Ноя
2016
Оценка экономичности различных систем искусственного и естественного освещения
1 Ноя 2016

1. Введение
Освещение зданий, искусственное (электрическое) или естественное, – вид сервиса, обязанный соответствовать общим энергетическим требованиям к зданиям. В данной работе, однако, энергопотребления систем отопления и кондиционирования мы не касаемся, а рассматриваем только энергопотребление систем искусственного освещения, считая, что естественное освещение свободно от потребления электроэнергии.
За последние десять лет много внимания уделялось поиску оптимальных решений по эффективному использованию естественного света. Можно констатировать, что несмотря на определенный успех в привлечении внимания к данной проблеме, не удалось мотивировать владельцев зданий на внедрение соответствующих оригинальных конструктивных решений. Основная причина этого заключается в том, что введение естественного света глубоко внутрь здания требует определенных затрат, сроки окупаемости которых достаточно велики. Экономия электроэнергии благодаря применению естественного света в офисном здании редко превышает 1 €/год на 1 м2 площади пола, или менее 5 €/год на 1 м2 площади светопроёмов.
Следует заметить, что подобные экономические оценки, совершенно не учитывают того, что через светопроёмы в помещения проникает значительно больше света, чем это учитывается в соответствии с нормативами, а поступающее излучение характеризуется более высоким качеством спектра. В этой связи, было бы правильнее учитывать всё количество естественного света, проникающего через светопроёмы, а не только приходящееся на те часы в году, когда уровни естественного освещения превышают минимально требуемые.
Кроме того, мы считаем, что было бы полезно проводить долговременное сравнение разных осветительных систем на основе оценки суммарных затрат (эксплуатационных и капитальных), например, за полный срок эксплуатации зданий.
Данная работа имеет целью представить информацию о светотехнических характеристиках различных систем освещения и соответствующих капитальных и эксплуатационных затратах в течение долгого периода времени лицам, принимающим решения.
2. Оценка светового потока, производимого той или иной системой освещения
Сравнение разных систем естественного освещения осложняется тем, что они в разной степени способны вводить и распределять свет внутри помещения. Фонари верхнего света и потолочные светильники распространяют свет сверху, и уровни освещённости от них падают с увеличением расстояния. Фасадные светопроёмы и межкомнатные, расположенные наверху стеновых перегородок дают очень неравномерное распределением освещённости. Максимальные значения освёщенности характерны для зон вблизи светопроёмов, и по мере удаления от них освещённость резко снижается, так же резко меняются и углы падения излучения на рабочую поверхность (РП).
В дальнейшем, чтобы не рассматривать распределения освещенности по РП, мы будем оперировать понятиями «средняя освещенность» на РП и «полный световой поток, падающий на РП». При этом отношение светового потока, достигающего РП, к выходному световому потоку системы освещения, есть не что иное как коэффициент использования (U):
U = Φрп /Φоу,
где Φрп – световой поток, падающий на РП, лм; Φоу – световой поток, проникающий в помещение через светопроёмы или создаваемый светильниками, лм.
Удобство использования U заключается в том, что этот параметр в первом приближении не зависит ни от отношения площади светопроёмов к площади пола, ни от числа светильников в помещении. Это позволяет при сравнении проектных решений упрощать анализ и не учитывать габаритные размеры помещений.
Таким образом, мы предлагаем проводить сравнение световых решений на основе оценки общей годовой световой энергии, приходящей на РП, т.е. произведение светового потока (лм), падающего на РП, и длительности освещения (ч). Так как предлагаемая величина рассчитывается для годового периода, то количество света, предоставляемого световой системой будет выражено в лм*ч/год.
Как упоминалось выше, при таком подходе учитывается весь свет, падающий на рабочую поверхность, без учета того, создаются ли уровни освещенности выше или ниже требуемых нормами уровней. Мы также принимаем в расчет всё время от рассвета до заката (в действительности – часы, когда наружная горизонтальная освещенность превышает 500 лк). Иными словами, мы рассматриваем период времени, который не совпадает с графиками работы компаний и учреждений. Различие между этими временными периодами наиболее выражено для высоких широт, где существенная доля естественного света не используется летом, так как там бывает светло очень рано и очень поздно. Для того, чтобы свести к минимуму ситуации, при которых естественный свет проникает в здание в чрезмерно больших количествах, мы ограничили площадь светопроёмов разумной величиной, которая соответствовала бы освещаемой рабочей площади.
3. Методика вычислений
Все вычисления были выполнены с использованием программы светового моделирования Lightscape. Модели светопроёмов строились путем преобразования распределения яркости небосвода в фотометрическое тело светильников. Такой метод признан допустимым МКО. Моделирование световодных систем и световых колодцев осуществлялось с помощью программы GENELUX.
Все расчёты естественного освещения проводились для светового климата города Лиона (Франция). Исходные данные брались из европейской базы данных естественного и солнечного света, называемой SATEL-LIGHT (www.satel-light.com). Для систем, устанавливаемых на крыше, световых колодцев и световодных систем значения наружной общей освещенности (от небосвода и Солнца) рассчитывались на приёмной плоскости коллектора. Средняя годовая общая горизонтальная освещенность для г. Лиона составляет 30 000 лк для часов, когда наружная горизонтальная освещенность превышает 500 лк (4483 ч/год). Это соответствует годовой световой энергии в 134,5 Mлм*ч/год. Для вертикальных светопроёмов, которые принимались обращёнными на север, учитывались только рассеянное освещение и затеняющие препятствия (высотой до 20°). Для этих условий средняя освещенность составляла 7300 лк для того же количества часов (4483 ч/год). Те же исходные допущения были приняты для светопроёмов, расположенных на крыше. При этом предполагалось, что, как правило, они оснащаются солнцезащитными жалюзи, которые управляются оптимальным образом. Все упомянутые допущения являются типовыми для программ моделирования.

