Московский экономический журнал 2/2020

image_pdfimage_print

УДК 69.003

DOI 10.24411/2413-046Х-2020-10068

Экономико-математическое моделирование процессов проектирования системнаружного освещения объектов городского благоустройства

Economic and mathematical modeling of processes for designing outdoor lighting systems for urban improvement objects

Сергеева Нина Дмитриевна, профессор, доктор технических наук, Брянский государственный инженерно-технологический университет, Россия, г. Брянск

Федоров Егор Александрович, Строительный институт, Брянский государственный инженерно-технологический университет, Россия, г. Брянск

Синицына Алина Викторовна, кафедры строительного производства, Брянский государственный инженерно-технологический университет, Россия, г. Брянск

Sergeeva Nina Dmitrievna, Professor, doctor of technical Sciences, Bryansk state engineer-technological University, Russia, Bryansk

Fedorov Egor Aleksandrovich, Сonstruction Institute, Bryansk state engineer-technological University, Russia, Bryansk

Sinitsyna Alina Viktorovna, the Department of building production, Bryansk state engineer-technological University, Russia, Bryansk

Аннотация. Население г.Брянска высказывает серьезные нарекания по недостаточнойосвещенности улиц города. Причина известна – скудный городской бюджет. Решать данную проблему, по мнению авторов, необходимо путем разработки и реализации комплексной программы,в составе которой мероприятия таких направлений как:использование энергоэффективных источников света; сокращение потерь энерготрафика; рациональное размещение источников наружного освещения  и снижение стоимости производства работ на объектах городского благоустройства и др.

Авторами разработана экономико-математическая модель автоматизированной подготовки проектной документации на устройство системы наружного освещения объектов городского благоустройства. Предлагается также методика расчета энергопотребления установок наружного освещения объектов городского благоустройства (на примере парков, скверов и придомовых территорий).

Summary. The population of Bryansk expresses serious complaints about the lack of light in the streets of the city. The reason is known – the meager city budget. To solve this problem, according to the authors, it is necessary to develop and implement a comprehensive program that includes measures such as: the use of energy-efficient light sources; reducing energy traffic losses; rational placement of outdoor lighting sources and reducing the cost of work on urban improvement facilities and others.

The authors developed an economic and mathematical model of automated preparation of project documentation for the device of outdoor lighting of urban improvement objects. We also propose a method for calculating the energy consumption of outdoor lighting installations for urban improvement objects (for example, parks, squares and local areas).

Ключевые слова: методология, проектирование, искусственное освещение, объектыгородского благоустройства, энергопотребление, освещенность, светодиоды.

Keywords: methodology, design, artificial lighting, urban improvement objects, energy consumption, illumination, LEDs.

Развивающиеся города Нечерноземья, в том числе и г. Брянск  с населением  порядка 300-500 тысяч человек имеют серьезные нарекания от населения по организации наружного освещения города. Только центральные улицы, и городские магистрали освещаются вполне удовлетворительно, а причина известна – скудный городской бюджет. Решать данную проблему, по мнению авторов, необходимо путем разработки и реализации комплексной программы с мероприятиями как минимум нескольких направлений.  Реализация программы и мероприятий по энергосбережению согласно действующего закона РФ «Об энергосбережении» возможно: замены источников света на энергоэффективные; внедрение технических решений по сокращению потерь трафика энергоресурсов; рациональное размещение источников света при организации наружного освещения объектов городского благоустройства и др.[1]

Анализ практики организации функционирования объектов городского благоустройства показал, что существуют проблемы при проектировании наружного освещения парков, скверов, придомовых территорий. [2] Применяемая в настоящее время   методология расчета источников наружного освещения для дорожных трасс и отдельных компактных объектов, имеет четкие нормативы, но и она нуждаются в дополнениях, поскольку не учитывает прогрессивные технологические инновации. [3]

