Краткий обзор способов применения систем управления для энергосбережения в освещении

Андрей Иванович КИРИЧОК

Заместитель директора по развитию ООО «Светосервис ТМ»,

член Технического комитета по стандартизации ТК 332 «Светотехнические приборы, освещение искусственное», советник РАЕН

 

Необходимость энергосбережения остаётся актуальной темой в системах освещения. Совершенствование характеристик источников света, конструкции осветительных приборов и внедрение новых систем управления наружного, внутреннего и промышленного освещения даёт возможность снизить нагрузку на существующие распределительные сети и эффективно решать задачу энергосбережения. Комплексный подход в реализации различных способов экономии электроэнергии и тепловой энергии с помощью систем управления освещением и инженерной инфраструктурой может дать значительный экономический эффект как в уличном и дорожном освещении, так и в освещении малоэтажных и многоквартирных высотных жилых домов.

 

Что можно сделать для того, чтобы без ущерба для безопасности людей и создания комфортной обстановки для работы и отдыха, сократить потребление электроэнергии в электрическом освещении? По-другому задача энергосбережения в освещении может формулироваться так:  необходимо обеспечить требуемые параметры качества освещения при минимальном расходе энергетических ресурсов.

Рассмотрим основные технические способы по значительному снижению потребления электроэнергии системами освещения и эксплуатационных затрат на обслуживание осветительных установок:

1. Замена устаревших источников света и осветительных приборов на энергоэффективные.
2. Применением встроенных или внешних устройств/модулей и автоматических или автоматизированных систем управления освещением (АСУО).
3. Использование различных способов регулирования параметров освещения в зависимости от внешних условий.
4. Применение комплексного подхода и моделирования при проектировании объектов строительства с учётом:

— расходов электрической и тепловой энергии;

-расположения объекта относительно сторон света;

— интенсивности естественного освещения в различные суточные и сезонные периоды;

— характеристик светопропускания и теплоизоляционных качеств окон;

— теплоизоляционных качеств фасадов и крыш.

 

Рассмотрим  основные способы энергосбережения с помощью программно-технических средств АСУО и регулирования, которые в большинстве случаев применимы как для утилитарного (функционального) наружного освещения, так и для освещения дорог, тоннелей, жилых комплексов (ЖК) и многоквартирых домов (МКД).

 

В простейшем варианте энергосбережение  обеспечивается своевременных включением/отключением освещения по заданному графику, как правило, с учётом географического положения объекта. Также распространённым способом является применение различных датчиков – освещённости, движения и др. Часто оба этих способа комбинируются для повышения качества, эффективности и надёжности освещения и управления освещением. Эти решения работают автоматически, без участия человека.

 

Более современные способы реализуются средствами АСУО для наружного, для внутреннего и промышленного освещения. Потенциал применения АСУО для энергосбережения, например, на автомобильных дорогах [1] заключается в том, что:

• устраняются повышенный расход электроэнергии при нестабильности питающего напряжения и «пересвет», неравномерность или низкий уровень освещённости) улиц, тоннелей, дорог и магистралей;
• сохраняются и поддерживаются нормативные уровни освещенности и яркости в тёмное время, когда поток автомобилей и пешеходов значительно снижается;
• снижаются расходы на эксплуатацию;
• уменьшается время на локализацию и устранение аварий в системе освещения и АСУО.

 

Использование регулирования позволяет экономить электроэнергию, снижает эксплуатационные расходы и увеличивает срок службы распределительных сетей освещения и элементов светильников – источников света, ламп, источников питания (драйверов), элементов управления и других составляющих конструкции прибора. Существует два основных способа регулирования напряжения (диммирования): групповое и индивидуальное (раздельное) [2].

Групповое регулирование предусматривает снижение напряжение на всей отходящей линии, а раздельное (индивидуальное) – регулирование напряжения на каждом конкретном светильнике.

Оба способа имеют право на жизнь при условии качественного технико-экономического обоснования на этапе проектирования конкретного объекта. Подробно достоинства и недостатки обоих способов регулирования и требования к ним рассмотрены в ГОСТ Р 58463 [2].

