Исследование энергоэффективности наружных осветительных установок при проектировании с применением лазерного сканирования
На правах рукописи
ТОЛКАЧЕВА КСЕНИЯ ПЕТРОВНА ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НАРУЖНЫХ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ Специальность 05.09.07 – Светотехника
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Саранск 2013 1
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Научный консультант: доктор физ.-мат. наук, профессор Лисицын Виктор Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Свешников Виктор Константинович кандидат физико-математических наук Бочканов Петр Васильевич
Ведущая организация: ФГАОУ ВПО "Сибирский федеральный университет"
Защита состоится «22» мая 2013 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.13 при ФГБОУ ВПО "Мордовский государственный университет им. Н.П.Огарева", II корпус по адресу: 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д.68, ауд.243.
С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Мордовский государственный университет им. Н.П.Огарева" Автореферат разослан «20» апреля
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.117. кандидат технических наук С.Д.Шибайкин ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы. Наружное освещение (НО) является неотъемлемой частью благоустройства городов, обеспечивает комфортабельную среду, безопасность автомобильного и пешеходного движения в темное время суток. В мире примерно 19% вырабатываемой электроэнергии (ЭЭ) тратится на освещение, в России – около 15% [1];
в наружных осветительных установках (ОУ) большая часть приходится на архитектурное и утилитарное освещение. Анализ работ отечественных и зарубежных авторов (Кнорринга Г.М., Карачева В.М., Гарднера К., Андриана В. и др.) выявил наиболее существенные аспекты рационализации наружных ОУ:
повышение эффективности источников света и световых приборов;
совершенствование систем освещения, т.к. значительная часть светового потока в наружных ОУ направляется или отражается вверх, создавая потери энергии на световое загрязнение (СЗ) городов;
совершенствование технологии проектной деятельности и оценка "оптимальности" результатов проектирования.
Актуальными являются вопросы проектирования систем наружного освещения и энергоэффективности освещения. Архитектурное освещение (АО) – сложная многоаспектная задача, в которой большое число светотехнических и архитектурно-художественных требований часто противоречат друг другу.
Совершенствование АО связывают с массовым применением компьютерного моделирования, но подходы в нем далеки от совершенства: часто модель здания или сооружения строится из набора стандартных геометрических объектов (куб, плоскость, цилиндр, сфера и т.п.), или представляет фотографию, «раскрашенную» средствами Photoshop или аналогичного пакета. Для эффективного моделирования необходимо строить 3D модель, максимально приближенную к реальности;
проведение таких работ традиционными методами чрезвычайно трудоемко, но стремительное развитие геодезической техники и технологий позволяет их выполнять с высочайшей производительностью и точностью: наземные лазерные сканеры могут обеспечить съемку объектов с размерами до сотен метров при соблюдении в ряде случаев миллиметровой точности. Вопрос о неизбежности перехода на компьютерные технологии в научных исследованиях не является дискуссионным. Однако сопряжение светотехнических программ и выходных данных от наземных лазерных сканеров позволит в дальнейшем решить многие вопросы комплексного учета всех факторов, влияющих на трудоемкость проектирования ОУ. Необходимо разработать такие методы, которые будут отражать спектральные, светотехнические и проектные аспекты.
Цель работы. Создание методик оценки и повышения эффективности наружных ОУ и моделирование наружных систем с применением лазерных технологий.
Задачи исследований. Для достижения указанной цели в диссертационном исследовании было необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать системы освещения улиц г.Томска и разработать подходы к выбору "почти идеальной" КСС светодиодного светильника для НО;
2. Представить аналитический и компьютерный расчеты поля двухмерного излучателя (ДИ) с косинусно-степенным светораспределением и изучить погрешность при расчетах, если рассматривать такой ДИ как равнояркий;
3. Разработать методику расчета светового загрязнения, создаваемого одиночными и расположенными вдоль одной линии световыми приборами (СП);
4. Создать методику расчета стоимости световой энергии и смежных параметров как критерия при оптимизации ОУ;
5. Разработать алгоритм сопряжения светотехнических программ и программ обработки 3D модели от лазерного сканирования объектов.
Объектом исследования являются свето- и электротехнические, а также экономические характеристики наружных ОУ (функциональных уличных и архитектурно-декоративных).
Методы исследования: решение поставленных задач осуществлялось на основе теоретических анализов и аналитических расчетов на ЭВМ с помощью специализированных программных пакетов MSolidWorks, 3DMax, DIALux.
Научная новизна исследования включает методики:
расчета "идеального" (создающего Еconst) светодиодного СП для функционального уличного освещения;
аналитического описания светового поля ДИ с косинусно-степенным светораспределением и погрешности при расчете ДИ как равноярких;
расчета прямых потоков от одиночных СП\ световых линий, создающих световое загрязнение;
расчета стоимости световой энергии и смежных показателей с учетом влияния светотехнических и экономических факторов на эффективность ИС и ОУ в целом;
алгоритма сопряжения светотехнических программ и программ обработки 3D модели от лазерного сканирования объектов.
