Общее освещение административных помещений с применением светодиодов

благоприятная среда жизнедеятельности человека

Общее освещение административных помещений с применением светодиодов

A.M. Текшева, И.А. Шмаров, Л.В. Бражникова

Экономии электроэнергии уделяется повышенное внимание в связи с ростом энергопотребления и необходимости строительства новых электростанций. Рост цен на энергоносители продолжает оставаться одной из главных проблем экономики. Считается, что около 20% электроэнергии, вырабатываемой во всем мире, приходится на освещение.

Экспертами подсчитано: если в жилых помещениях стран Евросоюза заменить традиционные лампы накаливания энергосберегающими светодиодными лампами, можно сэкономить почти 80 миллиардов кВтч. Это соответствует производству электроэнергии 70 средними электростанциями.

В области энергосберегающего освещения помещений существенную экономию могут обеспечить светодиоды (рис.1). Светодиоды, предназначенные для применения в освещении — это мощные источники света, которые по таким параметрам как световой поток (лм), световая отдача (лм/Вт), индекс цветопередачи и надежность не уступают, а зачастую и превосходят традиционные источники света, используемые в осветительных приборах. Эффективность и надежность таких источников света достигла уровня, позволяющего использовать их в освещении самых разных объектов: жилых помещений, офисов, подземных пешеходных переходов и автомобильных парковок, садово-парковом освещении, уличном освещении, освещении общедомовых помещений, аварийном и архитектурном, витринном и рекламном освещении.

При новом строительстве внедрение светодиодных светильников осуществляется на стадии проектирования объектов. При реконструкции осветительных установок необходимо доказывать экономическую эффективность замены освещения и оп-

ределять срок окупаемости такой реконструкции за счет экономии электрической энергии. Светодиоды в светильниках могут применяться в виде кластеров, светодиодных линеек, а в некоторых случаях в виде единичных источников света (рис.1). Осуществлены разработки по созданию из светодиодов сборки, имитирующей трубчатые люминесцентные лампы (фирма Ор1одип), а так же имитирующей лампы накаливания с цоколем Е27, как показано на рис. 2. Миниатюрный блок питания, как и в случае компактных люминесцентных ламп, располагается в цоколе лампы.

Современные мощные светодиоды белого света потребляют электроэнергии в 10 раз меньше ламп накаливания и в 2 раза меньше, чем стандартные люминесцентные лампы Т8. Их световая отдача в 2009 году превысила световую отдачу компактных люминесцентных ламп и новых люминесцентных ламп Т5. И, в отличие от люминесцентных ламп, чья световая отдача достигла максимально возможных величин, световая отдача светодиодов продолжает расти и может в ближайшие годы удвоиться (рис. 3). Другой важной экономической характеристикой источников света является срок службы. Если срок службы лампы накаливания — около 1000 часов, люминесцентной лампы — около 15000 часов, то срок службы светодиодных источников света сегодня составляет 50000 часов и в ближайшие годы может вырасти до 100000 тысяч часов. Применение светодиодных источников света обеспечивает экономию как электроэнергии, так и затрат по эксплуатации осветительных приборов.

Современные светодиодные светильники позволяют достичь существенной экономии электроэнергии по сравнению с традиционными источниками

Рисунок 2. Светодиодные источники света фирмы Philips, выполненные в форме ламп накаливания общего назначения с патроном Е27 для замены в светильниках с лампами накаливания

благоприятная среда жизнедеятельности человека

250 200

V

Рисунок 3. Световая отдача различных источников света, лм/Вт

света — лампами накаливания (до 90%) и люминесцентными лампами (свыше 40%). Они практически не нуждаются в обслуживании, что значительно снижает эксплуатационные расходы, особенно в труднодоступных для замены ламп местах.

Кроме того, эти светильники обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционно используемыми изделиями: высокая эффективность, высокое качество света, отсутствие в спектре ультрафиолетового излучения (как в люминесцентных и галогенных лампах), малые габариты источника света, отсутствие опасности возникновения пожара или взрыва, отсутствие вредных веществ, электрическая безопасность и т.д. Высокая управляемость и быстродействие светодиодов позволяет создавать системы интеллектуального управления освещением, управляющие потреблением электроэнергии в зависимости от изменения внешних условий (уровня освещенности, наличия людей в зоне освещения и т.п.). Это обеспечивает дополнительно до 70% экономии электроэнергии в помещениях со смешанным освещением, либо в уличном освещении. В случае аварийного отключения электроэнергии возможно длительное (до нескольких часов) обеспечение бесперебойного освещения от малогабаритных встроенных аккумуляторных батарей. Возможна также интеграция систем звукового оповещения, управляемых от систем охранной и пожарной безопасности. Характеристики светодиодов постоянно совершенствуются (рис. 4).

