Opracowana w Stanach Zjednoczonych norma ASHRAE 90.1 wymaga od osób zawodowo zajmujących się oświetleniem, aby ich projekty przewidywały nadwyżki mocy w instalacjach oświetlenia, sterowanie w zależności od poziomu światła dziennego, testy funkcjonalne oraz przygotowanie dokumentacji technicznej i materiałowej. Niniejszy artykuł obejmuje przegląd opcji sterowania oświetleniem wraz z opisem najlepszych praktyk dla projektantów systemów i inżynierów elektryków, dotyczących ich pracy z klientami.
Rozwój systemów sterowania oświetleniem i technologii źródeł światła doprowadził w ostatnich kilku latach do ewolucji projektów instalacji oświetleniowych w kierunku ich coraz większego zautomatyzowania. Celem jest ograniczenie roli pojedynczych użytkowników w procesie oszczędzania energii. To zautomatyzowane podejście wpływa na konstrukcje budynków zeroenergetycznych (net zero building) lub niemal zeroenergetycznych (near net zero building), zapewniając taką regulację intensywności sztucznego oświetlenia, by w budynku nie było zbyt jasno.
Bardzo ważną częścią udanego projektu energooszczędnego sterowania oświetleniem i jego wdrożenia jest edukacja mieszkańców i użytkowników. Muszą oni rozumieć sposób, w jaki odbywa się sterowanie oświetleniem w ich budynku oraz wiedzieć, jak sami mogą najlepiej wykorzystać zaprojektowany system. Może to obejmować także zalecenia, aby podczas całego okresu eksploatacji określonego źródła światła regulować ustawienie jego strumienia świetlnego – mniejszych wartości dla nowego źródła, które daje bardziej intensywne światło, i coraz większych, w miarę jak podczas eksploatacji strumień świetlny źródła maleje, aż do końca jego życia. W ten sposób oszczędza się energię i pieniądze.
Najlepsze praktyki dotyczące sterowania oświetleniem zaczynają się od wyznaczenia strategii jego sterowania. Prawie wszystkie państwa przyjęły kodeks energetyczny, opierający się na normie ASHRAE 90.1 – 2007 (ASHRAE – American Society of Heating, Refrigerating And Air-Conditioning Engineers – Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Ogrzewnictwa, Chłodnictwa i Klimatyzacji) lub Międzynarodowym Kodeksie Oszczędności Energii (International Energy Conservation Code, IECC) 2009. Wiele innych państw dąży do przyjęcia którejś z tych norm.
Chociaż istnieją także inne, specyficzne kodeksy i normy, wiele opcji pasuje do tych właśnie wytycznych. W procesie podejmowania decyzji projektowych klientom i inżynierom mogą pomóc odpowiedzi na pięć następujących pytań:
1. Jak będzie wykorzystywany obiekt? Już sam typ budynku i sposób jego użytkowania określają ogólny kierunek projektu sterowania oświetleniem. Obiekt tzw. infrastruktury krytycznej, działający 24 godziny na dobę przez siedem dni w tygodniu (szpital, zakład karny, centrum danych itd.), będzie miał inne wymagania funkcjonalne i cele niż zwykły biurowiec lub placówka oświatowa. Znaczenie układów sterowania oświetleniem będzie się zmieniało zarówno w zależności od typu obiektu, jak i poszczególnych przestrzeni w każdym obiekcie – np. duża stołówka wymaga innego sterowania niż korytarz czy szkolna klasa.
2. Jakie są cele energetyczne klienta? Cele związane z oszczędzaniem energii, jakie stawia sobie właściciel obiektu, oraz rozporządzenia władz miejskich lub regionalnych wyznaczą wymagania dotyczące sterowania oświetleniem w budynku. Może się to przełożyć na podjęcie konkretnych decyzji co do strategii sterowania oświetleniem, czy to w nowym, czy istniejącym obiekcie. Takie rozważania mogą dotyczyć w szczególności wyzwań, jakie nakłada realizacja budynku zeroenergetycznego, wymagań związanych z gęstością mocy (W/m2) albo energetyczną ulgą podatkową, standardów lub preferencji właściciela obiektu oraz kosztów instalacji i utrzymania.
3. Kto będzie eksploatował obiekt? Zarówno od stopnia złożoności systemu, jak i poziomu zaawansowania użytkowników może zależeć, czy warto brać pod uwagę zbudowanie centralnego systemu sterowania oświetleniem, czy też poszczególne przestrzenie będą sterowane niezależnie od siebie. Jeśli użytkownik końcowy nie dysponuje biegłym w obsłudze nowoczesnych technologii zespołem zarządzającym obiektem, to w jego najlepszym interesie mogłoby być utrzymanie jak najprostszego systemu, z osobnymi układami sterowania dla każdego pomieszczenia, takimi jak niezależne czujniki obecności i ręczne wyłączniki do sterowania, w zależności od oświetlenia dziennego.
