Освещение промышленных предприятий на базе LED технологий

Исторически сложилось так, что Украина стала одним из самых мощных промышленных центров Европы. В нашем государстве сосредоточены практически все виды промышленных предприятий. Мы можем гордиться предприятиями легкой, пищевой, машиностроительной, горнодобывающей промышленности и мощным металлургическом комплексом. Развиты и являются стратегически важными предприятия оборонного комплекса, газо-, нефтетранспортные системы. Для обеспечения всех этих объектов работает множество электростанций, которые генерируют миллионы кВт электроэнергии. Очевидно, что все перечисленные отрасли промышленности имеют гигантские площади, которые должны быть освещены в соответствии с действующими нормами.

Большая часть промышленных предприятий Украины были построены десятки лет назад, и, как правило, с момента ввода в эксплуатацию система освещения не модернизировалась (картина типичного  «страшного» освещения цеха показан на рис. 1).

Во-первых, потому что модернизировать было нечем (газоразрядная технология была безальтернативной и достаточно эффективной). Максимум, на что выделялись инвестиции, это на замену ламп и пускорегулирующей аппаратуры (ПРА). А если и меняли светильники, то на аналогичные (натриевые или металлогалогенные). Данный тип светотехнического оборудования хоть и не полностью удовлетворял потребности предприятий, но альтернативы не было.

Во-вторых, цена на электроэнергию была стабильной и достаточно низкой и не было необходимости искать более энергоэффективные альтернативы, снижающие электропотребление.

С появлением светодиодных технологий, а также при постоянном существенном росте тарифов на электроэнергию ситуация кардинально изменилась. Менеджмент крупных промышленных холдингов радикально поставил вопрос о снижении потребления всех энергоресурсов, особенно электроэнергии и газа. Проводя многочисленные аудиты и аналитические расчеты, эксперты пришли к выводу, что самыми эффективными инвестициями являются вложения в модернизацию системы освещения, а именно, переход на светодиоды. Самые короткие сроки окупаемости характерны для предприятий с непрерывным циклом производства и круглосуточным графиком работы (24 часа , 7 дней в неделю, без праздников и выходных). К примеру, большинство предприятий металлургического комплекса имеет непрерывный цикл производства, который невозможно остановить, а простой  является аварийным режимом и приводит к значительном убыткам.

Рассмотрим расчет окупаемости инвестиций на примере листопрокатного цеха металлургического комбината – табл. 1.

Таблица 1

Как видно из приведенного примера, процент экономии электроэнергии значительно превышает половину потребляемой ранее.

Аналогичные сроки окупаемости характерны для всего металлургического комплекса и составляют от 0,9 до 3 лет в зависимости от типов светильников, эксплуатируемых на данный момент. Учитывая очень выгодный и быстрый возврат вложенных средств, руководство промышленных предприятий активно инвестирует в модернизацию старых систем освещения и переходит на светодиодные светильники.

Однако бывают случаи, когда у предприятия есть более приоритетные проекты и в бюджетах нет средств для модернизации системы освещения. В этом случае менеджмент организации привлекает энергосервисные компании, которые предоставляют в аренду систему освещения на обоюдовыгодных условиях. Для предприятия выгодой уже является получение новой системы освещения и экономия электроэнергии от 10 до 30–40 %. А для энергосервисной компании это прибыль от 60 до 90 % от «базовой линии». За точку отсчета, или «базовую линию», берут потребление системы освещения до модернизации. В нашем примере за базовую линию принимаем значение  1 345,67 кВт·ч. Исходя из расчетных показателей, предприятие получит модернизированную систему освещения и от 1,7 млн до 6,8 млн грн прибыли за год, для нашего случая (табл. 1). А ЭСКО компания – от 10,38 млн до 15,57 млн грн прибыли за год. Как правило, такие контракты рассчитаны на 5-6 лет и предполагают гарантию от производителя на весь срок действия договора.

Для промышленного предприятия, помимо экономии электроэнергии, есть еще много весомых причин модернизировать свою систему освещения, а именно:

1. Повышение освещенности. С момента строительства и ввода в эксплуатацию многих предприятий изменились санитарные нормы освещенности. Для общих производственных зон вместо 100 лк теперь необходимо выдерживать минимум 200 лк.
2. Внедрение светодиодных технологий позволяет получать свет с индексом цветопередачи (CRI) >80 по сравнению с CRI 20 или 70 для газоразрядных ламп. Высокий индекс цветопередачи снижает вероятность «пересорта», брака, случаев травмирования и многих других негативных факторов низкого CRI.
3. Снижение затрат на эксплуатацию системы освещения. В светодиодном светильнике не требуется замена лампы или каких-либо других комплектующих. На весь срок эксплуатации (50000–100000 часов), а это 5–12 лет непрерывной работы, светильник не требует дополнительных вложений. А это значит, что помимо затрат на расходные материалы, предприятие экономит на множестве чел./ч рабочего времени (не задействованы монтажники, закупщики, логисты и т.д.).
4. Повышение безопасности труда и снижение количества несчастных случаев. В светодиодных светильниках отсутствуют негативные явления, характерные для стандартных (газоразрядных) светильников. Например: пульсации светового потока, отсутствие возможности мгновенного перестарта, реактивные элементы в ПРА, хрупкость и т.д. *****
5. Возможность внедрения систем управления. Светодиоды очень легко позволяют управлять световым потоком. В случае применения системы управления они плавно меняют свой световой поток в диапазоне от 0 до 100 %. При этом прямо пропорционально меняется и потребление электроэнергии тоже в диапазоне от 0 до 100 %. Применяя систему управления освещением, ее можно максимально интегрировать в технологию производства. Тем самым дополнительно экономить электроэнергию и повысить безопасность и комфортность труда. Дополнительно можно экономить 20–90 %(!) электроэнергии в зависимости от технологического процесса. Стоит обратить внимание, что в данном случае мы сравниваем уже не газоразрядные светильники со светодиодными, а светодиодные светильники со светодиодными же, но с возможностью управления. Разница в стоимости регулируемого светильника и нерегулируемого примерно 20–30 % без учета стоимости системы управления (СУ). Стоимость СУ рассчитывается отдельно и зависит от технологии производства и количества естественного освещения, попадающего в помещение. На некоторых предприятиях сразу инвестируют в светильники с возможностью регулирования, а систему управления приобретают и монтируют позже. Такое решение позволяет облегчить инвестиционные нагрузки с целью начать экономить уже сейчас, а в перспективе значительно увеличить процент экономии.

Тяжелой промышленности, особенно металлургии, присущи жесткие условия эксплуатации светотехнического оборудования. Рассмотрим несколько эксплуатационных особенностей системы освещения на примере металлургического комбината.

• Высокая запыленность. Большинство участков металлургического производства отличаются наличием большого количества пыли, выделяемой при технологических процессах. Учитывая то, что светодиодные светильники имеют длительный срок эксплуатации (порядка 10 лет), пыль будет накапливаться на корпусе светильника. Большое количество пыли на корпусе значительно снижает его теплоотводящие свойства и может привести к выходу светильника из строя или к значительной деградации светодиодов (падение светового потока светильника). В связи с этим нужно, чтобы корпус светильника имел такую конструкцию, при которой пыль не будет накапливаться на его корпусе – например, радиальный сквозной радиатор (рис. 2). Также необходимо предотвратить попадание пыли внутрь корпуса светильника, поэтому степень защиты должна быть не ниже IP.

• Наличие высоких температур (до +90 °С). На участках разлива стали, на печах прокатных станов, на котлах ТЭЦ и т.д. присутствуют температуры около +90 °С. Данный режим является экстремальным для светодиодных светильников и приводит к быстрому выходу из строя или значительной деградации. Поэтому при светотехническом моделировании нужно максимально вынести светильники за пределы зоны высоких температур. Эту задачу можно решить, применив ассиметричные прожекторы или светильники с симметричным лучом, нацеленным под определенным углом.
• Просадки и импульсные скачки питающего напряжения. При пусках и остановках мощного технологического оборудования характерны просадки и скачки питающего напряжения до ± 50 % от номинальных значений. Поэтому драйвер светильника должен выдерживать данные режимы и не выходить из строя, а после возвращения питающего напряжения к номинальным значениям восстановить 100 % работоспособности и заявленные характеристики (световой поток и потребляемая мощность).
• Воздействие агрессивных сред. Во многих технологических процессах применяют кислоты и соли, которые являются агрессивными для компонентов светильника. Поэтому для сохранения заявленных характеристик на период всего срока эксплуатации компоненты светильника должны быть подобраны с учетом невосприимчивости к агрессивным средам. Например, корпус должен быть изготовлен из литого под давлением алюминия и покрашен порошковой краской. А оптика должна быть изготовлена из стабилизированного поликарбоната (устойчивого к кислотам и ультрафиолету), также возможно применение закаленного стекла или силикона. Изготовленная из таких материалов оптика сохранит свою прозрачность в течение всего срока эксплуатации.
• Паровые туманы. На прокатных станах и на многих других участках для охлаждения металла или частей машин и механизмов применяют воду. При охлаждении она превращается в пар, создавая при этом мощный паровой туман. Понимая эту особенность, необходимо предусмотреть светильники с цветовой температурой не более 4000 К, чтобы свет эффективно «разрезал» паровые туманы.
• Высокая вероятность механических повреждений. Светильники должны иметь IK05 или выше.

