author: july 2017 · • użytkowanie zmienne w pomieszczeniach, w których użytkownicy spędzają...

Regulacje oświetlenia wewnętrznego – techniki zaawansowane

Author: Prepared by ISR – University of Coimbra

July 2017

2

Treść: 1. Zaawansowane strategie oszczędzania energii 2. Nowoczesne zarządzanie energią 3. Integrowanie oświetlenia, ogrzewania i klimatyzacji i sterowania

dopływem światła dziennego z systemami zarzadzania budynkami 4. Zaawansowane protokoły komunikacyjne

Regulacje oświetlenia wewnętrznego – techniki zaawansowane

3

Istnieją 4 główne cechy budynków i pomieszczeń, które należy uwzględniać przy wyborze strategii sterowania i regulacji: 1. Dostępność światła dziennego 2. Wzorzec obecności osób 3. Liczba użytkowników 4. Rodzaj użytkowania budynku:

• Użytkowanie zmienne w pomieszczeniach, w których użytkownicy spędzają część czasu

• Użytkowanie okresowe i relatywnie krótkotrwałe (np. pomieszczenia klasowe) • Użytkowanie pełne, gdy użytkownicy spędzają w pomieszczeniach cały dzień

roboczy • Użytkowanie sporadyczne, gdy pomieszczenia są uczęszczane okazjonalnie i na

krótko.

1. Zaawansowane strategie oszczędzania energii

4


Wielu użytkownków Użytkowanie zmienne +++ Włączanie czasowe ++ Rozmieszczone włączniki + Regulacja fotoelektr. światlem dziennym + czujniki obecności

Uzytkowanie okresowe, zdefiniowane +++ Włączanie czasowe ++ Rozmieszczone włączniki + Regulacja fotoelektr. światlem dziennym + czujniki obecności

Obecność ciągła +++ Włączanie czasowe ++ Rozmieszczone włączniki + Regulacja fotoelektr. światlem dziennym

Jeden lub dwoje użytkowników Obecność zmienna +++ Rozmieszczone włączniki ++ czujniki obecności + Włączanie czasowe + Regulacja fotoelektr. światlem dziennym

Obecność ciągła +++ Rozmieszczone włączniki ++ czujniki obecności + Włączanie czasowe

Bardzo mała frekwencja Użytkowanie okresowe +++ czujniki obecności ++ Rozmieszczone włączniki + Włączanie czasowe + Regulacja fotoelektr. światłem dziennym

Wszystkie formy użytkowania Użytkowanie okresowe +++ Włączanie czasowe +++ czujniki obecności +++ Rozmieszczone włączniki s

Dostęp światła dziennego?

+++ Bezwzględnie zalecane, daje oszczędności ++ Można oczekiwać opłacalności, ale o niższej stopie zwrotu nakładów + Wymaga rozważenia; może zależeć od wyników szczegółowej analizy instalacji

tak nie

5


Wykorzystanie światła dziennego • Zapewnia lepszą jakość oświetlenia, niż światło sztuczne.

• Bardziej komfortowe i realistyczne odwzorowanie barw, dzięki ciągłej

zmianie poziomu oświetlenia, kierunku i składu widmowego światła dziennego

• Zdrowsze wnętrza i lepsze samopoczucie użytkowników, co prowadzi do lepszej wydajności pracy i produktywności

• Pełna integracja światła dziennego z uwzględnieniem cech skorupy budynku i systemu oświetleniowego poprawia efektywność energetyczną.

6


Wykorzystanie światła dziennego • Najczęściej, dla zadań wymagających widoczności, realizowanych w budynkach

komercyjnych, powierzchnia okien wynosi około 20% powierzchni podłogi i taka proporcja wystarcza do oświetlenia światłem dziennym, w głąb na odległość równoważną 1,5 wysokości pomieszczenia.

• Zastosowanie poziomych świetlików zapewnia podaż około trzykrotnie większej ilości światła, w porównaniu z pionowym oknem takiej samej wielkości.

• Poziome świetliki zbierają więcej światła i ciepła latem, niż zimą, co zazwyczaj stanowi odwrotność oczekiwań użytkowników. Z tego względu najczęściej stosuje się pionowe lub prawie pionowe rozwiązania do oświetlania światłem dziennym, takie jak clerestoria i monitory dachowe.

