Инновационный подход к оценке эффективности применения средств автоматики в осветительных системах

УДК 338.46:621.31

Инновационный подход к оценке эффективности применения средств автоматики в осветительных системах

Я. И. Тульчинская,

НИУ МЭИ, кафедра инженерного менеджмента, кандидат экономических наук

Замены традиционных ламп накаливания на энергоэффективные недостаточно, чтобы в полной мере оптимизировать функционирование существующих систем освещения и повысить энергетическую эффективность организации. Применение средств автоматики в совокупности с использованием высокоэффективных светильников способно повысить качество и эффективность работы осветительных систем. В статье представлено описание современных средств автоматики для освещения и продемонстрирован инновационный подход к оценке эффективности применения автоматизированной системы управления освещением.

Ключевые слова: осветительная система, датчик, автоматизированная система управления освещением, энергоэффективность, инновационный подход.

Повышение энергетической эффективности осветительных установок играет существенную роль в экономии электроэнергии. В России в 2011 г. было выработано 1040,5 млрд кВт • ч электроэнергии. На освещение было потрачено 137 млрд кВт-ч или около 13,2 %. Общий потенциал энергосбережения в российском секторе освещения в долгосрочной перспективе составляет более 40 % или 57 млрд кВт-ч в год [1].

Ключевым направлением энергосбережения в системах освещения было принято использование энергоэффективных ламп [2]. Однако для целого ряда систем освещения, таких как системы освещения улиц, дворов, подъездов в домах и др., применение только энергосберегающих ламп должного эффекта не даёт. Существенные потери электрической энергии в системах освещения обусловлены человеческим фактором. Например, в коммунально-бытовом секторе около 30 % электроэнергии расходуется на освещение пустующих помещений [3]. Лампы внутреннего и наружного освещения, как правило, не имеют необходимой системы управления, в результате чего наблюдаются неэффективное использование получаемой электроэнергии и повышенные расходы на её оплату.

Именно поэтому в последнее время системы внутреннего и наружного освещения оснащаются автоматическими устройствами управления освещением с контролем уровня освещённости и автоматическим включением и отключением системы при критическом значении освещённости, а также датчиками, реагирующими на присутствие человека в помещении.

Большое количество компаний-производителей, в том числе и мировых брендов, занимается изготовлением и продажей датчиков для систем освещений: ARlight, Duewi GmbH, Esylux, Schneider-Electric, ABB, Berker, Merten, Jung, Theben, Legrand, Gira, Световые Технологии, T&J Electric, General Electric, OSRAM, Lena Lighting, Philips, SPECTRA.

Ориентировочная стоимость датчиков, производимых этими компаниями, находится в диапазоне от 0,5 до 3 рублей за 1 Вт активной мощности.

Электронные регуляторы плавного регулирования освещенности

Современные автоматизированные системы управления освещением (АСУО) не только повышают комфортность освещения, но и обеспечивают значительную экономию электроэнергии. Это достигается благодаря тому, что система учитывает естественную освещённость в помещениях, а также за счёт отключения осветительных установок при отсутствии в помещении людей (с помощью датчиков присутствия) и в нерабочее время (датчиками времени или заложенной программой). Система способствует увеличению срока эксплуатации источников света и сокращению частоты их замены.

Принципиально все АСУО построены по одинаковой блок-схеме и содержат регуляторы светового потока, регулируемые источники света и датчики суммарной освещённости, присутствия и реального времени, иногда - программаторы, в которых заранее устанавливается программа изменения освещённости на определённый период (рабочий день, неделю, год) [4]. Наличие управляемых регуляторов открывает возможности создания цветодинамичных установок с использованием цветных люминесцентных ламп (ЛЛ) или галогенных ламп накаливания и, особенно, светодиодов [5].

Реализованные проекты [6, 7] демонстрируют экономическую целесообразность применения подобных систем. В [6] показано, что в установках внутреннего освещения с люминесцентными лампами применение электронных пускорегулирующих аппаратов позволяет сэкономить в нерегулируемом режиме от 22 до 42 % электроэнергии. Использование АСУО даёт возможность довести экономию до 61-82 %

за счёт рационального выбора режима работы осветительной установки.

