Оптимизация коэффициента эксплуатации осветительных установок дорожного освещения

За время эксплуатации светильников для дорожного освещения (СДО) их фотометрические и другие эксплуатационные показатели ухудшаются по сравнению с начальными. Эксплуатационные изменения качества дорожного освещения связаны со старением и загрязнением ИС и оптических частей СДО (рассеивателей и отражателей). Старение рассеивателей и отражателей при эксплуатации – результат структурных изменений материалов. Старение – процесс необратимый и зависящий от качества применяемых материалов, конструктивного решения СДО и химического состава окружающей его воздушной среды. За время эксплуатации происходит медленное осаждение пыли и загрязнений на ИС и пассивных оптических элементах СДО. Этот процесс частично обратим при проведении регулярного технического обслуживания (ТО). Степень и скорость загрязнения зависят от конструкции СДО (в основном от степени защиты IР) и параметров окружающей атмосферы (интенсивности промышленных загрязнений и дорожного движения, плотности придорожных лесонасаждений). Фотометрические и прочие эксплуатационные параметры ИС меняются в зависимости от их типа, номинальной мощности, производителя и условий эксплуатации. Эти изменения необратимы и в основном известны из каталогов в виде кривых спада светового потока и выхода из строя ИС в процессе горения (при определённых условиях).
Лабораторные испытания
Для лабораторных испытаний были выбраны СДО типа SGS 203 с НЛВД мощностью 150 Вт. (Они широко используются для освещения основных дорог Познани и Велькопольской провинции и потому казались наиболее целесообразным объектом эксплуатационных испытаний.) По каталожным данным эти СДО обладают высокой механической прочностью и степенями защиты оптической и электрической частей IP65 и IP43 соответственно. Их отражатели выполнены из листового алюминия высокой чистоты. Рассеиватели изготовлены из поликарбоната, стойкого к УФ излучению. Кроме того, эти СДО отличают лёгкость и быстрота ТО. Все СДО, проходившие фотометрические измерения, эксплуатировались в Познани в местах с различным загрязнением окружающей среды, характеризуемым средним годовым выпадением пыли (СГВП) и средней ежедневной плотностью дорожного движения (СЕПД). По данным службы дорожного освещения ни один из испытуемых СДО предварительного ТО не проходил.
Условия (варианты) окружающей среды, в которой эксплуатировались СДО, были следующими:
I – улицы малого транспортного значения с малой СЕПД (от 6000 транспортных единиц в сутки (ТЕС)) и СГВП около 92 г/м²;
II – улицы большого транспортного значения со средним уровнем СЕПД (от 16 000 ТЕС) и СГВП около 78 г/м²;
III – улицы большого транспортного значения с высокой СЕПД (от 22 000 ТЕС) и СГВП около 86 г/м²;
IV – улицы большого транспортного значения с очень высокой СЕПД (от 34 000 ТЕС) и СГВП около 92 г/м².
Для каждого лабораторного испытания отбирались случайным образом по 5 СДО с какой-либо улицы и определялись их КПД в сравнении с КПД новых СДО. ТО заключалось в мытье рассеивателей и чистке отражателей.

Рис. 1. Внешний вид рассеивателя светильника SGS 203/150W после (слева) и до (справа) операции технического обслуживания

 
Вид рассеивателя испытуемых СДО представлен на рис. 1. Результаты соответствующих измерений приведены на рис. 2.

Рис. 2. Изменения КПД светильников SGS 203/150W с натриевой лампой ВД типа NAV 4Y 150W в процессе эксплуатации при 4-х условиях окружающей среды (I – IV) до и после их чистки

 
Знание изменений КПД СДО в процессе эксплуатации и каталожных данных используемых в них ИС, согласно рис. 3, позволяет определять изменения светового потока СДО в процессе эксплуатации (см., например, рис. 4).

Рис. 3. Каталожные кривые спада светового потока (штрих-пунктирная линия) и уменьшения доли функционирующих (сплошная линия) натриевых ламп ВД типа NAV 4Y 150W в процессе горения

Рис. 4. Изменения светового потока светильников SGS 203/150W с натриевой лампой ВД типа NAV 4Y 150W при четырёх условиях окружающей среды (I – IV) до и после их чистки

 
Определение коэффициента эксплуатации
Величиной, обычно учитываемой в проектировании дорожного освещения, служит средняя яркость дорожного покрытия (Lav). При этом коэффициент эксплуатации ОУ дорожного освещения (u) в момент времени t с начала эксплуатации (u(t)) определяется отношением соответствующей Lav в этот момент к Lav в начале эксплуатации (при t=0):

Упрощённо полагая, что отражающие свойства дорожного покрытия и взаимные пропорции фотометрических параметров СДО при эксплуатации не меняются, правая часть в (1) может быть заменена отношением светового потока соответствующего СДО (Ф) в момент времени t с начала эксплуатации (Ф(t)) к Ф в начале эксплуатации (при t=0):

где η(t) и η(0), Фs(t) и Фs(0) – соответствующие значения КПД СДО (η) и светового потока используемого ИС (Фs).
Если считать, что характер временного изменения η при эксплуатации постоянен, независимо от проведения ТО, и что в результате ТО Ф возрастает, то – согласно (2) и рис. 2–4 – u(t) может быть выражено как

где t'c – время первой чистки СДО, годы; t'r – время первой замены ИС, годы; tmax – максимальный срок службы СДО, годы (по польским нормам – около 20 лет); Фc – световой поток «чистого» СДО – после операции ТО, лм; Фp – световой поток загрязненного СДО – до операции ТО, лм; ηc – КПД «чистого» СДО – после операции ТО.
В случае комплексного ТО, включающего чистку СДО и замену ИС в них одновременно (t'c=t'r и Фs(t'c)=Фs(t'r)), u(t)может быть выражен как

ТО может проводиться с разными временными циклами и включать каждый раз чистку СДО и замену ИС или только лишь чистку СДО, проводя замену ИС с другими циклами.
Разным вариантам ТО соответствуют разные оптимальные u, в соответствии с чем были рассмотрены следующие подобные варианты:
– комплексное ТО (чистка СДО и замена ИС в них) с одногодичным, двухгодичным, трёхгодичным и четырёхгодичным циклами (вар. А);
– ТО, включающее чистку СДО и замену ИС с двухгодичным и четырёхгодичным циклами соответственно (вар. Б).
При этом оптимальные u определялись для ОУ с СДО типа SGS 203/150W с НЛВД мощностью 150 Вт разных производителей при разных условиях окружающей среды. Расчётные u соответствуют времени tmax(u(tmax)). Результаты расчётов приведены в табл. 1 и 2 и на рис. 5 и 6.

Таблица 1.
Оптимальные коэффициенты эксплуатации в рассматриваемых случаях

Таблица 2.
Коэффициенты эксплуатации в рассматриваемых случаях

Рис. 5. Средние коэффициенты эксплуатации осветительной установки дорожного освещения (u) со светильниками SGS 203/150W с натриевой лампой ВД типа NAV 4Y 150W при разных циклах технического обслуживания и 4-х условиях окружающей среды (I – IV)

Рис. 6. Различия между коэффициентами эксплуатации осветительной установки по рис. 5 при разных вариантах технического обслуживания и окружающей среды и коэффициентом эксплуатации при 4-годичном цикле комплексного технического обслуживания

 
Заключение
Все СДО меняют свои фотометрические и прочие эксплуатационные показатели в процессе эксплуатации, тем самым снижая зрительную надёжность вождения. Коэффициент u, принимаемый на стадии проектирования ОУ дорожного освещения, должен учитывать эксплуатационные изменения фотометрических параметров СДО, а также вид и частоту регламентных операций ТО. Для оценки u необходима намётка операций ТО СДО. Расчётно-аналитическим путём автор пришёл к мнению, что наиболее подходящий вариант ТО СДО – сочетание чистки СДО с групповой заменой ИС в них. Из-за необходимости зрительной надёжности для всех участников дорожного движения следует проводить индивидуальную замену выходящих из строя ИС между последовательными чистками СДО. Комплексное ТО с определённой цикличностью позволяет сдерживать расходы на дорожное освещение, использовать меньшие u на стадии проектирования осветительного оборудования и поддерживать при этом заданные показатели дорожного освещения в течение всего срока эксплуатации этого оборудования. Чистка СДО с параллельной заменой в них ИС сдерживает необходимость частого вскрытия СДО и, соответственно, снижает вероятность их механических повреждений. Расчёты позволили выявить наиболее оптимальные варианты ТО дорожных ОУ с технико-экономической точки зрения. Автор считает, что оптимальные варианты ТО, из числа рассмотренных, включают комплексные операции ТО с четырёхгодичным циклом, даже при том, что они характеризуются наибольшим спадом светового потока СДО и, соответственно, наименьшим u при любых параметрах окружающей среды и используемых ИС. Наибольший разброс значений u имеет место при IV-м варианте окружающей среды и, в зависимости от ИС, составляет 20-29% при одногодичном цикле ТО; 13-15% – при двухгодичном и 6-7% – при трёхгодичном. Для I-го варианта окружающей среды этот разброс наименьший: 7-9, 3-5 и 1-2% соответственно. Однако ТО с четырёхгодичным циклом даёт наименьшие эксплуатационные расходы, составляющие 25% от соответствующих расходов при ТО с одногодичным циклом, 50% – с двухгодичным и 75% – с трёхгодичным циклом.
В этой статье оптимальные u определяются только для одного типа СДО. Будущие эксплуатационные испытания большего числа разнотипных СДО позволят улучшить качество оптимизации значений их u при разных условиях эксплуатации.