Исторически групповое регулирование осуществлялось для газоразрядных светильников с использованием регуляторов напряжения, которые представляют собой устройства, изготовленные без использования легко изнашивающихся движущихся частей (ползунков, реостатов и т. д.).  Конструктивно регуляторы представляют собой шкафы (рисунок 1), которые могут быть как уличного, так и внутреннего исполнения. Регулятор напряжения – это устройство для стабилизации и регулирования электрического напряжения в задаваемых границах, предназначенный для контроля и оптимизации расхода энергии, питающей осветительные системы путем снижения напряжения на основе программируемых циклов в объёме и во времени, например, в соответствии с рассчитанной интенсивностью движения или в соответствии с внешними контрольными сигналами (по датчикам).

Преимущества использования групповых регуляторов, подтверждённые многолетней практикой:

— экономия электроэнергии (от 25%  до 50%);

— стабилизация параметров питающего напряжения (с возможность повышения входного питающего напряжения для обеспечения горения ламп);

— защита от импульсных помех в питающей сети;

— «мягкий» пуск;

— плавное регулирование («диммирование»);

— увеличение срока службы светильников;

— высокая точность контроля расхода  электроэнергии;

— высокий уровень местного и дистанционного контроля и управления;

— возможность работы на существующих сетях освещения (оборудование устанавливается в пунктах питания).

Недостатками таких регуляторов были относительно высокая стоимость группового шкафа-регулятора и трудности при выборе места наружной установки, особенно в исторической части городов и в стесненных условиях.

 

Сегодня во всём мире основное внимание уделяется созданию устройств индивидуального регулирования, которые могут устанавливаться как вместе с традиционными источниками питания (источниками напряжения или тока), так и вместо них. Такие устройства конструктивно устанавливаются снаружи или в корпусе светильника и не требуют дополнительного обслуживания. Для установки устройств/модулей управления на корпусе светильника в большинстве случаев используют специальные разъёмы стандартов NEMA (рисунок 2) и Zhaga (рисунок 3).

Такие конструктивные элементы обеспечивает электрические и механические соединения между устройствами/модулями управления и осветительными приборами. Розетки NEMA (стандарт США) часто используются в наружном, особенно в утилитарном освещении. Розетки Zhaga выпускаются консорциумом Zhaga (стандарт разработан в Европе).

Для экономии электроэнергии и продления сроков службы осветительных установок применяются различные типы устройств/модулей управления:

— без регулирования (только включение/отключение питания);

— программируемые, без связи с диспетчерским пунктом (ДП) системы АСУО;

— программируемые перед установкой, без связи с ДП с переключением режимов  включения/отключения;

— программируемые перед установкой, без связи с ДП с регулированием (например, диммированием);

— программируемые, со связью с ДП.

Достоинства таких модулей для энергосбережения:

1. Полное адресное управление режимами: включение/отключение, изменение мощности светильника (диммирование) на требуемую величину индивидуально, группой и/или для целой линии освещения.
2. Возможность диагностики состояния светильника и прогнозирование времени отказа.
3. Малое энергопотребление модулей.
4. Диммирование по суточному циклу и «поправочное» диммирование по результатам мониторинга качества освещения в жизненном цикле светильника.

 

Использование групповых регуляторов, как показал практический опыт, наиболее эффективно на транспортных развязках и в тоннелях. При этом в пороговой и переходной зонах с помощью регуляторов устанавливается такая адаптивная яркость, которая зависит от атмосферного освещения в подъездной зоне тоннеля. Такой способ позволяет не только экономить электроэнергию, но и создавать безопасные, комфортные для зрения водителей условия освещения дорожного покрытия. Но на текущем этапе развития систем освещения этот способ реализуется современными средствами, когда доминируют светодиодные технологии и индивидуальное регулирование.

Адаптивное освещение (англ. adaptive lighting) по  стандарту IEC 60050-845:2020, 845-29-027 [3] – это освещение, реагирующее на обстоятельства или в соответствии с предопределенными условиями, при сохранении качества освещения в пределах заданных требований для этих обстоятельств или условий. В Примечании 1 сказано, что указанные в определении требования могут быть сосредоточены на различных аспектах, таких как энергоэффективность, динамические потребности пользователя, визуальная задача или окружающая среда. Кроме того, в Примечании 2 к этому стандарту обращается внимание на тот факт, что термин «интеллектуальное освещение»(«intelligent lighting») иногда используется в аналогичном значении «адаптивное освещение».

Рисунок 1. Групповой регулятор-стабилизатор напряжения для сети освещения.

а)

б)

в)

г)

 

Рисунок 2. Модуль управления светильником для размещения в корпусе с разъёмом NEMA (ANSI C136.41)

а – модуль управления; б – корпус («стакан») для размещения модуля управления; в – розетка разъёма NEMA-7, устанавливаемая на корпусе светильника; пример размещения «стакана» с модулем управления на корпусе светильника.

