Potenciál úspor energie ve vnitřním osvětlení při využití denního světla

-- Ing. Jan Šumpich, Ing. Tomáš Novák, Ph.D., Ing. Zbyněk Carbol, prof. Ing. Karel Sokanský, CSc., VŠB-TU Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky --

Cílem článku je řešení problematiky výpočtů úspor elektrické energie při osvětlování vnitřních pracovních prostor soustavami sdruženého osvětlení. Zabývá se transformací dynamického modelu rovnoměrně zatažené oblohy do příspěvku denní složky osvětlení v rámci konkrétních vnitřních prostorů. Modelování úspor za využití příspěvku osvětlenosti od denního světla umožňuje zapracovat režim využití daného prostoru a díky využití rovnoměrně zatažené oblohy eliminuje vliv prostorové orientace okenních otvorů při dalším rozboru. Na základě znalosti difuzní osvětlenosti venkovní nezastíněné roviny a hodnot činitele denní osvětlenosti bodů zrakového úkolu lze pro každý okamžik vypočítat příspěvek denního světla. V dalším kroku lze pro konkrétní osvětlovací soustavu umělého osvětlení stanovit úroveň stmívání jednotlivých prvků osvětlovací soustavy umělého osvětlení (svítidel) tak, aby bylo vyhověno normativním požadavkům na osvětlení pro specifikovaný pracovní (zrakový) úkol. Rozdíl mezi energií spotřebovanou stmívatelnou a nestmívatelnou osvětlovací soustavou udává potenciál energetických úspor u osvětlovacích soustav umělého osvětlení s využitím denního světla.

Úvod

Snaha o ekonomické úspory člověka nutí snižovat spotřebu elektrické energie. Tento požadavek se nevyhýbá ani osvětlování vnitřních prostorů. V osvětlování vnitřních prostorů je stále více využívána kombinace denního světla se světlem umělým, tzn. sdružené osvětlení. Technická úroveň svítidel, která je neustále zdokonalována, umožňuje v soustavách sdruženého osvětlení regulovat světelný tok na konstantní hladinu osvětleností pomocí nezávislého automatického stmívání každého jednoho svítidla. V uvedených osvětlovacích soustavách lze využitím denního osvětlení takto uspořit nemalou část elektrické energie.

Při stanovování potenciálu úspor je třeba vycházet z úrovně intenzity vnějšího osvětlení. Ta je ovšem výrazně proměnlivá. Pro výpočty činitele denní osvětlenosti se používá rovnoměrně zatažená obloha s intenzitou osvětlení 5 000 lx, popř. 20 000 lx. Model rovnoměrně zatažené oblohy s proměnlivou osvětleností během dne a v rámci celého roku lze využít i pro výpočty osvětleností způsobených denním světlem v interiérech.

Denní světlo ovlivňuje i biologické pochody v lidském těle, a je tak důležité v životě. Snaha maximalizovat využití denního světla při osvětlování tudíž vyplývá nejen z potřeby úspor energie, ale také z hlediska hygienických požadavků.

Modelový případ pro výpočty

Na základě znalosti difuzní osvětlenosti venkovní nezastíněné roviny [5] a činitele denní osvětlenosti daného bodu zrakového úkolu [4] je v každém okamžiku možné vypočítat vnitřní osvětlenost způsobenou denním světlem.

Obr. 1. Rozložení osvětleností a činitele denní osvětlenosti v modelové místnosti na VŠB-TUO 

Jako příklad pro stanovení průběhu denní osvětlenosti během roku byla vybrána jedna z kanceláří na VŠB-TU v Ostravě (obr. 1). Z obr. 1 je patrné, že činitel denní osvětlenosti v tomto prostoru klesá od hodnoty 15,3 % u okna až k hodnotě 1,1 % u dveří. Tomu odpovídá i pokles osvětleností, které jsou vyčísleny vzhledem k osvětlenosti venkovní nezastíněné roviny 20 klx. V obr. 1 jsou zakresleny příklady výpočetních bodů činitele denní osvětlenosti D, které odpovídají určitému pásmu intenzity osvětlení E. V následujících výpočtech bylo použito pouze deset výpočetních bodů. Toto zjednodušení bylo zvoleno z důvodu přehlednosti výstupních dat.

