Комбинированное управление освещением и солнцезащитой с помощью моделирования естественного освещения офисного помещения

Управление с помощью жалюзи играет основную роль в естественном освещении. Поэтому значительная часть исследований направлялась на поиск соответствующих практичных и жизнеспособных решений соответствующих систем управления. Однако реально применимыми оказались немногие из них. Главная причина в том, что пользователи не удовлетворены их работой, и поэтому работа систем часто корректируется вручную. Достижение удовлетворительной работы систем с использованием простого оборудования затруднительно. Очевидно, для поддержания зрительного комфорта и одновременной экономии энергии при различных условиях естественного освещения необходимы новые, более сложные алгоритмы управления.

Системы управления естественным освещением часто основаны на том, что уровень внутреннего освещения должен быть относительно постоянен, даже если условия наружного естественного освещения меняются. Однако же многие исследования показывают, что при высоком уровне наружного естественного освещения предпочтителен и более высокий уровень внутреннего освещения. Это отмечают и пользователи. Кроме того, исследователи отмечают, что уровни освещения, более высокие, чем рекомендуемый (в частности, 500 лк), нормально воспринимаются людьми в отсутствие блёскости и прямых солнечных лучей.

В полевом исследовании, которое выполнили Э. Вайн и др., конторские служащие могли регулировать световую среду вручную, меняя наклон створок подъёмных жалюзи и уровень электрического освещения. Освещённости, регистрировавшиеся в процессе исследования, составляли 840-2146 лк утром и 782-1278 лк днём. Результаты показали, что люди предпочитают или нормально воспринимают более высокие уровни освещения, чем задаваемые автоматизированной системой управления.

Л. Роуч определял уровни освещённости, потребные для компьютерных автоматизированных рабочих мест (АРМ), и пришёл к выводу, что зрительная среда достаточно комфортна при освещённости на рабочей плоской поверхности ниже 1800 лк. При этом, согласно рекомендациям, АРМ ориентировалась перпендикулярно окну.

Д. Линделёф предложил автоматизированные жалюзи с адаптацией к желанию пользователей и регулятор электрического освещения для небольших офисных помещений. Автоматизация и адаптация осуществляются с помощью двух не связанных между собой программных алгоритмов. Первый алгоритм используется для моделирования естественной освещённости в условных точках офисного помещения при затенении окон одними или двумя подъёмными жалюзи. Второй алгоритм служит для оценки вероятности зрительного дискомфорта пользователей. Оба алгоритма действуют в регуляторе электрического освещения.

Э. Гайллемин исследовал комбинированную систему, содержащую жалюзи и устройства электрического освещения и регулирования температуры, адаптированную к желаниям пользователей на долгосрочной основе. (Адаптация достигалась с помощью генетических алгоритмов.) При этом сравнивались три способа управления: ручное и автоматическое с адаптацией и без адаптации к желаниям пользователей. Результаты показали, что отрицательная реакция пользователей на автоматическое управление значительно смягчается при наличии указанной адаптации. Причём экономию энергии при автоматическом управлении (26% по сравнению с ручным управлением) адаптация не снижает.

Серьёзную попытку использовать автоматику самого здания для комбинированного управления его внутренней средой предприняли Д. Колокоца и др. Они внедрили нечёткую логическую систему управления температурным и зрительным комфортом, а также качеством воздуха в помещениях. Для испытаний и оптимизации системы использовалась экспериментальная камера. Эта камера, управлявшая внутренней средой, содержала узловые элементы (датчики и исполнительные механизмы), сопряжённые с распределённой сетевой шиной и ПК. Её работа основывалась на принципе моделирования нечёткого контроллера в среде Matlab.

Ниже рассмотрен один из подходов к разработке параллельного управления искусственным освещением и подъёмными жалюзи с помощью несложной аппаратуры. Его суть заключается в использовании измерений показателей естественного освещения и компьютерного моделирования для имитации процесса освещения с последующим применением созданной модели для управления освещением.

Измерение показателей естественного освещения в испытательном помещении

Центральная роль в разработке системы управления отводилась испытательному помещению – «Стеклянному кубу» расположенному на крыше офисного здания Технологического университета Хельсинки. Оно представляло собой камеру площадью 4,4 м² и высотой 2,6 м с одним окном на юг. Все измерения параметров освещения выполнялись в этом помещении. Там же находилась и демонстрировалась система управления. Исследования начались в июне 2007 г. Цель измерений состояла в том, чтобы узнать, во-первых, в какой степени естественный свет может участвовать в освещении испытательного помещения на высоте стола, и, во-вторых, какова средняя яркость окна в различных условиях естественного освещения и с различным наклоном створок жалюзи. Все данные измерений затем использовались при выборе необходимого для системы управления уровня электрического освещения и угла наклона створок жалюзи. В ходе каждого эксперимента угол наклона створок жалюзи оставался постоянным. Значения этого угла составляли 0, 30, 45 и 60°. Каждый эксперимент длился от 3 до 5 дней. На рис. 1-3 представлены типичные результаты измерений внутренней освещённости на рабочей поверхности (по показаниям люксметров Eh1, Eh2 и Eh3, расположенных на расстояниях 1, 2 и 3 м, соответственно, от стены с окном) и измерений средней яркости окна (Lw) при угле наклона жалюзи +45° в зависимости от наружной вертикальной естественно освещённости (Еv) в июле 2007 г. Заданные углы наклона жалюзи и уровни искусственного освещения для управления по стандарту DALI выбирались согласно данным летних и последующих измерений в течение остальных сезонов.

Рис. 1. Зависимость освещённости на поверхности стола (Eh) (по показаниям люксметров Еh1-Еh3) от наружной вертикальной освещённости (Ev) при угле наклона створок жалюзи 0° в пасмурный июльский день 2007 г.

 
Влияние угла наклона створок жалюзи на освещённость на столе значительно при любых условиях естественного освещения. Для максимального повышения доли естественного освещения угол наклона створок жалюзи должен быть как можно меньше, но при этом не допускать ослеплённости и при высокой освещённости на фасаде. В руководствах по естественному освещению какой-либо общепринятый верхний предел яркости окна или системы жалюзи обычно отсутствует. Задавать его трудно, поскольку ощущение блёскости зависит и от ряда других факторов. Поэтому все испытания, описанные в данном разделе, дали разные результаты. Группой исследователей было сообщено, что 50% испытуемых переводит жалюзи в более закрытое положение, когда яркость окна превышает 2000 кд/м². А когда эта яркость выше 3000 кд/м², так уже поступают 75% испытуемых. Также наружная вертикальная освещённость, соответствующая 50%-ной вероятности закрытия жалюзи, составляет около 20 клк. В других исследованиях, которые выполнили Я. Саттер и др., яркость окна перед закрытием жалюзи испытуемыми (частота 50%) приблизительно равнялась 5000 кд/м². Соответственно, яркость окна (частота 50%) перед открытием жалюзи составляла около 1700 кд/м².

Рис. 2. Зависимость освещённости на поверхности стола (Eh) (по показаниям люксметров Еh1-Еh3) от наружной вертикальной освещённости (Ev) при угле наклона створок жалюзи 45° в пасмурный июльский день 2007 г.

 
В нашем исследовании верхним пределом Lw было выбрано значение 4000 кд/м². Соответствующий предел Ev перед началом изменений положения створок жалюзи составлял 15-25 клк, в зависимости от высоты солнца. В период май-август угла наклона створок жалюзи +30° бывает достаточно для ограничения Lw, если Ev ниже 60 клк. При более высоких Ev угол наклона створок жалюзи должен равняться +45°. В периоды март-апрель и сентябрь-октябрь при высоких Ev нужны повышенные углы наклона створок жалюзи: 45-600. Зимой при наличии солнца используются углы наклона не менее 60°. В Финляндии максимальная высота солнца составляет 56° в летний полдень и менее 8° в декабре. При указанном угле наклона +60° эффективно перекрывается естественное освещение, и в пасмурные дни при этом естественная освещённость на рабочей поверхности в 6 раз ниже, чем при нулевом угле наклона.

Рис. 3. Зависимость средней яркости окна (Lw) от наружной вертикальной освещённости (Ev) при угле наклона створок жалюзи +45° в июльский день 2007 г.

 
Система управления и интерфейс DALI

В демонстрационной системе управления искусственным освещением и жалюзи использована шина DALI (рис. 4). Все устройства DALI, такие как ЭПРА для ламп, блоки управления жалюзи и датчики, могут иметь индивидуальную или групповую адресацию по стандарту DALI. Управление жалюзи и лампами осуществляется только с помощью люксметров, измеряющих Ev. Люксметры, измеряющие внутреннюю освещённость, не используются. Система управления выбирает подходящую сцену освещения (из предварительно заданных) в соответствии с Ev на фасаде, датой и временем. Предварительно задаваемые сцены, сохраняемые в памяти системы, содержат всю информацию, необходимую для управления устройствами освещения. Световой поток каждого светильника или лампы и положения жалюзи создаются и сохраняются с помощью инструментального программного средства по стандарту DALI под названием Digidim Toolbox, разработанного фирмой Helvar Oy. Предварительно задаваемые сцены определяются посредством реального измерения уровня естественного освещения и предварительных расчётов. Измерения дали важную информацию о том, как внутреннее освещение и Lw зависят от наружного естественного освещения. Сцены отбирались с учётом того, чтобы минимизировать ослеплённость, а не максимизировать уровень внутреннего освещения. Углы наклона створок жалюзи выбирались так, чтобы поддерживать Lw в приемлемых границах. При этом задержка управления достаточно коротка, чтобы предотвращать ослеплённость в меняющихся условиях естественного освещения при высокой яркости солнца.

Рис. 4. Устройства системы освещения испытательного помещения, связанные с шиной DALI

 
Демонстрационная система управления была реализована с помощью системы сбора данных IoTech Daqbook 120 и программного средства DasyLab 9.0. Наружная освещённость на поверхности окна измерялась с помощью люксметров (с кремниевым фотоэлементом) PRC Krochmann, откалиброванных для измерения высоких Ev. Все люксметры в испытательном помещении присоединялись к одному общему усилителю, который преобразовывает выходной ток люксметров в выходное напряжение постоянного тока. Диапазон 0-10 В этого напряжения соответствует диапазонам освещённости 0-10 и 0-100 клк или яркости 0-30 ккд/м² (в зависимости от чувствительности и конкретного применения люксметров).

Пять люксметров и один яркомер были связаны с системой сбора данных для непрерывного получения информации. Три люксметра измеряли значения внутренней горизонтальной освещённости на рабочей поверхности, и один люксметр – вертикальную освещённость на уровне глаз наблюдателя. Яркомер измерял Lw от задней стороны помещения. Период опроса каналов данных равнялся 1 с. Каждые 60 последовательных отсчётов усреднялись. Затем эти средние значения передавались в блок управления и сохранялись в виде файла с кодом ASCII.

Система управления позволяет хранить предварительно заданные сцены освещения и вызывать их соответствующими командами. При вызове какой-либо сцены все соответствующие устройства адаптируются к настройкам этой сохранённой сцены, а ЭПРА для ламп меняют их мощность согласно заданному уровню освещения. Одна система управления по стандарту DALI может управлять 16 сценами освещения. Это ограничивает число возможных сцен для использования в одном сезоне. Если разделить год на 3 сезона естественного освещения, то будут доступны только 3-5 различных сезонных сцен и 4 основные сцены для пасмурных дней или для других обычных условий естественного освещения.

Выбор сцен и уровней темнения по стандарту DALI

Система освещения в испытательном помещении состоит из 2 светильников одновременно отражённого и прямого света с 3 ЛЛ типа Т5 мощностью 28 Вт и ЭПРА, управляемого по DALI. На рис. 5 показаны значения освещённости в разных точках рабочей поверхности при разных уровнях темнения ЛЛ по DALI. Эти уровни соответствуют собственным параметрам команд по DALI, которые передаются на ЭПРА, а не фактически измеряемым уровням светового потока ЛЛ. Поскольку максимальные освещённости в демонстрационной системе освещения были выше рекомендуемых, на практике в качестве эталонного уровня «полный свет» для последующих сцен освещения был выбран уровень темнения по DALI, равный 70%.

