Оценка перспективных возможностей энергосбережения в светотехнических установках России[1]
В настоящей работе сделана попытка оценки перспектив энергосбережения в ОУ на основе рассмотрения сценария развития ОУ страны на ближайшие 20 лет. Прогноз выполнен с учетом мировых тенденций развития светотехники и реального ее состояния в настоящее время в нашей стране, при этом впервые оценки выполнены комплексно на базе сбора и изучения статистических данных о развитии электроэнергетики за истекшие 10 лет с учетом потребления энергии в основных отраслях народного хозяйства, а также на основе прогнозируемых изменений характеристик ИС (световых отдач, сроков службы, средних мощностей), соотношений применяемых ИС в различных группах ОУ, числа часов использования ОУ в год и коэффициентов спроса.
Масштабы расхода электроэнергии (ЭЭ) на освещение при сохранении нормируемых характеристик определяются, с одной стороны, параметрами светотехнических изделий, с другой стороны – структурой парка средств освещения. Следует отметить, что прогноз на 2010 г. и особенно на 2020 г., безусловно, носит предварительный характер и подлежит последующим уточнениям. При этом под термином «структура парка» понимается соотношение числа световых точек с определенными ИС определенной мощности.
Количественный прогноз возможностей энергосбережения до 2020 г. базируется на изложенном в [1] качественном прогнозе развития светотехники.
При проведении настоящей работы авторы располагали материалами по прогнозу, выполненными в США и Германии (фирма Osram).
Основные направления развития светотехники до 2020 г. сформулированы в документе «Видение 2020» департамента энергетики и строительства США [2] в виде семи стратегий – ключевых целей развития светотехники. Первые 4 стратегии относятся к категории техники освещения (нормирование и проектирование ОУ), популя-ризации и маркетингу освещения, остальные 3 стратегии формулируют задачи создания новых технологий свето-технических изделий. При этом учитывается, что светильники станут многофункциональными, совмещенными с системами контроля, самонастраивающимися и легко обслуживаемыми. Микроэлектроника позволит сделать малогабаритные ПРА, а сенсоры облегчат взаимосвязь пользователя и окружения. Будет оптимизировано исполь-зование естественного света. В ОУ будут применяться высокоэффективные ИС с большим сроком службы, включая светодиоды. Световая отдача ЛЛ достигнет 200 лм/Вт при высоком индексе цветопередачи, ГЛН 50-100 лм/Вт, ЛН 20-30 лм/Вт. Универсальные ПРА повысят гибкость систем, а дешевые ЭПРА обеспечат широкое применение КЛЛ в жилых домах Америки.
Легко заметить, что все это хорошо согласуется со сформулированной нами ранее концепцией световой среды будущего [1].
В материалах фирмы Osram [3] дается оценка теоретически возможных значений световых отдач ИС с указанием индекса цветопередачи и цветовых температур. Там же приведены значения параметров ИС, достигнутые к 2000 г. и указан процент реализации теоретических возмож-ностей для разных ИС (табл. 1).
Расчетные оценки интегральных характеристик всего парка средств освещения, проводимые в настоящей работе, базировались на экспертных оценках средневзвешенных для этого парка значений световых отдач и сроков службы отечественных ламп (табл. 2). Принимая в расчетах эти параметры, авторы исходили из того, что хотя к 2020 г. будут разработаны отечественные ИС с существенно лучшими параметрами, полная замена ими всего действующего парка к этому времени нереальна.
Таблица 1
Параметры основных групп источников света (на 2000 г.)
