Если не учитывать потребление энергии климатическими установками и датчики присутствия, то экономия энергии, расходуемой за 12 месяцев на освещение выходящего на север помещения, может составить примерно 41 %. В соответствии с изменением погодных условий меняются как качественные электрические параметры, такие как полный коэффициент гармонических искажений тока и коэффициент мощности, так и количество выбрасываемых в атмосферу парниковых газов. Результаты проводившихся на протяжении 24-х месяцев исследований позволяют лучше понять достоинства и недостатки систем совмещённого освещения с точки зрения энергетики и проблемы глобального потепления.

Быстрое уменьшение энергетических ресурсов и непрерывное увеличение количества выбрасываемых в атмосферу парниковых газов делают экономию расходуемой на внутреннее освещение энергии чрезвычайно важной для всех стран. Международные и национальные организации стараются придать рекомендациям по экономии расходуемой на освещение энергии статус законов. Международное энергетическое агентство (МЭА) и Международная комиссия по освещению (МКО) сотрудничают в этом деле с Организацией объединённых наций, Евросоюзом и Организацией экономического сотрудничества и развития. Основной целью прилагаемых ими усилий является обеспечение энергетической эффективности и предотвращение разбазаривания энергии [1]. В соответствии с этими международными тенденциями, данная статья посвящена одному из подходов к энергосбережению – управляемому совмещённому освещению (DRLC).

Международные и национальные статистические данные об энергопотреблении говорят о важности вопроса экономии расходуемой на освещение энергии. По данным компании Turkish Electricity Generation Inc. (TEDAS), в 2008-ом г. полное количество потребляемой в Турции энергии составило 198,2 ТВт∙ч, из которых 14 % приходится на рабочие помещения [2]. Считается, что 15-20 % этой энергии расходуется на искусственное освещение. Легко подсчитать, что энергия, израсходованная в Турции всего за один год на освещение рабочих помещений, составляет 5,6 ТВт∙ч. Если обратиться к опубликованному Научно-исследовательским институтом по строительству Справочнику по энергопотреблению [3] и отчётам Аккредитованного института инженеров по обслуживанию зданий (CIBSE) [4], то можно увидеть, что в мировом масштабе 20-40 % потребляемой зданиями энергии непосредственно связано с системами искусственного освещения.  В США на правительственные здания приходится более чем 1/3 потребляемой электроэнергии, причём 25-40 % этой энергии расходуется на искусственное освещение [5]. Статистические данные о Канаде показывают, что 10 % потребляемой учреждениями электроэнергии непосредственно связано с осветительными установками [6]. В Евросоюзе не связанное с жилым фондом ежегодное потребление расходуемой на освещение энергии составляет 160 ТВт∙ч, причём 40 % этой энергии расходуется на искусственное освещение зданий [7].

Как видно из статистических данных, на освещение приходится значительная часть мирового энергопотребления. Соответственно, с каждым днём возрастает важность экономии энергии, расходуемой на внутреннее освещение. Использование дневного света в качестве основного источника энергии и света представляет собой новейший подход к экономии энергии и является одним из важнейших на данный момент вопросов. В соответствии с этим был реализован проект «Определение потенциальных возможностей экономии энергии, расходуемой на внутреннее освещение в районе г. Сакарьи», который финансировался Строительным факультетом Университета г. Сакарьи (с 2005 г.) и Комиссией по научно-исследовательским проектам (с 2007 г.). Использовавшиеся в рамках этого исследования энергетические и климатические данные были собраны при помощи системы DRLC, которая была скомпонована для получения подробной информации о реальных потенциальных возможностях энергосбережения в лабораторном здании университета в период между 2008 и 2010 гг. Помимо обеспечиваемых использованием дневного света потенциальным возможностям экономии расходуемой на освещение энергии, исследовалось и влияние на энергопотребление погодных и климатических условий.

В этой работе приводятся энергетические, светотехнические и климатические данные, собранные за период между июлем 2008 г. и августом 2010 г.

Описание помещения и эксперимента

     Компоновка помещения

Помещение, предназначенное для проведения исследований, было предоставлено Строительным факультетом Университета г. Сакарьи. Оно располагалось на первом этаже трёхэтажного здания М-4 факультета. Точные координаты этого помещения – 40º 74´ северной широты и 30º 33´ восточной долготы. Площадь помещения была равна 36 м², и в нём имелось одно ориентированное на северо-запад окно. Так как в помещении возможна блёскость, связанная с проникновением дневного света, то на период проведения исследований окно было снабжено кремовой светонепроницаемой роликовой шторой. Фактически, благодаря наличию внешних преград, в том числе деревьев, в окно попадало не 100 % возможного прямого солнечного света. Так что беспокоящая блёскость в рабочем пространстве отсутствовала.  Фактически, хотя пользователи и могли регулировать высоту роликовой шторы по своему выбору, за все 2 года они ни разу не воспользовались этой возможностью. Выходящее на северо-запад окно  имело размеры 2,45 х 1,75 м и общую площадь 4,29 м². Согласно отчёту МЭА, эффективная площадь окна составляла 3,52 м², а его эффективная высота была равна 1 м [1].

ZONE 3: DAYLIGHT – «Зона 3: естественное освещение», ZONE 2: MIXED –  «Зона 2: совмещённое освещение»,  ZONE 1: ARTIFICIAL –  «Зона 1: искусственное освещение»,  WorkingTable –  «Рабочий стол», Blackboard –  «Классная доска», HorizontalLightSensor –  «Датчик горизонтальной освещённости», VerticalLightSensor – «Датчик вертикальной освещённости», ControlUnitLightSensor – «Датчик освещённости управляющего устройства», SITECOLuminaire – «Светильник SITECO», ControlUnitandDataRecordEquipment – «Управляющее и регистрирующее оборудование»

 

Потолок помещения был белым, стены – кремовыми, а пол – светло-коричневым (измеренные значения коэффициентов отражения были равны, соответственно, ρ_c = 0,86; ρ_w = 0,73 и ρ_f= 0,4). Высота потолка помещения была равна 2,85 м. Система искусственного освещения помещения была встроена в подвесной потолок, причём перед началом экспериментов она была заменена на новую. Новая система состояла из 8-ми специальных светильников с двойными зеркальными параболическими отражателями и экранирующими решётками, в каждом из которых помещалось две идентичные люминесцентные лампы мощностью 58 Вт. Эти люминесцентные лампы имели равную 4000 К коррелированную цветовую температуру и равный 5200 лм световой поток.  Светильники располагались тремя перпендикулярными окну рядами в соответствии с имеющейся конструкцией потолка и индивидуально подсоединялись в регулируемым электронным пускорегулирующим аппаратам (система DALI), управлявшимся при помощи автоматизированной системы управления освещением DALI Basic RC компании Osram (рис. 1). Обмен данными между автоматизированной системой управления и подсоединёнными к ней устройствами осуществлялся с фиксированной скоростью 1200 бод по двухпроводной дифференциальной шине при помощи асинхронного протокола полудуплексной последовательной передачи данных. Поэтому работающая в цифровом режиме автоматизированная система исключала возможность обусловленной бросками напряжения подачи ложных команд.

Вышеупомянутая автоматизированная система обеспечивала равный 1250 лк максимальный уровень горизонтальной освещённости рабочего участка без учёта дневного света и работала всю неделю ежедневно с 8.30 до 18.30, осуществляя управление освещением в соответствии с наличием дневного света. Как можно заметить, максимальная освещённость превышала минимальный уровень освещённости, предусмотренный нормами CIBSE и рекомендациями МЭА для лабораторий [1, 8, 9]. Датчики освещённости управляющего устройства измеряли уровни освещённости на рабочих участках и одновременно сообщали о том, что автоматизированная система управления освещением обеспечивает 1250 лк в любое время дня.

Несколько предыдущих исследований показали, что работающие в помещениях люди предпочитают на рабочих участках обеспечивающие зрительный комфорт высокие уровни освещённости [10-14]. В [15] было показано, что люди, работающие при меньшей, чем 1000 лк, вертикальной освещённости значительно сильнее устают и хуже спят, чем те, кто работает при превышающей 1000 лк вертикальной освещённости. В рассматриваемом помещении расчётный уровень вертикальной освещённости был равен 1072 лк. Это помещение всегда занято в будние дни по меньшей мере с 8.30 до 18.30, и в разное время года использовалось и днём (дневное образование), и вечером (вечернее образование) как комната для лабораторных занятий, в которой проводятся эксперименты при сетевом напряжении, и как предназначенное для проведения описываемых исследований помещение. В этих условиях требуются повышенное внимание и хорошие условия для зрительной работы. Возможность поражения электрическим током при проведении экспериментов при питании от сетевого напряжения требует отнести условия освещения в помещении к категории «задачи с особыми требованиями к условиям зрительной работы». Это разделение на категории приведено в рекомендациях Международной организации труда (МОТ) по уровням горизонтальной освещённости, зависящим от выполняемых работ и требований техники безопасности. В рассматриваемых условиях МОТ рекомендует поддерживать равный 1000 – 2000 лк уровень освещённости, так что равная 1250 лк освещённость попадает в рамки указанного МОТ диапазона [16]. Пользователи помещения также предпочли более высокий уровень освещённости во время индивидуальных экспериментов, так что на весь период проведения исследований уровень освещённости поддерживался постоянным и равным 1250 лк. Исследования последних лет подтвердили решение поддерживать высокие, такие как 1300 лк, уровни освещённости в опасных условиях, особенно при рассеянном внимании [17]. Суммируя вышесказанное, отметим, что в помещении для проведения исследований вертикальная освещённость превышала 1000 лк, а горизонтальная освещённость поддерживалась на уровне 1250 лк, что удовлетворяло связанным со здоровьем и безопасностью людей требованиям.