Все диспетчерские в г. Москве объединены в единую сеть, во главе которой находится центральный диспетчерский пункт, что позволяет обмениваться информацией и контролировать состояние любого пункта наружного освещения, которое, как правило, осуществляется при помощи вводно-распредели-тельных устройств [7].

Установленные АСУО в Москве, как правило, обеспечивают экономию электроэнергии до 30-40 % [7], но точное значение определяется не только техническими характеристиками и зависит от погодных условий и режима эксплуатации установки.

Для распространения положительного опыта и поддержки принятия решения о внедрении средств для нужд освещения необходимо создание комплексной и систематизированной методики оценки эффективности применения средств автоматики в осветительных системах, отличающейся простотой при использовании её на практике.

Данная методика применяется для обоснования целесообразности применения средств автоматики (фотоэлементов, датчиков присутствия и АСУО) в системах освещения, что позволяет уменьшить среднюю продолжительность включения источников света и осветительных установок и, как следствие, уменьшить уровень энергопотребления при сохранении требуемого уровня освещенности объектов при их посещении персоналом.

Применение средств автоматики в системе освещения способно снизить затраты на покупку электроэнергии. В типичных производственных условиях (без применения средств автоматики) система освещения может работать без отключения на протяжении определенного времени хдсо1 в сутки. При этом, если помещение используется в среднем Преж дней в неделю, то среднюю продолжительность нахождения системы освещения без применения датчиков во включенном состоянии в год Тпвсо1 можно оценить по следующей формуле:

ТПВсо1 — • Тдсо, '

ч.

Р X

цг _ Г 1ПВсо1 001 1000

кВт-ч.

Доля времени, которую персонал находится в помещении, характеризуется коэффициентом доли времени Кн.

Данный коэффициент может быть определён либо на основании эмпирических данных для различного типа использования помещения, либо на основании расчётов.

Так, установлено [8], что средние значения Кн следующие:

- для помещений с постоянными рабочими местами (за исключением помещений, обустроенных по типу открытого пространства) Кн=0,5;

- для помещений без постоянных рабочих мест Кн=0,15;

- для проходных помещений с малым потоком людей Кн=0,05.

Если помещение относится к типу обходимых - в рамках мониторинга данный обход осуществляется производственным или ремонтным персоналом поб раз в день в период обычного нахождения системы освещения во включенном состоянии, а средняя продолжительность нахождения персонала в помещении при его обходе (посещении) составляет тпос, то коэффициент Кн=0,5 можно оценить по следующей формуле:

С учётом (1) и (3) среднюю продолжительность нахождения системы освещения с применением датчиков присутствия и движения во включенном состоянии в год Тпвсо2 можно определить по следующей формуле:

ТПВсо2 ^п

Соответствующее годовое потребление электрической энергии системы освещения с применением средств автоматики Wс02 определяется по формуле

Р.г

ш — ПВсо2

—о

1000

кВт • ч.

Если соответствующая система освещения потребляет из сети суммарную активную мощность Р, то годовое потребление электрической энергии системы освещения без датчиков WC01 определяется по формуле

Сокращение средней продолжительности нахождения системы освещения во включенном состоянии в год достигается путём того, что установленные средства автоматики осуществляют автоматическое включение системы освещения при перемещении персонала в контролируемое данными датчиками помещение, а также автоматическое отключение системы освещения при покидании персоналом помещения.

При оценке экономической эффективности применения средств автоматики в системах освещения, помимо экономии на плате за электроэнергию, необходимо учитывать также экономию, связанную с тем, что общая продолжительность эксплуатации источников света до их замены, используемых в системе освещения с применением средств автоматики, тпэсо2 в среднем возрастет в 1/Кн раз (так как система освещения будет меньше находиться во включенном состоянии и меньше будет расходоваться ресурс источников света) по сравнению с общей продолжительностью эксплуатации ламп до их замены в системе освещения без датчиков тпэсо2:

Экономия (во многих случаях сопоставимая с экономией на плате за электроэнергию) при этом складывается из стоимости тех источников света, которые пришлось бы приобрести за период, пока будут

работать без замены источники света системы освещения с применением средств автоматики.