Авторами выявлено, что устройство  источников освещения  в системе городского хозяйства на целом ряду объектов благоустройства, осуществляется по техническому заданию. То есть принимаются  нерациональные решения.Подготовка проектной документации на устройство систем наружного освещения таких объектов, как парки, скверы, придомовые территории заключается в отсутствии методологии.  Сложность  заключается в необходимости учитывать  бесконечно большое разнообразие размещения парковой инфраструктуры, придомовых территорий и скверов, конфигурации площадей,озеленения и др. Кроме того, методология должна иметь нормативы потребления энергоресурсов на этих объектах, учитывать инновации. Именно поэтому предприятия городского хозяйства, имеющие слабую производственную базу и недостаточный объем бюджетного финансирования и собственных оборотных финансовыхресурсов, осуществляет выполнение  работ на таких объектах по техническому заданию.  Финансируется только разработка проекта дизайна. [4]

Авторами предлагается осуществлять расчет размещения и выбор технологии производства работ по устройству источников освещения, а также эксплуатационных показателей системы наружного освещения объектов городского благоустройства с выбором рационального варианта.

Применение разработанной авторами экономико-математической и организационно-технологической моделей методологии автоматизированного проектирования ПОС и ППР для выполнения работ по устройству наружного освещения этих объектов позволяет учесть все особенности объекта и рассчитать рациональный вариант технологии по критерию стоимости или трудоемкость. [5]

Отметим также, что Постановлением Правительства РФ от 28.08.15 г. № 898 «О внесении изменений в пункт 7 правил установления требований энергетической эффективности товаров, работ, услуг при осуществлении закупок для обеспечения государственных и муниципальных нужд» декларируется запрет на приобретение неэффективных источников света в проектах наружного освещения, выполняемых для государственных и муниципальных нужд[6]. При этом в Постановлении не уточняются объекты городского благоустройства муниципальных образований, а  объекты придомовых и внутридворовых территорий не обязательно – муниципальные. Считаем, что Постановление должно распространяться и для этих объектов, поэтому не следует, исключать применение:

  • светильников с неэлектронными пускорегулирующими аппаратами для трубчатых люминесцентных ламп;
  • светильников с дуговыми ртутными лампами;
  • светильников с двухцокольными люминесцентными лампами с цоколем G13, за исключением случаев, когда для освещения в соответствии с СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278 не могут применяться светодиодные источники света[9].

Таким образом, при проектировании рекомендуем просчитывать варианты, которые позволяют обеспечивать нормативные требования освещенности с наименьшими энергетическими и материальными затратами на устройство систем освещения объектов городского благоустройства.[7].

Методика расчета энергопотребления систем наружногоосвещения объектов городского благоустройства (на примере парков, скверов и придомовых территорий) должна учитывать инновационные варианты. При этом выполняется расчет основных эксплуатационных показателей [10] систем наружного освещения объектов городского благоустройства, среди них:

1.Коэффициент эксплуатации осветительной установки MF, равный отношению освещенности  (яркости) в заданной точке объекта к освещенности (яркости)  в начале эксплуатации систем освещения объектов городского благоустройства.

MF = MF сп·MF ви·MF оп ,(1)

где MFсп -коэффициент, учитывающий спад светового потока источников света MFви-коэффициент, учитывающий выход из строя источников света;MFоп-коэффициент, учитывающий загрязнение и невосстанавливаемое изменение свойств оптических элементов осветительных приборов.

2.Освещенность систем освещения объектов городского благоустройства Е, лк-отношение светового потока dФ, падающего на элемент поверхности объекта к площади dA этого элемента: 

Е = dФ/dA.(2)

3.Относительная удельная мощность систем освещения объектов городского благоустройства D p , Вт/(м 2 ·лк): Это фактически показатель энергоэффективности освещения объектов городского благоустройства, определяемый отношением мощности установленного осветительного оборудования к площади участка и средней освещенности.