Таблица 1.
Сравнительные характеристики систем искусственного освещения

Таблица 1. Сравнительные характеристики систем искусственного освещения

Комментарии результатов: вполне закономерно, что экономичность освещения с ЛН намного хуже, чем с ЛЛ. Светодиодное освещение пока не очень экономично, но всё же экономичнее освещения с ЛН. Учитывая, что эта технология бурно развивается и прогнозируется снижение стоимости одного люмена втрое, СД со временем сравняются по экономичности с ЛЛ.

 
Оценки затрат строились на данных профессиональных организаций о стоимости монтажа одного светильника (которая включала в себя стоимость работ по обеспечению электрического питания и установки светильника с лампой). При оценке систем естественного освещения учитывалась стоимость установки окон и других компонентов.
Все результаты приводились к годовым, а срок службы вертикальных светопроёмов составлял 50 лет. Срок службы фонарей верхнего света принимался равным 20 годам, а светопроёмов на крыше – 30. Предполагалось, что оптические компоненты световодных систем заменяются раз в 30 лет. Для систем искусственного освещения срок службы светильников принимался равным 20 годам, и учитывалась стабильность характеристик ламп и затраты по их замене.
4. Результаты
Ниже представлены характеристики и некоторые экономические оценки различных систем освещения. В первую очередь приведены эксплуатационные затраты (€/год) в расчете на обеспечение некоторой годовой световой энергии (Mлм.ч/год).
Установки с лампами накаливания
Устаревшая система, редко используемая в офисном освещении. Имея низкую световую отдачу (15 лм/Вт) и непродолжительный срок службы (1500 ч), лампы накаливания привлекают в основном низкой стоимостью (система ЛНС).
Встраиваемые светильники
Стандартная экономичная система искусственного освещения. В Европе, в основном, используются светильники, содержащие по 2 ЛЛ Т8 длиной 1,2 м или по 3 ЛЛ мощностью 18 Вт. Наши оценки выполнялись для 2-ламповых светильников с ЛЛ длиной 1,2 м.
Хотя искусственное освещение в офисах используется около 2500 ч в год, в наших расчетах мы полагали, что оно используется в течение всего светового дня. В этом случае время работы составляет 4483 ч в год. В это число входят и часы, когда наружная общая горизонтальная освещенность превышает 500 лк (см.: www.satellight.com). Такое допущение безусловно приводит к снижению срока службы системы освещения и увеличению частоты замены ламп. Но вместе с тем оно существенно упрощает сравнение с системами естественного освещения, так как в расчет принимается весь естественный свет, поступающий в дневное время. Кроме того, отпадает необходимость учитывать различия в расписаниях эксплуатации зданий (система ЛЛС1).
Светильники прямогоотраженного света с люминесцентными лампами
Применение таких светильников – тенденция в освещении офисов. Это освещение характеризуется повышенным зрительным комфортом. По сравнению с потолочными встраиваемыми светильниками эта система характеризуется большими капитальными затратами. Пониженная световая эффективность частично компенсируется преимуществами неравномерного распределения света, с более высокими уровнями освещенности на рабочих столах. В итоге значения коэффициентов использования двух указанных видов светильников близки друг к другу (система ЛЛС2).
Потолочные светильники со светодиодами