Работа построена по блочному принципу, включает блоки:
светотехнический, технико-экономический, проектный (лазерное сканирование как современный подход к проектированию освещения).
Практическая значимость работы: разработанные в ходе диссертационных исследований методики расчета светильников, светового поля, светового загрязнения могут найти применение в проектировании наружных ОУ и в решении задач экологического и энергетического мониторинга;
лазерное сканирование ускоряет проектирование и делает его точнее;
результаты исследований используются в учебном процессе Томского политехнического и Красноярского государственного аграрного университетов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Методика расчета кривой силы света (КСС) светодиодных СП для функционального (уличного) освещения, обеспечивающей равномерное распределение освещенности;
2. Методика расчета светового поля в установках НО с большим числом светодиодов, образующих двухмерный излучатель и оценка погрешности при расчете такой установки по формулам для диффузного излучателя.
3. Методика расчета прямых потоков от одиночных СП и световых линий, создающих световое загрязнение;
4. Методика расчетов отношения световой энергии к стоимости установки и к мощности ИС как объективных и достоверных критериев экономичности ИС и установки в целом и оценка энергетических потерь;
5. Методика использования лазерного сканирования в проектных задачах, разработка алгоритма совместимости выходных данных от сканера со светотехническими программами.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на: Российской светотехнической интернет-конференции (2009 г.);
международных научно практических конференциях «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2009, 2010, 2011, 2012 г.г.);
международной научно-технической конференции «Инновационные методы в архитектуре и градостроительстве», г.Саратов, 2009);
научно-технических конференциях по светотехнике и осветительной технике "Молодые светотехники России" (международные специализированные выставки по светотехнике и осветительной технике, г. Москва, 2009, 2010, 2011, 2012 г.г.);
международной научно-практической конференции «Неделя науки СПбГПУ», г.
Санкт-Петербург, 2010, 2011гг.);
VII Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (г.Кемерово, 2011г.);
международной заочной научно практической конференция "Энергетика в современном мире" (г.Чита, 2011г.);
ХVI Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г.Томск, 2011г.);
Всероссийских научно практических конференциях «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (г. Красноярск, 2009,2010,2011г.г.);
V Всероссийской научно-технической конференции "Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования" (г.Томск, 2012г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ в отечественной научной периодике и материалах международных, всероссийских и региональных конференций;
опубликовано учебное пособие «Световое поле в установках наружного освещения» (2010г.) для магистрантов-светодизайнеров по специальности "Светотехника и источники света".
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и электронных ресурсов из 101 библиографической ссылки и приложений. Работа содержит 122 страницы основного текста, включает 33 рисунка и 56 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность диссертационной работы и сформулированы основные цели и задачи.
В первой главе рассматриваются некоторые аспекты функционального и архитектурного наружного освещения, а также вопросы оптимизации источников света (ИС) и световых приборов (СП). Выполнен анализ влияния освещения на криминальную обстановку и статистику ДТП;
показано, что улучшение качества освещения и доведение НО до нормативных требований позволяет снизить количество ночных ДТП на 14-53 %;
(с пешеходами на 40 %;
с летальным исходом на 48-65 %) [2].
При проектировании ОУ используются стандартизованные модели дневного и ночного зрения согласно ISO 11664, CIE 19.22-1981, CIE 86-1990, а также российские СНиП 23-05-95* «Естественное и искусственное освещение» и новый Свод правил 52.13330.2011, который заменяет действовавший ранее документ. На основе анализа СП 52.13330.2011 представлена структурная связь его существенных элементов между собой и с другими нормативными документами.
Вторая глава посвящена методам расчета утилитарного, архитектурно декоративного освещения, анализу систем освещения городских улиц и оценке светового загрязнения.
Сегодня в системах уличного освещения массово внедряются светодиодные источники, во многих городах реализуются проекты по реконструкции ОУ (замена ДНаТ ламп на СД). В табл.1 представлены нормативные требования и даны результаты реконструкции систем освещения улиц, распределение освещенности на дорожном полотне представлено в диссертации.
Таблица 1. Нормативные требования (тонированы) и основные показатели наружного освещения улиц 1\ 2\\ 3 до2) и после3) реконструкции Нормативные требования по Показатели по улицам 1\ 2\\ СП 52.13330.2011 (тонированы) 37 \ 232) 30,2\18,67\\18,713) Освещенность Еср = 30 лк Отношение Еmin/Emax 0,6 0,0193\0,1213\\0, 0,06\0,062) 3) Мощность Р световой точки,170\400\\400 Вт1) 183\3052) 161\234\\2343) 0,20\0,0752) 0,187\0,0793) Относительное значение освещенности, лк/Вт (частный случай критерия ·S-1, где (влияние реконструкции на – световая отдача, S – площадь значения еотн – в пределах элементарного поля) погрешности измерений) 4) Значение освещенности, приходящейся на 88,9\27 82,5\28, единицу удельной мощности, лк/Втм- Примечания: 1)данные о мощности условные – соответствуют нормативной освещенности;
2)СП с ДНаТ лампами;
3)СП с СД;
4)величина, обратная удельной относительной мощности (бльшие значения Е/w на ул.Нахимова не являются достоинством ввиду резкой неравномерности Е по полотну) Расчеты утилитарных уличных ОУ довольно сложная область светотехнического проектирования. Важным аспектом является правильный выбор ИС и конструктивного исполнения СП (влияет на светотехнические и эксплуатационные параметры).
