CC BY
82
Концепция энергосберегающего и комфортного наружного освещения городских пространств
Л.В. Бражникова, И.А. Шмаров
НИИСФ РААСН
Установки наружного освещения городов и населенных пунктов являются одним из важнейших элементов их благоустройства. Установки наружного утилитарного освещения обеспечивают безопасность движения автотранспорта и пешеходов, а также зрительную ориентацию в пространстве улиц и площадей. Совокупным действием установок наружного освещения различного функционального назначения (утилитарными, архитектурными, светорекламными и витринными) создается среда города, его внешний облик в вечернее время.
Основное назначение наружного освещения — обеспечение безопасности движения, т.е. создание таких условий видения для водителей транспорта и пешеходов, которые обеспечивают своевременное и быстрое обнаружение препятствий. Наряду с обеспечением заданного уровня видимости освещение улиц является элементом внешнего оформления города и служит для лучшего выявления архитектурных форм зданий. Это, в частности, обусловливает повышенные требования к осветительным установкам в центральных и исторических районах города.
Хорошее наружное освещение населенных пунктов позволяет в темное время суток:
снизить количество аварий на 20-30%, в первую очередь, число серьезных аварий; уменьшить число правонарушений; создать вечерний облик города, выявив всеми видами наружного освещения архитектуру отдельных зданий и городских ансамблей.
Современное градостроительство основано, как правило, на поквартальной застройке жилых районов, удаленных от центра города, где размещаются основные административные и торговые предприятия. Для автомагистралей, соединяющих между собой жилые районы с центром, характерна наибольшая интенсивность движения в утренние, вечерние и ночные часы. Это определяет высокие требования, предъявляемые к установкам наружного освещения населенных пунктов.
Необходимость организации благоприятного воздействия на человека всех видов наружного освещения обусловливает постановку вопроса о комфортности такого воздействия. При этом следует отметить, что световая среда города не может рассматриваться отдельно от внешнего окружения или ограничиваться отдельно выбранной улицей, она является составной частью более общего понятия «городской среды».
Таким образом, для каждого населенного пункта региона, города или района необходимо, прежде всего, разрабатывать общую концепцию проектирования или реконструкции установок наружного освещения.
Эта концепция должна включать следующие разделы:
обследование существующих осветительных установок;
разработка технических предложений по реконструкции существующих установок наружного освещения с указанием нормируемых показателей освещения улиц;
разработка технических предложений по проектированию новых установок наружного освещения;
технические предложения по использованию типовых решений в процессе проектирования или предполагаемой реконструкции;
предварительная спецификация стандартного и нестандартного оборудования;
предварительная смета на выполнение работ по реконструкции.
Внутри городских районов различают несколько зон, требующих дифференцированного и в то же время взаимосогласованного освещения. Это главные городские и районные улицы, внутриквартальные, подсобные и соединительные дороги, тротуары, надземные и подземные стоянки индивидуального автотранспорта, территории дворов, детские и спортивные площадки. Интенсивность и скорость движения автомобилей на второстепенных и внутриквартальных улицах меньше, чем на автомагистралях, и соответственно, поэтому меняются и требования к наружному освещению. Вместе с тем внутри городских районов возрастает эстетическая роль элементов осветительных установок.
Работы по проектированию установок наружного освещения целесообразно выполнять комплексно, одновременно рассматривая освещение улиц как магистральных, общегородского и районного значения, так и внутриквартальные и дворовые проезды, пешеходные зоны. Хорошее, удовлетворяющее нормам освещение центральных автомагистралей при наличии установок архитектурного освещения и световой рекламы создает впечатление насыщенности пространства светом, и на этом фоне освещение второстепенных улиц, соответствующее нормам, может представляться дискомфортным. В этой связи при проектировании новых и реконструкции существующих объектов целесообразно предусматривать многоуровневые комплексные решения по освещению открытых пространств целых кварталов или микрорайонов (районов) населенных пунктов [1].