Светильники были объединены в три группы (из 2-х, 3-х и 3-х светильников), каждой из которых соответствовали своя освещаемая зона и свой датчик освещённости, который измерял реальное значение освещённости и сообщал его управляющему устройству. Автоматизированная система управления освещением могла изменять световой поток каждого из светильников в пределах от 0 до 10400 лм в соответствии с потребностями соответствующей освещаемой зоны. При равном 0 номинальном значении светового потока светильники не выключались, а продолжали работать с минимальным потреблением энергии. Это особенность интерфейса системы автоматизированного управления, благодаря которой лампы не подвергаются многочисленным включениям и выключениям, что благоприятно сказывается на их сроках службы. Подобная организация управления освещением делит помещение на зоны и позволяет поддерживать одинаковый уровень освещённости на различных рабочих участках помещения.

Порядок проведения эксперимента

Эксперимент состоял из трёх этапов. Первый этап – это контрольный период продолжительностью один месяц. Предоставляемые при этом автоматизированной системой данные 

соответствуют эксплуатации искусственного освещения в 100%-ом режиме и использовались для расчёта экономии энергии при использовании системы управления совмещённым освещением. На последующем втором этапе автоматизированная система работала независимо в течение 12 месяцев, поддерживая равную 1250 лк освещённость на рабочих поверхностях всех зон в течение 10 ч каждый день рабочей недели. На следующем третьем этапе, который занял ещё 12 месяцев, проводились исследования, целью которых были проверка полученных в течение первых 12-ти месяцев результатов. Данные, полученные в первые 12 месяцев, анализируются в следующих разделах данной работы.

Автоматизированная система включала в себя четыре независимых калиброванных датчика освещённости, расположение которых показано на рис. 1. Эти датчики измеряли уровни освещённости в разных зонах и на разных рабочих участках каждые 10 мин, и результаты этих измерений регистрировались устройством сбора данных (Daqpro 5300). Датчики освещённости, выбранные в соответствии с требованиями, предъявляемыми к ним со стороны устройства сбора данных, выдавали сигналы величиной до 10 В. Электрические параметры, такие как напряжение, ток, активная и реактивная мощности и полный коэффициент гармонических искажений, измерялись и регистрировались каждые 10 мин анализатором электроэнергии (Janitza UMG 503). Кроме того, при помощи регистрирующего температуру прибора (Dickson SP-25) с 5-минутным интервалом производились измерения температуры. Измерение температуры позволяло регистрировать повышение температуры в помещении под воздействием дневного света, что, в свою очередь, позволяло определить количество энергии, расходуемой на охлаждение помещения до требуемой температуры , и тем самым рассчитать реальное потребление энергии.

Полное количество энергии, потребляемой системой за 10-часовой рабочий день, оказалось равным 10300 Вт∙ч при обеспечении равной 1250 лк горизонтальной освещённости на рабочих местах. Упоминавшиеся ранее управляемые вручную роликовые шторы использовались для предотвращения попадания в помещение дневного или солнечного света в рабочие часы тех дней, в которые проводились эксперименты. В эти дни максимальное (от наименьшего до наибольшего) расчётное изменение температуры в помещении составило 0,5 ^оС. В дальнейшем светонепроницаемая роликовая штора использовалась только в тех случаях, когда пользователи помещения ощущали во время проведения экспериментов дискомфорт по причине появления на их рабочих местах источников блёскости или при наличии прямого солнечного света. После сбора необходимых данных, в августе 2008 г. был начат основной эксперимент.

