Практична робота № 5

Розрахунок штучного освітлення. Вибір джерела штучного освітлення

За призначенням штучне освітлення буває робоче, аварійне (при відключенні робочого освітлення), евакуаційне, охоронне (в нічний час).

Аварійне освітлення повинно складати не менше 5% норми загального освітлення, але не менше 2 лк всередині приміщення і не менше як 1лк на території.

Евакуаційне освітлення повинно забезпечити освітленість не менш як 0,5 лк в приміщенні і 0,2 лк на відкритих площадках.

Охоронне освітлення влаштовується вздовж кордонів території, освітленість на рівні землі повинна бути не нижче ніж 0,5 лк.

Крім того, штучне освітлення буває:

– загальним (світильники розміщені рівномірно у верхній зоні приміщення);

– місцевим (безпосередньо на робочих місцях);

– комбінованим (загальне плюс місцеве). У виробничих приміщеннях одне місцеве освітлення не допускається.

Загальним називаються освітлення, при якому світильники розміщуються у верхній зоні приміщення (не нижче 2,5 м над підлогою рівномірно (загальне рівномірне освітлення) або з врахуванням розташування робочих місць (загальне локалізоване освітлення). Комбіноване освітлення складається із загального та місцевого. Його доцільно застосовувати при роботах високої точності, а також, якщо необхідно створити певний або змінний, в процесі роботи, напрямок світла. Місцеве освітлення створюється світильниками, що концентрують світловий потік безпосередньо на робочих місцях. Застосовування лише місцевого освітлення не допускається з огляду на небезпеку виробничого травматизму та професійних захворювань.

Для розрахунку загального рівномірного штучного освітлення приміщень застосовується метод коефіцієнта використання світлового потоку, за допомогою якого визначають кількість світильників для даного приміщення.

Порядок проведення розрахунків:

1. Розраховують приблизну кількість світильників загального освітлення у приміщенні за формулою:

N = (A·B)/L2                                                        (5.1)

A і B – довжина і ширина приміщення, м;

HP – висота підвісу світильників над рівнем робочої поверхні, м:

Нр = H – hp – hc,                                                        (5.2)

hp = 0,8 м, висота робочої поверхні над підлогою; hc = 0,5 м, відстань світлового центру світильника від стелі, або:

HP = L/1,5,                                                                (5.3)

L – відстань між рядами світильників; оптимальна відстань між світильником при багаторядному розташуванні, м, визначається:

L = 1,5·HP                                                                (5.4)

2. Визначають світловий потік однієї лампи світильника Ф за формулою:

Ф = (Ен·S·Z·Кз)/(N·n·η),                                                (5.5)

де EН – нормована освітленість, лк, визначається за таблицею 5.1 для відповідного розряду зорової роботи;

S – площа приміщення, що освітлюється, м2;

К3 – коефіцієнт запасу, що враховує зниження освітленості в результаті забруднення та старіння ламп, визначається за довідником (для кабінетів, робочих приміщень громадських будівель, торговельних залів тощо К3 = 1,5 при освітленні газорозрядними лампами, Кз = 1,3 при освітленні лампами розжарювання);

Z – коефіцієнт нерівномірності освітлення (Z = 1,15 для ламп розжарювання та ДРЛ; Z = 1,1 для люмінесцентних ламп);

N – кількість світильників (розрахована попередньо за формулою 5.1)

n – кількість ламп в світильнику (для світильників з газорозрядними лампами, прийняти тип світильника ЛПО-01 із кількістю ламп n = 2); для світильників з лампами розжарювання прийняти тип світильника УПМ-15 відповідно із n = 1);

η – коефіцієнт використання світлового потоку, визначається за світлотехнічною таблицею 5.1 в залежності від індексу приміщення, коефіцієнтів відбиття стелі, стін для світильників з люмінесцентними лампами; значення η визначають в залежності від індексу приміщення i:

i = (A·B)/(HP·(A + B)),                                                (5.6)

3. Визначивши світловий потік лампи Ф, за таблицею 5.2 вибирають найближчу стандартну лампу, причому її світловий потік не повинен відрізнятись від розрахункового більше ніж на (-10) – (+20) %.