Особое значение имеет экологичность свето-диодов и их компактность. Они не требуют высокого напряжения питания, не имеют бьющихся частей, что обеспечивает устойчивость к вибрации и ударам. Светодиоды не содержат ртути, в отличие от разрядных источников света: люминесцентных ламп (ЛЛ), компактных люминесцентных ламп (КЛЛ), дуговых ртутных ламп (ДРЛ), металлогало-генных ламп (МГЛ), натриевых ламп высокого давления (НЛВД). Это означает, что для светодиодов

не надо создавать заводы по утилизации ламп, что даст дополнительный экономический эффект от применения светодиодов. Время достижения максимального значения светового потока после включения у светодиодов составляет наносекунды, в то время как у разрядных источников света несколько минут. На основе светодиодных кластеров можно создавать источники света с необходимой диаграммой направленности.

В таблице 1 приведены характеристики лучших светодиодов фирм и NICHIA (Япония) и CREE (США).

Обращает на себя внимание заполненность светодиодного спектра по сравнению с выраженной линейчатостью (полосностью) спектра люминесцентных ламп, что свидетельствует о биологической целесообразности спектрального распределения светодиодов, которая определяется по приближенности к спектру естественного освещения.

В нашей стране в настоящее время, несмотря на острые проблемы, связанные с энергоснабжением, светодиоды еще не получили широкого распространения. Это связано не только с отсутствием специальных исследований о возможности широкомасштабного использования светодиодов, но и с действующими нормативными документами. В Санитарных правилах и нормах [1], а так же в Строительных нормах и правилах «Естественное и искусственное освещение» [2] для общего и местного освещения регламентируется только использование люминесцентных ламп и ламп накаливания.

Недостаточно исследованы и гигиенические аспекты применения светодиодных источников света в системах искусственного освещения.

Специалистами НИИСФ РААСН совместно со специалистами НЦЗД РАМН и НТЦ УП РАН были созданы экспериментальные установки с люминесцентными и светодиодными светильниками и проведены исследования светотехнических параметров и психофизиологического воздействия светодиодного освещения на организм человека с целью опреде-

Световая

— отдача(лм/Вт) Срок

службы(тыс.ч) Мощность лампы(ВТ) Индекс

— цветопередачи

2002

2007

2010

2020

Рисунок 4. Развитие светотехнических характеристик светодиодов

благоприятная среда жизнедеятельности человека

Тип Мощность P, Вт Световой поток, Ф, лм Координаты цветности Индекс цветопередачи, Ra

x y

NICHIA NCSL119-H3 1,155 130 0,370 0,373 B0

NICHIANC6W1B3-H3 2,45 195 0,344 0,355 B5

XPEWHT-L1-5B4-04-0-03 1,0 107 0,37BB 0,37B3 B0

Таблица 1. Характеристики наилучших светодиодов для освещения

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

0,1 0

300 350 400 450 500 550 600 650 700

ления возможности применения светодиодного освещения для общего освещения в жилых, общественных, промышленных зданиях и сооружениях.

Сравнительная гигиеническая оценка общего искусственного освещения с использованием светодиодов и люминесцентных разрядных источников света проведена в экспериментальных условиях.

Для решения поставленных задач экспериментальные исследования были проведены в специально организованном блоке помещений общей площадью 70,5 м2. В блок экспериментальных помещений входят 4 помещения:

— раздевалка, хранение экспериментальной документации, пребывание экспериментаторов в свободное от обследований время;

— помещение для обследований (тестирование психофизиологического и функционального состояния добровольцев-волонтеров);

— экспериментальное помещение с общим ис-

Рисунок 5. Плотность спектрального распределения потока светодиода CREE XPEWHT-L1-5B4-Q4-0-03 мощностью 1 Вт и люминесцентной лампы OSRAM Lumilux L 18/41-840 мощностью 18 Вт 750 800 850 900

кусственным освещением с использованием светодиодов;

— экспериментальное помещение с общим искусственным освещением с использованием люминесцентных ламп (контрольные условия).

Естественное освещение в экспериментальных комнатах исключено с помощью светонепроницаемых штор. Подвесной потолок со световыми приборами смонтирован в обоих помещениях на высоте 3,2 м от уровня пола.