Это пока ещё новое решение, которое может стать стандартным в ближайшие 5 лет, благодаря быстрому совершенствованию светодиодов (СД): повышению световой отдачи, улучшению спектральных характеристик и снижению стоимости. Долгий срок службы и высокие капитальные затраты несколько изменяют подход к оценке экономичности этой системы. Для наших оценок мы считали, что световая отдача СД составляет 50 лм/Вт, вдвое меньше достигнутой для некоторых современных белых светодиодов (система СДС).
Фонари верхнего света
Такие фонари широко применяются в производственных и торговых зданиях. Они дёшевы и обычно занимают 4-8% общей площади крыши (рис. 1 и табл. 2). Во Франции минимальное относительное отверстие составляет 1% для обеспечения дымохода в случае пожара. Как правило, фонари накрываются панелями из поликарбоната, что приводит к некоторому снижению светопропускания. Из-за горизонтальности плоскости входного отверстия эти фонари легко загрязняются, что также ведет к снижению их светопропускания. Для более равномерного распределения освещенности внутри здания фонари равномерно распределяют по крыше.

Таблица 2.
Характеристики фонаря (для площади S = 1м2)

Таблица 2. Характеристики фонаря (для площади S = 1м2)

Комментарии результатов: как видно из таблицы, стоимость освещения невелика. Это объясняется как низкой стоимостью самого фонаря, так и тем, что горизонтальная входная поверхность захватывает почти в 3 раза больше света, чем вертикальная. Для крупного здания, высота помещений в котором существенно меньше их горизонтальных размеров, коэффициент использования U = 0,8 – вполне характерен для больших зданий с высотой потолков, много меньших размеров помещений. Важно отметить, что стоимость доставляемого (на РП) светового потока ниже, чем при освещении с ЛЛ.

Рис. 1. Конструкция фонаря верхнего света

Рис. 1. Конструкция фонаря верхнего света

 
Фасадные и межкомнатные светопроёмы
Вертикальные окна – стандартная система естественного освещения в офисных зданиях. Светопроёмы обеспечивают зрительный контакт с внешним миром и вводят большое количество естественного света, так как соотношение площади светопроёмов к площади помещений достаточно велико. В нашем анализе мы рассматривали только окна, обращёные на север, чтобы не усложнять ситуацию затратами, связанными с обслуживанием солнцезащитных систем. В качестве характеристики сравнения мы использовали световой поток, падающий на РП. Большее количество света вблизи светопроёмов компенсирует, как мы полагали, дефицит света в глубине помещения. В расчётах мы учитывали полный световой поток, идущий от небосвода (а не от Солнца), а также препятствия высотой до 20° (коэффициент отражения земли и препятствий принимался равным 20%). Для светоклиматических условий г. Лиона при препятствиях, не превышающих 20°, в то время, когда наружная горизонтальная освещенность превышает 500 лк (4483 ч/год), средняя вертикальная освещённость на окнах, обращённых на север, составляет 7300 лк. Для этих условий было рассчитано внутреннее распределение освещённости.
Межкомнатные окна используются для ввода естественного света в смежные помещения. Эти светопроёмы устраиваются в верхней части межкомнатных перегородок. Для тех же условий наружного освещения мы рассчитали естественную освещённость в верхней части перегородок, а затем – световой поток, попадающий в смежную комнату (2, табл. 3 и 4).

