Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

К ВОПРОСУ РАСЧЕТА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ИСКУССТВЕННОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ

Кухарчук А.В. 1 Ромодин А.В. 1 Лейзгольд К.А. 1 Каширин А.С. 1 Захаров А.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический институт»
Выполнен анализ современных подходов к описанию состояния «среднего» неба. Предложен метод учета распределения яркости по небосводу, наличия установившегося снежного покрова и различного состояния облачности по сезонам в стандартных моделях. Выполнен сбор и систематизация данных по состоянию облачности в г. Перми. С помощью статистических данных строительной климатологии получена модель «среднего» неба по временам года и дана оценка использования естественного света в типовом помещении. В результате выполненной работы получена количественная оценка влияния естественной освещенности на освещение помещения и рассчитан потенциал снижения потребления электрической энергии при применении автоматизированного управления. Полученные в работе результаты могут быть использованы для оценки эффективности использования систем регулирования искусственной освещенности в помещениях зданий населенных пунктов, расположенных на 58-й широте северного полушария.
модель естественного освещения
коэффициент естественной освещенности
яркость неба
суммарная освещенность
регулирование освещенности
экономическая эффективность
1. Егорченков В.А. Определение яркости земной поверхности при расчeте естественного освещения зданий // Светотехника. – 2008. – № 3. – C. 56–57.
2. Егорченков В.А. Оценка естественного освещения зданий в условиях полуясного небосвода и биоритмы человека // Український світотехнічний журнал «Світло люкс». – К.: 2011. – № 4. – С. 49–53.
3. Кориковский А.П., Курапов Ю.В. Снижение расхода электроэнергии при использовании автоматического регулирования в осветительных установках // Науч.тр. НИИСФ. Исследования по вопросам экономии энергии при строительстве и эксплуатации зданий. – М., 1982. – С. 81–84.
4. Семенихин H.И. Энергоэкономичность автоматического управления освещением учебных зданий. // Светотехника. – 1987. – № 2. – С. 23–25.
5. Соловьёв А.К. Автоматическое регулирование дополнительного искусственного освещения и его эффективность // Светотехника. – 1999. – № 3. – С. 2–4.
6. Соловьёв А.К. Обоснование модели «Среднестатистического небосвода» и её использование в расчётах естественного освещения // ACADEMIA. Архитектура и строительство. Журнал Российской Академии архитектуры и строительных наук. – 2010. – № 3.
7. Соловьёв А.К. Учёт распределения яркости безоблачного неба в расчётах естественного освещения зданий. // ACADEMIA. Архитектура и строительство. Журнал Российской Академии архитектуры и строительных наук. – 2010. – № 3. – С. 462–471.
8. Gillete G.Pe., Treado S. The issue of sky conditions // Lighting Design and Application. – March, 1985. – Р. 22–27.

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.

kuchar1a.tif kuchar1b.tif

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:

kuch01.wmf

kuch02.wmf, (2)

где Nhбез УСП , – средняя облачность в период без установившегося снежного покрова; NhУСП – средняя облачность в период с установившимся снежным покровом.

kuch03.wmf, kuch04.wmf,

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

kuchar2.tif

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»

kuch05.wmf , (4)

где ЕБ – освещенность в ряде «Б», Еест – естественная освещенность ряда «Б», kuch06.wmf – освещенность от светильников ряда «В» в рассматриваемой точке.

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

kuch07.wmf. (5)

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

kuch08.wmf (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.


Библиографическая ссылка

Кухарчук А.В., Ромодин А.В., Лейзгольд К.А., Каширин А.С., Захаров А.А. К ВОПРОСУ РАСЧЕТА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ИСКУССТВЕННОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 8-1. – С. 114-119;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38857 (дата обращения: 07.05.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074