Розраховують необхідну кількість світильників у приміщенні NН за формулою:

N = EнS·Кз·Z / (Ф·n·η)                                                (5.7)

4. Розраховують очікувану освітленість у приміщенні ЕР за необхідної кількості світильників NН і відомих всіх інших значеннях за формулою:

Ер = (Ф·N·n·η)/(S·Z·Кз)                                                (5.8)

Завдання 5.1. Розрахувати систему загального рівномірного освітлення для торговельного залу, якщо приміщення має світлу побілку: коефіцієнт відбиття ρстелі = 70%, ρстін = 50%, ρпідлоги = 30%; висота приміщення Н=3,2м; висота робочих поверхонь (столів) hр = 0,9 м; відстань від світильника до стелі hc = 0,5 м (для світильників з лампами розжарювання). Тип світильників – ЛПО-01. Лампи для світильників за технічними характеристиками обрати самостійно (виходячи із розрахованого приблизного значення світлового потоку однієї лампи). Інші вихідні дані наведені в таблиці 5.3. Накреслити схему розташування світильників у приміщенні.

Таблиця 5.1 – Коефіцієнти використання світлового потоку (η)
світильників з газорозрядними лампами та лампами розжарювання

Таблиця 5.2 – Технічні дані деяких ламп розжарювання та люмінесцентних ламп

Примітка*: В – вакуумна, Б – біспіральна, БК – біспіральна криптонова, Г – газонаповнена, ЛДЦ – денного світла з покращеним відтворенням кольору, 
ЛД – денного світла, ЛБ – білого світла.

Таблиця 5.3 – Вихідні дані до задачі 5.1

Джерела світла для організації штучного освітлення

Згідно з ДБН В. 2.5–28–2006 для загального штучного освітлення приміщень слід використовувати, як правило, розрядні джерела світла, віддаючи перевагу за однакової потужності джерелам світла з найбільшою світловою віддачею і строком служби. Використання ламп розжарювання для загального освітлення допускається тільки у випадках неможливості або техніко-економічної недоцільності використання розрядних ламп. Застосування ксенонових ламп у приміщеннях не дозволяється.

Для місцевого освітлення, крім розрядних джерел світла, рекомендується використовувати лампи розжарювання, в тому числі галогенні.

Основними вимогами, що ставляться до сучасного освітлення є наступні: забезпечення найкращих умов зорової роботи, керування освітленням безпосередньо із робочого місця, енергоефективність, енергозбереження протягом усього періоду експлуатації, мінімізація шкоди навколишньому середовищу.

У виборі штучних джерел освітлення до уваги приймаються показники, головними з яких є світловий потік, передача кольорів, розподіл яскравості. Кожен цих показників має чіткі цифрові значення, так, в ДБН В. 2.5–28–2006 нормується показник засліпленості Р, коефіцієнт пульсації Кп, %, індекс кольоропередачі Ra.

У виборі типів ламп для організації виробничого освітлення необхідно враховувати їх світлотехнічні характеристики (потужність, світловіддача, передача кольору), строк служби, економічність, а також екологічність.

Найбільш широкого використання для забезпечення штучного освітлення набули розрядні лампи (люмінесцентні, ртутні, високого тиску дугові типу ДРЛ та ін.), які випромінюють світло в результаті електричного розряду в атмосфері інертних газів і парів металів, а також за рахунок явища люмінесценції.

Розрядні лампи відрізняються низкою переваг:

• випромінюють світло, близьке до природного;
• мають тривалий термін дії – 5…20 тисяч годин;
• світловіддача 30…80 лм/Вт;
• низька температура поверхні колби;
• низька потужність живлення (трубчаста люмінесцентна лампа потужністю 23 кВт або компактна люмінесцентна лампа потужністю 10 кВт здатна замінити лампу розжарювання потужністю 100 кВт).

Найбільш розповсюдженим різновидом подібних джерел є ртутна люмінесцентна лампа (рисунок 5.1). Вона представляє собою скляну трубку, заповнену парами ртуті, з нанесеним на внутрішню поверхню шаром люмінофора.

Рисунок 5.1 – Стандартна трубчаста люмінесцентна лампа

Електроди люмінесцентної лампи – це вольфрамові нитки, вкриті пастою із лужноземельних металів, яка забезпечує стабільний тліючий розряд (у разі її відсутності, вольфрамові нитки перегрілися б і згоріли). У процесі роботи, особливо при частих пусках, ця паста поступово обсипається з електродів, вигорає, випаровується, що приводить до перегріву електрода (звідси потемніння на кінцях лампи, яке спостерігається ближче до закінчення терміну служби).

