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.
Рис. 1. План типовой учебной аудитории (слева). План расположения светильников в типовой учебной аудитории (справа)
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-tУСП) gбез УСП+tУСП gУСП, (1)
где gбез УСП – соотношение яркости небосвода в период без установившегося снежного покрова; gУСП – соотношение яркости небосвода в период установившегося снежного покрова; tУСП – 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 Nhбез УСП , – средняя облачность в период без установившегося снежного покрова; NhУСП – средняя облачность в период с установившимся снежным покровом.
,
,
ho – 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(sinho·sina + cosho·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
Географическая широта, град. с. ш. |
Месяц |
Освещенность горизонтальной поверхности Еп ° при сплошной облачности, кЛк |
||||||||||||||
Время суток, ч |
||||||||||||||||
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
||
58 |
III |
– |
2,21 |
4,70 |
6,41 |
7,85 |
9,11 |
9,31 |
9,25 |
8,26 |
6,41 |
4,84 |
2,79 |
0,56 |
– |
– |
VI |
5,94 |
8,41 |
10,85 |
12,73 |
14,77 |
16,11 |
16,55 |
16,11 |
14,76 |
12,73 |
10,70 |
8,50 |
5,94 |
3,80 |
1,75 |
|
IX |
0,80 |
3,20 |
5,20 |
6,58 |
8,76 |
10,11 |
10,20 |
9,76 |
8,62 |
6,94 |
4,84 |
2,56 |
0,15 |
– |
– |
|
XII |
– |
– |
– |
0,70 |
1,55 |
2,11 |
2,70 |
2,11 |
1,55 |
0,56 |
– |
– |
– |
– |
– |
Таблица 2
Данные по горизонтальной освещенности при ясном небе
Географическая широта, град. с. ш. |
Месяц |
Освещенность горизонтальной поверхности Ея при ясном небе, кЛк |
|||||||||||||||
Время суток, ч |
|||||||||||||||||
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
||
58 |
III |
– |
– |
2,70 |
6,34 |
9,35 |
11,32 |
12,90 |
13,58 |
13,58 |
12,18 |
10,21 |
7,45 |
4,05 |
– |
– |
– |
VI |
4,98 |
7,97 |
11,58 |
14,59 |
16,54 |
17,88 |
18,70 |
18,97 |
18,64 |
18,03 |
16,54 |
14,59 |
11,70 |
7,69 |
4,86 |
1,10 |
|
IX |
– |
1,40 |
4,54 |
7,51 |
10,38 |
12,60 |
13,97 |
14,30 |
13,83 |
12,32 |
10,10 |
6,94 |
3,83 |
0,42 |
– |
– |
|
XII |
– |
– |
– |
– |
1,41 |
2,81 |
3,87 |
4,75 |
3,87 |
2,81 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
Таблица 3
Результаты анализа облачности г. Пермь
Месяцы |
Средний балл облачности, % |
Облачность Ko, о.т.е. |
Фазовая функция перехода от ясного неба к пасмурному, ξ |
II, III, VI |
77 |
0,77 |
0,13 |
V, VI |
56 |
0,56 |
0,41 |
IX, X |
85 |
0,85 |
0,05 |
XI, XII, I |
90 |
0,9 |
0,02 |
Таблица 4
Горизонтальная освещенности за период с учётом принятой модели «среднего» неба
Географическая широта, град. с. ш. |
Месяц |
Освещенность горизонтальной поверхности Еср под средним небом, клк |
|||||||||||||||
Время суток, ч |
|||||||||||||||||
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
||
58 |
II, III, VI |
– |
– |
2,27 |
4,91 |
6,79 |
8,30 |
9,60 |
9,87 |
9,81 |
8,77 |
6,90 |
5,18 |
2,95 |
0,49 |
– |
– |
V, VI |
2,04 |
6,77 |
9,71 |
12,38 |
14,29 |
16,05 |
17,17 |
17,54 |
17,15 |
16,10 |
14,29 |
12,29 |
9,81 |
6,66 |
4,23 |
1,48 |
|
IX, X |
– |
0,83 |
3,27 |
5,32 |
6,77 |
8,95 |
10,30 |
10,41 |
9,96 |
8,81 |
7,10 |
4,95 |
2,62 |
0,16 |
– |
– |
|
XI, XII, I |
– |
– |