Тип ламп | Р, Вт | η, лм/Вт | Ra, отн. ед. | Тц, ºК | τ, ч | Теорети-ческие возмож- ности [3] реализо- ваны на % |
ЛН 230 В ЛН 120 В | 15-2000 | 10-15 12-18 | 100 | 2400-2700 | 1000 | 16 |
ГЛН | 20-50 | до 30 | 100 | 3000 | 4000 | 20 |
ЛЛ Т5 | 14-35 | 92-104 | 80 | 2700 3000 4000 6000 | 20000 | 45 |
КЛЛ | 5-57 | до 75 | 80 | 8000-15000 | 35 | |
МГЛ | 35-3500 | до 100 | 80, 90 | 3000 4200 6000 | до 15000 | 45 |
НЛВД | 50-1000 | до 150 | 20 | 2000 | до 32000 | 55 |
Свето-диоды* | до 0,2 | до 20 (бел.) | 80 | 6000 | 100000 | 20 |
до 1 | до 50 (цв.) |
* В настоящее время (2007 г.) η лучших СД составляет около 100 лм/Вт.
В ходе расчетов по приведенной ниже методике за основу принимались:
• прогноз изменения числа световых точек по основным отраслям хозяйства (промышленность, сфера услуг, быт, сельское хозяйство);
Таблица 2
Экспертные оценка средневзвешенных значений световых отдач и сроков службы отечественных источников света
Тип ламп | 2000 г. | 2010 г. | 2020 г. | |||
Световая отдача, лм/Вт | Срок службы, час | Световая отдача, лм/Вт | Срок службы, час | Световая отдача, лм/Вт | Срок службы, час | |
ЛН ГЛН ЛЛ КЛЛ МГЛ ДРЛ НЛВД | 12,5 18 65 70 75 55 100 | 1000 2000 12000 5500 7500 15000 12000 | 12,5 30 90 80 80 55 110 | 1000 4000 15000 10000 10000 20000 20000 | 20 50 105 85 90 60 120 | 1000 6000 20000 15000 18000 24000 25000 |
• изменение средней мощности светильников с учетом внедрения более эффективных ИС, обеспечивающих тот же световой поток при меньшей мощности;
• рост световой отдачи и срока службы ИС;
• перераспределение внутри парка светильников, в частности, менее эффективные приборы с ЛН и ДРЛ заменялись на более эффективные с КЛЛ, ЛЛ, НЛВД, МГЛ (при этом до 2020 г. не предусматривалось широкое определяющее внедрение нового поколения безэлектродных газоразрядных ламп и светодиодов);
• уменьшение коэффициента запаса К3 массовых ОУ за счет совершенствования характеристик ламп и светильников;
• поэтапное внедрение эффективных ЭПРА (например, в сфере услуг для светильников с ЛЛ предусматривалось число светильников с ЭПРА в 2010 г. – 9%, в 2020 г. – 25%) и светильников с зеркальной и призматической оптикой (например, в сфере услуг на 2010 г. – 15 млн. шт., на 2020 г. – 45 млн. шт.);
• внедрение систем автоматического управления освещением (например, в сфере услуг в 2010 г. – в 5% ОУ, в 2020 г. – в 5% ОУ).
При нахождении расчетных оценок исходными данными являлись: электробаланс 1998 г. по данным Российского статистического ежегодника [4], расширенный электробаланс 1999 г. по данным Энергосетьпроекта, экспертные оценки прогнозируемых значений:
• световых отдач и сроков службы отечественных ИС;
• доли электроэнергии (ri), потребляемой на освещение в разных отраслях, среднего числа часов горения ОУ в разных сферах (Т
), коэффициента спроса К
(средней вероятности одно временной нагрузки) (табл. 3);
• средней единичной мощности светильников – Pср (средневзвешенной величины, определяемой на основе оценки процента светильников с тем или иным ИС в заданной сфере народного хозяйства);
• доли светового потока, генерируемого каждой группой светильников в общем световом потоке.