Díky výpočtům intenzit osvětlení v různých bodech místnosti způsobených denním osvětlením byly získány základní hodnoty osvětleností, ke kterým lze připočítat umělé osvětlení tak, aby byly splněny normativní požadavky v každém výpočetním bodě potenciálního zrakového úkolu. Úroveň stmívání soustav umělého osvětlení vzhledem k maximálním hodnotám jejich provozu tvoří potenciál úspor konkrétní soustavy osvětlení. Tento potenciál závisí nejen na hodnotě osvětlenosti požadované normou, ale i na režimu provozu v osvětlovaném prostoru.

Obr. 2. Průběh vnitřní denní osvětlenosti v bodě 5 během roku

Modelování osvětleností ve vnitřním pracovním prostoru denním světlem

Vnější intenzita osvětlení se mění nejen v průběhu dne, ale i v průběhu celého roku. Pro znázornění těchto intenzit byl vybrán bod uprostřed místnosti v oblasti činitele denní osvětlenosti 3,6 % (viz obr. 1). K tomuto bodu byly vypočteny osvětlenosti v průběhu měsíců ledna až prosince (viz obr. 2).

Na obr. 2 je vidět, že během měsíců ledna a prosince jsou nejvyšší hodnoty osvětlenosti v řešeném bodě uprostřed místnosti okolo 300 lx, zatímco v červnu a červenci se hodnoty blíží až k 830 lx.

Obr. 3. Intenzita denního osvětlení během dne v jednotlivých bodech (nahoře červenec, dole leden)

Na obr. 3 je znázorněn pokles intenzity osvětlení se zvětšující se vzdáleností od okna. Pro ukázku byl zvolen měsíc leden a měsíc červenec (data jsou pro první den v měsíci). Jednotlivé křivky jsou určeny výpočetními body proloženými středem místnosti (deset výpočetních bodů, které jsou od sebe vzdáleny 0,5 m). Křivky jsou uvedeny pro časové intervaly od 08:30 h do 15:30 h, resp. 04:30 až 19:30. Ve zbývajícím čase jsou hodnoty denních osvětleností nulové.

Obr. 4. Intenzita denního osvětlení během dne v jednotlivých bodech

Další graf, uvedený na obr. 4, poskytuje představu o intenzitách osvětlení jednotlivých bodů během dne v měsíci lednu, z nichž je zřejmé, kdy je třeba nejvíce svítit a kdy správně regulovat soustavu pro osvětlení na požadovanou hodnotu podle normy [4].

Na obr. 5 je prostorový (3D) graf znázorňující potřebnou osvětlenost dotovanou osvětlovací soustavou v místnosti v průběhu dne v měsících červenci a lednu (data jsou pro první den v měsíci). Řada 1 je umístěna u okna a řada 10 je umístěna 5 m od okna. Hodnota zvolené udržované intenzity osvětlení požadované normou je 500 lx pro celý pracovní prostor [4]. Místa mimo tuto oblast je třeba osvětlit umělým osvětlením na hladinu 500 lx. Největších úspor při stmívání lze dosáhnout okolo 12:00 h, kdy je slunce nejvýše na obzoru a difuzní osvětlenost venkovní nezastíněné roviny má nejvyšší hodnoty.

Světelný tok soustavy umělého osvětlení V modelové místnosti je podle světelnětechnických výpočtů třeba světelný tok osvětlovacích soustav asi 7 500 lm pro udržované hodnoty osvětlenosti 500 lx na srovnávací rovině 0,85 m.

Na obr. 6 je znázorněn průběh potřebného světelného toku celé osvětlovací soustavy umělého osvětlení v měsíci lednu. Z průběhů tohoto dne lze určit, že úspory v tomto zimním období jsou minimální.

Osvětlovací soustava vzorové místnosti může v uvedeném období stmívat jen krátkou část dne a v malé části místnosti u oken. Na obr. 7 je průměrná potřeba světelného toku osvětlovací soustavy umělého osvětlení během celého roku. Maximální hodnota světelného toku, kterou může modelová osvětlovací soustava poskytovat, je 7 500 lm (viz obr. 6).

