Методики расчета притоков тепла от светового оборудования

Введение

Любая современная система кондиционирования воздуха рассчитывается с акцентом на световые устройства, которые являются источниками тепловых притоков. В связи с этим российское правительство совершенствовало нормативно-техническую базу, упрощающую расчеты инженерных систем, частично опирающихся на воздействие освещения.

Уже на протяжении восьми лет Россия делает акцент на энергосберегающих технологиях, двигаясь в направлении развития энергетически эффективных световых устройств, способных компенсировать недостатки привычных ламп накаливания. Это привело к тому, что уже больше шести лет заинтересованные лица предлагают вывести из производства лампы накаливания, мощность которых составляет больше 25 ватт.

Несмотря на огромное рвение к новаторству, полный отказ от указанных источников света не состоялся из-за того, что у люминесцентных ламп присутствуют следующие недостатки: высокая цена, наличие ртутных элементов и проблема переработки неисправных приборов. В итоге четыре года назад российские власти постановили планомерный запрет использования в некоторых отраслях ламп накаливания. Проблема лишь в том, что законодательные документы не содержат четко обозначенных сроков запрета подобных устройств.

И все же многолетнее стремление к использованию энергоэффективного оборудования стало причиной разработки Свода правил с перечислением новых требований к световым системам.

Знакомство со Сводом правил 52.13330.2011

Свод правил 52.13330.2011 содержит информацию о естественном и искусственном освещении. Он является заменой СНиПа 23-05-95.

Принципиальное отличие документа заключается во включении норматива, реализующего стремления технического регламента о безопасности объектов строительства. Кроме того, он преследует техническое регулирование, а также требования к энергосбережению и энергоэффективности. Тем самым, энергоэффективность расписана в нормативном документе.

Также Свод правил 52.13330.2011 отчасти соответствует нормативной базе Европейского союза, способствующей универсализации методик расчета эксплуатационных показателей и оценки. Помимо этого, из документа можно позаимствовать требования к различным источникам освещения строительных объектов.

Документ поддерживает и энергосберегающие технологии, так как в нем обозначен приоритет использования световых источников. Так, преимущество находится на стороне источников с длительным эксплуатационным сроком и максимальной световой мощностью.

Нужно отметить, что разработчики данного Свода правил осторожничали с понятием энергетической эффективности. Указывается, что лампы накаливания отныне нельзя применять на объектах складского и промышленного типа. Кроме того, ужесточились нормы по удельной отдаче светового оборудования. Об этом свидетельствуют данные Таблицы 1.

Что касается значений удельной мощности светового оборудования на объектах социального назначения, они остались неизменными.

Таблица 1. Максимальные значения удельной мощности световых приборов на объектах производственного и социального назначения

Уровень освещения в рабочей области, лк	Индекс помещения	Максимальная удельная мощность, Вт/м2, не более
		Объекты производственного типа	Объекты социального назначения
750	0,6	37	—
	0,8	30	—
	1,25	28	—
	2	25	—
	>= 3	23	—
500	0,6	35	42
	0,8	22	39
	1,25	18	35
	2	16	31
	>= 3	14	28
400	0,6	15	30
	0,8	14	28
	1,25	13	25
	2	11	22
	>= 3	10	20
300	0,6	13	25
	0,8	12	23
	1,25	10	20
	2	9	18
	>= 3	8	16
200	0,6-1,25	11	18
	1,25-3	7	14
	>3	6	12
150	0,6-1,25	8	15
	1,25—3	6	12
	>3	5	10
100	0,6-1,25	7	12
	1,25-3	5	10
	> 3	4	8

На значение индекса помещения влияет площадь помещения и высота размещения световых устройств. Эти значения можно позаимствовать из Пособия к МГСН 2.06-99.

Для определения индекса может использоваться математический способ:

В данной формуле:

S является площадью помещения, измеряемой в квадратных метрах.

h1 является высотой помещения, измеряемой в метрах.

h2 явлеятся высотой размещения световых устройств.

Для определения удельной мощности осветительных приборов, используемых в помещениях другого типа, необходимо использовать интерполяцию.

