ФГБОУ ВПО

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра электромеханических систем и электроснабжения

Методические указания

к выполнению лабораторных работ №1, 2

по дисциплине «Энергосберегающие световые технологии»

для студентов направления 110800.68 «Агроинженерия»

(магистерская программа подготовки «Энергосберегающие технологии в сельском хозяйстве») очной формы обучения

Воронеж 2014

Составители: канд. техн. наук Л.Н. Титова, канд. техн. наук С.А. Белозоров, канд. техн. наук Д.А. Снегирёв

УДК 628.9(035)

Методические указания к выполнению лабораторных работ № 1, 2 по дисциплине «Энергосберегающие световые технологии» для студентов направления 110800.68 «Агроинженерия» (магистерская программа «Энергосберегающие технологии в сельском хозяйстве») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Л.Н. Титова, С.А. Белозоров, Д.А. Снегирев. Воронеж, 2014. 50 с.

Методические указания включают в себя описание лабораторных работ, которые содержат методику изучения осветительных установок. Во время обучения магистры изучают энергосберегающие светотехнические устройства, их параметры, характеристики, условия эксплуатации

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле МУЭнергосб.светотех. ЛР 1,2.doc.

Табл. 5. Ил. 5. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. А.В. Тикунов

Ответственный за выпуск зав. кафедрой канд. техн. наук, проф. В.П. Шелякин

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014

Лабораторная работа № 1 сравнительные исследования энергоэкономичности источников света: лампы накаливания, люминесцентные лампы, дуговые разрядные лампы высокого давления (дрл, мгл, днат)

1. Цель работы

1.1. Исследовать зависимости электрических и светотехнических характеристик различных ламп от напряжения питающей сети.

1.2. Провести сравнительный анализ энергоэкономичности исследуемых искусственных источников света.

2. Теоретические пояснения

2.1. Основные характеристики ламп

Самым массовым источником оптического излучения являются лампы, которые размещаются в светильниках.

Лампы отличаются друг от друга устройством и принципом действия, а также электрическими, светотехническими и эксплутационными параметрами.

К электрическим параметрам относятся: номинальное напряжение питающей сети U_н, В, номинальная электрическая мощность Р_н, Вт, род тока (постоянный или переменный) Iн, А.

Основной светотехнический параметр – излучаемый световой поток Фс, лм.

К светотехническим параметрам относят также световую отдачу , лм/Вт (отношение светового потока, излучаемого лампой, к ее электрической мощности), определяющую экономические показатели работы лампы.

Эксплуатационными параметрами являются: срок службы t, ч, габаритные и установочные размеры.

Отклонение напряжения питания от номинального значения существенно влияет на электрические, светотехнические и эксплуатационные параметры различных типов ламп.

Потребителя интересует целый ряд параметров ламп, которые определяют их область применения. Во-первых, это характеристики, определяющие количество света, которое дает та или иная лампа. Прежде всего, это световой поток в люменах, значение которого всегда приводится в каталогах.

Например, установленная в люстре лампа накаливания мощностью 100 Вт может иметь световой поток в 1200 лм, 35 -ваттная «галогенка» - 600 лм, а натриевая лампа мощностью 400 Вт в светильнике, освещающем проезжую часть, - 48 000 лм. Легко заметить, что разные типы ламп имеют разную световую отдачу, определяющую эффективность преобразования электрической энергии в свет, т.е. разную экономическую эффективность применения.

С количественными, энергетическими характеристиками ламп очень тесно связаны параметры, определяющие качество света, – цветовая температура Тцв, К и цветопередача (характеризуется индексом цветопередачи Rа).

Цветовая температура (спектрофотометрическая или колориметрическая температура, обозначается Тцв) — характеристика хода интенсивности излучения источника света как функция длины волны в оптическом диапазоне. Согласно формуле Планка цветовая температура определяется, как температура абсолютно чёрного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона (длина волны), что и рассматриваемое излучение. Характеризует видимый цвет источника.

Цветовая температура источника света:

характеризует спектральный состав излучения источника света,

является основой объективности впечатления от цвета отражающих объектов и источников света.

