Аннотация

Приведены оценки энергетических характеристик трубчатых светодиодных (СД) ламп и обеспечиваемого ими уровня зрительного комфорта. Измерения и расчёт равномерности распределения и уровня освещённости, потребляемой мощности, полного коэффициента гармонических искажений и коэффициента мощности в случаях трубчатых люминесцентных ламп (ЛЛ) и трубчатых СДЛ  позволили провести количественное  сравнение двух соответствующих осветительных установок.  Качественные характеристики определялись применительно к решению зрительных задач по оценке впечатления, создаваемого помещением, и восприятию изменений системы освещения. Показано, что по качеству освещения СДЛы не отличаются от ЛЛ. Данные об освёщенности, блёскости и зрительном облике демонстрируют отсутствие различий зрительного восприятия при использовании ламп двух этих видов. С другой стороны, использовавшиеся в этих полевых испытаниях СДЛ дают 22,8%-ную экономию  электроэнергии, причём неизбежное совершенствование СДЛ может привести к тому, что экономия эта превысит 60 %. Так что в плане энергоэффективности трубчатые СДЛ могут использоваться как альтернатива трубчатым ЛЛ.

Ключевые слова: трубчатые люминесцентные лампы, трубчатые светодиодные лампы, энергетические характеристики, энергосбережение, качество освещения, зрительный комфорт.

1. Введение

Повышение энергоэффективности систем освещения при сохранении и/или улучшении удовлетворённости пользователей находится в центре внимания исследователей условий труда. Так как миллионы людей проводят на работе существенную часть своего времени, то искусственное освещение их рабочих мест должно обеспечивать быстрое, качественное и лёгкое выполнение порученной им работы. Так что освещение имеет экономическое измерение [1].

Исследования взаимосвязи между освещением и условиями труда подчёркивают существенное влияние окружающей среды на производительности труда. Эта проблема изучалась многими исследователями, которые концентрировали своё внимание на разных вопросах, таких как свет, цвет и управление потреблением электроэнергии, однако очень мало экспериментальных исследований было посвящено сравнению долгосрочного влияния трубчатых ЛЛ и трубчатых СДЛ на производительность труда офисных работников. На основе рассмотрения серии экспериментальных исследований, начиная с работ Флинна (Flynn) и включая кривую Крюитхоффа (Kruithoff’scurve), работы Кюллера (Küller) и его коллег, а также модельные исследования, можно сделать научно обоснованные выводы о влиянии на производительность труда и самочувствие работников характеристик систем искусственного освещения (освещённости, обеспечения пользователя возможностью управления освещением его рабочего места и т.д.) и таких характеристик источника света, как цветовая температура и индекс цветопередачи [2–12].

В некоторых исследованиях предлагалось использовать регулировку освещённости как  возможность управления освещением. В том числе отмечалось [13], что метод такой регулировки не подходит для оценивания среднего предпочтительного уровня освещённости. Однако есть свидетельства того, что если пользователи имеют возможность выбора уровня освещённости, это усиливает их удовлетворённость зрительной средой [13]. В то же  время оценки качества освещения имеют разную степень достоверности, что говорит о необходимости проведения исследований, направленных на улучшение удовлетворённости окружающей средой, с упором на новые достижения и усовершенствования техники освещения.

С другой стороны, был проведён ряд исследований энергоэффективности и качества освещения при прямой замене в светильниках ЛЛ на трубчатые СДЛ [14, 15]. Эти исследования показали наличие потенциальной возможности экономии энергии, притом, что серьёзное внимание следует обращать и на качество освещения. Учитывая наблюдавшееся в последние годы быстрое развитие светодиодной техники, имеется потребность в проведении соответствующих исследований в области энергоэффективности и зрительного комфорта с учётом новых тенденций и успехов техники освещения.