Расчет тепловых притоков от светового оборудования

Работающих с кондиционированием и вентиляцией инженеров больше тревожит методика правильного расчета притоков тепла от световых приборов, установленных в каждом отдельном помещении.

Нужно сказать о существовании следующих методик расчета тепловых притоков от светового оборудования, которые до сих пор считаются наиболее обоснованными. Таким образом, у специалиста по проектированию есть возможность:

• руководствоваться техническим заданием или проектом световой системы;

• воспользоваться Сводом правил 52.13330.2011, руководствуясь укрупненным расчетом притоков;

• руководствоваться упрощенным расчетом с поправкой на площадь;

• воспользоваться детализированным расчетом мощности люминесцентных ламп.

Далее мы проанализируем все вышеуказанные методики.

Наличие технического задания или инженерного проекта

Преимущество данной методики перед остальными заключается в максимальной точности расчетов. В случае ее применения техническое задание на кондиционирование разрабатывается с обязательным согласованием мощности световых приборов, принимаемых источниками притоков тепловой энергии для кондиционирования.

Также показатель мощности может содержать техническое задание на систему освещения. Его также допустимо использовать при создании проекта.

Последним возможным вариантом является обращение к специалисту по системам освещения для получения данных о мощности светового оборудования.

Плюс вышеописанных источников данных заключается в использовании конкретной проектной документации с реальными сведениями. Из-за этого точность полученных данных является максимальной.

Детализированный расчет с применением Свода правил 52.13330.2011

С помощью одного документа СП 52.13330.2011 невозможно рассчитать световую систему, но данный Свод правил располагает таблицами, в которых прописаны допустимая удельная мощность световых устройств. Имея необходимые для расчета индекса помещения размеры и уровень освещения, можно вычислить критическую удельную мощность освещения. Произведение этой величины и площади помещения даст возможность узнать мощность освещения, которая и будет характеризовать тепловые притоки для кондиционирования.

Следует выделить точность этой методики, так как она разрабатывалась с учетом физических и других параметров помещения. Нужно понимать, что в помещениях с одинаковой площадью, но разной высотой потолков, теплопритоки будут абсолютно разными. Причиной тому является задействование более мощного освещения в помещениях с высоким потолочным пространством, которое необходимо для создания комфортных условий в рабочей зоне.

Подробный расчет с использованием данных площади помещения

Эта методика базируется на средних величинах удельных тепловых притоков. Для определения тепловой нагрузки от светового оборудования необходимо использовать следующую формулу:

Здесь:

qosv – приток тепловой энергии на "квадрат" освещаемой площади. Теплоприток от лампы накаливания обычно составляет 25 ватт на "квадрат" площади, а от люминесцентного источника – 10 ватт.

S – площадь освещаемого помещения, которая измеряется в квадратных метрах.

Методика не является максимально точной по причине исключения параметров помещения. Вместе с тем она помогает определить интенсивность притоков тепла.

Мощность световой системы на основе люминесцентных приборов

В последнее время инженеры по проектированию различных систем крайне заинтересованы в методиках определения мощности световой системы, в основе которой лежат энергосберегающие устройства. Предлагаем рассмотреть простую и понятную методику, которая может использоваться даже дилетантами в сфере разработки проектов инженерных систем.

Для измерения мощности световой системы, работающей в определенном помещении, используют формулу:

Формула содержит следующие показатели:

Е – ожидаемый уровень освещения, измеряемый в люксах. Для его получения используют нормативы. Если проект касается помещений офисного назначения, данный показатель составляет 300 люкс.

S – площадь помещения, измеряемая в квадратных метрах.

Кzap – коэффициент запаса. Учитывает нестабильность уровня освещения, запыленность световых приборов и прочие факторы. Равен 1,4.

Ns – мощность светового устройства, измеряемая в ваттах.

U – коэффициент, отражающий световую эффективность устройства. Для его определения используют Таблицу 2.

Фс – испускаемый устройством световой поток, измеряемый в люменах. Если в состав люминесцентного устройства входят четыре лампы, мощность которых составляет 18 ватт и это устройство используется в помещении офисного типа, световой поток будет находиться в пределах 2,8-3 тысяч люмен.

