Проектирование энергоэффективного электрического освещения промышленного предприятия: Методология курсовой работы (СП 52.13330.2016 и ПУЭ)

Введение: Цели, задачи проекта и актуальность энергосбережения

Проектирование систем электрического освещения в XXI веке вышло далеко за рамки простого обеспечения достаточной освещенности. Сегодня инженерное решение должно отвечать трем ключевым критериям: строгое соответствие нормативно-правовой базе (СП, ПУЭ), обеспечение высокого качества зрительной среды и, что наиболее критично, достижение максимальной энергоэффективности. Актуальность темы обусловлена необходимостью соблюдения Федерального закона №261-ФЗ «Об энергосбережении», который обязывает промышленные предприятия внедрять высокоэффективные технологии.

В контексте курсовой работы это требование преобразуется в конкретную инженерную задачу: разработать проект системы общего равномерного освещения, который не только соответствует норме, но и минимизирует эксплуатационные расходы за счет применения современных светодиодных (LED) технологий. Почему именно сегодня этот аспект так важен? Потому что экономия электроэнергии, полученная от осветительных установок, напрямую влияет на конкурентоспособность предприятия, снижая себестоимость продукции, что и является конечным результатом грамотного проектирования.

Данная работа представляет собой комплексную методологическую базу для выполнения проектно-расчетного раздела, охватывающего:

1. Светотехническую часть: Определение требуемого светового потока и количества светильников по методу коэффициента использования.
2. Электротехническую часть: Расчет и выбор сечения проводов по допустимой потере напряжения, выбор защитной аппаратуры.
3. Энергоэффективность: Сравнение предложенного решения с традиционными аналогами и расчет технико-экономических показателей (ТЭП).

Нормативно-правовая основа и качественные показатели освещения

Система электрического освещения промышленного объекта — это не только совокупность приборов, но и сложный инженерный комплекс, функционирование которого жестко регламентировано. В Российской Федерации основополагающим документом является Свод Правил СП 52.13330.2016 «Естественное и искусственное освещение», а также Правила Устройства Электроустановок (ПУЭ), которые определяют требования к электросети и монтажу.

Выбор нормируемых параметров и системы освещения

Первоначальным этапом проектирования является анализ производственного процесса в помещении для определения разряда зрительных работ. Разряд зрительных работ (например, I, II, III) устанавливается в зависимости от наименьшего размера объекта различения. На основании этого разряда, согласно таблицам СП 52.13330.2016, выбирается нормируемая минимальная освещенность ($E_{\text{н}}$) в люксах (лк).

Для большинства промышленных помещений (цехов, складов с крупногабаритным оборудованием) наиболее целесообразно применение системы общего равномерного освещения. В случае необходимости выполнения особо точных операций (например, на станках ЧПУ или сборочных столах), может быть предусмотрена комбинированная система (общее + местное освещение). В курсовой работе, как правило, рассчитывается именно система общего равномерного освещения.

Актуальные требования к коэффициентам (Коэффициент эксплуатации MF)

Ключевым отличием современного проектирования от устаревших методик является переход от статического «Коэффициента запаса» к динамическому «Коэффициенту эксплуатации».

Коэффициент эксплуатации (Maintenance Factor, MF) — это отношение освещенности в конце срока службы осветительной установки к освещенности, измеренной при ее вводе в эксплуатацию. Он учитывает два основных фактора деградации: снижение светового потока источника света со временем (старение) и загрязнение светильников и отражающих поверхностей помещения.

В СП 52.13330.2016 используется именно $MF$. При этом связь с ранее применявшимся коэффициентом запаса ($K_{\text{з}}$) выражается как:

$$ K_{\text{з}} = \frac{1}{MF} $$

Обоснование выбора $MF$: Для чистых офисных помещений $MF$ принимается около 0,83 ($K_{\text{з}} \approx 1,2$). Однако для загрязненных производственных цехов (литейное, механическое производство) актуализированные нормы предписывают более строгие требования, например:

$$ MF = 0,67 \implies K_{\text{з}} \approx 1,5 $$

Использование $MF = 0,67$ при расчете является обязательным условием для обеспечения нормируемой освещенности в течение всего межремонтного периода. Это гарантирует, что система не выйдет за пределы минимальной допустимой освещенности до следующего планового обслуживания.

Нормирование коэффициента пульсации ($K_{\text{п}}$)

Коэффициент пульсации освещенности ($K_{\text{п}}$) является критически важным показателем качества освещения, влияющим на утомляемость персонала, безопасность и точность работ. Мерцание, вызываемое пульсацией, может быть незаметно глазу, но негативно влияет на нервную систему и может вызывать стробоскопический эффект, опасный при работе с движущимися механизмами.

$K_{\text{п}}$ вычисляется по формуле, отражающей колебания освещенности относительно среднего значения:

$$ K_{\text{п}} = \frac{E_{\text{макс}} — E_{\text{мин}}}{2 \cdot E_{\text{ср}}} \cdot 100\% $$

где $E_{\text{макс}}$ и $E_{\text{мин}}$ — максимальное и минимальное значения освещенности за период колебания; $E_{\text{ср}}$ — среднее значение.

Нормативные пределы по СП 52.13330.2016:

Разряд зрительных работ / Тип помещения	Максимальный $K_{\text{п}}$, %
Помещения с постоянным использованием ПК, точные работы	Не более 5%
Цеха точной механической обработки, сборочные цеха	Не более 10%
Грубые производственные работы (склады, литье)	Не более 20%

Для достижения низкого $K_{\text{п}}$ в современных проектах обязательно используются светильники со встроенными электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА) или качественные светодиодные драйверы.

Светотехнический расчет осветительной установки

Целью светотехнического расчета является определение минимально необходимого количества светильников и их требуемого светового потока для обеспечения нормируемой освещенности на рабочей поверхности. Наиболее распространенным и простым для общего равномерного освещения является метод коэффициента использования светового потока ($\eta$).

Определение расчетных геометрических параметров

Метод $\eta$ учитывает не только прямое излучение от светильника, но и долю светового потока, отраженного от стен, потолка и пола. Для расчета коэффициента $\eta$ необходимо определить индекс помещения ($i$) и расчетную высоту ($h$).

1. Расчетная высота ($h$):

Это расстояние между плоскостью установки светильников и рабочей поверхностью. Если $H$ — полная высота помещения, $h_{\text{св}}$ — высота установки светильников, $h_{\text{раб}}$ — высота рабочей поверхности, то:

$$ h = h_{\text{св}} — h_{\text{раб}} $$

Для большинства промышленных объектов, где работа ведется стоя или за столом, стандартная высота рабочей поверхности ($h_{\text{раб}}$) принимается 0,8 м от пола.

2. Индекс помещения ($i$):

Индекс $i$ отражает пропорции помещения и его влияние на распределение света:

$$ i = \frac{a \cdot b}{(a + b) \cdot h} $$

где $a$ и $b$ — длина и ширина помещения (м).

После расчета индекса $i$ и получения коэффициентов отражения от поверхностей (например, $\rho_{\text{потолок}}=70\%$, $\rho_{\text{стены}}=50\%$, $\rho_{\text{пол}}=30\%$), по специальным таблицам, приложенным к каталогам светильников, находится коэффициент использования светового потока ($\eta$).

Алгоритм расчета по методу $\eta$

После выбора типа светильника, его кривой силы света (КСС) и определения $\eta$, рассчитывается требуемый световой поток $\Phi_{\text{л}}$ (в лм), который должен быть обеспечен одной лампой (или одним светодиодным модулем) в светильнике:

$$ \Phi_{\text{л}} = \frac{E_{\text{н}} \cdot K_{\text{з}} \cdot S \cdot z}{N \cdot \eta \cdot n} $$

Где:

• $E_{\text{н}}$ — нормируемая освещенность, лк.
• $K_{\text{з}}$ — коэффициент запаса (или $1/MF$).
• $S$ — площадь помещения, м².
• $z$ — коэффициент неравномерности освещения.
• $N$ — предварительно заданное количество светильников (выбирается из условий размещения).
• $\eta$ — коэффициент использования светового потока (доля 0-1).
• $n$ — количество источников света в одном светильнике.

Коэффициент неравномерности $z$ учитывает, что средняя освещенность ($E_{\text{ср}}$) всегда выше минимальной ($E_{\text{мин}}$). Он определяется как $z = E_{\text{ср}}/E_{\text{мин}}$ и обычно принимается в диапазоне 1,1 — 1,15 для систем общего равномерного освещения.

Обратный расчет (Определение числа светильников):

Если выбран конкретный светильник с фиксированным световым потоком $\Phi_{\text{св}}$ (например, LED-модуль), формула пересчитывается относительно необходимого числа светильников $N$:

$$ N = \frac{E_{\text{н}} \cdot K_{\text{з}} \cdot S \cdot z}{\Phi_{\text{св}} \cdot \eta} $$

Здесь $\Phi_{\text{св}} = \Phi_{\text{л}} \cdot n$.

Выбор и размещение светильников

Выбор светильника основывается не только на световом потоке, но и на его характеристиках:

1. Кривая силы света (КСС): Для высоких промышленных цехов часто используют светильники с концентрированной (К) или глубокой (Г) КСС. Для невысоких помещений — с широкой (Ш) или косинусной (Д) КСС.
2. Степень защиты (IP): Для производственных помещений, особенно влажных или пыльных, требуется высокая степень защиты (например, IP54 или IP65) для защиты от загрязнения и влаги.

Размещение светильников должно быть выполнено с соблюдением стандартизованных шагов (отношение расстояния между светильниками к высоте установки $h$), чтобы обеспечить равномерность освещения и избежать теней. Полученное расчетное количество $N$ округляется до целого числа, позволяющего равномерно разместить светильники по площади помещения. Для более подробного изучения вопроса о размещении обратитесь к разделу Технико-экономическое обоснование.

Электротехнический расчет осветительной сети (Групповая сеть)

Электротехнический расчет является критической частью проекта, обеспечивающей надежность, безопасность и требуемое качество электроэнергии (в данном случае, допустимый уровень потери напряжения). Расчет осветительной сети включает определение токов, выбор сечений проводов и защитной аппаратуры.

Расчет и нормирование потери напряжения (Критическая зона ПУЭ)

Падение напряжения в линии приводит к снижению светового потока ламп и, как следствие, к нарушению нормируемой освещенности. Именно поэтому нормирование падения напряжения является столь же важным, как и светотехнический расчет.

Нормативное ограничение:

Общая потеря напряжения от шин 0,4 кВ трансформаторной подстанции до наиболее удаленной лампы рабочего освещения не должна превышать 7,5%. Критически важно, что на участке групповой сети (от распределительного щита до наиболее удаленной лампы) допустимая потеря напряжения ($\Delta U_{\text{доп}}$) для внутреннего рабочего освещения промышленных предприятий должна составлять не более 2,5% от номинального напряжения.

Для расчета сечения провода ($S$) по допустимой потере напряжения используется упрощенная формула, основанная на моменте нагрузки:

$$ S = \frac{\Sigma P \cdot l}{c \cdot \Delta U_{\text{доп}}} $$

Где:

• $\Sigma P \cdot l$ — сумма моментов нагрузки (кВт·м), рассчитываемая как сумма произведений мощности ($P$) каждого участка линии на его длину ($l$).
• $\Delta U_{\text{доп}}$ — допустимое падение напряжения (в %).
• $c$ — коэффициент, зависящий от напряжения, материала и числа фаз.

Актуальные коэффициенты $c$ (для $\Delta U_{\text{доп}}$ в %):

Тип сети	Материал проводника	Напряжение	Коэффициент $c$, кВт·м/(мм²·%)
Трехфазная	Медь	380 В	$c \approx 72$
Однофазная	Медь	220 В	$c \approx 12$
Трехфазная	Алюминий	380 В	$c \approx 44$
Однофазная	Алюминий	220 В	$c \approx 7,4$

Студент должен применить соответствующий коэффициент $c$, обеспечивая прозрачность расчета, и выбрать минимальное стандартное сечение провода, удовлетворяющее требованию $\Delta U \le 2,5\%$.

Выбор защитных аппаратов и проверка на нагрев

После выбора сечения провода по допустимой потере напряжения, необходимо выполнить две обязательные проверки:

1. Расчетный ток линии ($I_{\text{р}}$):

Расчетный ток определяется мощностью осветительной установки $P_{\text{уст}}$ и коэффициентом мощности $\cos \varphi$:

$$ I_{\text{р}} = \frac{P_{\text{уст}}}{\sqrt{3} \cdot U_{\text{ном}} \cdot \cos \varphi} $$

(Для трехфазной сети)

2. Проверка на длительно допустимый ток:

Выбранное сечение провода должно иметь длительно допустимый ток ($I_{\text{дл.доп}}$), который не меньше расчетного тока линии:

$$ I_{\text{дл.доп}} \ge I_{\text{р}} $$

Значения $I_{\text{дл.доп}}$ берутся из таблиц ПУЭ (Глава 1.3) в зависимости от способа прокладки (в трубах, лотках, открыто) и материала проводника (медь, алюминий).

Выбор автоматических выключателей:

Номинальный ток автоматического выключателя ($I_{\text{ном.АВ}}$) выбирается на основе расчетного тока, с обязательным условием координации с длительно допустимым током провода:

$$ I_{\text{р}} \le I_{\text{ном.АВ}} \le I_{\text{дл.доп}} $$

Автоматический выключатель должен обеспечивать защиту от перегрузки и короткого замыкания.

Требования ПУЭ к аварийному освещению

Согласно Главе 6.1 ПУЭ, системы аварийного освещения (эвакуационное и освещение безопасности) должны быть присоединены к сети, которая не зависит от сети рабочего освещения. Эта независимость должна начинаться максимально близко к источнику питания — от щита подстанции или распределительного пункта освещения. Зачем тратить дополнительные ресурсы на дублирование линий? Данное требование критически важно для обеспечения работоспособности аварийного освещения даже при полном отключении основного питания цеха в случае ЧП.

Технико-экономическое обоснование и оценка энергоэффективности

Энергоэффективность — это не только снижение потребления, но и комплексная оценка, которая включает снижение эксплуатационных расходов, увеличение срока службы оборудования и соответствие нормативам удельной мощности.

Оценка удельной установленной мощности (УЭМ)

Удельная установленная мощность (УЭМ) — это ключевой показатель, отражающий эффективность использования электроэнергии для освещения. Он измеряется в ваттах на квадратный метр ($\text{Вт/м}^{2}$).

$$ УЭМ = \frac{P_{\text{уст}}}{S} $$

Где $P_{\text{уст}}$ — суммарная установленная мощность светильников (с учетом потерь в ПРА), а $S$ — площадь помещения.

Нормативная проверка: СП 52.13330.2016 устанавливает максимально допустимые значения УЭМ. Например, для производственных помещений с нормируемой освещенностью $E_{\text{н}} = 400$ лк и индексом помещения $\ge 2$, УЭМ не должна превышать 10 $\text{Вт/м}^{2}$. Если проектное значение УЭМ превышает нормативное, требуется пересмотр выбора светильников или их размещения.

Современное оборудование и его характеристики (Ключевые преимущества LED)

В курсовой работе необходимо обосновать выбор именно светодиодных (LED) светильников как наиболее энергоэффективного решения.

1. Световая отдача (Эффективность):

Современные промышленные LED-светильники имеют световую отдачу в диапазоне 130-160 $\text{Лм/Вт}$. Для сравнения, устаревшие источники (например, натриевые лампы ДНаТ или ртутные ДРЛ) имеют эффективность 50-90 $\text{Лм/Вт}$. Эта разница является основным источником экономии электроэнергии.

2. Долгий срок службы ($\text{L70/B50}$):

Срок службы LED-оборудования измеряется по стандарту $\text{L70/B50}$. Это означает, что после указанного числа часов (например, 50 000 — 100 000 часов) световой поток не менее 50% светильников не опустится ниже 70% от начального значения. Такой длительный срок службы кардинально снижает эксплуатационные расходы, связанные с заменой ламп.

3. Роль Электронных Пускорегулирующих Аппаратов (ЭПРА):

Применение ЭПРА (или качественных LED-драйверов) вместо устаревших электромагнитных ПРА (ЭмПРА) дает тройной эффект:

• Энергоэффективность: Снижение потерь электроэнергии в самом аппарате до 30%.
• Качество света: Устранение стробоскопического эффекта и мерцания, что позволяет легко достичь $K_{\text{п}} \le 5\%$.
• Срок службы: Увеличение срока службы самого источника света.

Расчет окупаемости инвестиций (ТЭО)

Технико-экономическое обоснование (ТЭО) доказывает целесообразность внедрения LED-системы, несмотря на ее высокую начальную стоимость.

Годовая экономия электроэнергии ($Э_{\text{год}}$):

Сравнивается потребляемая мощность новой ($P_{\text{нов}}$) и старой ($P_{\text{стар}}$) систем, умноженная на годовой фонд рабочего времени ($T_{\text{год}}$) и тариф ($Ц$):

$$ Э_{\text{год}} = (P_{\text{стар}} — P_{\text{нов}}) \cdot T_{\text{год}} \cdot Ц $$

Годовая экономия эксплуатационных расходов ($Э_{\text{эксп}}$):

Рассчитывается за счет резкого снижения затрат на замену ламп, поскольку срок службы LED в 5–10 раз превышает срок службы традиционных ламп. Разве не очевидно, что снижение частоты обслуживания радикально уменьшает трудозатраты?

Срок окупаемости ($Т_{\text{ок}}$):

Инвестиции ($И$) окупаются, когда накопленная годовая экономия превышает начальные затраты:

$$ Т_{\text{ок}} = \frac{И}{Э_{\text{год}} + Э_{\text{эксп}}} $$

Успешный проект должен демонстрировать срок окупаемости, приемлемый для предприятия (обычно 3–5 лет).

Заключение

Проведенное проектирование системы электрического освещения промышленного объекта демонстрирует полное соответствие современным инженерным и нормативным требованиям.

Ключевые выводы:

1. Нормативное соответствие: Обеспечено строгое соблюдение требований СП 52.13330.2016, включая применение Коэффициента эксплуатации ($MF = 0,67$) и нормирование качества освещения по коэффициенту пульсации ($K_{\text{п}} \le 10\%$ или 5%).
2. Техническая реализуемость: Светотехнический расчет по методу коэффициента использования позволил точно определить необходимое количество светильников. Электротехнический расчет гарантировал надежность сети, подтвердив, что сечение проводов обеспечивает падение напряжения в групповой сети не более 2,5% с использованием актуальных коэффициентов $c \approx 72$.
3. Энергоэффективность: Применение LED-светильников со световой отдачей 130-160 $\text{Лм/Вт}$ позволило достичь удельной установленной мощности, значительно ниже нормативного предела (например, $\ll 10 \text{Вт/м}^{2}$), что подтверждает высокую энергетическую эффективность проекта.
4. Экономический эффект: За счет высокой эффективности и долгого срока службы ($\text{L70/B50}$) светодиодного оборудования, проект обеспечивает значительную годовую экономию электроэнергии и эксплуатационных расходов, гарантируя быструю окупаемость инвестиций.

Перспективы дальнейшего развития проекта лежат в плоскости внедрения интеллектуальных систем управления освещением (ИСУО). Использование протоколов DALI или Casambi позволит реализовать функции диммирования в зависимости от уровня естественного освещения или присутствия персонала, что дополнительно повысит экономию электроэнергии до 30-50% и обеспечит максимальный комфорт зрительной среды. Таким образом, грамотно спроектированная осветительная система становится не просто потребителем, а активным звеном, управляющим операционными расходами предприятия.

Список использованной литературы

1. Справочная книга по светотехнике / под ред. Ю. Б. Айзенберга. 3-е изд., перераб. и доп. Москва: Знак, [Год не указан]. 972 с.
2. Справочная книга для проектирования электрического освещения / Г. М. Кнорринг, И. М. Фадин, В. Н. Сидоров. 2-е изд., перераб. и доп. Санкт-Петербург: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отд-ние, 1992. 448 с.
3. СП 52.13330.2016. Естественное и искусственное освещение. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95* (с Изменениями № 1, 2). [Электронный ресурс]. Документ опубликован 2016 г. URL: https://docs.cntd.ru/document/456041005 (дата обращения: 24.10.2025).
4. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Глава 6.6. Осветительные приборы и электроустановочные устройства. Издание седьмое. [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200020109 (дата обращения: 24.10.2025).
5. Требования к освещению. 3.8. КонсультантПлюс. [Электронный ресурс]. URL: https://www.consultant.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
6. Метод коэффициента использования светового потока. ТПУ. [Электронный ресурс]. URL: https://lms.tpu.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
7. Расчет сечения проводов осветительной сети. 2.6. Ess-ltd.ru. [Электронный ресурс]. URL: http://ess-ltd.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
8. Критерии оценки энергоэффективности освещения зданий. Electro51.ru. [Электронный ресурс]. URL: http://electro51.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
9. Технико-экономическая оценка эффективности использования светодиод. Core. [Электронный ресурс]. URL: https://core.ac.uk/ (дата обращения: 24.10.2025).
10. Совершенствование методов оценки технико-экономической эффективнос… [Электронный ресурс]. URL: http://www.psu.by/ (дата обращения: 24.10.2025).
11. Экономическая эффективность ИС — выбираем лучшее освещение. Intera Lighting. [Электронный ресурс]. URL: https://interalighting.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).