При роботі люмінесцентної лампи між двома електродами, що знаходяться у протилежних її кінцях виникає тліючий електричний розряд. Лампа заповнена парами ртуті і струм, що проходить через неї, призводить до появи УФ-випромінювання. Внутрішні стінки лампи вкриті спеціальною речовиною – люмінофором, що поглинає УФ-випромінювання і випромінює видиме світло. Змінюючи склад люмінофора можна змінювати відтінок світіння лампи.

Так як люмінесцентна лампа має від’ємний диференційний опір, (чим більший струм через неї проходить – тим менше її опір), то її підключають до мережі через спеціальний пристрій (баласт). Це запобігає передчасному виходу лампи з ладу. В даний час використовуються два типи баластів – електромагнітний і електронний (рисунок 5.2).

Електромагнітний баласт (рисунок 5.2 а) – індуктивний опір (дросель), який підключається послідовно з лампою. Для запуску лампи з таким типом баласту необхідний також стартер. Перевагами такого типу баласту є його простота і дешевина. Недоліки – мерехтіння ламп (за частоти струму 50 Гц пульсація лампи відбувається 100 разів в секунду), що підвищує стомлюваність, негативно позначатися на зорі, та може призводити до виникнення стробоскопічного ефекту; відносно довгий запуск (зазвичай 1…3 сек., час збільшується в міру зносу лампи); більше споживання енергії в порівнянні з електронним баластом. Дросель також може видавати низькочастотний гул.

Електронний баласт (рисунок 5.2 б) – електронна схема, яка підвищує частоту живлячого лампу струму в 10…100 разів (20…60 кГц). Перевагами такого баласту є відсутність мерехтіння і гулу, більш компактні розміри і менша маса, у порівнянні з електромагнітним баластом, час запуску 0,5…1 сек.

                       а                                б                        

Рисунок 5.2 – Електромагнітний (а) та електронний баласт (б)

Люмінесцентні лампи дають можливість створювати світло різного спектрального складу – теплий, природний, білий, денний, що може істотно збагатити колірну палітру. Існують спеціальні рекомендації з вибору типу люмінесцентних ламп (кольоровості світла) для різних галузей застосування. Для освітлення виробничих приміщень широко застосовуються люмінесцентні лампи (трубчасті): білого світла (ЛБ), теплого білого світла (ЛТБ), холодного білого світла (ЛХБ), денного світла (ЛД), з кращою передачею кольорів (ЛДЦ).

За стандартами люмінесцентні лампи денного світла поділяють на колбні (трубчасті) і компактні.

Колбні лампи – це лампи у виді скляної трубки. Вони відрізняються за діаметром і за типом цоколя. Прикладом такої лампи є вітчизняна люмінесцентна лампа потужністю 20 Вт («ЛБ-20») та її європейський аналог – T8 18W.

Лінійна форма люмінесцентної лампи в ряді випадків є незручною. З метою одержати більш компактне джерело світла виготовляються лампи кільцевої, U- та W-подібної форм. Кільцеві лампи випускають потужністю в 20…40 Вт, U-подібні – 15…80 Вт, W-подібні – 30 Вт.

Компактні люмінесцентні лампи (рисунок 5.3) представляють собою лампи з зігнутою трубкою, вони відрізняються типом цоколя.

               а                                                б                        

а – інтегровані компактні лампи, мають вбудований баласт і стартер; різьблення Е14, Е27 і E40 дозволяє монтаж у стандартні побутові і промислові патрони; недолік – великі габарити пускової частини, що виключає можливість монтажу в більшість настінних світильників

б – лампи G24Q1, G24Q2 і G24Q3, не мають вбудованого стартера, потужність 13…36 Вт; застосовуються як у промислових, так і в побутових світильниках

Рисунок 5.3 – Типи компактних люмінесцентних ламп

Перевагою компактних ламп є стійкість до механічних ушкоджень і невеликі розміри. Цокольні гнізда для таких ламп дуже прості для монтажу в звичайні світильники, термін їх служби складає від 6000 до 15000 годин.