Таблица 2. Вычисление коэффициента освещения с поправкой на индекс помещения и отражающих коэффициентов

Отражающий коэффициент:	Потолочный	80	80	80	70	50	50	30	0
	Стеновой	80	50	30	50	50	30	30	0
	Напольный	30	30	10	20	10	10	10	0
Индекс помещения	0,6	53	38	32	37	35	31	31	27
	0,8	60	15	38	и	41	38	37	34
	1	65	51	43	49	46	43	42	38
	1,25	70	57	49	54	51	48	47	44
	1,5	72	61	52	57	54	51	51	47
	2	76	66	56	61	57	55	54	51
	2,5	78	70	59	и	60	58	57	54
	3	80	73	62	67	62	60	59	57
	4	81	76	64	69	63	62	61	58
	5	82	78	65	70	65	64	62	60

Для расчета отражающего коэффициента определенной поверхности руководствуются Таблицей 3. Индекс помещения рассчитывают по Таблице 1.

Обычно офисные помещения имеет высоту рабочей поверхности (hsv) на уровне 0,8 метра.

Таблица 3. Вычисление отражающего коэффициента с поправкой на цвет рабочего пространства

Цвет поверхности	Отражающий коэффициент, %
Очень белый	85
Белый	75
Светлый	50
Серый	30
Темно-серый	20
Темный	10
Черный	4

Реальный расчет притоков тепла от световой системы

Отойдя от абстрактных расчетов, продемонстрируем методику определения притоков тепла на реальном примере.

Существует помещение офисного типа площадью (S) 57,6 метра квадратных. В длину (а) и ширину (b) помещение составляет 9,6 и 6 метров соответственно. Находящиеся в нем световые устройства закреплены на высоте (hpom) 3,3 метра. Окрас потолочного пространства в помещении белый. Стеновая и напольная отделка выполнена в светлых и серых оттенках соответственно. Рабочая поверхность находится на высоте (hsv) 0,8 метра.

Помещение оборудовано восемнадцатью люминесцентными световыми элементами (N), объединенными в четыре лампы (n). Мощность одной лампы (Nl) составляет 18 ватт. Уровень освещения относится к уровню "комфорт+".

Используя первую методику, проведем расчет потребляемой световыми приборами мощности. Величина тепловых притоков составит:

Подставив значения, получим величину 1,3 киловатта.

При использовании второй методики нужно опираться на Свод правил 52.13330.2011. Изначально нам необходима информация об индексе помещения:

Руководствуясь вышеприведенными значениями, получим цифру 1,48.

Учитывая нормируемый уровень освещения (300 люкс) в зданиях социального назначения и интерполяционные значения j=1,25 и j=2, получим максимальную удельную мощность (N2ud) 19 ватт на метр квадратный.

В результате получилось значение 1,1 киловатта.

С помощью третьей методики мощность световой системы рассчитывается следующим образом:

Вставив нужные значения, получим 0,6 киловатта.

Суть четвертой методики кроется в использовании сведений об отражающих возможностях поверхностей помещения. Опираясь на Таблицу 3, получим отражающие коэффициенты для напольной, стеновой и потолочной поверхностей – 30, 50 и 75. С помощью Таблицы 2 определим коэффициент света, базируясь на отражающих коэффициентах (30, 50 и 80) и индексе помещения (j=1,5). Коэффициент равен 61 процент.

Используя формулу, рассчитаем общую мощность световых устройств:

Подставим данные и получим мощность 1 киловатт.

Подводя результаты выполненных расчетов, нужно сказать о разных результатах, колеблющихся в диапазоне 0,6-1,3 киловатта.

Как уже говорилось, самой точной является методика извлечения сведений из проектной документации по световым системам. Точность второй и последней методик практически схожая. В сравнении с первой отличие составило максимум двадцать процентов. Обратите внимание, что во второй и четвертой методиках фигурирует освещенность 300 люкс. Если вспомнить исходную информацию, в ней содержится упоминание об очень комфортном освещении. Даже без расчетов можно понять, что уровень освещения превышает значение 300 люкс. Из-за этого расходы на электроэнергию превысили расчетные. Если взять освещение 400 люкс, можно наблюдать схожесть первых двух и последней методик.