Рисунок 3. Пример двух конструктивов корпусов для размещения модуля управления светильником для размещения в с разъёмом Zhaga (ZhagaBook 18).

 

Для решения задач энергосбережения требуется понимать, какие источники потребления есть в осветительных установках, какова структура потребления на различных уровнях систем освещения, включая АСУО. Разумеется, основными потребителями будут источники света и их источники питания. Но в части АСУО для упрощения понимания можно выделить отдельные функциональные элементы, Они могут конструктивно входить как в состав одного устройства (моноблочное исполнение), так и составлять модульную структуру. На практике приходиться учитывать, что в светильниках питание модулей управления может быть и от собственного источника вторичного питания, и от источника питания источника света, имеющего соответствующие выводы, и рассчитанного на эту нагрузку.

Развитие способов индивидуального управления, технологий искусственного интеллекта и связи привело к появлению дополнительных элементов в конструкции современных светильников. На рисунке 4 показана структура перспективного облика интеллектуальных осветительных приборов ближайшего будущего. В составе светильника появится модуль искусственного интеллекта.

Развитие городских районов и крупных городов, часто не соответствует территориальному планированию, городским параметрам для достижения энергоэффективности, городской инфраструктуре и другим важным элементам сохранения качества жизни граждан и окружающей среды. Ожидается, что спрос на энергию в жилом, коммерческом и государственном секторах увеличится в период с 2020 по 2050 год. Поэтому в стратегиях устойчивого развития стран, регионов и городов особое внимание будет уделяться потреблению энергии в зданиях. Широкие возможности в плане внедрения энергосберегающих технологий представляют решения по автоматизации управления освещением и другими элементами коммунальной инфраструктуры в ЖК и МКД. На рисунке 5 показан возможный состав средств управления освещением жилого комплекса, в том числе средства беспроводного радио-  и голосового управления, а также технические средства управления цветовой температурой через мобильные приложения.

В настоящее время в рамках плана работ Технического комитета Росстандарта ТК 194 «Кибер-физические системы» разработан проект ГОСТ Р «Автоматизированные системы управления зданием. Требования к системам управления освещением». Этот стандарт будет распространяться на АСУО общественных зданий с высокой посещаемостью, таких как здания образовательных организаций, торговые центры, включая высотные здания, таких как здания образовательных организаций, торговые центры, производственные и административные здания и др., а также сооружения и открытые пространства с установленными требованиями к автоматизации управления освещением. Он будет устанавливать требования к структуре, принципам организации и рекомендуемому функционалу систем управления различными видами освещения и элементов систем управления освещением.

АСУО должна быть реализована как комплексная АСУ и призвана обеспечивать устойчивость систем искусственного освещения, создавать безопасную и комфортную световую среду для работы и проживания людей, повышать эффективность использования энергетических ресурсов объекта, интегрировать управление освещением в общие процессы автоматического и автоматизированного управления зданием, сооружением и прилегающей территорией с объектами, которые должны быть оснащены средствами АСУО.

В состав комплексной АСУО могут входить АСУНО (АСУ наружным освещением) и АСУВО (АСУ внутренним освещением)  в качестве основных подсистем в комбинации с подсистемами электроснабжения, связи и др. в соответствии с нормативно-правовыми требованиями к этим подсистемам.

Рисунок 4. Пример нового подхода к составу элементов интеллектуального  светильника

Рисунок 5. Состав способов и средств управления освещением жилого комплекса

(источник: материалы Конференции ISA (International SSL Alliance) 03 ноября 2022 г.)

 

Для понимания, какие виды освещения будут подходить под требования разрабатываемого нормативно-технического документа, на рисунке 6 представлена структура возможного  состава систем освещения жилого комплекса. Эта схема подготовлена с учётом действующих стандартов и сводов правил на приведённые на рисунке виды освещения. Соответственно, при проектировании ЖК и МКД потребуется разрабатывать разделы по энергосбережению с учётом особенностей конкретного объекта и необходимостью применения разнородных систем управления, в некоторых случаях, не допускающих интеграцию с АСУО.

 

Получило развитие направление энергосбережения, в котором реализуется снижение потребления тепловой энергии и электрической энергии для искусственного освещения, когда учитываются такие параметры, как форм-фактор и ориентация здания, технические характеристики освещения и окон, пространственное планирование и урбанизацию и т.д. (например, близость и этажность соседних зданий). В результате комплексного подхода, когда проекты в не будут фокусироваться только на отдельных зданиях, а проблемы энергосбережения станут рассматриваться более широко, принимая во внимание, по крайней мере, непосредственное окружение, т.е. «связь» анализируемого здания с его окружением.

Чтобы снизить потребление конечной (электрической) энергии для нужд искусственного освещения в указанных секторах (при сохранении комфортных условий), используются технологии, компенсирующие эффекты от затенения зданий, которые основаны на регулировании освещенности дневным светом. Система управления освещением основана в таких случаях рассчитывает дневную освещенность, чтобы определить, насколько можно диммировать электрическое освещение. Уменьшение уровня электрического освещения зависит от уровня освещенности дневным светом, положения уставки освещенности в контролируемом здании.

Недостаточная освещенность дневным светом может компенсироваться с помощью искусственного освещения и АСУО, т.е. за счет дополнительного расхода электроэнергии. С другой стороны, затраты электроэнергии на искусственное освещение  и АСУО могут быть уменьшены, если ориентация анализируемого здания (в данном случае спортивного зала) будет учтена на этапе проектирования с учетом физики его здания. Кроме того, требуется учитывать тот факт, что уровень освещенности дневным светом уменьшается с увеличением количества слоев стекла в оконной конструкции.

Такие  системы целесообразно применять только в том случае, если учитывается территориальное планирование, т.е. если принимается во внимание плотность застройки на соседних участках, количество зданий, их взаимное расположение, расстояния между ними и этажность.

ВЫВОДЫ

 

Для достижения значимых результатов в энергосбережении в системах освещения необходимо:

— проведение энергоаудита для оптимизации расходов на внедрение энергоэффективного оборудования;

— охват пунктов питания и отдельных светильников программно-техническими средствами адаптивных/интеллектуальных систем АСУО, включая системы «Умный город», «Умная дорога», «Умное производство» и «Умный МКД»;

— комплексный подход при внедрении энергоэффективного оборудования и реализации энергосервисных контрактов и концессий;

— внедрение современных систем АСКУЭ;

— унификация оборудования и программного обеспечения систем АСУО;

— аналитика информации об авариях и неисправностях в системах освещения, в том числе, о параметрах потребляемой электроэнергии, с использованием искусственного интеллекта;

— строгий контроль за качеством потребляемой электроэнергии;

— совершенствование существующих, разработка и внедрение новых энергосберегающих технологий;

— глубокая проработка вопросов энергоэффективности и энергосбережения на этапе проектирования освещения и систем управления различными видами освещения с учётом их специфики.

Автор выражает надежду, что материал этой статьи будет полезен в формировании комплексного подхода к обеспечению энергосбережения в системах освещения различного масштаба на объектах жилищного, дорожного и промышленного строительства.

Рисунок 6. Состав освещения жилого комплекса

Список литературы

 

1. ГОСТ Р 58462-2019. Национальный стандарт Российской Федерации. Автоматизированные системы управления освещением автомобильных дорог и тоннелей. Общие требования
2. ГОСТ Р 58463-2019. Национальный стандарт Российской Федерации. Автоматизированные системы управления освещением автомобильных дорог и тоннелей. Требования к регулированию освещения
3. https://www.electropedia.org/iev/iev.nsf/display?openform&ievref=845-29-027

СПРАВКА

Общество с ограниченной ответственностью «Светосервис ТелеМеханика» (ООО «Светосервис ТМ») разрабатывает, производит и эксплуатирует системы управления уличным, дорожным и архитектурным освещением (АСУО), программное обеспечение и оборудование для них. Входит в состав Международной светотехнической корпорации «БООС ЛАЙТИНГ ГРУПП». В группе компаний «Светосервис» с 2005 г. ведет активную разработку и внедрение автоматизированных систем управления наружным и архитектурным освещением, разрабатывает и выпускает изделия для систем управления наружным и архитектурным освещением городов, магистралей, элементов обустройства дорог на собственных производственных мощностях.

http://www.svs-tm.ru

 

Андрей Иванович Киричок   ООО «Светосервис ТМ», заместитель директора по развитию, тел.: +7(909) 161-35-03, e-mail: kirichok@svs-tm.ru,

129626, г. Москва, 1-й Рижский пер., д. 6 стр. 2, этаж 11, помещ. 5.