Таблица 3.
Данные для расчёта естественного освещения в помещениях 1 и 2

Таблица 3. Данные для расчёта естественного освещения в помещениях 1 и 2

Таблица 4.
Данные для расчёта параметров межкомнатного окна

Таблица 4. Данные для расчёта параметров межкомнатного окна

Комментарии результатов: стоимость светового потока, проникающего через вертикальные светопроёмы почти в три раза выше, чем для системы с фонарями верхнего света. Главная причина – в меньшем проникновении естественного света (от 1 до 2,5 раз для рассеянного света и от 1 до 5 раз с учётом прямого солнечного света), а коэффициент использования света, проникающего через вертикальный светопроём, почти в два раза меньше, чем в системе с потолочными светильниками. Мы также предположили, что срок службы вертикальных светопроёмов составляет 50 лет, а срок службы фонарей вехнего света – 20 лет. Была также упрощена процедура оценки эксплуатационных расходов для системы с фасадными светопроёмами, мы пренебрегли расходами на мытьё стекол и замены уплотнений и стекла. Учёт этих затрат привел бы к повышению удельной стоимости данного естественного освещения на 30%.
Для системы освещения через межкомнатные окна расчёты показывают, что вводимое количество света очень мало по отношению к капитальным затратам. Стоимость светового потока почти в 30 раз выше, чем для системы с фасадными светопроёмами. В этой связи светоотражающие материалы, расположенные в верхней части боковых светопроёмов, могут существенно повысить эффективность системы, так как они сильно увеличивают освещённость на межкомнатном окне. Но дополнительные затраты должны быть малы, в 3 раза ниже стоимости межкомнатного окна (70 €/м2 против 250 €/м2).

Рис. 2. Параметры фасадного и межкомнатного светопроёмов (помещения 1 и 2)

Рис. 2. Параметры фасадного и межкомнатного светопроёмов (помещения 1 и 2)

 
Световодные системы естественного освещения
Световодные системы естественного освещения содержат линейные устройства, канализирующие естественный свет в здание. Эти системы детально изучены группой экспертов в рамках работы МКО. Они содержат световод с устройством захвата естественного света с наружной стороны и устройство перераспределения света внутри помещения – с внутренней. Как правило, вводное устройство на крыше и внутреннее помещение соединены с помощью вертикальной трубы. Внутренняя поверхность трубы покрыта высоко отражающим материалом. Современные плёночные отражающие материалы позволяют эффективно переносить естественный свет на расстояния, в 20 раз превышающие диаметр световода (рис. 3, табл. 5).

Таблица 5.
Характеристики трубчатой световодной системы естественного освещения

Таблица 5. Характеристики трубчатой световодной системы естественного освещения

Анализ результатов: расчёты показывают, что световодные системы могут быть в 3 раза дешевле систем с межкомнатными окнами при вводе естественного света на глубину одного этажа. Стоимость световодной системы сильно зависит от стоимости переоборудования крыши, устройства водоотвода и противопожарных перегородок вдоль световода. Эти конструкции могут составлять половину стоимости всей системы. Стандартные световодные системы имеют трубы небольшого диаметра, и поэтому величина вводимого светового потока ограничена. Световой коллектор же, как правило, расположен на крыше, поэтому общая эффективность системы получается достаточно высокой: в среднем 40% захваченного светового потока доходит до конечного рассеивателя, расположенного на расстоянии в 10-20 диаметров световода. Система позволяет доставлять свет в самые тёмные уголки зданий. Наконец, потенциал снижения стоимости таких систем достаточно велик.
Мы принимали, что срок службы световодной системы составляет 30 лет; и это касается только оптической части, но не перегородок и водоотводов на крыше. Принимавшаяся нами стоимость замены световодной трубы достигает 600 € или 800 € (с учетом работы), и за счет уменьшения этой составляющей можно существенно повышать экономичность всей системы.

Рис. 3. Световодная система естественного освещения

Рис. 3. Световодная система естественного освещения

 
Световой колодец
Здесь мы рассматриваем световой колодец, специально спроектированный и построенный для конкретного здания. В отличие от световода, это нестандартный продукт. Повышенных усилий требует постройка стенок колодца и покрытие их отражающей краской. На верху колодца устанавливается стеклянная пирамида с алюминиевой рамой (рис. 4, табл. 6).

Таблица 6.
Характеристики светового колодца

Таблица 6. Характеристики светового колодца

Анализ результатов: обходится данная система освещения в 4 раза дороже световодной системы. Главная причина этого – меньшая эффективность световодного канала, так как, можно считать что концевые потери обеих систем практически одинаковы. Кроме того, под устройство светового колодца нужна достаточно большая площадь, что не всегда возможно. Наконец, в долговременном плане световой колодец довольно дорог и в обслуживании, и в модернизации.

Рис. 4. Световой колодец

Рис. 4. Световой колодец

 
Светопроём на крыше
Данный способ ввода естественного света в здания мы также рассмотрим, хотя он и используется в основном в мансардах жилых зданий. Анализировать естественное освещение жилых зданий достаточно сложно из-за иного режима их использования. Тем не менее, мы провели оценку освещения помещений, находящихся непосредственно под крышей. Прямое солнечное излучение в расчет не принималось по несколько иным, чем для фонарей верхнего света, причинам: 1) остекление не рассеивает свет; 2) для экранирования прямого солнечного света используются шторы; 3) проникновение солнечного света создает очень высокие локальные уровни освещенности, которые нельзя усреднять по всему помещению (табл. 7).

Таблица 7.
Характеристики светопроёма на крыше

Таблица 7. Характеристики светопроёма на крыше

Анализ результатов: как и предполагалось, освещение, получаемое с помощью светопроёмов, устроенных в кровле, дороже, чем с фонарями верхнего света. Причины этого – в учёте лишь света небосвода и в более высокой стоимости квадратного метра светопроёма.
Вместе с тем, в долговременной перспективе это – экономически целесообразное решение, более дешёвое, чем системы искусственного освещения.

 
Светодиоды, питаемые от фотоэлектрических панелей
Большая часть автономных систем освещения питается от фотоэлектрических (солнечных) панелей, генерирующих электроэнергию, и аккумуляторных батарей, её запасающих. Здесь мы рассматриваем систему без аккумуляторных батарей, в которой источники света прямо питаются от фотоэлектрических панелей через регуляторы мощности постоянного тока. Такие системы сейчас разрабатываются для питания СД. Освещение такими светодиодными системами близко по параметрам к освещению, создаваемому световодными системами естественного освещения. И в том и в другом случае свет внутри синхронизирован с условиями наружного освещения. Но перенос энергии осуществляется по электрическим кабелям, а свет генерируется СД. Назначение системы – поставлять свет в глубь здания. Параметры освещения помещений зависят от параметров естественного света снаружи. Ночью данная система не работает (рис. 5, табл. 8).

Таблица 8.
Характеристики светодиодной системы, питающейся от фотоэлектрических панелей

Таблица 8. Характеристики светодиодной системы, питающейся от фотоэлектрических панелей

Анализ результатов: при нынешних ценах на СД и фотоэлектрические панели данное решение – наиболее дорогое. Но с эволюцией стоимости и характеристик этих полупроводниковых продуктов эта система будет все успешнее конкурировать со световодными системами.
К сожалению, еще долго излучение СД будет уступать по качеству естественному свету.

Рис. 5. Испытания системы освещения со светодиодами, питающимися от фотоэлектрических панелей, в Национальной технической школе коммунального хозяйства, Лион, Франция

Рис. 5. Испытания системы освещения со светодиодами, питающимися от фотоэлектрических панелей, в Национальной технической школе коммунального хозяйства, Лион, Франция

 
5. Общие принципы освещения зданий
Весьма заманчиво было бы использовать результаты наших расчётов в качестве основы рекомендаций по строительству зданий, потребляющих минимальное количество электроэнергии на освещение.
Очевидно, что помещения, расположенные вблизи оболочки зданий (у фасадов или под крышей), наиболее эффективно могут использовать естественный свет, проникающий через соответствующие светопроёмы. При устройстве фонарей верхнего света необходимо предусматривать солнцезащитные конструкции. Но даже вместе с этими дополнительными затратами системы с такими фонарями остаются экономически целесообразными.
Световодные системы полезны для ввода света в помещения, находящиеся в глубине здания. Но начиная с определенных расстояний от оболочки зданий, экономически оправданными становятся светодиодные системы, питающиеся от фотоэлектрических панелей (рис. 6).