Требования к установке искусственного освещения со светодиодами и с люминесцентными лампами были установлены самые жесткие, какие могут предъявляться к помещениям санитарным нормативным требованиям, представлены в таблице 2.

Контрольное и экспериментальное помещения практически одинаковой площади (люминесцентное освещение и светодиодное) оборудованы тремя рабочими местами для размещения добровольцев-

Spatial radiation pattern

458 3 2G1G

благоприятная среда жизнедеятельности человека

Наименование показателя Значение

Освещенность, лк 400 +/- 10%

Плоскость нормирования, м 0,8

Показатель дискомфорта < 15

Коэффициент пульсаций светового потока < 10

Коррелированная цветовая температура, градусы К 3500-4500

Таблица 2. Параметры общего искусственного освещения

волонтеров, выполняющих зрительную работу с умственной компонентой (работа корректорского типа с дифференциацией знаков — I разряд зрительных работ).

Общий вид осветительных установок в контрольном и экспериментальном помещениях представлен на рисунке 6.

В контрольном помещении использованы световые приборы — восемь растровых светильников LIGHTINGTECHNOLOGIES ARS/R 2х18 с люминесцентными лампами с трехполосным люминофором типа OSRAM Lumilux +ECO L18/21-840.

Экспериментальное помещение было оборудовано двенадцатью светильниками со светодиодными светильниками Betalux 3 (в первом варианте) и Betalux 4 (во втором варианте).

Светодиодные светильники Betalux 3 имеют габариты, одинаковые с люминесцентными потолочными светильниками, встраиваемыми в подвесной потолок типа «Armstrong» с рассеивателем в виде металлической решетки.

Первые экспериментальные исследования выявили значительное тенеобразование на рабочих местах, что вызывало субъективную негативную оценку условий освещения работающими. Свето-распределение светильника Betalux 3 , представленное на рис. 7, выявило факт фокусировки светодиодного излучения внутри металлической ячейки решетки, что привело к тенеобразованию. В новой модификации Betalux 4 светильники были перекрыты микропризматическим рассеивателем. Новая модификация светильника Betalux 4 позволила снизить эффект тенеобразования до уровня, соответствующего люминесцентному освещению.

Сравнение светораспределения светильника Betalux 4 в продольной и поперечной корпусу светильника плоскостях, приведенной на рис.8. с кривой силы света (КСС) светильника с люминесцентными лампами, приведенной на рис.9 свидетельствует об их схожести, что определяет тождественную оценку условий освещения испытуемыми в конт-

Рисунок 6. Общий вед осветительных установок:

а) с люминесцентными светильниками в контрольном помещении;

б) со светодиодными светильниками в экспериментальном помещении

рольном и экспериментальном помещении. Измерение пульсации светового потока показало, что при люминесцентных лампах коэффициент пульсации составил 2%, при светодиодах — 0,2%.

Общая мощность осветительной установки в контрольном помещении с люминесцентными светильниками составила 288 Вт. Общая мощность осветительной установки в экспериментальном помещении со светодиодными светильниками — 156 Вт.

Освещенность рабочей поверхности в том и другом случаях составила 400-450 лк.

Удельная мощность осветительной установки с люминесцентными светильниками: wлл = 14,0 Вт/м2.

Удельная мощность осветительной установки со светодиодами:

w = 7,0 Вт/м2.

лл

То есть, использование в установках искусственного освещения светодиодных светильников вместо

благоприятная среда жизнедеятельности человека

Angular distribution of radiation

— Horizontal

Рисунок 7. Светораспределение (КСС) светильника Betaluxe 3 (решетчатый рассеиватель) со светодиодом

применяемых люминесцентных позволяет почти в два раза повысить энергоэффективность искусственного освещения, что позволяет успешно решать задачи энергосбережения.

Методика и результаты экспериментальных психофизиологических исследований, проведенные НЦЗД РАМН являются материалам отдельной публикации . Сравнительная светотехническая, гигиеническая и экономическая оценка общего искусственного освещения, организованного люминесцентными лампами и светодиодными источниками света, в экспериментальных исследованиях позволила сделать следующие выводы:

При организации светодиодного освещения, соответствующего нормативным требованиям (освещенность — 400 лк, показатель дискомфорта — не более 15 ед., коэффициент пульсации светового потока — менее 10%), выявлена необходимость разработки специальных световых приборов (светильников), эксплуатируемых со светодиодами.