Віддаючи перевагу люмінесцентним лампам, враховуючи такі їх переваги, як висока економічність, різноманітний за кольоровістю випромінювання асортимент, можливість наближення колірних характеристик до характеристик різних фаз денного світла, великий термін служби не варто забувати і про їхні недоліки.

До недоліків люмінесцентних ламп відносяться: складність включення і втрати потужності в пусковому баласті (до 20…30%), залежність світлових характеристик лампи від температури навколишнього середовища, значне зниження світлового потоку перед закінченням терміну служби, пульсація світлового потоку при живленні ламп змінним струмом.

Схеми включення ламп постійно удосконалюються, що дозволяє поступово знижувати втрати в пускових баластах і зменшувати вагу і габарити останніх.

Залежність світлових і електричних характеристик ламп від температури колби зумовлена фізичними особливостями ртутного розряду. Температура колби і значною мірою визначається температурою навколишнього середовища. Тому, температура повітря, що оточує лампу, повинна бути в межах 5…50°С, причому номінальні світлові потоки ламп гарантуються тільки в межах температур повітря 18…25°С, що відповідає температурі її стінок 40-50°С. У закритих світильниках температура повітря значно перевершує обумовлені межі, внаслідок чого лампи в процесі нормальної експлуатації створюють світловий потік нижчий за номінального.

Серед люмінесцентних ламп перевагами в роботі за підвищеної температури навколишнього середовища відрізняються амальгамні лампи, в яких ртуть міститься у вигляді амальгами. В залежності від способу установки, їх застосовують для роботи в одному з двох режимів: за температури навколишнього повітря 5…30°С або за температури 30…60°С, причому в останньому випадку ці лампи дають світловий потік на 25% більше, ніж стандартні.

Пульсація характерна для лінійних (трубчастих люмінесцентних ламп), які підключаються до електромережі за допомогою електромагнітного баласту. Тому, однолампові трубчаті світильники рекомендується використовувати в неробочих зонах приміщення. В багатолампових світильниках цей недолік практично усувається. У приміщеннях, де можливе виникнення стробоскопічного ефекту, необхідно забезпечити включення сусідніх світильників на 3 фази живильної напруги або включення їх у мережу за допомогою електронного баласту.

До недоліків освітлювальних установок із люмінесцентними лампами відносяться також необхідність спеціальної утилізації (демеркурізації) ламп, що вийшли із ладу. Усі люмінесцентні лампи містять ртуть (у дозах від 40 до 70 мг). Ця доза може заподіяти шкоду здоров'ю, якщо лампа розбилася, і якщо постійно піддаватися пагубному впливу парів ртуті, то вони будуть накопичуватися в організмі людини, завдаючи шкоди здоров’ю. У компактних люмінесцентних лампах міститься 2…3 мг ртуті (для порівняння, у термометрі – 2 мг); в деяких типах амальгамних компактних люмінесцентних ламп ртуті в чистому виді практично немає – вона знаходиться в зв’язаному стані.

Поряд із люмінесцентними лампами для організації місцевого освітлення використовуються галогенні лампи.

Галогенні лампи (рисунок 5.4) за структурою і принципом дії подібні до ламп розжарювання. Але вони містять у газі-наповнювачі незначні добавки галогенів (бром, хлор, фтор, йод) або їхні сполуки. За допомогою цих добавок є можливість усунути потемніння колби (викликане випаром атомів вольфраму) і зумовлене цим зменшення світлового потоку.

До переваг галогенних ламп у порівнянні із лампами розжарювання відносяться наступні:

– за мінімальної витрати електроенергії забезпечують максимальне освітлення;

– мають у декілька pазів більший cтpoк cлужби (у 2…4 рази вище, ніж у ламп розжарювання);

– виробляють більш яскраве біле cвітло;

– більш якісно передають колір освітлюваних предметів;

– випускаються в більш багатому асортименті;

– дозвoляють краще упpавляти світловим пучкoм і напpавляти його із більшою тoчністю;

– відрізняються міцністю, стійкістю до частих перепадів атмосферного тиску і до різкої зміни температури.