По этим причинам она определяет ощущаемый глазом цвет предметов при наблюдении в данном свете (психология восприятия цвета).

В связи с тем, что цвет объекта зависит и от его собственных спектральных свойств, и от характера освещения, в технике стандартизуют наиболее распространённые источники света, прежде всего по цветовой температуре.

Так, источник дневного света (Д65) с цветовой температурой 6500 К имеет в своём спектре существенную ультрафиолетовую составляющую. Хотя человеческий глаз не воспринимает ультрафиолетовые лучи, многие объекты (в т. ч. красители) способны светиться под их действием.

Шкала цветовых температур распространённых источников света:

800 К — начало видимого темно-красного свечения раскалённых тел;

2000 К — свет пламени свечи, натриевой лампы высокого давления;

2360 К — лампа накаливания, вакуумная лампа;

2800—2854 К — газонаполненные лампы накаливания с вольфрамовой спиралью;

3200—3250 К — типичные киносъёмочные лампы;

3800 К — лампы, используемые для подсветки мясных продуктов в магазине (имеют повышенное содержание красного цвета в спектре);

5500 К — прямой солнечный дневной свет;

6200 К — близкий к дневному свет;

6500 К — стандартный источник дневного белого света, близкий к полуденному солнечному свету;

7500 К — дневной свет, с большой долей рассеянного от чистого голубого неба;

10000 К — источник света с «бесконечной температурой», используемый в риф-аквариумах (актиничный оттенок голубого цвета).

Качество цвета и света

В жилых интерьерах традиционно используются лампы теплого тона (Tцв=2700–3000 К), способствующие отдыху и расслаблению. В свете таких ламп наиболее естественно выглядят лица людей. В офисных интерьерах уместнее более "холодные" лампы (Tцв=3000-4000 К). Лампы с Tцв=4000–4200 К прекрасно подходят для ландшафтного освещения, подчеркивая изумрудную зелень растений, тогда как, скажем, стандартные галогенные лампы с Tцв=3000 К для этой цели слишком "желтят". В световой архитектуре информация, содержащаяся в цветности света, используется для организации пространства: автомобильные магистрали традиционно выделяются желто-золотым светом натриевых ламп, пешеходные пространства – более холодным светом. Сходные приемы могут применяться и в интерьере.

Чем более сплошной и равномерный спектр имеет лампа, тем более различимы цвета предметов в ее свете. Главный для нас источник света – Солнце – имеет сплошной спектр излучения и наилучшую цветопередачу, при этом Тцв меняется от 6000 К в полдень до 1800 К в рассветные и закатные часы. Далеко не все лампы могут сравниться с Солнцем. Если искусственные источники теплового излучения – традиционные и галогенные лампы накаливания – благодаря сплошному спектру не имеют особых проблем с цветопередачей, то разрядные лампы, имеющие в своем спектре полосы и линии, зачастую передают цвета предметов довольно своеобразно. В каталогах ламп, как правило, указывают общий индекс цветопередачи Ra, определяемый на основании оценки качества передачи цвета 8 эталонных цветных образцов. Ra тепловых ламп равен 100 (максимальное значение), для разрядных он колеблется от 20 (натриевые лампы) до 95 и даже 98. Правда, Ra не позволяет сделать вывод о характере передачи цветов, а иногда даже может дезориентировать. Так, люминесцентные лампы с трехполосным люминофором (Ra=80) и белые светодиоды (декларируется Ra до 85) имеют Ra, соответствующий "хорошей" цветопередаче. Зачастую они неудовлетворительно передают некоторые цвета.

Помимо цветовой температуры выделяют ещё параметр смещения (англ. tint) — степень отклонения цвета в зелёный или пурпурный. Вместе с температурой эти два параметра позволяют описать любой монохроматический свет. Понятие смещения чаще всего используется в фотографии, где некоторые объективы дают существенное смещение в зелёный цвет. Различные источники света характеризуются не только различной температурой, но и смещением (например, лампы дневного света имеют смещение в пурпурный или зелёный).

2.2. Сравнительный анализ характеристик ламп

В настоящее время в России большое внимание уделяется проблемам энергосбережения, решение которых возможно путем вывода из производства низкоэффективных источников света (ИС) и замены их источниками света высокой энергоэкономичности, обеспечивающих высококачественное освещение. Для оценки энергоэффективности современных ИС необходимо провести сравнительный анализ их основных характеристик.

Лампы накаливания.

Лампа накаливания (ЛН) состоит из цоколя, вольфрамовой нити накаливания, помещенной в стеклянную колбу, в которую закачан инертный газ. Несмотря на низкую стоимость, по сути, является нагревательным прибором, т.к. только 5% энергии преобразуется в свет, а остальные 95% – в тепло. Световая отдача ЛН 10–15 лм/Вт. В связи с этим сплошной спектр лампы накаливания имеет максимум в инфракрасной области и плавно спадает с уменьшением длины волны. Такой спектр определяет теплый тон излучения (Tцв=2400–2700 К) при максимальной цветопередаче (Ra=100). К недостаткам можно отнести высокую рабочую температуру и чувствительность светового потока к изменениям напряжения, а также очень короткий срок службы (t=1000 ч). Применяются ЛН в бытовом и декоративном освещении.

Обозначение ламп накаливания общего назначения в соответствии с ГОСТом 2239-79 включает буквы (от одной до четырех): В - вакуумная; Г –газонаполненная (аргон 86% и азот 14%); Б - биспиральная и БК - биспиральная с криптоновым наполнителем (криптон 86% и азот 14%); МТ – с матированной колбой; МЛ - в колбе молочного цвета; О - с опаловой колбой и т.д. После буквенного обозначения следуют цифры, показывающие диапазон напряжения питания в вольтах, на который рассчитана лампа. За номинальное принимается напряжение середины диапазона. Далее через дефис - номинальная мощность лампы в ваттах.

Галогенные лампы.

Галогенные лампы (ГЛН) – это современный вариант ЛН. Добавление галогенидов (йод, фтор, бор) в колбу лампы, использование особых сортов кварцевого стекла, "останавливающего" УФ, "возвращение" теплового излучения на спираль лампы с помощью специальных отражателей – эти технологические новшества позволили выделить ГЛН в особый класс ИС. Световая отдача современных ГЛН составляет около 30 лм/Вт. Типичное значение цветовой температуры – Тцв=3000 К. Существуют также ГЛН "дневного света" с Тцв=4000–4200 К и даже 6000 К. Цветопередача у них максимальная (Ra=100). "Точечная" форма лампы позволяет управлять шириной "луча" в широких пределах с помощью миниатюрных отражателей. Еще одно их преимущество в том, что количество и качество света, даваемого лампой, постоянно в течение всего срока службы. Недостатки ГЛН очевидны: недостаточная световая отдача и относительно короткий срок службы (в среднем 2000–4000 часов). ГЛН чувствительны к нагрузками и может перегореть при увеличении напряжения уже на 5%. Для длительного использования их рекомендуется включать через стабилизаторы напряжения. Еще один минус это повышенное тепловыделение (500^O С). Не рекомендуется брать ГЛН голыми руками, т.к. на них могут остаться жирные следы. Так, при высокой температуре жир обугливается, а черные части в свою очередь притягивают тепло, лампа перегревается и может взорваться.

Люминесцентные лампы.

Люминесцентная лампа (ЛЛ) состоит из баллона или трубки, наполненной парами ртути и инертным газом, подогреваемых катодов. На внутренние стенки трубки нанесено люминофорное покрытие, преобразующее ультрафиолетовое излучение газового разряда в видимый свет. Лампы с трехполосным люминофором более экономичны (световая отдача до 104 лм/Вт), но обладают худшей цветопередачей (Ra=80), с пятиполосным люминофором имеют отличную цветопередачу (Ra=90-98) при меньшей световой отдаче (до 88 лм/Вт). ЛЛ обеспечивают мягкий, равномерный свет, но распределением света в пространстве трудно управлять из-за большой поверхности излучения. Для работы ЛЛ необходима специальная пускорегулирующая аппаратура (ПРА). Одно из главных преимуществ ЛЛ – долговечность (срок службы до t=20 000 ч). Благодаря экономичности и долговечности ЛЛ стали самыми распространенными источниками света в офисах предприятий. К недостаткам можно отнести наличие стробоскопического эффекта, который вызывает неприятные ощущения для глаз. При неправильном включении (без защитных конденсаторов в пускорегулирующем устройстве) ЛЛ становятся источниками радиопомех. Эти лампы требуют повышенных мер безопасности при утилизации из-за применения в них веществ, содержащих ртуть.