Уменьшение годового потребления электроэнергии системой освещения в результате применения средств автоматики в системах освещения будет определяться следующим выражением:

Денежная экономия на плату за электроэнергию складывается из произведения уменьшения годового потребления электроэнергии системой освещения на тариф T на потребляемую электроэнергию рассматриваемого года:

AS = AW-T, руб. Простой срок окупаемости РВР

простои

позволяет

оценить эффективность применения средств автоматики:

РВРпростой=С/Д£, лет,

где C - стоимость оснащения системы освещения средствами автоматики, состоящая из стоимости закупки оборудования и установки этого оборудования.

Для оценки экономической эффективности внедрения средств автоматики с учётом течения времени, инфляции и роста тарифов на энергоресурсы используются критерии оценки эффективности инвестирования (PBP, IRR, NPV).

Затем определяется доля экономии электроэнергии в структуре общего электропотребления (W - в натуральном выражении, S - в денежном выражении) в натуральном (W%) и денежном (S%) выражениях, что позволяет руководству организации сравнить W, S, W% и S% с планируемыми показателями, установленными требованиями Федерального закона № 261 [9]:

W%o=AW/W, %; S%^S/S, %.

Алгоритм обоснования применения фотоэлементов и датчиков присутствия в системах освещения

1. По паспортным данным либо путём расчёта (суммирования мощностей используемых источников света) определяется значение суммарной потребляемой активной мощности применяемой системы освещения P.

2. Определяется средняя продолжительность нахождения системы освещения во включенном состоянии в течение суток тдсо1.

3. Определяется среднее количество дней в неделю, которое используется в рассматриваемом помещении Преж.

4. По формуле (1) определяется средняя продолжительность включения системы освещения без применения датчиков в год Тпвсо1.

5. На основе имеющихся эмпирических данных либо после определения среднего количества посе-

щений (обходов) помещения в сутки поб и среднего времени нахождения персонала в помещении при его посещении (обходе) ппос расчётным методом по формуле (3) определяется коэффициент нахождения персонала в помещении Кн.

6. По формуле (4) определяется средняя продолжительность включения системы освещения с применением датчиков присутствия и движения в год

тПВсо2.

7. По формулам (2) и (5) определяется годовое потребление электроэнергии системой освещения без датчиков Wсоl и с датчиками Wс02 соответственно.

8. На основании паспортных данных применяемых в системе освещения ламп либо по результатам статистических данных определяется общая продолжительность эксплуатации ламп до их замены в системе освещения без датчиков тпэсо1, а по формуле (6) - общая продолжительность эксплуатации ламп до их замены в системе освещения с датчиками тпэсо2.

Осуществляется расчёт уменьшения годового потребления электроэнергии системой освещения Д'^ по формуле (7). Денежная экономия на плату за электроэнергию Д£ по формуле (8), простой срок окупаемости РВРпростой по формуле (9).

Осуществляется расчёт доли экономии электроэнергии в структуре общего электропотребления W% и S% по формулам (10) и (11).

Произведем оценку эффективности использования АСУО в различных системах освещения на конкретных примерах:

1 вариант - внедрение АСУО осуществляется для системы наружного освещения с 5000 светильниками типа ДНаТ общей мощностью 1500 кВт (например, для микрорайона г. Москвы). Для этого потребуется 100 шкафов управления (1 шкаф рассчитан на управление 100 источниками света). Стоимость 1-го шкафа - 55000 рублей.

2 вариант - установка автоматических регуляторов освещения нужна для подъезда 9-этажного дома, в котором установлено 10 ЛН по 60 Вт на каждом этаже. Осветительные установки горят всю ночь, когда это не требуется, необходимость в освещении существует лишь в то время, когда люди уходят и приходят с работы.

3 вариант - аналогичен 2-му варианту, только существует необходимость в установке АСУО для одного этажа в подъезде.

В табл. 1-3 (приложение) приведены расчёты оценки эффективности использования автоматических приборов регулирования освещения для систем освещения с различным функциональным назначением и мощностью осветительных установок.

Расчёты в табл. 1 демонстрируют эффективность применения АСУО для систем освещения с большим количеством осветительных приборов большой суммарной установленной мощности (уличное освещение, производственные цеха, крупные отели и т. д.).

Очевидно, что для маломощных систем освещения (табл. 2 и 3) незначительная экономия денежных средств не сможет с должной эффективностью окупить инвестируемые средства, потраченные на внед-

рение дорогостоящей АСУО. Поэтому в данном случае следует использовать датчик движения или присутствия. Один датчик Schneider-Electric серии Argus, рассчитанный на нагрузку 1000 Вт, стоит всего 1171 руб., что обеспечивает более быстрые сроки окупаемости для 2-го и 3-го вариантов:

PBP№2=C№2 ' N№2 ' ^м№2/Э№2=1171х9х

х 1,2/51738,75=0,25 лет,

PBP№3=C№3 • N№3 • Км№з/Э№з=1171х 1,2/5748,5= =0,25 лет,

где PBP№2, PBP^3 - простые сроки окупаемости для 2-го и 3-го вариантов;

С№2, С№з - стоимость приобретенных датчиков для 2-го и 3-го вариантов;

N№2, N№3 - количество этажей для 2-го и 3-го вариантов;

Км№2, Км№3 - коэффициент проведения монтажных работ для 2-го и 3-го вариантов;

Э№2, Э№3 - экономия электроэнергии в результате установки датчиков.

Для систем с незначительной суммарной мощностью осветительных установок использование АСУО малоэффективно из-за высокой стоимости необходимого оборудования. Для довольно простой и небольшой системы освещения нет необходимости в создании высокотехнологичной АСУО, когда есть возможность использовать недорогие датчики, монтаж и установка которых также обойдутся значительно дешевле.

Для обеспечения эффективности диммирования необходимо, чтобы источник света обладал высокой светоотдачей и возможностью диммирования в

широких пределах. К тому же диммирование не должно уменьшать срок действия источника света. Этим критериям соответствуют светодиоды. Выигрыш от использования светодиодов особенно заметен в системах «умного дома», где осуществляется регулирование яркости в широких пределах в зависимости от присутствия людей в помещении, времени суток и других факторов.

Выводы

Разработанная методика обладает инструментарием, позволяющим производить расчёт годовой экономии электроэнергии от применения данного энергосберегающего проекта, срока окупаемости и доли экономии электроэнергии в структуре общего электропотребления организации. Предложенный подход успешно применим как к системам наружного освещения, так и к системам внутреннего освещения, что делает его универсальным и удобным при оценке энергосберегающих мероприятий.

Для достижения наиболее высокого энергосберегающего эффекта без снижения срока службы источников света при использовании средств автоматики в системах освещения необходимо учитывать технические и эксплуатационные особенности источников света, в совокупности с которыми они будут применяться. Вторым немаловажным фактором, влияющим на коммерческий успех внедрения АСУО, является установленная мощность осветительных приборов и интенсивность использования этих источников: эффективность внедрения АСУО повышается с ростом установленной мощности и потребляемой электроэнергии. Для маломощных источников света рациональнее применять диммеры и датчики.

Приложение

Режим работы Использование мощности линии освещения Без использования АСУО С использованием АСУО

Число часов использования светильников Фактическое число часов работы светильников Число часов работы, приведенное к номинальной мощности

Вечер 100 % 5 5

Утро 66 % 1 0,7

Ночь 30 % 4,3 1,4

Итого количество часов работы светильников за 1 сутки 10,3 7,1

Снижение энергопотребления за счёт использования режимов яркости освещения 31,1 %

Номинальная мощность всех светильников системы, кВт 1500

Время горения светильников за год, ч 3760 2592

Энергопотребление всех светильников за год, кВт-ч 5639250 3888000

Затраты на элект эоэнергию

Стоимость 1 кВт-ч 3,5

Годовые затраты на электроэнергию, руб. 19737375 13608000

Годовые затраты на электроэнергию с расчётом на фактическую, а не на заявленную мощность (снижение на 5 %), руб. 19737375 12927600

Эффективность внедрения АСУО

Годовой экономический эффект 6809775

Стоимость оборудования и программного обеспечения АСУО (+40 % СМР), руб. 7770000

Простой срок окупаемости, лет 1,13

Таблица 1

Расчёт экономической эффективности внедрения АСУО в систему наружного освещения

Таблица 2

Расчёт экономической эффективности внедрения АСУО в систему внутреннего подъездного освещения

Режим работы Использование мощности линии освещения Без использования АСУО С использованием АСУО

Число часов использования светильников Фактическое число часов работы светильников Число часов работы, приведенное к номинальной мощности

Вечер 100 % 5 3

Утро 66 % 2 1

Ночь 30 % 5 0,5

Итого количество часов работы светильников за 1 сутки 12 4,5

Снижение энергопотребления за счёт использования режимов яркости освещения 37,5 %

Номинальная мощность всех светильников системы, кВт 5,4

Время горения светильников за год, ч 4380 1642,5

Энергопотребление всех светильников за год, кВт-ч 23652 8869,5

Затраты на электроэнергию

Стоимость 1 кВт-ч 3,5

Годовые затраты на электроэнергию, руб. 82782 31043,25

Годовые затраты на электроэнергию с расчётом на фактическую, а не на заявленную мощность, руб. 82782 31043,25

Эффективность внедрения АСУО

Годовой экономический эффект 51738,75

Стоимость оборудования и программного обеспечения АСУО (+40 % СМР), руб. 77000

Простой срок окупаемости, лет 1,49

Таблица 3

Расчёт экономической эффективности внедрения АСУО в систему внутреннего подъездного освещения

Режим работы Использование мощности линии освещения Без использования АСУО С использованием АСУО

Число часов использования светильников Фактическое число часов работы светильников Число часов работы, приведенное к номинальной мощности

Вечер 100 % 5 3

Утро 66 % 2 1

Ночь 30 % 5 0,5

Итого количество часов работы светильников за 1 сутки 12 4,5

Снижение энергопотребления за счёт использования режимов яркости освещения 37,5 %

Номинальная мощность всех светильников системы, кВт 0,6

Время горения светильников за год, ч 4380 1642,5

Энергопотребление всех светильников за год, кВт-ч 2628 985,5

Затраты на электроэнергию

Стоимость 1 кВт-ч 3,5

Годовые затраты на электроэнергию, руб. 9198 3449,25

Окончание табл. 3

„ г Использование мощности Режим работы г линии освещения Без использования АСУО С использованием АСУО

Число часов использования светильников Фактическое число часов работы светильников Число часов работы, приведенное к номинальной мощности

Годовые затраты на электроэнергию с расчётом на фактическую, а не заявленную мощность, руб. 9198 3449,25

Эффективность внедрения АСУО

Годовой экономический эффект 5748,5

Стоимость оборудования и программного обеспечения АСУО (+40 % СМР), руб. 77000

Простой срок окупаемости, лет 13,4

Литература

1. Преобразование рынка для продвижения энергоэффективного освещения [Электронный ресурс]. Код доступа: www.undp-light.ru/upload/BR-4.pdf.

2. Будет ли Москва эффективной? [Электронный ресурс]. Код доступа: www.greenpeace.org/russia/ru/news/2262097.

3. Энергосбережение в освещении [Электронный ресурс]. Код доступа: http://www.gken.ru/lights.

4. Системы управления освещением [Электронный ресурс]. Код доступа: http://www.k-to.ru/ru/interest-ing/obor/detail.php?ID=393.

5. Диммирование энергосберегающих ламп: нюансы и особенности [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.magazine-svet.ru/analytics/62402/.

6. Управление наружным освещением: АСУНО «Пирамида» [Электронный ресурс]. Код доступа: www.sicon.ru/prod/asuno/.

7. Проскурин О. А. Автоматизированные системы управления наружным освещением. Опыт Москвы // Энергосовет. - 2011. - № 2 (15).

8. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю. Б. Айзенберга. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Знак, 2006. - 972 с.

9. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [Электронный ресурс]. Код доступа: www.rg.ru/2009/11/27/energo-dok.html.

An innovative approach to assessing the effectiveness of automation equipment in lighting systems

Ya. I. Tul'chinskaya,

MPEI, engineering management department, PhD. in Economics

Replacing traditional incandescent light lamps to energy saving lamps is not enough to fully optimize the functioning of existing lighting systems and improve the energy efficiency of the organization. The use of automation in conjunction with the use of high-performance lighting can improve the quality and efficiency of lighting systems. The paper presents a description of modern means of automation for lighting and demonstrates an innovative approach to assess the effectiveness of automated lighting control system.

Keywords: lighting system, sensor, automated lighting control system, energy efficiency, innovative approach.