У галогенній лампі металевий вольфрам, що випаровується в результаті розжарювання нитки, не осаджується на відносно холодних стінках колби, а утворює летку сполуку з галогеном. Галогенід вольфраму циркулює в об’ємі колби, і, досягаючи розжареної вольфрамової нитки, розкладається на вихідні компоненти. Галоген повертається в цикл, а металевий вольфрам частково осідає на нитку, а частково залишається у виді "атмосфери" навколо нитки.

Підвищена концентрація парів вольфраму в безпосередній близькості від нитки різко сповільнює подальше його випаровування, у результаті чого нитка не стає тоншою, а скло залишається прозорим. Уповільнення випаровування вольфраму дає змогу сильніше розжарити нитку, що дозволяє наблизити колір її випромінювання до природного сонячного.

Колба галогенної лампи виконується з тугоплавкого кварцового скла, що є більш стійким до високої температури і хімічних впливів. Кварцове скло – жароміцний матеріал, а маленькі габарити гарантують міцність, достатню для того, щоб створювати більш високий тиск газу. Тому розмір колби в галогенних лампах розжарювання може бути сильно зменшений, унаслідок чого з одного боку можна підвищити тиск у газі-наповнювачі, і з іншого  – є можливим застосування дорогих інертних газів (криптону і ксенон) у якості газів-наповнювачів. Усе це дозволяє підвищити температуру спіралі, у результаті чого збільшується світловіддача і термін служби лампи.

Галогенні лампи нового покоління (рисунок 5.4 а), мають покриття, що пропускає тільки видиме світло, а інфрачервоне повертає на спіраль, де воно частково поглинається, тобто частина енергії, частково перетворюється знову у світло, що значно підвищує світловіддачу.

Галогенні лампи бувають двох видів: високовольтні, працюючі під напругою 220 В (рисунок 5.4б) і низьковольтні, на 6, 12, 24 і 36 В. Частіше застосовують 12-вольтні лампи.

Перевага низьковольтних ламп – підвищена безпека, особливо в умовах підвищеної вологості, і більш довгий термін служби. 

Середній термін служби 220-вольтних ламп – 2000 годин, 12-вольтних – 4000. Однак для них потрібний трансформатор, що знижує напругу з 220 до 12 В і окрема проводка.

а                                                        б

а – низьковольтна галогенна лампа з відбивачем (потужність 10 Вт, напруга 12 В);

б – високовольтна галогенна лампа (потужність 40 Вт, напруга 230 В)

Рисунок 5.4 – Різновид галогенних ламп Electrum

Галогенні лампи також мають недоліки: 

1. Колби галогенних ламп мають властивість сильно нагріватися (до 500ºC), тому варто неухильно дотримуватись норм протипожежної безпеки при установці ламп. Доторкання до включеної або недостатньо остиглої лампи може призвести до серйозних опіків. Та й остиглу лампу не слід брати голими руками. Від цього на колбі лампи залишаються жирні плями, після ввімкнення жир під дією високої температури обвуглюється, чорні частки вугілля поглинають тепло і сильно розжарюються. Через місцевий перегрів колба може лопнути, і лампа вибухнути. 

Лампу варто брати, використовуючи чисті тканинні рукавички, шматок чистої тканини або паперову серветку. Якщо колба чимось забруднена, її потрібно протерти спиртом.

Останнім часом широкого розповсюдження набули галогенні лампи низької напруги з відбивачем. У цих лампах до двох третин інфрачервоного випромінювання лампи відбивається напівпрозорим дзеркалом, тому освітлювані об’єкти менше піддаються нагріванню. Остиглі лампи з відбивачем можна брати руками.

2. Чутливі до стрибків напруги у мережі живлення і за несприятливих умов можуть швидко вийти з ладу; тому їх бажано включати через стабілізатор напруги. Для досягнення найбільшої ефективності лампи її доцільно використовувати на повній потужності, заявленої виробником. Однак її яскравість можна регулювати за допомогою стандартних світлорегуляторів. Знижуючи потужність лампи, можна знизити або навіть відключити роботу галогенного циклу, і вона почне працювати як звичайна лампа розжарювання. Для відновлення роботи галогенів і зняття металевих часток вольфраму, що осіли на стінки колби, досить на кілька хвилин увімкнути лампу на повну потужність.

3. У спектрі випромінювання присутній надлишок ультрафіолету, що шкідливий для здоров'я. Тому, їх не рекомендується використовувати без спеціальних фільтрів.