4.Равномерность распределения освещенности Uh  (яркости Uо) освещения объектов городского благоустройства: Отношение минимального значения освещенности к среднему значению освещенности объектов городского благоустройства

U h  = E минср .(3)

5.Средняя освещенность объектов городского благоустройства Е ср ,лк: Освещенность систем объектов городского благоустройства, средневзвешенная по площади заданного участка этого объекта.

6.Энергетическая эффективность систем освещения объектов городского благоустройства: Характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта, применительно к технологическому процессу, юридическому лицу, индивидуальному предпринимателю.

7.Яркость L, кд/м 2 освещения объектов городского благоустройства: Отношение светового потока d 2 Ф, переносимого элементарным пучком лучей, проходящим через заданную точку и распространяющимся в телесном угле dΩ, содержащем заданное направление, к произведению площади проходящего через заданную точку сечения этого пучка dA, косинуса угла θ между нормалью к этому сечению и направлением пучка лучей и телесного угла dΩ

L = dФ(dA·cosθ·dΩ).(4)

Методология определения показателей наружного освещения разработана для объектов городского благоустройства (на примере парков, скверов и придомовых территорий) и учитывает географическое расположение  объекта и наличие  инфраструктуры. Основные освещаемые объекты городского благоустройства были составлены  авторами в соответствии со СП 52.13330.2016 и приведены в таблице 1 [8].

Освещенность придомовых территорий, а также спортивных, игровых, коммунальных площадок и внутридомовых объектах благоустройства, уровни и равномерность рекомендуем проектировать, исходя из соответствующих норм освещения улиц классов В1 и В2 согласно таблице 2, а для внутриквартальных проездов и пешеходных трасс – пешеходных пространств классов П3 и П4 по таблице 1.[9].

При любой схеме электроснабжения объекта городского благоустройства должен быть предусмотрен раздельный учет расхода энергопотребления осветительной установкой системы наружного освещения.[10].Считаем, что в утилитарных системах наружного освещения объектов городского благоустройства минимально допустимые значения световой отдачи источников света должны быть не менее:

  • 50 лм/Вт – при использовании натриевых ламп высокого давления и металлогалогенных ламп;
  • 30 лм/Вт – при использовании дуговых ртутных люминесцентных ламп;
  • 60 лм/Вт – при использовании светодиодов или светодиодных ламп.

Для оценочных расчетов объемов потребления электроэнергии годовое число часов работы осветительной установки принимается по таблице 3. Примечание. Вид осветительной нагрузки T г , ч: – наружное освещение включенное всю ночь – 3500ч.;  выключаемое в час ночи – 2350ч.

Для уточненных расчетов показателей объемов потребления электрической энергии годовое число часов работы осветительной установки принимается в зависимости от назначения осветительной установки объекта:

  • освещение внутрипарковых и внутридворых дорожек, парковых спортивных площадок;
  • освещение парковых пешеходных терренкуров;
  • освещение парковых игровых площадок и площадок с аттракционами;
  • освещение парковых сценических площадок и пространств для организации культурно-массовых мероприятий;
  • наружное архитектурное освещение парковых зданий и сооружений;
  • рекламное парковое освещение и городских скверов.

Годовое число часов работы наружного освещения внутрипарковых и внутридворых дорожек, парковых спортивных и игровых площадок, площадок с аттракционами и скверов может быть определено по «световому календарю» в зависимости от широты местности. Годовое число часов работы наружного архитектурного освещения парковых зданий и сооружений определяется по проекту.

8.Объем годового расхода электрической энергии системой освещения сценических площадок и пространств для организации культурно-массовых мероприятий, кВт·ч, рассчитывается по формуле

W г.о  = T г.дн ·K c ·P дн ·n дн  + T г.нч ·K c ·P нч ·m нч ,              (5)

где P г.дн , P г.нч  – соответственно, установленная мощность светильникадневного и ночного режима освещения с учетом потерь в ПРА, кВт;nдн , m нч  – соответственно, число светильников дневного и ночного режимаосвещения, шт.;T г.дн , T г.нч  – соответственно, годовое число часов работы осветительнойустановки в дневном и ночном режимах работы;

K с  – коэффициент спроса.

