Методика проектирования электрического освещения и облучения

Электротехнологические установки освещения и облучения преобразуют электроэнергию в лучистую энергию оптического диапазона спектра электромагнитных колебаний. Лучистая энергия состоит из фотонов и передается в пространстве электромагнитными волнами различной длины. Энергия фотона зависит от частоты волны

ε = h·ν

где ε - энергия фотона, Дж.с;

h - постоянная Планка, равная 6,69·10³⁴Дж.с;

ν - частота электромагнитных колебаний, Гц.

Существует следующая зависимость частоты электромагнитных колебаний от длины волны

(6.70.)

где С - скорость распространения электромагнитных волн, 3·10⁸ м/с;

l- длина волны в нанометрах (1 нм= 10^-9м), нм.

Из специальной литературы известно, что электромагнитное излучение имеет большой интервал длин волн. Оптическое излучение подразделяется на видимое, ультрафиолетовое, инфракрасное. Видимое излучение от (380 до 760 нм) используют для освещенности рабочих мест и т.п., ускорения фотосинтеза у земных растений, благотворно оно влияет на продуктивность животных и птицы.

Ультрафиолетовое излучение (от 1 до 380 нм) по своему воздействию очень различно. Ультрафиолетовое (УФ) излучение с длиной волны менее 100 нм в сельском хозяйстве на используется, так как оно интенсивно поглощается воздухом.

Длинноволновое УФ-излучение применяют для люминисцентного анализа химического состава и биологического состояния продуктов, вызывая свечение веществ.

УФ-излучение средневолнового поддиапазона обладает тонизирующим и терапевтическим действием на живые организмы, улучшает усвоение витамина D, но для большинства растений это излучение нежелательно.

Для обеззараживания воды и воздуха, дезинфекции и стерилизации весьма эффективно использование коротковолнового УФ-излучения, обладающего бактерицидным действием.

Инфракрасное (ИК) излучение (от 780 нм до 1·10⁶ нм = 1 мм) глубоко проникает в тело животных, при этом значительная часть энергии фотонов преобразуется в тепловую энергию. Глубина проникновения ИК-излучения составляет: 2,5 мм - в тело животных; 2 мм - в зерно; до 6 мм - в картофель; до 7 мм - в хлеб при выпечке; до 45 мм - в слой воды.

ИК-излучение получило широкое распространение для обогрева молодняка животных и птицы, сушки и дезинсекции продуктов, пастеризации молока и др.

В качестве электрических источников оптического излучения, преобразующих электроэнергию в лучистую энергию оптического спектра, применяют следующие: источники теплового излучения (лампы накаливания); газоразрядные источники оптического излучения низкого, высокого и сверхвысокого давления; источники смешанного (теплового и газоразрядного) излучения; электролюминисцентные установки, т.е. источники люминисцирующего действия; жидкие, газовые и твердотельные лазеры.

Проектирование осветительных установок (ОУ) должно учитывать обеспечение оптимальной освещенности рабочей поверхности при минимальных затратах электроэнергии, средств на оборудование и материалы.

Проект разработки ОУ содержит разделы: выбор источников оптического излучения; выбор системы и вида освещения; определяют нормируемую освещенность и коэффициент запаса; тип светильника (светового прибора); размещают световые приборы в освещаемом объекте; рассчитывают мощность ОУ и определяют их число.

При выборе источников света прежде всего руководствуются СНиП II-4-79 «Естественное и искусственное освещение» и «Отраслевыми нормами освещения сельскохозяйственных предприятий, зданий и сооружений», которые рекомендуют к использованию обладающими более высокой световой отдачей и сроком службы газоразрядные лампы. Лампы накаливания, как правило, применяются для освещения вспомогательных и складских помещений.

Газоразрядные источники по сравнению с лампами накаливания дают экономию электроэнергии от 40 до 70%.

Согласно СНиП используются две системы освещения - общего с равномерным или локализованным размещением светильников и комбинированного для создания на рабочей поверхности освещенности более 150 лк при газоразрядных лампах и 75 лк при лампах накаливания.

Общее освещение применяют во всех животноводческих и других помещениях при нормированной освещенности не превышающей 50 лк с лампами накаливания и 150 лк с люминисцентными. Рекомендуется использовать локализованное общее освещение для повышения освещенности для конкретных участков (кормовые проходы, кормушки и др.), при этом в других местах помещения освещенность должна составлять не менее 75% от средней.

