Задача настоящей работы состоит в установлении связи между Ксп и соответствующими стандартам внешними воздействиями, описания которых обычно доступны проектировщикам освещения. Помимо этого проведены исследования способности светильников собирать и накапливать пыль и грязь на своих оптических элементах. Исследовались также и фотометрические характеристики этих покрытых слоем пыли элементов, так как рассеяние света частицами пыли может ухудшать оптические характеристики светильников.
Введение
Коэффициент спада светового потока (Ксп) играет важную роль в проектировании и выборе параметров любых осветительных установок. Коэффициент спада количественно отражает непрерывное уменьшение светового потока с момента начала работы осветительной установки с учётом периодического и дополнительного технического обслуживания. Для компенсации этого уменьшения, рассматриваемого обычно применительно к полному сроку службы осветительной установки или к циклу технического обслуживания, осветительная система всегда должна проектироваться с запасом, с тем, чтобы минимальный уровень освещённости (или, иногда, яркости) в конце её работы соответствовал требованиям нормативных документов. Так что коэффициент спада оказывает сильное влияние на капитальные и эксплуатационные затраты и определяет собой общую эффективность осветительной установки.
Основы и методологические рекомендации по расчёту Ксп применительно к установкам внутреннего освещения содержатся в Публикации 97 МКО [1] и – применительно к установкам наружного освещения — в Публикации 154 МКО [2]. Ксп включает в себя несколько составляющих:
- коэффициент спада светового потока лампы (Ксп/л),
- коэффициент долговечности лампы (Кд/л),
- коэффициент спада светового потока светильника (Ксп/св)
- показатель состояния поверхностей помещения (Room Surface Maintenance Factor) (Кпом).
Все эти составляющие связаны с обратимыми потерями светового потока, тогда как необратимые потери в данной работе не учитываются. Первые две составляющие (Ксп/л и Кд/л) хорошо изучены, и соответствующие кривые регулярно предоставляются производителями ламп. Что касается Ксп/св, то всё ещё имеются возможности для улучшения методологии его определения. Исследования по Ксп/св продолжаются уже несколько десятилетий. Условия окружающей среды, а также конструкции светильников и используемые при их изготовлении материалы за это время сильно изменились, позволяя в определённых ситуациях использовать более высокие значения Ксп/св.
Предварительные замечания
Все осветительные установки непрерывно деградируют, начиная с первого момента своей работы (рис. 1). Потери света связаны с накапливанием пыли на различных поверхностях (лампы, оптические элементы светильников, поверхности помещения), старением этих поверхностей, спадом светового потока ламп и отказами в процессе работы.
Если этот процесс не контролировать, то освещённость может уменьшаться до очень низких уровней, и осветительная установка может стать очень энергонеэффективной, а зачастую и опасной. Так как уменьшение освещённости происходит постепенно, то пользователи осветительной установки могут и не заметить происходящих изменений. Однако со временем это может вести к увеличению зрительного утомления, возрастанию количества ошибок, а также к несчастным случаям на производстве. Степень деградации светового потока необходимо определять уже на стадии проектирования. При проектировании освещения следует учитывать все существенные для рассматриваемых типа осветительной установки, окружающей среды и плана технического обслуживания составляющие коэффициента спада Ксп. Коэффициент спада зависит также от рабочих характеристик ламп, пускорегулирующей аппаратуры и светильников. Ксп, наряду с прочими указаниями и требованиями касательно эксплуатации установок внутреннего освещения, рассматривается в [1].
Ксп включает в себя следующие составляющие:
- Коэффициент спада светового потока лампы (Ксп/л).
- Коэффициент долговечности лампы (Кд/л), известный также как подверженность отказам или частота преждевременных отказов.
- Коэффициент спада светового потока светильника (Ксп/св) – главная цель данной работы.
- Коэффициент необратимых потерь (Кнп), который в качестве составляющей Ксп в [1] не упоминается.
- Показатель состояния поверхностей помещения (Кпом) – к установкам наружного освещения неприменим.