Поставлена задача выполнить светотехнический расчет СД-светильника с целью минимизации потерь (наиболее эффективного использования светового потока);
ее решение приведет к снижению расхода ЭЭ на единицу освещенности.
Поскольку E I cos r 2 I cos 3 h 2, то для создания на участке ОД (рис.1) E const необходима КСС:
I I 0 sec3 I 0 d 2 h 2 1.
(1) Выполнить условие E const в интервале 0 90 невозможно физически (необходим ИС с Ф ), но в интервале 0...45 – реально (рис.2, область А), труднее в интервале 45...60 (зона Б) из-за технологических (с теплоотводом при росте мощности) проблем. В диссертации дается методика расчета на основе LED ТМ Xlight (XLD-AL1X06-01 и XLD-AL1X09-01). Подобранные светодиодные линейки имеют концентрированную КСС, что дает уникальное достоинства LED как mini-СП - самостоятельного излучателя.
Источник света 2~72° 1~45° Рис. 2. Е=const благодаря: росту Ф по Рис.1. К выводу уравнения зонам (в области А+Б):
освещенности в области ОД;
при I~(cos)-3 обеспечивается Е=const "компенсирующему усилению" (из зоны 60°...72°) для области В (углы 1 и 2 объяснены в работе) Требуемая КСС (в поперечной плоскости СП) представлена на рис.3, где линии 1, 2 дают (идеальные) зависимости силы света I = I ( ), при I 0 1cd, для области 450 (ордината слева) и области 450...60 (справа).
Принимается следующая стратегия:
в области А 0... 45 реализуется зависимость по линии 1 (рис. 3);
в области Б 45...60 сохраняется полученное предельное значение 3I 0 ;
«недобор» силы света в области 45...60 компенсируется добавлением LED, излучающих из области углов 60 на СП Ориентация LED на поверхности СП показана на рис. 4. Данная методика позволяет рассчитать почти «идеальную» КСС при использовании СП на тросах вдоль протяженных улиц и обеспечить (почти) постоянное значение освещенности в продольном направлении;
благодаря этому эффект «световых капелей» исключается.
Рис.4. Ориентация осей Рис.3. Отношение силы света I к осевому светодиодов при 10-градусных значению;
для 45 – ось ординаты слева, для зонах (легенда к рис.3 приведена в 45 – справа;
сила света при 60 – как для работе для двух диапазонов углов:
60 (обозначение линий приведено в легенде) 60 и Легенда к рис. Линии Характеристика линий и (ниже) областей на рис. Полукубическая парабола y tg 2 1, где tg=d/h по рис. 1, 3, 4 10-градусных Функция I I 0 1 (для больших 9- градусных и распределении значений – область Б на м5, мощностей, указанном в работе рис.3 справа) при зонах Область 0...60 на рис. 4 Область 60 0 на рис. Оси всех LED нормальны к Оси всех LED (почти) параллельны цилиндрической поверхности СП – и нацелены в точку с используется нетрадиционное и важное d=h·tg60=1.73h;
именно в этой преимущество LED: здесь требуемая области трудно создать E E т.О, что КСС обеспечивается не геометрией и может быть причиной больших отражателя или преломлятеля, а (zzнорм) значений коэффициента ориентацией осей самих LED (при неравномерности (поэтому необходимости в сочетании с подбором требуется тщательный анализ их яркости (потока)). значений освещенности).
Светодиодная техника внедряется не только для уличного освещения, но и вытесняет традиционные СП с МГЛ для акцентирующего (декоративного) освещения. При проектировании архитектурного освещения со светодиодными модулями (лентами) проектировщики нередко сталкиваются с проблемой отсутствия надежных данных о КСС и иных светотехнических параметрах. В некоторых случаях для ее решения ОУ, состоящую из множества светодиодных модулей, можно представить как ДИ.
Для расчета освещенности в поле ДИ традиционно используются номограммы Е.С. Ратнера;
они и другие графические аналоги формул Higbie (-Lewin) – материалы А.А. Гершуна, А.М. Данилюка, P. Moon'a, Л.Я. Шинделя и др.;
но они справедливы только при диффузных (синонимы: косинусные I=I0cos, равнояркие L=const, ламбертовы) ДИ. Если индикатриса излучения (элемента) ДИ отличается от косинусной (I=I0(m)cosm при m1), использование формул Higbie (либо графиков на их основе) может приводить к погрешности;
для ее оценки предлагается формула (2):
F1·F2=1–'q(a',b')·[f(a',b')]–1. (2) Характеристики светового поля ДИ, m N, приведены в табл. 2.
Компонента z светового вектора определяет освещенность горизонтальной (параллельной) плоскости, в формулах используются относительные геометрические параметры a'=A/H, b'= B/H, где А,B,H – длина, ширина, высота расположения ДИ;
в громоздких формулах табл. 2 штрихованные параметры a' и b' даются для компактности упрощенно – как a и b. Формулы для x- и y компонент светового вектора получены, но здесь не приводятся.
Таблица 2. Составляющая z светового поля ДИ [I=I0(m)cosm, L0=1 кд/м2] m,n Аналитическое описание функции (m+1)z=(m+1)f(a',b') b m 1 2arctg 1 Cm1 (2) a (2a 2 1 cos x) K b (2b2 1 cos x) K, K 1 2 K 1 dx dx (3) K 2K n=1,2,3… 4 K m=2n–1, b 2arctg a b 2arctg a (2a 2 1 cos x) K dx, значения J1 и J2 приведены в (6,7) (4) JK m p 1 m C ( a2 b2 1) pi 12 2 p 2 i m i a b b a 2 p 2 i p 1 2 Cm (1) 2 p2i1 2 m 2 p 2 m 2 p p p n=1,2,3… a b i p m=2n, m j m 2 j a 2 b2 1 1 2 b a a b m m 2 j arccos. (5) a 1 b a2 b2 1 2 j 1 m 2 j m j 1 2 Параметры J и D для формул (3,4,68), описывающих z-компоненту Параметр J Параметр D b (6) D1 2arctg b 2a 1 b J1 a 1 (a 2 1)0,5 arctg, (8) arctg a 2 a a2 a a b a 2 b 2 1 D2= D2(J1, D1), где параметры J1\D 2a 2 1 b, (7) J2 arctg 4a a 1 берутся по формулам (6\8) 4a3 a 2 1, 3 a2 При K3 JK=JK(JK–1,DK–1) При K3 DK=DK(JK–1,DK–1) При этом функции JK и DK: образуются из функций К–1 уровня;
могут быть интерпретированы как спирали, закрученные одна вокруг другой.
Отметим следующее: аналитическое решение для произвольного нечетного m (формулы (3,4, 68)) приводится впервые;
формула (5) была опубликована ранее;
расчет при нецелых m потребует линейной (в ответственных случаях – квадратичной, например, по Бесселю) интерполяции между значениями z компонент светового вектора для ближайших целых показателей степени;
переход от L0=1 кд/м2 к L0= осуществляется пропорциональным пересчетом.
В качестве примера предлагается расчет освещенности под козырьком со СД на здании Федерального казначейства по Томской области (рис.5).
а) б) Рис. 5. а) Фасад здания (пр.Фрунзе, 22);
) б) вид снизу на козырек с а габаритными размерами а, b) В работе рассматриваются аналитический и компьютерный способы расчета козырька со светодиодами;
алгоритм расчета представлен на рис.6. Сравнивая данные методики, можно сказать, что они близки по трудозатратам. В аналитических расчетах больше времени необходимо на вычисление самой z компоненты, в компьютерных – на создание ОУ и описание КСС СП.
Рис. 6. Алгоритм расчета z-компоненты светового вектора Освещение – мощный инструмент в руках зодчего и светотехника. При проектировании НО определяются количественные и качественные характеристики ОУ (яркость и освещенность;
показатель ослепленности и дискомфорт), типы СП и их расстановка, составляется спецификация светотехнического оборудования. Но часто имеет место шаблонная подсветка городов: типовые СП с МГЛ, нередко направленные в небо, шары молочного стекла для освещения пешеходных дорожек, создающие световое загрязнение (СЗ). Дается методика расчета потоков прямых и отраженных от стен, окон зданий, дорожного покрытия и тротуаров, а также оценка СЗ как энергетического фактора. Засветка небосвода потоками, падающими непосредственно от СП, анализируется на примере ОУ с шарами молочного стекла (Шм), созданной на пр.
Ленина в г. Томске (рис.7, а, б;
линейные и угловые размеры на рисунке – условны).
Мэрия б) а) I: 5 III: ТУСУР N M H Мэрия a ТУСУР h IV: II: b для групп II и IV Ph Рис.7. ОУ, конструктивно совмещенная с дорожным ограждением:
а) план размещения 60 светильников Шм (группы IIV) вдоль бордюрных линий;
б) положение относительно здания ТУСУРа (после инверсии – здания Мэрии) ближнего СП в т.М (координата а;
случай крепления СП к стене здания на кронштейне а=0, здесь не рассматривается), дальнего – в т.N (координата а+b).
Формулы для расчета приведены в табл.3, ей предшествуют пояснения 1,2,3.
1. Освещенная поверхность (в данном случае – стена здания) представлена как две (бесконечно длинные) полосы с относительной шириной h/a для меньшей нижней - части здания и (H-h)/a для большей - верхней - его части;
для удаленного (восточного) ряда Шм (группа IV) имеем соответственно h/b и (H h)/b, но полосу уже нельзя считать бесконечно длинной.
2. Метод предназначен для круглосимметричных СП;
Шм на торшере является таковым для полос шириной (H-h)/a и (H-h)/b, но, строго говоря, не является круглосимметричным для узких полос h/a и h/b (узел крепления Шара к опоре не прозрачен).