Первый уровень — рассмотрение вопросов формирования световой среды микрорайона, населенного пункта относительно требований всех «основных пользователей»: водителей автотранспорта и пешеходов; жителей микрорайона —
взрослых и детей; людей, занимающихся активным (спорт) и пассивным отдыхом в пределах открытых пространств района, то есть зонирование района.
Второй уровень — рассмотрение вопросов освещения всех основных территорий микрорайона: начиная с улиц и площадей категории А, Б и В (в соответствии со СНиП 23-05-95*[2]), включая внутридворо-вые проезды и открытые пространства (детские и спортивные площадки, зоны отдыха и автостоянки), освещение подходов к подъездам жилых зданий.
Третий уровень — совместное рассмотрение вопросов проектирования установок наружного освещения различного функционального назначения (утилитарного, архитектурно-декоративного, световой рекламы и информационных табло, освещение витрин, декоративный подсвет зеленых открытых пространств и отдельных зеленых насаждений), совместная работа которых создает световую среду улиц и площадей.
Четвертый уровень — рассмотрение эстетических показателей элементов осветительных установок.
Разработка общей концепции должна носить комплексный характер и охватывать все виды установок наружного освещения: утилитарные, архитектурного освещения зданий и сооружений, световой рекламы. Другим ее аспектом должна быть проработка вопросов освещения улиц всех категорий, а также дворов и местных проездов, детских и дворовых спортивных площадок, автостоянок.
Общая концепция проектирования и реконструкции осветительных установок дает возможность городским властям определить приоритетное направление работ в зависимости от поступления средств, выделенных на эти цели. Располагая полным объемом, нетрудно составить очередность проводимых работ на конкретном участке городской застройки. При наличии общей концепции не будет потеряно единство в выполнении всего комплекса наружного освещения населенного пункта,
Категория объекта по освещ ению Улицы, дороги и площади Максимально допустимая скорость движения транспорта, км/ч Наибольшая интенсивность движения транспорта в обоих направлениях, ед/ч Средняя яркость дорожного покрытия, кд/м2 Средняя горизонтальная освещенность покрытия, лк
Нормируемая по СНиП 23-05-95* Реко- мендує мая Нормируемая по СНиП 23-05-95* Реко- мендує мая
1 2 3 4 5
А Магистральные дороги 120 2> Св. 3000 - 2,1 - 40
100 Св. 3000 1,6 1,9 20 30
90 Менее 3000 1,2 1,5 20 30
80 Менее 3000 0,8 1,2 15 20
Б Магистральные улицы общегородского значения
90 Св. 3000 1,0 1,5 15 30
80 Св 1000 до 3000 0,8 1,2 15 20
60 От 500 до 1000 0,6 1,0 10 15
40 Менее 500 0,4 0,6 10 10
В Магистральные улицы районного значения
80 Св. 2000 0,4 1,2 6 20
60 От 500 до 2000 0,3 1,0 4 15
40 Менее 500 0,2 0,6 4 10
Г Улицы и дороги местного значения
60 500 и более - 1,0 - 15
40 Менее 500 - 0,6 - 10
20 Менее 500 - 0,3 - 6
Примечания.
*) - в перспективе;
1) - данный столбец рекомендуется вставить в нормы дополнительно;
2) - скорость движения транспорта, ожидаемая в будущем.
Таблица 1. Действующие и предлагаемые нормы освещенности и яркости дорожного покрытия при наружном освещение улиц, дорог, площадей.
5 2009 171
даже если работа по реконструкции осветительных установок выполняются на участках в разное время. Проектные и монтажные работы обойдутся намного дешевле, так как для многих объектов могут быть использованы типовые (для данного населенного пункта) решения.
Учет скорости движения автотранспорта при нормировании
Действующими нормами СНиП 23-05-95* [2] определены освещенности (яркости) дорожного покрытия как безопасные условия освещения при скорости движения автотранспорта х = 60 км/ч. За последние 20 лет нормируемые значения освещенности (яркости) не изменились, однако разрешенные скорости движения автотранспорта возросли. Сегодня на Московской кольцевой автодороге разрешенная скорость движения при хороших погодных условиях достигает 100 км/ч.