Преимущества DRLC

     Энергосбережение

На основе данных, собранных анализатором, можно определить энергетическую эффективность использования системы совмещённого освещения. На рис. 2 приведена выраженная в процентах экономия, тогда как в табл. 1 представлены данные об энергосбережении для 345-ти не отягощённых проблемами дней. Как видно на рис. 2, средняя за 12 месяцев экономия энергии составила 40,78 %.

Месячные экономия и потребление энергии

Месяц	Среднее потребление, %	Средняя экономия, %	Общее количество дней, в которые проводились измерения, шт.
Август 08	45,53	54,47	31
Сентябрь 08	60,17	39,83	30
Октябрь 08	67,65	32,35	31
Ноябрь 08	74,95	25,05	30
Декабрь 08	77,45	22,55	30
Январь 09	71,40	28,60	24
Февраль 09	74,18	25,82	24
Март 09	58,54	41,46	27
Апрель 09	56,27	43,73	27
Май 09	51,27	48,73	31
Июнь 09	38,77	61,23	30
Июль 09	39,93	60,07	30
		Всего:	345
Август 09	44,98	55,02	30
Сентябрь 09	60,02	39,98	30
Октябрь 09	66,96	33,04	31
Ноябрь 09	75,22	24,78	30
Декабрь 09	77,45	22,55	31
Январь 10	70,68	29,32	28
Февраль 10	76,59	23,41	26
Март 10	56,99	43,01	28
Апрель 10	55,73	44,27	28
Май 10	50,81	49,19	30
Июнь 10	38,94	61,06	30
Июль 10	39,59	60.41	27
		Всего:	349

 

Таблица 2

Экономия энергии в ясные дни

Месяц	Количество ясных дней, шт.	Экономия энергии в ясные дни, %	Экономия энергии в ясные дни, кВт∙ч
Август 08	29	54,87	163,90
Сентябрь 08	11	51,9	58,80
Октябрь 08	8	42,72	35,20
Ноябрь 08	10	29,51	30,40
Декабрь 08	7	31,21	22,50
Январь 09	3	46,6	14,40
Февраль 09	2	37,86	7,80
Март 09	5	44,08	22,70
Апрель 09	14	46,53	67,10
Май 09	22	51,02	115,61
Июнь 09	27	61,99	172,39
Июль 09	22	63,46	143,80
Всего	160	51,86	854,60

 

Таблица 3

Экономия энергии в дни с переменной облачностью

Месяц	Количество дней с переменной облачностью, шт.	Экономия энергии в дни с переменной облачностью, %	Экономия энергии в дни с переменной облачностью, кВт∙ч
Август 08	2	48,54	10,00
Сентябрь 08	12	40,21	49,70
Октябрь 08	13	37,94	50,80
Ноябрь 08	13	25,62	34,31
Декабрь 08	5	12,82	6,60
Январь 09	8	35,68	29,40
Февраль 09	2	41,75	8,60
Март 09	5	45,44	23,40
Апрель 09	6	45,79	28,30
Май 09	2	49,51	10,20
Июнь 09	3	54,37	16,80
Июль 09	5	59,22	30,50
Всего	76	38,15	298,61

 

 

Таблица 4

Экономия энергии в пасмурные дни

Месяц	Количество пасмурных дней, шт.	Экономия энергии в пасмурные дни, %	Экономия энергии в пасмурные дни, кВт∙ч
Август 08	0	0,00	0,00
Сентябрь 08	7	20,25	14,60
Октябрь 08	10	22,82	23,50
Ноябрь 08	7	17,61	12,70
Декабрь 08	18	17,75	32,91
Январь 09	13	20,09	26,90
Февраль 09	20	30,44	62,71
Март 09	17	39,52	69,20
Апрель 09	7	36,34	26,20
Май 09	7	41,33	29,80
Июнь 09	0	0,00	0,00
Июль 09	3	48,54	15,00
Всего	109	27,92	313,52

 

 

Для проверки и подтверждения данных об энергосбережении, полученных в результате продолжавшихся один год исследований, они были продолжены и в следующий 12-месячный период. За вычетом, как и в случае первоначального периода, выпавших и проблематичных дней, при проведении расчётов энергосбережения за второй (контрольный) год учитывались 349 дней. Средняя за 12 месяцев контрольного года (август 2009 г. – июль 2010 г.) экономия энергии составила 40,96 %. Этот результат отражает реальные потенциальные возможности систем DRLC при их долговременном использовании даже при таком высоком уровне освещённости, как 1250 лк.