Таблица 3
Экспертные оценки долей ЭЭ на освещение (ri),
среднего числа часов горения ОУ в год (Т,), коэффициента спроса (К,) для различных отраслей народного хозяйства
Отрасли народного хозяйства | Кодовые номера | ri, отн. ед. | Т ч | К отн. ед. |
Сфера услуг Промышленность Сельское хозяйство Жилой сектор Прочие | 1 2 3 4 5 | 0,2 0,41 0,11 0,24 0,04 | 1900 2600 1250 1500 2000 | 0,6 0,9 0,6 0,4 0,85 |
По данным 1999 г. потребление ЭЭ в России составляет 832,1 млрд. кВт·ч. В расчетах принято допущение, что расход ЭЭ на освещение (Э) составляет 13% от общего расхода ЭЭ т. е. 108,1 млрд. кВт·ч. Ниже приведены основные расчетные формулы методологии прогнозирования, принятые в настоящей работе.
Установленная мощность ОУ в разных отраслях хозяйства определялась по соотношению:
.
Прогнозируемый расход ЭЭ – по формуле:
,
где Эпр – прогнозируемое значение расхода ЭЭ в млрд. кВт·ч; nj – экспертные оценки числа световых точек с тем или иным ИС (ЛН, ЛЛ, КЛЛ, ГЛН, ДРЛ, МГЛ, НЛВД); Рср – средняя мощность светильника с j-ым ИС по экспертной оценке.
Прогнозируемое значение вырабатываемого светового потока определялось по формуле:
,
Фпр – прогнозируемое значение вырабатываемого светового потока в Млм; η
– средняя световая отдача j-ого ИС в лм/Вт; P
– средняя мощность светильника с j-тым ИС в i-и отрасли; ni, j – экспертная оценка числа световых точек с j-ым ИС в i-и отрасли.
Основные характеристики парка средств освещения по состоянию на 2000 г. приведены в табл. 4.
Для определения потенциала экономии ЭЭ все расчетные оценки выполнялись для двух сценариев развития событий:
• без проведения энергосберегающих мероприятий;
• с проведением мероприятий.
Таблица 4
Основные характеристики парка средств
освещения 2000 г.
Отрасли народного хозяйства | Тип источ-ника света | Средняя мощность светиль-ника, Рср, Вт | Средняя световая отдача, лм/Вт | Средний срок службы лампы, ч | Доля в световом потоке, % |
Сфера услуг ТГ = 1900 ч | ЛН ЛЛ ГЛН КЛЛ МГЛ | 120 120 50 18 190 | 12,5 65 18 70 75 | 1000 12000 2000 5500 7500 | 3,3 96,2 0,06 0,03 0,4 |
Промыш-ленность ТГ = 2600 ч | ЛН ЛЛ ДРЛ НЛВД МГЛ КЛЛ | 120 150 450 290 440 - | 12,5 65,0 55,0 100 75 - | 1000 12000 15000 12000 7500 | 2,6 36,5 56,3 3,4 1,2 - |
Сельское хозяйство ТГ = 1250 ч | ЛН ЛЛ ДРЛ НЛВД КЛЛ | 60 60 200 - - | 12,5 65 55 - - | 1000 12000 15000 - - | 9,2 23,8 67,0 - - |
Жилой сектор ТГ = 1500 ч | ЛН ЛЛ ГЛН КЛЛ | 100 50 35 11 | 12,5 65 18 70 | 1000 12000 2000 5500 | 97 2,8 0,2 0,03 |
Прочие ТГ = 2000 ч | ЛН ДРЛ | 100 200 | 12,5 55 | 1000 15000 | 34,3 65,7 |
Суммарные результаты расчетов по годам представлены в итоговой табл. 5. Сравнительный анализ данных табл. 5 позволяет оценить возможную годовую экономию ЭЭ в 2020 г., – 34,2 млрд. кВт·ч, что составляет 26%, а в 2020 г. – 71,8 млрд. кВт·ч (45%). Оценка таких удельных показателей, как «светообеспечение» (млм. ч/чел – выработка световой энергии на одного человека при населении России 146 млн. чел.), расход ЭЭ на одного
Таблица 5
Итоговая таблица прогноза