Использованная авторами ранее [3] зависимость расстояния безопасного торможения от скорости движения автотранспорта и порогового контраста глаза человека от яркости дорожного покрытия и размера различаемого объекта позволила установить количественную взаимосвязь между яркостью (освещенностью) дорожного покрытия и скоростью движения автотранспорта.
Разработанная на основе этой зависимости методика [3] позволила пересмотреть таблицы яркостей и освещенностей для наружного освещения дорог, изложенных в СНиП 23-05-95* «Естественное и искусственное освещение» [2], в сторону увеличения нормируемых значений до принятых в международной практике, а также включить скорость в число параметров, от которых зависит наружное освещение. Предложения по конкретным значениям нормируемых показателей наружного освещения, которые рекомендуются для включения в регламент при переработке СНиП 23-05-95*, приведены в таблице 1.
Обеспечение требований энергосбережения в наружном освещении
В современном мире предъявляют высокие требования к экономии энергоресурсов и снижению парникового эффекта.
Основными путями экономии электроэнергии в осветительных установках наружного освещения признаны следующие:
замена источников света с низкой световой отдачей на источники света с высокой световой отдачей;
внедрение светильников с рациональным све-тораспределением, с высокими коэффициентами использования светового потока источников света
по освещенности (иЕ) и яркости (и^ относительно рабочих поверхностей;
использование систем освещения с оптимальным пространственным размещением световых приборов относительно освещаемых поверхностей;
применение осветленных покрытий дорожного полотна;
регулирование регламентируемых уровней освещения в зависимости от суточного изменения интенсивности движения.
Повышение энергоэффективности осветительных установок неразрывно связано с задачей комплексного снижения затрат в осветительных установках, так как для любого потребителя важно не только снижение энергоемкости, но и срок окупаемости затрат на новую или переоборудуемую осветительную установку.
Как известно, в любой осветительной установке структура стоимостных показателей складывается, в принципе, следующим образом [4]:
капитальные затраты на осветительные приборы и источники света — 10—15%;
затраты на монтаж и обслуживание осветительных приборов — 15%;
стоимость электроэнергии — 70—75%.
Энергоэффективность осветительной установки зависит от:
световой отдачи источников света, их срока службы и стабильности характеристик в процессе длительной работы;
светотехнических и энергетических параметров осветительных приборов; методов освещения; режимов и способов эксплуатации; тарифов на электроэнергию; числа часов использования осветительной установки в год.
Экономия электроэнергии на освещение не должна достигаться за счет снижения норм освещенности или отключения части световых приборов, поскольку потери от ухудшения условий освещения значительно превосходят стоимость сэкономленной электроэнергии. Эффективной следует считать такую осветительную установку, которая создает высококачественное освещение и сохраняет свои характеристики на протяжении длительной работы при наименьших капитальных и эксплуатационных затратах, в том числе при минимальном энергопотреблении.
Применение светодиодов в наружном освещении
Отдельно хотелось бы отметить наиболее новые и перспективные источники света, принципиально отличающиеся от тепловых или разрядных излучателей — светодиоды. Эти полупроводниковые ис-
точники света, излучающие во всем видимом диапазоне спектра, очень привлекательны с энергоэкологической точки зрения: срок службы до 100 тыс. часов, минимальное энергопотребление, отсутствие ртути и необходимости в ПРА.
До настоящего времени область применения светодиодов ограничивалась в основном устройствами сигнализации, световой индикации, системами отображения информации, а также ограниченным использованием в осветительной технике (для специального местного освещения, световой рекламы, установок типа «звездное небо»),
В настоящее время, благодаря быстрому прогрессу в области светодиодов, фактически формируется новый раздел светотехники — светоэлект-роника. В перспективе, ориентируясь на вполне достижимые световые отдачи около 100 лм/Вт, твердотельные светодиоды получат широкое применение во многих областях осветительной техники:
использование светодиодов в цветных мощных сигнальных устройствах, в качестве автомобильных и дорожных огней;
цветное декоративное и архитектурное освещение, информационные и рекламные устройства и экраны, «бегущие строки» (использование разрядных трубок для этих целей станет устаревшей технологией);
наружное освещение, освещение туннелей; местное освещение, осветительные установки вспомогательных помещений и многое другое.