В табл. 2, 3 и 4 приведены погодные условия в Сакарье в период проведения исследований. Дни делятся на ясные, с переменной облачностью и пасмурные в соответствии с данными Турецкого национального метеорологического института. Эта классификация произведена институтом на основе продолжительности наличия солнечного света в регионе. Согласно приведённым в табл. 2 данным, в период с мая по август погода была очень ясной. В этот период экономия расходуемой на освещение энергии составляла от 50 до 61 %. Однако в начале сентября и осенью погода стала частично или полностью облачной, и экономия энергии уменьшилась (табл. 3 и 4), что подтверждается и другими проведёнными в Турции исследованиями [18]. Наибольшая, средняя и наименьшая экономия энергии имели место в июне 2009 г., марте 2009 г. и декабре 2008 г. соответственно.

Уровни освещённости

Освещённость в помещении измерялась четырьмя датчиками, независимыми от автоматизированной системы управления освещением. Два из них измеряли горизонтальную освещённость в Зонах 1 и 2, а остальные два датчика измеряли вертикальную освещённость на уровне линии зрения в Зонах 1 и 3. Каждая из зон соответствовала своему рабочему участку. Для выявления неравномерности распределения освещённости, которую нельзя было измерить с помощью этих датчиков, периодически использовался переносный люксметр. Полученные результаты говорят о хорошей равномерности освещения помещения, которая была обеспечена благодаря разделению его на три зоны. На рис. 3-5 представлены средние значения горизонтальной освещённости двух рабочих участков Зон 1 и 2. Эти данные были получены при помощи измерявших горизонтальную освещённость датчиков 1 и 3. Средние значения освещённости не сильно отличались от желательных даже при выключении управляющим устройством системы искусственного освещения.

Выброс СО₂

При помощи коэффициента выброса, определяющего приходящееся на единицу вырабатываемой электроэнергии количество выбрасываемых в атмосферу парниковых газов, можно рассчитать выброс СО₂. Согласно занимающейся статистическими исследованиями в области энергетики международной организации SEE-Stats, в случае Турции этот коэффициент равен 0,65 тонн СО₂/МВт∙ч [19]. Так что, используя статистические данные TEDAS и SEE-Stats, можно при помощи приведённой ниже формулы рассчитать приходящегося на внутреннее освещение выброса СО₂:

Годовой выброс СО₂ = (Годовое потребление энергии) ∙ (Коэффициент выброса).         (1)

Применительно к Турции получаем: (5,6∙10⁶  МВт∙ч) ∙ (0,65 тонн СО₂/МВт∙ч), то есть примерно 3640 Мт. Такой выброс СО₂ неблагоприятно сказывается на глобальном потеплении климата и может вызвать серьёзные проблемы со здоровьем населения.

К концу исследований было сэкономлено 1449209 Вт∙ч расходуемой на освещение энергии. Общее количество предотвращённого выброса СО₂ составило при этом (1,45 МВт∙ч x х 0,65 т/МВт∙ч) = 942,5 кг. А если учесть, что такое уменьшение выброса СО₂ было достигнуто применительно к освещаемому 8-ю светильниками помещению площадью всего 36 м², то распространение использовавшейся системы на весь университет приведёт к многократному возрастанию этого уменьшения.

Недостатки DRLC

     Расход энергии на охлаждение

На предварительном этапе (июль 2008 г.) были измерены максимальные значения изменения температуры в помещении, в которое не попадал ни дневной, ни солнечный свет. Несмотря на жаркую погоду и высокую температуру наружного воздуха, за период между 8.30 и 18.30 температура в помещении возрастала максимум на 0,5 ^оС. В период проведения исследований средняя температура в помещении превышала 25 ^оС только на протяжении 24-х недель. Наибольшее и наименьшее изменения температуры в помещении были зарегистрированы на 48-ой (2,4 ^оС) и 8-ой (1 ^оС) неделях соответственно. Для устранения изменений температуры и избавления персонала от связанных с перегревом проблем, температуру в помещении уменьшали до наименьшего для соответствующего дня значения. Применительно к упомянутым выше 24-м неделям, наименьшее значение температуры в помещении ежедневно соответствовало 8.30 часам. В результате требовалось затратить дополнительную энергию на охлаждение помещения, что уменьшает эффект от экономии расходуемой на освещение энергии. Количество энергии, затрачиваемой на охлаждение помещения, можно рассчитать по формуле:

     Q =  d ∙ V ∙ c ∙ (t₂ – t₁),                                                                                                         (2)