Для создания равномерного освещения на рабочих местах в плане помещения и предотвращения дискомфортной габаритной яркости светильников в поле зрения рекомендуемая мощность каждого из установленных светодиодов не должна превышать 1 Вт, а выходное отверстие светильника должно перекрываться микролинзовым рассеива-телем.

. При нормативных показателях условий освещения: освещенность 400 лк, показатель диском-

Angular distribution of radiation

- Horizontal

Рисунок 8. Светораспределение (КСС) светильника Betaluxe 4 (матовый рассеиватель с микролинзами) со светодиодом

cd/klm

- -С0-С180 -С90-С270

Рисунок 9. Кривая светораспределения (КСС) светильников с люминесцентными лампами

форта — не более 15 ед., пульсация освещенности

— не более 10% — работоспособность взрослых людей при выполнении работы корректорского типа с дифференцировкой (преимущественно зрительная нагрузка с умственной компонентой) не зависит от используемых источников света — люминесцентных ламп или светодиодов.

Выявлено, что динамика ряда показателей пси-

460 3 2010

благоприятная среда жизнедеятельности человека

хофизиологического состояния работающих после полуторачасовой зрительной и умственной нагрузки имела положительную направленность, которая при светодиодном освещении была более выраженной, чем при люминесцентном, т. е. следует ожидать, что светодиодное освещение обеспечит более длительную продолжительность устойчивой работоспособности, чем традиционное люминесцентное освещение.

Результаты исследований позволяют рекомендовать применение светодиодов в системах общего освещения в помещениях, для которых характерно выполнение работ со зрительной и умственной нагрузкой, требующих напряжения нервной системы, организма в целом, т.е. в административных и общественных зданиях различного целевого назначения, предназначенных для взрослых пользователей.

Результаты экспериментальных исследований, свидетельствующие о более благоприятном воздействии на организм человека светодиодных источников света по сравнению с люминесцентными лампами, можно объяснить меньшей пульсацией светового потока и более целесообразным с биологических позиций спектра излучения.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о возможности применения светодио-дов в системе общего искусственного освещения в общественных зданиях, где выполняется напряженная зрительная и умственная работа: административные здания, банки, учреждения высшего образования, научно-исследовательские институты и т.п.

Так как в экспериментальных исследованиях функциональной нагрузкой служила зрительная нагрузка наивысшей точности (I разряд зрительных работ), результаты полученных исследований говорят и о преимуществе светодиодов по сравнению с люминесцентными лампами и целесообразности их применения в промышленных зданиях, где в настоящее время применяются только люминесцентные лампы.

Светодиоды позволят заменить лампы накаливания практически во всех областях, включая взрывоопасные помещения и архитектурное освещение.

Использование в установках искусственного освещения светодиодных источников света вместо применяемых люминесцентных позволяет в разы снижать энергопотребление и повышать энергетическую эффективность искусственного освещения в общественных и промышленных зданиях..

По результатам проведенных исследований разработано и утверждено 15.03.2010 г. Изменение и дополнение №1 изменений к Санитарным правилам и нормам «Гигиенические требования к естествен-

ному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий. СанПиН 2.2.1 / 2.1.1.1278-03. открывающее путь светодиодам в практику общего искусственного освещения административных помещений.

Литература

1.СанПиН 2.2.1./2.1.1.1278-03. Санитарные правила и нормы. Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий. — М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспот-ребнадзора, 2006. — 60 с.

2. СНиП 23-05-95* «Естественное и искусственное освещение» — М.: ГУП ЦПП, 2003 - 54 с.

3. СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-10 «Изменения и дополнения №1 к санитарным правилам и нормам СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий» — www.rospotrebnadzor.ru.

Общее освещение административных помещений с применением светодиодов

В статье показаны возможности и перспективы применения светоди-одных светильников для общего освещения административных помещений.

Приведено описание установки общего искусственного освещения, исследо-вания на которой позволили разработать изменение и дополнение санитарных норм и правил по искусственному освещению административных помещений, освещаемых светодиодами.

The general lighting of the administrative offices with LEDs

The article shows the possibilities and prospects of LEDs, diode lamps for general lighting administrative offices. Research objectives for developing a change and addition of sanitary norms and rules on artificial lighting administrative offices illuminated LEDs.

Ключевые слова: светодиод, общее освещение, освещенность, дискомфорт

Keywords: LED, general lighting, lighting, discomfort