Znajomość nowoczesnych narzędzi modelowania energetycznego budynków jest niezwykle istotna przy projektowaniu budynków spełniających współczesne standardy i normy. Projektanci oświetlenia muszą wziąć pod uwagę stosowanie różnych dostępnych narzędzi podczas pracy nad tworzeniem nowego lub przebudową istniejącego systemu.
W skrócie
→→ Efektywne wykorzystanie światła dziennego oraz zautomatyzowanego sztucznego oświetlenia to podstawowa kwestia w projektowaniu instalacji nowych budynków oraz modernizacji istniejących.
→→ Przy opracowywaniu strategii oświetlenia należy wziąć pod uwagę wpływ oświetlenia na ogrzewanie, chłodzenie czy wentylację.
→→ Przy modelowaniu wykorzystania światła dziennego konieczne jest także wykorzystanie funkcji ściemniania.
Oświetlenie zawsze ma znaczący udział w całkowitym bilansie energetycznym budynku. Efektywne wykorzystanie światła dziennego oraz zautomatyzowanego sztucznego oświetlenia to podstawowa kwestia w projektowaniu instalacji nowych budynków oraz modernizacji istniejących.
Jako że standardy i normy w tym zakresie są coraz surowsze, przy projektowaniu potrzebne są coraz bardziej zaawansowane metody modelowania, prowadzące do lepszego zrozumienia kwestii zużycia energii związanej z oświetleniem. Obecnie zajmujący się tym specjaliści mają do dyspozycji narzędzia pozwalające określić, czy projekt spełnia wymogi nowych standardów, a także obliczyć zużycie energii przypadającej na oświetlenie.
Oświetlenie i jego wpływ na zużycie energii
Najprościej rzecz ujmując, oświetlenie zużywa prąd, kiedy płynie on przez element oporowy w elemencie świetlnym. Przepływ prądu jest kontrolowany przez włącznik – manualny, sterowany zdalnie lub automatyczny – pracujący w oparciu o czujnik lub timer. Projektanci oświetlenia są zainteresowani uzyskaniem możliwie optymalnego stopnia oświetlenia przestrzeni. Minimalna ilość światła na daną powierzchnię, czyli inaczej jego natężenie, jest najczęściej obliczana w oparciu o normę PN-EN 12464:2012 (w USA: wymagania IES – Illuminating Engineering Society), które uwzględniają także przeznaczenie danej przestrzeni.
Podczas gdy wytyczne wspomnianych norm skupiają się na minimalnych wymaganiach względem ilości światła, amerykański standard ASHRAE 90.1 definiuje maksymalne zużycie energii, biorąc pod uwagę typ budynku i osobną analizę wszystkich pomieszczeń. Współczesne technologie oświetleniowe pozwalają właścicielom nieruchomości na spełnienie tych nowych wytycznych, a nawet ich przekroczenie. Ostatecznie przecież celem tego standardu jest zachęcanie projektantów i właścicieli budynków do ciągłego postępu w kwestiach racjonalizacji zużycia energii oraz dążenie do konstruowania budynków zeroenergetycznych.
Sterowanie oświetleniem i sposób użytkowania budynku to tylko niektóre z czynników, mających wpływ na zużycie energii. Pozostałe czynniki wyszczególnione zostały na rys.1. Poziom technologiczny, wykorzystanie światła dziennego czy godziny użytkowania budynku – wszystko to ma wpływ na całkowitą konsumpcję energii. Warto odnotować fakt, że o ile niektóre z tych czynników zależą od sposobu użytkowania budynku, innymi można sterować, co przekłada się na redukcję zużycia energii.
Czy jednak udział oświetlenia w konsumpcji energii rzeczywiście jest aż tak znaczący? Badania zużycia energii w budynkach komercyjnych pokazały, że dzisiejsze klasyczne budownictwo zużywa rocznie ok. 393 mln kWh energii, która przypada na oświetlenie. Uśredniając, jest to 20% całej energii zużywanej przez budynki komercyjne. Dla przeciętnego budynku tego typu roczne wydatki związane z oświetleniem mogą sięgnąć setek tysięcy złotych.
Techniki zmniejszenia zużycia energii
W wielu przypadkach inżynierowie zajmujący się oświetleniem mogą ograniczyć konsumpcję energii, stosując sprawdzone metody. Już w fazie koncepcyjnej projektowania nowego budynku projektanci powinni wziąć pod uwagę wpływ wykorzystania światła naturalnego na zużycie energii. Czujniki światła dziennego pozwalają na efektywniejsze wykorzystanie tego źródła naturalnego oświetlenia. A to z kolei może przełożyć się na konkretne oszczędności, ponieważ większość budynków komercyjnych jest użytkowanych właśnie w ciągu dnia.
Poza wykorzystywaniem energooszczędnych lamp czy czujników światła dziennego istotna jest także możliwość sterowania poziomem oświetlenia. Lepsze od zwykłych wyłączników dwustanowych typu włącz/wyłącz są sterowniki z funkcją ściemniania – pozwalają one dopasować intensywność oświetlenia do indywidualnych preferencji oraz zmieniających się warunków zewnętrznych, które mogą być inne niż parametry projektowe. Zautomatyzowane włączniki, czujniki ruchu i obecności sprawdzają się dobrze w ciągach komunikacyjnych, takich jak na przykład korytarze szkolne, gdzie dość łatwo przewidzieć, w jakich godzinach jest potrzebne oświetlenie.
Dla właścicieli nieruchomości zainteresowanych ich modernizacją wymiana starego sprzętu oświetleniowego to często decyzja stricte ekonomiczna. Standardowo zakłada się, że zwrot z inwestycji dla budynków typu szpital wynosi 9 miesięcy, a dla biurowców – 3,5 roku. Tabela 1 zawiera szacunkowe dane dla typowych budynków komercyjnych: typ lamp, ich wydajność, ilość przypadającą na budynek, stopień wykorzystania oraz przeciętna długość pracy w ciągu dnia. Analizując dane przedstawione w tabeli, można wysnuć następujące wnioski:
• dostępne na rynku lampy LED są do ośmiu razy bardziej wydajne niż tradycyjne źródła światła. Badania pokazują, że przewaga ta może znacząco wzrosnąć w najbliższych latach;
• świetlówki są najpopularniejszym źródłem światła w budynkach komercyjnych. Tradycyjne żarówki ciągle stanowią 22% lamp wykorzystywanych w takich budynkach, a zużywają czterokrotnie więcej energii niż świetlówki;
• tylko jedna trzecia budynków wykorzystywanych komercyjnie ma oświetlenie LED-owe. Chcąc poczynić znaczne oszczędności, należy przestawić się na nowe technologie;
• sterowanie pozwalające ściemniać lub wyłączać oświetlenie, kiedy nie jest potrzebne, może znacząco zmniejszyć sumaryczną liczbę godzin pracy oświetlenia.
Włączanie światła może mieć także wpływ na funkcjonowanie systemów ogrzewania czy klimatyzacji. Przy opracowywaniu strategii oświetlenia inżynierowie muszą wziąć pod uwagę wpływ oświetlenia na ogrzewanie, chłodzenie czy wentylację. Oświetlenie elektryczne emituje ciepło do otoczenia, co ma negatywny wpływ na chłodzenie i ruch powietrza w pomieszczeniu, szczególnie latem. Co prawda w zimie lampy pomagają ogrzewać budynek, ale nie przekłada się to na oszczędności, ponieważ systemy ogrzewania wytwarzają ciepło znacznie wydajniej. Reasumując, w idealnym wypadku oświetlenie zużywa możliwie mało energii, zapewniając przy tym minimalną wymaganą ilość światła. Faktem jest, że maksymalne wykorzystanie światła dziennego zmniejsza zużycie energii związanej z oświetleniem, pogarsza jednak izolację termiczną, co powoduje pogorszenie wydajności cieplnej budynku.
Wykorzystanie światła dziennego
Dla specjalistów od oświetlenia zajmujących się dostosowaniem do wymogów certyfikacji LEED (ogólnoświatowy standard certyfikacji wielokryterialnej budynków, oceniający je pod względem energooszczędności i wpływu na środowisko naturalne), interesujące są podstawowe różnice w modelowaniu oświetlenia budynków pomiędzy LEED 2009 a LEED v4. Różnice odnoszą się do warunku 2. Energy and Atmosphere (EA – Energia i Atmosfera), mówiącego o minimalnej wydajności energetycznej oraz do przypisu 1 tego samego działu, mówiącego o optymalizacji wydajności energetycznej. W certyfikacie LEED v4 sugeruje się, że model energetyczny budynku powinien spełniać wymogi ASHRAE 90.1-2010, który zawiera wiele nowych wytycznych dotyczących sterowania oświetleniem. Zmiany certyfikatu z roku 2010, w stosunku do tego z 2007, zawierają wytyczne:
• automatyczne sterowniki oświetlenia dla pomieszczeń (z wyłączeniem oświetlenia non-stop, oddziałów intensywnej opieki oraz oświetlenia wykorzystywanego do celów bezpieczeństwa) muszą być wyposażone w czasomierz- timer oraz czujniki ruchu;
• dla stref zarówno z oknami, jak i świetlikami dachowymi wymagana jest zautomatyzowana kontrola wykorzystania światła dziennego. Minimum to sterowanie dwustopniowe, które umożliwia przygaszenie o 1/3 lub 2/3 oświetlenia, kiedy dostępne jest światło dzienne. Obszar oświetlony z okna ściennego jest definiowany jako funkcja wysokości okna, jego szerokości i ewentualnych przeszkód o wysokości minimum 1,5 metra. Definicja dla obszaru oświetlonego świetlikiem jest nieco inna, ale również jest funkcją wysokości świetlika nad tym obszarem, jego wielkością, ewentualnych przeszkód i wpływu innych okien.
Model energetyczny może być wykorzystany do określenia wymagań odnośnie sterowania. To potężne narzędzie, które może pomóc użytkownikom w zrozumieniu wielu rzeczy – wpływu oświetlenia na ogrzewanie czy chłodzenie oraz tego, jak światło dzienne może przyczynić się do zmniejszenia zużycia energii. Jest wiele różnych powszechnie akceptowanych programów do tworzenia takich modeli, mających swoje własne silniki obliczeniowe, ale wszystkie muszą spełniać wymagania standardów dotyczących oprogramowania do symulacji. Niektóre są dostępne za darmo, inne wymagają wykupienia licencji. Niektóre z nich to:
• Dept. of Energy eQUEST
• Carrier HAP
• IES-VE
• Trane TRACE.
Modele energetyczne można tworzyć, aby zebrać informacje o wszystkich czynnikach, które mają wpływ na oświetlenie, takich jak: wielkość i konstrukcja powierzchni przeszklonych, orientacja budynku w przestrzeni, czujniki światła dziennego, czujniki zautomatyzowane, strategie oświetlenia. Modele te wykorzystuje się także do porównywania zużycia energii związanej z oświetleniem z innymi systemami. Opierając się na rejestrach pogody oraz nasłonecznienia, klienci mogą podjąć lepsze decyzje dotyczące projektu ich budynku.
Badania nad modelami energetycznymi pokazują, że budynki wykorzystujące zautomatyzowane oświetlenie mogą zużywać do 10% mniej energii niż budynki komercyjne bez takiego sterowania. Należy podkreślić, że wartość ta będzie różna w zależności od lokalizacji budynku, wielkości okien i ich charakterystyki, geometrii budynku i innych systemów energetycznych w nim zastosowanych. Chociaż dzięki efektywnej kontroli światła dziennego w pomieszczeniach o dużym przeszkleniu można osiągnąć pewne oszczędności w konsumpcji energii (związanej z oświetleniem), to jednak oczywiste jest, że im większe jest przeszklenie danego budynku, tym większe będzie sumaryczne zużycie energii. Dlatego zmniejszenie powierzchni okien jest pierwszym i najważniejszym krokiem do ograniczenia całkowitej konsumpcji energii. Sterowanie oświetleniem nie może być alternatywą dla rozwiązań zmierzających do zaprojektowania budynku pasywnego.
Nowe regulacje prawne
Nowe regulacje prawne skomplikowały nieco życie specjalistom od oświetlenia. Jeśli przy opracowywaniu modelu nie bierze się pod uwagę światła dziennego, sprawa nie jest trudna. Jednak obecny standard w przypadku pracy nad modelem funkcjonowania instalacji oświetleniowej zakłada opracowanie osobnych harmonogramów pracy dla dni roboczych oraz weekendów, przemnożenie ich przez liczbę odpowiadających im godzin w całym roku, a otrzymany wynik będzie determinował zużycie energii. Organizacja ASHRAE przeprowadziła własne badania i w oparciu o nie opracowała standardowe strategie oświetleniowe dla budynków typu biura, szpitale, fabryki itd.
