Управление городским освещением

В доэлектрическую эпоху жизнь городов после захода солнца почти сразу же замирала. Искусственное (свечное, лампадное, газовое) освещение использовалось в вечернее время для чтения, рукоделия и отхода ко сну. С наступлением эры электрического света, как отмечал Маршалл Маклюэн (Marshall McLuhan), «был положен конец распорядку дня и ночи, пребывания дома и вне дома… а столкновение света с уже существующими образцами человеческой организации привело к высвобождению огромной энергии» [1].

Электрическая революция породила целый ряд новых технологий и привела к введению многосменной работы на высокопроизводительном оборудовании и в конвейерном производстве, что революционным образом повлияло на темпы индустриализации. Вслед за этим и разнообразные формы досуговой организации стали стремительно распространяться на вечернее и ночное время. Автомобилисты ночь напролет стали носиться по освещенным улицам, футболисты заиграли на полях с искусственным освещением; культурно-развлекательные мероприятия, в т. ч. посещение театров, клубов, стадионов, аттракционов, музеев и супермаркетов, перестали ограничиваться световым днем. «Таким образом, приобщение к электрическому свету произвело тотальное изменение уклада жизни» [1].

Для рядовых горожан Старого и Нового Света революция в городском освещении воспринималась не только как улучшение утилитарного вечернего освещения, но и как тотальное нашествие назойливой неоновой рекламы. Характерно, что в то время эффективность преобразования основного вида используемой энергии (энергии ископаемого топлива) в электроэнергию и далее в свет была довольно низка. В последующие несколько десятилетий прогресс в генерации и распределении электроэнергии, а также в эффективности источников света оказал значительное влияние на все стороны жизни. Так, коэффициент полезного действия (КПД) тепловых электростанций возрос от ?15% до ?30%, КПД линий электропередачи с трансформаторными подстанциями — от ?75% до ?90%, КПД ламп — от скромных ?2% у лампы накаливания с угольной нитью до ?4% у лампы с вольфрамовой нитью, далее — до 7–10% (ртутные лампы низкого и высокого давления) и даже до 15–25% (натриевые лампы высокого давления и светодиоды). Однако, несмотря на многократное возрастание общего КПД от ?0,2% до ?6%, все же львиная доля энергии, добываемой человечеством для целей освещения, уходит на тепловое загрязнение. При этом вопросы повышения эффективности преобразования энергии необходимо рассматривать наравне с вопросом энерго­сбережения, составными частями которого являются не только прогресс в эффективности источников света, но и обеспечение необходимого и достаточного количества света в нужном месте и в нужное время, в том числе методами энергоэффективного управления светильниками.

Управление накальным светом

Широкое внедрение электрических ламп накаливания предъявило весьма существенные требования к одновременно развивавшимся электрическим сетям, поскольку в то время лампы, наряду с первыми электродвигателями, были двумя главными потребителями электроэнергии. Именно тогда, в ходе т. н. «войны токов», не только произошел переход с постоянного на переменное напряжение в электропитании сетей, но и определилось расхождение Старого и Нового Света по номинальным значениям напряжения и частоты потребительской сети. Чересполосица номиналов 220 и 110 В, 50 и 60 Гц [2], порожденная амбициями и конкурентной борьбой личностей и фирм того времени, лежит отягчающим наследием на современном глобальном электрическом мире, хотя на бытовом уровне и воспринимается чаще всего как досадное недоразумение.

Рис. 1. Характеристики ламп накаливания

Важнейшее практическое, экономическое и системологическое влияние на первые шаги внедрения электричества оказало то, что лампы накаливания оказались чрезвычайно чувствительными к изменению напряжения питания. Так, вблизи номинального напряжения световой поток вольфрамовой нити накаливания пропорционален значению напряжения в степени 3,4 (U^3,4), потребляемая мощность пропорциональна U^1,6, а срок службы пропорционален U^–16 (!) [3]. На практике это означает, что увеличение рабочего напряжения всего на 5% приводит к снижению срока службы лампы в два раза при увеличении ее светового потока всего на ?16% (рис. 1). Таким образом, в системах с лампами накаливания необходимо иметь весьма высокую стабильность напряжения питания.

Необходимо отметить, что управление световым потоком ламп накаливания (т. н. «диммирование») со скромной энергоэффективностью, пропорциональной U^1,8, уступает по экономичности регулирования даже керосиновой лампе, которое обеспечивается изменением рабочей площади фитиля.

Отметим еще и то, что малое сопротивление вольфрамовых нитей накаливания в холодном состоянии приводит к большим пусковым токам, существенно снижающим срок службы ламп и создающим просадки напряжения в электросети.