Leonardo ENERGY RU

Стефан Фассбиндер, Институт меди Германии

Stefan Fassbinder, Deutsches Kupferinstitut

Перевод: Харченко Николай, Леонардо Энерджи — Россия

Компактные флуоресцентные лампы победным шагом идут по планете. Правительство Австралии планирует запретить лампы накаливания. Министр окружающей среды Германии поддерживает эту идею и намеревается продвигать ее в своей стране. Замена ламп накаливания компактными флуоресцентными (люминесцентными) лампами (КФЛ, КЛЛ, КЭЛ), действительно, позволяет снизить расходы затрачиваемой на освещение электроэнергии на 75%. Но насколько это реально, взять и заменить все лампы накаливания на КФЛ? Соответствуют ли современные КФЛ всем техническим и гигиеническим требованиям, или их необходимо еще совершенствовать? А какие существуют альтернативы? Существуют ли другие источники света такие же эффективные, как КФЛ, но не имеющие присущих КФЛ недостатков?

Компактные флуоресцентные лампы

В июньском выпуске журнала «Электротовары в Германии» была опубликована статья, посвященная подробному всестороннему изучению КФЛ со встроенным электронным балластом и еще более миниатюрным КФЛ с внешним электронным балластом. В статье обращалось особое внимание на целый ряд существенных различий. Например, показано, что соединение «большой» лампы или двух небольших ламп последовательно с индуктивным (магнитным) балластом будет более эффективным, чем индивидуальное подключение миниатюрных ламп. А сравнительные испытания «фирменной» КФЛ и более дешевого аналога показали, что характеристики «фирменной» лампы на 20% превосходят характеристики дешевой. Однако лампы с электронным балластом (и, соответственно, КФЛ), не имеют преимуществ перед флуоресцентными лампами, управляемыми индуктивным балластом. Но ключевым открытием стало то, что энергоэффективность (КПД) флуоресцентных ламп любого типа значительно превосходит эту характеристику ламп накаливания (рис. 1 и рис. 2: лампы мощностью 15 Вт и 4 Вт соответственно; фотографии сделаны с одинаковой экспозицией при одинаковой выдержке). Но что можно сказать о других характеристиках имеющихся ламп этого типа? Учитывая опыт использования ранних моделей КФЛ, идея полной замены ламп накаливания на КФЛ порождает много важных вопросов:

• · Выгодно ли заплатить за экономичную КФЛ, если она будет использоваться от случая к случаю?
• · Могут ли современные КФЛ лучше работать в условиях частых включений и выключений, чем более ранние модели?
• · Могут ли современные КФЛ мгновенно достигать полной яркости свечения?
• · Смогут ли современные экономичные КФЛ дать необходимую яркость при работе вне помещений в условиях зимних температур?
• · Насколько компактны КФЛ?
• · Можно ли регулировать яркость свечения КФЛ?
• · Не приведет ли «ковровая» замена всех ламп накаливания на КФЛ к неприемлемому ухудшению качества электроэнергии в сети электропитания из-за «загрязнения» гармониками?

Ниже будет рассмотрен каждый из этих вопросов.

И снова к вопросу о скорости и частоте включения-выключения

Не смотря на то, что цены на КФЛ за последние несколько лет упали, все равно нет ни экологической, ни экономической целесообразности устанавливать их в таких местах, как гардеробные комнаты и хозяйственные кладовые, где свет включается редко и на очень короткое время. Обладающие очень высокой эффективностью КФЛ, в магазине почти в десять раз дороже, чем лампы накаливания. Поэтому требование сплошной замены всех ламп накаливания (ЛН) на КФЛ представляется более чем спорным. Без сомнения, установленная в кладовке КФЛ заберет намного меньше энергии по сравнению с ЛН, но эта экономия будет настолько ничтожна, что за весь срок службы новой лампы не компенсирует разницу в цене.

В настоящее время намного реже говорят о сокращении срока службы ламп из-за частого включения и выключения, чем еще несколько лет тому назад. Действительно, некоторые производители КФЛ заявляют, что включение-выключение уже не оказывает никакого влияния. Последние расчеты, сравнивающие экономический эффект от экономии электроэнергии с увеличением расходов из-за сокращения срока службы ламп в результате частых переключений, показывают, что оправдано выключение ЛН даже если ее потребуется снова включить через минуту, в то же время для флуоресцентной лампы экономически оправданный «период покоя» должен составлять не менее 15 минут. Это эмпирическое правило одинаково верно для больших и для малых флуоресцентных ламп. Естественно, результаты сравнения меняются в зависимости от мощности (3 Вт или 30 Вт?) ламп, взятых для оценки влияния частоты переключения на срок службы. Например, если 3-ваттная КФЛ стоит, допустим, 150 рублей, то 30-ваттная стоит дороже, но никак не 1500 рублей.

Рис. 1. Бра с ЛН мощностью 15 Вт	Рис. 2. Бра с КФЛ мощностью 4 Вт сразу после включения	Рис. 3. Бра с КФЛ мощностью 4 Вт через 5 мин. после включения

Обычно заявляют, что флуоресцентную лампу лучше оставить гореть постоянно, чтобы не уменьшать ее срок службы, и часто приводимой причиной этого является то, что в момент включения флуоресцентная лампа потребляет огромную энергию. Такое объяснение и прежде было абсолютной чепухой, а сейчас оно еще более не соответствует действительности. В первые две – три секунды после включения, и до выключения стартера, реактивная мощность, потребляемая 58-ваттной флуоресцентной лампой с индуктивным балластом с малыми потерями, возрастает до 200ВА. Но активная мощность постепенно возрастает до (но никогда не превышает) номинальной мощности лампы (см. рис. 4).

Рис. 4. Изменение потребляемой мощности и коэффициента мощности (PF) во время фазы пуска и нагревания 58-ваттной флуоресцентной лампы с индуктивным балластом с малыми потерями

Нужно отметить, что для такого типа некомпенсированных ламп конечное значение реактивной мощности в 125 ВА является особенно высоким. Другими словами, начальное значение реактивной мощности всего на 60% превышает конечное значение, в то время как пусковое значение активной мощности на 43% ниже конечного значения до загорания лампы и на 20% ниже сразу после ее включения, пока лампа остается холодной. Нет свидетельств в пользу увеличенного потребления мощности в момент пуска лампы, а подтверждается как раз обратное. Однако важную роль имеет соответствующая компенсация на всех фазах работы индуктивного балласта с малыми потерями. Это в равной степени относится и к обычным индуктивным балластам, которые работают на основе тех же принципов, но которые согласно Европейской директиве запрещается продавать на территории ЕС.

Сокращение срока службы современной КФЛ определить непросто. Это объясняется тем, что срок службы КФЛ обычно в 5-10 раз больше ламп накаливания, и при этом они являются изделием с относительно коротким циклом модернизации. Следствием является то, что определенная модель исчезает с рынка и заменяется более совершенной до появления результатов испытания на длительность службы.

Важно знать поведение КФЛ в условиях, когда окружающая температура настолько низкая, что лампа не может достичь оптимальной рабочей температуры даже после работы в течение некоторого времени. Не смотря на то, что рабочие характеристики при низкой температуре могут быть измерены, сделать значимый общий вывод довольно затруднительно из-за большого разнообразия имеющихся на рынке моделей.
Также важно помнить о том, что кроме определения численных параметров всех характеристик, часто успех или провал внедрения новой технологии решает субъективное впечатление конечного потребителя. На рис. 2 и 3 показано, что лампа начинает светить в полную яркость только через некоторое время после включения. Будет это вызывать отрицательные эмоции или нет – зависит от места установки лампы. Вряд ли такая проблема возникнет там, где лампа включается в определенное время суток и не выключается весь вечер. Но там, где раньше стояла ЛН, которая включалась периодически на короткий промежуток времени, придется ждать, пока КФЛ наберет полную яркость. Это снижает экономию энергии и вызывает у потребителя негативное впечатление. Наблюдения показывают, что недорогие КФЛ из ближайшего хозяйственного магазина в момент включения обладают пониженной яркостью. Дорогие же фирменные лампы, как правило, почти лишены такого недостатка и набирают полную яркость намного быстрее.

Действительно ли энергосберегающие лампы позволяют снизить расход электроэнергии?

С позиции исключительно экономии электроэнергии энергосберегающие лампы почти всегда являются лучшим выбором, если только не задумываться о том, насколько частое включение-выключение может сократить их срок службы. При приблизительном экономическом сравнении двух типов ламп необходимо учитывать цену на электроэнергию, расход электроэнергии, цену изделия, световой поток, ожидаемый срок службы. Сегодня основную массу этих данных предоставляется производителем ламп. На практике, в большинстве случаев невозможно найти для сравнения ЛН с таким же световым потоком, как у рассматриваемой КФЛ, поэтому пары ламп подбираются по максимально близкому значению светового потока, и затем производится сопоставление электрической мощности и цены. Исследования показывают, что затраты суммарные затраты на приобретение лампы и оплату потребленной ею электроэнергии для ЛН и КФЛ достигают равенства ориентировочно через 2000 часов работы. Затем расходы для ЛН начинают превышать расходы для КФЛ. ЛН также характеризуются нелинейной зависимостью яркости свечения от электрической мощности лампы. Так, световой поток 150-ваттной ЛН в 25 раз больше, чем световой поток 15-ваттной ЛН. При этом сильно меняется спектральный состав света. У низковаттных ЛН свет более желтый, чем высоковаттных. Для КФЛ также характерно непропорциональное увеличение светового потока при увеличении мощности, но цвет света от мощности не зависит. Что же касается экономии электроэнергии, то при приблизительно равном световом потоке КФЛ на 75% эффективнее ЛН. Другими словами, энергосберегающие КФЛ действительно сберегают энергию и деньги по сравнению с лампами накаливания.

Насколько компактны КФЛ?

Соответствие размера КФЛ размерам светильника, как правило, является вопросом вкуса. Очень часто возникает ситуация, когда цоколь КФЛ подходит к патрону светильника, но сама лампа выступает за его габариты. Можно найти лампу с меньшими габаритами, но рабочие характеристики и надежность такой лампы не гарантированы. Уменьшение габаритов достигается за счет более плотного монтажа электронной схемы и использования тонкостенных трубок. В результате электроника перегревается, трубки ломаются при вкручивании лампы в патрон.

Регулировка яркости

Преимуществом ЛН, благодаря которому многие их предпочитают для жилых помещений, является простота регулировки яркости. Правда, регулировка яркости не обеспечивает экономию электроэнергии, но делает освещение более приятным для восприятия. Яркость обычных ЛН регулируется без каких-либо технических сложностей. Яркость низковольтных галогенных ламп, включаемых в сеть через обычных или электронный трансформатор, также можно регулировать с учетом ряда ограничений. А яркость стандартных КФЛ не регулируется, за исключением отдельных моделей. Попытка изменить яркость КФЛ обычными средствами приводит к тому, что лампа начинает мигать. Поэтому в гостиничные номера многих отелей вместо энергосберегающих КФЛ снова возвращаются обычные лампы накаливания.

Чтобы закрыть этот провал некоторые производители выбросили на рынок модели КФЛ со ступенчатой регулировкой яркости. В настоящее время имеются лампы с двумя (100% и 50%) и четырьмя (100%, 66%, 33% и 5%) ступенями регулировки яркости. Однако управление такими лампами нельзя назвать простым. Кратковременное выключение лампы (длительность выключения менее 1 с) приводит к снижению яркости на одну ступень. При выключении на более длительный период (более 3 с) лампа после включения загорается с максимальной яркостью. По утверждению производителей, такие кратковременные выключения не снижают срок службы ламп. Если лампа уже включена в цепь через регулятор яркости (остался от эпохи ЛН), то его можно использовать как выключатель, быстро сдвинув регулятор на минимум и вернув на максимум, — способ довольно странный и непрактичный. Но этот регулятор уже нельзя использовать для плавной регулировки яркости. Такой регулятор лучше заменить старым, добрым выключателем. Но тогда простая замена лампочки превратиться в целое мероприятие с вызовом электрика для переделки проводки. Уменьшение яркости КФЛ, также как и в случае с ЛН, практически не приводит к дополнительной экономии энергии. Но, к сожалению, регулировка яркости КФЛ имеет свою цену. КФЛ с регулируемой яркостью существенно дороже, чем обычные КФЛ. Такая лампа должна работать более 5000 часов с минимальным уровнем яркости, чтобы компенсировать высокую покупную цену за счет экономии средств в результате пониженного энергопотребления.  У «небрендовых» производителей эта цифра может составлять порядка 1500 – 2000 часов за счет меньшей цены продукции.
Тем не менее, технологии развиваются, и на рынке уже появились КФЛ мощностью 20 Вт с плавной регулировкой яркости, совместимые с регуляторами последнего поколения для ЛН. Регулировка яркости в таких лампах осуществляется в пределах от 100% до 15% при номинальном световом потоке 1230 лм. Измерения показывают, что лампа внезапно гаснет, когда входная мощность уменьшается до 6 Вт. При этом, если после гашения лампы регулятор яркости находится в невыключенном состоянии, отмечается незначительное потребление мощности (0,2 Вт). Тот факт, что лампа продолжает потреблять ток, но это незаметно для человеческого глаза, является недопустимым согласно соответствующим стандартам. Интересно, что такая ситуация не возникает при использовании более современных регуляторов яркости: лампа излучает очень слабый свет при минимальном положении регулятора, как и положено.

Электромагнитная совместимость: приведет ли запрет ламп накаливания к «цунами гармоник»?

Широко распространено беспокойство по поводу того, что гармоники, создаваемые компактными флуоресцентными лампами, значительно ухудшат качество электроэнергии в сети. Однако опытные расчеты сценария загрязнения гармониками от работы КФЛ показывают, что ожидаемого резкого снижения качества энергии не должно произойти. Но что на практике? Согласно данным компании «Osram», около 11% производимой в Германии электроэнергии используется для освещения и около 70% освещения осуществляется флуоресцентными лампами, которые потребляют только половину от упомянутых 70%. Эти цифры сразу дают грубую оценку энергоэффективности флуоресцентного освещения. КФЛ являются не единственной альтернативой ЛН. Например, часть из 11% электроэнергии потребляется разнообразными газоразрядными лампами высокого давления, чья эффективность близка к эффективности КФЛ. Эти лампы используются преимущественно в фонарях уличного освещения. Все чаще вместо ламп с вольфрамовой нитью накала используются светодиодные источники света. Однако в жилых помещениях многие по-прежнему предпочитают использовать ЛН. Интересно отметить тот факт, что уровень освещенности в большинстве домов в несколько раз ниже, чем предписано нормами для рабочих помещений или желательно иметь, к примеру, в торговых залах. Нормативный уровень освещенности для рабочей обстановки часто воспринимается как раздражающе яркий в условиях жилого пространства. Поэтому из 11% электроэнергии, используемой в Германии для освещения, более 2% потребляется лампами накаливания. И если в перспективе эти ЛН будут заменены на КФЛ, то потребление снизится с 2% до 0,5%. Если использование КФЛ еще не породило трудности в частном жилом секторе, то в гостиницах ситуация складывается по-другому. Руководствуясь больше экономическими соображениями, чем нормативными предписаниями, многие гостиницы в свое время заменили все ЛН на КФЛ. В результате на ограниченных участках электросети возникла высокая концентрация нелинейных нагрузок. Это сразу привело к перегрузкам в нейтральном проводе. Даже в тех случаях, когда нелинейные нагрузки симметрично распределялись между всеми тремя фазами, присутствовал ток в нейтральном проводе – взаимной компенсации реактивных составляющих не происходило. В распределительных сетях низкого напряжения с системой TN-C или TN-C-S в таких случаях возникают значительные токи во внешних проводящих элементах, таких как экранирование кабелей передачи данных. Но появление данной проблемы обусловлено не типом используемых ламп, а типом используемой распределительной электросети: паразитные токи возникают и в случае использования ЛН в сочетании с регуляторами яркости. Так как КФЛ значительно снижают потребление электроэнергии (почти в 4 раза), ожидаемое со страхом ухудшение качества электроэнергии будет сравнимо с сетью освещения, в которой четверть ламп накаливания оборудованы регуляторами яркости. И это определенно не повод бить в набат. Относительно простой способ выпрямления входного напряжения и сглаживания пульсаций с помощью электролитического конденсатора – единственная технология, разрешенная стандартами EN для КФЛ мощностью до 25 Вт. Требования к качеству электроэнергии для КФЛ мощностью более 25 Вт гораздо более жесткие, и их выполнение может быть обеспечено только использованием активного регулятора коэффициента мощности.

Проблемы электромагнитной совместимости, которые могли бы быть вызваны КФЛ, происходят из того, что КФЛ на самом деле являются высокочастотными электронными устройствами. Они работают на частоте 20-50 кГц. В некоторых условиях может возникнуть электромагнитное излучение на данных частотах, или они могут появиться на входе. Такие явления вряд ли будут наблюдаться у ламп с простой схемой выпрямления, так как электромагнитное ВЧ излучение генерируется только после выпрямительного каскада. А вот КФЛ мощностью 30 Вт уже могут вызвать интерес и подозрения у специалистов по гармоникам. Такая лампа уже оснащается схемой активного регулятора коэффициента мощности. Испытания КФЛ ряда производителей, в том числе и китайских, оценивающие влияние ламп на качество электроэнергии показывают, что восстановление синусоидальной амплитуды тока можно считать отличным и отвечающим стандартам на наличие в токе гармонических составляющих. Результаты измерений показаны на рис. 6. Но анализатор формы амплитуды тока не может показать наличие паразитных радиоизлучений. Тем не менее, была возможность отметить факт такого излучения и без специального оборудования: когда в жилой комнате включалась КФЛ, то переставал работать пульт дистанционного управления телевизором. Вполне вероятно, что это и был побочный эффект работы высокочастотной схемы электронной коррекции коэффициента мощности, расположенной на входе.

Другим побочным эффектом, с которым реально может столкнуться потребитель в жилом помещении, оборудованном КФЛ с плавной регулировкой яркости, возможно, станет появление гула в громкоговорителях музыкальной системы. На рис. 8 показана форма амплитуды тока такой лампы. Графики показывают наличие токов с резко возрастающим фронтом, появляющихся при переключении регулятора мощности. При потребляемой активной мощности 6 Вт, пиковый ток составляет около 1 А и почти в два раза больше пикового тока, измеренного в режиме полной мощности 18 Вт. Спектр гармоник явно простирается дальше 49 гармоники. Но анализатор качества электроэнергии, к сожалению, не может показать большего. В то же время не наблюдалось помех приему радиотрансляции, телевизионного сигнала, работе пультов дистанционного управления. Отмечалось только гудение в громкоговорителях музыкальной системы, которое часто создают регуляторы яркости.

Вывод.

Любая «ковровая» замена ламп накаливания на КФЛ представляется непродуктивной. Выборочный запрет также обречен на неудачу из-за возникающих технических проблем и трудности согласования по вопросу, где же провести границу. Переход на КФЛ должен быть делом свободного и обдуманного выбора, и этот процесс уже идет. Что необходимо для его продолжения – это обсуждение возникающих проблем сначала в среде специалистов, а затем с привлечением конечного потребителя. Во многих гостиницах и ресторанах Европы КФЛ уже почти полностью заменили лампы накаливания. Правда, остается фактом то, что КФЛ не могут заменить очень популярные, но неэффективные низковольтные галогенные лампы направленного света. Однако в этой нише успеха может сопутствовать быстро развивающиеся светодиодным светильникам.

Метки: КЛЛ, компактные энергосберегающие лампы, флуоресцентные лампы, энергосберегающие лампы, энергосбережение