Новым поколением ЛЛ выступили КЛЛ – компактная люминесцентная лампа. По своим параметрам КЛЛ приближаются к линейным ЛЛ (световая отдача до 75 лм/Вт, Тцв=2700–6000 К, Ra=80 и более), обладая большим срок службы - t=8000 ч. Они прежде всего предназначены для замены ламп накаливания.

Типовые диапазоны цветовой температуры при максимальной светоотдаче современных люминесцентных ламп с многослойным люминофором:

2700—3200 К,

4000—4200 К,

6200—6500 К,

7400—7700 К.

Обозначение газоразрядных ламп по ГОСТ 6828-91.

Люминесцентные лампы различают по форме и размерам колбы, мощности и спектральному составу или цветности излучения. Выпускаемые промышленностью типы отечественных ламп: ЛВ, ЛД, ЛТБ, ЛХБ и др. (ГОСТ 6828-91) отличаются друг от друга только составом люминофора, следовательно, и спектральным составом излучения. Буквы, входящие в наименование этих типов ламп, означают: Л- Люминесцентная, Б-белая, Д-дневная, ТБ-тепло-белая, Е-естественная, БЕ-белая естественная, ХЕ-холодная естественная, УФ-ультрафиолетовая, КЗС, Г-красная, зелёная и голубая, Ф-фотосинтетическая, Р-рефлекторная, У-U-образная, К-кольцевая, Б-быстрого пуска, А-амальгамная. Среди ламп указанных цветностей различают ещё лампы с улучшенным спектральным составом излучения, обеспечивающие получение хорошей цветопередачи освещаемых предметов. В обозначении этих ламп после букв, характеризующих цветность излучения, добавляют букву Ц (ЛДЦ, ЛХБЦ ) и др. Люминесцентные лампы выпускают мощностью 4, 6, 8, 13, 15, 18, 20, 22, 25, 30, 36, 40, 58, 65, 80, 125 и 120 Вт. Средняя продолжительность горения люминесцентных ламп – не менее t=1200 ч., световая отдача 25,0...67,5 лм/вт. Лампы рассчитаны таким образом, что оптимальным условиям их работы соответствуют температура 18...25ºС (от 5 до 55ºС) и относительная влажность воздуха - не более 70 %.

Индукционная лампа.

Представляет собой безэлектродную лампу (отсутствие нитей накала, электродов), состоящую из колбы, наполненной газом, внутренняя поверхность которой покрыта люминофором. Электронный блок, магнитное кольцо вокруг трубки и индукционная катушка создают газовый разряд в высокочастотном электромагнитном поле, благодаря чему лампа начинает светиться. Отсутствие нитей накала и электродов позволяет повысить долговечность и мощность лампы. К достоинствам индукционной лампы можно отнести очень высокий срок службы (t=60000 ч и более), высокую эффективность и светоотдачу (>80 лм/Вт), низкое энергопотребление (в 10 раз эффективнее ЛН, в 2 раза – КЛЛ), мгновенное включение, отсутствие мерцаний, высокий индекс цветопередачи Ra>80, широкий диапазон цветовых температур, низкую температуру нагрева лампы (до 850^OС). Следует отметить, что уровень светоотдачи в перспективе может достигнуть 120 лм/Вт, диапазон мощностей – от 30 до 400 Вт. Срок службы достигает t=150000 часов. К недостаткам можно отнести весьма высокую стоимость. Применяться могут как для наружного, так и внутреннего освещения, особенно в местах, где требуется постоянное круглосуточное освещение (производственные, складские и с/х помещения, строительные площадки, парковочные места, тоннели, улицы).

Разрядные лампы высокого давления.