9.Для объектов городского благоустройства со стандартной (прямоугольной) геометрией площади значение m равно суммарному числу светильников, установленных на одной опоре (для односторонней или центральной схемы расположения опор) или двух опорах (для двусторонней или шахматной схемы расположения опор).

10.Для объектов городского благоустройства с нестандартной геометрией площади значение m равно суммарному числу светильников, освещающих такой участок.

Если режим освещения меняется в течение ночи и/или времени года (например, изменение в связи со снижением интенсивности движения населения или транспорта по подъездным парковым дорогам, изменение условий видимости или других расчетных параметров), то удельная мощность D p  должна быть рассчитана отдельно для каждого режима работы. Если в течение ночи или года применяется многократное изменение режима работы, удельная мощность D p вычисляется, как среднее. Авторами также даются рекомендации по выбору схемы расположения осветительных приборов системы наружного освещения объектов городского благоустройства (на примере парков, скверов и придомовых территорий.)

Таким образом, проектирование системы наружного освещения объектов городского благоустройства состоит из светотехнической и электротехнической частей, а также предусматривает технико-экономическое сопоставление вариантов осветительных устройств с целью выбора рационального варианта.

Ниже приведены основные схемы расположения  источников освещения. По условиям обеспечения достаточной равномерности распределения яркости освещения объектов городского благоустройства рекомендуется применять следующие схемы:

  • односторонняя – при ширине внутридворовых проездов и пешеходныхдорожек, парковых проезжих дорог, терренкуров до 4 м;
  • осевая – при ширине скверов, внутридворовых коммунальных площадок, внутридворовых или парковых игровых и спортивных, сценических площадок до 10 – 20 м;
  • двухрядная шахматная – при ширине скверов, внутридворовыхкоммунальных площадок, внутридворовых или парковых игровых и спортивных, сценических площадок от 20 до 50 м;
  • двухрядная прямоугольная – при ширине скверов, внутридворовыхкоммунальных площадок, внутридворовых или парковых игровых и спортивных, сценических площадок от 20 до 50 м;
  • двухрядная по оси объекта – при ширине скверов, внутридворовыхкоммунальных площадок, внутридворовых или парковых игровых и спортивных, сценических площадок от 24 до 36 м;

Приведенные значения параметра ширины объекта городского благоустройства для каждого вида размещения светильников являются ориентировочными и не исключают необходимости проведения дополнительного расчета равномерности распределения эксплуатационных показателей яркости или освещенности данных объектов.

Методология проектирования авторами апробирована на конкретном объекте городского благоустройства г. Брянска – парка имени А. К. Толстого. Выбор рационального варианта источников освещения доказал значительное снижение энергопотребления и наличие дополнительных резервов ресурсосбережения при производстве работ по применении ПОС и ППР (рисунки 1и 2).

Оценка суммарного объема энергопотребления производилась на сравнении годовой мощности различных источников  – ламп. Расчет  произведен за период от 1 года до 15 лет с учетом срока службы разных видов ламп.

Отметим также, что при любой схеме электроснабжения объекта городского благоустройства должен быть предусмотрен раздельный учет расхода энергопотребления осветительной установкой системы наружного освещения.

Поскольку срок службы у светодиодных ламп составляет 15 лет, то за этот срок в парке светодиодную лампы заменят 1 раз, лампу накаливания – 66 раз, а люминесцентную – 7раз. То есть каждая светодиодная лампа отработает – 65700 час, а эксплуатационные затраты для парка составят – 13,37 тыс. рублей. За этот же период лампа накаливания меняется 66 раз, а эксплуатационные затраты для парка составят 252.12 тыс. рублей.

Приведенные значение экономической и технико-эксплуатационной эффективности  доказывают необходимость применения данной методологии  для объектов городского благоустройства.