3. Для упрощения расчетных процедур Шм и в этой полусфере предлагается круглосимметричным излучателем;
чтобы устранить возникающую погрешность, для исключения «зоны крепления» снизим на 14% светимость (и силу света) в квадранте левой стороны нижней части Шм в точке М, с координатой а;
громоздкое обоснование опущено.
Таблица 3. Расчет прямой засветки небосвода Фпр=Фпр (i, a, b, H, h...) Группа СП Число n Значение светового потока от одного прибора (номера формул) I(IV)\\II (III) 5(25)\\22(8) Ф 1 1arctg b1 H h \\ Ф 1 arctg а H h (9) 1 Произведя упрощения (опущены), получим "поток в небо" от групп 0, II IV 2 arctg bIV aII aII bIV H h H h, II+IV: (10.1) Фпр Ф 0, I III 2 arctg bI aIII aIII bI H h H h.
I+III: Фпр Ф (10.2) продолжение табл. 0,39Ф bN aM Фпр i Обобщая, получим. (11) 2 arctg aM bN H h H h i Полагая несущественными отличия в геометрии тротуаров (т.е. приняв аIII ~ аII, bI ~ bIV), и учитывая, что группы I и III составляют только ~20% от общего числа СП, окончательно получим, что прямой поток на небосвод IV 2 Фпр Ф i 0.78 0.12 arctg bIV aII H h aII bIV H h (12) iI (arctg – в радианах;
выражение в двойных квадратных скобках – безразмерное).
Обычно проблема СЗ рассматривается с "энвайроментальной" стороны – как негативный фактор окружающей среды;
СЗ с позиций энергетики оценивается долей бесполезного светового потока (в генерируемом) и соответствующей ей электрической мощностью (пропорциональности при =var нет: Ф=Рл· ) и определяет долю "потерянной" энергии;
данный в работе анализ показывает, сколько существенны энергетические потери на Новособорной площади г.Томска ~57%, ( ~5кВт – только на ограждениях с Шм, указанных на рис.8).
Третья глава посвящена технико-экономической оценке источников света и осветительных установок. В работе принимается Ф=const, но при наличии надежных данных о зависимости потока ИС от времени эксплуатации динамика Ф(t) может быть учтена.
В качестве оптимизационных инструментов предлагается рассматривать четыре критерия, использующих понятие "световая энергия" (СЭ;
табл.4).
Функция F4 (F2', g1, g2):
не требует громоздких, характерных для методики С.А.Клюева, технико экономических расчетов всех 12 компонентов стоимости;
является "смешанной" характеристикой – сочетает оценку стоимости "базовых" элементов (ИС, СП, ЭЭ) со светотехнической, "нестоимостной" оценкой условий освещения (сомножители g1·g2);
не давая точного (адекватного) значения стоимости СЭ, может быть удобным и эффективным (вспомогательным) инструментом для сравнения конкурирующих вариантов (различных ОУ);
применима при оценке экономичности СД-светильников, поскольку в LED модулях, LED-линейках и т.п. стоимость "нетто" самих СД обычно не известна (производителем не указывается).
Таблица 4. Методики Fi оценки эффективности ИС (1, 2, 3) и ОУ в целом (4), использующие понятие "световая энергия" 1. Отношение СЭ, вырабатываемой за срок службы, к мощности Отношение СЭ к мощности ИС F1 Ф P1 (13), где Ф – световой поток ИС;
– срок службы;
Р – мощность ИС;
– световая отдача. Оценивает 2 очень существенных параметра – световую отдачу и срок службы;
«технологически» более простой показатель, чем G12=F2, однако он не продолжение табл. учитывает стоимость ИС и самый важный энергетический (эксплуатационный) параметр – тариф на ЭЭ (именно расходы на ЭЭ доминируют в затратах на наружное освещение).
2. Стоимость световой энергии, вырабатываемой за срок службы источника света 1 Стоимость СЭ F2 q Cл (Ф ) (14).
Оценивает 4 важнейших параметра ИС – световую отдачу, поток, срок службы и стоимость Сл, а также (важнейший энергетический показатель) тариф на ЭЭ – q, совокупно определяющих 80-90% стоимости СЭ;
при увеличении числа учитываемых параметров можно получить 95-96% стоимости, но формула становится более громоздкой.
Критерий использовался в большом числе работ и для широкого круга задач ранее обозначался как G2 либо как G12.
3. Световая энергия, отнесенная к единице стоимости СЭ, приходящаяся на единицу стоимости, F3 q Cл ( P )1 (15), где, q, Сл и – те же, что и в критерии 2, а Р – мощность ИС, Вт.
По существу, критерий обратен стоимости СЭ, вырабатываемой за срок службы, но отличается "светотехнической окраской" (линейной зависимостью от световой отдачи);
используются стоимость и срок службы ИС, важнейший стоимостной показатель – тариф на ЭЭ, а также мощность ИС.