Принцип действия – свечение наполнителя в разрядной трубке под действием дуговых электрических разрядов. Два основных разряда высокого давления, применяемых в лампах, – ртутный и натриевый. Оба дают достаточно узкополосное излучение: ртутный – в голубой области спектра, натрий – в желтой, поэтому цветопередача ртутных (Ra=40–60) и особенно натриевых ламп (Ra=20–40) оставляет желать лучшего. Добавление внутрь разрядной трубки ртутной лампы галогенидов различных металлов позволило создать новый класс источников света – металлогалогенные лампы (МГЛ), отличающиеся очень широким спектром излучения и прекрасными параметрами: высокая световая отдача (до 100 лм/Вт), хорошая и отличная цветопередача Ra=80–98, диапазон Tцв от 3000 К до 6000 К, средний срок службы около t=15 000 часов. Один из немногих недостатков МГЛ – невысокая стабильность параметров в течение срока службы – успешно преодолевается с изобретением ламп с керамической горелкой. МГЛ успешно и разнообразно применяются в архитектурном, ландшафтном, техническом и спортивном освещении. Еще более широко применяются натриевые лампы. На сегодняшний день это один самых экономичных источников света (до 150 лм/Вт). Огромное количество натриевых ламп используется для освещения автомобильных дорог. Натриевые лампы часто "из экономии" используются для освещения пешеходных пространств, что не всегда уместно из-за проблем с цветопередачей. Разрядные лампы применяют для наружного освещения, в прожекторах.

Светодиоды.

К основным преимуществам относятся: высокая эффективность (на 50-80% эффективнее ртутных, натриевых, ГЛН ламп) и низкое энергопотребление, высокий уровень светоотдачи (>80 лм/Вт), длительный срок службы (работают дольше в 5-10 раз, чем натриевые, и в 10-15 раз, чем ртутные лампы), экологическая чистота (не содержит ртути и вредных материалов, низкое потребление энергии, что снижает общие выбросы СО₂  при выработке ЭЭ). При свечении светодиода отсутствуют мерцания. Широкий диапазон цветовых температур (2700-10000К). Индекс цветопередачи Ra>80, высокая яркость и насыщенность. Спектр излучения более равномерный, чем у ЛЛ, что благоприятно сказывается на восприятии света. Отсутствует УФ-излучение. Просты в эксплуатации, имеют малые габариты, высокую виброустойчивость и ударопрочность. Могут применяться в любом освещении: уличном, промышленном, архитектурном, ландшафтном, интерьерном. Благодаря значительным капиталовложениям в эту область, наблюдается стремительное увеличение эффективности и масштабов применения, которое сохранится надолго, поскольку основные тенденции развития сегодняшней светотехники – это увеличение энергоэффективности освещения, низкое энергопотребление и экологичность. К недостаткам СД можно отнести высокую стоимость.

2.3. Сравнительная характеристика светотехнических и эксплуатационных характеристик ламп различных типов приведена в табл.1.

Таблица 1

Тип лампы	Световая отдача, h, лм/Вт	Во сколько раз ярче обычной лампы накаливания, той же мощности	Средний срок службы t, ч
Лампы накаливания общего назначения ЛОН	18-22	1	1000

Продолжение табл. 1

Линейные галогенные лампы накаливания 2-цокольные (типа КГ, HALOLINE, Plusline, цоколь R7s)	18-22	1	2000
Зеркальные галогенные лампы накаливания (типа DECOSTAR, HALOSTAR, DICHRO  и др.)	25-30	1,5	2000-3000
Линейные люминесцентные лампы (тип ЛБ, ЛД, TLD Philips, L-Osram)	60-80	4	10000-15000
Компактные люминесцентные лампы (энергосберегающие различного исполнения, мощность от 5 до 85 Вт)	50-60	3,5	8000-15000
Ртутные лампы высокого давления с люминофором (типа ДРЛ, HPL-N, HQL)	45-55	2,5	12000-15000
Металлогалогенные лампы (тип ДРИ,  HPI-T, MHN-TD, HQI-T, HQI-TS)	70-100	4,5	5000-12000
Натриевые лампы высокого давления (типа ДНаТ, SON-T B, NAV T)	90-130	5,5	10000-20000