Применения системы освещения на базе автоматически управляемых светодиодов при производстве строительно-транспортных работ

В данной статье рассмотрены аспекты применения системы освещения на базе автоматически управляемых светодиодов при производстве строительно-транспортных работ. На примере имитационной модели проведен анализ экономической эффективности от применения системы автоматического управления освещением. Рассмотрены способы достижения комфортных условий труда при производстве строительно–транспортных работ.

Ключевые слова:автоматическое светодиодное освещение, имитационная модель, строительство, транспортные работы, экономическая эффективность.

В данной статье приводится обоснование применения положений «Концепция системы освещения помещений с автоматическим управлением на базе светодиодов» [1] (далее Концепции), при создании системы освещения строительно-транспортных работ. Концепция автоматического светодиодного освещения на строительной площадке достаточно широка. Рассмотрим частный случай такой системы освещения, в рамках погрузочно-разгрузочных и транспортировочных работ. Всю систему освещения можно разделить на несколько частей: общее наружное освещение, локальное освещение рабочего участка, внутреннее освещение кабины машиниста.

Задача общего наружного освещения сводится к освещению погрузочно-разгрузочной и строительной площадки, которое необходимо для обеспечения позиционирования транспортных средств (панелевозов), а так же для освещения штабелей и временных складских площадок. Локальное освещение рабочего участка предназначено для освещения точки работы крюка, захвата или ковша экскаватора в случае работы его в труднодоступном месте, или в области, удаленной от источников общего освещения строительной площадки. Внутреннее освещение кабины машиниста предназначено для удобства и комфортной работы персонала.

Суть работы комплексной системы освещения заключается в следующем. Датчики движения устанавливаются на подъездных путях к месту проведения строительно-транспортных работ. В случае появления в чувствительной зоне датчиков транспортного средства (автосамосвала, транспортера) интенсивность общего наружного или локального освещения с помощью широтно-импульсной модуляции плавно увеличивается до 100 %, интенсивность внутреннего освещения кабины машиниста плавно уменьшается. В случае отсутствия транспортных средств в зоне проведения работ, наружное освещение плавно отключается и комфортные условия оператора строительной техники во время ожидания обслуживаемых машин обеспечиваются за счет внутреннего освещения кабина машиниста.

В данной работе рассмотрены аспекты освещения технологических участков строительно-транспортных работ, при условии работы в вечернюю и ночную смены. Для обоснования эффективности применения систем автоматически управляемого светодиодного освещения систем общего наружного и локального освещения в ночную смену была разработана имитационная модель технологического процессов строительно-транспортных работ. В данной части статьи будет рассмотрена возможность управления яркостью освещения для обеспечения энергоэффективного режима потребления. Для упрощения исследуемой модели, при расчете экономического эффекта, рассмотрена возможность режима работы осветительного оборудования в двух режимах 0 % мощности и 100 % мощности, тем не менее, Концепция предполагает возможность изменения яркости и спектрального состава излучения в широком диапазоне состояний, данные возможности будут освещены более подробно в заключительной части статьи.

Рассмотрим исследуемую модель. Данная модель представляет собой описание процесса перевозки строительных изделий из зоны погрузки (склада), в зону разгрузки (место проведения строительно-монтажных работ). В зоне погрузки находится строительный кран, обеспечивающий погрузку строительной продукции в грузовой транспорт. После завершения процесса погрузки транспортное средство по однополосной дороге отправляется в зону разгрузки, где с помощью крана освобождается от перевозимых изделий и по обратной ветви однополосной дороги направляется обратно в очередь на погрузку. Количество единиц грузового транспорта, и погрузочной техники находящееся в системе в течение смены — известно и остается неизменным. Участки проведения погрузочно-разгрузочных работ оснащены системой автоматического светодиодного освещения, также данной системой оснащены магистральные участки прямой и обратной ветви грузовой трассы. Зоны подъезда к местам проведения погрузочных и разгрузочных работ оснащены неуправляемыми системами освещения и в данной работе не рассматриваются. Информацию для принятия решения по управлению параметрами освещенности предполагается получать за счет датчиков установленных на участках, не оснащенных автоматической системой управления освещением. Данное решение обеспечит заблаговременную возможность плавного включения и отключения управляемых осветительных устройств. Схема прохождения процесса и параметры исследуемых участков представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Модель — Схема прохождения процесса

В данной модели критерием для оптимизации примем время работы управляемого осветительного оборудования в течение одной ночной смены. Коэффициент использования осветительного оборудования непосредственно связан с проведением процесса строительно-транспортных работ на каждом участке модели.