Рис. 5. Зависимость освещённости на столе от всех светильников (Eh) (по показаниям люксметров Еh1-Еh3) от уровня их темнения по стандарту DALI (УТ)

 
Искусственный свет должен устранять разрыв между требуемой освещённостью в 500-600 лк и естественной освещённостью. Поскольку система не могла непрерывно управлять искусственным освещением, фактическая освещённость зависела от количества заданных уровней искусственного освещения. Интеграция управления жалюзи и искусственным освещением подразумевает, что закрытие жалюзи из-за слепящего света при высоком уровне естественного освещения, вероятно, сильно ослабляет внутреннее освещение, что должно компенсироваться усилением освещения искусственного. В пасмурные дни намного легче выбирать нужные сцены, предоставляемые DALI, поскольку существует линейная корреляция между значениями внутренней и наружной освещённости и нет необходимости регулировать углы наклона створок жалюзи. В табл. 1 представлены уровни темнения по стандарту DALI и углы наклона створок жалюзи для летних условий естественного освещения.

Таблица 1.
Значения по умолчанию некоторых величин в сценах освещения по DALI в летний период (май – август)

 
Демонстрация комбинированной системы управления освещением

Демонстрационные испытания начались в ноябре 2007 г. Из-за относительно низкой высоты солнца предварительно заданные сцены (табл. 2) сильно отличались от сцен летнего периода (табл. 1). Во избежание частого регулирования наклона створок жалюзи при изменении естественного освещения вблизи порогового уровня дополнительно вводился некий гистерезис. Пороговое значение освещённости для закрытия жалюзи устанавливалось на уровне 16 клк, а для их открытия – 12 клк. Эти значения были на 10% выше порогового для темнения ЛЛ и на 10% ниже порогового для увеличения светового потока светильников, без изменения положения створок жалюзи.

Таблица 2.
Значения по умолчанию некоторых величин в сценах освещения по DALI в зимний период

 
Для предотвращения инсоляции верхний предел наклона створок жалюзи устанавливался на уровне 60°. Согласно результатам предшествующих измерений, этого угла было вполне достаточно для ограничения блёскости при восходе и закате солнца. При более высоких углах наклона естественный свет перекрывается и экономия энергии не достигается.

Результаты, показанные на рис. 6, получены 21 декабря, в самый короткий день года, но при этом очень солнечный. Жалюзи были закрыты в 10:51, когда Ev превысила 16 клк, и открыты в 14:28, когда Ev упала ниже 12 клк. Когда утром уровень естественного освещения увеличился, уровень внутреннего освещения тоже возрос. Когда Ev превысила 2,4 клк, сцена освещения была изменена в первый раз, и уровень освещения снизился. Хотя жалюзи были закрыты, уровень освещения можно было снижать в полдень в период высоких значений Ev (свыше 40 клк).

Рис. 6. Пример результатов работы демонстрационной системы управления освещением 21 декабря 2007 г.: временные зависимости наружной вертикальной освещённости (Ev) и внутренней освещённости на столе (Eh) (по показаниям люксметров Еh1-Еh3)

 
Как следует из рис. 7, минимальная мощность, расходуемая на освещение, в полдень 21 декабря 2007 г. составляла 43%, а среднее значение – 73% от её значения в тёмное время суток. Главный вывод: даже в декабре в условиях Финляндии экономия энергии указанным образом возможна. При этом в летний период, когда дни длиннее, значительная экономия энергии достигается при условии, что при оптимальном управлении жалюзи потребность в электрическом освещении в течение нормального рабочего времени минимальна.

Рис. 7. Временная зависимость относительной потребляемой мощности комбинированной осветительной системы (Р) 21 декабря 2007 г.

 
Указанные первые результаты показали, что описанную систему управления освещением можно эффективно применять для использования естественного освещения в офисных зданиях, причём без ослепления пользователей. Возможность последнего – единственная причина отказа от энергосбережения, обеспечиваемого использованием естественного освещения.

Использование расчётов уровней естественного освещения в модели управления освещением вместо их измерений

При наличии точной модели помещения и жалюзи в принципе можно отказаться от измерений внутренней освещённости. Но для этого нужна подходящая модель работы жалюзи. Фактически, чтобы охватить основные варианты естественного освещения, пригодные для практического применения, нужно создать несколько моделей. Коэффициент пропускания подъёмного жалюзи – очень «сложный» параметр, и результаты соответствующего моделирования могут содержать ряд источников ошибок. В ходе данного исследования модель для демонстрационного помещения испытывалась с 2 вариантами модели жалюзи: с углами наклона створок 0 и 45°. Модель жалюзи была создана с помощью фирмы Autodesk и затем импортирована в расчётную программу Relux. Расхождения между измеренными и расчётными значениями освещённости на столе, особенно при ясном небе, были очень велики. Для точных расчётов уровней естественного освещения по любой специальной программе необходимо существенно уточнять входные данные. Кроме того, нужны более сложные модели устройств естественного освещения, таких как жалюзи.

Обсуждение результатов и выводы

Рассмотренный вариант многоступенчатого управления не позволяет поддерживать внутреннее освещение на постоянном уровне, и это даже не является его основной целью. При правильном выборе уровней искусственного освещения диапазон освещённостей можно ограничить значениями 500-1000 лк, а в летнее время даже меньшими. Уровни искусственного освещения следует выбирать так, чтобы при любых условиях удовлетворялись минимальные требования по освещению. Это означает, что освещённость в главном месте рабочей поверхности должна составлять не менее 500 лк. В задней части помещения минимальная освещённость должна быть не менее 300 лк. Временно могут допускаться и более низкие значения. При высоких Ev главным фактором управления в целом является точность управления жалюзи. Возможность слепящего эффекта должна минимизироваться, но в то же время должен обеспечиваться доступ естественного света. Поэтому угол наклона створок жалюзи выбирается как с учётом времени года (высота солнца), так и согласно измеренной освещённости. В Хельсинки максимальная высота солнца в июне составляет около 57°, а в декабре – всего лишь около 8°. При использовании обычных подъёмных жалюзи с шириной створки 24 мм солнце в полдень через жалюзи непосредственно не светит, особенно в середине лета, если жалюзи опущены и угол наклона створок составляет 0°. Но с учётом яркости окна и эффекта нагрева регулировка положения створок может требоваться. В полдень при высокой интенсивности солнечного излучения решение обеих этих проблем могут давать углы наклона в 30-45°. Соответственно, при малых высотах солнца следует выбирать большой угол наклона створок жалюзи, чтобы снижать высокую блёскость даже при относительно малых Ev. Согласно результатам измерений в испытательном помещении, подходящие углы наклона створок жалюзи в солнечные дни ноября-декабря доходят до 60°.

Первая демонстрация показала, что система управления освещением работает достаточно хорошо даже в условиях меняющегося естественного освещения. Значения освещённости были приемлемыми, а яркость окна не превышала предельно допустимого уровня. В демонстрационной системе период опроса значений Ev составлял 1 мин. С точки зрения управления жалюзи в условиях нестабильного естественного освещения это достаточно короткий период, а используемый гистерезис в управлении жалюзи позволяет снижать частоту операций системы. Демонстрационная система испытывалась лишь при низких высотах солнца, но очевидно, что в данном варианте открытой системы управления можно добиваться экономии энергии в любых реальных условиях. При увеличении количества сцен уровень внутреннего освещения будет более стабильным. Одним из основных преимуществ автоматизированного управления жалюзи является возможность достижения экономии энергии и при относительно низких уровнях естественного освещения, поскольку жалюзи открыты всегда, когда нет высокой блёскости. Самые большие трудности при управлении жалюзи с утра до времени после полудня в северных широтах создают окна на юг.

Работа была выполнена при финансовой поддержке Академии наук Финляндии.