В описываемых ниже исследованиях была предпринята попытка сравнить технические и качественные характеристики двух объектов: трубчатых ЛЛ и трубчатых СДЛ. Были проведены полевые исследования, являющиеся частью сравнительных исследований энергетических характеристик трубчатых ЛЛ и трубчатых СДЛ. Соответствующим образом была выбрана методика проведения исследований, включающих анализ как качественных (субъективное восприятие, оцениваемое при помощи вопросников и интервью), так и количественных (равномерность распределения и уровень освещённости, потребляемая мощность, полный коэффициент гармонических искажений и коэффициент мощности) данных. Описанные в статье исследования расширяют наши знания в этой области, позволяя анализировать и оценивать трубчатые СДЛ по их энергетическим характеристикам и обеспечиваемому ими зрительному комфорту.

2. Методика проведения экспериментов

2.1. Компоновка офиса и внешние условия

Сравнительные полевые исследования проводились в помещении без естественного освещения (шириной 3,5, длиной 7,0 и высотой 2,8 м). Оно располагалось в подвале Энергетического института Стамбульского технического университета. Измерялась мощность, потребляемая светильниками с трубчатыми лампами двух указанных видов. Трубчатые ЛЛ соответствуют типичному офисному освещению, тогда как трубчатые СДЛ – новой технике освещения. Подвесной потолок помещения – это белые акустические панели, стены выкрашены в светло-серый цвет, а пол – из светло-коричневого ламината; коэффициенты отражения потолка, стен и пола равны, соответственно, 0,86; 0,78 и 0,54.

2.2. Осветительная установка

Осветительная установка состоит из 12-ти светильников TBS 300/2 36 M5 компании Philips, имеющих размеры 30×120 см (рис. 1). Шесть из них содержат трубчатые ЛЛ (общий индекс цветопередачи R_a= 80, Т_c = 3800 К), а в остальных шести светильниках установлены трубчатые СДЛ (R_a = 72, Т_c = 4100 К). Каждый из светильников с ЛЛ присоединён к электронному ПРА и регулируется системой управления PhilipsLightmaster 100 LightingControlSystem.

Технические характеристики ламп и светильников (мощность, световой поток, световая отдача, Т_c, тип ПРА и полная потребляемая светильником мощность) приведены в табл. 1.

Система управления освещением предоставляет возможность регулировать освещённости от обеих осветительных установок, обеспечивая их равные значения. Электрические параметры, такие как потребляемая мощность, полный коэффициент гармонических искажений и коэффициент мощности, измерялись при помощи сетевого анализатора ENTESMPR-63. Интерьер офиса и осветительная установка показаны на рис. 2.

Экономия энергии определялась применительно к двум вариантам:

• Осветительная установка с трубчатыми ЛЛ мощностью 36 Вт, имеющими световую отдачу 92 лм/Вт. Мощность осветительной установки была уменьшена до 80 % и составила 342 Вт, при этом освещённость была равна 570 лк.
• Осветительная установка с трубчатыми СДЛ мощностью 20 Вт, имеющими световую отдачу 80 лм/Вт. Измеренная освещённость была при этом равна 577 лк.
• Субъективное впечатление (просторное/динамичное/воздушное и т.д. помещение).
• Восприятие изменений осветительной установки.
• Приемлемость текущего способа освещения офиса (хорошо спланировано/упорядоченно и т.д.).
• Если говорить об энергетических характеристиках, то светильники с трубчатыми СДЛ обеспечивают 22,8 %-ную экономию энергии, причём благодаря успехам в развитии светодиодной техники эта цифра может возрасти до 60 %. Так как питание СД осуществляется при помощи электронных ПРА, то коэффициент мощности можно улучшить по сравнению с установками с ЛЛ, которые обычно содержат электромагнитные ПРА. Кроме того, хорошо сконструированные электронные ПРА для СДЛ могут обеспечивать низкие значения полного коэффициента гармонических искажений.
• Исследования потребностей работников показали, что с точки зрения качества освещения привлекательность трубчатых СДЛ не уступает привлекательности ЛЛ, однако 30 % работников не предпочли ни одну из этих альтернатив. Это может объясняться тем, что трубчатые СДЛ аналогичны ЛЛ в части размеров, формы и цвета, которые влияют на мнение людей.
• В рамках этих исследований работников просили оценить интерьер по уровням освещённости, блёскости и внешнему виду помещения и объектов. Полученные результаты говорят о том, что вид ламп не оказывает никакого влияния на зрительное восприятие. Проведённый анализ продемонстрировал отсутствие влияния вида ламп (трубчатые ЛЛ или трубчатые СДЛ) на субъективное восприятие внутреннего пространства помещения (которое в рассматриваемом случае представляло собой офис).
• Результаты этих исследований подтверждают, что в случае общего освещения трубчатые СДЛ благодаря лучшим энергетическим характеристикам могут использоваться в качестве альтернативы трубчатым ЛЛ. Кроме того, они удовлетворяют требованиям к зрительному комфорту, который важен для хорошего самочувствия, производительности труда и работоспособности работников. Однако при выборе приемлемого решения необходимо учитывать и капитальные затраты.

Для измерения освещённости и Т_c использовался прибор KonicaMinoltaCL-200AChromaMeter. Осветительная установка позволяла мгновенно включать как светильники с ЛЛ, так и – с СДЛ.

2.3. Участники

В опросе участвовали 30 сотрудников-добровольцев в возрасте от 23 до 58 лет. Мы поддерживали равное количество мужчин и женщин и изменяли порядок следования участников при зрительном восприятии осветительной установки. Другими словами, первые 15 сотрудников сначала проводили зрительную оценку комнаты, освещённой   трубчатыми СДЛ, а затем – трубчатыми ЛЛ. Вторая же группа сначала оценивала комнату, освещённую трубчатыми ЛЛ, а затем – трубчатыми СДЛ.

2.4. Порядок проведения экспериментов

Участники входили в комнату по одному. Каждому предоставлялось 10 мин на адаптацию перед выполнением зрительной задачи. Последняя состояла из следующих пунктов:

Анализ энергетических характеристик двух рассматриваемых вариантов (трубчатые ЛЛ и трубчатые СДЛ) осуществлялся путём измерения равномерности распределения освещённости, потребляемой мощности, полного коэффициента гармонических искажений и коэффициента мощности.

3. Результаты

Результаты измерений для двух рассматриваемых установок при напряжении сети 225 В  приведены в табл. 2 и на рис. 3.

3.1. Характеристики осветительной установки

В данном исследовании сравнивались энергоэффективности трубчатых ЛЛ мощностью 36 Вт и трубчатых СДЛ мощностью 20 Вт. Рабочая поверхность считалась расположенной на высоте 0,75 м над уровнем пола. Уровень освещённости на рабочей поверхности измерялся в 6-ти разных точках, и его усреднённое значение оказалось равным 570 лк в случае трубчатых ЛЛ и 577 лк – трубчатых СДЛ. Уровень освещённости в помещении измерялся в 15-ти точках, и его усреднённое значение оказалось равным 533 лк в случае трубчатых ЛЛ и 506 лк – трубчатых СДЛ. В табл. 2 приведено сравнение видов ламп, уровней и равномерности распределения освещённости и значений потребляемой мощности, коэффициента мощности и полного коэффициента гармонических искажений для соответствующих осветительных установок. В ней же для показа эффективности осветительных установок приведены значения удельной установленной мощности, которая исходно предназначена для оценки потребления энергии в офисах.

Как следует из табл. 2, гибкость осветительной установки позволяет устанавливать примерно равные уровни освещённости. Измеренный уровень освещённости на рабочей поверхности оказался равным 577 лк в случае трубчатых СДЛ и 570 лк – трубчатых ЛЛ. Была рассчитана и общая равномерность распределения освещённости на рабочей поверхности, определяемая отношением минимальной освещённости к средней. Она оказалась равной 0,96 в случае трубчатых ЛЛ и 0,97 – трубчатых СДЛ. При этом измеренное значение полной потребляемой установками мощности оказалось равным 342 Вт в случае трубчатых ЛЛ и 264 Вт – трубчатых СДЛ. То есть экономия энергии составила 22,8 %.