Для проведения анализа экономической эффективности применения управляемых светодиодных осветительных установок, необходимо рассчитать технико-экономические показатели процесса при условии обеспечения работы во включенном режиме в течении всего времени смены. Вычислим технико-экономические характеристики осветительного оборудования для указанной выше имитационной модели. В качестве стационарных мачт освещения примем стандартные осветительные мачты высотой 9 метров. Вспомогательное оборудование несвязанное с системой автоматического светодиодного освещения в данной статье рассматриваться не будет. В соответствии с СП 52.13330 [2] минимальная освещенность дорожного полотна при предполагаемой интенсивности транспортного потока, находящейся в промежутке от 10 до 50 транспортных средств в час составляет 2 лк. Исходя из этого условное осветительное оборудование, состоящее из группы светодиодных светильников с интенсивностью излучения 17000 лм, расположенных на опоре высотой 9 метров, обеспечивает нормативную освещенность. Для освещения однополосной дороги предполагается установка 2 светодиодных светильников, на мачту освещения. Мощность, потребляемая одним светильником, составляет 200 Ватт. Энергопотребление одной осветительной конструкции составит 400 Ватт соответственно. Для расчета стоимости потребляемой электроэнергии необходимо рассчитать количество осветительных установок на каждом участке трассы, где предусмотрена установка автоматически управляемого светодиодного освещения. Количество оборудования рассчитывается по формуле 1.

                                                                                                      (1)

Где: n_св- количество светильников на участке (шт.); L_уч — дина участка (м); L_мо — расстояние между опорами освещения (м); r — количество рядов светильников

За участок № 3 для модели примем объеденные показатели участка погрузки и участка разгрузки, таким образом, примем количество светильников на участке три равное восьми. Сводные результаты расчетов приведены в таблице 1

Общее потребление каждого участка трассы рассчитывается по формуле 2

                                                                                                            (2)

Где: n_св- количество светильников на участке (шт.); P_св — ощность потребляемая одной установкой (Вт); N_wi — Суммарная мощность потребляемая осветительными приборами i участка (Вт)

Примем время одной ночной смены равное 8 часам, тогда расход электроэнергии за смену рассчитывается по формуле 3.

                                                                                                                 (3)

Где: Q_w — тогда расход электроэнергии за смену кВт*час; t — продолжительность смены в часах

На основании тарифов МОЭСК от 01.2012 г. [3] для потребителей низкого напряжения в московской области стоимость 1 кВт*час составляет 1.93 руб.

Таблица 1

Характеристики осветительной системы в обычном режиме работы

Для нахождения оптимальных режимов работы осветительного оборудования построим имитационную модель указанного выше процесса, с помощью GPSS-World. Рассмотрим условия функционирования имитационной модели. В данной модели в соответствии со схемой прохождения процесса работ по погрузке, разгрузке и транспортировке строительных изделий, указанной на рисунке 1 создается имитация технологического процесса в течении восьмичасовой рабочей смены. В замкнутой системе функционирования одноканального комплекта машин, число транспортных средств и рабочего оборудования известно изначально и остается неизменным на протяжении всего процесса [4]. Предположим, что для обеспечения безопасности движения транспорта, необходимо принять ограничение на количество машин одновременно присутствующих на трассе, равное одному панелевозу. Временные характеристики данного технологического процесса указаны в минутах и отражаются с помощью блоков модели — ADVANCE, GENERATE 480, TERMINATE 1, START 1. Для наглядности восприятия модели рассмотрим рисунок 2.

Рис. 2. Процесс функционирования одноканального замкнутого комплекта машин.

Рассмотрим все события, происходящие в одноканальном комплекте машин:

1.                 Определение (генерирование) числа обслуживаемых машин (требований), в данном случае число панелевозов.

2.                 Моделирование времени поступления машин в систему вначале смены

3.                 Постановка панелевозов в очередь под погрузку

4.                 Проверка занятости крана в зоне погрузки

5.                 Выход панелевозов из очереди под погрузку

6.                 Процесс погрузки строительных изделий в панелевозы

7.                 Освобождение крана в зоне погрузки

8.                 Моделирование времени выезда из зоны погрузки

9.                 Постановка в очередь на движение по трассе в зону разгрузки

10.             Проверка занятости трассы

11.             Выход из очереди

12.             Процесс движения транспортного средства по трассе

13.             Освобождение трассы

14.             Моделирование времени на подъезд в зону разгрузки

15.             Постановка панелевозов в очередь под разгрузку

16.             Проверка занятости крана в зоне разгрузки

17.             Выход панелевозов из очереди на разгрузку

18.             Процесс разгрузки строительных изделий из панелевозов

19.             Освобождение крана в зоне разгрузки

20.             Моделирование времени выезда из зоны разгрузки

21.             Постановка в очередь на движение по обратной трассе в зону погрузки

