительность такого оборудования в основном определяется быстродействием электроприводов. Поэтому повышение быстродействия следящих электроприводов с синхронными двигателями является актуальной задачей.
В основе большинства следящих электроприводов с синхронным исполнительным двигателем используются системы векторного управления [1, 2]. Однако эти системы обладают низким быстродействием и требуют больших вычислительных затрат при технической реализации на базе микроконтроллера. Действительно, в системах векторного управления необходимо выполнять преобразования Парка и Кларка. Кроме того, как правило, в современных частотных преобразователях, предназначенных для управления синхронным двигателем, используются векторные широтно-импульсные модуляторы, требующие вычисления синусов и выполнения большого количества операций умножения и деления на каждом периоде модуляции [3]. Также находят применение системы прямого управления моментом синхронного двигателя [4]. Однако такие системы отличаются большими пульсациями момента двигателя.
