Светотехнический Расчет и Электротехническое Проектирование: Комплексная Методология для Курсовой Работы

Если в XX веке проектирование освещения было задачей обеспечения минимально достаточной видимости, то в XXI веке оно стало вопросом энергоэффективности, безопасности и эргономики. Сегодня, с доминированием светодиодных (LED) технологий, инженерная задача усложнилась: требуется не только рассчитать необходимый световой поток, но и гарантировать качество света, а также интегрировать осветительную установку в общую электросеть, обеспечив защиту и минимальные потери напряжения. Игнорирование этих комплексных требований ведет к увеличению эксплуатационных расходов и нарушению гигиенических нормативов.

Актуальность, Цели и Обзор Инженерного Исследования

Актуальность данной курсовой работы определяется общемировым трендом на энергосбережение и необходимостью строгого соблюдения российских государственных стандартов, направленных на сохранение здоровья и повышение производительности труда. Внедрение LED-технологий позволяет существенно снизить эксплуатационные расходы, но требует высокой точности расчетов, поскольку некачественные источники света могут не соответствовать нормативам по пульсации и цветопередаче.

Цель курсовой работы — разработать комплексное инженерное решение для освещения заданного помещения, включающее:

1. Теоретическое обоснование выбора параметров освещения на основе действующих норм РФ.
2. Практический светотехнический расчет по методу коэффициента использования для определения оптимального количества и расположения светильников.
3. Выбор электротехнического оборудования (кабели, аппараты защиты) и проверка режимов работы.
4. Технико-экономическое сравнение предложенного варианта с альтернативным, с целью обоснования его эффективности.

Представленный далее материал структурирован как полный цикл инженерного проектирования, обеспечивая студента исчерпывающей методологической базой для выполнения всех этапов академического исследования, что позволит не просто получить оценку, но и создать реально применимый проект.

Нормативно-Правовая База и Качественные Показатели Освещения

Любое инженерное проектирование начинается с нормативной базы. В Российской Федерации требования к искусственному освещению регулируются не только энергетическими, но и гигиеническими стандартами, что критически важно для обеспечения здоровой рабочей среды.

Основные Нормативы и Терминология

Основным техническим документом, устанавливающим количественные и качественные требования к освещению, является Свод правил СП 52.13330.2016 «Естественное и искусственное освещение» (актуализированная редакция СНиП 23-05-95*). Гигиенические аспекты, такие как коэффициент пульсации и микроклимат, дополнительно регулируются СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования…».

Для корректного анализа необходимо оперировать следующими ключевыми светотехническими терминами:

Термин	Обозначение	Единица измерения	Определение
Световой поток	Φ	Люмен (лм)	Полная мощность лучистой энергии, оцениваемая по ее световому действию. Характеризует источник света.
Освещенность	E	Люкс (лк)	Плотность светового потока, падающего на поверхность. Нормируемый количественный показатель.
Яркость	L	Кд/м²	Плотность светового потока, отраженного или излученного поверхностью в заданном направлении. Определяет слепящее действие.
Нормируемая освещенность	Eн	Люкс (лк)	Минимально допустимая освещенность на рабочей поверхности, зависящая от разряда зрительных работ.

Согласно СП 52.13330.2016, нормируемая освещенность (E_н) для большинства стандартных рабочих мест варьируется в пределах 300 лк (для общих офисных помещений) до 500 лк (для точных чертежных и проектных работ, Разряд III).

Нормируемые и Критические Качественные Параметры

Помимо количественного показателя (E_н), критически важны качественные параметры, обеспечивающие комфорт и безопасность зрительной работы.

1. Коэффициент Запаса (K_з)

Коэффициент запаса — это обязательный множитель в формуле расчета, который учитывает неизбежное снижение освещенности в процессе эксплуатации (загрязнение светильников, старение ламп). Его значение принимается по СП 52.13330.2016. Например, для чистых офисных помещений с применением современных светодиодных светильников, K_з часто принимается равным 1,25 (что соответствует коэффициенту эксплуатации 0,80), тогда как для промышленных цехов с высоким загрязнением он может достигать 1,5 и более.

2. Объединенный Показатель Дискомфорта (UGR)

Показатель UGR (Unified Glare Rating) оценивает слепящее действие, вызванное яркостью светильников в поле зрения. Чем ниже значение UGR, тем комфортнее освещение, поскольку значительно снижается зрительное напряжение.

• Для общих офисных помещений, супермаркетов: UGR ≤ 21.
• Для точных работ (черчение, диспетчерские): UGR ≤ 16.

3. Индекс Цветопередачи (R_a, CRI)

Индекс цветопередачи характеризует, насколько естественно выглядят цвета объектов при данном источнике света по сравнению с естественным дневным светом. Если для большинства помещений нормируется R_a ≥ 80, то критические требования предъявляются к помещениям, где требуется высокая точность цветоразличения. Например, в ювелирных мастерских, лабораториях цветокоррекции или художественных студиях (Разряд I и II зрительных работ) СП 52.13330.2016 требует, чтобы R_a был не менее 90.

4. Коэффициент Пульсации Освещенности (K_п)

Пульсация света, невидимая глазу, может вызывать усталость, мигрень и снижение работоспособности, особенно при работе с подвижными объектами или дисплеями. Согласно СанПиН 1.2.3685-21:

• Для большинства рабочих мест нормируется K_п ≤ 10%.
• Для учебных классов, аудиторий, компьютерных классов, где зрительная работа связана с высокой нагрузкой и дисплеями, норматив ужесточается: K_п ≤ 5%.

Использование источников света с низким K_п (обычно за счет качественных электронных пускорегулирующих аппаратов или LED-драйверов) является обязательным требованием для соблюдения гигиенических нормативов, поскольку даже незначительная пульсация снижает когнитивные функции и увеличивает риск ошибок.

Методология Расчета Общего Равномерного Освещения

Для курсовой работы по светотехнике ключевым практическим этапом является расчет количества светильников. Наиболее распространенным и стандартизированным методом для общего равномерного освещения является метод коэффициента использования светового потока, который позволяет точно учесть светотехнические потери.

Расчет Геометрических Параметров

Этот метод основан на определении того, какая часть всего светового потока, испускаемого лампами, фактически достигает рабочей поверхности. Для начала расчетов необходимо определить геометрические параметры помещения.

1. Индекс Помещения (i)

Индекс помещения — безразмерный параметр, учитывающий форму помещения и высоту подвеса светильников. Он необходим для нахождения коэффициента использования U.

i = (A · B) / (h_р · (A + B))

Где:

• A — длина помещения (м);
• B — ширина помещения (м);
• h_р — расчетная высота, м (расстояние от центра светильника до рабочей поверхности).

Расчетная высота h_р определяется как: h_р = H_общ – h_подв – h_раб, где H_общ — общая высота помещения, h_подв — высота подвеса светильника над полом, h_раб — высота рабочей поверхности над полом (обычно 0,8 м).

2. Коэффициенты Отражения

Коэффициент использования U сильно зависит от коэффициентов отражения поверхностей помещения: потолка (ρ_п), стен (ρ_ст) и пола (ρ_п). Для стандартных офисных помещений со светлой отделкой в расчетах часто принимаются типовые значения: Потолок ρ_п = 80%, Стены ρ_ст = 50%, Пол ρ_п = 30%.

На основе рассчитанного индекса i и принятых коэффициентов отражения, по специальным таблицам (предоставляемым производителями светильников или в справочниках по светотехнике) определяется значение коэффициента использования U.

Алгоритм Расчета Требуемого Светового Потока и Количества Светильников

Основная формула метода коэффициента использования позволяет рассчитать суммарный световой поток, который необходимо создать в помещении, а затем определить требуемое количество светильников (N).

Формула для расчета требуемого количества светильников:

N = (E_н · S · K_з) / (U · n · F_лам · z)

Где:

• E_н — нормируемая освещенность, лк (например, 500 лк);
• S — площадь помещения, м² (S = A · B);
• K_з — коэффициент запаса (например, 1,25);
• U — коэффициент использования светового потока (найден по таблицам, например, 0,65);
• n — число ламп в одном светильнике (для моноблочного LED-светильника n=1);
• F_лам — световой поток одной лампы или светильника, лм (выбранный по каталогу, например, 4500 лм);
• z — коэффициент минимальной освещенности (отношение средней освещенности к минимальной, принимается z ≈ 1,1).

Пример выбора светильника:

Для курсовой работы необходимо выбрать конкретный тип энергоэффективного LED-светильника, например, панель 600х600 мм, с характеристиками:

• Номинальная мощность (P_св): 36 Вт
• Световой поток (F_лам): 4500 лм
• Индекс цветопередачи (R_a): ≥ 80
• Коэффициент мощности (cosφ): 0,95
• UGR: ≤ 19

После расчета N (например, N = 18,3), число светильников округляется до ближайшего целого, обеспечивающего рациональное размещение (например, 20 шт. по схеме 4×5). Стоит ли всегда округлять в большую сторону, если даже незначительный недосвет может привести к нарушению нормативов и штрафам?

Проектирование Электротехнической Части Осветительной Установки

Светотехнический расчет определяет количество и тип нагрузки; электротехническое проектирование обеспечивает надежное и безопасное питание этой нагрузки. Это ключевой этап, который связывает свет с инфраструктурой здания.

Расчет Расчетной Мощности и Тока Групповой Линии

Расчетная мощность осветительной установки необходима для выбора электрооборудования.

1. Расчетная Мощность (P_расч)

P_расч = N · P_св · K_спр

Где N — фактическое количество светильников, P_св — номинальная мощность одного светильника (Вт), K_спр — коэффициент спроса (для рабочего освещения обычно K_спр = 1,0).

2. Расчетный Ток Групповой Линии (I_расч)

Выбор сечения кабеля и аппарата защиты производится по расчетному току. Важно учитывать, что современные LED-светильники имеют электронные драйверы, и хотя их коэффициент мощности (cosφ) высок, он все же не равен 1. Согласно нормативным требованиям (Постановление Правительства РФ N 2255), cosφ для LED-светильников мощностью более 25 Вт должен быть не менее 0,85. Принимаем cosφ = 0,9.

• Для однофазной сети (220 В):
  I_расч = P_расч / (U_ф · cosφ)
• Для трехфазной сети (380 В):
  I_расч = P_расч / (√3 · U_л · cosφ)

Выбор Сечения Кабеля и Проверка Потери Напряжения

Выбор сечения кабеля (S) — это трехэтапный процесс:

1. По Механической Прочности (ПУЭ)

Согласно ПУЭ (п. 7.1.33), наименьшее допустимое сечение медных жил для линий групповых осветительных сетей составляет 1,5 мм².

2. По Допустимому Длительному Току Нагрева

Сечение выбирается по таблицам ПУЭ таким образом, чтобы допустимый длительный ток для выбранного кабеля (I_доп.дл.) был больше расчетного тока линии: I_доп.дл. ≥ I_расч.

3. По Допустимой Потере Напряжения (ΔU%)

Проверка по потере напряжения является критически важным этапом, особенно для протяженных линий, так как избыточная потеря напряжения ведет к недосвету и снижению срока службы оборудования. Допустимая потеря напряжения от щитка до самого удаленного светильника (ΔU_доп%) обычно составляет 2,5% (для рабочего освещения).

Формула расчета потери напряжения (ΔU) в процентах (для однофазной линии):

ΔU% = (2 · L · I_расч · (R₀ · cosφ + X₀ · sinφ) / U_ф) · 100%

Где:

• L — фактическая длина линии, м;
• R₀, X₀ — активное и индуктивное сопротивления 1 км провода/кабеля, Ом/км (берутся из справочников).

Если ΔU% превышает ΔU_доп%, необходимо увеличить сечение кабеля до ближайшего стандартного типоразмера. Это гарантирует, что светильники будут работать в номинальном режиме.

Выбор Аппаратов Защиты

Аппарат защиты (автоматический выключатель) выбирается для защиты кабельной линии от токов короткого замыкания и перегрузки. Номинальный ток автоматического выключателя (I_н.ав) должен соответствовать следующему условию:

I_расч ≤ I_н.ав ≤ I_доп.дл.каб

I_н.ав выбирается из стандартного ряда номинальных токов (например: 6А, 8А, 10А, 13А, 16А, 20А). Для осветительных сетей часто используются номиналы 10А или 16А. Для освещения, как правило, применяются автоматические выключатели с характеристикой срабатывания типа B (для защиты протяженных сетей с низкой пусковой нагрузкой) или типа C (более универсальные, для защиты розеточных и смешанных сетей).

Технико-Экономическое Обоснование и Сравнение Вариантов

Финальный этап курсовой работы — доказательство экономической эффективности предложенного инженерного решения. Для сравнения двух вариантов освещения (например, старые люминесцентные лампы против новых LED-светильников) используется критерий годовых приведенных затрат.

Обоснование Нормативного Коэффициента Эффективности

Для обеспечения академической строгости, расчеты должны базироваться на утвержденных методиках. В инженерно-экономических расчетах в РФ для оценки недисконтных показателей традиционно применяются параметры, основанные на «Методических рекомендациях по оценке эффективности инвестиционных проектов» (1999 г.). В рамках этого подхода используется нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (E_н), который отражает допустимый срок окупаемости.

• Если E_н = 0,10, нормативный срок окупаемости составляет 10 лет.
• Если E_н = 0,12, нормативный срок окупаемости составляет примерно 8,3 года.

В курсовой работе целесообразно принять E_н = 0,10.

Расчет Годовых Приведенных Затрат (Z_пр)

Годовые приведенные затраты (Z_пр) являются основным критерием для сравнения вариантов, так как они сводят воедино первоначальные капитальные затраты и ежегодные эксплуатационные расходы, давая наиболее точную картину общей стоимости владения.

Z_пр = C_год + E_н · K

Где:

• C_год — годовые эксплуатационные расходы, руб/год.
• K — капитальные вложения, руб. (стоимость светильников, кабеля, монтажа, проектирования).

Детализация Годовых Эксплуатационных Расходов (C_год)

Ключевым компонентом C_год являются затраты на электроэнергию (C_эл), которые наиболее сильно различаются между энергоэффективными (LED) и традиционными системами.

C_эл = P_расч · T_год · C_кВт·ч

Где:

• P_расч — расчетная мощность установки, кВт.
• T_год — годовой фонд часов работы осветительной установки (ч/год). Например, для круглосуточно работающего помещения или уличного освещения может быть принято T_год = 4380 ч/год.
• C_кВт·ч — стоимость 1 кВт·ч электроэнергии, руб/кВт·ч.

C_год также включает затраты на обслуживание, ремонт и, что важно для традиционных ламп (но малозначимо для LED), стоимость замены ламп.

Оценка Экономической Эффективности и Срока Окупаемости (T_ок)

Вариант, обеспечивающий наименьшие Z_пр, признается наиболее экономически эффективным. При анализе модернизации (например, замена старых ламп на LED), ключевым показателем является срок окупаемости.

Расчет простого срока окупаемости:

T_ок = K / ΔC_год

Где:

• K — дополнительные капитальные вложения в новую систему (стоимость LED-оборудования и монтажа).
• ΔC_год — годовая экономия эксплуатационных расходов, которая возникает в основном за счет снижения потребляемой мощности.

ΔC_год = C_год(старая) - C_год(новая)

Если расчетный срок окупаемости T_ок оказывается меньше нормативного срока (1/E_н), проект считается экономически целесообразным, что окончательно подтверждает обоснованность инвестиций в современное электротехническое оборудование.

Заключение

Выполнение курсовой работы по светотехническому расчету требует комплексного, междисциплинарного подхода, объединяющего знания в области светотехники, электротехники и инженерной экономики. Проведенный расчет по методу коэффициента использования позволяет точно определить требуемое количество светильников, обеспечивая нормируемую освещенность (E_н) с учетом коэффициента запаса (K_з).

При выборе конкретного LED-оборудования необходимо строго контролировать качественные показатели: R_a ≥ 80 (а для точных работ R_a ≥ 90), UGR и, особенно, коэффициент пульсации K_п ≤ 5% для учебных и офисных помещений. Интеграция светотехнического расчета с электротехническим проектированием, включающая расчет токов с учетом cosφ ≥ 0.85, выбор аппаратов защиты, а главное, проверку потери напряжения (ΔU%), гарантирует надежность и безопасность установки.

В итоге, технико-экономический анализ, основанный на расчете годовых приведенных затрат (Z_пр) с использованием академически обоснованного нормативного коэффициента E_н, подтверждает технико-экономическую целесообразность предложенного решения, демонстрируя, что современная энергоэффективная осветительная установка является не только технически совершенной, но и экономически выгодной инвестицией. Таким образом, комплексная методология, представленная в работе, обеспечивает высокое качество проекта и его соответствие всем действующим нормам.

Список использованной литературы

1. СП 52.13330.2016 Естественное и искусственное освещение. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95*. [Электронный ресурс]. URL: cntd.ru (Дата обращения: 30.10.2025).
2. Расчет количества светильников методом коэффициента использования. [Электронный ресурс]. URL: tpu.ru (Дата обращения: 30.10.2025).
3. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания. [Электронный ресурс]. URL: cntd.ru (Дата обращения: 30.10.2025).
4. Светотехнический расчет по методу коэффициента использования, пример. [Электронный ресурс]. URL: ksosvet.ru (Дата обращения: 30.10.2025).
5. Расчет приведенных затрат. [Электронный ресурс]. URL: studfile.net (Дата обращения: 30.10.2025).
6. Расчет электрического освещения ФИНИШ_Neat. [Электронный ресурс]. URL: flipbuilder.com (Дата обращения: 30.10.2025).
7. Выбор номинального тока автоматического выключателя. Расчет автомата. [Электронный ресурс]. URL: ampera.ru (Дата обращения: 30.10.2025).
8. Расчет сечения кабеля по мощности или току. [Электронный ресурс]. URL: kabel-s.ru (Дата обращения: 30.10.2025).
9. Расчет потери напряжения в трехфазных сетях до 10кВ. [Электронный ресурс]. URL: 220blog.ru (Дата обращения: 30.10.2025).
10. Определение стоимости эксплуатации объектов уличного освещения. [Электронный ресурс]. URL: energyland.info (Дата обращения: 30.10.2025).
11. Правильное освещение школьных классов и учебных аудиторий. [Электронный ресурс]. URL: electromirbel.ru (Дата обращения: 30.10.2025).
12. Срок окупаемости: формула и примеры расчетов. [Электронный ресурс]. URL: gd.ru (Дата обращения: 30.10.2025).
13. Расчет окупаемости проектов по модернизации освещения. [Электронный ресурс]. URL: itl-light.ru (Дата обращения: 30.10.2025).
14. Нормы освещенности рабочего места в офисе. [Электронный ресурс]. URL: ledrus.org (Дата обращения: 30.10.2025).
15. Формула расчета годовых приведенных затрат. [Электронный ресурс]. URL: studfile.net (Дата обращения: 30.10.2025).