22.             Проверка занятости обратной трассы

23.             Выход из очереди

24.             Процесс движения транспортного средства по обратной трассе

25.             Освобождение трассы

26.             Моделирование времени на подъезд в зону погрузки

27.             Возвращение панелевоза в систему (повторение цикла погрузки/разгрузки)

Исходный код модели представлен ниже:

Основные результаты моделирования сведены в таблице 2

Таблица 2

Результаты моделирования, модели № 1 при условии наличия 4 панелевоза в системе

Как видно из показателя коэффициента использования (UTIL), оборудование в системе загружено менее чем на 100 %. Коэффициент простоя оборудования имеет следующие значения:

-        Кран на этапе погрузки — 0.14

-        Кран на этапе разгрузки — 0.405

-        Участок трассы от погрузки к разгрузке (участок 1) — 0.227

-        Участок трассы от разгрузки к погрузке (участок 2) — 0.441

По результатам моделирования можно сделать вывод о том, что технологическое оборудование простаивает и будет целесообразно принять решение об отключении основных источников освещения во время простоя технологического оборудования.

Для наглядности промоделируем варианты с комплектом машин, в котором скорость выполнения процесса не является оптимальным критерием и как следствие в системе присутствует всего 1 панелевоз, а также с комплектом машин в котором присутствует 8 панелевозов. Результаты моделирования представлены в таблице 3 и таблице 4 соответственно.

Таблица 3

Результаты моделирования при условии наличия 1 панелевоза в системе

Таблица 4

Результаты моделирования при условии наличия 8 панелевозов в системе

Как видно из результатов моделирования, в случае, когда в системе функционирует всего один панелевоз, простой оборудования в среднем составляет 80 %. В ином случае, когда в системе присутствует 8 панелевозов и кран на линии погрузки имеет коэффициент использования равный 98 %, в системе все равно существуют простои последующего технологического оборудования. Данные результаты еще раз подтверждают необходимость рационального управления системой освещения. Поскольку в системе в зависимости от технологических условий прохождения процесса, может функционировать различное количество единиц техники, применение систем автоматического управления освещения является одним из способов достижения оптимального режима энергопотребления. В данной работе при расчете затрат на потребление электроэнергии в качестве базового — будет принят вариант с четырьмя панелевозами в системе.

Рассчитаем экономическую выгоду в случае отключения освещения на время простоя оборудования. Расчет проведем согласно формуле 4.

                                                                                           (4)

Где: Q_we — энергоэффективный расход электроэнергии. кВт*час; K_p — коэффициент простоя оборудования.

Сводные Результаты расчета представлены в таблице 5

Таблица 5

Характеристики осветительной системы в энергоэффективном режиме работы

Просуммируем затраты ресурсов за одну смену на каждом участке для обеих моделей в энергоэффективном и обычном режимах потребления. Для удобства анализа сведем показатели в таблицу 6.

Таблица 6

Сводные показатели затрат

Как видно из сводной таблицы показателей затрат, применение системы автоматически управляемой системы светодиодного освещения позволяет сэкономить в среднем более 30 % затрат на электроэнергию, а также увеличить жизненный цикл работы оборудования примерно на треть.

Рассмотрим другой аспект применения положений Концепции при создании системы освещения на строительной площадке. Помимо возможности включения или выключения оборудования, концепция системы освещения предусматривает возможность в автоматическом режиме создавать условия искусственного и совмещенного освещения максимально приближенные к условиям естественного освещению. Предположим, что в вечернюю смену или пасмурную погоду на строительной площадки необходимо провести работы, требующие зрительной концентрации. Для обеспечения необходимых условий освещения применяется искусственное или совмещенное освещение по периметру площадки (рисунок 3).

Рис. 3. Освещение по периметру строительной площадки

На данной строительной площадке проводятся работы, как с привлечением рабочей силы, так и средств механизации. Соответственно на территории строительной площадки в течение смены постоянно находятся рабочие. Одним из важных факторов, влияющих на адекватное восприятие работником окружающей среды, является зрительная работоспособность, зависящая от условий освещения. Снижение зрительной работоспособности или «усталость», может возникнуть вследствие продолжительной работы в плохих условиях освещения, также усталость вызывают сопутствующие плохому освещению утомление нервной системы и мышечная усталость [5]. Воздействие света на организм человека не ограничивается исключительно зрительным восприятиям, в ходе проведенных исследований была выявлена зависимость между освещением и выработкой мелатонина организмом человека [6]. Так же необходимо учесть, что в зависимости от спектрального состав излучения объекты различных цветов расположенные на стройплощадке могут иметь различную насыщенность цвета [7].