где d – плотность воздуха, V – объём помещения, с – удельная теплоёмкость воздуха, (t₂ – t₁) – изменение температуры в помещении. В условиях рассматриваемого помещения входящие в (2) переменные равны: d = 1,226 кг/м³ (согласно справочникам); c = 1060 Дж/(кг∙^оС)[1]; V = = 103 м³. При помощи формулы (2) можно рассчитать количество электроэнергии, требующееся для охлаждения рассматриваемого помещения на 1 ^оС, которое равно 37,2 Вт∙ч. Считая, что система кондиционирования воздуха работает только 5 ч, можно определить полное количество потребляемой этой системой энергии. Для рассматриваемых 24-х недель суммарное изменение температуры составило (33 ∙ 7) = 231 ^оС, а количество энергии, требующееся для снижения температуры до зарегистрированного утром наименьшего значения, равно  (231 ∙ 37,2 ∙ 5) = 42966 Вт∙ч.[2] Это почти 4,8 % от полной экономии энергии за соответствующие 24 недели. Если учесть тип и эффективность оборудования системы кондиционирования воздуха и потери на нагрев проводов, то расчётное значение дополнительного расхода энергии возрастёт до 10 %. А в те дни, когда погода остаётся ясной и продолжительность наличия солнечного света велика, это дополнительное потребление энергии должно возрасти. Этот результат говорит об обратно пропорциональном характере зависимости между увеличением температуры в помещении и полной экономией энергии. Чем сильнее возрастает температура в помещении, тем больше энергии расходуется на его охлаждение. Расчёт расхода энергии на обогрев помещения может быть произведён аналогичным образом. В рамках данного исследования, которое приходилось на летнее время, можно было рассчитать только расходуемую на охлаждение энергию. В дальнейшем, проведя соответствующие измерения, можно будет рассмотреть и расход энергии на обогрев в зимнее время.

Качество энергии      

Использовавшаяся в данном исследовании система DRLC состояла из светильников с ЛЛ и пускорегулирующими аппаратами DALI, позволяющими осуществлять светорегулирование, в результате чего формировался определённый гармонический состав тока. Как известно, ЛЛ потребляют синусоидальный ток и оказывают вредное влияние на питающую сеть. Большое количество ЛЛ с электронными ПРА приводит к значительному увеличению полного коэффициента гармонических искажений тока (THD_I). В случае этих ламп светорегулирование отрицательно сказывается на величине THD_I  и приводит к уменьшению коэффициента мощности. Исходный, в отсутствии светорегулирования, THD_I использовавшихся при проведении исследований пускорегулирующих аппаратов DALI был равен 5 %. Нормы ANSI С82.2 Американского национального института стандартов устанавливают равный 32%-м верхний предел THD_I электронных ПРА [20]. Кроме ANSI С82.2, ещё и целый ряд других норм считают допустимыми для однофазных нагрузок лежащие в пределах от 30 до 32 % значения THD_I [21].

Учитывая наличие этих норм, стоит сделать некоторые замечания относительно значений THD_I. Если рассматривать 12-месячный период, то декабрь, март и июнь выделяются как месяцы, которые можно считать характерными с точки зрения энергосбережения и качества энергии. Декабрь позволяет наилучшим образом понять влияние изменений погодных условий и светорегулирования на THD_I и коэффициент мощности. Если рассматривать средние значения THD_I, то они были наибольшими в 14.00 в декабре, в 14.30 в марте и в 16.45 в июне и составляли, соответственно, 13,33; 19,34 и 32,85 %. На рис. 6 продемонстрирована связь между пасмурными днями и значениями THD_I. Как показано на рисунке, DRLC осуществляет светорегулирование даже в пасмурную погоду. Коротких периодов наличия солнечного света достаточно для того, чтобы запустить процесс светорегулирования, в результате чего происходит существенное увеличение THD_I. На рис. 7 ясно видно, что при чистом небе система DRLC работает чаще, в результате чего в этот период наблюдается увеличение THD_I.

Из-за продолжительности наличия солнечного света значения THD_I могли возрастать вплоть до 30 % даже в декабре. Что касается летних месяцев с их многочисленными ясными днями, то в них качество энергии будет ухудшаться катастрофически.  В июне были кратковременно зафиксированы равные 49 % значения THD_I, обусловленные высокими уровнями наружной освещённости и проникновением в помещение дневного света.

Говоря о THD_I, не следует забывать и о коэффициенте мощности. Увеличение гармонических искажений сопровождается уменьшением коэффициента мощности. На рис. 9 приведены значения коэффициента мощности в декабре в условиях чистого неба. Ясно видно, что в полдень коэффициент мощности становится чрезвычайно малым. Это связано со светорегулированием и увеличением THD_I. Чем сильнее DRLC приглушает искусственное освещение, тем больше уменьшается коэффициент мощности.

Заключение

Как и предполагалось, автоматизированная система управления освещением по-разному реагировала на климатические изменения. Экономия энергии увеличивалась вплоть до 62 % в ясные дни и снижалась до 12 % в пасмурные и дождливые дни. Более того, даже в летнее время за днём, в который экономия энергии достигала 56%-ов, мог следовать день, в который экономия энергии составляла всего 22 %. Эти изменения говорят о том, что погодные условия, особенно продолжительность наличия солнечного света, чрезвычайно важны  и занимают лидирующее положение среди факторов, влияющих на эффективность систем управления совмещённым освещением. Если сравнивать с результатами первых исследований, в ходе которых была достигнута равная 36 % экономия энергии [22], то составившая 40,78 и 40,96 % экономия энергии, достигнутая в следующие друг за другом годы, свидетельствует о чрезвычайно важном значении ясных дней и продолжительности наличия солнечного света.

Для регулирования обычно предпочитаемых ЛЛ и сбережения энергии, в системах DRLC, как правило, используются электронные ПРА, которые в рассматриваемом случае относились к типу DALI. Как следует из полученных данных, значенияTHD_I могут резко изменяться и достигать больших значений. Из-за высокого уровня THD_I можно ожидать уменьшения коэффициента мощности. Следует избегать отрицательного влияния на питающую сеть большого содержания верхних гармоник тока и низкого коэффициента мощности. Введение в систему DRLC активного фильтра для подавления гармоник может оказаться адекватным решением этой проблемы.

Потребность в охлаждении или нагреве среды, освещаемой с использованием системы совмещённого освещения, которой обычно пренебрегают при расчёте потенциальных возможностей в части энергосбережения, в данной работе учитывалась, с тем чтобы определить «реальные потенциальные возможности в части энергосбережения». В данной работе показано, что примерно 10 % экономии расходуемой на освещение энергии затрачивается на охлаждение помещения, нагреваемого дневным светом. Кроме того, на экономию расходуемой на освещение энергии [23] и связанные с климатом требования к среде непосредственно влияют размеры окон и прозрачность оконного стекла. Ещё одним важным параметром является ориентация окон и здания и наличие расположенных перед окнами преград, которые влияют на продолжительность прямого солнечного освещения [24]. Если говорить о данном исследовании, то выходящее на северо-запад окно и внешние преграды, такие как дерево, уменьшили возможное количество попадающего в помещение днём прямого дневного света.

И наконец, говоря о явных достоинствах системы DRLC, следует отметить значительную экономию расходуемой на освещение энергии, стабильный уровень освещённости и уменьшение выброса СО₂. С другой стороны, к существенным недостаткам системы DRLC следует отнести зависимость энергопотребления от климатических факторов и ухудшение качества электроэнергии. Для таких провинций, как Сакарья, достигнутая при помощи системы DRLC повседневная экономия расходуемой на освещение энергии, достигающая 62%-ов даже без датчиков присутствия и оказавшаяся значительной даже в пасмурные дни, является многообещающим результатом, достигнутым благодаря применению удачного проекта освещения и современного осветительного оборудования, непосредственно повлиявших на энергосбережение. Но даже несмотря на то, что система DRLC открывает огромные возможности экономии энергии, для её широкого применения необходимо решить проблему качества электроэнергии.

В дополнение к полученным результатам, следует обсудить, требуется ли обеспечивать более высокие уровни освещённости в случае тех помещений, в которых проводятся опасные работы и исследования. Применительно к условиям лабораторий, все международные нормы и рекомендации, за исключением рекомендаций МОТ, приводят 750 лк в качестве требуемого значения. Так как в данной работе использовалось помещение, предназначенное главным образом для проведения экспериментов и обучения, то в нём поддерживалась равная 1250 лк горизонтальная освещённость, достаточная для обеспечения здоровья и безопасности людей, так что за два года в этом помещении не было никаких несчастных случаев. Этот результат может означать, что даже в случае офисов высокие (большие, чем нормируемые в настоящее время 500 лк) уровни освещённости предохранят работников от утомления и обеспечат им более высокий зрительный комфорт.

Авторы: Ё. ГЮЛЕР, С. ЯВУЗ, Е. ЯНИКОГЛУ, Стамбульский технический университет и Университет Сакарьи, Турция

Список литературы

     1. Laurentin, C., Berrutto, V., Fontoynont, M., Girault, P. Manual control of artificial lighting in a daylit space// 3rd Int. Conf. on Indoor Air Quality, Ventilation and Energy Conversation in Buildings. Lyon, France, 1998.

     2. Turkey 2008 Energy Consumption Statistics. TEDAŞ, Ankara, 2009.

     3. Energy consumption guide. BRE, 2007, Vol. 19.

     4. Energy efficiency in buildings. Chartered Institute of Building Service Engineers, Guide F, 1999.

     5. Krarti, M. Energy audit of building systems: An engineering approach. Boca Raton, FL: CRC Press, 2000.

     6. Commercial/Institutional secondary energy use by energy source, end use and activity. National Resources Canada (NRC), Canada, 2000.

     7. Bertoldi, P., Ciugudeanu, C.N. Five Year Report of the European Greenlight Programme, EUR 21648 EN, European Commission, DG JRC, Institute for Environment and Sustainability, Renewable Energies Unit, 2005.

     8. CIBSE code for interior lighting. CIBSE, London, UK, 1987.

     9. Atif, M.R., Love, J.A., Littlefair, P. Daylighting Monitoring Protocols & Procedures for Buildings//A report of Task 21 / Annex 29 Daylight in Buildings, IEA Protocol, 1997.

     10. Manav, B. An experimental study on the appraisal of the visual environment at offices in relation to colour temperature and illuminance// Building and environment . – 2007. – Vol. 42. –

P. 979-983.

     11. Laurentin, C., Berrutto, V., Fontoynont, M., Girault, P. Manual control of artificial lighting in a daylit space// 3rd Int. Conf. on Indoor Air Quality, Ventilation and Energy Conversation in Buildings, Lyon, France, 1998.

     12. Roche, L. Summertime performance of an automated lighting and blinds control system// Lighting research and technology/ — 2002. – Vol. 34, No. 1. – P. 11-27.

     13. Newsham, G.R., Veitch, J.A., Arsenault, C., Duval, C.L. Effect of dimming control on office worker satisfaction and performance// IESNA 2004 Annual Conf., Tampa, FL, 2004.

     14. Boyce, P.R., Veitch, J.A., Newsham, G.R., Jones, C.C., Heerwagen, J., Myer, M., Hunter, C.M. Occupant use of switching and dimming controls in offices// Lighting research and technology. – 2006. – Vol. 38, No. 4. – P. 358-378.

     15. Aries, M. Human lighting demands: healthy lighting in an office environment// Ph.D. Thesis, Eindhoven: Eindhoven University of Technology, 2005.

16. Stellmann, M. Encyclopaedia of occupational health and safety, 4^th Ed. International Labour Office, Geneva, 1998.

     17. Kretschmer, V., Griefahn B., Schmidt K.-H. Bright light and night work: effects on selective and divided attention in elderly persons// Lighting Research and Technology. – 2011. – Vol. 43. –

P. 473-486

     18. Onaygil, S., Güler, Ö. Determination of the energy saving by daylight responsive lighting control systems with an example from Istanbul// Building and environment/ — 2003. – Vol. 38,

No. 7. – P. 973-977.

     19. Jenkins, D., Newborough, M. An approach for estimating the carbon emissions associated with office lighting with a daylight contribution// Applied energy. – 2007. – Vol. 84, No. 6. –

P. 608-622.

     20. ANSI C82.2, Standard for lamp ballasts – Methods for measurements of fluorescent lamp ballasts// American National Standards,  USA, 2002.

     21. Ward, J., Ward, D.J. Single phase harmonic limits// PSERC EMI, Power Quality and Safety Workshop, 2002, USA.

     22. Yavuz, C., Yanıkoğlu, E., Güler, Ö. Determination of real energy saving potential of daylight responsive systems: A case study from Turkey// Light & engineering journal. – 2010. – Vol. 18,

No. 2. – P. 99-105.

     23. Krarti, M., Erickson, P.M., Hillman, T.C. A simplified method to estimate energy savings of artificial lighting use from daylighting// Building and environment. – 2005. – Vol. 40. – P. 747-754.

     24. Li, D.H.W., Tsang, E.K.W. An analysis of daylighting performance for office buildings in Hong Kong// Building and environment. – 2008. – Vol. 43. – P. 1446-1458.

[1] В Таблицах физических величин (Справочник под ред. акад. И.К.Кикоина. — М.: Атомиздат, 1976. 1068 с.) приводится значение 1006 Дж/(кг∙К). — Прим. пер.