Региональная программа энергосбережения в системе городского хозяйства должна базироваться на использование энергоэффективных источников света и рациональном их размещении на объектах городского благоустройства. [11] Существующая программа и практика не отражает в полной мере данные требования на таких объектах как парки, скверы, придомовые территории и др. [12] Кроме того, при устройстве систем освещения выявлены проблемы обеспечения проектной документацией ввиду отсутствия методики расчета эксплуатационных показателей энергообеспечения отмеченных объектов городского благоустройства. [13] Авторами разработана экономико-математическая модель автоматизированной подготовки проектной документации (ПОС и ППР) на устройство системы наружного освещения объектов городского благоустройства (парков, скверов и придомовых территорий), а также методика расчета эксплуатационных показателей системы наружного освещения объектов. Методология позволяет учесть все особенности объекта городского благоустройства, в том числе географическое его расположение, наличие инфраструктуры, а также рассчитать рациональный вариант технологии производства работ по критерию стоимости или трудоемкости, а также предусматривает технико-экономическое сопоставление вариантов осветительных устройств с целью выбора рационального варианта. Апробация методики   на конкретном объекте городского благоустройства г. Брянска – парка имени А. К. Толстого с целью выбора рационального варианта источников освещения прогнозирует значительное снижение энергопотребления и наличие дополнительных резервов ресурсосбережения при производстве работ по применении ПОС и ППР. Так эксплуатационные затраты на систему освещения парка согласно оптимизационного расчета составят – 13,37 тыс. рублей в сравнении с осуществляемым вариантом в сумме 252.12 тыс. рублей. 

Список литературы

  1. Стратегический план развития г. Брянска на период до 2025 г.
  2. Германович В. Альтернативные источники энергии и энергосбережение: практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы / В. Германович, А. Турилин. — Санкт-Петербург: Наука и Техника, 2014. — 317 с.
  3. Вайнштейн В.Б., Никитин В.Д., Толкачева К.П. Расчет осветительных сетей по потере напряжения при неравномерной нагрузке фаз методом приведенной мощности//Известия Томского политехнического университета: Изд. ТПУ. – 2011. – Т. 319 – № 4. – С. 84-87.
  4. Г.М. Кнорринг. Справочная книга для проектирования электрического освещения. –Ленинград, 1986.
  5. Постановление Правительства РФ от 28 августа 2015 г. N 898 “О внесении изменений в пункт 7 Правил установления требований энергетической эффективности товаров, работ, услуг при осуществлении закупок для обеспечения государственных и муниципальных нужд”
  6. Международное энергетическое агентство (МЭА). «Показатели энергоэффективности: основы формирования политики»
  7. Сергеева Н.Д., Токар Н.И. Научно-организационное обеспечение реализации стратегии инновационного развития производства на предприятиях городского строительства и хозяйства.  Журнал Градостроительное право №2/2018, с.21-25
  8. СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение» 
  9. СП 323.1325800.2017 «Территории селитебные правила проектирования наружного освещения»
  10. СП 52.13330.2016 «Естественное и искусственное освещение»
  11. ГОСТ Р 54350-2015 «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний»
  12. Никитин В.Д., Кунгс Я.А., Трубач А.В. Разработка структурной схемы проектирования осветительной установки // Инновации в науке и образовании. Опыт, проблемы, перспективы развития. Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. – Часть2. -Изд.КрасГАУ.- 2009 – С 177-179.
  13. Кунгс Я.А., Михеева Н.Б., Паникаев P.A., Цугленок Н.В. Технико-экономические предпосылки использования светодиодов …// Материалы X Всероссийской научно-практической конференции. – Красноярск, 25-26 ноября, 2009 : Изд. МВДЦ “Сибирь”, 2009,-С. 151-157.
  14. Зырянова Е.О., Трубач A.B., Никитин В.Д. Выбор экономически оптимального источника света…// Материалы IX Всероссийской научно-практической конференции. – Красноярск, 20-21 ноября, 2008 : Изд. МВДЦ “Сибирь”, 2008. -С.95-99.