Таким образом, становится очевидной необходимость обеспечения заданных параметров яркости и спектрального состава освещения в местах с постоянным пребыванием людей. Предположим, что в рассматриваемом нами случае необходимо поддерживать на территории строительной площадки освещение по спектральному составу и яркости соответствующе естественному дневному освещению в полдень при условии ясного неба (5250К). Как известно в течении суток цветовая температура естественного света изменяется. В вечернюю смену усредненная цветовая температура естественного освещения составит 3500К [8]. В случае работы в дневную смену, но пасмурную погоду усредненная цветовая температура естественного освещения составит 8000К. Следовательно, для достижения оптимального освещения необходимо использовать искусственное освещение различного спектрального состава. Как показали анализ актуальности Концепции [9] и апробация её принципов [10], современная светотехническая продукция, выпускаемая отечественной и зарубежной промышленностью, позволяет реализовать систему светодиодного освещения с управляемым спектральным составом излучения. Для обеспечения необходимой яркости и спектрального состава осветительных установок, предполагается, как включение и отключение определенных групп светодиодов внутри светильника, так и управление ими с помощью ШИМ [11] и АШИМ [12] регулирования. Следует отметить, что положения, озвученные для системы освещения строительной площадки, во многом актуальны и для освещения кабины машиниста строительной и транспортной техники.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что применение автоматически управляемого светодиодного освещения может способствовать, как достижению экономически выгодного энергоэффективного режима потребления электроэнергии, так и комфортных условий освещенности для персонала занятого на производстве строительно-транспортных работ.

Литература:

1.                  Ульянов Р. С. Концепция системы освещения помещений с автоматическим управлением на базе светодиодов / Ульянов Р. С., Завьялов В. А. // Молодой учёный — 2013 — Вып. 3 — С. 108–111.

2.                  СП 52.13330.2011 «Свод правил. Естественное и искусственное освещение. Актуализированная редакция СНиП 23–05–95*» (утв. Приказом Минрегион РФ от 27.12.201 № 783);

3.                  Московская объединенная сетевая компания: Тарифы на электроэнергию в Московской области 2012 г. http://old.moesk.ru/Kliyentam/Peredacha %20elektroenergii/

Tarify/01_2012_obl/ (дата обращения: 26.08.2013).

4.                  Кудрявцев Е. М., Комплексная механизация строительства: Учебник (издание третье, переработанное и дополненное) — АСВ 2010 г. — 464 с.

5.                  ГОСТ ИСО 8995–2002 Принципы зрительной эргономики. Освещение рабочих систем внутри помещений

6.                  К. И. Иоффе — Биологическое влияние видимого света на организм человека / К. И. Иоффе // СВІТЛОТЕХНІКА ТА ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА — 2008 — Вып. 3 — С 21–29

7.                  Сайт профессионального фотографа Александра Горбатова: Цветоведение: http://photonik.ru/index.php/ekspozitsiya/565-tsvetovedenie (дата обращения: 06.08.2013).

8.                  Наконечников О. В., Цветовая температура http://www.schoolphotography.ru

/library/03/01.htm (дата обращения: 02.09.2013).

9.                  Ульянов Р. С. — Анализ актуальности концепции системы освещения помещений с автоматическим управлением на базе светодиодов / Ульянов Р. С., Завьялов В. А. // «Молодежный научный форум: Технические и математические науки»: материалы I студенческой международной заочной научно -практической конференции. (27 Марта 2013 г.) — Москва: Изд. «Международный Центр Науки и Образования», 2013. — С. 44–50

10.              Ульянов Р. С. — Апробация принципов концепции системы освещения помещений, на базе светодиодов с автоматическим управлением, в случае отсутствия внешнего воздействия на систему / Ульянов Р. С., Завьялов В. А. // Теория и практика современной науки: материалы X Международной научно-практической конференции, г. Москва, 27–28 июня 2013 г. / Науч.-инф. издат. центр «Институт стратегических исследований». — Москва: Изд-во «Спецкнига», 2013. — 4 С. 114–123.

11.              Шиколенко И. А., Завьялов В. А. Применение ШИМ в регулировании освещенности рабочего места. Молодой ученый — 2013. — №. 3. — С. 122–125

12.              Шиколенко И. А. — Применение АШИМ регулятора в управлении освещением рабочего места / Шиколенко И. А., Завьялов В. А. // «Молодежный научный форум: Технические и математические науки»: материалы I студенческой международной заочной научно -практической конференции. (27 Марта 2013 г.) — Москва: Изд. «Международный Центр Науки и Образования», 2013. — С. 51–55