4. Jakie są wymagania dotyczące bezpieczeństwa i sytuacji awaryjnych? Kolejną kwestię do rozważenia stanowi wykorzystanie układów sterowania oświetleniem, uwzględniających utrzymanie bezpieczeństwa podczas braku zasilania oraz oszczędzanie energii. W układach tych wymagany jest przekaźnik awaryjny, który włącza sterowane oświetlenie w razie braku zasilania, aby zachować zgodność z przepisami i normami. W systemie takim do schematu sterowania oświetleniem włączane jest oświetlenie wyjść awaryjnych. W przypadku oświetlenia korytarza sterowanego przez panel przekaźnikowy, blokowane mogą być łączniki niskonapięciowe, gdy budynek jest użytkowany, co zapobiega nieumyślnemu wyłączeniu wymaganego oświetlenia wyjść awaryjnych. Jeśli obiekt jest wykorzystywany po godzinach, wyłączniki mogą funkcjonować normalnie, pozwalając na ręczne włączanie i wyłączanie oświetlenia korytarza, w zależności od potrzeb.
5. Czy kwestie bezpieczeństwa i budżetu są zbilansowane? Czasami pęd do oszczędzania energii skreśla z planu inwestycji nocną iluminację wnętrz, mającą na celu zniechęcanie do aktów wandalizmu lub włamań i wchodzenia do budynku. Czujniki obecności mogą w tym aspekcie pomóc we włączaniu świateł, gdy ktoś porusza się w środku, co skutkuje dołączeniem oświetlenia nocnego do schematu sterowania oświetleniem.
Minimalne sterowanie oświetleniem wg normy ASHRAE 90.1-2010
Zestaw kompatybilnych urządzeń do sterowania oświetleniem składa się w minimalnej wersji z kombinacji urządzeń ręcznych, czasowych lub wykrywających ruch.
- Przestrzenie we wnętrzach wymagają sterowania ręcznego, aby umożliwić użytkownikom wyłączanie światła, gdy tylko pozwalają na to warunki. W większości miejsc musi także działać wielostopniowa regulacja natężenia oświetlenia. Pojedyncze urządzenie sterujące może nadzorować oświetlenie obszaru o powierzchni maksymalnej 230 m2. Gdy powierzchnia jest większa od 929,03 m2, obszar sterowania wzrasta do 930 m2.
- W stosunku do większości wnętrz mających powierzchnię ponad 460 m2 wymagana jest możliwość automatycznego wyłączania oświetlenia, gdy nie przebywają w nich ludzie. Może być to zrealizowane na kilka sposobów. Np. układ czasowy wyłącza oświetlenie pod koniec zwykłego dnia roboczego. Czujniki obecności powodują wyłączenie oświetlenia, gdy dana przestrzeń nie jest już zajmowana przez ludzi, z maksymalnym opóźnieniem wynoszącym 30 minut.
- Tam, gdzie to możliwe, czujniki obecności powinny być używane w konfiguracji: ręczne włączanie/automatyczne wyłączanie, co jest obecnie minimalnym wymaganiem normy ASHRAE 90.1-2010. Im bardziej ludzie są przyzwyczajeni do ręcznego włączania światła, tym większe prawdopodobieństwo, że sami je wyłączą, opuszczając pomieszczenie. Gdy jednak do włączania jest wykorzystywany czujnik obecności, to użytkownicy bardzo często nie angażują się już w wyłączanie światła. Ponieważ czujnik wykona to za nich, pozostawiają w pustym pomieszczeniu światło na czas ustawiony w sterowniku sprzężonym z czujnikiem.
- Wg ASHRAE 90.1-2007 oraz IECC 2009 wymagane są ręczne lub automatyczne systemy sterowania oświetleniem wykorzystujące światło dzienne (daylight har-vesting systems), w zależności od wielkości i rozkładu oświetlenia dziennego danego pomieszczenia (boczne lub górne).
- W zależności od intensywności dostępnego światła dziennego układy sterowania oświetleniem muszą zapobiegać jego włączeniu w ciągu dnia, gdy jest wystarczająco jasno. Zewnętrzne oprawy oświetlające fasadę budynku i jego otoczenie muszą być w nocy na pewien czas wyłączane, zaś w przypadku innych opraw zewnętrznych, nienależących do oświetlenia awaryjnego lub bezpieczeństwa, pomiędzy północą a godziną 6 rano (lub w okresie poza godzinami pracy firmy) oświetlenie musi być zredukowane o minimum 30%.
Najlepsze praktyki
Istnieje kilka strategii wykorzystania zgodnych z normą układów sterowania, które mogą zwiększyć oszczędności mimo niewielkich kosztów dodatkowych.
- Warto rozważyć oświetlenie wielostopniowe, z włącznikami znajdującymi się w strategicznych miejscach. Np. w klasie szkolnej pojedynczy włącznik mógłby być zlokalizowany blisko drzwi wejściowych, co pozwoliłoby na włączanie światła o akceptowalnym poziomie natężenia podczas godzin pracy i/lub gdy przeważa udział światła dziennego. Poziom ten mógłby wynosić 33% lub 66% w przypadku użycia tradycyjnych konstrukcji opraw sufitowych rastrowych, na trzy źródła światła. Dodatkowe włączniki mogłyby być umieszczone w pobliżu biurka nauczyciela, do wykorzystania w okresach, gdy potrzeba więcej światła sztucznego. Dla wielu ludzi naturalnym zachowaniem przy wchodzeniu do pomieszczenia jest włączenie światła wszystkimi włącznikami znajdującymi się obok drzwi, tymczasem wspomniana dodatkowa lokalizacja wymagałaby od użytkownika przemyślenia decyzji o zwiększeniu ilości sztucznego światła.
- Dobrze jest rozważyć redukcję ilości oświetlenia ogólnego w przestrzeni na rzecz wykorzystywania w jak największym stopniu oświetlenia roboczego. W środowisku biurowym trzeba starannie przemyśleć oświetlenie stanowiska pracy przy biurku i dobrać oprawy, które są elastyczne – mogą być dopasowane do potrzeb pracowników w różnym wieku, o różnych wymaganiach dotyczących oświetlenia.
Dodatkowych oszczędności mogą dostarczyć poniższe dwie strategie:
- W strefach z oświetleniem dziennym i obszarach poza nimi warto rozważyć zastosowanie opraw ściemnianych automatycznie (zmniejszanie obciążenia sieci) – dla całych grup lub indywidualnych stanowisk. Tak czy inaczej, gdy strumień świetlny redukuje się automatycznie, przez prawidłowo dobrane układy sterowania oświetleniem, można osiągnąć maksymalne oszczędności, nie jest bowiem wymagana interwencja użytkownika.
- W przestrzeniach z systemami audio-wideo – poczynając od tak prostych, jak pojedynczy projektor i ekran, aż do zaawansowanej sali konferencyjnej – w czasie używania projektora należy wykorzystywać rolety/żaluzje elektryczne zarówno do zaciemniania pomieszczeń, jak i do rozjaśniania, gdy sprzęt nie jest używany. Jak zaobserwowano, użytkownicy mają tendencję do unikania ręcznego podnoszenia i opuszczania rolet/żaluzji. Zostawiają je opuszczone, eliminując w ten sposób udział światła dziennego w schematach sterowania oświetleniem, gdy systemy audio-wideo nie są używane.
Czynnik ludzki
Od kiedy rozpowszechniło się stosowanie wymagających kodeksów energetycznych oraz dążenie do spełniania wyzwań stawianych przez organizację „Architektura 2030”, dotyczących budynków zeroenergetycz-nych lub niemal zeroenergetycznych, celem wielu inwestorów stało się zminimalizowanie udziałów oświetlenia sztucznego w systemach oświetlania budynków oraz ludzkiej ingerencji w układy sterowania. Jednak – pamiętając o tym, że w wielu przypadkach wymagane są zarówno automatyzacja oświetlenia, jak i działanie użytkownika – prawdziwym celem powinna być możliwość stosowania obu rodzajów sterowania wszędzie tam, gdzie zachodzi taka potrzeba.
Zasadnicze znaczenie ma przeszkolenie właściciela obiektu w zakresie zastosowanych schematów sterowania, a osób zajmujących obiekt – ze sposobów regulacji poziomów oświetlenia przestrzeni oraz maksymalizacji oszczędzania energii. W warunkach idealnych wszystkie przestrzenie miałyby wystarczające naturalne oświetlenie dzienne oraz automatyczne układy ściemniające do poprawy i redukowania energii oświetlenia wykorzystywanego w obiekcie. Jednak nie wszyscy właściciele budynków mogą sobie pozwolić na takie strategie sterowania. Dodatkowo dla wielu z nich sama kwestia tempa zwrotu kosztów zainstalowania bardziej wydajnych systemów oświetlenia nie jest jednoznaczna. Powód? Obowiązujące w niektórych regionach niskie taryfy energii elektrycznej, które znacznie przedłużają okres spłacania się inwestycji. Zintegrowany zespół projektantów może jednak zaprojektować systemy, które maksymalizują oszczędzanie energii przez skoordynowanie projektów: architektonicznego, mechanicznego, oświetlenia i sterowania oświetleniem.
Autor: Eric Kamin jest głównym liderem w praktyce elektrotechnicznej Grupy DLR, fachowcem w opracowywaniu specyfikacji pierwotnego i wtórnego rozdziału energii, układów zasilania rezerwowego, okablowania systemów telefonicznych i danych, systemów bezpieczeństwa, projektów oświetlenia wewnętrznego i zewnętrznego oraz projektów oświetlenia obiektów sportowych.
Tekst pochodzi z nr 3/2015 magazynu „Inteligentny Budynek”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