Самой неточной является предпоследняя методика определения мощности световой системы. Главными причинами значительной неточности являются поверхностность расчетной методики и не подходящий для современных условий коэффициент удельной мощности. Поверхностность методики объясняется отсутствием в вычислениях высоты размещения световых устройств и отражающих характеристик поверхностей. Сегодня при расчетах освещения берется некоторый запас. При этом само понятие создаваемого комфорта вышло на другой уровень. Новые офисные помещения принято оснащать более производительным световым оборудованием. Соответственно это приводит к росту тепловых притоков.

Еще первая методика преимущественна тем, что в современных помещениях устанавливаются световые приборы, которые, помимо главной, обеспечивают локальную и декоративную подсветку. Каждому типу освещения присуща определенная мощность, которая зависит от используемых приборов. Кроме того, часть таких приборов может работать на протяжении всего рабочего дня, а часть включаться только при необходимости. Из-за этого развернутое представление об уровне освещения на конкретном объекте строительства могут дать специалисты по проектированию световых систем, которые также поделятся данными о мощности освещения.

Неопределенности при расчете притоков тепла от световых приборов

Сравнительно длительное существование Свода правил 52.13330.2011 не обеспечило ему массовую востребованность. Причина кроется в поиске инженерами изменений в нормативно-правовой базе, касающейся конкретной сферы деятельности. При этом смежные инженерные системы и изменения норм по ним мало интересуют специалистов по проектированию.

После предоставления проектной документации одному из заказчиков, объект которого находится на территории Москвы, последний посчитал производительность охлаждения завышенной по причине высоких тепловых притоков, которые также исходили от световых приборов. Несмотря на мелкую роль освещения в образовании теплопритоков, перерасход составлял несколько десятков киловатт.

Согласованный проект световой системы тогда отсутствовал, а со стороны заказчика исходило недовольство в методиках вычисления притоков тепла. Данная ситуация вынудила специалистов руководствоваться современными нормативными данными, чтобы объяснить рациональность вычисления производительности кондиционеров, работающих в режиме охлаждения. Взятая из Свода правил 52.13330.2011 информация позволила переубедить недовольного заказчика.

Вторым наглядным примером стало здание с чрезмерно высокой мощностью системы кондиционирования. Вместе с тем заказчик был недоволен тепловыми избытками, которые, по его мнению, задерживались в фальшпотолке. В данном случае эффективным решением оказалась вытяжная система, которая высасывала теплый воздушный поток из фальшпотолка. Это дало значительную экономию при дальнейшем использовании системы кондиционирования.

Вышеуказанные факторы являются важными. Следует помнить, что источник тепловой энергии – это не элемент подачи электроэнергии, а часть лампы, которая испускает световые лучи. Вполне очевидным можно считать проектирование световых приборов таким образом, чтобы они захватывали максимум освещаемой территории. По этой причине верхняя часть таких приборов оборудуется отражателями, которые являются не только световыми, но и тепловыми направляющими. Из этого следует, что по факту застревающий в фальшпотолке воздух не несет серьезной тепловой нагрузки.

Подведение итогов

Занимающимся проектированием кондиционирования и вентиляции специалистам периодически следует обращать внимание на изменения в нормативных документах по световым системам. В Своде правил 52.13330.2011 можно найти достаточно полезной информации, в первую очередь касающейся критической удельной мощности световых систем, устанавливаемых на объектах социального и производственного назначения. С помощью этой информации можно обосновать притоки тепловой энергии, поступающей от светового оборудования.

Специалисты по проектированию могут использовать приведенный нами материал для расчета тепловых притоков, выделяемых световой системой. Необходимо подчеркнуть, что все сложные проекты систем освещения требуют максимальной точности вычислений, которая достигается в случае получения энергетических параметров световых систем у специалистов, располагающих современной проектной документацией.