Коэффициент спада может быть определён в результате перемножения всех вышеупомянутых составляющих:
Ксп = Ксп/л • Кд/л • Ксп/св • Кнп • Кпом• (1)
Стойкость светильников к загрязнениям зависит от их конструкции (размера и расположения отверстий), с одной стороны, и от характеристик окружающей среды, с другой. Классификация светильников в соответствии с их конструкцией приведена
в табл. 1, а классификация окружающей среды, в соответствии с её загрязнённостью — в табл. 2. 
Категории загрязнённости слишком обобщены и в чистом виде на практике не встречаются. Было бы полезным наличие обобщённой и чёткой системы классификации, связанной с прочими техническими стандартами в части характеризации окружающей среды и способности светильников или иного электрического оборудования выдерживать воздействие окружающей среды.
Обобщённые кривые спада светового потока МКО с добавлением прочих данных, позволяющие производить анализ экономических аспектов поддержания требуемого уровня освещения, опубликованы в [3].
Цели
Основные цели настоящей работы можно в общем виде сформулировать следующим образом:
- Более подробная по сравнению с публикациями МКО классификация окружающей среды.
- Совмещение различных нормативных документов.
- Получение новых данных о спаде световых потоков светильников.
- Определение уровня и природы вызванных загрязнением изменений пространственного распределения световых потоков светильников.
В отличие от CIE 97, предлагается связать характеристики окружающей среды непосредственно с классификацией внешних условий, приведённой в международных стандартах IEC 60721–3, части 3 и 4 [5,6]. Дополнительная связь может быть установлена со стандартом на воздействие внешних факторов IEC 60364–551 [7]. На подготовительной стадии проектирования электрической, в том числе и осветительной, установки, внешние воздействия должны быть идентифицированы, запротоколированы и доведены до сведения проектировщиков. Поэтому полезно обеспечить наличие кривых спада световых потоков светильников для расширенных категорий окружающей среды, приведённых в соответствие со все
ми стандартами. Нами проводятся также работы по исследованию способности светильников захватывать из окружающей среды и накапливать на своих оптических элементах грязь и главным образом пыль. Пыль, осевшая на имеющие высокие коэффициенты отражения экранирующие решётки, вызывает рассеяние света, то есть приводит к изменению пространственного распределения светового потока светильника. В результате распределение освещённости на рабочей плоскости может существенным образом отличаться от расчётного, что может даже вести к невыполнению нормативных требований к освещению при измерении светотехнических характеристик в конце цикла технического обслуживания. В центре внимания ещё одного исследования лежит определение влияния окружающей среды на различные (в соответствии с приведёнными в CIE 97 категориями) светильники, расположенные в специально выбранных производственных помещениях или зонах. Для достижения поставленных целей широко используемые для изготовления оптических элементов светильников материалы будут подвергнуты воздействию различных условий окружающей среды. Через различные промежутки времени образцы будут переданы для проведения фотометрических измерений. Ожидается, что полученные в рамках этой части работы результаты помогут расширить приводимые в соответствующих документах МКО характеристики.
Основы методики проведения исследований
Классификация окружающей среды в соответствии с её загрязнённостью
Оптические элементы светильников чаще всего покрыты пылью (пыль – это общее наименование твёрдых частиц размером 500 мкм и менее). Пыль попадает в атмосферу из разных источников. Частицы размером до 2 мкм дольше прочих удерживаются на поверхностях и в атмосфере, и именно эти частицы причиняют наибольший вред здоровью людей, так как они наиболее глубоко проникают в лёгкие и могут вызывать серьёзные респираторные заболевания. CIE 97 соотносит Ксп и требуемую периодичность технического обслуживания с 4мя категориями загрязнения, которые в указанной публикации МКО не описаны – приводятся только примеры типичных представителей этих категорий (табл. 2).
И проектировщику освещения приходится решать, к какой категории относится то или иное помещение.
Проектировщик освещения должен искать требуемые значения фотометрических параметров в соответствующих технических стандартах. Например, к производственным помещениям применимы нормы стандартов EN 12464–1 (внутренние производственные помещения) [8] и EN 12464–2 (наружные производственные помещения) [9]. Представленные в виде таблиц нормы содержат требования к освещённости, равномерности распределения освещённости и обобщённому показателю дискомфорта UGR для большинства разновидностей производственных помещений. Было бы полезно связать эти таблицы с относящейся к уровню загрязнённости частью CIE 97. Для классификации окружающей среды необходимо учесть различные влияющие на светильники характеристики этой среды. В этом может помочь международный стандарт IEC 60364–551 [7]. Пыль, оказывающая наиболее серьёзное влияние на загрязнение светильников, относится им к внешним воздействиям класса ≪АЕ». На стадии проектирования системы освещения соответствующие отдельным помещениям или зонам внешние воздействия уже должны быть известны, так как они описываются на начальной (или предварительной) стадии проектирования. Внешние воздействия классифицируются в соответствии с концентрацией наличествующей пыли. Способность осветительного (и иного) оборудования выдерживать определённую концентрацию пыли выражается при помощи кода IP (степень защиты от пыли и воды – Ingress Protection) [10]. Характеристики окружающей среды определяются также группой стандартов EN 60721 на основе содержания и осаждения пыли (табл. 3).
Примерное соответствие различных систем отражено в табл. 4.
Исследование спада светового потока для различных оптических материалов и конструкций светильников
Различные материалы, такие как поликарбонат (РС), полиметилметакрилат (РММА) или полистирол (PS), которые применяются для изготовления оптических элементов корпусов и рассеивателей, обладают разной адгезионной способностью по отношению к пыли. Важную роль в этом играет и структура поверхности. Пыль, осевшую в узких ложбинках фацетных рассеивателей, зачастую трудно удалять при обычной чистке, и её влияние следует отнести к необратимым потерям света. В опубликованных работах пока что не уделялось внимания поверхностным свойствам оптических элементов светильников. Однако структура поверхности должна учитываться наряду с герметичностью оптических отсеков светильников (код IP) и конструкцией светильников. Примеры типичных оптических материалов, применяемых при изготовлении светильников, показаны крупным планом на рис. 2 (прозрачные материалы) и 3 (отражающие свет материалы).
Некоторые из подготовленных для полевых исследований Ксп (см. п. 4.3) образцов показаны на рис. 4.
Несмотря на всю свою важность, спад светового потока является не единственным фактором, влияющим на изменение его распределения, то есть на пространственное распределение силы света светильника. Слой пыли на имеющих высокие коэффициенты отражения зеркальных отражателях или защитных решётках может вести к рассеиванию светового потока, сдвигая пространственное распределение силы света светильника в сторону косинусного распределения (как у диффузных поверхностей). В результате световой поток оказывается направленным не в то место, которое было предусмотрено при проведении светотехнических расчётов. Кроме того, при этом могут не удовлетворяться требования к блёскости. Лучшие зеркальные отражатели (например, MIRO 1 Type 4100 компании Alanod) имеют равные примерно 4 % коэффициенты диффузного отражения, что обусловлено технологическими причинами, однако угловой размер отражённого ими светового конуса остаётся очень узким. Достаточно толстый слой пыли может привести к значительному увеличению этого углового размера. Отмеченная проблема до сих пор не изучалась, так что нужно не только провести её экспериментальное исследование, но и разработать соответствующую теорию. Исследования кривых спада светового потока будет осуществлено в лабораторных условиях в камере пыли, которая позволяет воспроизводить условия, оговорённые в технических стандартах (табл. 3).
Полевые исследования загрязнения под действием окружающей среды
Помимо описанных в разделе 4.2 лабораторных испытаний, будут проведены и полевые испытания на спад светового потока. Методика их основана на помещении образцов оптических материалов в имитирующие светильники держатели. Образцы будут удерживаться в рабочем положении. Аналогичная методика была использована при проведении полевых испытаний на спад светового потока в [4]. Однако описанная в [4] методика предусматривает использование более универсальной измерительной камеры, оснащённой фотоэлементами и иными
датчиками. На рис. 5 приведён эскиз монтажной рамы, разработанной и изготовленной для удержания нескольких образцов.
Образцы помещаются в естественную среду, где они накапливают пыль и частицы грязи. Выбор образцов производился с учётом окружающей среды, как это обычно и происходит в реальных условиях. Расположение образцов соответствовало расположению работающих светильников (высота установки, ориентация наружной стороны). Извлечение образцов предполагается производить через определяемые областью применения промежутки времени. При этом будут измеряться толщина слоя пыли и фотометрические характеристики образца. Монтажная рама с закреплёнными на ней образцами показана на рис. 6.
Выбор образцов зависит от конкретной области применения. Например, имеющий высокий коэффициент отражения листовой алюминий не помещают в сильно загрязнённую среду, в которой подобный материал обычно не применяется. В каждом конкретном случае регистрируют все способные влиять на результат факторы, например, уровень загрязнённости окружающей объект среды (центр города, жилые районы, близость больших дорог, промышленная зона и т. д.), вентиляция (естественная, кондиционирование воздуха) и прочее. Анализ завершается подробным описанием эксперимента, включая формирование, наличие и влияние загрязнений. Образцы помещаются в различные условия окружающей среды, соответствующие выбранным типичным производственным помещениям; отбор производится с учётом EN 12464–1. Первый комплект монтажных рам уже установлен, и их естественное загрязнение уже происходит. Входящие в этот набор рамы перечислены в табл. 5 и показаны на рис. 7.
Рамы кодировались в соответствии с табл. 6. 
Заключение
Новейшие исследования ставят своей целью анализ влияния присутствующих во внутренних производственных помещениях пыли и грязи на спад и рассеяние световых потоков светильников. Целью данной статьи было обоснование необходимости проведения исследований в части спада световых потоков светильников, опубликование методологических основ и принципов проведения этих исследований. Исследования проводятся в рамках проекта, реализуемого Научно-исследовательским светотехническим центром с 1 марта 2011 г. после шестимесячной задержки. По этой причине на данный момент получено лишь ограниченное количество результатов, так как основное внимание было сосредоточено на усовершенствовании предложенной методики и в первую очередь на оборудовании новых лабораторий и комнат для проведения испытаний, по завершении чего эти помещения приобретут статус Исследовательского центра в области светотехники. Проект рассчитан на четыре года, что вполне позволяет исследовать ещё и реальные производственные условия. Основную роль в исследовании влияния слоёв пыли, осаждённых на оптические элементы светильников и на светотехнические характеристики этих светильников (а именно, на пространственное распределение силы света) будет играть камера пыли.
Лабораторные исследования будут дополнены полевыми исследованиями, и различные наборы образцов уже помещены в выбранные условия окружающей среды. Ожидается, что результаты этих исследований помогут проектировщикам освещения в выборе Ксп/св, являющегося одной из составляющей полного коэффициента спада светового потока. Используя протокол внешних воздействий в качестве одного из доступных документов, проектировщики смогут классифицировать загрязнённость окружающей среды и, с учётом прочих факторов, выбирать подходящее значение Ксп/св.
Для проведения планируемых исследований важное значение имеет получение мандата № M/485 на создание в сотрудничестве с Европейским комитетом по стандартизации (CEN), Европейским комитетом по стандартизации в области электротехники (CENELEC) и Европейским институтом стандартизации в области телекоммуникации (ETSI) (и при участии МКО) рабочей группы по стандартизации в области люминесцентных ламп и натриевых ламп высокого давления, а также предназначенных для этих ламп пускорегулирующей аппаратуры и светильников. Этот мандат связан с принятой Европарламентом и Евросоюзом директивой 2009/125/ ЕС. Еврокомиссия требует разработать надёжные, чёткие и воспроизводимые стандарты на целевые изделия (светотехнические изделия), в которых должны содержаться методы измерения выбранных параметров, включая Ксп/св, применительно к офисному и уличному освещению.
Эта статья является результатом реализации проекта ITMS 26220220150 Научно-исследовательского светотехнического центра и финансируется
в рамках Научно-исследовательской программы Европейского фонда регионального развития (ERDF).
Статья подготовлена компанией «АКСИОМА ЭЛЕКТРИКА»