• Pionowe lub prawie pionowe formy architektoniczne do oświetlania światłem dziennym zaprojektowane z uwzględnieniem kąta zenitalnego Słońca, pozwalają regulować ilość światła poprzez zasłonięcie bezpośredniego światła słonecznego i udostępnianie w zimie pomieszczenia światłu słonecznemu odbitemu.

7


Wykorzystanie światła dziennego • Dukty świetlne zapewniają oświetlenie wnętrz, zbierając światło słoneczne

przez heliostaty, które skupiają światło słoneczne przez soczewki lub zwierciadła i przekierowują je do praktycznie dowolnej przestrzeni w budynku, za pośrednictwem szybów lub światłowodów.

• Ponadto, dukty świetlne mają wielką zaletę polegającą na tym, że transmitują światło, nie przekazując jednocześnie ciepła.

8

Sterowanie za pomocą czujnika obecności Najwłaściwszymi miejscami do zastosowania czujników obecności są takie, pomieszczenia, w których przebywa się:

• Okresowo: toalety, hole, klatki schodowe, korytarze, magazyny i piwnice.

• Nieregularnie: komórki, pokoje spotkań i sale konferencyjne, klasy szkolne, laboratoria.

Czujniki obecności to urządzenia, które spełniają trzy podstawowe funkcje: • Włączanie światła w chwili wchodzenia do pokoju • Utrzymywanie oświetlenia w stanie włączonym

przez czas obecności osób w tym pomieszczeniu • Wyłączanie świateł, gdy w pokoju nikt nie przebywa.


9

Sterowanie / włączanie czasowe Istnieją dwa rodzaje regulatorów/włączników czasowych: 1. Wyłączniki czasowe o zaprogramowanym czasie wyłączania światła.

• Szczególnie przydatne w pomieszczeniach, w których często pozostawia się niepotrzebnie włączone światło, jak łazienki, wc, korytarze.

2. Włączniki czasowe, w których programuje się działanie systemu oświetleniowego tak, aby światło było włączone w zadanych okresach czasu, wyłączane podczas przerw śniadaniowych i po zakończeniu dnia pracy.


source: control4

10

Sterowanie z wykorzystaniem światla dziennego


Maksymalizacja oświetlenia dziennego • W urządzeniach sterujących działających w oparciu o światło dzienne, pracują

czujniki fotoelektryczne, które mierzą ilość światła dziennego i dostosowują do niej ilość światła sztucznego.

• Regulatory sterowane światłem dziennym działają na dwa sposoby: 1. Włączniki fotoelektryczne zal/wył., w których ważne jest zainstalowanie opóźniaczy czasowych w układzie sterowania, aby unikać powtarzalnych szybkich cykli włączeń-wyłączeń, np. w reakcji na szybko przemieszczające się chmury.

2. Fotoelektryczne ściemnianie które zapewnia to, że suma ilości światła dziennego i elektrycznego zawsze osiąga zaprojektowany poziom oświetlenia na obsługiwanym obszarze i zapewnia regulacje nadążną światła elektrycznego. • Automatyczne włączanie sterowane ilością światła dziennego, połączone z

regulacją ilości światła uzupełniającego, które jest szczególnie przydatne w pomieszczeniach zajmowanych w sposób ciągły, całodobowo, np. w recepcjach i ciągach komunikacyjnych.

11


Inteligentne oświetlenie Inteligentne lampy i oprawy łączą w sobie przełomowe technologie w zakresie łączności bezprzewodowej i technologii LED. Oto niektóre możliwości inteligentnych systemów oświetleniowych: • Dostrajanie barwy, regulacja siły światła, stopniowe zmiany

temperatury barwowej światła w funkcji czasu. • Wbudowane głośniki, itp. • Funkcja włączania i uruchamiania usług, monitoring

bezpieczeństwa i transfer danych. • Utrzymywanie stałego strumienia światła i tryb działania, który

zapewnia zachowanie nominalnego okresu trwałości.

12


Czujniki obecności: Automatyczne wyłączanie oświetlenia z chwila opuszczenia pomieszczenia przez osoby.

Wykorzystanie światła dziennego: Automatycznie dostosowuje poziom oświetlenia na podstawie ilości światła dziennego w pomieszczeniu.

Wielopoziomowe włączanie / ściemnianie: Zapewnia użytkownikom o jeden lub więcej poziomów regulacji niż tylko włączanie / wyłączanie

Harmonogram (algorytm) działania: Światła są automatycznie włączane i regulowane (ściemniane) w określonych porach doby lub w oparciu o położenie Słońca.

Potencial Savings

10 – 20 % Lighting




Source: Lutron

13


Dostrajanie maksimum: Ustala docelowy poziom oświetlenia wg wymogów użytkowników.

Regulowane zasłanianie okien: Pozwala na kontrolę dostępu światła dziennego zapobiega nagrzewaniu i olśnieniom.

Reakcja na zapotrzebowanie: Redukuje obciążenie systemu energetycznego w obszarach niekrytycznych, w czasie szczytu zapotrzebowania mocy.

Kontrola zasilania: Automatycznie wyłącza oświetlenie zadaniowe (dedykowane) gdy nie jest w użyciu

Potencial Savings


30 – 50 % Peak period


Source: Lutron

14


Osobista (indywidualna) regulacja oświetlenia: Pozwala użytkownikom pomieszczenia poprawnie dopasować poziom oświetlenia do wykonywanego zadania.

Integracja systemu: Umożliwia wielozadaniowe łączenie systemów przez rozdział informacji i wzajemną regulację celem minimalizacji ilości sprzętu do zainstalowania i maksymalizacji ogólnej sprawności i efektywności działania systemów.

Potencial Savings


5 – 15% HVAC

Source: Lutron

15

2. Nowoczesne zarządzanie energią

Zarządzanie energią • Zarządzanie energia można zdefiniować jako podejmowanie i wdrażanie

środków mających na celu minimalizację zużycia energii, przy jednoczesnym utrzymaniu poziomu komfortu i produktywności w biurach lub w mieszkaniach.

• Aby osiągnąć pewien poziom efektywności energetycznej, należ skoncentrować odpowiednie działania na kilku rożnych obszarach:

• Oszczędność energii: Podejmuje się starania w celu zmniejszenia zużycia energii, poprzez eliminację marnotrawstwa, lub bardziej racjonalne wykorzystanie energii (np. bardziej efektywne regulatory lub technologie).

• Odzysk energii: Ponowne wykorzystanie produktów ubocznych jednego systemu jako wsadu energetycznego dla innego systemu. Ciepło odpadowe z systemu oświetleniowego można wykorzystywać zimą do ogrzewania pomieszczeń.

16


Monitorowanie zużycia energii • Ważnym parametrem, który należy kontrolować na bieżąco jest zdezintegrowane

(rozproszone) zużycie energii. Stanowi ono linię bazową większości strategii regulacji i sterowania i zapewnia możliwość równoczesnego zaspokajania zapotrzebowania. Dostarcza podstawowych informacji o schemacie obciążenia systemu oświetleniowego.

• Zużycie energii roczne, jednostkowe, na oświetlenie dla całego budynku kWh/m2 stanowi czytelną miarę dla porównań z innymi, podobnymi budynkami. • W systemach monitorowanych,

można na bieżąco kontrolować w funkcji czasu, następujące parametry:

• Zapotrzebowanie kW • Zużycie kWh

17


Monitoring zużycia energii • Monitoring energii pozwala zidentyfikować potencjalne oszczędności

(np. obciążenia systemu oświetlenia podczas dostępności światła dziennego lub w okresach nieobecności osób w pomieszczeniach).

• System EMS (Energy Management System) może znaleźć zastosowanie do kontroli schematu korzystania z systemu oświetleniowego, zgodnie ze schematem korzystania z budynku.

18


Odczyty Czynniki wpływu Analiza

Monitoring zużycia energii

19


Systemy zarządzania energią (EMS) Systemy te nazywa się również EMS lub EMCS (ang.: Energy Management Control Systems) , albo – w odniesieniu do budynków – BAS (ang.: Building Automation Systems) i są to pakiety oprogramowania komputerowego, służące do regulacji, kontroli i monitorowania systemów zainstalowanych w budynkach, regulując pracę wyposażenia mechanicznego i elektrycznego, takiego jak ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacja, oświetlenie, zasilanie, systemy p-pożarowe, instalacje alarmowe, bezpieczeństwa i dozoru. Dostarczają informacje i narzędzia, które są przydatne dla zarządców budynków zarówno do zrozumienia profilu zużycia energii jak i do kontroli i ulepszania działania tych systemów pod względem energetycznym.

20


Należy również zwrócić uwagę na proces decyzyjny wyboru systemu zarządzania energią: Rodzaj budynku

• Starsze budynki są odmienne od nowych budynków. Skorupa budynku, oświetlenie, zdolność obliczeniowa i inne czynniki ma ja wpływ na wybór EMS.

• Wielkość budynku może determinować ogólne zużycie energii, podobnie jak rodzaje zainstalowanego wyposażenia grzewczego i układów chłodzenia, liczba użytkowników itp.

• Lokalizacja geograficzna determinuje w zasadniczym stopniu zużycie energii, gdyż są one związane z warunkami klimatycznymi.

• Ekstremalnie ciepłe dni latem w lokalizacjach na południu i ostre zimy w lokalizacjach północnych, znacząco wpływają na zużycie energii w budynkach.

• EMS powinien efektywnie dostosowywać systemy do warunków pogodowych, również pod względem oświetlenia.

21


Należy również zwrócić uwagę na proces decyzyjny wyboru systemu zarządzania energią : Zapotrzebowanie na energię:

• Miesięczne lub roczne zapotrzebowanie energii w firmie lub budynku jest jednym z najważniejszych czynników determinujących wybór EMS.

• Skomplikowane i kosztowne systemy nie maja uzasadnienia w małych

budynkach, w których zużycie energii jest niewielkie.

• W sytuacjach, w których oszczędności dzięki EMS nie pokrywają kosztów jego nabycia i użytkowania, Parametr ROI (Return On Investment) nie osiągnie pożądanej wielkości.

22


Ryzyko biznesu / Poziom pewności również należy uwzględniać podczas procesu decyzyjnego przy wyborze EMS: • Niektóre budynki, takie jak szpitale, czy centra przetwarzania danych wymagają niezawodnych, bezawaryjnych systemów zarządzania, również w odniesieniu do oświetlenia.

• Przykład: Centra przetwarzania danych polegają na stabilności i

niezawodności zasilania a także wymagają precyzyjnej i efektywnej regulacji temperatury wewnątrz budynków. W razie nieprawidłowego działania systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji mogą wystąpić uszkodzenia systemów odpowiedzialnych za przetwarzanie danych o kluczowym znaczeniu.

• W takich sytuacjach, konieczny może być EMS zapewniający precyzyjną regulację a nawet analizę wyprzedzającą, aby skutecznie wspomagać działanie instytucji.

23


Kontrola stopnia wykorzystania pomieszczeń za pomocą EMS

• Komfort użytkownika przy równoczesnym zarządzaniu energią jest jednym z najważniejszych problemów do rozpatrzenia, przy wyborze EMS.

• Pomieszczenia niezajmowane mogą generować mylące informacje w

odniesieniu do budynku (np. zużycie energii mniejsze, niż „normalne”), a więc EMS powinien zapewniać możliwość normalizowania ilości energii użytkowanej, w oparciu o realne wykorzystanie pomieszczeń (obecność osób) lub możliwość określania energochłonności budynku.

24

Korzyści wynikające z zarządzania energią obejmują:

• Zwiększenie zyskowności • Redukcję kosztów energii (bezpośrednie oszczędności energii i

pośrednie oszczędności na chłodzeniu) • Ulepszenie procesów technicznych • Redukcja emisji • Mniejsze ryzyko związane z fluktuacjami cen energii

2. Nowoczesne zarządzanie energią Korzyści wynikające z zarządzania energią

25

2. Nowoczesne zarządzanie energią ISO 50001

Zarządzanie energią Normy i Standardy ISO 50001 • Z uwagi na ważność problemu zarządzania energią opracowano normę

ISO 50001:2011 stanowiącą kluczową międzynarodową normę dotyczącą zarządzania energią. Normę wprowadziła International Organization for Standardization (ISO) w roku 2008

• ISO 50001:2011 określa wymogi dotyczące ustalania, wdrażania, utrzymania i ulepszania systemów zarządzania energią, a jej celem jest umożliwienie systematycznego podejścia do zarządzania, celem ciągłej poprawy efektywności wykorzystania energii.

26

2. Nowoczesne zarządzanie energią ISO 50001

W oparciu o koncepcję:

Plan Do Check Act

27

2. Nowoczesne zarządzanie energią EN 15232

Zarządzanie energią Normy i Standardy EN 15232 • EN 15232 : “Energetyczne właściwości budynków -- Wpływ

automatyzacji, sterowania i technicznego zarządzania budynkami” została opracowana przez CEN (Comité Européen de Normalisation, European Committee for Standardization).

• Celem tej normy jest wsparcie dyrektywy o efektywności energetycznej budynków (EPBD) dla poprawy właściwości energetycznych budynków w państwach członkowskich UE.

28

2. Nowoczesne zarządzanie energią EN 15232

Zarządzanie energią Normy i Standardy EN 15232 • Norma EN15232 określa:

• Metody oceny wpływu budynkowych systemów automatyki i regulacji (BACS) oraz technicznego zarządzania budynkami (TBM) na właściwości energetyczne budynków;

• Należy wdrażać metody określania minimalnych wymagań dla funkcji, które trzeba wdrażać w budynkach o różnym stopniu złożoności.

29


Klasa A: Wysokoefektywna automatyka w pomieszczeniach i sekcjach połączonych

Klasa B: Zoptymalizowane rozwiązania dla każdej sekcji, częściowo wzajemnie powiązane

Klasa C: Standardowa automatyka w pomieszczeniach

Klasa D: Brak automatyki w pomieszczeniach, nieefektywne energetycznie

EN 15232 definiuje cztery rożne klasy energetyczne w zakresie automatyki w budynkach i układów regulacji (BACS)

30

Klasa Efektywność energetyczna

A

Odpowiada wysokiej efektywności energetycznej dla zaawansowanych BACS* and TBM** • Sieciowa automatyka pomieszczeniowa, z automatyczną kontrolą zapotrzebowania • Planowe utrzymanie i konserwacja • Monitoring energii • Zrównoważona optymalizacja zużycia energii

B Odpowiada zaawansowanym systemom BACS* i niektórym funkcjom TBM** • Sieciowa automatyka pomieszczeniowa, bez automatycznej kontroli zapotrzebowania • Monitoring energii

C Odpowiada standardowym systemom regulacji w budynkach, BACS * • Sieciowa budynkowa automatyka głównych instalacji • Brak automatyki w pomieszczeniach, zawory termostatyczne na grzejnikach • Brak monitoringu energii

D

Odpowiada stanowi bez regulatorów efektywności energetycznej. Budynki tej klasy należy poddać termomodernizacji. W nowych budynkach nie wolno instalować takich systemów. • Brak automatyki sieciowej • Brak automatyki elektronicznej w pomieszczeniach • Brak monitoringu energii

2. Nowoczesne zarządzanie energią EN 15232 definiuje cztery klasy budynków mieszkalnych i użytkowych

*BACS – Building Automation and Control Systems **TBM – Technical Building Management

31

2. Nowoczesne zarządzanie energią Kultura organizacyjna

Wszyscy pracownicy powinni posiadać świadomość ważności zarządzania energią dla firmy i jego wpływu na ich środowisko pracy.

Należy zapewnić szkolenie dla personelu aby umożliwić pracownikom zrozumienie jaki wpływ na zużycie energii w firmie mają ich codzienne zajęcia.

Załogę należy zachęcać i wspierać w kontrolowaniu zużycia energii i zgłaszaniu ulepszeń dla zwiększenia oszczędności

32

3. Integracja oświetlenia, ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji z systemem zarządzania budynkiem

33


Wykorzystanie światła dziennego w systemie zarządzania • Światło dzienne posiada kontrolowany udział oświetlenia naturalnego w

zapewnieniu użytkownikom budynku komfortu pracy i pobytu. Zarówno bezpośrednie światło słoneczne jak i rozproszone światło z nieboskłonu poprawiają komfort i pozwalają na zmniejszenie zużycia energii przez oświetlenie sztuczne.

• Poprzez zapewnienie bezpośredniego dopasowania do dynamicznych i zmiennych wzorców oświetlenia dziennego docierającego z zewnątrz, światło dzienne pomaga w wizualnej stymulacji pracowników i wpływa korzystnie na ich środowisko pracy, równocześnie redukując o jedną trzecią ogólne koszty energii w budynku.

• Korzyści płynące z wykorzystania światła dziennego w budynku wykraczają poza zwykłe oszczędności energii. Na przykład poprzez zmniejszenie zapotrzebowania na energię elektryczną do celów oświetlania i chłodzenia, wykorzystanie światła dziennego skutkuje mniejszą emisją gazów cieplarnianych i redukcję zużycia paliw kopalnych.

34


• Budynek zaprojektowany w taki sposób, aby można w nim

wykorzystywać światło dzienne powinien posiadać regulację elektroniczną systemu oświetleniowego, która włącza lub przyciemnia oświetlenie elektryczne, kiedy dostępne jest oświetlenie dzienne.

• Światła elektryczne działają tylko wtedy, kiedy trzeba zachować warunki dobrej widzialności przy niedoborze światła dziennego. Przy takim rozwiązaniu mniej odpadowego ciepła emituje się do otoczenia, co z kolei zmniejsza zapotrzebowanie budynku na chłodzenie.

• Dopływ ciepła słonecznego z dobrego dziennego systemu oświetlenia może wynosić mniej niż połowę dopływu ciepła z najbardziej efektywnych systemów oświetlenia elektrycznego, przy zachowaniu takich samych poziomów oświetlenia we wnętrzach.

35


• Aktywne elementy fasady: Silniczki lub serwomechanizmy, elementy przekierowujące światło, sterowane okna lub wyłączane zasłony na szyby;

• Reakcyjne systemy oświetleniowe z możliwością przyciemniania światła dla dostosowania do oświetlenia dziennego, potrzeb zadaniowych lub obecności osób;

• Czujniki obecności do sterowania wszystkimi systemami;

• Integracja systemów EMS optymalizowana pod względem komfortu, kosztów właściciela, sygnałów cenowych ze strony dostawcy energii. (High Performance Building Facade Solutions)

Schemat zintegrowanego rozwiązania współużytkującego rozwiązania architektoniczne i oświetlenie sztuczne.

36

4. Zaawansowane protokoły komunikacyjne

37


Istnieją trzy główne protokoły komunikacyjne, które należy stosować w systemach automatyzacji budynków:

38


• BACnet zaprojektowano tak, aby umożliwić komunikację automatyki budynku i systemów sterowania do zastosowań takich, jak ogrzewanie, wentylacja, klimatyzacja (HVAC), regulacja oświetlenia, kontrola dostępu i systemy wykrywania ognia, z właściwym oprzyrządowaniem.

• Protokół BACnet zawiera mechanizmy dostosowane do skomputeryzowanego wyposażenia budynków, umożliwiając przepływ danych (informacji), bez względu na funkcję budynku.

39


LonWorks (local operating network) stanowi platformę sieciową przeznaczoną szczególnie dla celów sterowania. Platforme oparto na protokole opracowany przez Echelon Corporation (USA) dla urządzeń pracujących w sieciach takich jak wykorzystujące skrętki dwużyłowe, szyny zasilające, światłowody i RF. Wykorzystuje się go do automatyzacji różnych funkcji w budynkach, takich jak oświetlenie i HVAC. • Do roku 2015, z wykorzystaniem technologii LonWorks, zainstalowano około

100 milionów urządzeń.

• Producenci działający w różnych rodzajach działalności takich jak budownictwo, mieszkalnictwo, oświetlenie ulic, transport, usługi komunalne, automatyka przemysłowa, zaadaptowali tę platformę jako podstawę dla realizacji oferowanych przez siebie usług.

40


Modbus jest szeregowym protokołem komunikacyjnym początkowo opracowany przez Modicon (obecnie Schneider Electric-France) w roku 1979, dla celów wykorzystania wraz z programowalnymi sterownikami logicznymi (PLCs). • Prosty i solidny, od czasu opracowania stał się standardowym protokołem

komunikacyjnym i obecnie jest powszechnie dostępny środkiem transmisji danych w przemysłowych urządzeniach elektronicznych.

author: july 2017 · • użytkowanie zmienne w pomieszczeniach, w których użytkownicy spędzają...

Documents