Вестник УКЦ АПИК: "Расчет теплопритоков от систем освещения"

Расчеты мощностей и производительностей систем кондиционирования, отопления и вентиляции во многом зависят от характеристик смежных инженерных систем рассматриваемых объектов. Одной из таких систем является освещение. О ситуации вокруг систем освещения в последние годы и их влиянии на расчет систем кондиционирования речь и пойдет ниже.

Освещение является одним из теплопритоков, учитываемых при расчете систем кондиционирования. В последние годы было выпущено несколько законодательных актов, так или иначе касающихся систем освещения.

Начиная с 2009 года, в России активно развивается направление энергосберегающих технологий, в частности долгое время муссировался вопрос перехода на энергоэффективные системы освещения через отказ от ламп накаливания. Так, с 2011 года предлагалось отказаться от ламп накаливания мощностью 100 ватт и выше, с 2013 года — ​от ламп мощностью от 75 ватт, с 2014 года — ​от ламп мощностью 25 ватт и выше.

Однако запланированный плавный переход на люминесцентные лампы полноценно не произошел ввиду высокой стоимости энергосберегающих ламп, наличия в них ртути и нерешенной проблемы их утилизации. В конце концов, в 2013 году вышло более мягкое постановление Правительства РФ о постепенном отказе от ламп накаливания в зависимости от сферы их использования и эффективности работы. При этом конкретных сроков запрета в постановлении не предусмотрено.

Тем не менее за годы активной борьбы за энергоэффективность был выпущен новый Свод правил, который содержит современные требования к построению систем освещения.

Особенности СП 52.13330.2011

СП 52.13330.2011 «Естественное и искусственное освещение» был разработан взамен СНиП 23—05—95*, и в его основе лежит два важных принципа.

Во-первых, новый норматив, в отличие от старого, учитывает цели Федерального закона от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», Федерального закона от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», а также приведен в соответствие с положениями Федерального закона от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Таким образом, принятые на законодательном уровне требования по энергоэффективности переросли в конкретные требования на нормативном уровне.

Во-вторых, СП 52.13330.2011 частично приведен в соответствие с европейскими нормативными документами для применения единых методов определения эксплуатационных характеристик и методов оценки. При этом, как и ранее, документ устанавливает нормы естественного, искусственного и совмещенного освещения зданий и сооружений, а также нормы искусственного освещения селитебных зон, площадок предприятий и мест производства работ вне зданий.

Провозглашенный на государственном уровне акцент на энергосбережение нашел свое отражение и в нормативах, касающихся освещения помещений. Так, СП 52.13330.2011 для искусственного освещения предписывает использование энергоэкономичных источников света, отдавая предпочтение при равной мощности источникам света с наибольшей световой отдачей и сроком службы.

Однако подведение требований по освещению под энергоэффективные тезисы выполнено осторожно. В частности, возможность использования ламп накаливания исключена для производственных и складских зданий (фраза «Для местного освещения, кроме разрядных источников света, следует использовать лампы накаливания, в том числе галогенные» исключена). Также для производственных помещений введены достаточно жесткие лимиты по удельной мощности систем освещения (табл. 1).

В то же время удельные мощности систем освещения для общественных зданий не изменились (табл. 10А в СНиП 23—05—95* и табл. 9 в СП 52.13330.2011 совпадают).

Для удобства читателей мы свели требования максимальных удельных мощностей для общественных и производственных зданий в табл. 1.

Методика расчета теплопритоков от освещения

Нас же, как специалистов в области систем вентиляции и кондиционирования, больше всего интересует вопрос, как правильно рассчитать теплопритоки от систем освещения в каждом из рассматриваемых помещений.

Исходя из опыта, предлагается рассмотреть четыре основных методики расчета теплопритоков от освещения, которыми приходилось пользоваться и каждая из которых может быть обоснована:

использование данных из технического задания или проекта на систему освещения;

укрупненный расчет теплопритоков с использованием СП 52.13330.2011;

упрощенный расчет по площади;

подробный расчет мощности люминесцентного освещения.

Рассмотрим каждую перечисленных методик.

Техническое задание или проект на систему освещения

Данный метод является наилучшим, поскольку является наиболее точным для конкретного рассматриваемого проекта. Суть его заключается в том, чтобы на этапе написания технического задания на системы кондиционирования согласовать конкретную мощность систем освещения, которые будут приняты в качестве теплопритоков для систем кондиционирования.

Иной вариант — ​подсмотреть эту мощность в техническом задании на системы освещения и использовать в расчетах именно ее.

Наконец, третий вариант — ​по факту выполнения проекта по системе освещения запросить мощность ламп у соответствующего специалиста.

Каждый из предложенных путей имеет важное преимущество — ​он основан на получении данных из конкретных проектов, разработанных для рассматриваемого объекта, а потому эти данные являются наиболее точными.