На рабочих местах используется и местное освещение, но только в дополнении к общему или комбинированному. СНиП рекомендуют выполнять общее освещение в комбинированной системе газоразрядными лампами, общая освещенность должна быть не менее 10% нормируемой для комбинированного освещения независимо от источников местного освещения, но не менее 150 и не более 300 лк при газоразрядных лампах и не менее 50 и не более 100 лк при лампах накаливания.

Виды освещения на сельскохозяйственных объектах подразделяются на: рабочее, технологическое, аварийное, дежурное, охранное, ремонтное.

Нормируемая освещенность регламентируется СНиП и отраслевыми нормами освещения производственных, административных, общественных, бытовых помещений, сельскохозяйственных предприятий, зданий и сооружений. Из-за уменьшения светового потока ламп (старение), загрязнения осветительной арматуры, стен и т.д. снижается освещенность на рабочих объектах, поэтому при расчетах мощности источников света при проектировании ОУ используют коэффициент запаса К_з= 1,15...1,7 для ламп накаливания и К_з = 1,3...2,0 для газоразрядных.

Выбор светильников выполняют: по конструктивному исполнению, учитывающем характер окружающей среды, категории помещений и по степени защиты; по светотехническим характеристикам и технико-экономическим показателям.

На практике используют два вида размещения светильников - равномерное, по вершинам квадратов, прямоугольников или ромбов и локализованное, когда расположение светильников зависит от технологического процесса и плана размещения освещаемых участков.

При равномерном размещении световых приборов по вершинам квадратов, прямоугольников или ромбов оптимальный размер стороны определяют, м

, (6.71.)

где - относительные светотехнические и энергетические наивыгоднейшие расстояния между световыми приборами (определяются из специальной литературы);

H_p - расчетная высота размещения ОУ, м.

Расчетная высота установки светильников

H_p = H₀ – h_c – h_p (6.72.)

где H₀ - высота помещения, м;

h_c = 0...0,5 - высота свеса световых приборов, м;

h_p - высота расчетной рабочей поверхности от пола, м.

Следует отметить, что при λ_c = λ_э мощность источников света ОУ минимальна. Отклонение λ_c от рекомендуемого значения в сторону увеличения ухудшает равномерность освещения при уменьшении установленной мощности источника, а увеличение λ_э связано с повышением мощности источника света и с ухудшением качества освещения.

Число светильников по длине помещения (известны L , длина А, м и ширина В, м)

(6.73.)

число светильников по ширине помещения

(6.74.)

где l_ab - расстояние устанавливаемых крайних светильников от стены, равное (0,3...0,5) L.

Общее число светильников

N=n_a +n_B (6.75.)

При расчете общего освещения помещений наиболее часто пользуются следующими методами: точечным, коэффициентом использования светового потока ОУ, удельной мощности.

Точечный метод расчета ОУ используется при общем равномерном и локализованном освещении, местном освещении, освещении вертикальных и наклонных плоскостей и при наружном освещении. Этот метод дает возможность определить световой поток и число световых приборов.

Световой поток источника в каждом светильнике определяют, лм

, (6.86.)

где - нормированное минимальное значение освещенности рабочей поверхности, лк;

К_З - коэффициент запаса;

m = 1,1...1,2 - коэффициент, учитывающий дополнительную освещенность от других светильников и отраженных световых потоков от поверхностей;

- сумма условных освещенностей в контрольной точке от светильников (световой поток i -го светильника принимается равным 1000 лм), лк.

По значению светового потока Ф определяют необходимый поток ламп в линии Ф.L и число светильников в ряду

(6.77.)

где n_L - число ламп в светильнике;

Фл - световой поток одной лампы, лм.

Удельную мощность ОУ определяют, Вт

, (6.78.)

где - мощность одного светильника, Вт;

n - число рядов.

При проектировании общего равномерного освещения горизонтальных поверхностей в помещении в случаях отсутствия крупных затеняющих предметов и с учетом отражения световых потоков от стен и потолка используют метод коэффициента использования светового потока. Метод неприемлем при проектировании локализованного освещения, освещения наклонных поверхностей и местного освещения.

Световой поток каждой лампы в светильнике определяют, лм

(6.79.)

где S - площадь помещения, м²;

z - коэффициент минимальной освещенности, т.е. отношение средней освещенности к минимальной;

m - коэффициент использования светового потока.

Коэффициент использования светового потока определяют из справочной литературы, он учитывает долю светового потока светильников, падающего на рабочее место и зависит от формы кривой силы света светового прибора, прямо пропорционален КПД светильника. Коэффициент минимальной освещенности z = 1,0...1,15. По значению светового потока, определенного по выражению (6.79.), используя каталожные и справочные данные выбирают типоразмер лампы и ее мощность. Удельную мощность ОУ определяют по выражению (6.78.).

Метод удельной мощности применяется для приближенных расчетов ОУ для вспомогательных и складских помещений, коридоров, как правило, им пользуются на начальных этапах проектирования.

Порядок расчета следующий:

1.Зная расчетную высоту подвеса и площадь помещения для выбранного типа светильника определяют табличные знчения удельной мощности источника света Р_уд, затем определяют расчетную удельную мощность источника света, Вт/м²;

Р_{уд. оу.} =Р’_уд ·К_пз ·К_по ·К_пи (6.80.)

где К_пз - коэффициент приведения коэффициента запаса к табличному значению;

К_по - коэффициент приведения коэффициентов отражения поверхностей к табличному значению;

К_пи - коэффициент приведения напряжения источников питания к табличному значению.

2.Единичная расчетная мощность ОУ, Вт

. (6.81.)

3.выбирают тип лампы и ее мощность Рл по расчетной мощности и каталогам так, чтобы

0,9P_р.оу. ≤ Р_л ≤ 1,2 P_р.оу (6.82.)

Если используются светильники с люминесцентными лампами, то число светильников определяют

, (6.83.)

а удельную мощность источника света по выражению

Р_{уд. оу.} =Р’_уд ·К_пз ·К_по ·E_н ·min/100 (6.84.)

Наружные осветительные установки выполняют с помощью светильников или прожекторов. Световой поток можно определить

(6.85.)

и по потоку выбирают тип светильника.

Для проектирования установки при определении приближенного значения необходимой мощности используют метод удельной мощности

P=β·E_н.min · К_з · S (6.86.)

где β - коэффициент, учитывающий тип лампы, Вт/лм (β = 0,12...0,25 в зависимости от источника света и площади освещения).

Снижение доли естественной освещенности при сокращении светового дня для растений целесообразно компенсировать использованием установок искусственного облучения. Требуемый уровень искусственной облученности достигается оптимальным размещением облучателей по высоте и в плане, например, теплицы. Расчеты по размещению облучательных установок аналогичны общепринятым в светотехнике, в справочных данных приведены кривые силы света облучателей.

Облученность определяют по выражению, Вт/ м²

(6.87.)

где I_a - сила излучения точечного источника, Вт/ср;

α - угол между направлением силы излучения и осью симметрии источника, град;

Н_р - высота подвеса облучателя, м.

Вычисленную облученность по (6.87) сравнивают с требуемой облученностью растений, в случае несоответствия применяют другой тип и мощность облучателей, их число и расположение.

При проектировании установок УФ-облучения задача расчета сводится к определению количества облучателей, облученности и продолжительности облучения. Для относительно равномерного размещения объектов облучения используют в расчетах метод коэффициента использования эффективного потока. Средняя облученность объекта, мвит/м²

, (6.88.)

где Ф_В - витальный поток излучателя, мвит;

N - суммарное число источников в УФ-установке;

h_Э - коэффициент использования эффективного потока;

К_Ф - коэффициент формы животных, 0,5...0,64;

К_З - коэффициент запаса, 1,5...2,0;

S - площадь облучаемой поверхности, кв.м.

Коэффициент h_Э определяется по справочной литературе. Высота подвеса облучателей Н_р, м должна удовлетворять условию

E_ср · К_з · z ≤ E_доп (6.89.)

где E_доп - нормируемая допустимая витаоблученность, мвит/м² (из справочных данных).

Установки инфракрасного излучения для обогрева молодняка животных и птицы и режимы их работы выбирают по нормативным материалам. Необходимую величину инфракрасной облученности для обеспечения заданной температуры υ_ик определяют по приближенной формуле

(6.90.)

где к = 0,04 к·м²/Вт – коэффициент, учитывающий связь инфракрасного облучения и температуры тела животного при работе облучательной установки.

В случае размещения установок инфракрасного излучения под углом g к вертикали для увеличения площади и равномерности обогрева, облученность в точке определяется

E_γ= E_ик ·cosγ (6.91.)