Если по качеству энергии ориентироваться на стандарт МЭК IEC 61000-3-2 «Electromagneticcompatibility (EMC) Part 3-2: Limitsforharmoniccurrentemissions» [16], то обе установки продемонстрировали приемлемые результаты. Измеренные значения коэффициента мощности составили 0,98 и 0,99, тогда как полный коэффициент гармонических искажений оказался равным 11 % в случае трубчатых ЛЛ и 8,6 % – трубчатых СДЛ.

Как известно, в настоящее время наблюдается быстрое развитие СДЛ. Это в особенности относится к их световой отдаче, в том числе к световой отдаче трубчатых СДЛ. На сегодня  световая отдача трубчатых СДЛ составляет примерно 80 лм/Вт и в ближайшем будущем может возрасти до 150 лм/Вт. Исходя из этих тенденции и предположения, можно оценить установленную мощность трубчатых СДЛ при разных значениях световой отдачи, начиная с 80 лм/Вт. Считается, что световые потоки трубчатых СДЛ останутся неизменными, тогда как вследствие технического прогресса  их мощности упадут. В результате для различных значений световой отдачи можно получить возможную экономию энергии (рис. 3).

3.2. Зрительная работоспособность и качество освещения

Сравнение двух осветительных установок с точки зрения зрительной работоспособности и качества освещения производилось при помощи зрительной задачи. Для оценки эмоционального состояния, обусловленного каждым из источников света, был подготовлен вопросник, в котором при помощи пятибалльной шкалы оценивался целый ряд настроений и впечатлений от помещения: способствующее отдыху, привлекательное, просторное, широкое, пробуждающее, хорошо спланированное, воздушное, расслабляющее, упорядоченное, яркое [12, 13, 17, 18]. Кроме того, измерялось время, затрачиваемое на обнаружение ошибок в написании слов в печатном тексте.

3.2.1. Субъективные впечатления

Субъективная оценка восприятия производилась по пятибалльной шкале (1 – наихудшее, 5 – наилучшее). На рис. 4 показано распределение наивысших оценок (5/5) субъективного впечатления от каждой из осветительных установок. Как видно на рис. 4, в случае трубчатых ЛЛ 10 % участников считали помещение расслабляющим и привлекательным, у 10 % ощущение привлекательности возросло, 13,3 % оценили помещение как хорошо спланированное, 20 % сочли помещение просторным и широким, 6,7 % оценили его как динамичное и 16,7 % сочли освещённое трубчатыми ЛЛ помещение воздушным и способствующим отдыху. В среднем 13,3 % участников сочли помещение упорядоченным при использовании ламп обоих видов, а 10 % отметили яркость освещаемого ЛЛ помещения.

Полученные результаты были проанализированы при помощи пакета программ для обработки статистических данных в области общественных наук SPSS 17  [19]. Для анализа того, насколько существенно вид ламп влияет на субъективное восприятие, были использованы критерии Колмогорова-Смирнова и U-критерий Манна-Уитни. Зависящее от размера группы участников значение уровня значимости pбралось не большим 0,05.

Исследования показали, что вид ламп (трубчатые ЛЛ или трубчатые СДЛы) не важен с точки зрения отдыха (р = 0,458), привлекательности (р = 0,770), просторности (р = 0,557), ширины (р = 0,451), динамичности (р = 0,370), хорошей планировки (р = 0,994), воздушности (р = 0,902), расслабляющего действия (р = 0,736), упорядоченности (р = 0,237) и яркости         (р = 0,617) при p< 0,05 (табл. 3). Этот анализ показал, что вид лампы не оказывает никакого влияния на субъективную оценку интерьера (в рамках данного исследования представляющего собой офис).