Укрупненный расчет на основе СП 52.13330.2011

В СП 52.13330.2011 нет конкретной методики расчета системы освещения, однако есть таблицы максимальных удельных мощностей искусственного освещения. По заданной освещенности и индексу помещения, который вычисляется исходя из его геометрических характеристик, определяется максимальная удельная мощность системы освещения. Остается умножить ее на площадь помещения и получить максимально допустимую нормами мощность освещения. Она же является и величиной теплопритока для системы кондиционирования.

Важно отметить, что подобный метод весьма точен, поскольку учитывает геометрию помещения — ​его форму, высоту и другие особенности. В частности, очевидно, что для помещений одной и той же длины и ширины, но разной высоты теплоприток от освещения будет выше для более высокого помещения, поскольку для обеспечения той же освещенности в нижней зоне помещения потребуются более мощные светильники.

Укрупненный расчет по площади

Данный метод основан на использовании осредненных величин удельных теплопритоков, согласно которому тепловая нагрузка от системы освещения вычисляется по формуле:

Qосв = qосв · S, [2]

где:

qосв — ​теплопритоки на 1 квадратный метр освещенного помещения; для ламп накаливания принимается qосв = 25 Вт/м2, для люминесцентных ламп принимается qосв = 10 Вт/м2;

S — ​освещаемая площадь помещения, м2.

Данный метод дает менее точные результаты, поскольку не учитывает геометрию помещения и высоту подвеса светильников, однако позволяет оценить порядок величины теплопритоков.

Подробный расчет мощности люминесцентного освещения

Учитывая возросший спрос инженеров на способы расчета мощности системы освещения, выполненного с использованием энергосберегающих светильников, ниже мы приведем одну из таких методик, которая, на наш взгляд, наиболее проста и понятна для неспециалистов в области электроснабжения и освещения.

Мощность системы освещения (Вт) для конкретного помещения выражается формулой

Nосв=(E ∙ S ∙ Kзап ∙ Nл)/(U ∙ Фл), [3]

где:

Е — ​требуемая горизонтальная освещенность, лк (определяется по нормативным документам; для офисных помещений можно принимать Е = 300 лк);

S — ​площадь помещения, м2;

Кзап — ​коэффициент запаса для учета снижения светового потока от ламп в процессе эксплуатации, загрязнения светильников и других факторов; рекомендуется принимать Кзап = 1,4;

U — ​коэффициент использования светового потока светильника (определяется по табл. 2);

Фл — ​световой поток светильника, лм (для светильников на основе четырех люминесцентных ламп мощностью 18 Вт, традиционно используемых в офисных помещениях, Фл можно принимать в диапазоне 2800–3000 лм);

Nл — ​мощность светильника, Вт.

Пример расчета теплопритоков от освещения

Дабы не брать пример расчета из головы, рассмотрим реально действующее офисное помещение — ​рабочее место автора данного материала.

Длина помещения составляет a = 9,6 м, ширина b = 6 м (площадь S = 57,6 м2), высота фальшпотолка (высота подвеса светильников) hпом = 3,3 м. В помещении белый потолок, светлые стены и серый пол. Высота столов равна hсв = 0,8 м.

В помещении смонтировано N = 18 светильников по n = 4 люминесцентные лампы мощностью Nл = 18 Вт каждая. Освещенность более чем комфортная — ​все рабочие места прекрасно освещены.

Итак, по первому методу мы запрашиваем фактическое число светильников в помещении и вычисляем их потребляемую мощность. В нашем случае теплопритоки от освещения равны

N1 = N · n · Nл = 18 · 4 · 18 = 1,3 кВт.

Вторая методика призывает использовать данные СП 52.13330.2011. Для начала вычислим индекс помещения по формуле [1]:

φ=S/((hпом—hсв)∙(a+b))=57,6/((3,3—0,8)∙(9,6+6))=1,48.

Для освещенности в 300 лк в общественных зданиях по табл. 1, проводя интерполяцию для значений j = 1,25 и j = 2 имеем: максимально допустимая удельная установленная мощность равна N2уд = 19 Вт/м2.

N2 = N2уд·S = 19 · 57,6 = 1,1 кВт.

Третья методика позволяет рассчитать мощность освещения в одну формулу

N3 = qосв · S = 10 · 57,6 = 0,6 кВт.

Наконец, четвертый способ требует использовать данные о том, насколько светлыми являются стены, пол и потолок помещения. В нашем случае в соответствии с табл. 3 коэффициенты отражения потолка, стен и пола при этом будут равны соответственно 75, 50 и 30, а коэффициент использования светового потока в соответствии с табл. 2 (принимаем коэффициенты отражения 80, 50 и 30 при индексе помещения j = 1,5) составит 61%.


Далее по формуле [3] для освещенности E = 300 лк определяем мощность системы освещения:

N4=(E∙S∙Kзап∙Nл)/(U∙Фл)=

= (300∙57,6∙1,4∙72)/(0,61∙2850)=1,0 кВт

В итоге четыре метода дали значительно разнящиеся результаты в диапазоне от 0,6 до 1,3 кВт.