4. Комплексная оценка основных параметров светотехнической установки на основе СЭ* Критерий F F2 g1 g2, ' (16), где F Cл (Ф )1 Ссп (Ф Т )1 – вклад стоимости ИС и СП;
поток Ф - в клм;
' функция gi, i=1,2 оценивают g1 q К ПРА cos – стоимость ЭЭ и сопряженные факторы;
g2 К з z сп – эффективность использования световой энергии. В этих формулах: Ссп – стоимость СП, отнесенная к 1 лампе ( в СП с СД – просто стоимость СП);
Кз – коэффициент запаса, z Еср : Еmin ;
сп – КПД прибора.
Автор признает спорность включения в одну формулу не- и стоимостных показателей (хотя размерность и соблюдается).
*Методика предназначена для оценки (сравнения) экономической эффективности: ОУ в целом (представляет факультативный и, по сути, дополнительный, внестоимостный, коэффициент – поправку на условия освещения). Следует отметить, что опыт применения F4 параметра отсутствует.
Представим расчет F2 и F3 для СД-светильников (исходные данные и результаты расчетов по двум методикам приведены в табл.5 и рис.8).
Таблица 5. Исходные данные СД-светильников ( = 50 тыс.ч, q=2,5 руб/(кВт·ч)) и значения F2 и Результаты расчетов для Ф, Р,, С, тыс.
№ Изделие, фирма клм Вт лм/Вт руб F2, руб/(Млм·ч), (клм·ч)/руб WallLine.Plus1) 1 6,3 84 75 19,11 69,73 14, Оптолюкс-Стрит-802) 2 5,7 80 71 14,9 66,46 15, 1) 3 Стрит-70 6,68 79 85 17,03 60,16 16, УСС-703) 4 7,2 75 96 18,5 56,88 17, L-BANNER 484) 5 7,3 80 91 14,55 51,68 19, 4) 6 L-STREET 48XP 8,3 90 92 17,35 52,68 18, Производители: 1)Планар Светотехника;
2) Оптоган;
3) Фокус;
4) LEDEL 1-«WallLine.Plus» (Планар Светотехника) 130 2-ОПТОЛЮКС-СТРИТ-80 (Оптоган) 3-Стрит-70 (Планар Светотехника) 6' 120 4-УСС-70 (Фокус) 5' 5-L-BANNER 48 (LEDEL) 4' 6-L-STREET 48XP-G/8424/90/Ш (LEDEL) 110 3' Критерий F2, руб/(Млм·ч) Критерий F3, (клм·ч)/руб 2' 100 1' 90 80 F 1 F 70 60 50 2 3 4 5 6 Тариф q, руб/(кВт·ч) Рис.8. Зависимость от тарифа на ЭЭ: стоимости СЭ (прямые 16);
СЭ, приходящейся на единицу стоимости (кривые 1'6') Важным элементом ОУ является электрическая сеть;
при оптимизации наружных сетей существенна роль расчетов по выбору сечения S проводниковых материалов, выбор методики расчета рассмотрен в диссертации.
В четвертой главе сравниваются особенности технического и дизайн проектирования, а также дается анализ применения лазерных технологий и спектральных характеристик материалов в проектировании освещения.
Светотехническое проектирование основано на 3D моделировании, для его реализации требуются чертежи фасадов здания или его 3D модель, созданные в специальном программном пакете по 3D моделированию. На рис.9 предложен алгоритм проектирования АО и дан анализ возможности сопряжения разных компьютерных программ для оптимизации задач информационных технологий и последовательной реализации обработки и передачи данных. Здесь (штриховыми рамками) выделены три возможности проектирования АО:
1. В светотехнической программе (в работе рассматривается только европейский продукт DIALux как наиболее распространенный среди светодизайнеров, инженеров-светотехников);
2. В графических программах ( например, 3D Max, ArchiCAD);
3. Проектирование освещения на базе 3D модели объекта по "облаку точек", полученному в результате лазерного сканирования.
Рис. 9. Алгоритм проектирования АО на базе 3D модели объекта Применение лазерно-сканирующих систем дат возможность производить съмку внешнего/внутреннего пространства объектов. Большой объм получаемой съмочной информации позволяет создавать высококачественные трхмерные точечные модели объектов с высокой точностью.
Сегодня основной проблемой применения лазерного сканирования в светотехническом проектировании является отсутствие научно-методического обоснования и алгоритмов сопряжения программных продуктов. Разработка научно и экспериментально обоснованной методики съмки архитектурных объектов с учтом современных достижений в области лазерного сканирования является актуальной задачей, востребованной в строительстве и реконструкций сооружений.
Поиск эффективных и качественно новых решений в светотехническом проектировании на основе автоматизированных и высокопроизводительных лазерно-сканирующих систем съмки архитектурных сооружений послужил основным мотивом для проведения представленных исследований.
В работе методика применения данных от лазерных сканеров в светотехническом проектировании рассматривается поэтапно (1, 2, 3).
В процессе сканирования использовался лазерный сканер ScanStation C10 ТМ Leica (точность определения положения точки – 2 мм на 50 м;
частота сканирования – 50 тыс.точек в сек.;
поле зрения – 360).
1. Процесс сканирования объекта (описан в диссертационной работе).
2. Обработка "облака точек". На рис. 10 приведены: фотография (слева) дневного вида моста и пример представления "облака точек" – Коммунального моста в г.Томске (рис.10, 11 предоставлены лабораторией И.Ю.Зыкова, ИФВТ ТПУ). Очевидна точность воспроизведения сканером реальной модели.
а б ) ) Рис. 10. Коммунальный мост, г.Томск: а) реальный вид;
б) облако точек Для обработки данных использовался метод трехмерного построения в программе SolidWorks;
она позволяет работать с данными, полученными с лазерных сканеров и лидарных систем, дает возможность анализировать, изменять и создавать 3D поверхности, чертежи. На рис. 11 представлены: фрагменты результатов после обработки "облака точек" сканированного Коммунального моста – 3D модель (слева), и чертежи некоторых элементов объекта.
б а ) ) Рис.11. Результаты обработки: а) 3D модель;
б) чертежи Варьируя различные операции трехмерного моделирования, создали правильные геометрические элементы моста, включая светотехнические опоры и СП, состоящие из простых геометрических тел.
Полученная 3D модель объекта имеет ряд преимуществ: ее можно рассматривать из любой точки;
автоматически создавать 2D чертежи;
применять для решения задачи проектирования освещения.
3. Этап собственно проектирования. Рынок светотехнических программ – постоянно растет ввиду роста требований к проектированию ОУ, создания новых ИС и СП;
инсталляции сложнейших типов световых решений (цветосветовой динамики, использования естественного света для освещения и др.). Все это побуждает разработчиков программного обеспечения к его усложнению либо к интегрированию в уже готовый продукт всевозможных дополнений (Plug-In) и расширению рынка распространения. В программе DIALux производится обработка 3D модели объекта (моста): придается реалистичность, подбирается текстура (материал, задаются коэффициенты отражения), рис.12.
Рис. 12. Пример выполненного нами импорта модели объекта в программном комплексе DIALux (слева) и результат освещения проезжей части моста Варьируя различными светотехническими решениями, разрабатываем ОУ с учетом энергоэффективности ИС и соответствия европейским стандартам.
Полученные расчеты анализируются по таблицам и изолиниям яркости / освещенности (в результатах программы). При разработке данной ОУ учитывались свето- и энергетические параметры существующих СП. На рис. видна неравномерность освещения при данной ОУ.
Важным аспектом при компьютерном проектировании освещения является правильное соответствие реального цвета, яркости, контраста поверхностей объекта и использованных текстур. В процессе измерения яркости и цвета дорожного покрытия применялся яркомер-колориметр СS-2000, который в диапазоне L0.003 кд/м2 и контрастности 100.000:1 (при Lmax=300 кд/м2) обеспечивает измерение цвета и яркости с высокой скоростью и точностью.
Полученные данные от спектрорадиометра были занесены в диалоговое окно присвоения материала в программном комплексе Dialux.
В работе решена актуальная научно-практическая задача применения при светотехническом проектировании метода трехмерного наземного лазерного сканирования и спектрорадиометра. Лазерное сканирование позволяет не только получить 3D-чертежи, но, что важно, не используя ручные методы измерения освещенности/яркости, программным способом выявить недостатки систем освещения, при этом значительно снизить временные затраты. Данные от спектрорадиометра позволяют точно передать характеристики цвета и яркости поверхностей объекта и перенести технологию проектирования на качественно новый уровень, повысить степень автоматизации.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Предложена конструкция СД-светильника для уличного освещения: по образующим полуцилиндра расположены LED – линейки с растущим в области 0о…45о потоком. Используется уникальное достоинство СД как mini-СП:
возможность скомпоновать требуемую КСС специально ориентированными LED-элементами. Светильник создает близкую к равномерной освещенность дорожного полотна – что при традиционных СП с отражателями и преломлятелями, перераспределяющими световой поток ИС, обычно недостижимо.
2. Получено аналитическое описание компонентов светового вектора (параллельное, перпендикулярное и наклонное положения) в поле ДИ с косинусно-степенным светораспределением. Предложена методика для оценки погрешности при расчете ДИ с косинусно-степенным светораспределением по формулам для Lambertian излучателя.
3. Разработаны методики оценки прямой составляющей светового загрязнения и расчета энергетических потерь при СЗ. Дана оценка целесообразности широкого распространения в наружных ОУ светильников “Шары молочного стекла”: • их можно использовать на узких (исторических) улицах (западно)европейских городов;
• на открытых пространствах Шм создают значительные потери светового потока (следовательно, и электроэнергии).
4. Предложена комплексная оценка основных параметров светотехнической установки на основе световой энергии, в которой отражены характеристики СП и ИС как одно целое. Данная методика применима при оценке экономичности СД-светильников, поскольку в LED-модулях, LED-линейках и т.п. стоимость "нетто" самих СД обычно не известна.
5. Предложен алгоритм проектирования АО, в котором сопряжены разные способы построения 3D модели для оптимизации работы. Использование лазерного сканирования и данных от спектрорадиометра совместно с различными программными продуктами дает возможность существенно сократить трудозатраты при построении модели объектов, импортировать ее без искажения в светотехнические программы и работать как с объектом в целом, так и с отдельными его элементами: обрабатывать геометрию объекта, задавать материалы элементов, разрабатывать концепции освещения.
Цитируемая литература:
1. Карачев В.М. Установки наружного освещения городов : Учебное пособие / В.М. Карачев. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007 – 152 с.
2. Фомин А. Наружное освещение и безопасность в городе // Цоколь. – 2004.
– №5. – С. 28-47.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
В ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:
1. Никитин В.Д., Пашник К.П. Погрешности при традиционном описании светового поля двухмерного излучателя // Известия Томского политехнического университета. – 2008. – Том 313. – №4. – C. 112-116.
2. Вайнштейн В.Б., Никитин.В.Д., Толкачева К.П. Расчет осветительных сетей по потере напряжения при неравномерной нагрузке фаз методом приведенной мощности // Известия Томского политехнического университета. – 2011. – Том 319. – №4. – C. 84-88.
В научных сборниках, журналах и материалах конференций:
3. Никитин В.Д., Пашник К.П. Расчет проекции светового вектора в поле ДИ // XV Международная специализированная выставка по светотехнике: Сборник тезисов докладов на научно-технической конференции "Молодые светотехники России". – Москва, 2009: Изд. ВИГМА. – C. 11 - 13.
4. Никитин В.Д., Пашник К.П. Погрешность в расчетах и описание светового поля двухмерного излучателя с косинусно-степенным светораспределением [Электронный ресурс] // Российская светотехническая интернет-конференция.
– Москва, 2009. – Режим доступа: http://nsk2009.svetotech.com (11.09.2012).
5. Зыков И.Ю., Никитин В.Д., Толкачева К.П. Методы и приемы архитектурного освещения, применения лазерного сканирования при проектировании // Инновационные методы в архитектуре и градостроительстве: материалы Международной научно-технической конференции. – Саратов, 2009: Изд. ИЦ «Наука».– С. 46-51.
6. Толкачева К.П., Никитин В.Д., Кунгс Я.А. Оценка методов и приемов архитектурного освещения // Инновации в науке и образовании: опыт.
проблемы, перспективы развития. – Красноярск, 2010: Изд. МВДЦ "Сибирь". – C. 184 - 187.
7. Никитин В.Д., Толкачева К.П. Световое поле двухмерного прямоугольного излучателя // XVI Международная специализированная выставка по светотехнике: Сборник тезисов докладов на научно-технической конференции "Молодые светотехники России". – Москва, 2010: Изд. ВИГМА. – C. 9 - 13.
8. Толкачева К.П., Шендель К.В. Применение лазерных технологий для проектирования архитектурного освещения // Современные техника и технологии. Сборник трудов XVII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Томск, ТПУ, 18– апреля 2011. – Томск: Изд. ТПУ. – Т. 3. – С. 281-282.
9. Толкачева К.П., Никитин В.Д. Проблема светодиодного освещения в общественных зданиях // V Международная заочная научно-практическая конференция "Энергетика в современном мире". – Чита, 2011.: Изд. ЗабГУ – С.80-84.
10.Толкачева К.П., Никитин В.Д. Дизайн-проект установки на люминесцентных и светодиодных лампах // Материалы XII Всероссийской научно-практической конференции. – Красноярск, 2011: Изд. МВДЦ "Сибирь". – С. 204-206.
11.Толкачева К.П., Никитин В.Д. Применение прожекторного освещения в современном городе // Материалы XII Всероссийской научно-практической конференции. – Красноярск, 2011: Изд. МВДЦ "Сибирь". – С. 196-198.
12.Никитин В.Д., Лихачева М.Г., Толкачева К.П., Кунгс Я.А. Обоснование конструкции и расчет прибора со светодиодами для освещения улиц // Материалы XII Всероссийской научно-практической конференции. – Красноярск, 2011: Изд. МВДЦ "Сибирь". – С. 190-192.
13.Толкачева К.П., Никитин В.Д. Анализ возможности применения гибридных установок для освещения // XL Неделя науки СПбГПУ : Материалы международной научно-практической конференции. – Санкт-Петербург, 2011.
– Изд. Политехнического университета. – Ч. I. – С.100-101.
14.Толкачева К.П. Особенности дизайн-проекта и технического проектирования// IX Международная конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук»: Сборник научных трудов. – Томск, 24- апреля, 2012: Изд. ТПУ. – С.794-796.
15.Толкачева К.П., Никитин В.Д., Вайнштейн В.Б. Экономия материала проводника при расчете сечений по потере напряжения // Материалы V Всероссийской научно-технической конференции. – Томск, 17-18 мая, 2012:
Изд. ТПУ. – С.159-161.
16.Толкачева К.П., Никитин В.Д. Экономия материала проводника при расчете сечений по току нагрева // Материалы V Всероссийской научно-технической конференции. – Томск, 17-18 мая, 2012: Изд. ТПУ. – С.161-163.
17.Никитин В.Д., Толкачева К.П. Световое поле в установках наружного освещения. // Уч.пособие для... магистрантов-светодизайнеров. Изд-во Томского политехнического университета. – Томск. – 2011. – 113с.