3.2.2. Приемлемость освещения для офиса

Исследования показали, что при p< 0,05 вид ламп (трубчатые ЛЛ или трубчатые СДЛ) не важен при  оценке освещённости (р = 0,519), блёскости (р = 0,925) и внешнего вида помещения и объектов (р = 0,616) (табл. 4). Этот анализ показал, что вид лампы не оказывает никакого влияния на субъективную оценку изменений осветительной установки в части освещённости, блёскости и внешнего вида помещения и объектов.

4. Заключение

В связи с потребностью в снижении потребления энергии без ущерба для безопасности, качества и комфорта, в последнее время проектировщикам в качестве энергоэффективного решения при создании осветительных установок предлагаются СД-источники света, причём упор делается на их эффективность и долговечность. Для выявления реалистичных и оптимальных светотехнических решений необходимо исследовать изделия с СД на предмет энергетических характеристик, качества освещения и зрительного комфорта. Кроме того, при выборе подходящей осветительной установки следует учитывать и результаты стоимостного анализа [20].

Данные исследования проводились применительно к пространству с конкретными геометрией и организацией освещения, которое можно считать типичными для обычных офисов. Предполагалось исследовать и сравнить энергетические характеристики, качество освещения и зрительный комфорт при использовании двух видов ламп. Несмотря на особенности этих полевых исследований, мы считаем, что перечисленные ниже результаты окажутся полезными при проектировании любого офисного освещения:

Список литературы

1. Boyce, P.R. Human Factors in Lighting, Lighting Research Center. – London: Taylor and Francis, 2003.
2. American National Standard Practice for Office Lighting // Office Lighting Committe of the ESNA, ANSI / IESNA RP-1. – 1993.
3. Code for Interior Lighting, The Chartered  Engineers.– London: CIBSE, 1984.
4. ISO 8995-1: 2002 (E) / CIE S 008/E-2001 «Lighting of Work Places Part 1: Indoor».
5. Fleischer, S., Krueger, H., Schierz, C. Effect of Brightness Distribution and Light Colours on Office Staff // The 9th European Lighting Conference Proceeding Book of Lux Europa 2001, Reykjavik, 2001. – P. 77–80.
6. Sawada, H. Effects of Spatial Dimensions, Illuminance and Color Temperature on Openness and Pleasantnes // UMI Dissertation Services, Ph.D Thesis, 1999.
7. Shikakura, T., Morikawa, H., Nakamura, Y. Perception of Lighting Fluctuations in Office Lighting Environments // Journal of Light and Visual Environment. – 2003. – Vol. 27, No. 2. – P. 75–82.
8. Veitch, J.A., Newsham, G.R. Lighting Quality and Energy-Efficient Effects on Task Performance, Mood, Health, Satisfaction and Comfort // Journal of the Illuminating Engineering Society. – 1998. – Vol. 27, No. 1. – P. 107–130.
9. Manav, B.  An Experimental Study on the Appraisal of the Visual Environment at Offices in Relation to Colour Temperature and Illuminance // Building and Environment. – 2007. – Vol. 42, issue 2. – P. 979–983.
10. Manav, B.,Küçükdoğu, M.Ş.The Effects of Color Temperature and Illuminance on Pleasantness: A Case Study for Office Settings // Ingineria Illuminatului (Lighting Engineering). – 2005. – Vol. 7. – P. 16, 17–23.
11. Building Design and Human Performance/ Ed. by N. Ruck. – New York: Van Nostrand Reinhold, 1989.
12. Küller, R. Perception of An Interior As A Function of Its Interior// Proc. of the  Architectural Psychology Conference At Kigston Polytechnic, ed by Honikman B., 1970.
13. Fotios, S.A, Logadóttir, Á., Cheal, C., Christoffersen, J. Using Adjustment to Define Preferred Illuminances: Do the Results Have Any Value? // Light & Engineering. – 2012. – Vol. 20, No. 2. – P. 46–55.
14. Ryckaerta, W.R., Smeta, K.A.G., Roelandtsa, I.A.A.,  Van Gils, M., Hanselaera, P. Linear  LED  tubes  versus  fluorescent  lamps:  An  evaluation // Energy and Buildings. – 2012. – Vol.  49. – P. 429-436.
15. Ryckaert, W. R., Roelandts, I.A.A., Van Gils, M., Durinck, G., Forment, S., Audenaert, J., Hanselaer, P. Performance Of Led Linear Replacement Lamps // Light & Engineering. – 2012. – Vol. 20, No. 1. – P. 129–139.
16. IEC 61000-3-2 «Electromagnetic compatibility (EMC) Part 3-2: Limits for harmonic current emissions», ed. 2.1, 2001. – P. 10.
17. Ödemiş, K., Yener, C., Camgöz, N. Effects of Different Lighting Types on Visual Performance // Architectural Science Review. – 2004. – Vol. 47. – P. 295–301.
18. Neuman, W.L. Social Research Methods Qualitative and Quantitative Approaches. – 6^th ed. –  Boston: Pearson, 2006.
19. Statistical Package for Social Sciences 17 (SPSS 17) Computer Program.
20. Onaygil, S., Güler, Ö., Erkin, E. Cost Analysis of LED Luminaires in Road Lighting // Light & Engineering – 2012. – Vol. 20, No. 2. – P. 39–45.

Сведения об авторах

Ёндер Гюлер (Önder Güler),Ph.D. (2001 г.). Доцент Энергетического института Стамбульского технического университета (с 2010 г). Член Турецкой национальной комиссии по освещению и Общества инженеров-электриков. Научные интересы — дорожное освещение, энергосбережение, управление потреблением энергии в промышленности и зданиях, энергия ветра, качество электроэнергии

Бану Манав (Banu Manav), Ph. D. Доцент и заместитель декана (с 2011 г.) факультета искусства и дизайна Стамбульского университета культуры. Член правления Турецкой национальной комиссии по освещению. Научные интересы — проектирование внутреннего освещения, восприятие пространства, зрительный комфорт и цветовосприятие

Сермин Онайгил (Sermin Onaygil),Ph. D., профессор. Научный сотрудник Энергетического института Стамбульского технического университета, руководитель отделения по планированию и регулированию потребления энергии. Принимает активное участие в осуществляемых совместно с Министерством энергетики и природных ресурсов проектах по энергоэффективности освещения. Член-учредитель Турецкой национальной комиссии по освещению,  в настоящее время являясь  её председателем. Представитель Турции в Отделении 4 МКО. Научные интересы  — общее освещение, а также дорожное освещение и освещение тоннелей, автоматизация и обеспечение энергоэффективности освещения

Эмре Эркин (Emre Erkin), Ph. D.(2012 г.). Лаборант Энергетического института Стамбульского технического университета (с 2003 г.). Член Турецкой национальной комиссии по освещению (с 2001 г.). Научные интересы — энергоэффективное освещение, автоматизированное управление осветительными установками, освещение тоннелей и дорожное освещение, моделирование освещения

Таблицы

Таблица 1. Технические характеристики источников света и светильников

Таблица 2. Результаты измерений характеристик двух установок при напряжении сети 225 В

^* E_мин/E_ср

Таблица 3. Средние оценки помещения, освещаемого трубчатыми ЛЛ или трубчатыми СДЛами

Таблица 4. Анализ восприятия изменений освещённости, яркости и внешнего вида помещения и объектов

---

Опубликовано в №3 журнала "Светотехника" за 2014 г.

Ё. ГЮЛЕР, Б. МАНАВ, С. ОНАЙГИЛ, Е. ЭРКИН

Стамбульский университет культуры, Стамбульский технический университет, Турция