 

Obr. 5. Intenzita doplňujícího umělého osvětlení během dne v jednotlivých bodech (vlevo leden, vpravo červenec)

 Obr. 6. Potřebný průměrný světelný tok soustavy umělého osvětlení pro den v lednu

 Obr. 7. Potřebný světelný tok soustavy umělého osvětlení za rok

Obr. 8. Příkon osvětlovací soustavy v červnový den

Spotřeba elektrické energie osvětlovací soustavy

Osvětlení modelové místnosti pouze umělým osvětlením lze zajistit např. osvětlovací soustavou o příkonu 125 W (kancelářská zářivková svítidla osazená lineárními zářivkami o průměru 26 mm). Pro ukázku průběhu příkonů je na obr. 8 uveden příklad průběhu příkonů v nejlepším a nejhorším případě (červenec, leden). Z průběhu je patrné, že největší spotřeba elektrické energie je v brzkých ranních a pozdních večerních hodinách. Spotřeba osvětlovací soustavy je závislá na intenzitě osvětlení v místnosti, a tudíž i na venkovní difuzní osvětlenosti, která určuje, jaký příkon osvětlovací soustavy je zapotřebí pro dosažení žádaných osvětleností na pracovní srovnávací rovině.

Spotřeba elektrické energie pro modelovou osvětlovací soustavu je uvedena na obr. 9. Pohybuje se díky využití regulovatelné osvětlovací soustavy reagující na denní osvětlení maximálně do 2 kW·h za měsíc. Z tab. 1 je patrné, kdy přesně je třeba zvýšit intenzitu osvětlení E (lx) v jednotlivých bodech a časových intervalech ve zde uváděném modelovém prostoru. Hodnoty jsou z průběhu dne v měsíci lednu. V tab. 1 jsou barevně rozlišeny intenzity denních osvětleností. Červená barva označuje body, ve kterých musí soustava umělého osvětlení pracovat na 100 %, zatímco zelená oblast označuje oblasti, ve kterých soustavy umělého osvětlení mohou pracovat v režimu stmívání.

 

Obr. 9. Spotřeba elektrické energie během roku

Tab. 1. Osvětlenosti doplňujícího umělého osvětlení během letního dne v bodech č. 1 až 10 (od středu okna k protilehlé stěně místnosti) při požadované osvětlenosti sdruženého osvětlení 500 lx

Závěr

Článek popisuje zpracování podkladů vedoucích k vytvoření softwaru pro stanovení potenciálu úspor v soustavách sdruženého osvětlení. Jeho využití se předpokládá při navrhování a rekonstrukcích osvětlovacích soustav umělého osvětlení, energetických auditech budov a tvorbě doporučení pro snižování jejich energetické náročnosti.

Poděkování
Tento článek byl vypracován za podpory Nové možnosti LED technologií v osvětlování SP 2012/160.

Literatura:
[1] RYBÁR, P. a kol.: Denní osvětlení a oslunění budov. ERA, 2001, ISBN 80-86517-33-0.
[2] DARULA, S. a kol.: Osvětlování světlovody. Grada Publishing, 2009, ISBN 978-80-247- 2459-1.
[3] Program RELUX 2007 Professional.
[4] ČSN 73 0580-1 Denní osvětlení budov, ČSN 73 0580-2 Denní osvětlení obytných budov.
[5] ŠUMPICH, J. – SOKANSKÝ, K. – NOVÁK, T. – CARBOL, Z.: Stanovení denní osvětlenosti pod rovnoměrně zataženou oblohou za účelem snížení energetické náročnosti v budovách. In: Světlo 2011. Ostrava, VŠB-TU Ostrava, 2011, s. 207–209, ISBN 978-80-248-2480-2.
[6] ČSN EN 12464-1 Světlo a osvětlení – Osvětlení pracovních prostorů – Část 1: Vnitřní pracovní prostory.

Recenze: Ing. Pavel Novotný