№ п/п | Варианты расчетов | Руст., млн. кВт | Рпотр., млн. кВт | Расход ЭЭ (уст.), млрд. кВт·ч | Расход ЭЭ (потр.), млрд. кВт·ч | Эконо-мия ЭЭ, млрд. кВт·ч | Млм. ч/ чел. | кВт·ч (уст.)/чел. | кВт·ч/ Млм. ч | |
1 | 2000г. (базовый) | 99,6 | 57,4 | 175,0 | 108,1 | 43 | 1200 | 28 | ||
2 | 2010г. | без мероприятий по энерго-сбережению | 120,0 | 71,8 | 204,4 | 131,5 | 34,2 | 56 | 1450 | 26 |
3 | с мероприятиями | 92,1 | 52,4 | 159,3 | 97,3 | 60 | 1090 | 18 | ||
4 | 2020г. | без мероприятий по энерго-сбережению | 133,4 | 80,6 | 242,6 | 157,8 | 71,8 | 67 | 1661 | 25 |
5 | с меро-приятиями | 78,8 | 45,8 | 137,9 | 86,0 | 80 | 944 | 12 |
человека (кВт·ч/чел) и расход ЭЭ на выработку 1 млм. ч световой энергии (кВт·ч/Млм·ч) приведены в той же табл. 5. Значения этих показателей свидетельствуют о том, что предусмотренные в работе мероприятия эффективны и при их реализации возможно достижение имеющегося мирового уровня.
Рис. 1. Оценка структуры парка средств освещения
Рис. 2. Прогнозируемые значения долей различных ИС
в генерируемом потоке для сферы услуг
Прогнозируемое изменение структуры парка средств освещения показано на рис. 1. Как видно из рис. 1, прогнози-руемый парк средств освещения в 2020 г. по сравнению с 2000 г. содержит меньше светильников с ЛН (в 1,35 раза) и с ДРЛ (в 1,14 раза); в то же время существенно возрастает доля светильников с ЛЛ (в 1,5 раза); с ГЛН (в 10 раз), с МГЛ (в 25 раз); с НЛВД (в 23 раза). Что касается КЛЛ, то учитывая крайне малый объем их применения в настоящее время, следует ожидать в перспективе резкое, в сотни раз увеличение парка светильников с ними, при этом прогнозируется, что парк светильников с зеркальной и призматической оптикой составит в 2010 г. 15 млн. шт., в 2020 г. – 45 млн. шт.; ЭПРА в 2010 г. – 13 млн. шт., в 2020 г. – 38 млн. шт. Доля светового потока, генерируемого разными ОП в общем парке ОУ, является реальным показателем внедрения современных энергосберегающих изделий. Для примера на рис. 2 показано прогнозируемое изменение долей различных ИС в генерируемом световом потоке для сферы услуг: доля неэффективных ЛН уменьшается в 3 раза.
В результате комплексных расчетов получены прогнозируемые энергетические затраты в светотехнических установках, а также проведена оценка структуры парка средств освещения на 2010 и 2020 гг. Рассмотренный сценарий развития и эффективности отечественной светотехники базируется на весьма реальных прогнозируемых параметрах и пока далек от потенциально теоретически возможных результатов, которые могли бы быть получены при ориентировании на самые передовые данные, прогнози-руемые такими фирмами, как GE Lighting и Osram.
Список литературы
1. Б., Р. О концепции прогноза развития светотехники. Светотехника. 2000. № 5. С. 2-4.
2. Vision 2020. А 2-year industry plan for lighting technology. USA.
3. Alfred Wacher, Stephan Muller. Lichtquellen und ihre Betrlebsgerate – Status 2000. Osram.
4. Российский статистический ежегодник. 1999.
[1] Журнал «Светотехника» № 3 – 2001 г.
Основные порталы (построено редакторами)