Давайте более детально рассмотрим компоненты, из которых состоит светодиодный светильник (рис. 3).

1. Корпус-радиатор. Этот компонент светильника ответственен не только за компактное размещение всех функциональных узлов и крепления, но и за отвод тепла от светодиодов. То- есть выполняет функцию радиатора. И эта функция корпуса является ключевой! При некорректном выборе корпуса-радиатора площади охлаждающей поверхности может быть недостаточно и светодиоды будут перегреваться. Это приведет к быстрой деградации светодиодов. Поэтому корпуса светодиодных светильников правильно изготавливать цельными из литого под давлением алюминия.
2. Драйвер. Этот элемент предназначен для трансформации сетевого переменного напряжения в постоянный ток с определенным значением. Чем больший ток проходит через светодиод, тем больше фотонов, а значит и света, он генерирует. Однако, чем больше ток проходит через светодиод, тем сильнее он нагревается. Поэтому очень важно выдержать оптимальный баланс, при котором драйвер будет генерировать такое количество тока, при котором диоды будут работать в номинальном температурном режиме и выдавать максимум света.
3. Оптика. С появлением компактных светодиодов отпала необходимость делать громоздкие отражатели (растры), чтобы собрать весь световой поток от лампы и направить его в нужном направлении. Светодиоды излучают в одном направлении, поэтому оптика фокусирует весь световой поток намного более эффективно. Без применения оптики светодиоды излучают свет с углом рассеивания 120–170 градусов. Оптика может собрать весь световой поток в узкий пучок (30–40 градусов), и эта возможность позволяет применять светодиодные светильники на подвесах до 30–40 м. Для тяжелой промышленности потолочное освещение выполнено на высоте 20–40 м поэтому оптика значительно увеличила эффективность системы освещения.
4. Светодиоды. Главным элементом светодиодного светильника являются светодиоды, основной характеристикой которых является световая отдача. Чем выше этот показатель, тем эффективнее светильник. На данный момент для светильников потолочного освещения промышленных предприятий минимальное значение световой отдачи 130 лм/Вт. Однако этот показатель с каждым годом повышается. Компоновка диодов может быть двух типов: COB и SMD. Для светильников с жесткими условиями эксплуатации более предпочтительным является SMD. Это обусловлено более равномерным тепловыделением, что очень важно в условиях повышенных температур эксплуатации.

ВАЖНО! На данный момент в Украине зарегистрировано более 3700 предприятий, которые заявляют, что они производят светодиодные светильники. Однако большинство из этих предприятий далеки от светотехники и производят приборы очень сомнительного качества. Особенно следует обратить внимание на следующие моменты:

• неграмотно подобранный корпус – плохо осуществляется теплоотвод.
• применение технологии COB для мощных светильников или для светильников, установленных в зонах с повышенными температурами.
• заявление фантастических характеристик. Например, рабочая температура от -40 до +90 °С, светоотдача светильника более 150 лм/Вт.
• применение принудительного охлаждения (вентиляторов или водяных контуров). Такие «светильники» имеют низкую надежность из-за наличия движущихся частей.
• также некоторые «производители» забывают учесть потери на элементах светильника. Например, потери на оптике достигают 5–30 %, а потери на драйвере – 10-15 %.

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что вопрос освещения в промышленном секторе требует глубокой проработки. И обязательного посещения объекта с выполнением комплексного аудита. Только после понимания всех факторов и особенностей конкретного производства можно определиться с типом оборудования, выполнить светотехнические расчеты и составить технико-коммерческое предложение. Если все особенности учтены правильно, то светодиодная система освещения гарантированно отработает заявленные 50000–100000 часов (6–12 лет) и оправдает ожидания покупателя относительно комфорта и окупаемости инвестиций.

Материал опубликован в журнале «СвитлотекКоммьюнити» № 1, 2019