Рис. 6. Концепция конструкции здания, в котором используются экономически наиболее эффективные системы естественного освещения. а) – базовый вариант. б) – вариант с использованием систем ввода естественного света в глубь здания: световодных и светодиодных, питаемых от солнечных панелей

Рис. 6. Концепция конструкции здания, в котором используются экономически наиболее эффективные системы естественного освещения. а) – базовый вариант. б) – вариант с использованием систем ввода естественного света в глубь здания: световодных и светодиодных, питаемых от солнечных панелей

 
В зданиях будет использоваться в основном искусственное освещение светильниками с ЛЛ, управляемое с учётом количества поступающего внутрь естественного света. ЛН больше не будут применяться, а для акцентирующего освещения будут использоваться светильники с СД (рис. 7, 8).

Рис. 7. Удельные годовые амортизационные отчисления (Са) для различных систем искусственного и естественного освещения

Рис. 7. Удельные годовые амортизационные отчисления (Са) для различных систем искусственного и естественного освещения

Рис. 8. Различные системы искусственного и естественного освещения и их экономические показатели (в евро)

Рис. 8. Различные системы искусственного и естественного освещения и их экономические показатели (в евро)

 
В зданиях, соответствующих указанным принципам, необходимые условия освещения выполняться будут только тогда, когда внешние светоклиматические условия превышают некоторый порог. Пороговое значение горизонтальной «рассеянной» освещенности может составлять от 6000 до 10 000 лк. В г. Лионе (Франция) эти значения обеспечиваются, соответственно, в 80 и 66% случаев в период между восходом и закатом Солнца.
Заключение
Эта работа выполнена с целью получения данных для создания новых энергоэффективных систем освещения. Мы стремимся открыть дискуссию о необходимости оценки стоимости той или иной системы освещения.
Очевидно, что такого рода данные сильно зависят от исходных допущений: в частности, тот факт, что мы рассматривали «дневной период», а не рабочее время офисного здания, значительно сглаживает различия, обусловленные разными светоклиматическими условиями. Кроме того, мы оперировали такими понятиями, как срок службы систем, капитальные затраты, эксплуатационные расходы, которые могут сильно отличаться в разных проектах. Поэтому мы настоятельно рекомендуем читателям тщательно проверять обоснованность тех или иных допущений и параметров. Во многих случаях подобные уточнения легко вносимы, так как для большинства статей затраты пропорциональны входному значению световой энергии.
Мы сознаём ограниченность нашей модели, где учитывается весь естественный свет, независимо от его интенсивности или времени дня. На следующем этапе можно было бы точнее учитывать естественное освещение в рабочие часы здания. Следствием этого было бы увеличение ресурса искусственных систем освещения с учётом используемой системы естественного освещения. Другим полезным уточнением может быть учет энергетических затрат, связанных с производством, транспортированием и установкой тех или иных изделий.
В то же время, мы считаем, что проведенная работа дала несколько результатов, которые не зависят от будущих уточнений:
1. Светопроёмы в оболочке зданий экономически целесообразны, особенно, если они долговечны и не трудоёмки в обслуживании.
2. Системы естественного освещения, которые вводят свет в глубь зданий, как правило, экономически неэффективны (кроме случаев, когда в них используются стандартные промышленные элементы с высокими оптическими свойствами и лёгкие в обслуживании) и собирают свет непосредственно у оболочки зданий.
3. Осветительные установки с ЛН при непрерывной эксплуатации обходятся очень дорого и нуждаются в замене на установки с ЛЛ или СД.
4. В зависимости от эволюции рабочих характеристик и стоимости СД и фотоэлектрических панелей они могли бы шире использоваться в осветительной практике, в том числе в вариантах с непосредственным питанием СД от фотоэлектрических панелей.