Безусловно, самый точный метод — ​запрос данных из реального проекта систем освещения. Что касается второго и четвертого методов, то они дали схожие результаты, но более чем на 20% отличающиеся от результата из первого варианта. Дело в том, что во втором и четвертом методе участвует величина освещенности 300 лк. Изначально же было сказано, что фактически в помещении достигнута более чем достаточная освещенность. Измерений мы не проводили, но надо полагать, освещенность превышает 300 лк. Именно поэтому фактические затраты на освещение оказались выше расчетных. При E = 400 лк первая, вторая и четвертая методики дадут очень схожие результаты.

Что касается третьего метода расчета мощности системы освещения, то он дал наибольшую погрешность. Можно выделить две основные причины подобной ошибки: общий поверхностный подход, не учитывающий высоту помещения и степень затемненности стен, потолка и пола, и, вероятно, устаревший коэффициент удельной мощности. Дело в том, что на сегодняшний день, действительно, освещение в помещениях выполняется с запасом. Да и уровень комфортного освещения вырос за последний десяток лет. То, что ранее казалось комфортным освещением, сегодня кажется недостаточным. Ввиду этого в новых офисах освещенность принимается более высокой. Растут и теплопритоки от системы освещения.

Дополнительно отметим, что в пользу первой методики говорит и то, что в современных зданиях предусматриваются весьма сложные концепции освещения — ​основной свет, локальное освещение, декоративная подсветка. Каждый из видов освещения может иметь различную мощность, базироваться на разных светильниках и лампах, по-разному и использоваться: какие то светильники горят постоянно, какие-то лишь эпизодически. Именно поэтому для получения полной картины по освещению помещения важно консультироваться с соответствующими проектировщиками и запрашивать мощность системы непосредственно у них.

Опыт спорных ситуаций при расчете теплопритоков от освещения

Несмотря на то что СП 52.13330.2011 действует почти пять лет, в смежных отраслях его распространение, как показывает опыт, невелико. Дело в том, что инженеры, как правило, следят за обновлением нормативной документации по своим подсистемам и редко обращают внимание на актуализацию стандартов по смежным инженерным системам.


В частности, при согласовании проекта по системам кондиционирования для одного из московских объектов заказчик выписал замечание о завышении холодильной мощности системы ввиду завышения теплопритоков, в том числе и от освещения. Какими бы малыми ни казались теплопритоки от освещения, речь шла о десятках киловатт.

При этом согласованного проекта освещения еще не было, и заказчик ссылался на устаревшие методики расчета теплопритоков. Нашей задачей в той ситуации явилось использование современной нормативной документации для обоснования правильности расчетов холодильной мощности системы кондиционирования. Использование данных из СП 52.13330.2011 оказалось наиболее убедительным аргументом.

Еще один интересный случай произошел на другом объекте, где речь также шла о завышении мощности кондиционеров, но причиной указывалось то, что часть тепла от светильников не попадает в пространство помещения, оставаясь внутри фальшпотолочного пространства. И если устроить вытяжку горячего воздуха непосредственно из-за фальшпотолка, можно существенно сэкономить на холодильной мощности на объекте.

Действительно, подобный фактор имеет место. Но не стоит забывать, что тепло выделяет не какой-либо внешний элемент светильника (пусковое устройство, например), а непосредственно лампа, та самая лампа, которая и испускает свет. И очевидно, что светильники проектируются так, чтобы свет от лампы максимально попадал в помещение. Для этого сверху ламп устанавливаются отражатели (рис. 1), которые помимо световой энергии отражают и тепло. Таким образом, фактический нагрев воздуха в фальшпотолочном пространстве не столь велик, как это может показаться изначально.

В целом же вопрос переноса тепловой энергии от светильников за потолок и ее отвод не системами кондиционирования, а системой вытяжной вентиляции — ​весьма интересная, перспективная и актуальная задача, уже имеющая ряд реальных воплощений, которая, вероятно станет темой материала в одном из ближайших выпусков журнала «Мир климата».

Заключение

Итак, инженерам в области систем вентиляции и кондиционирования не стоит забывать об актуализации нормативных документов в смежных областях, в частности в сфере систем освещения. Свод правил СП 52.13330.2011 «Естественное и искусственное освещение. Актуализированная редакция СНиП 23—05—95*» содержит в себе полезные данные о максимальных удельных мощностях систем освещения для общественных и производственных объектов, которые можно использовать в качестве доказательной базы для обоснования теплопритоков от систем освещения.

Непосредственно в помощь инженерам-проектировщикам мы рассмотрели варианты расчета тепловыделений от систем освещения, отметив при этом, что в существующих зачастую сложных концепциях освещения наиболее точным способом расчета теплопритоков является запрос энергетических характеристик рабочего проекта по системам освещения.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «Мир климата»



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест