По действующим в Российской Федерации нормам все помещения, предназначенные для длительного пребывания людей, должны иметь естественное освещение. Одним из средств энергосбережения в системах освещения научное сообщество и компании-интеграторы автоматизированных систем управления освещения (в том числе «Умный дом») рекомендуют зонное регулирование искусственного освещения [3, 4, 5]. Объект освещения разбивается на зоны в зависимости от условий обеспечения естественным освещением. На рабочих поверхностях каждой зоны обеспечивается поддержание требуемых уровней освещенности, создаваемых естественным и искусственным освещением, что позволяет снижать световой поток от источников искусственного освещения в зонах с повышенным естественным освещением.

Существенный интерес представляет анализ эффективности применения систем регулирования освещенности за счет использования естественного света. Естественное освещение помещений поддается количественным и качественным оценкам, зависящим от облачности неба, географического расположения, ориентации светопропускающих проемов по сторонам света, способа и вида освещения, времени суток и др. Этим обуславливается сложность оценки эффективности использования естественного освещения системами автоматизированного управления освещенностью.

Для решения этой задачи необходимо оценить степень влияния естественного света и количественно оценить его использование в течении года.

В данной работе рассмотрен расчет потенциала использования систем регулирования освещенности для типовой учебной аудитории.

Параметры исследуемой аудитории: тип помещения – учебная аудитория, длина – 5 м, глубина – 5,5 м, высота – 3 м, ширина окна – 2 м, высота окна – 2 м, высота подоконника – 0,8 м, высота рабочих поверхностей – 0,8 м, число окон в помещении – 2 шт., тип естественного освещения – боковое левое. План помещения представлен на рис. 1.

Параметры системы освещения аудитории: количество светильников – 9 шт., мощность одного светильника – 40 Вт, тип ламп – люминесцентные, расстояние между светильниками – 1,5 м, расстояние от боковой стены до крайнего ряда светильников – 1 м, расстояние от стены с окнами до ближайшего ряда светильников – 1,5 м. Ряд светильников около стены с окнами обозначим как «Ряд А», средний ряд – «Ряд Б», дальний от окна – «Ряд В». График работы в помещении: с 8:00 до 18:00. План расположения светильников представлен на рис. 1. Цифрами 1..6 показаны расчетные точки для определения освещенности.

В ряде работ [6, 7] разработаны подходы, использующие уточненные модели «среднего» неба. Используется допущение о плавном переходе между равноярким и облачным небом. При этом в качестве критерия наличия облачности предлагается использование данных о наблюдении соотношения диффузионной и прямой солнечной радиации [8], либо оценки облачности на рассматриваемой территории [1]. Предложенная в [2, 6] модель «среднего» неба может быть уточнена для регионов с установившимся снежным покровом.

Для учёта наличия установившегося снежного покрова используем следующее выражение:

g’ = (1-t_УСП) g_{без УСП}+t_УСП g_УСП, (1)

где g_{без УСП} – соотношение яркости небосвода в период без установившегося снежного покрова; g_УСП – соотношение яркости небосвода в период установившегося снежного покрова; t_УСП – отношение средней продолжительности периода с установившимся снежным покровом и периода без установившегося снежного покрова за год либо другой период работы системы освещения в рассматриваемом помещении.

С учетом стандартных распределений яркости по пасмурному небу (закон Муна и Спенсер) и ясному небу (распределение яркости по закону Киттлера), с учётом (1) получаем следующее выражение для определения соотношений яркости небосвода:

, (2)

где Nh_{без УСП} , – средняя облачность в период без установившегося снежного покрова; Nh_УСП – средняя облачность в период с установившимся снежным покровом.

, ,

h_o – угловая высота солнцестояния, рад; α – угловая высота центра рассматриваемого участка, рад; g – угловое расстояние между cолнцем и рассматриваемым элементом на полусфере, рад, определяемое из следующего выражения [8]:

g = arcсos(sinh_o·sina + cosh_o·cosa·cosg′),

g′ – горизонтальная проекция угла g, рад; b, c и d – эмпирические параметры, определяющие форму индикатрисы рассеяния и зависящие от прозрачности атмосферы р. В случае г. Перми: р = 0,6, при этом b = 0,856; c = 16; d = 0,3.

Полученное расчетное выражение довольно сложно для выполнения практических расчетов и требует разработки специализированного программного обеспечения, в связи с чем предлагается использовать данные СП 23-102-2003 (наружная горизонтальная освещенность) для оценки ресурсов естественной освещенности при пасмурном и ясном небе. Данные по освещенности поверхности для 58 с.ш. (г. Пермь), полученные путем интерполяции табличных значений, представлены в табл. 1, 2 (прямой солнечный свет для ясного неба не учитывался).

Так как при оценке ресурсов естественной освещенности необходимо учитывать переход от ясного неба к пасмурному, используем подход, предложенный в работе [2], в котором средняя прозрачность атмосферы принимается, как средний балл облачности рассматриваемой территории в относительных единицах от 0 до 1, соответственно при 0 и 100 % облачности.

Средний балл облачности для города Перми в рассматриваемые временные интервалы и фазовая функция перехода от ясного неба к пасмурному, соответствующая нормальному распределению предлагаемому в [6], представлены в табл. 3 с учётом временных интервалов.

Таким образом, на протяжении рассматриваемого периода освещенность горизонтальной поверхности от модели «среднего» неба может быть определена как [6]:

Eср = ξ·Eя + (1 – ξ)·Eп. (3)

Сводные данные результатов расчетов выражения (3) с учётом временных интервалов представлены в табл. 4.

Таблица 1

Данные по горизонтальной освещенности при сплошной облачности

Таблица 2

Данные по горизонтальной освещенности при ясном небе

Таблица 3

Результаты анализа облачности г. Пермь

Таблица 4

Горизонтальная освещенности за период с учётом принятой модели «среднего» неба

Рис. 2. Расчет сцены освещения помещения, естественное освещение

Учитывая, что степень влияния естественного света на освещенность внутри зависит от величины коэффициентов естественной освещенности (КЕО), их определение проводилось в пакете DiaLux. Дата и время при расчете выбраны таким образом, чтобы наружная горизонтальная освещенность при сплошной облачности составляла 10 кЛк, учитывая метод Данилюка. Таким образом, в качестве расчетного времени выбрано 12.03.2015 13:30. Результаты расчета освещенности от естественного света представлены на рис. 2.

При использовании автоматизированной системы управления освещенностью возможно поддержание необходимого уровня освещенности на рабочих поверхностях за счет датчиков освещенности. Экономию в Лк, % и кВт в средней зоне помещения и в зоне вдоль стены с окнами необходимо определять с учетом влияния светильников соседних зон. Функциональные возможности пакета DiaLux позволяют выполнять снижение яркости групп светильников. Изменяя яркость светильников ряда «А» и «Б» добиваемся освещенности на рабочих местах больше требуемой (рис. 1).

В результате выполненных расчетов КЕО для светильников ряда А и Б составил соответственно 7,68 и 3,6 %.

Величина естественной освещенности в ряде «В» незначительная (рис. 2), принимаем, что светильники ряда светят на 100 % (не регулируются), т.е. ЕВ = 400 люкс, тогда для расчетных точек под рядом «Б»

, (4)

где Е_Б – освещенность в ряде «Б», Е_ест – естественная освещенность ряда «Б», – освещенность от светильников ряда «В» в рассматриваемой точке.

Аналогично для ряда «А» дополнительно с учетом влияния светильников ряда «Б»:

. (5)

Учитывая, что световой поток пропорционален величине потребляемой мощности, величину экономии электрической энергии, например для зоны «Б», определим как

(6)

Е_норм – нормируемая освещенность (400 лк для рассматриваемого помещения). Результат 100 % или более – светильники отключены, не используются.

Результаты расчетов выражений (4–6) по исследуемым периодам представлены в табл. 5, 6.

Таблица 5

Результаты расчета экономии электрической энергии

Таблица 6

Потенциал экономии электрической энергии

Анализ табл. 6 показывает, что при принятых условиях использование системы естественного освещения рассматриваемого помещения в период с 8:00 до 18:00 покрывает значительный интервал времени, а применение диммирования представляется целесообразным только в ноябре, декабре и январе, в прочие периоды достаточно использования дискретного принципа управления.

На оценку реального эффекта экономии электрической энергии от регулирования источников искусственного света в зависимости от естественной освещенности влияют следующие факторы:

1. Точность настройки и чувствительность датчиков освещенности, используемых для системы управления освещенностью, зависимостью показаний, принципов обработки сигналов с датчиков.

2. Сложность учета ресурсов неравнояркого неба и необходимость использования светозащитных устройств.

3. Необходимость учета ориентации окон рассматриваемого помещения по сторонам света и затенения от зданий.

4. Влияние снежного покрова, загрязнения окон и светильников.

Экономический эффект, полученный с учётом указанных факторов, может быть значительным. Определенного снижения капитальных затрат на внедрение подобных систем возможно добиться при использовании алгоритмов управления источниками искусственного света по точной модели помещения с измерением только наружной освещенности и оптимальном выборе принципов управления группами светильников. Учитывая сложность этих расчётов требуется проработка подходов к определению эффектов и разработка специализированного программного обеспечения.

Рецензенты:

Бочкарев С.В., д.т.н., доцент, профессор кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации», ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь;

Казанцев В.П., д.т.н., доцент, профессор кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации», ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь.