Zvýšení úspor elektrické energie v inteligentní budově pomocí regulace osvětlení

--- Tomáš Novák, Jan Vaňuš, Jan Šumpich,
Jiří Koziorek, Karel Sokanský, VŠB-TU Ostrava,
Luděk Trawinski, Trimr s. r. o. Ostrava ---

Pro zvýšení úspor elektrické energie v oblasti ovládání osvětlení inteligentní budovy byly použity komponenty sběrnicového systému KNX. Ve spolupráci s firmou Trimr s. r. o. Ostrava bylo pomocí komponent sběrnicového systému KNX realizováno ovládání osvětlení v místnosti na konstantní hodnotu. Tento článek popisuje návrh softwaru pro modelování a výpočet možných úspor v osvětlovacích systémech umělého osvětlení v kombinaci s denním světlem. Navržený software pracuje s denním světlem při zatažené obloze. V článku je dále popsáno porovnání rozdílu osažených úspor mezi spotřebovanou elektrickou energií v případě ovládání umělého osvětlení (stmívání) na konstantní hodnotu a v případě, kdy hladina osvětlení v místnosti není ovládána. S použitím navrženého softwaru lze zvážit vhodnost využití regulace osvětlení v konkrétních pracovních místech s možným doporučením na snížení energetických nároků budovy při případných energetických auditech.

Úvod

Při kalkulaci nákladů provozu budovy je kladen velký důraz na co nejnižší spotřebu energií. Z pohledu majitelů a obyvatel budov nebo investorů jsou při navrhování projektů inteligentních budov požadovány detailní informace o [1], [2]:

• potřebách obyvatel a jejich požadavcích,
• způsobu provedení uživatelského rozhraní,
• způsobu zajištění bezpečnosti obyvatel,
• parametrech širšího okolí a provedení místní sítě,
• požadavcích na služby a způsob jejich používání,
• užitých nebo předpokládaných technických zařízeních,
• principech systémové architektury,
• systému týkajícím se jeho instalace, komponent, provozu a údržby.

Pro optimální návrh inteligentních budov je nutné vzít v úvahu rovněž požadavky obyvatel na:

• zajištění soukromí,
• kybernetickou bezpečnost před možnými útoky virů a hackerů prostřednictvím internetu,
• možnost využití a optimálního připojení alternativních zdrojů energií,
• komfort a jednoduchost ovládání navržených provoznětechnických funkcí a
• monitorování spotřeby energie a jejího hospodaření s ní.

Obr. 1. Blokové schéma návrhu vzdáleného komfortního ovládání provoznětechnických funkcí v budově s použitím KNX 

Obr. 2. Blokové schéma propojení komponent KNX a DALI pro řízení osvětlení v místnosti na konstantní hodnotu

V reakci na požadavky majitelů a obyvatel budov jsou pro komfortní vzdálené ovládání provoznětechnických funkcí na současném trhu nabízena vhodná uživatelská rozhraní, která podporují řízení komponent sběrnicového systému KNX. Článek je zaměřen na popis navrženého softwaru pro modelování a výpočet možných úspor v osvětlovacích systémech umělého osvětlení v kombinaci s denním světlem v návaznosti na popis způsobu zvýšení možných úspor elektrické energie v inteligentní budově využitím komfortního ovládání osvětlení na konstantní osvětlenost v inteligentní budově implementací sběrnicového systému KNX s napojením na vhodná uživatelské rozhraní (obr. 1).

Současný stav v oblasti výzkumu způsobu řízení osvětlení v inteligentních budovách

Pro zjištění současného stavu výzkumu v oblasti osvětlení inteligentních budov byla provedena rešerše následujících termínů, které se týkají dané problematiky: Smart, Home, Intelligent, Building, Control, Illumination, Light. Témata vybraných článků lze rozdělit do několika oblastí:

• systémy pro ovládání umělého osvětlení LED svítidel [3] až [5],
• moderní a inteligentní systémy řízení osvětlení [6] až [10] s implementací sběrnicového systému KNX [11],
• bezdrátové systémy použité pro řízení osvětlení v budově [12],
• energetická účinnost inteligentních systémů řízení osvětlení s ohledem na úsporu elektrické energie [13] až [16],
• návrh řízení osvětlení v inteligentních budovách pro seniory a postižené lidi [17],
• různé způsoby provedení uživatelského rozhraní pro vzdálené komfortní ovládání osvětlení v budovách (hlasové příkazy [18], [19], ovládání pomocí hodinek [20]).

Obr. 3. Laboratoř pro měření a regulaci osvětlení v prostorách firmy Trimr s. r. o. Ostrava

Návrh komfortního řízení provozně-technických funkcí v inteligentní budově pomocí sběrnicového systému KNX

Systémová technika budov je speciální oblastí automatizace budov. Popisuje propojení sítí, sestavených ze systémových komponent a účastnických stanic pomocí instalační sběrnice do jednoho systému. Tento systém je sladěn s elektroinstalací tak, že zajistí ovládání provoznětechnických funkcí v příslušné budově.

Obr. 4. Deklinace Slunce v průběhu roku

Inteligence systému je při použití sběrnice KNX distribuována na jednotlivé komponenty, tzv. účastníky sběrnicového systému. Informační toky probíhají mezi jednotlivými účastníky prostřednictvím různých přenosových médií:
Twisted Pair (TP) – kroucený pár – dvoulinka; Power Line (PL) – silové vedení; rádiový přenos (RF) – bezdrátový přenos; ethernetový přenos (ET); optická vlákna. Sběrnicový systém KNX používá pro přenos informací všechna zmíněná média [21].

Výhodou použití sběrnicového systému KNX je flexibilita (možnost snadného přeprogramování), interoperabilita s dalšími sběrnicovými systémy, možnost vzájemného propojení jednotlivých okruhů ovládaných provoznětechnických funkcí (HVAC – Heating, Ventilation, Air-Conditioning, osvětlení) s ohledem na zajištění úspor elektrické energie a rovněž důraz na komfort ovládání provoznětechnických funkcí v budovách. V současné době se standardem stává vzdálené komfortní ovládání provoznětechnických funkcí v budovách za použití tabletu, iPodu, Androidu nebo notebooku. Na obr. 1 je znázorněn návrh vzdáleného komfortního ovládání provoznětechnických funkcí pomocí sběrnicového systému KNX a miniserveru Loxone [22].

Tab. 1. Regulace osvětlovacích soustav

Řízení umělého a denního světla v místnosti na konstantní hodnotu pomocí systémů KNX a DALI

K osvětlení interiérů budov se používají především zářivky, kompaktní zářivky a v poslední době i LED svítidla. Pro různé druhy řízení osvětlení v budovách lze použít rovněž další světelné zdroje osazované ve vnitřních osvětlovacích soustavách. Řízení osvětlení v inteligentní budově lze navrhnout v závislosti na:

• přítomnosti osob v místnosti monitorované snímačem přítomnosti,
• funkci osvětlovaných prostor (např. kanceláře, chodby),
• časovém řízení osvětlení pomocí hodin,
• možnosti zpožděného rozsvícení nebo zhasnutí osvětlení,
• požadavku nastavení světelných scén (např. čtení, dívání se na televizi).

K ovládání osvětlení v budově prostřednictvím sběrnicového systému KNX lze využít některý z těchto způsobů:

• zapnutí/vypnutí světla pomocí spínacího aktoru KNX,
• stmívání světel pomocí stmívacího aktoru KNX,
• stmívání světel pomocí spínacího/stmívacího aktoru KNX s použitím stmívatelných elektronických předřadníků s řídicím vstupem 0 až 10 V nebo 1 až 10 V,
• stmívání světel pomocí brány KNX/DALI s ovládáním předřadníků DALI pomocí DSI sběrnice (obr. 2).

Pro ekonomický provoz osvětlení v budově je možné použít řízení a regulaci osvětlení v závislosti na hodnotě denního světla nebo v závislosti na konstantním osvětlení místnosti. V této práci bylo použito řízení osvětlení v místnosti na konstantní hodnotu (obr. 3).

Obr. 5. Výpočet činitele denní osvětlenosti v modelové místnosti 

Obr. 6. Návrh umělého osvětlení

Postup při predikci úspor energie

Tato část příspěvku znázorňuje dynamické modelování denního světla jako podklad pro výpočet regulace umělých osvětlovacích soustav a následné vyčíslení úspor energie. Při dynamickém modelování vzniká mnoho aspektů, které je zapotřebí brát v úvahu. Základem pro dynamické modelování příspěvků denní osvětlenosti je již zmíněné využití rovnoměrně zatažené oblohy. Díky tomu lze při výpočtu eliminovat vliv světových stran na umístění osvětlovacích otvorů. Do výpočtu nevstupuje pouze model rovnoměrně zatažené oblohy, ale také vliv deklinace Slunce, měnící se v průběhu celého roku (obr. 4).

Pro ukázku výpočtu činitele denní osvětlenosti byla vybrána modelová místnost, která se nachází ve třetím patře (pro samotný výpočet jsou zohledněny stínící okolní budovy a stromy), rozměry prostoru jsou 4 300 × 5 000 mm a světlá výška 2 670 mm. Na kratší stěně jsou okna.
První je trojokno o rozměrech 1 400 × 1 800 mm ve výšce 1 030 mm nad podlahou, vzdálené od stěny 480 mm. Druhé je dvojokno o rozměrech 1 400 × 1 140 mm ve výšce 1 030 mm nad podlahou, vzdálené od stěny 180 mm. Vzdálenost mezi okny je 700 mm. Při výpočtech prováděných v modelové místnosti je třeba zjistit činitel denní osvětlenosti, pro jehož výpočet byl použit software WDLS (obr. 5).

Tab. 2. Ukázka části údajů pro porovnání naměřených a vypočtených hodnot

Pro další postup při výpočtu úspor elektrické energie je třeba navrhnout umělou osvětlovací soustavu pro monitorovaný prostor. Jde o běžnou kancelář, ve které je normou (ČSN EN 12464-1) stanoven požadavek na udržovanou osvětlenost 500 lx. Protože ve zvolené místnosti není stanoveno konkrétní místo zrakového úkolu, byl výpočet proveden tak, aby byl požadavek na hodnotu 500 lx splněn v každém výpočetním bodě. Osvětlovací soustava byla navržena v programu WILS podle přesných rozměrů daného prostoru (obr. 6).

Na základě znalosti činitele denní osvětlenosti a umělého osvětlení v řešené místnosti lze přejít k výpočtům kombinace denního a umělého osvětlení. Příklad výpočtu kombinace denního a umělého osvětlení je pro jeden konkrétní čas v roce. Po základním výpočtu osvětlovacích soustav (denní a umělé osvětlení) je možné v upravené verzi programu WILS přejít k výpočtu potenciálu regulace jednotlivých zadaných soustav umělého osvětlení. Regulace osvětlovacích soustav při vlastních výpočtech probíhá v krocích po 10 %, a to od 0 do 100 %.

Pro tento příklad byla zvolena lineární závislost mezi světelným tokem a příkonem. Při požadavcích na světelný tok jdoucí z osvětlovací soustavy menších než 10 % program tuto soustavu virtuálně odpojí. Pro výpočty úspor osvětlovacích soustav v praxi je vhodné použít maximálně čtyři nezávisle řízené řady svítidel. Při použití více regulovaných osvětlovacích soustav se samotný výpočet výrazně prodlužuje. V tab. 1 je uveden způsob míry regulace dvou osvětlovacích soustav, R1 a R2, při různých intenzitách osvětlení na venkovní nezastíněné rovině. Například při hodnotě horizontální osvětlenosti na venkovní nezastíněné rovině 20 klx bude první řada osvětlovací soustavy umělého osvětlení svítit na 70 % a druhá řada bude svítit na 60 %.

V tab. 2 jsou porovnány hodnoty, které byly vypočteny pomocí navrženého softwaru s naměřenými hodnotami. Hodnoty jsou v časovém rozmezí od 07:00 do 15:30 h a v intervalu od prosince do dubna 2013. Z této tabulky je patrné, že první sloupec patří celkové spotřebě umělé osvětlovací soustavy, což je 2,59 kW•h/pracovní doba. Druhý sloupec patří hodnotám popisovaného výpočtu pro rovnoměrně zataženou oblohu. V třetím sloupci jsou naměřené reálné hodnoty v průběhu od 1. 12. do 15. 4. 2013 pro veškeré počasí. V tabulce je jen část údajů pro ukázku.

Rozdíly mezi naměřenými příkony osvětlovací soustavy bez regulace a s regulací jsou zobrazeny v grafu na obr. 7. Jsou zde ukázány hodnoty spotřebované elektrické energie pro:

• osvětlovací soustavu, která nebyla regulována stmívána, konstantní hodnota osvětlení místnosti (modrá, tečkovaná),
• osvětlovací soustavu, která byla optimálně regulována – stmívána, hodnoty spotřebované energie jsou vypočítány pomocí navrženého softwaru (červená křivka),
• osvětlovací soustavu, která byla regulována
• stmívána na konstantní hodnotu osvětlení pomocí sběrnicového systému KNX (body jsou vyneseny zeleně).

Při použití čtyř svítidel bez regulace (provoz při celé pracovní době) byla spotřeba elektrické energie asi 2,6 kW·h za pracovní dobu (obr. 7). V případě regulace osvětlení na konstantní hodnotu se z naměřených výsledků projevil vliv polohy a výšky Slunce během dne v zimních měsících. Z naměřených hodnot je rovněž názorně vidět, že počasí bylo v jednotlivých dnech rozdílné, což má vliv i na celkovou spotřebu elektrické energie. Průměrné hodnoty vypočítané pomocí navrženého softwaru jsou 1,7 kW·h/den a celková spotřeba je 120,5 kW·h za 72 měřicích dnů výpočtů se srovnáním spotřeby naměřených reálných hodnot 1,74 kW·h/den a celkové spotřebě 123,4 kW·h za 72 měřicích dnů. Z výsledků lze tedy vyvodit, že výpočty kolektivu autorů článku jsou téměř shodné s reálnými naměřenými hodnotami.

Obr. 7. Spotřeba elektrické energie

Shrnutí

V článku byla představena studie návrhu vzdáleného komfortního ovládání osvětlení v inteligentní budově s ohledem na způsob provedení snížení spotřeby elektrické energie ovládáním osvětlení za použití sběrnicového systému KNX. K modelování možných úspor v osvětlovacích systémech byl navržen software pro určení potenciálních úspor v inteligentních budovách v kombinaci řízení umělého a denního osvětlení v místnosti na konstantní hodnotu. Navržený modelový software lze využívat při výpočtech spotřeby elektrické energie v budovách, při rekonstrukcích osvětlovacích soustav nebo při auditech budov. V uvedené oblasti byla navázána spolupráce mezi VŠB-TU Ostrava a firmou Trimr s. r. o. Ostrava.

Poděkování

Tento článek byl vypracován v rámci projektu Příležitost pro mladé výzkumníky, reg. č. CZ.1.07/2.3.00/30.0016, podpořeného Operačním programem Vzdělávání pro konkurenceschopnost a spolufinancovaného Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Dále byl tento článek podpořen z projektů SP2013/168 Metody sběru a přenosu dat v distribuovaných systémech a SP2013/88 Výzkum využití LED a OLED světelných zdrojů ve speciálních aplikacích.

Recenze: Ing. Josef Kunc, specialista na KNX

Literatura:

[1] PATTENDEN, S. at al.: SmartHouse Code of Practice. CENELEC, 2005, CWA 50487, Ref. No. CLC/TR 50487:2005 E.
[2] ZÁLEŠÁK, M.: Řízení systémů tvorby prostředí – součást integrovaných řídicích systémů budov (I). Portál TZB-info, 2007.
[3] ALIAKSEYEU, D. – MASON, J. – MEERBEEK, B. –ESSEN van, H. – OFFERMANS, S.: The Role of Ambient Intelligence in Future Lighting Systems. In: Ambient Intelligence. vol. 7040, D. V. Keyson, M. L. Maher, N. Streitz, A. Cheok, J. C. Augusto, R. Wichert, et al., Eds., ed, 2011, pp. 362–363.
[4] MEERBEEK, B. – ALIAKSEYEU, D. – MASON, J. – ESSEN van, H. – OFFERMANS, S.: The Role of Ambient Intelligence in Future Lighting Systems – Summary of the Workshop. In: Constructuring Ambient Intelligence, vol. 277, R. Wichert, K. VanLaerhoven, J. Gelissen, Eds., ed, 2012, pp. 25–28.
[5] PAN, Y. J. – LUO, W. J.: Utilizing optical technique to develop an intelligent bio-chip monitoring system. Optoelectronics and Advanced Materials-Rapid Communications, vol. 6, pp. 479–482, Mar–Apr 2012.
[6] BATORA, B. – TOMAN, P. – MACHACEK, J.: Modern Wiring System as Building Management System. 2010.
[7] DAUM, D. – MOREL, N.: Assessing the saving potential of blind controller via multi-objective optimization. Building Simulation, Sep 2009, vol. 2, pp. 175–185. [8] KAKU, F. – MIKI, M. – HIROYASU, T. – YOSHIMI, M. – TANAKA, S. – NISHIDA, T. et al.: Construction of Intelligent Lighting System Providing Desired Illuminance Distributions in Actual Office Environment. In: Artificial Intelligence and Soft Computing, Pt Ii., vol. 6114, L. Rutkowski, R. Scherer, R. Tadeusiewicz, L. A. Zadeh, J. M. Zurada, Eds., ed, 2010, pp. 451–460.
[9] KUO, T. C. – LIN, J. S. – TAKEUCHI, Y. – HUANG, Y. J.: Intelligent Daylight Panel Control System based on Fuzzy Control for Green Buildings. 2009.
[10] LIU, X. H. – UMINO, E. – MAKINO, H. and Ieee: Basic Study on Robot Control in an Intelligent Indoor Environment using Visible Light Communication. 2009.
[11] HASAJ, M. – KORDIK, P. – SNOREK, M.: The intelligent building equipped by the neural network controling the KNX devices helps increase energy efficiency. 2010.
[12] BYUN, J. – HONG, I. – KANG, B. – PARK, S. and Ieee: Implementation of an Adaptive Intelligent Home Energy Management System using a Wireless Ad-hoc and Sensor Network in Pervasive Environments. In: 2011 20th International Conference on Computer Communications and Networks, ed, 2011.
[13] CHIOGNA, M. – MAHDAVI, A. – ALBATICI, R. – FRATTARI, A.: Energy efficiency of alternative lighting control systems. Lighting Research & Technology, Dec 2012, vol. 44, pp. 397–415.
[14] MATTA, S. – MAHMUD, S. M. and Ieee: An Intelligent Light Control Systém for Power Saving. In: Iecon 2010 – 36th Annual Conference on Ieee Industrial Electronics Society, ed, 2010.
[15] MO, J. P. T. – EHSAN, S. A. – SEN, G.: Sustainable Lighting System Design for Retrofitting. In: Renewable and Sustainable Energy, Pts 1-7. vol. 347–353, W. Pan, J. X. Ren, and Y. G. Li, Eds., ed, 2012, pp. 3999–4002.
[16] WU, C. Z. – FENG, J. – PENG, L. L. – NI, Y. – LIANG, H. Y. – HE, L. H. et al.: Large-area graphene realizing ultrasensitive photothermal actuator with high transparency: new prototype robotic motions under infrared-light stimuli. Journal of Materials Chemistry, 2011, vol. 21, pp. 18584–18591.
[17] JARVINEN, H. – VUORIMAA, P. and Ieee: Anticipatory Lighting in Smart Building. 2012.
[18] CHALOUPKA, J. – NOUZA, J. – ZDANSKY, J. – CERVA, P. – SILOVSKY, J. – KROUL – M.: Voice Technology Applied for Building a Prototype Smart Room. Multimodal Signal: Cognitive and Algorithmic Issues, 2009, vol. 5398, pp. 104–111.
[19] VAŇUŠ, J.: The use of the adaptive noise cancellation for voice communication with the control system. 2011 International Journal of Computer Science and Applications, 8 (1), pp. 54–70, ISSN 0972-9038.
[20] BONINO, D. – CORNO, F. and RUSSIS De, L.: dWatch: a Personal Wrist Watch for Smart Environments. In: Ant 2012 and Mobiwis 2012. 2012, vol. 10, E. Shakshuki and M. Younas, Eds., ed, pp. 300–307.
[21] MERZ, H. – HANSEMANN, T. – HUBNER, C.: Building automation, Communication Systems with EIB/KNX, LON and BACnet. Springer – Verlag Berlin, 2009, ISBN 978-3-540-88828-4.
[22] http://www.loxone.com/Pages/cz/zdroje/dokumentace/EIBKNX/EIB-KNX.aspx [staženo 24. 5. 2013].
[23] RYBÁR, P. a kol.: Denní osvětlení a oslunění budov. ERA, 2001, ISBN 80-86517-33-0.
[24] DARULA, S. a kol.: Osvětlování světlovody. Grada Publishing, 2009, ISBN 978-80-247-2459-1.
[25] Software WDLS a WILS [26] ČSN 73 0580-1 Denní osvětlení budov.
[27] ČSN 73 0580-2 Denní osvětlení obytných budov.
[28] ČSN EN 12464-1 Světlo a osvětlení – Osvětlení pracovních prostorů – Část 1: Vnitřní pracovní prostory.
[29] ŠUMPICH, J. – SOKANSKÝ, K. – NOVÁK, T. – CARBOL, Z.:Potenciál úspor elektrické energie spotřebované soustavami sdruženého osvětlení s využitím denního světla. In: Electric power engineering. Brno, 2012, s.1165–1168, ISBN 978-80--214-4514-7.