Na przykład model ASHRAE dostosowuje harmonogram oświetlenia do typowego dnia pracy. Światła włączają się na 90% mocy o godzinie 8 rano, gdy większość pracowników przychodzi do pracy. W porze lunchu światło jest lekko przygaszane. Po południu moc z powrotem osiąga 90% i tak jest aż do godz. 17, a następnie stopniowo przygasa aż do 5% zaprojektowanej mocy, gdy pracownicy kończą pracę i udają się do domów. I tak, dla biura, którego zainstalowana moc oświetlenia wynosi 1000 W, zapotrzebowanie na moc o 8.00 rano wynosi 900 W, a o godz. 18.00 – 300 W.
Aby zamodelować działanie automatycznych czujników, trzeba skorelować ze sobą harmonogram z realnym obłożeniem. Zazwyczaj domyślny grafik działania oświetlenia jest odzwierciedleniem obecności pracowników w biurze – z wyjątkiem niewielkiego lokalnego oświetlenia, związanego z czyjąś obecnością po godzinach, oznaczenia wyjść ewakuacyjnych oraz oświetlenia alarmowego. Harmonogram musi być tak ułożony, by światło było wyłączone zawsze, gdy w pomieszczeniu nikogo nie ma. Pełne zrozumienie efektu wynikającego z tej wytycznej nie jest proste, ponieważ korzyści płynące z wykorzystania automatycznych włączników światła będą różne dla różnych budynków oraz uzależnione od tego, czy pracownicy danej firmy mają tendencję do zostawiania włączonego światła, gdy wychodzą z pomieszczenia, czy nie. Jako alternatywę w przestrzeniach, gdzie zautomatyzowane oświetlenie nie jest wymagane, ASHRAE 90.1 dopuszcza stosowanie światła przygaszonego do 10–15%.
Przy modelowaniu wykorzystania światła dziennego konieczne jest również zastosowanie funkcji ściemniania. Większość popularnych pakietów oprogramowania do tworzenia modeli energetycznych ma wbudowane funkcje do obliczeń związanych ze światłem dziennym. Np. oprogramowanie IES- -VE pomaga umiejscowić i ustalić orientację czujników, przeprowadzić symulację wykorzystania światła dziennego, kontrolować w bardzo realistyczny sposób moc oświetlenia dzięki wykorzystaniu funkcji „jeżeli”, do skokowej lub ciągłej zmiany stopnia oświetlenia. Można także ustawić minimalną oraz maksymalną moc światła dla danej przestrzeni. Niektóre z dostępnych na rynku systemów, jak np. Carrier HAP, nie mają tego typu funkcji i wymagają manualnego dokonywania zmian w harmonogramie oświetlenia i obróbki danych o wykorzystaniu światła.
Podsumowanie
Zużycie energii związane z oświetleniem stanowi obecnie znaczącą część całkowitego zapotrzebowania na energię. Sytuację tę można jednak zmienić, stosując nowoczesne typy lamp, odpowiednią konfigurację budynku oraz system sterowania. W związku z tym, że stale zmieniają się regulacje i standardy, stosowanie technik oszczędzania energii stanowi nie tylko próbę podniesienia efektywności, ale – co istotne – staje się obowiązkiem. Znalezienie złotego środka pomiędzy wyglądem budynku, jego parametrami termicznymi, wykorzystaniem światła dziennego, ogrzewaniem oraz chłodzeniem jest bardzo ważne, a pomóc w tym może modelowanie energetyczne. Model taki ułatwia zrozumienie istniejących zależności oraz wytyczenie właściwego kierunku w projektowaniu nowych budynków czy modernizacji istniejących. Mamy do czynienia ze stałym postępem w dziedzinie technologii oświetleniowych i projektowania takich instalacji, a motorem napędowym tego zjawiska jest dążenie do zmniejszenia zużycia energii elektrycznej.
Autor: Christian Paunon jest inżynierem mechanikiem w Arup, a jego doświadczenie z modelami energetycznymi obejmuje zarówno projektowanie nowych budynków, jak i modernizację już istniejących do nowych standardów, takich jak LEED. Zajmuje się także całym cyklem życia budynków – od tworzenia wstępnych analiz energetycznych po modelowanie energetyczne.
Tekst pochodzi z nr 1/2016 magazynu „Inteligentny Budynek”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