Экономия электроэнергии при этом может быть значительна. Расчеты, проведенные в США, показали, что экономия электроэнергии после реализации проекта по переходу города на полупроводниковое освещение с использованием светодиодов, включая уличное освещение, освещение подземных гаражей, пешеходных переходов, парков, архитектурной и декоративной подсветки, составит около 40% [5, 6]. Уже сейчас использование осветительных приборов со светодиодами только во вспомогательных помещениях жилых домов Москвы (лестничные клетки, лифтовые холлы, входы в здания) может позволить снизить потребление электроэнергии на 200 млн. кВтч.
Несмотря на то, что светильники со светодиодными источниками света достаточно дороги, при замене ими традиционных светильников окупаемость происходит за счет экономии электроэнергии и снижения эксплуатационных расходов. Благодаря малым габаритам и площади, занимаемой на печатной плате, из светодиодных ламп составляют компактные кластеры, позволяющие создавать светильники разнообразных форм, получая значительный выигрыш при серийном и массовом производстве.
Массовое применение светодиодов открывает принципиально новый путь энергосбережения. Бурный и неудержимый прогресс светодиодов как источников света не только для световой сигнализации, но и перспективных для общего внутреннего и наружного освещения, открывает новые горизонты благодаря комплексу их положительных свойств:
1. Высокая световая отдача — до 100-150 лм/Вт.
2. Малое энергопотребление — единицы Вт.
3. Возможное обеспечение высоких КПД световых приборов и коэффициентов использования светового потока в осветительной установке.
4. Возможное обеспечение малых габаритов световых приборов — точечные или плоские приборы.
5. Высокая долговечность — срок службы светодиодов достигает 50-100 тыс. часов, что значительно превосходит аналогичные показатели традиционных источников света: срок службы ламп накаливания составляет 1тыс. часов, люминесцентных ламп — 12-18 тыс. часов.
6. Отсутствие пульсации светового потока.
7. Возможность получения излучения различного спектрального состава.
8. Возможность снижения коэффициента запаса осветительной установки — благодаря стабильности характеристик и высокой долговечности.
9. Высокая устойчивость к внешним воздействиям — температуре (рабочий температурный диапазон эксплуатации полупроводниковых источников света от -60 до +85° С), вибрации, ударам, влажности.
10. Электробезопасность и взрывобезопасность.
11. Возможность резкого уменьшения метери-алоемкости и трудоемкости производства световых приборов.
12. Возможность создания необслуживаемых световых приборов.
13. Высокая степень управляемости — возможность построения систем многоуровневого управления освещением.
14. Высокая технологичность при массовом производстве.
Непрерывный рост световой отдачи (рис. 1), увеличение единичной мощности и освоение выпуска кластеров (модулей) из нескольких светодиодов может уже в самое ближайшее время кардинально изменить ситуацию с энергосбережением в осветительных установках. По оценке одного из самых крупных авторитетов мира в области светодиодов профессора С. Никамуры [6], массовое применение светодиодов ближайшего будущего (со световой отдачей до 150-200 лм/Вт) в общем освещении позволит США снизить долю потребления
Рисунок 1. Прогноз совершенствования параметров светодиодов.
электроэнергии в осветительных установках в 10 раз (с 30% до 3%).
Системы интеллектуального управления полупроводниковыми источниками света позволяют не только создавать различные динамические световые эффекты, но и изменять уровень потребления электроэнергии в зависимости от окружающей обстановки.
Главное достоинство светильников со светодиодами — возможность точного получения заданного светораспределения, с сильно ограниченным выходом света за освещаемую зону, что особенно важно в местах плотной застройки — для предотвращения засветки окон.
Легкость регулирования (темнения) светодиодов, что важно при поспеполуночном (сниженном) дорожном движении, и прекрасная совместимость светодиодов (в отличие от разрядных ламп) с фотоэлектрическими источниками питания может существенно снижать издержки по монтажу (особенно в удаленных местах) и отменять зависимость осветительной установки от сетевого электроснабжения.
В настоящее время в мире насчитывается немало пилотных уличных осветительных установок со светодиодами, как, например, в Гааге, Дубайе, Торонто, Нью-Йорке, нескольких немецких городах [7].
Сами производители светодиодов достаточно оптимистично оценивают актуальность уличного освещения со светодиодами. Так, по известному графику фирмы Cree Lighting (рис. 2) совокупные издержки на уличные осветительные установки со светодиодами и с НЛВД уже через 2—2,5 года с начала их параллельной эксплуатации становятся
174 5 2009
одинаковы и в дальнейшем относительное преимущество осветительных установок со светодиодами по этому показателю непрерывно растет [7].
По данным уже проведенных российскими учеными исследований [8], применение светодиодных технологий для общего уличного освещения микрорайонов г. Москвы является экономически оправданным. Ожидаемый потенциал энергосбережения — до 75%. Данное направление в энергосберегающих программах городов и населенных пунктов необходимо развивать с целью наиболее активного и повсеместного внедрения светодиодного освещения.
Важно также подчеркнуть, что светодиоды по своим параметрам (спектральному составу излучения, яркости, светораспределению, единичной мощности, размерам, питанию постоянным током низкого напряжения и др.) принципиально отличаются от всех известных источников света. Их применение не предусмотрено действующими норма-
S
2
£
а
£<
S3
«ч I§
с S >- =£ 2 о
т
О
О
1400
1200
1000
800
600
400
200
/ /
/ / __х_
-
/
2006 2008 2010 2012 2014 Год
Рисунок 2. Долговременное сравнение совокупных издержек на уличное освещение со светодиодами и с разрядными лампами высокого давления. 1 — светодиоды; 2 — разрядные лампы.
тивными документами (СанПиН, СНиП, стандартами, как отчественными, так и зарубежными). В этой связи в качестве подготовки к массовому применению светодиодов необходимо:
разработать и стандартизировать методы фотометрии и колориметрии светодиодов;
осуществить подготовку специалистов в этой области;
провести большую разъяснительную работу среди специалистов и населения;
разработать серии разнообразных осветительных установок со светодиодами.
Таким образом, наряду с работами по совершенствованию характеристик и освоению сверхмас-сового производства самих светодиодов необходимо осуществить большой комплекс сопутствующих работ, без которых будет невозможно добиться требуемого крупномасштабного энергосбережения.
Реально всего этого можно добиться, в частности, осуществляя жесткий контроль энергоэффективности еще до утверждения проектов осветительной установки и при приемке их в эксплуатацию.
Список литературы
1. Бражникова Л.В., Карачев В.М. Освещение улиц городов. Новости светотехники. Аналитический
обзор отечественной нормативной документации по наружному утилитарному освещению; Под ред. Ю.Б. Айзенберга. — М.: Дом Света, 2000. 36 с.
2. СНиП 23-05-95* . Естественное и искусственное
освещение. — М: ГУП ЦПП, 2003. — 54 с.
3. Бражникова Л.В., Шмаров И. А. Учет скорости движения автотранспорта в современной концепции наружного освещения, «Вестник отделения строительных наук РААСН» № 13, том 2, 2009.
4. Справочная книга по светотехнике./ Под ред.
Ю. Б. Айзенберга — 2-е изд., перераб. и доп.
— М.: Энергоатомиздат, 1995.- 528 с.
5. Справочная книга по светотехнике./ Под ред.
Ю. Б. Айзенберга — 3-е изд., перераб. и доп.
— М.: Знак, 2006 — 972 с.
6. Айзенберг Ю.Б. Энергосбережение — одна из
важнейших проблем современной светотехники. Светотехника, 2007, вып. 6, с. 6-10.
7. О светодиодном освещении улиц. Светотехника,
2007, вып. 6, с. 79-81.
8. Титова Г.Р., Гужов С.В. Светодиодные техноло-
гии в уличном освещении городов. Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России: Пленарные доклады, материалы Юбилейной международной научно-технической конференции, Казань, 12-14 дек., 2006. Казань: КГЭУ. 2007, с. 76-78.