І все-таки, незважаючи на всі перераховані вище недоліки, галогенні і люмінесцентні лампи – це джерела штучного світла нового покоління, що за своїми характеристиках істотно перевершують традиційні лампи розжарювання.

Перспективним напрямком в плані енергозбереження є впровадження світлодіодних ламп. В Україні затверджена Державна цільова науково-технічна програма “Розробка і впровадження енергозберігаючих світлодіодних джерел світла та освітлювальних систем на їх основі” (постанова КМУ №632 від 9.07.2008).

Світлодіодні енергозберігаючі лампи (рисунок 5.5) призначені для використання як на вулиці так і усередині приміщення, поєднують у собі традиційне виконання (цоколь Е-27, Е-14, MR-16, GU-10) насиченість та чистоту кольору і високу надійність. Джерелом світла в таких лампах є білий світлодіод. В основі приладу лежить синій світлодіод із сполук Галію й Індію з Нітрогеном. Його світло, потрапляючи на шар з алюмінію, галію, індію і фосфору, породжує жовтогарячі промені. Суміш синього і жовтогарячого світла сприймається людським оком як біле. Білий світлодіод може мати світловіддачу 330 лм/Вт (найкращі люмінесцентні лампи мають 50…90 лм/Вт, а лампи розжарювання – 10…20 лм/Вт.

При застосуванні таких ламп відпадає необхідність використання, як електронних баластів, так і схем з використанням дроселів, стартерів. Світлодіодні лампи споживають у два рази менше електроенергії в порівнянні з люмінесцентними лампами, а їхній термін служби в 10 разів довший. Монтаж даних ламп є досить простим.

а                                                        б

а – світлодіодна лампа високої яскравості: усередині 1 CREE світлодіод (потужність кожного –  3 Вт, яскравість – 120 лм);

б – світлодіодна лампа високої яскравості: усередині 5 CREE світлодіод (потужність кожного –  1Вт, яскравість – 300 лм)

Рисунок 5.5 – Різновид світлодіодних ламп з цоколем E-27, напруга 220 В

Серед інших переваг світлодіодних ламп слід зазначити наступні:

– безпека для навколишнього середовища;

– мінімальне виділення тепла: майже вся електроенергія йде на виділення світла, тим самим досягається її істотна економія;

– відсутність шуму, що робить їх незамінним джерелом світла в таких місцях як бібліотеки, лікарні, офіси і т.ін.;

– м’яке світло і відсутність мерехтіння;

– відсутність ультрафіолетового випромінювання;

– різна робоча напруга: можуть працювати від напруги в діапазоні від 80 до 230 В;

– економія електроенергії, довгий термін служби: споживають на 50…70% менше електроенергії, ніж лампи розжарювання;

– міцність і безпека: корпус виконаний з міцного полікарбонатного пластику, що набагато міцніший звичайного скла, з якого зроблені люмінесцентні лампи.

Слід також зазначити, що світлодіодні лампи, що пропонуються сьогодні на ринку мають менший світловий потік, ніж люмінесцентні. Наприклад, стандартна люмінесцентна лампа “ЛБ-20, з потужністю 20 Вт створює світловий потік 1200 лм.

Для створення аналогічного світлового потоку світлодіодними лампами необхідно 10 ламп високої яскравості з одним CREE-світлодіодом із світловіддачею 120 лм, потужність яких складе 30 Вт (103 Вт).

Отже, з точки зору досягнення необхідного рівня освітлення за мінімального споживання електроенергії, найбільш ефективними на сьогоднішній день є люмінесцентні лампи. Але більш надійними і безпечними, як для здоров’я людини, так і для навколишнього середовища є світлодіодні лампи.

Питання для самоконтролю

1. Які класифікується штучне освітлення?
2. В яких одиницях нормується штучне освітлення.
3. Які є методи розрахунку штучного освітлення?
4. Як проводиться розрахунок штучного освітлення за методом використання коефіцієнта світлового потоку?
5. Які джерела світла використовуються для організації загального освітлення виробничих приміщень? Назвіть їхні переваги та недоліки?
6. Які джерела світла можна використовувати для організації місцевого освітлення?
7. Порівняйте між собою лампи розжарювання та галогенні.
8. Які із джерел штучного освітлення є найбільш ефективними з точки зору енергозбереження ?