– |
– |
0,71 |
1,58 |
2,15 |
2,74 |
2,15 |
1,58 |
0,55 |
– |
– |
– |
– |
– |
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 ЕБ – освещенность в ряде «Б», Еест – 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)
Енорм – 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
Месяц |
Ряд |
Освещенность, создаваемая естественным светом, Лк |
|||||||||||||||
Время суток, ч |
|||||||||||||||||
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
||
II, III, VI |
А |
– |
– |
175 |
377 |
522 |
638 |
737 |
758 |
754 |
674 |
530 |
398 |
227 |
37 |
– |
– |
V, VI |
157 |
520 |
746 |
951 |
1098 |
1232 |
1319 |
1347 |
1317 |
1237 |
1098 |
944 |
754 |
511 |
325 |
114 |
|
IX, X |
– |
64 |
251 |
408 |
520 |
688 |
791 |
799 |
765 |
676 |
545 |
380 |
201 |
13 |
– |
– |
|
XI, XII, I |
– |
– |
– |
– |
55 |
121 |
165 |
211 |
165 |
121 |
42 |
– |
– |
– |
– |
– |
|
II, III, VI |
Б |
– |
– |
82 |
177 |
245 |
299 |
346 |
355 |
353 |
316 |
249 |
186 |
106 |
18 |
– |
– |
V, VI |
74 |
244 |
350 |
446 |
515 |
578 |
618 |
632 |
617 |
580 |
515 |
443 |
353 |
240 |
152 |
53 |
|
IX, X |
– |
30 |
118 |
191 |
244 |
322 |
371 |
375 |
359 |
317 |
256 |
178 |
94 |
6 |
– |
– |
|
XI, XII, I |
– |
– |
– |
– |
26 |
57 |
77 |
99 |
77 |
57 |
20 |
– |
– |
– |
– |
– |
|
Освещенность, создаваемая естественным светом и источниками света ряда «В», Лк |
|||||||||||||||||
II, III, VI |
А |
– |
– |
226 |
428 |
573 |
689 |
788 |
809 |
805 |
725 |
581 |
449 |
278 |
88 |
– |
– |
V, VI |
208 |
571 |
797 |
1002 |
1149 |
1283 |
1370 |
1398 |
1368 |
1288 |
1149 |
995 |
805 |
562 |
376 |
165 |
|
IX, X |
– |
115 |
302 |
459 |
571 |
739 |
842 |
850 |
816 |
727 |
596 |
431 |
252 |
64 |
– |
– |
|
XI, XII, I |
– |
– |
– |
– |
106 |
172 |
216 |
262 |
216 |
172 |
93 |
– |
– |
– |
– |
– |
|
II, III, VI |
Б |
– |
– |
242 |
337 |
405 |
459 |
506 |
515 |
513 |
476 |
409 |
346 |
266 |
178 |
– |
– |
V, VI |
234 |
404 |
510 |
606 |
675 |
738 |
778 |
792 |
777 |
740 |
675 |
603 |
513 |
400 |
312 |
213 |
|
IX, X |
– |
190 |
278 |
351 |
404 |
482 |
531 |
535 |
519 |
477 |
416 |
338 |
254 |
166 |
– |
– |
|
XI, XII, I |
– |
– |
– |
– |
186 |
217 |
237 |
259 |
237 |
217 |
180 |
– |
– |
– |
– |
– |
Таблица 6
Потенциал экономии электрической энергии
Месяц |
Ряд |
Экономия электрической энергии, % |
|||||||||||||||
Время суток, ч |
|||||||||||||||||
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
||
II, III, VI |
А |
– |
– |
57 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
70 |
22 |
– |
– |
V, VI |
52 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
94 |
41 |
|
IX, X |
– |
29 |
76 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
63 |
16 |
– |
– |
|
XI, XII, I |
Б |
– |
– |
– |
– |
27 |
43 |
54 |
66 |
54 |
43 |
23 |
– |
– |
– |
– |
– |
II, III, VI |
– |
– |
61 |
84 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
87 |
67 |
45 |
– |
– |
|
V, VI |
59 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
78 |
53 |
|
IX, X |
– |
48 |
70 |
88 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
85 |
64 |
42 |
– |
– |
|
XI, XII, I |
– |
– |
– |
– |
47 |
54 |
59 |
65 |
59 |
54 |
45 |
– |
– |
– |
– |
– |
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.