ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

Transcript

1 3.7.1 μ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΧΩΡΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΦΩΤΙΣΜΟΥ LIGHTING SYSTEM MODELLING USING LIGHTING QUALITY OPTIMIZATION ALGORITHMS ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΛΑΜΠΡΙΔΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΓΩΓΟΓΛΟΥ ΑΝΤΩΝΙΑ 6913 ΙΩΑΝΝΙΔΟΥ ΧΡΥΣΟΥΛΑ 6929 ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2013

2 Copyright Γώγογλου Αντωνία, Ιωαννίδου Χρυσούλα 2013 Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τους συγγραφείς. [2]

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μοντελοποίηση των παραγόντων βελτιστοποίησης της ποιότητας συστημάτων φωτισμού με εφαρμογή σε χώρους εργασίας. Για το σκοπό αυτό μελετήσαμε την υπάρχουσα βιβλιογραφία (πρότυπα, δημοσιεύσεις, έρευνες, στατιστικά στοιχεία, κ. λ. π ) σχετικά με συστήματα ελέγχου και διαχείρισης φωτισμού. Εστιάζοντας στην ικανοποίηση του χρήστη και στην εξοικονόμηση ενέργειας μοντελοποιήσαμε ορισμένους από τους παράγοντες που συντελούν στη βελτιστοποίηση των παραπάνω συστημάτων. Αρχικά, θέτουμε το θεωρητικό υπόβαθρο για τα μεγέθη που θα μας απασχολήσουν και τα τεχνικά χαρακτηριστικά των χρησιμοποιούμενων συστημάτων (π. χ. λαμπτήρες, ballast). Στη συνέχεια περιγράφουμε τα υπάρχοντα πρότυπα που καθορίζουν τη λειτουργία των παραπάνω συστημάτων, στοιχεία εκ των οποίων χρησιμοποιούνται στην εκπόνηση αυτής της διπλωματικής. Ακολουθεί η ανάλυση των μεθόδων εξοικονόμησης ενέργειας στα συστήματα φωτισμού και του απαιτούμενου εξοπλισμού. Στο επόμενο βήμα ασχοληθήκαμε με τα υπάρχοντα αλγοριθμικά μοντέλα (Lightswitch 2002) που προσομοιώνουν τη λειτουργία των συστημάτων και, εμπλουτίζοντάς τα με μοντελοποιημένα στοιχεία για τις ανάγκες χρήστη αλλά και την επίδραση του περιβάλλοντος εργασίας σε αυτόν, οδηγηθήκαμε στη συγγραφή ενός δικού μας πρότυπου αλγορίθμου. Τέλος, ως παράδειγμα δείξαμε (με τη χρήση του προγράμματος Ecotect) ότι λαμβάνοντας υπόψη έστω και έναν μόνο παράγοντα από τους παραπάνω, αυτόν του φυσικού φωτισμού, υπάρχει βελτιστοποίηση του συστήματος φωτισμού και αισθητή εξοικονόμηση ενέργειας. Λέξεις κλειδιά: Φωτισμός κτιρίων γραφείου, τεχνητός φωτισμός, αξιοποίηση φυσικού φωτισμού, εξοικονόμηση ενέργειας, συστήματα φωτισμού. αλγοριθμική προσέγγιση, έξυπνα [3]

4 Abstract The subject of this thesis is the modeling of factors optimizing the quality of lighting systems used in workplace applications. For this purpose we studied the existing material (standards, publications, surveys, statistics, etc.) related to control systems and lighting management. Focusing on user satisfaction and energy saving we manage to model some of the factors that contribute to the optimization of these systems. Initially, we set the theoretical background for the values we are dealing with and the technical characteristics of the parts used (e.g. lamps, ballasts). Then we describe the existing standards that determine the function of these systems and are used in the preparation of this dissertation. Furthermore, we analyze the methods for energy saving in lighting systems and the equipment required. Later on, we deal with the existing algorithmic models (Lightswitch 2002) that simulate the operation of a lighting system and we try to improve upon them with data about user needs and environmental influence in the workplace. That led us to design our own innovative algorithm which is suitable for smart building applications and includes the aforementioned factors of optimization. Finally, we show an example of the effects this algorithm can have on an existing lighting system (using the program Ecotect); even taking into account only the aspect of natural lighting, the result is an optimized lighting system with considerable energy savings. [4]

5 Ευχαριστίες Αρχικά θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον επιβλέποντα Καθηγητή Δημήτρη Λαμπρίδη για την εμπιστοσύνη του και την ευκαιρία που μας έδωσε να εκπονήσουμε τη διπλωματική μας εργασία σε θέμα που αποτελεί κύριο μέρος των ενδιαφερόντων μας. Η άψογη συνεργασία και η καθοδήγησή του υπήρξαν για μας σημαντικά εφόδια για την επιτυχή ολοκλήρωσή της. Στα πλαίσια της εργασίας μας, είχαμε την ευκαιρία να συνεργαστούμε με τη διδάκτορα Βάνα Κατσανού. Η υποστήριξή της ήταν πολύπλευρη και καθοριστική. Με τις συμβουλές και τις επισημάνσεις της μας βοήθησε να κατανοήσουμε καλύτερα αρκετές πτυχές του αντικειμένου. Οι συνεχείς συζητήσεις μας μας βοήθησαν καθοριστικά στην επίλυση όλων των προβλημάτων που αντιμετωπίσαμε. Για όλα αυτά την ευχαριστούμε θερμά. [5]

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΦΩΤΟΤΕΧΝΙΑΣ Φωτομετρικά μεγέθη και μονάδες Ενεργειακή Φασματική Κατανομή Χρωματική απόδοση φωτεινής πηγής και δείκτης R α Θερμοκρασία και Χρώμα Φασματική ευαισθησία του ανθρώπινου οφθαλμού ΦΩΤΕΙΝΕΣ ΠΗΓΕΣ Είδη φωτεινών πηγών Χαρακτηριστικά μεγέθη λαμπτήρων Ιδιότητες και περιγραφή διαφόρων τύπων λαμπτήρων Λαμπτήρες πυράκτωσης Λαμπτήρες Αλογόνου Λαμπτήρες μεταλλικών αλογονιδίων Λαμπτήρες Φθορισμού Φωτοεκπέμπουσες δίοδοι (L.E.D.) 44 Σύγκριση απόδοσης λαμπτήρων ΕΥΡΩΠΑΙΚΑ ΠΡΟΤΥΠΑ Γενικά για τα πρότυπα (ΕΝ & ΕΝ ) 46 Α) ΤΟ ΕΥΡΩΠΑΙΚΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΕΝ Σχετικός συντελεστής φυσικού φωτισμού FD,n Παράμετροι εισερχόμενου φυσικού φωτισμού Συντελεστής εισερχόμενου φυσικού φωτισμού FD,S,n Συντελεστής αξιοποίησης φυσικού φωτισμού FD,C,n Συντελεστής παρουσίας F O Συντελεστής συντήρησης MF (Maintenance factor) Επιπλέον θεωρήσεις Προσωπική αυξομείωση του φωτός-individual lighting Αλγοριθμικός φωτισμός-algorithmic lighting Οδηγός φυσικού φωτισμού.. 57 [6]

7 Φωτοσωλήνες Κάθετες προσόψεις Ηλιοροφές.. 59 Β) ΤΟ ΕΥΡΩΠΑΙΚΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΕΝ Φως και φωτισμός - φωτισμός εργασιακών χώρων μέρος πρώτο: εσωτερικοί χώροι εργασίας Κριτήρια σχεδιασμού συστήματος φωτισμού Η συνεισφορά στη φωτεινότητα Φωτεινότητα Συνιστώμενες φωτεινότητες στην επιφάνεια εργασίας Ένταση φωτισμού της άμεσης γύρω περιοχής Ομοιομορφία Αντηλιά (Glare) Κατευθυνόμενος φωτισμός Μοντελοποίηση Χρωματική σκοπιά Χρωματική εμφάνιση Χρωματική απόδοση Flicker και στροβοσκοπικό φαινόμενο Φωτισμός γραφείων με οθόνη (Display Screen Equipment-DSE) Προγραμματισμός των απαιτήσεων φωτισμού ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΦΩΤΙΣΜΟΥ Εισαγωγή Σχεδιασμός συστήματος φωτισμού-κριτήρια Μέθοδοι εξοικονόμησης ενέργειας και αναβάθμισης συστημάτων φωτισμού Ηλεκτρονικά συστήματα έναυσης και λειτουργίας λαμπτήρων (electronic ballasts) Επιλογή φωτιστικών σωμάτων και λαμπτήρων Φωτιστικά σώματα Λαμπτήρες Φωτιστικά σώματα με λαμπτήρες Τ [7]

8 4.3.3 Κυκλώματα φωτισμού και διακόπτες Συντελεστής ισχύος Συντήρηση εγκατάστασης φωτισμού Συμπεράσματα - παρατηρήσεις Αυτοματισμοί - Στρατηγικές ελέγχου φωτισμού Αξιοποίηση φυσικού φωτισμού Ζώνες ελέγχου φωτισμού Εγκατάσταση αισθητήρων φωτισμού Χρησιμοποίηση αρχιτεκτονικών λύσεων για την αξιοποίηση φυσικού φωτισμού Προγραμματισμός Διατήρηση των επιπέδων φωτισμού Ρύθμιση επιπέδων φωτισμού ανά περιοχή εκτέλεσης εργασιών Εξισορρόπηση λαμπρότητας Εξομάλυνση φορτίου και μείωση της ζήτησης ισχύς Συστήματα κεντρικής διαχείρισης Στρατηγικές ελέγχου φωτισμού για αισθητικούς λόγους ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΓΙΑ ΕΛΕΓΧΟ ΦΩΤΙΣΜΟΥ Ηλεκτρονικά Συστήματα έναυσης και λειτουργίας λαμπτήρων Ηλεκτρονικά Συστήματα έναυσης και λειτουργίας λαμπτήρων με δυνατότητα ρύθμισης της τάσης φωτισμού Αισθητήρες φωτισμού Χρονοδιακόπτες Αισθητήρες παρουσίας/κίνησης Τοπικοί διακόπτες έναυσης ΑΛΓΟΡΙΘΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ-ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ/ΜΟΝΤΕΛΑ-ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Παρουσίαση Lightswitch Τοποθέτηση του Lightswitch2002 στα πλαίσια των κανονισμών και αναγκών Έλεγχος ηλεκτρικού συστήματος φωτισμού [8]

9 6.3.3 Έλεγχος συστήματος περσίδων Είδη χρηστών Περιορισμοί του μοντέλου Συμπεράσματα Η νέα αλγοριθμική προσέγγιση Εισαγωγή Διαφορές με Lightswitch Περιβάλλον λειτουργίας (Interface)-Είσοδος/Έξοδος Ανάλυση αλγορίθμου κατά βήμα Περσίδες Τεχνητός φωτισμός ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [9]

10 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ Για την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής απαιτήθηκε μια μελέτη της υπάρχουσας βιβλιογραφίας πάνω στις βασικές έννοιες και μεγέθη φωτισμού καθώς και στις χρησιμοποιούμενες τεχνικές και μέσα φωτισμού (κεφάλαια 1,2). Βασιζόμενοι κυρίως στο εγχειρίδιο φωτισμού IESNA LIGHTING HANDBOOK (αναφορά 7) και στη βιβλιογραφία του κυρίου Τοπαλή (αναφορά 6) κατανοήσαμε και επεξηγούμε παρακάτω μεγέθη και σχέσεις σχετικά με τη μέτρηση του φωτισμού, τον τρόπο που αυτός γίνεται αντιληπτός από τον άνθρωπο και τους διάφορους συντελεστές που χαρακτηρίζουν το είδος και την ποιότητα αυτού. Με χρήση πινάκων και των απαραίτητων ορισμών επιχειρούμε να δώσουμε στον αναγνώστη μια εποπτική προσέγγιση των απαιτούμενων στοιχείων φωτισμού που θα χρησιμοποιηθούν παρακάτω. Συμπεριλαμβάνεται επίσης μια σύντομη περιγραφή των τεχνικών στοιχείων φωτισμού (λάμπες, ballast, κ.λ.π ) επικεντρωμένη σε αυτά που χρησιμοποιούνται σε χώρους εργασίας, καθώς και μία ποιοτική σύγκρισή τους. Εν συνεχεία γίνεται αναφορά σε αποσπάσματα από τα ευρωπαϊκά πρότυπα που διέπουν τη σχεδίαση και λειτουργία των συστημάτων φωτισμού (ΕΝ & ΕΝ ) (κεφάλαιο 3). Από τα πρότυπα αυτά μας απασχόλησαν κυρίως κάποιοι μαθηματικοποιημένοι συντελεστές που μοντελοποιούν χρήσιμα μεγέθη όπως ο εισερχόμενος φυσικός φωτισμός, η συντήρηση του συστήματος φωτισμού, η αντηλιά, η θάμβωση, κ.λ.π). Επιπλέον, κάποιες τεχνικές που εισάγονται για τη βελτίωση των συστημάτων φωτισμού, όπως η προσωπική αυξομείωση φωτισμού (dimming), ο αλγοριθμικός φωτισμός και τεχνικοί τρόποι εκμετάλλευσης του φυσικού φωτισμού( ηλιοροφές, φωτοσωλήνες, κ.λ.π ). Στα πρότυπα αυτά αναλύονται και τα κριτήρια που λαμβάνονται υπόψη στη σχεδίαση αυτών των συστημάτων και ο προγραμματισμός των μεθόδων φωτισμού με διάφορα μοντέλα. [10]

11 ΥΠΑΡΧΟΝΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Στα επόμενα δύο κεφάλαια (κεφάλαια 4 και 5) συγκεκριμενοποιούνται οι τεχνικές σχεδίασης συστημάτων φωτισμού με γνώμονα την εξοικονόμηση ενέργειας και τη γενικότερη αναβάθμιση των συστημάτων. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση ηλεκτρονικών συστημάτων έναυσης και λειτουργίας λαμπτήρων, με κατάλληλο συνδυασμό φωτιστικών σωμάτων, λαμπτήρων και διακοπτών όπως επίσης και με τη χρήση αυτοματισμών (π.χ αισθητήρων φωτισμού ή παρουσίας/κίνησης, χρονοδιακοπτών, κ.λ.π.) για τον έλεγχο και τον καλύτερο συντονισμό τους. Μεταξύ χρησιμοποιούμενων στρατηγικών αναβάθμισης των συστημάτων βρίσκονται η κατάτμηση σε ζώνες και η προσπάθεια εξομάλυνσης του φορτίου με συνεπακόλουθη μείωση της ζητούμενης ισχύος και βελτίωση του συντελεστή ισχύος. Οι λύσεις που οδηγούν στην κατεύθυνση αυτή είναι τόσο αρχιτεκτονικές/τεχνικές όσο και προγραμματιστικές ( αυτόματος και μη αυτόματος προγραμματισμός ). Στις τελευταίες ανήκουν τα συστήματα κεντρικής διαχείρισης (BEMS) τα οποία αποτελούν το πρώιμο στάδιο και τη βάση των έξυπνων αλγοριθμικών συστημάτων που θα επιχειρήσουμε να μοντελοποιήσουμε παρακάτω. ΑΛΓΟΡΙΘΜΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ Το κεφάλαιο 6 επικεντρώνεται στην ανάλυση αλγορίθμων διαμορφωμένων για έξυπνα συστήματα, τα οποία βασίζονται σε λήψη δεδομένων από αισθητήρες και όχι τυποποιημένα δεδομένα από στατιστικές έρευνες. Με αυτή την αλγοριθμική προσέγγιση οδηγούμαστε σε συστήματα που διαθέτουν «μνήμη» και «εμπειρία» προσανατολισμένα στην πρόβλεψη και ικανοποίηση των απαιτήσεων του χρήστη. Αρχικά γίνεται μια ιστορική αναδρομή των μοντέλων που έχουν προταθεί για τη λειτουργία των παραπάνω συστημάτων και κυρίως του αλγορίθμου Lightswitch2002 πάνω στον οποίο στηριζόμαστε για την ανάπτυξη της προσέγγισής μας. Ο Lightswitch2002 προσομοιώνει τον έλεγχο χειροκίνητο και αυτόματο του συστήματος περσίδων και ηλεκτρικού φωτισμού χρησιμοποιώντας συγκεκριμένους τύπους χρήστη και παραδοχές. Υπάρχουν όμως περιορισμοί στο συγκεκριμένο μοντέλο και συγκεκριμένα η έλλειψη dimming, η απόλυτες καταστάσεις των περσίδων, η αγνόηση των προσωπικών προτιμήσεων του χρήστη και της κατάστασης του χώρου. [11]

12 Πάνω σε αυτό το μοντέλο προσπαθήσαμε να προσθέσουμε παράγοντες και επιπλέον μοντέλα, με σκοπό να καλύψουμε τις ελλείψεις του Lightswitch2002 και να δημιουργήσουμε ένα σύστημα πιο επικεντρωμένο στις ανάγκες του χρήστη αλλά και στην βέλτιστη λειτουργία και εξοικονόμηση ενέργειας. Εστιάζουμε στο λογικό διάγραμμα και στην αναλυτική περιγραφή βήμα - βήμα του τρόπου εκτέλεσης του αλγορίθμου, στις μεταβλητές, στους συντελεστές και τις αποθηκευμένες πληροφορίες που χρησιμοποιούνται στην λειτουργία του συστήματος συνολικά. Συμπεριλαμβάνονται οι πίνακες, οι μελέτες και οι παραδοχές που πραγματοποιήθηκαν για τη δημιουργία της βάσης δεδομένων του αλγορίθμου. Συνοπτικά η λειτουργία του συστήματος που προκύπτει φαίνεται στην παρακάτω εικόνα: ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του προγράμματος Ecotect με σκοπό την ανάδειξη της βελτίωσης που επέρχεται στο σύστημα φωτισμού με τη χρησιμοποίηση ενός μόνου από τους παράγοντες που αναλύονται στον αλγόριθμό μας, αυτό του εισερχόμενου φυσικού φωτισμού. Για δύο γραφεία του κτιρίου Δ, ένα στον 4 ο όροφο και ένα στο υπόγειο του κτιρίου πραγματοποιήσαμε προσομοιώσεις που αντιπροσωπεύουν τον τρόπο λειτουργίας ενός συστήματος χωρίς κανέναν έλεγχο και στη συνέχεια με έλεγχο των επιπέδων εισερχόμενου φυσικού φωτισμού και ανάλογη προσαρμογή του τεχνητού φωτισμού. Επίσης, λήφθηκαν υπόψη τα είδη του χρήστη που καταδείξαμε στον αλγόριθμό μας και έγινε σύγκριση των επιπέδων φωτεινότητας που προέκυψαν με αυτά που ικανοποιούν τον κάθε χρήστη χωριστά. Το αποτέλεσμα, όπως αναλύεται παρακάτω, υποστηρίζει την αρχική μας θεώρηση ότι το σύστημα αναβαθμίζεται και ποιοτικά και ενεργειακά. [12]

13 1. ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΦΩΤΟΤΕΧΝΙΑΣ Φωτομετρικά μεγέθη και μονάδες Φωτεινή Ισχύς ή Φωτεινή Ροή (Luminous flux) [lm] Η φωτεινή ροή μετριέται σε lumen (lm) και εκφράζει τη συνολική ποσότητα φωτός που εκπέμπεται ανά δευτερόλεπτο από μία πηγή φωτός. Δίνεται από τον τύπο: 700nm P( ) V ( ) d (Σχέση 1.1) 300nm όπου και P( ) V ( ) η ακτινοβολία η οποία μετράται σε Watt η ευαισθησία του ματιού Km =683 lumen/watt μία σταθερά. Η απόχρωση του φωτός έχει σημασία στη φωτεινή πηγή. Για το κίτρινο φως ισχύει V( ) 0.9 ενώ για το μπλε φως V( ) 0.1. Άρα για την παραγωγή 1 lm φωτός χρειαζόμαστε πολύ περισσότερα Watt μπλε ακτινοβολίας και πολύ λιγότερα Watt κίτρινης ακτινοβολίας. Οι λαμπτήρες χρησιμεύουν για την μετατροπή της ηλεκτρικής ισχύος σε φωτεινή. Όπως οι ηλεκτρικές συσκευές χαρακτηρίζονται από την ηλεκτρική τους ισχύ, έτσι και οι λαμπτήρες χαρακτηρίζονται από τη φωτεινή ροή. Η φωτεινή ροή από μία πηγή φωτός δεν ακτινοβολείται ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις. Μόνο στις σημειακές πηγές συμβαίνει αυτό. Επομένως ορίζουμε το μέγεθος της στερεάς γωνίας. Σε μια σφαίρα ακτίνας r, ο κώνος που αποκόπτει A επιφάνεια Α, περικλείει στερεά γωνία (Σχέση 1.2). 2 r Εικόνα 1.1 Η στερεά γωνία έχει μονάδα το Στερακτίνιο (Steradian) με συντόμευση sr. Αν η αποκοπτόμενη επιφάνεια A είναι η συνολική επιφάνεια της σφαίρας (δηλαδή εάν έχουμε μία φωτεινή πηγή που εκπέμπει προς όλες τις κατευθύνσεις) : 2 2 A 4 r A 4 r οπότε 4 και άρα Ωmax= 4π. 2 2 r r [13]

14 1.1.2 Φωτεινή Ένταση I (Luminous intensity) [cd] Φωτεινή ένταση I είναι η ποσότητα φωτεινής ροής dφ (lumen) ανά μονάδα στερεάς γωνίας dω (steradian). Είναι το μέρος της φωτεινής ροής της πηγής που εκπέμπεται προς μια κατεύθυνση μέσα σε μία συγκεκριμένη στερεά γωνία. Δίνεται από τον τύπο (Σχέση 1.3) και έχει μονάδα την candela ( lm cd sr ). d I d Candela είναι η φωτεινή ένταση πηγής προς καθορισμένη κατεύθυνση που εκπέμπει μονοχρωματικό φως στη συχνότητα Hz (540 TeraHz ~ λ=555 nm) και της οποίας η ισχύς στην κατεύθυνση αυτή είναι 1/683 Watt ανά στερακτίνιο. Η Candela είναι θεμελιώδες μέγεθος του SI παρόλο που για τον ορισμό της χρησιμοποιείται το Watt το οποίο είναι παράγωγο μέγεθος του SI Απόδοση ηλεκτρικής Φωτεινής Πηγής (Luminous efficiency) [lm/w] Η απόδοση μιας φωτεινής πηγής εκφράζει το ποσό της αποδιδόμενης φωτεινής ροής για κάθε Watt καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ισχύος. Αύξηση των Lumen ανά καταναλισκόμενο Watt σημαίνει υψηλότερη απόδοση και χαμηλότερη κατανάλωση lm ενέργειας. Ισχύει δηλαδή: (Σχέση 1.4) P W Η απόδοση κυμαίνεται από 8 έως 150 lm/w. Οι χαμηλές τιμές ισχύουν για λαμπτήρες πυράκτωσης και οι υψηλές για λαμπτήρες νατρίου χαμηλής πίεσης. Η τιμή της απόδοσης μπορεί να δίνεται μόνο για το λαμπτήρα ή όπως συνήθως για το λαμπτήρα συμπεριλαμβανομένων των πηνίων (ballasts). [14]

15 1.1.4 Ένταση Φωτισμού Επιφανείας E (Illuminance) [lux] Ένταση φωτισμού E είναι το μέτρο της φωτεινής ροής dφ (lumen) ανά μονάδα da (m 2 ) φωτιζόμενης επιφάνειας. Δίνεται από τον τύπο lm lux 2 m. d da (Σχέση 1.5) και έχει μονάδα το Η μέτρηση της έντασης φωτισμού Ε μιας επιφάνειας γίνεται με το λουξόμετρο. Αυτό αποτελείται από ένα φωτοστοιχείο που συνδέεται με ένα μιλλιβολτόμετρο. Το μέγεθος της αναπτυσσόμενης ΗΕΔ στα άκρα του φωτοστοιχείου, άρα και η ένδειξη του μιλλιβολτομέτρου, εξαρτώνται από την ποσότητα του φωτός που προσπίπτει πάνω στην επιφάνεια του φωτοστοιχείου του οργάνου. Τα λουξόμετρα (μετρητές έντασης φωτισμού) μπορεί να είναι είτε φορητά (γενικής χρήσης, ακρίβειας δεκαδικών ή υψηλής ακρίβειας) είτε επιτραπέζια (για εργαστήρια) Λαμπρότητα (Luminance) [cd/m 2 ] Ορίζεται ως το πηλίκο της Φωτεινής Έντασης Ι της πηγής στην κατεύθυνση του παρατηρητή προς το εμβαδόν Α της επιφάνειας της πηγής το οποίο βλέπει ο παρατηρητής. Εξαρτάται από τη θέση που παρατηρούμε την πηγή. Αν αλλάξουμε θέση αλλάζει η φαινόμενη επιφάνεια άρα αλλάζει και η λαμπρότητα. Η λαμπρότητα περιγράφει δηλαδή το φως το οποίο εκπέμπεται από μία περιοχή προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Δίνεται από τον I cd τύπο L (Σχέση 1.6) και έχει μονάδα Nit. 2 A m Η λαμπρότητα αποτελεί βασικό μέγεθος της φωτοτεχνίας καθώς προκαλεί στο ανθρώπινο μάτι το αίσθημα της φωτεινότητας των διαφόρων αντικειμένων. Τα διάφορα αντικείμενα διακρίνονται από την λαμπρότητα με την οποία ακτινοβολούν το φως προς την κατεύθυνση του παρατηρητή. Δεν έχει καμία σημασία αν η επιφάνεια είναι αυτόφωτη (εκπέμπει φως) ή ετερόφωτη (δέχεται φως που είτε το ανακλά είτε το διαχέει). [15]

16 Παρατηρώντας δύο φωτεινές μη σημειακές πηγές που έχουν την ίδια φωτεινή ένταση Ι αλλά διαφορετικές διαστάσεις, θα διαπιστώσουμε ότι η πηγή που έχει την μικρότερη επιφάνεια δίνει την εντύπωση ότι είναι λαμπρότερη από την άλλη. Υψηλές τιμές λαμπρότητας προκαλούν θάμβωση (glare), η οποία επηρεάζει την ικανότητα της όρασης. Μερικές φωτεινές πηγές έχουν τόσο μεγάλη λαμπρότητα, ώστε να μην μπορούν να χρησιμοποιηθούν παρά μόνο μέσα σε κατάλληλους διαφανείς κώδωνες. Η λαμπρότητα μετριέται με λαμπρόμετρα τα οποία είναι είτε απλά φορητά είτε λαμπρόμετρα spot με σκόπευτρο ή κάμερες. Εναλλακτικά δίνεται από τον τύπο E L (Σχέση 1.7). Το παρακάτω σχήμα περιγράφει συνοπτικά τα βασικά μεγέθη του φωτισμού. Εικόνα 1.2 [16]

17 1.1.6 Φωτομετρικός νόμος αποστάσεων Η φωτεινή πηγή Π του σχήματος βρίσκεται στο κέντρο σφαίρας ακτίνας r και ακτινοβολεί με ένταση φωτισμού Ι σταθερή μέσα σε μια στερεά γωνία Ω, η οποία τέμνει τη σφαίρα κατά την επιφάνεια Α. A r 2 A r (από Σχέση 1.2) 2 I I Η ένταση φωτισμού επιφανείας Ε θα είναι : E 2 2 A r r (από Σχέση 1.5) Αν η επιφάνεια Α είναι αρκετά μικρή, μπορεί με αρκετή ακρίβεια να θεωρηθεί επίπεδη. Άρα r = d. I Επομένως είναι E (Σχέση 1.7), όπου d είναι η απόσταση της φωτιζόμενης 2 d επιφάνειας από τη φωτεινή πηγή. Σχήμα 2.1 Υπολογισμός Έντασης φωτισμού [17]

18 1.1.7 Φωτομετρικός νόμος συνημίτονου Αν η επιφάνεια Α δεν είναι κάθετη προς την κατεύθυνση της φωτεινής ροής Φ ακολουθούμε την παρακάτω διαδικασία: E (από Σχέση 1.5) E E (Σχέση 1.8) Από τις παραπάνω σχέσεις προκύπτει η ισοδυναμία : E E0 0 I Με βάση την σχέση E (από Σχέση 1.7) έχουμε: 2 d I E I E 0 E (Σχέση 1.9) 2 2 d d d 2 Σχήμα 1.2 Ένταση φωτισμού επιφανείας S μη κάθετης προς την φωτεινή ροή [18]

19 Ενεργειακή Φασματική Κατανομή Το φως είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, όχι οποιαδήποτε αλλά αυτή που εκπέμπεται σε τέτοιο μήκος κύματος ώστε να διεγείρει τον ανθρώπινο οφθαλμό. Το φως αποτελείται από ένα μίγμα ακτινοβολιών, τα χρώματα (μονοχρωματικές ακτινοβολίες) που γίνονται αντιληπτά από το ανθρώπινο μάτι και έχουν μήκη κύματος από 380nm έως 760nm καθώς μεταβάλλονται από το μωβ χρώμα ( nm) προς το κόκκινο χρώμα ( nm). Εικόνα 1.3 Χρώμα Μήκος κύματος (nm) Κόκκινο Πορτοκαλί Κίτρινο Πράσινο Μπλε Λιλά Μωβ Πίνακας 1.1 Το φως των διαφόρων φωτεινών πηγών ποικίλει σε ποσοστό χρωματικής ακτινοβολίας που περιέχει. Αυτό καθορίζεται από την ενεργειακή φασματική κατανομή του. Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται οι ακτινοβολίες πέρα από τα όρια του ορατού φωτός. [19] Εικόνα 1.4

20 Χρωματική απόδοση φωτεινής πηγής και δείκτης Rα Κάθε αντικείμενο απορροφά, ολικά ή μερικά, διάφορα μήκη κύματος της ακτινοβολίας που πέφτει πάνω του και ανακλά τα υπόλοιπα. Ο συντελεστής απορροφήσεως και ο συντελεστής ανακλάσεως ενός υλικού δεν είναι ίδιος για όλα τα μήκη κύματος, με αποτέλεσμα η ενεργειακή φασματική κατανομή του φωτός, το οποίο μετά την ανάκλαση προσπίπτει στο ανθρώπινο μάτι, να είναι διάφορος της ενεργειακής φασματικής κατανομής του φωτός που φωτίζει το αντικείμενο. Για να αποδώσει σωστά μια επιφάνεια το χρώμα της πρέπει το φως που θα τη φωτίσει να περιέχει όλα τα μήκη κύματος των ακτινοβολιών σε σωστή αναλογία. Το ηλιακό φως έχει αυτή την ιδιότητα, ενώ το τεχνικό φως που προέρχεται από λαμπτήρες υστερεί λίγο ή πολύ σ αυτό. Πρωταρχικό ρόλο στην πιστότητα απόδοσης ενός χρώματος έχει η ενεργειακή κατανομή της φωτεινής πηγής. Ένα αντικείμενο που φωτίζεται χωριστά από δύο πηγές με διαφορετική ενεργειακή φασματική κατανομή μπορεί να δίνει το ίδιο χρωματικό αίσθημα αλλά κατά τελείως διαφορετικό τρόπο. Η ποιότητα του χρώματος μιας φωτεινής πηγής εκφράζεται από έναν αριθμό μεταξύ 0 και 100. Έγχρωμα δείγματα φωτίζονται από τη φωτεινή πηγή και μετράται το ανακλώμενο φως. Έτσι ορίζεται ο συντελεστής CRI (Colour Rendering Index) ή Rα, ο οποίος εκφράζει το συνολικό αποτέλεσμα από όλες τις ανακλάσεις. Ο δείκτης αυτός καθορίζει την πυκνότητα με την οποία το φως μιας φωτεινής πηγής αποδίδει τα χρώματα σε σύγκριση με άλλη πηγή που θεωρείται πρότυπη. Η σύγκριση δύο πηγών με κριτήριο το δείκτη χρωματικής απόδοσης δεν μπορεί να γίνει παρά μόνο όταν οι δύο πηγές έχουν την ίδια θερμοκρασία χρώματος. Σαν πηγή αναφοράς λαμβάνεται το μέλαν σώμα στους 3000K, όπου ο δείκτης Rα είναι ίσος με 100. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής θα ασχοληθούμε με χώρους γραφείων οπότε οι τιμές του CRI που θα μας απασχολήσουν είναι επιλεγμένες από τον παρακάτω πίνακα. [20] Πίνακας 1.2 Για τιμές του CRI (Ra) μεταξύ 80 και 90 γίνεται ακριβής διαχωρισμός των χρωμάτων από το χρήστη σε γραφεία, ξενοδοχεία, σχολεία, κ.τ.λ.

21 Γενικά όσο μεγαλύτερος είναι ο δείκτης CRI του φωτιστικού, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντίθεση χρωμάτων και άρα η άνεση για να γίνουν οι απαραίτητες διακρίσεις. Θερμοκρασία και Χρώμα Το χρώμα των φωτεινών πηγών το μετράμε συγκρίνοντάς το με το χρώμα της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος. Η συσχετισμένη θερμοκρασία χρώματος CCT (Correlated Color Temperature) είναι το μέτρο για να περιγράψουμε το χρώμα των φωτεινών πηγών. Εκφράζεται με την ισοδύναμη θερμοκρασία στην οποία όταν βρεθεί το μέλαν σώμα θα παράγει φως του ιδίου χρώματος με την πηγή. Το μέλαν σώμα απορροφά όλες τις ακτινοβολίες (Πομπός Planck). Χαρακτηρίζεται από δύο φυσικά μεγέθη, τη θερμοκρασία και το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που εκπέμπει και ακτινοβολεί με μήκος κύματος που εξαρτάται από τη θερμοκρασία του. Η ακτινοβολία του μέλανος σώματος ορίζεται από το νόμο του Planck: P 2 c hc 2 5 kt ( e 1) (Σχέση 1.10) όπου h η σταθερά του Planck (6, J s) c η ταχύτητα φωτός (2, m/s) k η σταθερά Boltzman (1, J/K) λ το μήκος κύματος (m) t η θερμοκρασία μέλανος σώματος (Κ) και Pλ Watt ακτινοβολίας ανά m 2 επιφανείας μέλανος σώματος ανά m μήκους κύματος, δηλαδή W/m 3. Ακολούθησαν άλλοι τρεις νόμοι: Ο Νόμος Stefan Boltzman: P= σ Τ 4 [W/m 2 ] (Σχέση 1.11) Ο Νόμος ακτινοβολίας του Wien: Pmax (λ) ~ Τ 4 (Σχέση 1.12) [21]

22 Σχήμα 1.3 Και ο Νόμος μετατόπισης του Wien: λmax T = 0, m K = σταθερό (Σχέση 1.13) Σχήμα 1.4 Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία του μέλανος σώματος, τότε μετατοπίζεται το μέγιστο του φάσματος προς τα μικρότερα μήκη κύματος. Λέγοντας ότι ένας λαμπτήρας έχει θερμοκρασία χρώματος Tc (σε Kelvin) εννοούμε ότι η ενεργειακή φασματική κατανομή του φωτός που εκπέμπει μοιάζει με εκείνη της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το μέλαν σώμα όταν βρίσκεται στη θερμοκρασία Tc. Το φάσμα των λαμπτήρων πυρακτώσεως ταιριάζει στο φάσμα του μέλανος σώματος. [22]

23 Το χρώμα του φωτός που εκπέμπει μια φωτεινή πηγή επηρεάζει την ατμόσφαιρα ενός χώρου. Έτσι αν ένας χώρος φωτίζεται με λαμπτήρες πυρακτώσεως, μας δημιουργεί μια θερμή εντύπωση σε αντίθεση με την ψυχρή εντύπωση που μας δημιουργείται όταν ο ίδιος χώρος φωτίζεται με λαμπτήρες υδραργύρου μη διορθωμένου φάσματος. Η θερμή εντύπωση δημιουργείται από το πλούσιο σε ερυθρές ακτινοβολίες φως του λαμπτήρα πυράκτωσης, ενώ η ψυχρή εντύπωση από το μεγάλο ποσοστό κυανής και κίτρινης ακτινοβολίας με λαμπτήρες υδραργύρου μη διορθωμένου φάσματος. Φασματική ευαισθησία του ανθρώπινου οφθαλμού Οι φωτεινές ακτίνες όταν προσπέσουν στο μάτι μας περνούν τα διαφανή στοιχεία του (τον κερατοειδή, το υδατοειδές υγρό, το φακό και το υαλοειδές σώμα) που λέγονται και διαθλαστικά μέσα και συγκεντρώνονται στον αμφιβληστροειδή (ωχρά κηλίδα). Οι ακτίνες αυτές ερεθίζουν τους φωτοανιχνευτές του ανθρώπινου οφθαλμού προκαλώντας φωτοχημικές αντιδράσεις. Υπάρχουν δύο κατηγορίες φωτοανιχνευτών: τα ραβδία και τα κωνία, που έχουν παρόμοια κατασκευή αλλά είναι ευαίσθητα σε διαφορετικά επίπεδα φωτισμού. Τα ραβδία είναι ευαίσθητα σε πολύ χαμηλά επίπεδα φωτισμού και φθάνουν στην μέγιστη απόδοσή τους σε μέτρια επίπεδα φωτισμού (στα 507nm). Σε μεγαλύτερα επίπεδα φωτισμού η απόδοσή τους δεν εξαρτάται από τον ίδιο τον φωτισμό. Επίσης δεν αντιλαμβάνονται χρώμα και ξεχωρίζουν μόνο μαύρο, άσπρο και αποχρώσεις του γκρίζου. Είναι υπεύθυνα για την περιφερειακή όραση και αναγνώριση της κίνησης, είναι χίλιες φορές πιο ευαίσθητα από τα κωνία και η όραση που οφείλεται σ αυτά ονομάζεται σκοτοπική (όραση νύχτας). Τα κωνία αντίθετα είναι πολύ λιγότερο ευαίσθητα στον χαμηλό φωτισμό, ανταποκρίνονται όμως σε υψηλά επίπεδα φωτισμού, ενώ σε αυτά δεν παρουσιάζεται το φαινόμενο κορεσμού. Είναι υπεύθυνα για την κεντρική όραση, είναι λιγότερο ευαίσθητα από τα ραβδία, έχουν μέγιστη ευαισθησία στα 555nm και είναι υπεύθυνα και για την αναγνώριση χρωμάτων. Η όραση που οφείλεται σ αυτά ονομάζεται φωτοπική (φως ημέρας, φωτισμένοι χώροι). [23]

24 Κατανομή κωνίων και ραβδίων: Σχήμα 1.5 Το μέγεθος της ανταπόκρισης του οφθαλμού στο φως εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Δύο από τους βασικότερους είναι το μήκος κύματος και η λαμπρότητα της πηγής. Την εξάρτηση της οπτικής ανταπόκρισης του ανθρώπινου οφθαλμού από το μήκος κύματος της προσπίπτουσας σε αυτό ακτινοβολίας, ονομάζουμε φασματική ευαισθησία. Μία κύρια παράμετρος που επηρεάζει την φασματική ευαισθησία είναι η λαμπρότητα. Ονομάζουμε σχετική φασματική ευαισθησία του ανθρώπινου οφθαλμού την «κανονικοποιημένη» φασματική ευαισθησία που ορίζεται (για μια μονοχρωματική ακτινοβολία μήκους κύματος λ) ως ο λόγος της ροής σε μήκος κύματος λm προς αυτήν σε μήκος κύματος λ, έτσι ώστε και οι δύο ακτινοβολίες να παράγουν ίδια ένταση φωτεινής αίσθησης κάτω από καθορισμένες φωτομετρικές συνθήκες. Η λm έχει επιλεγεί με τέτοιο τρόπο ώστε η μέγιστη τιμή αυτού του λόγου να είναι 1. Η περιοχή της λαμπρότητας μέσα στην οποία υπάρχει η αίσθηση της όρασης χωρίζεται σε τρεις περιοχές: Εικόνα 1.5 [24]

25 Φωτοπική περιοχή (φως ημέρας): στην περίπτωση αυτή η λαμπρότητα είναι μεγαλύτερη από 10 cd/m 2 και η όραση οφείλεται κυρίως στα κωνία. Σκοτοπική περιοχή (έναστρος ουρανός): η λαμπρότητα είναι μικρότερη από 10-2 cd/m 2 και η όραση οφείλεται αποκλειστικά στα ραβδία. Μεσοπική περιοχή: η περιοχή αυτή είναι το μεταβατικό στάδιο από το ένα είδος όρασης στον άλλο. Η λαμπρότητα είναι από έως 3 cd/m 2. Στην περιοχή αυτή συνεισφέρουν στην αίσθηση της όρασης όλα τα είδη των φωτοανιχνευτών. Οι προδιαγραφές που πρέπει να ικανοποιούν τα φωτομετρικά μεγέθη στην περίπτωση φωτισμού δρόμων (μεταξύ 0.5 και 2 cd/m2) βρίσκονται στην μεσοπική περιοχή. Κατά την νυκτερινή οδήγηση, η όποια βοήθεια λαμβάνει ο οδηγός από τους προβολείς του οχήματος που οδηγεί, περιορίζονται σε ένα πολύ συγκεκριμένο εύρος, με αποτέλεσμα η δημιουργούμενη μέση λαμπρότητα να βρίσκεται στην μεσοπική περιοχή. Τα ονομαστικά lumen ενός λαμπτήρα έχουν ισχύ εφόσον ο ανθρώπινος οφθαλμός λειτουργεί σε φωτοπικές συνθήκες. Όταν ένας λαμπτήρας γίνεται αντιληπτός σε μεσοπικές συνθήκες λαμπρότητας, τότε τα αποδιδόμενα lumen μεταβάλλονται ανάλογα με την φασματική κατανομή που παρουσιάζει ο λαμπτήρας. Εάν το φάσμα του λαμπτήρα είναι πλούσιο σε μικρά μήκη κύματος, τότε η απόδοσή του στην μεσοπική περιοχή αυξάνεται, εάν είναι πλούσιο σε μεγάλα μήκη κύματος αυτή μειώνεται. Συνεπώς μια μελέτη φωτισμού που γίνεται με την χρήση των ονομαστικών lumen του λαμπτήρα, δεν θα ικανοποιεί και τις προδιαγραφές φωτισμού. Οι λαμπτήρες υψηλής πίεσης νατρίου, οι οποίοι κατά κόρον χρησιμοποιούνται και στη χώρα μας, υπό συνθήκες μεσοπικής όρασης δεν αποδίδουν τα ονομαστικά lumen. Λόγω της διαφοροποιημένης φασματικής ευαισθησίας του ανθρώπινου οφθαλμού στην μεσοπική περιοχή, η απόδοσή τους είναι μικρότερη. Αντίθετα οι λαμπτήρες μεταλλικών αλογονιδίων έχουν καλύτερη απόδοση στην μεσοπική περιοχή. Σχήμα 1.6 Παραπάνω εικονίζονται η φωτοπική και η σκοτοπική συνάρτηση. [25]

26 2. ΦΩΤΕΙΝΕΣ ΠΗΓΕΣ Είδη φωτεινών πηγών Στις εγκαταστάσεις φωτισμού διακρίνουμε τους λαμπτήρες και τα φωτιστικά σώματα. Τα σώματα περιέχουν τη στήριξη των λαμπτήρων, τους ανακλαστήρες και ενδεχομένως παρελκόμενα π.χ. εκκινητές ή ρυθμιστές έντασης και διευθυνσιοδοτήσεις. Τα σώματα μπορεί να έχουν έναν ή περισσότερους λαμπτήρες. Σε λαμπτήρες γίνεται χρήση δύο μεθόδων παραγωγής ακτινοβολίας: 1. Πυράκτωση νήματος βολφραμίου στους 2600 ο C περίπου οπότε μιλούμε για λαμπτήρες πυράκτωσης, η λειτουργία των οποίων βασίζεται στην πυράκτωση νήματος με βάση το νόμο του Joule. Δεν χρειάζονται βοηθητικές διατάξεις για να λειτουργήσουν. 2. Εκκένωση σε ατμούς υδραργύρου Hg ή νατρίου Na χαμηλής (1 mbar) ή υψηλής (0.2bar) πίεσης. Για ειδικούς σκοπούς χρησιμοποιούνται και λαμπτήρες ξένου ή νέου. Η λειτουργία των λαμπτήρων εκκένωσης βασίζεται στα φαινόμενα εκκενώσεως. Το φως προέρχεται από τον ιονισμό και τη διέγερση ατόμων του στοιχείου που βρίσκεται μέσα στον λαμπτήρα και το οποίο δίνει την ονομασία του στον λαμπτήρα. Οι λαμπτήρες ξένου λειτουργούν με εκκένωση τόξου μικρού μήκους με μεγάλη ισχύ. Η διέγερση του αερίου παρουσιάζει σημαντικές λειτουργικές διαφορές σε σύγκριση με τους λαμπτήρες πυρακτώσεως, και ιδιαίτερα ότι παρουσιάζουν «αρνητική αντίσταση» της εκκένωσης αερίου. Γι αυτό για να λειτουργήσουν οι λαμπτήρες εκκενώσεως πρέπει να συνδέσουμε σε σειρά στο κύκλωμά τους μια διάταξη γνωστή ως στραγγαλιστικό πηνίο ή ballast. Εξαίρεση του κανόνα αποτελούν μόνο οι λαμπτήρες νατρίου χαμηλής πίεσης στους οποίους αντί στραγγαλιστικού πηνίου χρησιμοποιείται αυτομετασχηματιστής. Τα ballast γενικά παρέχουν αρκετές λειτουργίες που καθιστούν δυνατή την ομαλή λειτουργία των λαμπτήρων εκκένωσης. Μία από αυτές τις λειτουργίες είναι η εξασφάλιση επαρκούς τάσης για την έναυση του τόξου ανάμεσα στα ηλεκτρόδια του λαμπτήρα, δηλαδή την εκκένωση του αερίου. Για πολλούς τύπους λαμπτήρων η απαιτούμενη τάση έναρξης της εκκένωσης είναι πιο υψηλή από την τάση του δικτύου και για τον λόγο αυτόν το ballast θα πρέπει να μετασχηματίσει την τάση στο αναγκαίο επίπεδο. Μία δεύτερη λειτουργία του είναι να περιορίσει το ρεύμα μετά την αποκατάσταση της εκκένωσης. Εξαιτίας της αρνητικής χαρακτηριστικής αντίστασης του λαμπτήρα, με την μείωση της αντίστασης του αερίου, το ρεύμα θα αυξανόταν συνέχεια κάτω από ανεξέλεγκτες συνθήκες. Για τον λόγο αυτό, το ballast επίσης λειτουργεί σαν αντίσταση για τον περιορισμό του ρεύματος μετά την δημιουργία του τόξου. [26]

27 Τα ballasts διακρίνονται σε ηλεκτρομαγνητικά και σε ηλεκτρονικά υψηλής συχνότητας και χαμηλής συχνότητας. Τα τελευταία διακρίνονται σε κανονικά (standard) και ρυθμιζόμενα (dimmable). Το ηλεκτρομαγνητικό ballast είναι ουσιαστικά ένα στραγγαλιστικό πηνίο σε σειρά με το λαμπτήρα. Διαρρέεται από ρεύμα 50Hz. Το ηλεκτρονικό ballast είναι ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα. Τροφοδοτείται με τάση δικτύου 230V AC, την ανορθώνει σε DC και την αντιστρέφει σε τάση20-40khz. ηλεκτρομαγνητικό ballast Εικόνα 2.1 ηλεκτρονικό ballast Συνίσταται να προτιμάται η χρήση ηλεκτρονικών ballasts έναντι των ηλεκτρομαγνητικών καθώς τα πρώτα οδηγούν σε εξοικονόμηση ενέργειας έως και 50%. Άλλα πλεονεκτήματα των ηλεκτρονικών ballasts είναι η καλύτερη απόδοση λαμπτήρα, η χαμηλότερη κατανάλωση, οι μικρές απώλειες ballast, η δυνατότητα dimming και σύνδεση με αισθητήρες φωτισμού, η συμβατότητα με BMS, ο υψηλός συντελεστής συντήρησης, η χρήση έως και τεσσάρων λαμπτήρων με ένα ballast, η μείωση των διακοπών λειτουργίας, του θορύβου και του flickering. Τα ηλεκτρονικά ballasts είναι οικονομικότερα στην λειτουργία τους και αυξάνουν τον χρόνο ζωής του λαμπτήρα. Μειονεκτούν όμως έναντι των ηλεκτρομαγνητικών ballasts στο ότι έχουν μεγαλύτερο κόστος αγοράς. Η διάρκεια ζωής και η φωτεινή ισχύς του λαμπτήρα βασίζονται στην κατάλληλη επιλογή του ballast το οποίο θα πρέπει να παρέχει τα κατάλληλα χαρακτηριστικά λειτουργίας. Ο βοηθητικός εξοπλισμός καταναλώνει ισχύ και κατά συνέπεια ο συνολικός λόγος lm/w μειώνεται κάτω από το αντίστοιχο λόγο που καθορίζεται από την κατανάλωση ισχύος μόνο του λαμπτήρα. [27]

28 Διάκριση θα πρέπει να γίνεται μεταξύ των ballasts κυκλώματος υστέρησης (lag circuit) και κυκλώματος οδήγησης (lead circuit). Το στοιχείο περιορισμού ενός κυκλώματος υστέρησης είναι μία επαγωγική αντίσταση εν σειρά με τον λαμπτήρα. Στην άλλη περίπτωση τον ρόλο αυτό παίζει επαγωγική και χωρητική αντίσταση πάλι εν σειρά με τον λαμπτήρα. Εντούτοις, η καθαρή αντίσταση των κυκλωμάτων είναι χωρητική σε ballast για λαμπτήρες υδραργύρου και μεταλλικών αλογονιδίων και επαγωγική σε ballast για λαμπτήρες νατρίου υψηλής πίεσης. Η μέση ονομαστική διάρκεια ζωής ορίζεται σαν τον χρόνο μετά τον οποίο το 50% μιας μεγάλης ομάδας λαμπτήρων είναι ακόμα σε λειτουργία. Η διαδικασία αυτή προδιαγράφει κύκλους λειτουργίας 11 ωρών και μίας ώρας εκτός λειτουργίας. Στους λαμπτήρες υψηλής έντασης εκκένωσης, η αρχική φωτεινή ισχύς ορίζεται στις 100 ώρες λειτουργίας. Η θερμοκρασία του περιβάλλοντος επηρεάζει την τάση έναυσης όλων των λαμπτήρων εκκένωσης και σε κάποιες περιπτώσεις υψηλότερες τάσεις έναυσης από τις ονομαστικές συστήνονται για εγκαταστάσεις εξωτερικού φωτισμού σε κρύα κλίματα. Τα ballasts για εφαρμογές χαμηλών θερμοκρασιών σχεδιάζονται να παρέχουν την αναγκαία τάση για την έναυση και λειτουργία σε θερμοκρασίες μέχρι - 29 C. Οι τύποι των λαμπτήρων που χρησιμοποιούνται σε εσωτερικές εγκαταστάσεις είναι: Πυρακτώσεως Αλογόνου (12V ή 230 V AC) Φθορισμού Σωληνωτοί Συμπαγείς φθορισμού (CFL) LED Χαρακτηριστικά μεγέθη λαμπτήρων Τα χαρακτηριστικά μεγέθη των λαμπτήρων είναι τα ακόλουθα: 1. Ονομαστική τάση λειτουργίας: η τάση του δικτύου στο οποίο θα συνδεθεί ο λαμπτήρας. 2. Ονομαστική ισχύς: η καταναλισκόμενη από τον λαμπτήρα ηλεκτρική ισχύς σε Watt. 3. Φωτεινή Ροή: η συνολική φωτεινή ροή του λαμπτήρα σε Lumens που μετριέται στους 25 C. [28]

29 Από την ονομαστική ισχύ και τη φωτεινή ροή προκύπτει η απόδοση του λαμπτήρα, καθοριστικό στοιχείο της οικονομικής λειτουργίας. Πιο συγκεκριμένα, ο λόγος της φωτεινής ροής του λαμπτήρα προς την καταναλισκόμενη ηλεκτρική του ισχύ lm προσδιορίζει την απόδοσή του: ( ) (Σχέση 2.1) P W Η απόδοση του συστήματος της φωτεινής πηγής περιλαμβάνει επίσης την καταναλισκόμενη ισχύ του ballast. Εκτός από τα παραπάνω μεγέθη που δίνονται στον χρήστη, ο μελετητής χρειάζεται και τα παρακάτω στοιχεία για έναν λαμπτήρα: 1. Χρόνος ζωής του λαμπτήρα (ο χρόνος στον οποίο οι μισοί λαμπτήρες στατιστικά λειτουργούν ακόμα λαμβάνοντας υπόψιν την πτώση της φωτεινής τους ροής) 2. Θερμοκρασία χρώματος του λαμπτήρα 3. Χρωματικός δείκτης του λαμπτήρα 4. Φάσμα εκπομπής 5. Φωτεινή ένταση 6. Διαστάσεις 7. Ένταση του ρεύματος λειτουργίας σε συνδυασμό με τις χρησιμοποιούμενες στραγγαλιστικές διατάξεις 8. Η δυνατότητα διαβάθμισης της ισχύος του λαμπτήρα. Όπως οι λαμπτήρες πυρακτώσεως και οι λαμπτήρες πυρακτώσεως με αλογόνα, έτσι και όλοι οι λαμπτήρες φθορισμού και οι compact λαμπτήρες φθορισμού μπορούν να υποστούν διαβάθμιση της ισχύος τους (dimmed) σχεδόν σε όλο το εύρος από 100% έως 0%. Όμως οι λαμπτήρες μεταλλικών αλογονιδίων δεν συνίστανται από τους κατασκευαστές για διαβάθμιση της ισχύος τους επειδή αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ανεξέλεγκτες αρνητικές επιδράσεις στην ποιότητα του φωτός τους και στην διάρκεια της ζωής τους. Η ισχύς των λαμπτήρων ατμών νατρίου υψηλής πίεσης και αυτή των λαμπτήρων ατμών υδραργύρου μπορεί να διαβαθμιστεί αλλά μόνο σε διακριτά επίπεδα. 9. Ο τρόπος τοποθέτησης (π.χ. οριζόντια, κατακόρυφα) του λαμπτήρα. Για ορισμένους λαμπτήρες μεταλλικών αλογονιδίων μόνο ορισμένη θέση λειτουργίας επιτρέπεται για να αποφευχθεί ασταθής κατάσταση λειτουργίας. Οι compact λαμπτήρες φθορισμού μπορούν συνήθως να χρησιμοποιηθούν σε κάθε θέση, αν και ορισμένες σημαντικές ιδιότητές τους όπως η χαρακτηριστική της φωτεινής ροής τους με την θερμοκρασία μπορεί να εξαρτάται από την θέση αυτή. [29]

30 Ιδιότητες και περιγραφή διαφόρων τύπων λαμπτήρων Λαμπτήρες πυράκτωσης Αποτελούνται από νήμα βολφραμίου μέσα σε γυάλινο περίβλημα, γέμιση με αδρανές αέριο (αργόν, κρυπτόν, ξένον) ή και αλογόνα (ιώδιο) οπότε μιλάμε για λαμπτήρες αλογόνων. Ακτινοβολούν στους 2600 ο C. Σε λαμπτήρες μεγάλης απόδοσης χρησιμοποιούνται αλογόνα για να μη δημιουργούνται ατμοί του βολφραμίου και επικάθονται στο γυαλί και το μαυρίζουν. Εικόνα 2.2 Λαμπτήρας πυράκτωσης Η απορροφούμενη ισχύς των λαμπτήρων πυράκτωσης κυμαίνεται μεταξύ 25 και 1000W και η απόδοσή τους μεταξύ 10 με 18 lm/w, ενώ έχουν λαμπρότητα περίπου 2000 cd/m 2. Το χρώμα τους είναι λευκό και άνετο και μετρούν διάρκεια ζωής περίπου 1000h (42 συνεχείς μέρες). Επιπλέον χαρακτηριστικό τους είναι το ρεύμα ζεύξης τους που αγγίζει τις δεκατέσσερις φορές το ονομαστικό ρεύμα για χρόνο εκκίνησης 20 με 100msec. Μόνο εάν χρειάζεται ρύθμιση φωτεινότητας οι λαμπτήρες πυράκτωσης έχουν ειδικές διατάξεις στο δίκτυο. Έχουν ποικίλες εφαρμογές σε φωτισμό κατοικιών, καταστημάτων και σε γενικό φωτισμό. Οι λαμπτήρες πυράκτωσης παρουσιάζουν ευαισθησία στη μεταβολή της τάσης όσον αφορά τη φωτεινότητα και τη διάρκεια ζωής τους, οι οποίες μεταβάλλονται σημαντικά. Έστω και με 0.5% μεταβολή της τάσης γίνεται αισθητή η μεταβολή στη φωτεινότητα. Σχήμα 2.1 Επιρροή τάσης λειτουργίας στα χαρακτηριστικά του λαμπτήρα [30]

31 Σχήμα 2.2 Σχέση φωτεινής ροής και χρόνου ζωής σε συνάρτηση με την τάση λειτουργίας Σχήμα 2.3 Επιρροή του χρόνου στα χαρακτηριστικά του λαμπτήρα Τέλος, το φάσμα των λαμπτήρων πυρακτώσεως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 2.4 [31]

32 2.3.2 Λαμπτήρες Αλογόνου Οι λαμπτήρες αλογόνου είναι λαμπτήρες πυρακτώσεως, νήματος βολφραμίου, με προσθήκη αλογόνου (ιώδιο, βρώμιο, χλώριο, φθόριο). Ουσιαστικά πρόκειται για ένα βελτιωμένο τύπο λαμπτήρα πυρακτώσεως και δεν πρέπει να συγχέεται με τους λαμπτήρες μεταλλικών αλογονιδίων. Η λειτουργία τους (δηλαδή ο κύκλος αλογόνου) γίνεται ως εξής: Εξαχνώνεται το πυρακτωμένο νήμα και τα άτομα του βολφραμίου κινούνται προς το ψυχρότερο περίβλημα του λαμπτήρα. Εκεί συνδέονται με τα άτομα του αλογόνου σχηματίζοντας μόρια αλογονιδίων βολφραμίου. Η χαμηλότερη θερμοκρασία του περιβλήματος διατηρεί τα μόρια των αλογονιδίων βολφραμίου σε αέρια κατάσταση. Μόλις όμως πλησιάσουν το πυρακτωμένο νήμα διασπώνται λόγω της πολύ υψηλής θερμοκρασίας. Τέλος, το άτομο βολφραμίου απελευθερωμένο από το μόριο εναποτίθεται ξανά στο νήμα. Εικόνα 2.3 [32]

33 Οι λαμπτήρες αλογόνου περιέχουν ένα αδρανές αέριο τύπου ιωδίου ή βρωμίου. Το αλογόνο εκπέμπει ένα λευκό φως που προσεγγίζει περισσότερο το φως της ημέρας. Σε σχέση με τους κλασικούς λαμπτήρες πυράκτωσης, οι λαμπτήρες αλογόνου εκπέμπουν περισσότερο φως για μια διάρκεια ζωής που κυμαίνεται μεταξύ 1000 και 2000 ωρών. Ορισμένοι λαμπτήρες αλογόνου λειτουργούν με 230 V, άλλοι, λιγότερο ενεργοβόροι λειτουργούν με 12 V αλλά χρειάζονται μετασχηματιστή. Οι λαμπτήρες αλογόνου σωληνοειδούς σχήματος καταναλώνουν την περισσότερη ενέργεια ακόμη και αν διατίθενται πλέον και με τεχνολογίες που τους επιτρέπουν να καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια από τους προκατόχους τους. Οι λαμπτήρες αλογόνου 12V απαιτούν χρήση μετασχηματιστή. Αναπτύσσονται επίσης με τεχνολογίες που επιτρέπουν μια μέση κατανάλωση ενέργειας ακόμα χαμηλότερη από τον τυποποιημένο λαμπτήρα αλογόνου των 12V. Παρακάτω φαίνεται το φάσμα εκπομπής των λαμπών αλογόνου στις διάφορες αποχρώσεις φωτισμού. Σχήμα 2.5 [33]

34 2.3.3 Λαμπτήρες μεταλλικών αλογονιδίων Μοιάζουν πολύ κατασκευαστικά με τους λαμπτήρες υδραργύρου. Η μεγαλύτερη διαφορά είναι ότι ο σωλήνας του τόξου μεταλλικών αλογονιδίων εμπεριέχει διάφορα μεταλλικά αλογονίδια επιπρόσθετα με τον υδράργυρο και το αργό. Όταν ο λαμπτήρας φτάσει την τελική θερμοκρασία λειτουργίας, τα μεταλλικά αλογονίδια στο σωλήνα εξατμίζονται μερικώς. Όταν οι ατμοί των αλογονιδίων πλησιάσουν την υψηλή θερμοκρασία του κεντρικού πυρήνα της εκκένωσης, διασπώνται σε αλογονίδια και μέταλλα, όπου τα τελευταία ακτινοβολούν το φάσμα τους. Καθώς τα άτομα των αλογονιδίων και των μετάλλων κινούνται πλησίον του ψυχρότερου τοιχώματος του σωλήνα, επανενώνονται και ξεκινά ξανά ο κύκλος. Εικόνα 2.4 Λαμπτήρας μεταλλικών αλογονιδίων Σε σύγκριση με τους λαμπτήρες υδραργύρου, η απόδοση αυτών των λαμπτήρων είναι σημαντικά βελτιωμένη και κυμαίνεται στα επίπεδα του lm/w, χωρίς τις απώλειες του ballast. Σχεδόν όλα τα είδη των λαμπτήρων μεταλλικών αλογονιδίων με «λευκό» φως παράγουν απόδοση χρώματος εξίσου καλή ή και ανώτερη από αυτή που παράγουν οι λαμπτήρες υδραργύρου με κάλυμμα φωσφόρου. Τα ακτινοβολούντα μέταλλα στις λάμπες αυτές έχουν χαρακτηριστικά εκπομπής που είναι φασματικά επιλεκτικά. Μερικά μέταλλα παράγουν κυρίως ορατή ακτινοβολία σε ένα μόνο μήκος κύματος, ενώ άλλα παράγουν πλήθος διακριτών μηκών Εικόνα 2.5 Διάγραμμα φασματικής κατανομής λαμπτήρα μεταλλικών αλογονιδίων [34]

35 κύματος. Επίσης άλλα παράγουν ένα συνεχόμενο φάσμα ακτινοβολίας. Προκειμένου να πετύχουμε ένα πλήρες και ισορροπημένο φάσμα χρησιμοποιούνται μίγματα μεταλλικών αλογονιδίων. Χρησιμοποιούνται δύο βασικοί συνδυασμοί αλογόνων: (1) σκανδίου και νατρίου και (2) δυσπρόσιου, όλμιου και θούλιου. Μπορούν να παραχθούν επιλεγμένα χρώματα με την τεχνική των μεταλλικών αλογονιδίων. Χρησιμοποιείται νάτριο για πορτοκαλί, θάλλιο για πράσινο, ίνδιο για μπλε και σίδηρος για υπεριώδες. Η απόδοση και η διάρκεια ζωής του λαμπτήρα είναι βελτιωμένη για λαμπτήρες σκάνδιου και νατρίου. Οι λαμπτήρες μεταλλικών αλογονιδίων είναι επίσης διαθέσιμοι και με επικάλυψη φωσφόρου στο εξωτερικό περίβλημα για επιπρόσθετη ρύθμιση του χρώματος, και γενικά για μείωση της θερμοκρασίας χρώματος του λαμπτήρα. Η μέθοδος για την εκκίνηση των περισσότερων λαμπτήρων κάτω των 150W αυτού του τύπου, είναι ίδιος με αυτόν των λαμπτήρων υδραργύρου. Παρόλα αυτά, εξαιτίας της παρουσίας του αλογονιδίου, απαιτείται υψηλότερο επίπεδο τάσης έναυσης σε σύγκριση με τους λαμπτήρες υδραργύρου. Λόγω των εξαιρετικά μικρών διαστάσεων του σωλήνα τους, οι λαμπτήρες κάτω από 175W δεν χρησιμοποιούν ηλεκτρόδια έναυσης. Αυτοί οι λαμπτήρες απαιτούν ειδικά κυκλώματα ballasting τα οποία περιλαμβάνουν μια ηλεκτρονική συσκευή που παράγει παλμούς υψηλής τάσης για την έναυση του λαμπτήρα. Συγκεκριμένα μοντέλα λαμπτήρων μεταλλικών αλογονιδίων, όμως, μπορούν να λειτουργήσουν με ballasts λαμπτήρων υδραργύρου σε ειδικές περιπτώσεις. Καθώς ο λαμπτήρας θερμαίνεται, θα παρατηρηθούν αλλαγές στον χρωματισμό, οφειλόμενες στην εξάτμιση κάθε φορά των διαφόρων αλογονιδίων, μέχρι να φτάσει το χρώμα και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ισορροπίας μετά από 2-10 λεπτά, ανάλογα με τον τύπο του λαμπτήρα. Καθώς αυτός ο τύπος λαμπτήρα λειτουργεί σε υψηλότερες θερμοκρασίες από τον λαμπτήρα υδραργύρου, ο χρόνος ψύξης και μείωσης της πίεσης του ατμού είναι γενικά μεγαλύτερος. Για τον λόγο αυτό ο χρόνος επανέναυσης (restriking time) μπορεί να φτάσει τα 15 λεπτά. Η χημική αντίδραση μεταξύ της ιωδίνης στο εσωτερικό του λαμπτήρα μεταλλικών αλογονιδίων και του υλικού εκπομπής των ηλεκτροδίων των λαμπτήρων υδραργύρου, εμποδίζει την χρήση των ηλεκτροδίων των λαμπτήρων υδραργύρου σε λαμπτήρα μεταλλικών αλογονιδίων. Επειδή τα ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται στους λαμπτήρες μεταλλικών αλογονιδίων εξατμίζονται πιο γρήγορα από αυτά των λαμπτήρων υδραργύρου, η διάρκεια ζωής είναι πιο μικρή. Η μέση διάρκεια ζωής ενός λαμπτήρα μεταλλικών αλογονιδίων κυμαίνεται από έως ώρες. Οι λαμπτήρες μεταλλικών αλογονιδίων είναι οι πλέον κατάλληλοι για απόδοση λευκού χρώματος. Είναι σωληνωτού ή αχλαδωτού σχήματος και έχουν πολύ μικρό σωλήνα εκκένωσης για ευκολότερη και γρηγορότερη αύξηση της θερμοκρασίας. [35]

36 Έχουν καλύτερη απόδοση από τους λαμπτήρες ατμών υδραργύρου, αποδίδουν καλύτερη ποιότητα φωτισμού σε σχέση με τους λαμπτήρες υδραργύρου και νατρίου και προσφέρουν ποικιλία θερμοκρασιών χρώματος, καλύπτοντας μεγάλο εύρος απαιτήσεων. Επιπλέον προσφέρουν πιο ευχάριστο περιβάλλον, καλύτερη ευκρίνεια και περισσότερο φως. Οι λαμπτήρες μεταλλικών αλογονιδίων είναι αρκετά ακριβοί λόγω της περίπλοκης κατασκευής τους. Οι διαθέσιμοι τύποι τους ποικίλλουν από 20W έως 2kW. Τέλος, παρουσιάζονται οι διαθέσιμοι με βάση το σχήμα τύποι λαμπτήρων μεταλλικών αλογονιδίων που είναι οι εξής: Ελλειπτικοί με φωσφορούχο επίστρωση Σωληνωτοί διαφανείς Βιδωτοί και Με ακίδες ενός ή δύο άκρων Εικόνες 2.6 Τύποι λαμπτήρων μεταλλικών αλογονιδίων [36]

37 2.3.4 Λαμπτήρες Φθορισμού Σωληνωτοί Συμπαγείς Εικόνες 2.7 Οι λαμπτήρες φθορισμού ανήκουν στην κατηγορία των λαμπτήρων εκκένωσης χαμηλής πίεσης, μέσα στις οποίες το ορατό φως παράγεται κυρίως από επικαλύψεις φωσφόρου ενεργοποιούμενες από την προσπίπτουσα υπεριώδη ακτινοβολία. Ο λαμπτήρας, συνήθως σωληνωτού Εικόνα 2.8 σχήματος, με ένα ηλεκτρόδιο σε κάθε του άκρη, περιέχει ατμούς υδραργύρου σε χαμηλή πίεση με ένα μικρό ποσό αδρανούς ευγενούς αερίου (κυρίως νέο και αργό) για την διευκόλυνση της έναρξης του τόξου. Στα άκρα του σωλήνα βρίσκονται δύο ηλεκτρόδια με μορφή σύνθετων νημάτων τα οποία εξασφαλίζουν ομοιογενή θερμιονική εκπομπή ηλεκτρονίων και μεγάλο χρόνο ζωής. Τα εσωτερικά τοιχώματα του γυάλινου σωλήνα καλύπτονται από φθορίζουσες πούδρες, κοινώς ονομαζόμενες «φώσφοροι». Οι ουσίες αυτές συνήθως είναι άλατα του πυριτίου με προσμίξεις μαγγανίου και άλατα του βορίου ή του βολφραμίου. Όταν εφαρμοστεί η κατάλληλη τάση, παράγεται τόξο μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων διαμέσου του ατμού υδραργύρου εξαιτίας του ιονισμού του. Αυτή η εκκένωση παράγει μερική ορατή ακτινοβολία, αλλά επί το πλείστον αόρατη υπεριώδη ακτινοβολία, η οποία διεγείρει τους φωσφόρους να εκπέμψουν ορατό φως. [37]

38 Ο συνδυασμός των φωσφόρων γίνεται έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η βέλτιστη διέγερση από υπεριώδη ακτινοβολία μήκους κύματος nm, το οποίο αποτελεί το βασικό μήκος κύματος που παράγεται από εκκένωση υδραργύρου χαμηλής πίεσης. Η πίεση του υδραργύρου διατηρείται στην τιμή των 1.07 Pa η οποία είναι η πίεση εξάτμισης του υγρού υδραργύρου στους 40 C. Επιπρόσθετα στο σωλήνα υπάρχει ένα μείγμα ευγενών αερίων χαμηλής πίεσης ( Pa) για την διευκόλυνση της εκκένωσης. Εκπέμπεται ορατή και υπεριώδη ακτινοβολία με μέγιστες τιμές στα 254, 313, 365, 405, 436, 546 και 578 nm. Οι λαμπτήρες φθορισμού είναι συνήθως γραμμικού σωληνωτού σχήματος και διαμέτρου από 12 mm (0.5 in T-4) μέχρι 54 mm (2.125 in T-17) και σε μήκη που κυμαίνονται από 100 mm (4 in) έως 2440 mm (96 in). Η ονομασία τους γίνεται από ένα γράμμα που προσδιορίζει το σχήμα (T=Tubular) το οποίο ακολουθείται από έναν αριθμό που υποδεικνύει την διάμετρο σε όγδοα της ίντσας. Εικόνα 2.9 Τα ηλεκτρόδια είναι ερμητικά κλεισμένα σε κάθε άκρο στο εσωτερικό του λαμπτήρα. Είναι σχεδιασμένα για λειτουργία σαν «ψυχρές» (cold) ή «θερμές» (hot) κάθοδοι, και οι αντίστοιχες λειτουργίες ονομάζονται αίγλης (glow) και τόξου (arc). Η λειτουργία με θερμές καθόδους είναι πιο αποδοτική σε σχέση με τις ψυχρές καθόδους, με αποτέλεσμα να έχει επικρατήσει στους περισσότερους λαμπτήρες φθορισμού. Τα ηλεκτρόδια είναι κατασκευασμένα από νήμα βολφραμίου με επικάλυψη από αλκαλικά οξείδια τα οποία βοηθούν στην εκπομπή ηλεκτρονίων. Κατά την λειτουργία του λαμπτήρα το νήμα και η επικάλυψη φτάνουν σε θερμοκρασίες 1100 C όπου εκπέμπονται μεγάλες ποσότητες ηλεκτρονίων. Οι λαμπτήρες φθορισμού έχουν μία αρνητική χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος και απαιτείται η χρήση του ballast για τον περιορισμό του ρεύματος. Επιπρόσθετα το ballast εξασφαλίζει την αναγκαία τάση για την έναυση του τόξου. Αυτή η τάση μπορεί να είναι 1.5 έως 4 φορές πολλαπλάσια της κανονικής τάσης λειτουργίας. [38]

39 Στη συνδεσμολογία του λαμπτήρα φθορισμού εκτός από το στραγγαλιστικό πηνίο που συνδέεται σε σειρά με τον λαμπτήρα, συνδέεται σε σειρά με τα ηλεκτρόδια και ένας εκκινητής-starter (εκτός των λαμπτήρων φθορισμού άμεσης εναύσεως). Αυτός αποτελείται από διμεταλλικό έλασμα και είναι απαραίτητος για την έναυση του λαμπτήρα η οποία δεν μπορεί να γίνει Εικόνα 2.10 Εκκινητής με απλή σύνδεση προς την τάση του δικτύου γιατί τα ηλεκτρόδια είναι ψυχρά και δεν εκπέμπουν ηλεκτρόνια. Ο εκκινητής είναι κατασκευασμένος ώστε η απόσταση των ηλεκτροδίων του να είναι μικρή. Εφαρμόζοντας την τάση του δικτύου, ο λαμπτήρας δεν διαρρέεται από ρεύμα αλλά η τάση στα άκρα του εκκινητή είναι επαρκής για να ξεκινήσει εκκένωση αίγλης. Η εκκένωση αίγλης θερμαίνει το διμεταλλικό έλασμα του εκκινητή το οποίο παραμορφώνεται και κλείνει το διάκενο που υπάρχει, οπότε διακόπτεται η εκκένωση αίγλης. Το κύκλωμα εκκινητή - ηλεκτροδίων διαρρέεται από ισχυρό ρεύμα που θερμαίνει τα ηλεκτρόδια και αρχίζουν να εκπέμπουν ηλεκτρόνια. Στο μεταξύ, επειδή έχει διακοπεί η εκκένωση αίγλης, το διμεταλλικό έλασμα του εκκινητή ψύχεται και επανέρχεται στην αρχική του θέση διακόπτοντας το κύκλωμα. Η διακοπή αυτή δημιουργεί (λόγω επαγωγικής τάσης στο στραγγαλιστικό πηνίο) στα άκρα του λαμπτήρα υπέρταση η οποία προκαλεί την έναρξη της εκκένωσης μέσω των ατμών υδραργύρου που προήλθαν από την εξάτμιση του υδραργύρου μέσα στον σωλήνα λόγω θέρμανσης των νημάτων. Επειδή η τάση λειτουργίας του εκκινητή είναι μεγαλύτερη από την τάση λειτουργίας του λαμπτήρα, ο εκκινητής κατά την διάρκεια λειτουργίας του λαμπτήρα παραμένει ανοικτός (εκτός λειτουργίας). Λόγω του χαμηλού συντελεστή ισχύος των διατάξεων των λαμπτήρων φθορισμού συνήθως γίνεται αντιστάθμιση με την χρήση πυκνωτών. Η διόρθωση του συντελεστή ισχύος γίνεται με την σύνδεση παράλληλα με τους αγωγούς τροφοδοσίας κατάλληλου μεγέθους πυκνωτή. Ο πυκνωτής έχοντας χωρητική συμπεριφορά αντισταθμίζει την επαγωγική συμπεριφορά της στραγγαλιστικής διάταξης του λαμπτήρα. Η αντιστάθμιση μπορεί να γίνει είτε σε μεμονωμένο λαμπτήρα είτε σε ομάδα λαμπτήρων είτε ακόμη και στο σύνολο της εγκατάστασης φωτισμού. Πρέπει η επιλογή του εκκινητή και του στραγγαλιστικού πηνίου να είναι τέτοια, ώστε τα στοιχεία αυτά να συνεργάζονται πλήρως για να έχουμε σωστή απόδοση του λαμπτήρα και μεγάλη διάρκεια ζωής. [39]

40 Η διάρκεια ζωής των λαμπτήρων θερμών καθόδων καθορίζεται από τον ρυθμό της εκπεμπόμενης επικάλυψης στα ηλεκτρόδια. Κάθε φορά που γίνεται η έναυση του λαμπτήρα κάποιες επικαλύψεις διαβρώνονται. Επίσης κατά την διάρκεια λειτουργίας του λαμπτήρα συμβαίνει εξάτμιση του εκπεμπόμενου υλικού. Τα ηλεκτρόδια είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε αυτά τα φαινόμενα να είναι ελάχιστα. Το τέλος της διάρκειας της ζωής του λαμπτήρα συμβαίνει όταν είτε η επικάλυψη έχει απομακρυνθεί εξολοκλήρου από το ένα τουλάχιστον ηλεκτρόδιο είτε η απομένουσα επικάλυψη δεν εκπέμπει περαιτέρω. Επειδή κάποια ποσότητα του εκπεμπόμενου υλικού χάνεται από τα ηλεκτρόδια σε κάθε έναυση, η συχνότητα των εναύσεων επηρεάζει την διάρκεια ζωής του λαμπτήρα. Η ονομαστική μέση διάρκεια ζωής των λαμπτήρων φθορισμού καθορίζεται σε συχνότητα εναύσεων κάθε τρείς ώρες. Οι λαμπτήρες ψυχρών καθόδων δεν επηρεάζονται σημαντικά από την συχνότητα εναύσεων εξαιτίας του τύπου των χρησιμοποιούμενων ηλεκτροδίων. Τα ηλεκτρονικά ballast έχουν σχεδιαστεί να επιτυγχάνουν την στιγμιαία έναυση των λαμπτήρων ταχείας έναυσης Τ-8 και Τ-12. Τυπικά υπάρχει μείωση 25% στην διάρκεια ζωής με αναφορά σε συχνότητα εναύσεων κάθε τρείς ώρες. Συνεπώς για εφαρμογές με μεγάλη συχνότητα εναύσεων, η λειτουργία στιγμιαίας έναυσης θα πρέπει να αποφεύγεται. Σχήμα 2.6 [40]

41 Υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την διάρκεια ζωής του λαμπτήρα φθορισμού σε πραγματικές συνθήκες. Τα χαρακτηριστικά του ballast και του εκκινητή είναι οι σημαντικότεροι παράγοντες στην περίπτωση των προθερμαινόμενων κυκλωμάτων. Ballasts που δεν παρέχουν τις σωστές απαιτήσεις έναυσης, όπως την κατάλληλη τάση, θα επηρεάσουν σε μεγάλο βαθμό την διάρκεια ζωής του λαμπτήρα φθορισμού. Για τα προθερμαινόμενα κυκλώματα, οι εκκινητές θα πρέπει να ακολουθούν τις προδιαγραφές λειτουργίας. Το ρεύμα θέρμανσης του ηλεκτροδίου σε λαμπτήρες ταχείας έναυσης είναι σημαντικό και επηρεάζεται όχι μόνο από το ballast αλλά και από την καλή επαφή του λαμπτήρα στο ντουί. Το αντίθετο θα συντελέσει στην μη θέρμανση των ηλεκτροδίων με αποτέλεσμα την αστοχία του λαμπτήρα σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Άλλος σημαντικός παράγοντας στην διάρκεια ζωής είναι η τάση του δικτύου. Σε περίπτωση που η τάση είναι σημαντικά υψηλή, μπορεί να προκαλέσει στιγμιαία έναυση σε λαμπτήρες προθερμαινόμενων και ταχείας έναυσης κυκλωμάτων. Εάν είναι χαμηλή, θα έχουμε αποτέλεσμα μια αργή έναυση των λαμπτήρων ταχείας και στιγμιαίας έναυσης και συνεχείς επανεναύσεις από τους εκκινητές σε προθερμαινόμενα συστήματα. Τα χαρακτηριστικά των λαμπτήρων φθορισμού εξαρτώνται από την συγκέντρωση του ατμού υδραργύρου, δηλαδή από την πίεση του ατμού η οποία εξαρτάται από την θερμοκρασία. Η επίδραση της θερμοκρασίας στην πίεση του ατμού υδραργύρου παρουσιάζεται στην φωτεινή ροή και στο χρώμα. Η εσωτερική θερμοκρασία του φωτιστικού σώματος μπορεί να επηρεάσει αρνητικά την διάρκεια ζωής κάποιων λαμπτήρων φθορισμού. Υψηλότερες θερμοκρασίες περιβάλλοντος όχι μόνο μειώνουν την φωτεινή ροή αλλά αλλάζουν τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του λαμπτήρα καθιστώντας ακατάλληλο το ballast με πιθανό αποτέλεσμα την αύξηση του ρεύματος. Μακροπρόθεσμη λειτουργία με υψηλότερα από τα προβλεπόμενα ρεύματα θα επιφέρουν τη μείωση της διάρκειας ζωής του λαμπτήρα. Όσο μειώνεται η θερμοκρασία του περιβάλλοντος, η έναυση των λαμπτήρων γίνεται όλο και πιο δυσχερής. Για αξιόπιστη έναυση σε χαμηλές θερμοκρασίες απαιτούνται υψηλότερες τιμές τάσης και ανάλογα ballasts. Χρησιμοποιούνται ηλεκτρομαγνητικά ή ηλεκτρονικά ballasts. Εξαιτίας των μαγνητικών στοιχείων ενός ηλεκτρομαγνητικού ballast, δημιουργούνται δονήσεις μέσα στο φωτιστικό σώμα εξαρτώμενες από την συχνότητα του ρεύματος. Αυτό μπορεί να παράγει ακουστική όχληση. Το επίπεδο του παραγόμενου θορύβου εξαρτάται από το ballast και την κατασκευή του φωτιστικού σώματος. [41]

42 Τα ηλεκτρονικά ballasts έχουν συχνότητα εισόδου 50 Hz, ενώ ο λαμπτήρας λειτουργεί σε συχνότητα khz, με αποτέλεσμα την βελτίωση της απόδοσης του ballast και της συμπεριφοράς του λαμπτήρα. Η απόδοση του λαμπτήρα αυξάνεται κατά 10% όταν λειτουργεί σε συχνότητες που υπερβαίνουν τα 10 khz. Για να αποφευχθούν προβλήματα θορύβου, τα περισσότερα ηλεκτρονικά ballasts είναι σχεδιασμένα να λειτουργούν σε συχνότητες στην περιοχή από khz. Ένα άλλο θέμα που θα πρέπει να ληφθεί υπόψη στην λειτουργία των ballasts σε υψηλές συχνότητες είναι ο θόρυβος ραδιοσυχνοτήτων. Για τον λόγο αυτό θα πρέπει τα ballasts να φέρουν ενσωματωμένα φίλτρα. Μια ειδική κατηγορία λαμπτήρων φθορισμού αποτελούν οι συμπαγείς λαμπτήρες φθορισμού (Compact Fluorescent Lamps-CFL). Οι λαμπτήρες αυτοί εμφανίστηκαν στην δεκαετία του 1980 και αποτελούν ένα νέο τύπο λαμπτήρα. Ο τρόπος λειτουργίας τους είναι όμοιος με αυτόν των λαμπτήρων φθορισμού. Είναι μικρότερου μεγέθους λαμπτήρες από τους σωληνωτούς λαμπτήρες φθορισμού και εμφανίζουν ανάλογα φωτοτεχνικά χαρακτηριστικά. Αποτελούνται από σωλήνα λυγισμένο σε σχήμα U, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Εικόνα 2.11 Σήμερα υπάρχουν τρεις κυρίως τύποι συμπαγών λαμπτήρων φθορισμού: (1) οι συμπαγείς λαμπτήρες φθορισμού με κάλυκα βιδωτό ή μπαγιονέτ για κατευθείαν τοποθέτηση σε αντίστοιχη λυχνολαβή 230V, οι λαμπτήρες αυτοί διαθέτουν ενσωματωμένο ηλεκτρονικό ballast, (2) οι συμπαγείς λαμπτήρες φθορισμού με κάλυκα δύο ακίδων και ενσωματωμένο starter για σύνδεση σε ειδική λυχνολαβή με εξωτερικό μαγνητικό ballast και (3) οι συμπαγείς λαμπτήρες φθορισμού με κάλυκα τεσσάρων ακίδων για σύνδεση σε ειδική λυχνολαβή με εξωτερικό ηλεκτρονικό ballast. Οι συμπαγείς λαμπτήρες φθορισμού της τελευταίας κατηγορίας είναι κατάλληλοι για διαβάθμιση φωτισμού. ακιδωτοί συμπαγείς λαμπτήρες λαμπτήρες φθορισμού ηλεκτρονικοί συμπαγείς λαμπτήρες φθορισμού Εικόνες 2.12 [42]

43 Οι λαμπτήρες φθορισμού με ηλεκτρονική έναυση και εξωτερικό ηλεκτρονικό ballast υπερτερούν των ηλεκτρομαγνητικών λαμπτήρων στο ότι έχουν την δυνατότητα διαβάθμισης του φωτισμού, παρουσιάζουν μικρότερη κατανάλωση ενέργειας και επιμηκύνουν την διάρκεια ζωής του λαμπτήρα. Πλεονεκτήματα των λαμπτήρων φθορισμού είναι η απόδοσή τους (50-70 lm/w), η ανάπτυξη μικρών θερμοκρασιών, η απόδοση φυσικού φωτός και η μικρή απαίτηση για συντήρηση. Η διάρκεια ζωής τους είναι περίπου 10,000 ώρες. Παρουσιάζουν, όμως, και σημαντικά μειονεκτήματα, όπως είναι το υψηλό κόστος αλλά και ο όγκος και το βάρος τους (ανά μονάδα αποδιδόμενης φωτεινής έντασης), καθώς εξαιτίας της μικρής φωτεινής έντασης που αποδίδουν ανά λαμπτήρα, απαιτείται η εγκατάσταση τουλάχιστον δύο λαμπτήρων μαζί σε κάθε φωτιστικό σημείο. Επίσης, η ποιότητα του τελικά παραγόμενου φωτός επηρεάζεται σημαντικά από τις εξωτερικά περιβαλλοντικές συνθήκες. Κάποια τεχνικά χαρακτηριστικά των CFL φαίνονται στον παρακάτω πίνακα: Πίνακας 2.1 [43]

44 2.3.5 Φωτοεκπέμπουσες δίοδοι (L.E.D.) Οι φωτοεκπέμπουσες λυχνίες (ή κοινώς LED) είναι συνδυασμός ημιαγωγών p-n, όπου εκπέμπεται ακτινοβολία όταν εφαρμοσθεί τάση στους δύο ημιαγωγούς. Η εκπεμπόμενη Εικόνα 2.13 ακτινοβολία μπορεί να είναι είτε υπέρυθρη είτε ορατή. Το φως που εκπέμπεται από τους ημιαγωγούς εκτείνεται σε ένα μεγάλο εύρος μηκών κύματος, από το χαμηλό όριο ορατής ακτινοβολίας έως πολύ μεγάλα μήκη υπέρυθρης ακτινοβολίας. Το τελικό επιθυμητό χρωματικό αποτέλεσμα προκύπτει από τον συνδυασμό ημιαγώγιμων υλικών. Εικόνα 2.14 Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για τα στοιχεία των LED είναι ημιαγώγιμα υλικά, υψηλής καθαρότητας με μικρές ποσότητες προσθέτων. Κατά βάση, δύο είδη προσθέτων χρησιμοποιούνται. Το ένα παράγει υλικό τύπου-n, το οποίο έχει συγκεντρωμένη περίσσεια ηλεκτρονίων, ενώ το άλλο παράγει υλικό τύπου-p με συγκεντρωμένο έλλειμμα ηλεκτρονίων ή περίσσεια οπών, οι οποίες δρουν ως θετικά φορτία. Τα δύο αυτά υλικά διαχωρίζονται μέσα στο ίδιο κομμάτι του ημιαγωγού, σχηματίζοντας ανάμεσά τους διεπιφάνεια (junction). Η διεπιφάνεια είναι της τάξης των 0.25 mm2, το οποίο δίνει την δυνατότητα κατασκευής λαμπτήρων μικρών και λεπτών. Κατά την εφαρμογή της τάσης στα δύο ηλεκτρόδια, προκαλείται μετακίνηση των ηλεκτρονίων και των οπών προς την διεπιφάνεια, όπου κατά την επαφή τους προκαλείται παραγωγή φωτονίων. Η εφαρμοζόμενη τάση είναι 1-3 V και το ρεύμα που ρέει είναι ma (συνεχή μεγέθη). [44]

45 Κατά την λειτουργία τους σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας απαιτείται ψύξη ή διακοπτόμενη λειτουργία, για να αποφευχθεί υποβάθμιση του παραγόμενου φωτός. Το τελικό οπτικό αποτέλεσμα των λαμπτήρων LED εξαρτάται από το υλικό των ημιαγωγών, τα πρόσθετα και το περίβλημα του φωτιστικού σώματος. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται ως ημιαγωγοί είναι ενώσεις φωσφόρου, αργιλίου, γαλλίου και ινδίου ή ενώσεις αργιλίου, γαλλίου και αρσενίου. Οι λυχνίες LED προσφέρουν μεγάλο χρόνο ζωής, στιβαρό και μικρό μέγεθος, χαμηλό κόστος συντήρησης, ευκολία στον οπτικό έλεγχο, αλλά έχουν ακόμα μικρό βαθμό απόδοσης. Η απόδοση των λευκών LED είναι της τάξης των Lm/W (συγκριτικά με τα Lm/W των λαμπτήρων νατρίου υψηλής πίεσης). Αυτό σημαίνει ότι είναι αδύνατη η άμεση εγκατάστασή τους ως απευθείας αντικατάσταση των συμβατικών λαμπτήρων. Ωστόσο, έχουν ήδη γίνει εγκαταστάσεις LED σε περιπτώσεις όπου μεγάλη διάρκεια ζωής είναι πρωταρχική απαίτηση. Επίσης, η πρόσφατη τεχνολογική πρόοδος οδήγησε σε σημαντική εξέλιξη της απόδοσής τους που μπορεί να φτάσει τα 50 Lm/W. Διατίθενται LED που αντικαθιστούν τους λαμπτήρες πυρακτώσεως, τους λαμπτήρες φθορισμού και τους λαμπτήρες εκκενώσεως. Αξιοσημείωτη είναι και η αναφορά της ύπαρξης οργανικών LED τα οποία αποτελούνται από οργανικά υλικά (πλαστικά ή άλλα βιολογικά προϊόντα), είναι πολύ μικρής ισχύος και εφαρμόζονται σε οθόνες τηλεοράσεων και διακοσμητικά φωτιστικά. Η εξέλιξή τους είναι ραγδαία (από 15 lm/w το 2005 σε 102 lm/w το 2009) και έχουν πλουσιότερο χρώμα από τα LED. Σύγκριση απόδοσης λαμπτήρων Πίνακας 2.2 Απόδοση λαμπτήρων [45]

46 Εικόνα 2.14 σύγκριση αποδόσεων διαφόρων τύπων λαμπτήρων Από το παραπάνω διάγραμμα φαίνεται ότι οι πιο αποδοτικοί λαμπτήρες είναι οι νατρίου υψηλής πίεσης (οι οποίοι δεν χρησιμοποιούνται σε εσωτερικούς χώρους και δεν θα μας απασχολήσουν) και οι λιγότερο αποδοτικοί είναι οι κλασσικοί λαμπτήρες πυρακτώσεως. Τέλος αξίζει μία αναφορά στην ύπαρξη επιτρεπόμενης ρύπανση του δικτύου με αρμονικές ρευμάτων (η οποία προσδιορίζεται από τα πρότυπα IEC έως IEC ή τα ισοδύναμά τους ΕΝ έως ΕΝ ) εξαιτίας του εξοπλισμού φωτισμού, συμπεριλαμβανομένων των συσκευών ρύθμισης της έντασης φωτισμού (κατηγορία C). [46]

47 3. ΕΥΡΩΠΑΙΚΑ ΠΡΟΤΥΠΑ Γενικά για τα πρότυπα (ΕΝ & ΕΝ ) Το ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΝ δημιουργήθηκε με σκοπό την ορθολογική πρόβλεψη, από ενεργειακής άποψης, των κτιριακών απαιτήσεων φωτισμού βοηθώντας παράλληλα στη μεθοδολογία εύρεσης ενός δείκτη ενεργειακής απόδοσης κτιρίου. Σε συνδυασμό με το πρότυπο σχεδίασης εγκαταστάσεων φωτισμού σε χώρους εργασίας ΕΝ μπορεί να δώσει λύσεις σωστού, λειτουργικού και οικονομικού φωτισμού. Παρέχουν τη δυνατότητα υπολογισμού της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας των φωτιστικών σε κάθε δυνατή περίπτωση, επομένως βοηθούν στην ενεργειακή αξιολόγηση και εκμετάλλευση ενός κτιρίου (είτε πρόκειται για μελέτες φωτισμού είτε για μελέτες θέρμανσης και κλιματισμού). Όσον αφορά την ισχύ των φωτιστικών λαμβάνεται υπόψη η ωμική κατανάλωση από τους λαμπτήρες και όχι οι απώλειες λόγω παρασιτικών φαινομένων. Τα πρότυπα εξυπηρετούν μελέτες φωτισμού χώρων όπως: γραφεία, σχολεία, αθλητικές εγκαταστάσεις, ξενοδοχεία, νοσοκομεία, μαγαζιά και βιομηχανικοί χώροι και εξαιτίας των πολλών δυνατοτήτων τους έχουν ενσωματωθεί σε πολλά προγράμματα ενεργειακών και φωτεινών υπολογισμών όπως το Dialux. [47]

48 Α) ΤΟ ΕΥΠΩΠΑΙΚΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΕΝ Οι συντελεστές που αναφέρονται παρακάτω μαθηματικοποιούν τις συνθήκες φυσικού φωτισμού σε έναν χώρο αποτέλεσαν την έμπνευση του συντελεστή DS (Direct Sunlight-φυσικό φως στο επίπεδο εργασίας) που χρησιμοποιούμε παρακάτω στον αλγόριθμο που δημιουργήσαμε (βλ κεφάλαιο 6). Οι θεωρητικοί αυτοί συντελεστές μοντελοποιούν την μέτρηση που λαμβάνουμε στην πράξη με τους αισθητήρες μέτρησης του εισερχόμενου στο χώρο φυσικού φωτισμού. 3.1 Σχετικός συντελεστής φυσικού φωτισμού F D,n Η συμβολή του σχετικού συντελεστή φυσικού φωτισμού FD,n (n χώρος) στον υπολογισμό της ενεργειακής κατανάλωσης ενός κτιρίου είναι καθοριστική και εξαρτάται από πολλές παραμέτρους. Συγκεκριμένα η τιμή του συντελεστή FD,n, την οποία χρησιμοποιεί το πρότυπο, ορίζεται από τον τύπο: F, 1 ( F,, F,, ) (Σχέση 3.1) D n D S n D C n όπου F D, S, n ο συντελεστής εισερχόμενου φυσικού φωτισμού και F ο συντελεστής αξιοποίησης φυσικού φωτισμού. D, C, n Ο συντελεστής εισερχόμενου φυσικού φωτισμού FD,S,n (daylight supply factor) εξαρτάται από τη γεωγραφική τοποθεσία του κτιρίου αλλά και από την αρχιτεκτονική του υπό μελέτη χώρου (διαστάσεις παραθύρων, μορφή γυάλινων οροφών, σκίαστρα παραθύρων ή άλλα φυσικά εμπόδια). Με το συντελεστή αξιοποίησης φυσικού φωτισμού FD,C,n (daylight control factor), το πρότυπο καταφέρνει να εκφράσει την ικανότητα του συστήματος να εκμεταλλευτεί το φυσικό φωτισμό προς όφελος της εξοικονόμησης ενέργειας. Αυτός ο συντελεστής παίρνει μεγαλύτερες τιμές αν υπάρχει αυτόματο σύστημα ρύθμισης φωτισμού με dimmers καθώς και αν το φως της ημέρας εισβάλλει στο χώρο από τα παράθυρα δίχως εμπόδια (π.χ. σκίαστρα, υπόστεγα). [48]

49 3.2 Παράμετροι εισερχόμενου φυσικού φωτισμού Η φωτεινότητα μίας περιοχής (ζώνης) που οφείλεται στο φως της ημέρας εξαρτάται από τη γεωγραφική θέση του κτιρίου και από την αρχιτεκτονική του χώρου. Αυτό εκφράζεται με τη βοήθεια του συντελεστή φυσικού φωτισμού DC και ορισμένων δεικτών όπως ο δείκτης διαπερατότητας ΙT, ο δείκτης βάθους ΙDe και ο δείκτης παρεμπόδισης ΙΟ. Χρησιμοποιώντας αυτούς τους συντελεστές στην ακόλουθη σχέση προκύπτει ο υπολογισμός του συντελεστή DC ο οποίος ορίζεται από το πρότυπο για ανοίγματα κάθετων προσόψεων κτιρίων: D ( I 1.36 I ) I (%) (Σχέση 3.2) C T De o O δείκτης διαπερατότητας ΙT χαρακτηρίζει το τμήμα του κτιρίου το οποίο επωφελείται από το φυσικό φωτισμό: I T A C (Σχέση 3.3) AD όπου ΑC : η συνολική επιφάνεια των ανοιγμάτων της πρόσοψης του χώρου σε [m 2 ] και ΑD : η συνολική επιφάνεια των ζωνών φωτεινότητας του χώρου σε [m 2 ]. Ο δείκτης βάθους ΙDe ενός χώρου στον οποίο εισέρχεται το ηλιακό φως προκύπτει : I De D h Li h Ta (Σχέση 3.4) Ο δείκτης παρεμπόδισης ΙΟ εκφράζει τη μείωση του φυσικού φωτισμού ενός χώρου η οποία προκαλείται από κάθε είδους εμπόδια όπως : άλλα κτίρια ή φυσικά εμπόδια όπως δέντρα, λόφοι, βουνά αρχιτεκτονικές ιδιομορφίες ενός κτιρίου όπως είναι αίθρια ή αυλές οριζόντιες και κάθετες προεξοχές ή σκίαστρα στα παράθυρα παράθυρα διπλής υάλωσης Έτσι σε κάθε περίπτωση από τις παραπάνω βρίσκονται οι αντίστοιχοι συντελεστές διόρθωσης και από το γινόμενο τους υπολογίζεται ο δείκτης ΙΟ. [49]

50 Γνωρίζοντας το συντελεστή φυσικού φωτισμού DC, το πρότυπο χρησιμοποιεί κάποιους διορθωτικούς συντελεστές ώστε να εισάγει την επίδραση που έχουν η διαμόρφωση και ο τρόπος τοποθέτησης των παραθύρων στην είσοδο του φυσικού φωτισμού. Έτσι προκύπτει: D D k k k (Σχέση 3.5) C (%) Όπου D: ο συντελεστής φυσικού φωτισμού της ζώνης, τ : ο ενεργός βαθμός μετάδοσης φωτός του παραθύρου, k1: συντελεστής ελάττωσης ανάλογα με το είδος του παραθύρου (συνήθως 0.7), k2: συντελεστής ελάττωσης λόγω σκόνης στις γυάλινες επιφάνειες και k3: συντελεστής ελάττωσης για τη μη κάθετη ακτινοβολία φωτός (συνήθως 0.85). Επομένως αναλόγως της ικανότητας των ανοιγμάτων ενός χώρου να αφήνουν το φως της ημέρας να διεισδύει στο εσωτερικό δημιουργούνται οι κατηγορίες του παρακάτω πίνακα: Dc Ταξινόμηση D Είσοδος φυσικού φωτισμού Dc>=6% D>=3% Έντονη 6%>Dc>=4% 3%>D>=2% Μέτρια 4%>Dc>=2% 2%>D>=1% Αδύναμη Dc<2% D<1% Μηδενική Πίνακας 3.1 [50]

51 3.3 Συντελεστής εισερχόμενου φυσικού φωτισμού F D,S,n Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, ο συντελεστής εισερχόμενου φυσικού φωτισμού σχετίζεται με τη γεωγραφική θέση του κτιρίου και τον προσανατολισμό του. Για γεωγραφικά πλάτη από 38 έως 60 (σε αυτές τις συντεταγμένες βρίσκονται οι ευρωπαϊκές χώρες και το πρότυπο καθότι ευρωπαϊκό αναφέρεται μόνο σε αυτές) ο συντελεστής υπολογίζεται από την εξίσωση: F D, S, n a b Site όπου Site : το γεωγραφικό πλάτος. (Σχέση 3.6) Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται ενδεικτικές τιμές των a και b οι οποίες έχουν υπολογιστεί για διάφορα επίπεδα διατήρησης της φωτεινής ισχύος σε lux. Το πρότυπο θεωρεί πως οι ώρες που διαρκεί το φως της ημέρας είναι από τις 8:00πμ μέχρι τις 17:00μμ. Για πόλεις με μεγαλύτερη διάρκεια οι τιμές του FD,S,n θα πρέπει να πολλαπλασιαστούν με έναν συντελεστή διόρθωσης 0.7 ενώ για μικρότερη διάρκεια ημερήσιου φωτισμού λαμβάνεται η τιμή FD,S,n = 1. Διατηρηθείσα λαμπρότητα [lux] Διείσδυση φυσικού φωτισμού a Αδύναμη 1,2425-0,0117 Μέτρια 1,3097-0,0106 έντονη 1,2904-0,0088 Αδύναμη 0,9432-0,0094 Μέτρια 1,2425-0,0117 έντονη 1,3220-0,0110 Αδύναμη 0,6692-0,0067 Μέτρια 1,0054-0,0098 έντονη 1,2812-0,0121 b Πίνακας 3.2 [51]

52 3.4 Συντελεστής αξιοποίησης φυσικού φωτισμού F D,C,n Όπως αναφέρθηκε σε παραπάνω ενότητα, ο συντελεστής FD,C,n εξετάζει την ικανότητα του συστήματος να εκμεταλλευτεί το φυσικό φωτισμό προς όφελος της εξοικονόμησης ενέργειας με τη βοήθεια του dimming. Δεν λαμβάνει υπόψη του όμως την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από τις συσκευές του συστήματος (π.χ. ελεγκτές, dimmers, διάφορες απώλειες), με λίγα λόγια ενδιαφέρεται μόνο για τον τρόπο λειτουργίας του συστήματος φωτισμού ανεξάρτητα από το πόσο ενεργοβόρο είναι το σύστημα το οποίο έχει εγκατασταθεί. Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει τις τιμές που παίρνει ο συντελεστής FD,C,n. Έλεγχος τεχνητού συστήματος φωτισμού FD,C,n συντελεστής φυσικού φωτισμού αδύναμη μέτρια έντονη Χειροκίνητος 0,20 0,30 0,40 Αυτοματοποιημένος 0,75 0,77 0,85 Πίνακας Συντελεστής παρουσίας F O Η χρήση αυτού του συντελεστή γίνεται από το πρότυπο προκειμένου να υπολογιστεί η εξοικονόμηση ενέργειας που προκύπτει όταν το σύστημα φωτισμού συνδυάζεται με αισθητήρες κίνησης. Εκείνοι δίνουν εντολή να κλείσει ο φωτισμός αν για κάποιο χρονικό διάστημα δεν αντιληφθούν ανθρώπινη παρουσία στο χώρο. Όταν δεν υπάρχει ανίχνευση παρουσίας τότε η τιμή του συντελεστή είναι FO=1, όπως και στις ακόλουθες περιπτώσεις: Εάν ο φωτισμός στο κτίριο ενεργοποιείται κεντρικά για περισσότερους από έναν χώρους όπως μπορεί να συμβαίνει σε ένα ολόκληρο κτίριο, σε έναν όροφο ή μόνο στους διαδρόμους. Αν πρόκειται για επιφάνεια η οποία ξεπερνά τα 30 m 2 και φωτίζεται από μία ομάδα φωτιστικών. Ενώ θα πρέπει να λαμβάνεται FO<1 σε: Αίθουσες συσκέψεων όπου ελέγχονται από έναν ανιχνευτή και ένα διακόπτη ενεργοποίησης και όχι κεντρικά. Σε χώρους οι οποίοι φωτίζονται από μία ομάδα φωτιστικών και η επιφάνεια τους δεν ξεπερνά τα 30 m 2. [52]

53 Και στις δύο περιπτώσεις θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι προϋποθέσεις του παρακάτω πίνακα όσον αφορά τα χρονικά όρια και τα επίπεδα του dimming ώστε να καθοριστεί μία τιμή του FO που να οδηγεί σε ρεαλιστικά αποτελέσματα. Σύστηματα χωρίς αυτόματο εντοπισμό Foc παρουσίας I Αυτόματο άνοιγμα/σβήσιμο 1,00 II Αυτόματο άνοιγμα/σβήσιμο 0,95 + επιπρόσθετο αυτόματο σήμα εξάλειψης Σύστημα με αυτόματο εντοπισμό παρουσίας Foc III Αυτόματο άνοιγμα/dimmed 0,95 IV Αυτόματο άνοιγμα/αυτόματο σβήσιμο 0,90 V Χειροκίνητο άνοιγμα/ dimmed 0,90 VI Χειροκίνητο άνοιγμα/ αυτόματο σβήσιμο 0,80 Πίνακας 3.4 Ο υπολογισμός του συντελεστή προκύπτει ως εξής: Για 0 F A 0.2: F F 1 [(1 ) A o FOC ] (Σχέση 3.7.a) 2 Για 0.2 F A 0.9: F F 0.2 F (Σχέση 3.7.b) O OC A F A Και για 0.9 1: F [7 (10 F )] ( F 1) (Σχέση 3.7.c) O OC A όπου FA είναι το ποσοστό του χρόνου κατά το οποίο στο χώρο δεν παρατηρείται ανθρώπινη παρουσία, ενώ οι τιμές του συντελεστή FOC, ο οποίος εξαρτάται από το σύστημα ελέγχου του φωτισμού φαίνονται στον Πίνακα 3.4. [53]

54 Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι τιμές του FO όπως προκύπτουν τελικά από διάφορους συντελεστές απουσίας FΑ: FA 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Χειροκίνητο ,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0 άνοιγμα/ αυτόματο σβήσιμο Χειροκίνητο 1 0,975 0,95 0,85 0,75 0,55 0,65 0,45 0,35 0,25 0 άνοιγμα/σβήσιμο + επιπρόσθετο αυτόματο σήμα εξάλειψης Αυτόματο 1 0,975 0,95 0,85 0,75 0,55 0,65 0,45 0,35 0,25 0 άνοιγμα/dimmed Αυτόματο 1 0,95 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0 άνοιγμα/αυτόματο σβήσιμο Χειροκίνητο 1 0,95 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0 άνοιγμα/ dimmed Χειροκίνητο άνοιγμα/ αυτόματο σβήσιμο ,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0 Πίνακας 3.5 Οι τιμές του συντελεστή FOC είναι εντελώς εμπειρικές και λήφθηκαν υπόψη οι ιδιαιτερότητες των συστημάτων ρύθμισης φωτισμού. Πάντα πρέπει να δίνεται προσοχή εκτός από τη μελέτη φωτισμού και στην εφαρμογή αυτής αφού το κάθε σύστημα ελέγχου φωτισμού ταιριάζει με τον κατάλληλο χώρο. Ένας αισθητήρας κίνησης ενός δωματίου σίγουρα δεν προσφέρει στην εξοικονόμηση ενέργειας όταν στην περιοχή ελέγχου του ανήκει μία ανοιχτή πόρτα η οποία βλέπει σε πολυσύχναστο διάδρομο. Ο φωτισμός σπάνια θα απενεργοποιείται αλλά και όταν συμβαίνει αυτό στη συνέχεια θα ενεργοποιείται χωρίς λόγο. Στον αλγόριθμό μας (βλ κεφάλαιο 7) χρησιμοποιήσαμε την ίδια φιλοσοφία σχετικά με το πώς η ανίχνευση παρουσίας του χρήστη επηρεάζει το σύστημα φωτισμού και για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκαν αισθητήρες κίνησης. [54]

55 3.6 Συντελεστής συντήρησης MF (Maintenance factor) Όλες οι εγκαταστάσεις φωτισμού παρουσιάζουν μείωση της απόδοση τους με το χρόνο. Σε συστήματα τεχνητής ρύθμισης φωτισμού (dimming), όπου μεταβάλλεται η αποδιδόμενη φωτεινή ισχύς και κατά συνέπεια η απορροφούμενη ηλεκτρική, ο ρυθμός αυτής της μείωσης αποτυπώνεται στον συντελεστή συντήρησης MF. Η απορροφούμενη ισχύς των φωτιστικών στην αρχική τους λειτουργία, προκειμένου να ικανοποιήσουν το επιθυμητό επίπεδο φωτεινής ισχύος ενός χώρου, δεν είναι η ονομαστική αλλά μειωμένο κατά 1/MF. Μόλις η ζήτηση της ηλεκτρικής ισχύος γίνει ίση με την ονομαστική, αυτό σημαίνει ότι τα φωτιστικά σώματα χρειάζονται συντήρηση και το χρονικό διάστημα το οποίο μεσολάβησε καλείται κύκλος συντήρησης. Αριθμητικά ισούται με το λόγο της επιθυμητής τιμής φωτεινής ισχύος σε ένα χώρο, βάσει της μελέτης φωτισμού, προς την αντίστοιχη τιμή που επιτυγχάνεται κατά την αρχική λειτουργία των φωτιστικών σωμάτων σε πλήρη ισχύ (100%). Σε περίπτωση που δεν υπάρχουν διαθέσιμα δεδομένα για τον ακριβή υπολογισμό του συντελεστή συντήρησης, συνίστανται οι παρακάτω τιμές ως αναφορά: 0.67 για καθαρή ατμόσφαιρα και 0.5 σε πολύ βρώμικα περιβάλλοντα εργασίας. Ο συντελεστής συντήρησης εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά συντήρηση του λαμπτήρα, τον έλεγχο, το φωτιστικό, το περιβάλλον και το πρόγραμμα συντήρησης. Ο σχεδιαστής πρέπει να: - Προσδιορίζει τον παράγοντα συντήρησης, - Καθορίζει τον κατάλληλο εξοπλισμό φωτισμού για το περιβάλλον της εφαρμογής, - Προετοιμάζει ένα πρόγραμμα συντήρησης που να περιλαμβάνει τη συχνότητα της αντικατάστασης των λαμπτήρων και των φωτιστικών σωμάτων και της μεθόδου καθαρισμού. [55]

56 3.7 Επιπλέον θεωρήσεις Προσωπική αυξομείωση του φωτός individual dimming Επιπλέον εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση ενός συστήματος φωτισμού στο χώρο εργασίας με αυξομείωση έντασης φωτισμού (dimming). Το προσωπικό αυτό σύστημα dimming μπορεί επίσης να βελτιώσει την άνεση στους χώρους εργασίας καθώς ο φωτισμός μπορεί να προσαρμοστεί στις προσωπικές ανάγκες και στην προτιμώμενη συνεισφορά του φωτός. Μέχρι πρόσφατα το σύστημα dimming χρησιμοποιούνταν μόνο για εξειδικευμένες ανάγκες και για την αισθητική ικανοποίηση του χρήστη. Τώρα πλέον έχει αναγνωριστεί η σημαντική επιρροή της αυξομείωσης των επιπέδων φωτισμού και στην εξοικονόμηση ενέργειας, καθώς αρκετές ώρες της ημέρας ο χρήστης μπορεί να ικανοποιείται με ενδιάμεσα επίπεδα φωτισμού και έτσι να αποφεύγεται η συνεχής λειτουργία των λαμπτήρων σε πλήρη ένταση. Παρακάτω (βλ κεφάλαιο 7) στον αλγόριθμό μας γίνεται η προσθήκη του dimming εν αντιθέσει με προηγούμενους αλγορίθμους που πραγματεύονταν απόλυτες καταστάσεις φωτισμού (πλήρως σβηστά ή πλήρως ανοιχτά) Αλγοριθμικός φωτισμός algorithmic lighting Η αυτόματη αλλαγή του επιπέδου και της κατεύθυνσης φωτισμού καθώς και της θερμοκρασίας χρώματος κατά τη διάρκεια της μέρας ονομάζεται αλγοριθμικός φωτισμός. Για να γίνει αλλαγή της θερμοκρασίας χρώματος στις εγκαταστάσεις χρησιμοποιούνται διαφορετικού χρώματος φωτεινές πηγές σε ένα φωτιστικό. Οι φωτεινές πηγές είναι μεταβαλλόμενης έντασης για την επίτευξη διαφορετικών επιπέδων φωτισμού και θερμοκρασίας χρώματος. Έχει μεγάλη σημασία στο σχεδιασμό των εγκαταστάσεων φωτισμού να λαμβάνονται υπόψη οι μη βιολογικές οπτικές επιδράσεις. Αυτό σχετίζεται με τη ρύθμιση ορισμένων ορμονών στο ανθρώπινο σώμα. Για να εκτιμήσουμε τις βιολογικές επιπτώσεις μέσω του φωτισμού είναι απαραίτητα κατά τη διάρκεια της μέρας (ειδικά τις πρωινές ώρες) υψηλότερα επίπεδα φωτισμού από αυτά που απαιτούνται για απλή όραση. Αυτά τα υψηλότερα επίπεδα φωτισμού μπορούν να περιοριστούν αν χρησιμοποιηθεί ψυχρό λευκό φως (θερμοκρασία χρώματος μέχρι 6000K). Προς το παρόν όταν απαιτείται φωτισμός με λιγότερες βιολογικές επιπτώσεις χρησιμοποιείται θερμότερο χρώμα και μειώνεται σταδιακά στο ελάχιστο επίπεδο που απαιτείται για την καθαρή όραση και μόνο. [56]

57 Τυπικά, για μία εγκατάσταση με σύστημα αλγοριθμικού φωτισμού το συνολικό εγκατεστημένο φορτίο για το φωτισμό είναι μεγαλύτερο από εκείνο μίας εγκατάστασης με σύστημα μη αλγοριθμικού φωτισμού. Παρόλα αυτά, ο φωτισμός δεν χρησιμοποιείται στη μέγιστη ζήτησή του για μεγάλες περιόδους. Η πραγματική ισχύς που χρησιμοποιείται κυμαίνεται μεταξύ 30 και 70% της εγκατεστημένης ισχύς του συστήματος Οδηγός φυσικού φωτισμού Φωτοσωλήνες Επιπρόσθετη εξοικονόμηση ενέργειας μπορεί να αποκτηθεί με τη χρήση φωτοσωλήνων (ή γενικά συστημάτων με καθοδήγηση του ημερήσιου φωτός μέσω σωληνώσεων). Οι φωτοσωλήνες επιτρέπουν στο φως της μέρας να κατευθυνθεί καθώς μπορούν να παρέχουν το φως της ημέρας σε σκοτεινές περιοχές του κτιρίου, όπου το φως από συμβατικά φωτιστικά συστήματα οροφής δεν μπορεί να φτάσει. Οι φωτοσωλήνες είναι κυρίως ένας μεταλλικός ή πλαστικός σωλήνας που μεταφέρει το φως της ημέρας από την οροφή στο κτίριο. Ένας τυπικός φωτοσωλήνας περιλαμβάνει: 1) έναν πλαστικό θόλο τοποθετημένο στη σκεπή ή ένα πλαίσιο παραθύρου το οποίο συλλαμβάνει το φως του ήλιου, 2) ένα ανακλαστικό σωλήνα που εκτείνεται από το θόλο προς το εσωτερικό και την οροφή και 3) ένα αντικείμενο τοποθετημένο στην οροφή που διαχέει το φως στο δωμάτιο. Υπάρχει διαθέσιμος μεγάλος αριθμός συστημάτων είτε με ευέλικτους είτε με άκαμπτους σωλήνες αντανάκλασης. [57]

58 Κάθετες προσόψεις Βαθύτερες περιοχές των πλευρικά φωτισμένων χώρων συχνά υποφέρουν από ανεπαρκή παροχή ημερήσιου φωτός, διευρύνοντας έτσι την ανάγκη για χρήση δαπανηρού τεχνητού φωτισμού και τελικά την αύξηση ψυκτικών φορτίων με πρόσθετα εσωτερικά κέρδη θερμότητας μέσω της τεχνητού φωτισμού. Επιπλέον, τα συμβατικά συστήματα σκίασης συχνά μειώνουν το εισερχόμενο φως σε σημείο που απαιτείται τεχνητός φωτισμός, αν και εξωτερικά η προσφορά φωτός είναι άφθονη. Εδώ τα συστήματα οδήγησης του φυσικού φωτισμού αντιπροσωπεύουν μία σημαντική σχεδιαστική επιλογή για επιπλέον εξοικονόμηση ενέργειας. Στις μέρες μας διαφορετικές τεχνικές λύσεις είναι διαθέσιμες. Για συνθήκες της κεντρικής Ευρώπης, μια ισχυρή στρατηγική χρησιμοποιεί το ανώτερο 1/4 ή 1/3 των ορατών στοιχείων πρόσοψης για τον αναπροσανατολισμό του απευθείας εισερχόμενου φυσικού φωτισμού προς βαθύτερες περιοχές του χώρου, αποφεύγοντας ταυτόχρονα τα προβλήματα θάμβωσης στους χώρους εργασιών. Η λύση αυτή παρέχει, στις περισσότερες περιπτώσεις, το όφελος της αρκετής επιπλέον φωτεινότητας στο χώρο, περιορίζοντας τη διείσδυση των συμπληρωματικών ποσών της ηλιακής ακτινοβολίας (κίνδυνος υπερθέρμανσης το καλοκαίρι). Είναι διαθέσιμα συστήματα περσίδων (των οποίων το άνω τμήμα μπορεί να γέρνει ξεχωριστά), συστήματα για εσωτερικούς σκοπούς με υψηλή ανακλαστική επίστρωση όπως επίσης και ειδικά σχεδιασμένα τζάμια ανακατεύθυνσης. Εκτός από την ανακατεύθυνση του άμεσου φωτός στο χώρο, άλλα συστήματα έχουν ως σκοπό να απορρίπτουν το άμεσο ηλιακό φως από την πρόσοψη, ενώ εξακολουθούν να επιτρέπουν την είσοδο επαρκής ποσότητας διάχυτου φυσικού φωτός στο χώρο. Ελάσματα μπορεί να λειτουργήσουν σε ένα λεγόμενο "cut-off", δηλαδή κάνοντας μερικό αποκλεισμό της εισόδου του απευθείας φυσικού φωτισμού. Επιπλέον, συστήματα με πρισματικά στοιχεία χρησιμοποιούνται για την αξιοποίηση των αρχών διάθλασης του φωτός. Για πολλά από τα συστήματα πρέπει να ληφθούν υπόψη πρόσθετα στοιχεία ελέγχου για την τοποθέτηση συστατικών π.χ. ελασμάτων ή πρισμάτων. Στο σχεδιασμό των συστημάτων αυτών πρέπει επίσης να συμπεριληφθεί η εξάρτησή τους από τον προσανατολισμό του κτιρίου και τη γειτνίασή του με άλλα κτίρια τα οποία προκαλούν σκίαση. Σε ορισμένα ευρωπαϊκά κλίματα εναλλακτικές λύσεις αποτελούν τα φωτεινά ράφια (light shelves). Παρότι τα συστήματα που λειτουργούν με συγκέντρωση και καθοδήγηση του διαχεόμενου φωτός είναι αναπτυγμένα, δεν έχουν ακόμη χρησιμοποιηθεί σε μεγάλη κλίμακα. [58]

59 Ηλιοροφές Η καθοδήγηση του ημερήσιου φωτός για περιπτώσεις ηλιοροφών έχει αποδειχθεί ότι είναι μικρής σημασίας καθώς αυτά τα συστήματα φωτίζουν τους χώρους πιο ομοιόμορφα. Ειδικά σχεδιασμένα μικροπάνελ μπορούν ωστόσο να παρέχουν ηλιοπροστασία αφήνοντας μεγάλα τμήματα του διαχεόμενου φωτός να εισέλθουν στο χώρο. Glass Pyramid Glass roof window Glass ridge Polycarbonate ridge Polycarbonate pyramid Polycarbonate dome Εικόνες 3.1 Παραδείγματα ηλιοροφών [59]

60 Β) ΤΟ ΕΥΡΩΠΑΙΚΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΕΝ Φως και φωτισμός - φωτισμός εργασιακών χώρων εσωτερικοί χώροι εργασίας Παρακάτω ακολουθεί η μετάφραση ενός τμήματος του ευρωπαϊκού προτύπου οι κεντρικές ιδέες του οποίου χρησιμοποιήθηκαν στο σχεδιασμό του συστήματός μας. 3.9 Κριτήρια σχεδιασμού συστήματος φωτισμού Σε θέματα φωτισμού είναι στοιχειώδες το γεγονός ότι σε συνδυασμό με την απαιτούμενη φωτεινότητα, πρέπει να ικανοποιούνται και οι ποσοτικές και ποιοτικές ανάγκες για φωτισμό. Οι απαιτήσεις για τα συστήματα φωτισμού ορίζονται από την ικανοποίηση τριών βασικών ανθρώπινων αναγκών. - Οπτική άνεση - Οπτική απόδοση - Ασφάλεια Τα κύρια κριτήρια (με βάση το πρότυπο) που πρέπει να ληφθούν υπόψη για το σχεδιασμό του συστήματος φωτισμού είναι: - Η συνεισφορά στη φωτεινότητα - Η ίδια η φωτεινότητα - Η αντηλιά - Η κατεύθυνση του φωτός - Το χρωματικό περιεχόμενο της πηγής φωτός - Το τρεμόσβυμα των λαμπτήρων - Ο φυσικός φωτισμός Παρακάτω ακολουθεί μια σύντομη ανάλυσή τους: [60]

61 Η συνεισφορά στη φωτεινότητα Μία καλά εφαρμοσμένη φωτεινότητα είναι απαραίτητο να αυξάνει: - Την οπτική οξύτητα - Την αίσθηση των χρωματικών αντιθέσεων - Την αποδοτικότητα των οφθαλμικών λειτουργιών Η συνεισφορά στη φωτεινότητα επηρεάζει επίσης και την οπτική άνεση. Τα παρακάτω συνίσταται να αποφεύγονται για λόγους που επεξηγούνται: - Πολύ υψηλά επίπεδα φωτεινότητας μπορεί να αυξήσουν την τιμή της αντηλιάς. - Πολύ υψηλές αντιθέσεις στη φωτεινότητα μπορεί να προκαλέσουν κόπωση στον οφθαλμό καθώς δυσκολεύεται στην προσαρμογή. - Στο αντίθετο άκρο πολύ χαμηλά επίπεδα φωτεινότητας και φωτεινών αντιθέσεων προκαλούν πληκτικές συνθήκες εργασίας. Τα φωτιστικά σώματα όλων των επιφανειών πρέπει να καθορίζονται με βάση την ανακλαστικότητα των επιφανειών. Παραδείγματα συντελεστών ανάκλασης των περισσότερων εσωτερικών επιφανειών είναι: Οροφή-> Τοίχοι-> Επιφάνειες εργασίας-> Δάπεδο-> Φωτεινότητα Η φωτεινότητα και η συνεισφορά της στην επιφάνεια εργασίας και της γύρω περιοχής έχουν μεγάλη επίδραση στο πόσο γρήγορα, ασφαλή και άνετα διενεργεί ένα άτομο. [61]

62 Συνιστώμενες φωτεινότητες στην επιφάνεια εργασίας Η φωτεινότητα μπορεί να είναι οριζόντια, κάθετη ή κεκλιμένη. Οι τιμές φωτεινότητας παρουσιάζονται χωρίς να ληφθούν υπόψη οι εξής παράγοντες: - Ψυχολογικός π.χ. οπτική άνεση - Ανάγκες για οπτική εργασία - Πρακτική εμπειρία - Ασφάλεια - Οικονομία Η τιμή της φωτεινότητας μπορεί να προσαρμόζεται κατά ένα σκαλί της κλίμακας εάν οι συνθήκες διαφέρουν από τις κανονικές. Ένας συντελεστής τιμής περίπου 1.5 αντιπροσωπεύει τη μικρότερη αξιοσημείωτη διαφορά στη σκάλα της φωτεινότητας. Σε κανονικές συνθήκες φωτισμού περίπου 20 lux απαιτούνται για να διακρίνει κανείς τα χαρακτηριστικά του ανθρώπινου προσώπου και γι αυτό αυτή η τιμή είναι η ελάχιστη τιμή στην κλίμακα των τιμών της φωτεινότητας. Η προτεινόμενη κλίμακα φωτεινότητας σύμφωνα με το πρότυπο είναι (σε lux) η παρακάτω: Η απαιτούμενη ένταση φωτισμού πρέπει να αυξηθεί όταν: - Η οπτική εργασία είναι κρίσιμη, - Η οπτική ικανότητα του εργαζόμενου είναι λιγότερη από φυσιολογική, - Οι λεπτομέρειες εργασίας είναι σε ασυνήθιστα μικρό μέγεθος ή υπάρχουν πολύ μικρές αντιθέσεις, - Μία εργασία αναλαμβάνεται για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ανάλογα, η απαιτούμενη φωτεινή ένταση συνίσταται να μειωθεί όταν: - Οι λεπτομέρειες εργασίας είναι σε ασυνήθιστα μεγάλο μέγεθος ή υπάρχουν υψηλές αντιθέσεις, - Μία εργασία αναλαμβάνεται για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Σε διαρκώς κατειλημμένους χώρους η μέση ένταση φωτισμού δεν θα πρέπει να είναι μικρότερη από 200lux. [62]

63 Ένταση φωτισμού της άμεσης γύρω περιοχής Ο φωτισμός της άμεσης τριγύρω περιοχής θα πρέπει να σχετίζεται με τη φωτεινότητα της επιφάνειας εργασίας ώστε να παρέχεται μία ισορροπημένη κατανομή φωτεινότητας στο χώρο. Σε αντίθετες περιπτώσεις υπάρχει πιθανότητα πρόκλησης δυσφορίας και οπτικού άγχους. Ο περιφερειακός αυτός φωτισμός μπορεί να είναι χαμηλότερος από αυτόν της επιφάνειας εργασίας αλλά όχι μικρότερος από αυτόν που παρουσιάζεται στον παρακάτω πίνακα. Λαμπρότητα επιφάνειας εργασίας Λαμπρότητα γύρω επιφανειών >= =<200 Εtask Ομοιομορφία >=0,7 Ομοιομορφία >=0,5 Πίνακας 3.6 Ανομοιομορφίες και σχέση φωτεινότητας μεταξύ επιφάνειας εργασίας και των γύρω επιφανειών Ομοιομορφία Η επιφάνεια εργασίας είναι απαραίτητο να έχει όσο το δυνατόν περισσότερη ομοιομορφία, η οποία δεν πρέπει να είναι μικρότερη από αυτή που δίνεται από τον παραπάνω πίνακα Αντηλιά (Glare) Η αντηλιά είναι μία αίσθηση που προκαλείται από φωτεινές περιοχές εντός του οπτικού πεδίου. Αντηλιά που προκαλείται από τις αντανακλάσεις σε κατοπτρικές επιφάνειες είναι συνήθως γνωστή ανακλώμενη αντηλιά (veiling reflections, reflected glare). Είναι σημαντικό να αποφευχθεί η αντηλιά για να μην προκληθεί σύγχυση και απώλεια άνεσης. Ο παράγοντας UGR (undefined glare rating) που έχει να κάνει το discomfort glare αναλύεται σε άλλο κεφάλαιο Κατευθυνόμενος φωτισμός Κατευθυνόμενος φωτισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δοθεί έμφαση σε αντικείμενα, να αποκαλυφθεί η υφή τους και να βελτιώσει την παρουσία των ανθρώπων στο χώρο. [63]

64 Μοντελοποίηση (modeling) Η μοντελοποίηση (modeling) αποτελεί την ισορροπία μεταξύ της διάχυσης και του κατευθυνόμενου φωτισμού. Ο φωτισμός δεν πρέπει να είναι σε μεγάλο βαθμό κατευθυνόμενος γιατί θα παράγει πολλές σκιές, ούτε θα πρέπει να είναι πολύ διάχυτος επειδή η μοντελοποίηση θα χαθεί εντελώς, με αποτέλεσμα ένα πολύ ανιαρό φωτεινό περιβάλλον Χρωματική σκοπιά Η ποιότητα χρώματος ενός σχεδόν λευκού λαμπτήρα έχει δύο χαρακτηριστικά: - Τη χρωματική εμφάνιση του ίδιου του λαμπτήρα, - Και τη χρωματική απόδοση, η οποί επηρεάζει την εμφάνιση των αντικειμένων και των ατόμων που φωτίζει Χρωματική εμφάνιση Η χρωματική εμφάνιση αναφέρεται στο χρώμα που ο λαμπτήρας εκπέμπει. Ποσοτικοποιείται με τη σχετιζόμενη με αυτή θερμοκρασία χρώματος. Η εμφάνιση χρώματος περιγράφεται στον πίνακα που ακολουθεί. Χρωματική εμφάνιση Ζεστό Ενδιάμεσο Ψυχρό Πίνακας 3.7 Χρωματική εμφάνιση Σχετική θερμοκρασία σώματος Tcp (K) Κάτω από 3300Κ 3300Κ με 5300Κ Πάνω από 5300Κ Η επιλογή του χρώματος του λαμπτήρα σχετίζεται με την ψυχολογία, την αισθητική και το τι ο καθένας θεωρεί φυσικό φωτισμό. Βασίζεται στα επίπεδα φωτισμού, στα χρώματα των τοίχων και των επίπλων αλλά και του κλίματος και της εφαρμογής. Σε θερμότερα κλίματα προτιμώνται πιο ψυχρά χρώματα, ενώ αντίθετα σε ψυχρά κλίματα προτιμώνται θερμότερα χρώματα λαμπτήρων Χρωματική απόδοση Είναι σημαντικό τα χρώματα να αποδίδονται με φυσικό τρόπο. [64]

65 Flicker και στροβοσκοπικό φαινόμενο Το φαινόμενο flicker ή αλλιώς το τρεμόσβημα της λάμπας μπορεί να προκαλέσει σύγχιση και πονοκεφάλους. Στους λαμπτήρες που λειτουργούν με ηλεκτρικές εκκενώσεις όπως είναι του φθορισμού, όταν λειτουργούν μ εναλλασσόμενη τάση, προκαλούνται διακοπές των εκκενώσεων και διακοπή του εκπεμπόμενου φωτός σε κάθε ημιπερίοδο που μηδενίζεται η τάση. Το παραπάνω φαινόμενο ονομάζεται στροβοσκοπικό και αντιμετωπίζεται μερικά με πυκνωτές και αποτελεσματικά με ισοκατανομή των φορτίων των λαμπτήρων φθορισμού στις 3 φάσεις οπότε οι λαμπτήρες τροφοδοτούνται διαδοχικά από διαφορετικές φάσεις και όταν μειώνεται η ένταση φωτισμού του ενός αναπληρώνεται με την ένταση του άλλου. Τα συστήματα φωτισμού είναι σχεδιασμένα ώστε να αποφεύγουν τις συνέπειες των δύο παραπάνω φαινομένων. Αυτό συνήθως μπορεί να επιτευχθεί για παράδειγμα με τη χρήση συνεχούς ρεύματος για λαμπτήρες πυρακτώσεως ή για τους λαμπτήρες εκκένωσης χρήση σε υψηλές συχνότητες (περίπου 30kHz). Μία άλλη τεχνική είναι να συνδέονται τα φωτιστικά σε διαφορετικές τάσεις προκειμένου να αποφεύγεται το flicker Φωτισμός γραφείων με οθόνη (Display Screen Equipment-DSE) Ο φωτισμός στις θέσεις εργασίας πρέπει να είναι κατάλληλος για όλες τις εργασίες που εκτελούνται π.χ. ανάγνωση από την οθόνη, ανάγνωση τυπωμένου κειμένου, γραφή σε χαρτί και πληκτρολόγηση. Για τις περιοχές αυτές, τα κριτήρια και το σύστημα φωτισμού θα πρέπει να επιλεγούν σύμφωνα με τον τομέα δραστηριότητας. Ο Πίνακας 3.17 δίνει τα όρια της μέσης φωτεινότητας φωτιστικού σε γωνίες ανύψωσης των 65 και άνω από την προς τα κάτω κατακόρυφη, ακτινωτά γύρω από τα φωτιστικά σώματα για χώρους εργασίας όπου χρησιμοποιούνται οθόνες, οι οποίες είναι κάθετες ή με μέχρι 15 γωνία κλίσης. Κλάσεις οθονών I II III σύμφωνα με ISO Ποιότητα οθόνης καλή μεσαία χαμηλή Μέση φωτεινότητα φωτιστικών που ανακλούν στην οθόνη =<1000 cd/m 2 =<200 cd/m 2 Πίνακας 3.8 Όρια φωτεινότητας φωτιστικών που μπορούν να ανακλαστούν στην οθόνη [65]

66 3.11 Προγραμματισμός των απαιτήσεων φωτισμού Οι απαιτήσεις φωτισμού δίνονται στον πίνακα Συμπεριλαμβάνουμε σε αυτή τη διπλωματική μόνο τις απαιτήσεις για χώρους γραφείων. Οι παρακάτω τιμές μας βοήθησαν (όπως παρουσιάζεται σε επόμενο κεφάλαιο) σε αριθμητικές εκτιμήσεις που ήταν απαραίτητες για τη συγγραφή του αλγορίθμου (κεφάλαιο 7). Η στήλη 1 περιλαμβάνει τον αριθμό αναφοράς για κάθε εσωτερική περιοχή, εργασία ή δραστηριότητα. Στη στήλη 2 αναγράφονται οι εσωτερικοί χώροι (ζώνες), τα καθήκοντα ή οι δραστηριότητες, για τις οποίες δίνονται συγκεκριμένες απαιτήσεις. Η στήλη 3 δίνει τη φωτεινότητα m πάνω στην επιφάνεια αναφοράς για την εσωτερική περιοχή, εργασία ή δραστηριότητα που αναφέρεται στη στήλη 2. Στις στήλες 4 και 5 δίνονται ενδεικτικές τιμές για τους δύο παράγοντες UGR και Rα. Γραφεία Τύπος εργασίας/δραστηριότητας Em UGRL Ra Αρχειοθέτηση/φωτοτυπίες Γράψιμο, δακτυλογράφηση, διάβασμα, επεξεργασία δεδομένων Τεχνικό σχέδιο Εργασία σε CAD Συναντήσεις/συνεδριάσεις Υποδοχή Αρχεία Πίνακας 3.9 [66]

67 4. ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΦΩΤΙΣΜΟΥ 4.1 Εισαγωγή Ο φωτισμός ευθύνεται για το 19% της παγκόσμιας ηλεκτρικής κατανάλωσης, ποσοστό που ισοδυναμεί με 2%-3% της συνολικής ετήσιας καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας ( ηλεκτρικής και θερμικής ). Συγκεκριμένα, στα κτίρια του τριτογενούς τομέα το 25%-35% της συνολικής ετήσιας κατανάλωσής τους, δηλαδή 2650 τρισεκατομμύρια kwh ετησίως, αντιστοιχεί στην κατανάλωση για απαιτήσεις φωτισμού. Στην Ελλάδα η ενέργεια που καταναλώνεται για φωτισμό είναι 2960 GWh και υπερβαίνει την ηλεκτρική ενέργεια για θέρμανση (1987 GWh), την ηλεκτρική ενέργεια για ψύξη (2543 GWh) καθώς και την ηλεκτρική ενέργεια για ζεστό νερό για χρήση (965 GWh). Η υπερδιαστασιολόγηση του συστήματος φωτισμού, λόγω ανεπαρκούς ή παντελούς έλλειψης μελέτης, καθώς και η χρήση πεπερασμένης ή συμβατικής τεχνολογίας ευθύνονται κατά κύριο λόγο για αυτά τα υψηλά ποσοστά ενεργειακής κατανάλωσης. Με την εφαρμογή μέτρων εξοικονόμησης ενέργειας μπορεί να επιτευχθεί μείωση του ποσοστού κατά 20%-30%, λαμβάνοντας παράλληλα υπόψη τις ανάγκες των χρηστών ώστε να εξασφαλίζεται η απαιτούμενη ποσότητα και ποιότητα φωτισμού. [67]

68 4.2 Σχεδιασμός συστήματος φωτισμού-κριτήρια Κατά το σχεδιασμό του συστήματος φωτισμού θα πρέπει να ληφθεί υπόψη αν το κτήριο είναι υπό ανέγερση ή υφιστάμενο. Σε ένα υπό ανέγερση κτίριο οι δυνατότητες παρέμβασης είναι μεγάλες, με την εφαρμογή βιοκλιματικών λύσεων για την εκμετάλλευση του φυσικού φωτισμού, Ωστόσο χρειάζεται μελέτη σκοπιμότητας για την εφαρμογή τους. Σε ένα υφιστάμενο κτίριο, απαιτείται περεταίρω μελέτη όχι μόνο για το κόστος των παρεμβάσεων αλλά και για το αντίκτυπο αυτών στις επαγγελματικές δραστηριότητες. Επιπλέον, θα πρέπει να εκτιμάται σε ένα γενικότερο πλαίσιο ενεργειακής αποδοτικότητας του κτιρίου συνυπολογίζοντας την επίδραση της παρέμβασης στα φορτία θέρμανσης- ψύξηςφωτισμού. Επισήμως, τα αποδεκτά επίπεδα φωτισμού για κάθε είδους χώρο και την εκτέλεση κάθε είδους εργασίας καθορίζονται από το πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ και σε εθνικό επίπεδο από τον Κ.Εν.Α.Κ. Κατά τον σχεδιασμό θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη η κατανομή των λαμπτήρων στις διάφορες επιφάνειες του χώρου, η ένταση του φωτισμού στο επίπεδο εργασίας και η ομοιομορφία της, η θάμβωση, η χρωματική απόδοση, η φωτεινή μαρμαρυγή (flicker), η κατευθυντικότητα του φωτισμού και η αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού. Στις παρακάτω παραγράφους περιγράφονται οι πιο σημαντικές τεχνικές για την εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας σε εγκαταστάσεις φωτισμού εσωτερικού χώρου και προσδιορίζεται το πεδίο εφαρμογής τους με γνώμονα την εξυπηρέτηση του χρήστη σε συνδυασμό με την ενεργειακή βελτιστοποίηση. [68]

69 4.3 Μέθοδοι εξοικονόμησης ενέργειας και αναβάθμιση συστημάτων φωτισμού Ηλεκτρονικά συστήματα έναυσης και λειτουργίας λαμπτήρων (electronic ballasts) Το ηλεκτρονικό σύστημα έναυσης και λειτουργίας λαμπτήρων είναι απαραίτητο εξάρτημα για τη λειτουργία των λαμπτήρων εκκένωσης. Τα ηλεκτρομαγνητικά ballast που χρησιμοποιούνταν στο παρελθόν είχαν υψηλές απώλειες και χαμηλή απόδοση. Τα ηλεκτρονικά ballast δεν προκαλούν flicker και θόρυβο κατά τη λειτουργία τους γιατί λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες από τα ηλεκτρομαγνητικά, ενώ υπολογίζεται ότι με τη χρήση τους μπορεί να προκύψει εξοικονόμηση ενέργειας έως και 25%. Αυτό οφείλεται στην χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας και υψηλότερη απόδοση του λαμπτήρα καθώς και στις μειωμένες απώλειες στο στραγγαλιστικό πηνίο. Χαρακτηριστικά των ballasts Τα ballasts αναφέρθηκαν πολλές φορές παραπάνω και γι αυτό είναι σημαντικό να επισημάνουμε ορισμένα χαρακτηριστικά τους. Σημαντικά χαρακτηριστικά των ballasts είναι ο συντελεστής ισχύος (power factor), ο συντελεστής του ballast (ballast factor), ο συντελεστής απόδοσης του ballast (ballast efficacy factor) και οι αρμονικές (harmonics). Ο συντελεστής ισχύος (power factor) είναι ο λόγος της ενεργούς ισχύος προς την φαινόμενη ισχύ, ο οποίος οφείλεται στην διαφορά φάσεως της τάσης και του ρεύματος. Συγκρίνοντας δύο ballasts με ίση κατανάλωση ηλεκτρικής ισχύος (ενεργός τιμή) αλλά με διαφορετικό συντελεστή ισχύος, αυτό με τον χαμηλό συντελεστή ισχύος θα απορροφήσει υψηλότερη τιμή ρεύματος και για τον λόγο αυτόν απαιτούνται αγωγοί μεγαλύτερης διατομής. Η χρήση ballast με υψηλό συντελεστή ισχύος επιτρέπει την εξυπηρέτηση περισσότερων φορτίων από το υπάρχον ηλεκτρικό σύστημα. Υψηλός συντελεστής ισχύος ορίζεται αυτός που υπερβαίνει το 90%. [69]

70 Ο συντελεστής του ballast (ballast factor - BF) ορίζεται (ANSI Standard C ) ως ο λόγος της φωτεινής ισχύος ενός λαμπτήρα, ο οποίος λειτουργεί με ένα συγκεκριμένο ballast, προς την φωτεινή ισχύ του ίδιου λαμπτήρα ο οποίος λειτουργεί με ένα ballast αναφοράς. Διαφορετικοί τύποι λαμπτήρων που λειτουργούν με το ίδιο ballast μπορεί να έχουν διαφορετικές τιμές BF. Ο BF συνήθως λαμβάνει τιμές από Σε περίπτωση που ο BF > 1.0, τότε ο λαμπτήρας θα παράγει περισσότερη φωτεινή ισχύ αλλά η απαίτηση υψηλής τιμής ρεύματος μπορεί να μειώσει την διάρκεια ζωής του καθώς και να αυξήσει την κατανάλωση ενέργειας. Επίσης θα επιταχυνθεί η υποβάθμιση του λαμπτήρα, δηλαδή η σταδιακή μείωση της φωτεινής του ισχύος. Συστήματα με BF < 0.85, θα παράγουν χαμηλότερη φωτεινή ισχύ, και μπορούν να εξοικονομήσουν ενέργεια, ωστόσο η ζωή του λαμπτήρα δύναται να μειωθεί εξαιτίας των μειωμένων θερμοκρασιών των ηλεκτροδίων. Ο συντελεστής Ballast Efficacy Factor (BEF) ορίζεται ως ο λόγος του BF (%) προς την συνολική ισχύ σε Watt. Ένα μέτρο της αρμονικής παραμόρφωσης είναι ο συντελεστής κορυφής (crest factor) ο οποίος ορίζεται ως ο λόγος της μέγιστης τιμής της κυματομορφής προς την RMS τιμή του. Για μια καθαρή ημιτονοειδή κυματομορφή ο συντελεστής κορυφής είναι ίσος με 1.4. Για την αποφυγή υπερβολικών αιχμών ρεύματος, συστήνεται ο συντελεστής κορυφής ρεύματος να μην υπερβαίνει το 1.7. Υψηλότεροι συντελεστές κορυφής ρεύματος μπορεί να μειώσουν την διάρκεια ζωής του λαμπτήρα. Αναλυτικότερα: I. Η κατανάλωση του λαμπτήρα είναι μικρότερη όταν αυτός λειτουργεί με ηλεκτρονικό ballast π.χ. ένας λαμπτήρας ισχύος 36 Watt με ηλεκτρονικό ballast καταναλώνει 32 Watt ενώ αντίστοιχα με ηλεκτρομαγνητικό καταναλώνει 36 Watt. Επιπλέον, οι απώλειες του ηλεκτρομαγνητικού ballast είναι μικρότερες π.χ. σε ένα τυπικό φωτιστικό 2x36 χρειάζεται ένα ηλεκτρονικό ballast με απώλειες 8Watt, ενώ με ηλεκτρομαγνητικό ballast θα χρειαζόμασταν 2 με απώλειες 16Watt. Το ποσοστό εξοικονόμησης εξαρτάται από το συμβατικό φωτιστικό που χρησιμοποιείται ως αναφορά. Το μέσο ποσοστό εξοικονόμησης ανέρχεται γύρω στο 15%. Το πλεονέκτημα των ηλεκτρονικών ballast μπορεί να αξιοποιηθεί και σε ήδη υπάρχουσες κατασκευές, π.χ. σε λαμπτήρες φωτισμού Τ8, αν υπάρχει ο απαιτούμενος χώρος για την τοποθέτηση του ballast και αφού γίνουν οι κατάλληλες αλλαγές στην καλωδίωση. Ακόμα και σε περίπτωση που το κόστος της επέμβασης αυτής είναι υψηλότερο από την αντικατάσταση των λαμπτήρων με καινούριους που φέρουν ήδη ηλεκτρονικά ballast, γίνεται απόσβεση της επένδυσης σε λιγότερο από 5 έτη. Σημειώνεται ότι τα φωτιστικά Τ5 εξαιρούνται από τέτοιες παρεμβάσεις, διότι λειτουργούν μόνο με ηλεκτρονικά ballast. [70]

71 Επιπλέον, υπάρχουν τεχνολογίες εξοικονόμησης ενέργειας που μπορούν να λειτουργήσουν μόνο με ηλεκτρονικά ballast όπως: Δυνατότητα ρύθμισης της έντασης τους φωτισμού μέσω αισθητήρων και ρυθμιστικών φωτισμού (dimmers). Τα κυκλώματα ρύθμισης της έντασης των λαμπτήρων λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες παρόμοιες με εκείνες των ηλεκτρομαγνητικών ballast και πέρα από αυτές. Αντίθετα τα συμβατικά ballast που λειτουργούν στα 50 Hz είναι ακατάλληλα για dimming. Εικόνα 4.1 Ηλεκτρονικό ballast με δυνατότητα ρύθμισης της έντασης του φωτισμού. Δυνατότητα ένταξης της εγκατάστασης φωτισμού σε σύστημα κεντρικής διαχείρισης κτιρίων (BEMS). Η εξοικονόμηση με τα συστήματα αυτά ανέρχεται σε 20%-40% αλλά εμπεριέχεται στην εξοικονόμηση μέσω dimming. Δυνατότητα λειτουργίας περισσότερων λαμπτήρων (έως τέσσερις) με ένα μόνο ballast γεγονός που εξοικονομεί ενέργεια. Αντίθετα, τα ηλεκτρομαγνητικά ballast δεν μπορούν να λειτουργήσουν με περισσότερους των δύο λαμπτήρων. Το ηλεκτρονικό ballast διακόπτει τη λειτουργία του όταν ο λαμπτήρας δεν λειτουργεί, ενώ το συμβατικό συνεχίζει να διαρρέεται από ρεύμα καταναλώνοντας ενέργεια. Μεγαλώνει σημαντικά η διάρκεια ζωής των λαμπτήρων. Βελτιώνεται ο συντελεστής συντήρησης των λαμπτήρων. Έτσι, η απαιτούμενη στάθμη φωτισμού επιτυγχάνεται με λιγότερα φωτιστικά αν χρησιμοποιηθούν ηλεκτρονικά ballast αντί των συμβατικών. Στην περίπτωση αυτή η απόδοση των λαμπτήρων μειώνεται λιγότερο με τη διάρκεια ζωής των λαμπτήρων. Εκτιμάται ότι γι αυτόν και μόνο τον λόγο τα φωτιστικά σε έναν καθαρά εργασιακό χώρο μπορούν να μειωθούν κατά 6%. [71]

72 II. Καλύτερη απόδοση του λαμπτήρα. Η φωτεινή ροή του λαμπτήρα αυξάνεται όταν λειτουργεί με ηλεκτρονικά ballast. Δεν είναι σπάνιο να ανυψωθεί η απόδοση κατά 12% και μια εγκατάσταση που λειτουργεί με ηλεκτρονικό μπορεί να λειτουργήσει με 18% λιγότερα φωτιστικά από ότι ηλεκτρομαγνητικό καλής ποιότητας. Αυτό είναι ιδιαίτερα αξιοποιήσιμο σε νέες εγκαταστάσεις που μπορούν να υλοποιηθούν με λιγότερα φωτιστικά χωρίς να μειώνεται η ποιότητά τους και η στάθμη του φωτισμού. Τότε μειώνεται το κόστος λειτουργίας (εξοικονόμηση ενέργειας και μείωση κόστους συντήρησης) αλλά και το αρχικό κόστος Επιλογή φωτιστικών σωμάτων και λαμπτήρων Ως φωτιστικό σώμα θεωρείται η διάταξη που έχει τη δυνατότητα να τροφοδοτεί με ηλεκτρικό ρεύμα τους λαμπτήρες που περιλαμβάνει. Συνήθως το φωτιστικό σώμα μεταβάλλει την κατανομή της φωτεινής ροής, που προέρχεται από τη λειτουργία των λαμπτήρων που περιλαμβάνει με κατάλληλους ανακλαστήρες ώστε το μεγαλύτερο μέρος της να είναι αξιοποιήσιμο. Για τη σωστή λειτουργία κάθε τύπου λαμπτήρα απαιτείται και το κατάλληλο φωτιστικό σώμα. Ειδικά για τους λαμπτήρες εκκένωσης, που χρειάζονται ειδικό εξοπλισμό όπως τα ballast για τη λειτουργία τους, απαιτείται σωστός συνδυασμός λαμπτήρων και εξαρτημάτων ώστε να εξασφαλίζεται σωστή απόδοση και κοντινή στις προδιαγραφές διάρκεια ζωής του λαμπτήρα. Στο εμπόριο κυκλοφορούν διάφοροι τύποι φωτιστικών σωμάτων ανάλογα τη χρήση για την οποία προορίζονται (εξωτερικά, οροφής, χωνευτά, ράγας). Οι σημαντικότεροι παράγοντες που θα πρέπει να ληφθούν υπόψη για την επιλογή των φωτιστικών είναι οι εξής: 1. ασφαλής λειτουργία 2. αποδοτική κατανομή της φωτεινής ροής των λαμπτήρων από τη σχεδίαση του συστήματος 3. προστασία των λαμπτήρων από μηχανικές καταπονήσεις 4. εύκολη απαγωγή θερμότητας από τη λειτουργία των περιεχόμενων λαμπτήρων 5. εύκολη τοποθέτηση και συντήρηση 6. αποφυγή θάμβωσης 7. εναρμόνιση με λειτουργικές και αρχιτεκτονικές διατάξεις του χώρου 8. συμβατότητα με διατάξεις ελέγχου φωτισμού [72]

73 Φωτιστικά σώματα Εάν τα φωτιστικά σώματα είναι γερασμένα, απαρχαιωμένης τεχνολογίας και με μεγάλη εγκατεστημένη ισχύ, τότε θα πρέπει να αντικατασταθούν και κάποια από αυτά να ακυρωθούν (σύμφωνα με τους κανονισμούς). Λόγω καλύτερης απόδοσης τα νέα φωτιστικά θα είναι λιγότερα και έτσι το φαινόμενο της υπερδιαστασιολόγησης θα έχει εξαλειφθεί. Η επιλογή των φωτιστικών σωμάτων γίνεται με βάση τον τύπο των εργασιών που γίνονται στο χώρο, την αρχιτεκτονική και την αισθητική του χώρου, όπως επίσης και το επιθυμητό επίπεδο φωτισμού ανάλογα με τις ανάγκες των χρηστών και την ενεργειακή απόδοση της εγκατάστασης. Ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες για την επιλογή του φωτιστικού είναι η απόδοση φωτιστικού σώματος που καθορίζεται από την κατανομή της φωτεινής ροής και τις ανακλαστικές διατάξεις του φωτιστικού. Πρέπει επίσης να είναι μεγαλύτερη από 55lm/W σύμφωνα με τον κανονισμό ΕΝ. Στους λαμπτήρες φθορισμού Τ5 αυξάνεται η απόδοση με την ονομαστική ισχύ. Τελικά προκύπτει ότι η επιλογή γραμμικών λαμπτήρων φωτισμού μεγάλης ονομαστικής ισχύος είναι γενικά επωφελής. Σημαντικός παράγοντας είναι επίσης ο τύπος και το υλικό κατασκευής του οπτικού συστήματος του φωτιστικού (διαχύτης, περσίδες, κάτοπτρο κ.λπ.). Οι συνθετικοί διαχύτες έχουν συνήθως μικρότερο βαθμό απόδοσης και χειρότερο συντελεστή συντήρησης. Τα συστήματα από ανιδιωμένο αλουμίνιο εμφανίζουν καλύτερο βαθμό απόδοσης (80% έναντι 50%-60% των συνθετικών διαχυτών) αλλά και πάλι η ποιότητα της ανιδίωσης και η καθαρότητα του αλουμινίου είναι καθοριστικοί παράγοντες. Στο εμπόριο κυκλοφορούν φωτιστικά του ίδιου τύπου που μπορεί να διαφέρουν ως προς το βαθμό απόδοσης και κατά 20 εκατοστιαίες μονάδες. Κύρια αιτία είναι η ποιότητα σχεδίασης του ανακλαστήρα, που είναι μια περίπλοκη διαδικασία. Ο βαθμός καθαρότητας του αλουμινίου επηρεάζει την απόδοση του ανακλαστήρα και κατ επέκταση του φωτιστικού. Έχει παρατηρηθεί ότι αποκλίσεις κλάσματος στην καθαρότητα του αλουμινίου μπορεί να επιφέρουν δεκαπλάσια απόκλιση στην ανακλαστικότητα των οπτικών του φωτιστικού. Βαφές που αποσυντίθενται στην επιφάνεια του φωτιστικού μπορεί να μειώσουν την απόδοση του, ενώ κάποια φωτιστικά που αποτελούνται μόνο από περσίδες χωρίς οπίσθιο ανακλαστήρα έχουν ιδιαίτερα χαμηλή απόδοση καθώς μεγάλο μέρος της φωτεινής ροής χάνεται στο εσωτερικό του φωτιστικού. [73]

74 Λαμπτήρες Η ονομαστική ισχύς δεν είναι το μοναδικό κριτήριο επιλογής για τους λαμπτήρες. Στο εμπόριο κυκλοφορούν λαμπτήρες με ταυτόσημη ονομαστική ισχύ, χρωματική απόδοση αλλά διαφορετική απόδοση σε lm/w λόγω της διαφορετικής κατανομής της φωτεινής ροής. Είναι δηλαδή δυνατή η ενεργειακή βελτίωση του συστήματος χωρίς καμία άλλη αλλαγή παρά μόνο ορθή επιλογή λαμπτήρων με απόδοση μεγαλύτερη των 65 lm/w. Αν οι συνθήκες του χώρου το επιτρέπουν, τότε μπορεί να επιτευχθεί εξοικονόμηση έως και 30% με επιλογή λαμπτήρων διαφορετικής απόχρωσης αλλά καλύτερης απόδοσης σε lm/w. Η διαφορά στην απόδοση οφείλεται στην διαφορετική τεχνολογία των λαμπτήρων που δεν επηρεάζει ιδιαίτερα το κόστος αγοράς. Η επιλογή της χρωματικής απόχρωσης των λαμπτήρων μπορεί να επιφέρει σημαντική εξοικονόμηση. Αυτό φυσικά προϋποθέτει εκτίμηση των ποιοτικών απαιτήσεων φωτισμού του χώρου (οπτική άνεση) και του απαιτούμενου επιπέδου φωτισμού. Για παράδειγμα η κατανάλωση μπορεί να μειωθεί κατά 15% με αντικατάσταση των λαμπτήρων Τ8, 58W, Daylight, 4000lm με ταυτόσημους Warmwhite 4600lm. Η εξοικονόμηση ανέρχεται σε 4% αν αντικατασταθούν οι τριφωσφορικοί Τ8,58W, Daylight 5000lm με Warmwhite 5200lm. Στον παρακάτω πίνακα δίνονται τιμές φωτεινής αποδοτικότητας διαφόρων τύπων λαμπτήρων. Πίνακας 4.1 [74]

75 Φωτιστικά σώματα με λαμπτήρες Τ5 Οι λαμπτήρες Τ5 λειτουργούν μόνο με ηλεκτρονικό ballast οπότε έχουν όλα τα πλεονεκτήματα που περιεγράφηκαν παραπάνω. Οι λαμπτήρες Τ5 είναι διαφορετικού μεγέθους από τους Τ8 και Τ12, οπότε οι τελευταίοι δεν μπορούν να αντικατασταθούν με Τ5 σε ήδη υπάρχοντα φωτιστικά σώματα. Η απόδοση του λαμπτήρα Τ5 με ηλεκτρονικό ballast μπορεί να φτάσει τα 92 lm/w ενώ αντίστοιχα για τους Τ8 με ηλεκτρομαγνητικό ballast δεν υπερβαίνει τα 76 lm/w. Άρα η απόδοση των λαμπτήρων Τ5 μπορεί να είναι έως 21% μεγαλύτερη από των Τ8, όμως αν οι Τ8 λειτουργούν με ηλεκτρονικό ballast δεν υπάρχει ουσιαστικό όφελος από την αντικατάσταση τους με Τ5. Εικόνα 4.2 Σωληνωτοί λαμπτήρες φωτισμού σε ποικιλία μεγεθών (Τ12, Τ8, Τ5) [75]

76 4.3.3 Κυκλώματα φωτισμού και διακόπτες Σημαντική εξοικονόμηση μπορεί να επιτευχθεί με τον σχεδιασμό κυκλωμάτων φωτισμού και των αντίστοιχων διακοπτών στο ηλεκτρολογικό σχέδιο του κτιρίου. Η πιο συνηθισμένη πρακτική είναι ο έλεγχος του φωτισμού μέσω χειροκίνητων διακοπτών. Ο σχεδιασμός και οι θέσεις των διακοπτών ελέγχου φωτισμού έχουν μεγάλη σημασία στην εξοικονόμηση ενέργειας που επιτυγχάνεται. Δεδομένου ότι η εξοικονόμηση εξαρτάται από την προθυμία των χρηστών να χρησιμοποιήσουν το σύστημα ελέγχου φωτισμού, η ευκολία και η ευελιξία του ανοίγματος και κλεισίματος των διακοπτών έχουν σημασία για την επίτευξη της εξοικονόμησης ενέργειας. Ο σωστός σχεδιασμός κυκλωμάτων φωτισμού και των αντίστοιχων διακοπτών θα πρέπει να εναρμονίζεται στις ανάγκες χρήσης και στις προδιαγραφές του κτιρίου και γενικότερα θα πρέπει να ακολουθεί τους εξής κανόνες : 1) Κάθε γραφείο πρέπει να έχει το δικό του διακόπτη ελέγχου με δυνατότητα επιλογής τουλάχιστον δύο επιπέδων φωτισμού. 2) Σε γραφεία που βρίσκονται σε μεγάλους ανοιχτούς χώρους, οι χώροι με κοινή χρήση και ίδια επίπεδα φωτισμού θα πρέπει να ομαδοποιούνται μαζί. 3) Όταν υπάρχουν φωτιστικά σώματα με τρεις ή τέσσερις λαμπτήρες θα πρέπει οι μεσαίοι λαμπτήρες να συνδέονται ξεχωριστά και ανεξάρτητα από τους εξωτερικούς, ώστε να υπάρχει η δυνατότητα παραγωγής διαφόρων επιπέδων φωτισμού ανάλογα με τον αριθμό των λαμπτήρων που θα συνδεθούν. 4) Όταν υπάρχουν αρκετά φωτιστικά σώματα σε έναν χώρο, τότε συνδέονται τα γειτονικά εναλλάξ για να υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης της έντασης στο μισό. 5) Τα φωτιστικά σώματα περιμετρικά των εξωτερικών χώρων με ανοίγματα θα πρέπει να ελέγχονται ξεχωριστά. 6) Χώροι με μεγάλες απαιτήσεις φωτισμού θα πρέπει να ελέγχονται διαφορετικά από χώρους με μικρότερες απαιτήσεις. [76]

77 4.3.4 Συντελεστής ισχύος Το πρόβλημα βελτίωσης του συντελεστή ισχύος είναι πρακτικά αμελητέο για τις εγκαταστάσεις φωτισμού, καθώς οι περισσότεροι κατασκευαστές έχουν ενσωματώσει τον απαραίτητο εξοπλισμό ρύθμισης του συντελεστή ισχύος στα φωτιστικά τους (π.χ. πυκνωτές). Σημειώνεται ότι ειδικά στα φωτιστικά με ηλεκτρονικά ballast και ρυθμιστές η διόρθωση αυτή αναφέρεται μόνο στο συντελεστή διαφοράς φάσης. Όμως τα φωτιστικά αυτά παράγουν σημαντικά αρμονικά ρεύματα τα οποία είναι δύσκολο να μειωθούν. Αυτά οδηγούν σε συντελεστή ισχύος αρκετά μικρότερο της μονάδας, ακόμα και όταν ο συντελεστής διαφοράς φάσης πλησιάζει τη μονάδα. Το πρόβλημα εξάλειψης αυτών των ρευμάτων απαιτεί μεγάλο κόστος το οποίο δύσκολα αποσβένεται και συνήθως επιδιώκεται μόνο όταν υπάρχουν ιδιαίτερα σύνθετες απαιτήσεις φωτισμού (π.χ. σε θέατρα) Συντήρηση εγκατάστασης φωτισμού Η απόδοση των εγκαταστάσεων φωτισμού μειώνεται με την πάροδο του χρόνου λόγω επικάθισης ρύπων στην επιφάνεια των φωτιστικών, λόγω γήρανσης των υλικών φωτιστικών που συμμετέχουν στην εκπομπή φωτός (π.χ. περσίδες, ανακλαστήρες) αλλά και των ίδιων των φωτιστικών σωμάτων και των διακοπτών. Οι παράγοντες αυτοί συνιστούν το συντελεστή συντήρησης του φωτισμού που εκφράζει τη μείωση της απόδοσης σε σχέση με την αρχική. Η μείωση αυτή λαμβάνεται υπόψη στο σχεδιασμό του συστήματος φωτισμού. Για την αντιμετώπισή του προβλήματος συνίσταται σωστή και συνεπής συντήρηση των φωτιστικών σωμάτων ή χρήση περισσότερων φωτιστικών ώστε ακόμα και με μειωμένη απόδοση να καλύπτουμε τις απαιτήσεις φωτισμού. Η τελευταία αυτή λύση όμως θα πρέπει να αποφεύγεται ως ένα βαθμό, καθώς δεν συντελεί στην ενεργειακή εξοικονόμηση και βελτιστοποίηση του συστήματος φωτισμού. Εξειδικευμένοι φορείς διεξήγαγαν έρευνες σε κτίρια με γραφεία και διαπιστώθηκε ότι στα ανεπαρκώς συντηρημένα φωτιστικά η απόδοση είχε μειωθεί έως και 40%, ενώ στα σωστά και τακτικώς συντηρημένα αυτή η μείωση δεν ξεπερνούσε το 25%. Οι μετρήσεις έδειξαν ακόμη ότι επιτυγχάνεται εξοικονόμηση έως και 15% με συντήρηση των φωτιστικών και αντικατάσταση του 1/3 των λαμπτήρων ακόμα και αν αυτοί λειτουργούν ακόμα, διότι η απόδοσή τους αφού υπερβούν το 70% της διάρκειας ζωής τους μειώνεται σημαντικά και γίνονται ασύμφοροι. Γι αυτό το λόγο θα πρέπει τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των λαμπτήρων, και κυρίως η οικονομική διάρκεια ζωής των λαμπτήρων, να λαμβάνονται υπόψη στη διαδικασία της συντήρησης. [77]

78 4.3.6 Συμπεράσματα παρατηρήσεις Συμπερασματικά οι σημαντικότερες παρεμβάσεις για τη βελτίωση ενός ήδη υπάρχοντος συστήματος φωτισμού, όπως παρουσιάστηκαν, είναι οι εξής: Επιλογή λαμπτήρων με ηλεκτρονικά συστήματα έναυσης και λειτουργίας (ballast). Επιλογή φωτιστικών με οπτικό σύστημα υψηλής απόδοσης (κατά προτίμηση με ανακλαστήρα αλουμινίου υψηλής ανοδίωσης) και με ικανοποιητικό βαθμό συντήρησης ώστε ο συνολικός βαθμός απόδοσης του φωτιστικού να είναι μεγαλύτερο από 0,65. Επιλογή φωτιστικών με λαμπτήρες τύπου Τ5. Επιλογή λαμπτήρων υψηλής απόδοσης (υψηλότερη των 65 lm/w). Επιλογή λαμπτήρων μεγάλης ονομαστικής ισχύος, δηλαδή επιμηκών φωτιστικών, όπου επιτρέπεται. Επιλογή γραμμικών λαμπτήρων αντί συμπαγών. Καθορισμός προγράμματος συντήρησης τους συστήματος φωτισμού. Επιλογή της θερμοκρασίας χρώματος λαμπτήρων ανάλογα με τη δραστηριότητα. Είναι προφανές ότι δεν θα εφαρμοστούν όλες οι προτάσεις αλλά ενδείκνυνται οι τεχνικά εφαρμόσιμες και οικονομικά επωφελείς. 4.4 Αυτοματισμοί-στρατηγικές ελέγχου φωτισμού Αξιοποίηση φυσικού φωτισμού Ο φυσικός φωτισμός μέσω ανοιγμάτων του κελύφους μπορεί να συνεισφέρει στην επίτευξη του απαιτούμενου επιπέδου φωτισμού στις περιμετρικές περιοχές στο εσωτερικό των κτιρίων. Στις περιοχές αυτές μειώνεται η χρήση τεχνητού φωτισμού ανάλογα με τα επίπεδα του φυσικού φωτισμού με αποτέλεσμα να μειώνεται η κατανάλωση ενέργειας. Η ρύθμιση της στάθμης φωτισμού (dimming) και η έναυση και παύση λειτουργίας των φωτιστικών σωμάτων (switching) μπορούν να συντελέσουν σημαντικά στη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Όπου ο φυσικός φωτισμός δεν επαρκεί, συμπληρώνεται με τον τεχνητό φωτισμό ρυθμίζοντας τη στάθμη που παράγουν τα φωτιστικά σώματα αναλόγως. [78]

79 Ζώνες ελέγχου φωτισμού Πρωταρχικό βήμα για την εκμετάλλευση του φυσικού φωτισμού είναι ο καθορισμός ζωνών ελέγχου, δηλαδή περιοχών στο εσωτερικό του κτιρίου που εκμεταλλεύονται το φυσικό φωτισμό. Παράλληλα με την εκμετάλλευση του φυσικού φωτισμού χρησιμοποιείται και τεχνητός φωτισμός για να επιτευχθεί το απαιτούμενο επίπεδο φωτισμού στην επιφάνεια εργασίας ή στο ευρύτερο εργασιακό περιβάλλον. Αν και οι ζώνες φωτισμού μπορούν να σχεδιαστούν για να καλύπτουν ένα γραφείο, έναν ευρύτερο χώρο ή ακόμα και ολόκληρο κτίριο, κανονικά πρέπει να βρίσκονται κοντά στα στοιχεία που μεταφέρουν φυσικό φωτισμό. Έστω για παράδειγμα ότι έχουμε έναν ενιαίο χώρο που φωτίζεται από φυσικό φωτισμό μέσω ενός κοινού πλευρικού ανοίγματος, η ζώνη φωτισμού θα πρέπει να είναι κοντά στο παράθυρο και να μην είναι μεγαλύτερη από τέσσερα μέτρα στο βάθος του δωματίου. Η σειρά των φωτιστικών που βρίσκεται σε αυτή τη ζώνη συνίσταται να ελέγχεται ξεχωριστά από τα φωτιστικά σώματα που βρίσκονται στο εσωτερικό του χώρου. Εικόνα 4.3 Τομή ενός γραφείου και η αντίστοιχη ζώνη φωτισμού Πιο συγκεκριμένα για να οριστούν σωστά οι ζώνες θα πρέπει να γίνουν μετρήσεις ή υπολογισμοί από προσομοιώσεις στο χώρο σε ετήσια βάση ή τουλάχιστον κάποιους επιλεγμένους μήνες που αντιπροσωπεύουν διαφορετικές εποχές. Οι ζώνες ελέγχου φωτισμού συνδέουν περιοχές που έχουν παρόμοιες συνθήκες κατανομής φυσικού φωτισμού. Γενικά στη ζώνη φωτισμού η μέγιστη τιμή της έντασης δεν πρέπει να ξεπερνάει το τριπλάσιο της ελάχιστης τιμής της έντασης φωτισμού. Με αυτό τον τρόπο υπάρχει επαρκής αντίθεση φωτισμού μέσα στη ζώνη. [79]

80 Εγκατάσταση αισθητήρων φωτισμού Η αποτελεσματική αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού για εξοικονόμηση ενέργειας απαιτεί τη χρήση αισθητήρων σύζευξης φυσικού- τεχνητού φωτισμού. Πρόκειται για μια δράση τοπικών αυτοματισμών με την έννοια ότι αυτόνομοι αισθητήρες τοποθετούνται στους επιμέρους χώρους του κτιρίου, η οποία συνδυάζει το ελάχιστο κόστος εγκατάστασης με εξοικονόμηση ενέργειας και ελάχιστη όχληση στους χρήστες. Τονίζεται ότι η δράση αυτή στηρίζεται στη χρήση τοπικών αυτοματισμών αντί στην εγκατάσταση κεντρικού συστήματος διαχείρισης (BEMS). Το ότι πρόκειται για τοπικούς αυτοματισμούς σημαίνει ότι ένας αισθητήρας φωτισμού ελέγχει μια ομάδα φωτιστικών σε παραπλήσιες θέσεις ή ακόμα και ένα μεμονωμένο φωτιστικό. Ο αισθητήρας φωτισμού είναι ηλεκτρονική διάταξη που ρυθμίζει αυτόματα το επίπεδο τεχνητού φωτισμού ανάλογα με το ποσοστό φυσικού φωτισμού που δέχεται ο χώρος. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα πιο συνηθισμένα συστήματα σύζευξης φυσικούτεχνητού φωτισμού: Συστήματα έναυσης/σβέσης : ένα τέτοιο σύστημα το οποίο προκαλεί έντονες αλλαγές στα επίπεδα φωτισμού και έτσι να δημιουργήσει δυσαρέσκεια στους χρήστες με αποτέλεσμα ο συντηρητής ηλεκτρολόγος του κτιρίου να χρειαστεί να το απενεργοποιήσει. Έτσι δεν είναι δυνατό να αποσβεστεί το κόστος επένδυσης. Το σύστημα αυτό ενδείκνυται για χώρους με άπλετο φυσικό φως και στον οδοφωτισμό, όπου δεν θα υπάρχουν τόσο συχνές εναύσεις και σβέσεις. Επίσης, επιβάλλεται να υπάρχει μια χρονική υστέρηση του συστήματος ελέγχου, ώστε να αποφεύγεται συχνή επαναλαμβανόμενη έναυση/σβέση λόγω παροδικών συνθηκών (π.χ. παροδική συννεφιά) Βηματικά συστήματα: είναι ίδια με τα προηγούμενα απλά με μία ή δύο ενδιάμεσες θέσεις έναυσης/σβέσης. Συστήματα ρύθμισης φωτεινής ροής: Αυτά εξασφαλίζουν ότι ο συνδυασμός φυσικού και τεχνητού συστήματος φωτισμού δίνουν ως αποτέλεσμα το επίπεδο φωτεινής ροής που έχει ρυθμιστεί από το σύστημα. Εάν η απαιτούμενη ροή εξασφαλίζεται με το φυσικό φως, τότε η ροή του τεχνητού φωτός ελαχιστοποιείται. Σε αντίθεση με το σύστημα έναυσης/σβέσης, αυτό το σύστημα δεν ενοχλεί τους χρήστες και οδηγεί σε μεγαλύτερη εξοικονόμηση ενέργειας καθώς οι χρήστες δεν το απενεργοποιούν. Η ανάπτυξη των ηλεκτρονικών στραγγαλιστικών διατάξεων κατέστησε ικανή την εφαρμογή αυτού του συστήματος ακόμα και σε φωτιστικά σώματα φθορισμού. [80]

81 Γενικά αν ο φυσικός φωτισμός είναι αρκετός, τότε η εξοικονόμηση ενέργειας είναι σημαντική. Έρευνες έχουν δείξει ότι η πιθανότητα οι χρήστες να ανάψουν τον τεχνητό φωτισμό με την είσοδό τους στο χώρο συνδέεται άμεσα με το φυσικό φως που εισέρχεται στο χώρο και επίσης αν το τεχνητό φως ανάψει σπανίως οι χρήστες το σβήνουν στη διάρκεια της ημέρας. Το κριτήριο για την επιλογή τρόπου σύζευξης φυσικού και τεχνητού φωτισμού είναι η διαθεσιμότητα φυσικού φωτισμού. Η διαθεσιμότητα του φυσικού φωτισμού εξαρτάται από τη γεωγραφική θέση και τον προσανατολισμό του κτιρίου, καθώς και από το είδος σκίασης που χρησιμοποιείται στο κτίριο (π.χ περσίδες). Με την ίδια λογική στην αλγοριθμική μας ανάλυση (κεφάλαιο 8) όταν ο δείκτης DS (Direct Sunlight on the workplace) έχει τιμή μεγαλύτερη από 50 W/m 2 ενεργοποιείται το σύστημα σκίασης και ο τεχνητός φωτισμός χαμηλώνει εάν είναι απαραίτητο. Ωστόσο, τόσο η αυτόματη όσο και η χειροκίνητη έναυση και σβέση των λαμπτήρων έχουν επιπτώσεις στη διάρκεια ζωής τους. Οι επιπτώσεις αυτές δεν είναι ιδιαίτερα σημαντικές, ενώ η εξοικονόμηση ενέργειας και η μείωση του κόστους λειτουργίας καλύπτουν τη μείωση της διάρκειας ζωής τους. Υπό την προϋπόθεση ότι οι λαμπτήρες θα παραμείνουν σβηστοί για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα των δύο ή τριών λεπτών, είναι πάντα οικονομικότερη η σβέση τους. Οι μόνιμοι χρήστες του χώρου θα πρέπει να είναι ενήμεροι για την παρουσία συστήματος ελέγχου τεχνητού φωτισμού, τον τρόπο λειτουργίας του και πώς μπορούν να αλληλοεπιδράσουν με αυτό. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό σε ανακαινίσεις κτιρίων, όπου μπορεί να παρουσιαστούν αντιδράσεις στην εφαρμογή συστήματος ελέγχου φωτισμού αν οι χρήστες δεν έχουν ενημερωθεί σχετικά. Εικόνα 4.4 Μείωση τεχνητού φωτισμού με εκμετάλλευση φυσικού φωτισμού (πηγή Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας) [81]

82 Χρησιμοποίηση αρχιτεκτονικών λύσεων για την αξιοποίηση φυσικού φωτισμού Η αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού μπορεί να επιτευχθεί ακόμα καλύτερα με την εφαρμογή ήπιων ή ριζοσπαστικών αρχιτεκτονικών λύσεων στο χώρο. Εφόσον το κτίριο δεν έχει σχεδιαστεί ακόμα, ενδείκνυται να σχεδιαστεί με το σωστό προσανατολισμό και μακρόστενη κάτοψη. Για τα κλιματικά δεδομένα της Ελλάδας ο καταλληλότερος προσανατολισμός θεωρείται ο νότιος, καθώς δίνει έως και τρεις φορές περισσότερη διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία από ότι ο δυτικός και ο ανατολικός. Έτσι επιλέγοντας νότιο προσανατολισμό έχουμε μεγαλύτερη ηλιακή ακτινοβολία διαθέσιμη, αλλά απαιτείται καλύτερη ηλιοπροστασία τους καλοκαιρινούς μήνες. Για γεωγραφικά πλάτη μικρότερα των 40 ο οι νότιες όψεις έχουν μεγαλύτερα ηλιακά οφέλη το χειμώνα, ενώ οι ανατολικές και δυτικές όψεις είναι ιδιαίτερα επιβαρυμένες το καλοκαίρι. Με τη μακρόστενη όψη μειώνεται το βάθος των χώρων που συμβάλει στην ομογενοποίηση των επιπέδων φυσικού φωτισμού ή στην υιοθέτηση αμφίπλευρου φωτισμού. Η μεγιστοποίηση των περιμετρικών ζωνών, δηλαδή των περιοχών όπου είναι δυνατή η εκμετάλλευση φυσικού φωτισμού, καθορίζεται από την κάτοψη του κτιρίου. Θεωρώντας ένα τυπικό βάθος περιμετρικής ζώνης (4m) και κτίριο τετράγωνης όψης (30mx30m) η περιμετρική ζώνη αντιστοιχεί στο 46% της κάτοψης. Τροποποιώντας την κάτοψη σε 60mx15m το ποσοστό αυξάνεται σε 60%. Οι αρχιτεκτονικές λύσεις δεν περιορίζονται μόνο σε κτίρια που δεν έχουν ανεγερθεί ακόμα. Οι κυριότερες δράσεις για την αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού τόσο σε υπό ανέγερση όσο και σε υπάρχοντα κτίρια είναι: Η κατασκευή προεξοχών-ραφιών για την εκτροπή του άμεσου φυσικού φωτός στο εσωτερικό χωρίς να προκαλούν θάμβωση. Τα ράφια φωτισμού είναι επίπεδα ή καμπύλα σταθερά στοιχεία με ανακλαστική επιφάνεια που στερεώνονται στα ανοίγματα και κατευθύνουν την ακτινοβολία στο εσωτερικό του κτιρίου. Εξασφαλίζουν ομοιόμορφη κατανομή του φωτισμού, αυξάνοντας το φωτισμό σε σημεία απομακρυσμένα από τα παράθυρα, μειώνοντας παράλληλα τη στάθμη του φωτισμού στις περιοχές κοντά στα παράθυρα. Για την αποτελεσματική λειτουργία τους απαιτείται υψηλή ανακλαστικότητα της οροφής και των τοίχων του χώρου. Η χρήση τους είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική σε εργασιακούς χώρους όπου απαιτείται ομοιόμορφη κατανομή του φωτισμού. Αποφεύγεται η χρήση τους σε συνδυασμό με αισθητήρες φωτισμού (που τοποθετούνται στις οροφές των χώρων), καθώς η ανακατεύθυνση των ακτίνων προς την οροφή που προκαλούν τα ράφια μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα στη λειτουργία των αισθητήρων. [82]

83 Εικόνα 4.5 Ράφι φωτισμού που εξασφαλίζει θέα (κάτω μέρος παραθύρου) και ομοιόμορφη κατανομή φωτισμού. Η χρήση περσίδων, κινητών δηλαδή ανακλαστικών στοιχείων, μικρού μεγέθους που τοποθετούνται στην εσωτερική ή στην εξωτερική επιφάνεια των κουφωμάτων ή μεταξύ διπλών κουφωμάτων. Ως σύστημα φυσικού φωτισμού λειτουργούν όπως και τα ράφια φωτισμού εκτρέποντας τις ηλιακές ακτίνες προς την επιθυμητή κατεύθυνση στο χώρο (κατά προτίμηση στην οροφή). Είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικές καθώς επιτρέπουν τη ρύθμιση της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Εικόνα 4.6 Κινητές ανακλαστικές περσίδες [83]

84 Η χρήση ειδικών υαλοπινάκων που διαχέουν το φως και αποτρέπουν τη θάμβωση. Η εγκατάσταση σταθερών ή κινητών σκιάστρων (εσωτερικών ή εξωτερικών) ή αρχιτεκτονικών προεξοχών (μαρκίζες) ή εσωτερικών ανακλαστικών επιφανειών (light selves) που επιτυγχάνουν σκίαση αλλά και κατευθυνόμενη διάχυση στο εσωτερικό. Η εγκατάσταση φωτοσωλήνων για τη μεταφορά της ηλιακής ακτινοβολίας στους εσωτερικούς χώρους ή συνδυασμός αυτών με ηλιοστάτες που επιτυγχάνουν υψηλότερη συγκέντρωση της ηλιακής ακτινοβολίας. Εικόνα 4.7 Φωτοσωλήνες (Πηγή CLEAR, Comfortable Energy Architecture) Η δημιουργία ανοιγμάτων στην οροφή ή αιθρίων. Τα ανοίγματα στην οροφή παρέχουν μεγάλη ποσότητα διάχυτου φωτός από τον ουράνιο θόλο και λόγω της θέσης τους συντελούν στην ομοιόμορφη διάχυση του φυσικού φωτός στο εσωτερικό των χώρων. Τα αίθρια είτε ανοιχτά είτε με κάλυψη συντελούν στη βελτίωση των συνθηκών φυσικού φωτισμού ιδιαίτερα σε κτίρια με μεγάλη επιφάνεια, καθώς επιτρέπουν τη διείσδυση της φωτεινής ακτινοβολίας στις κεντρικές ζώνες του κτιρίου. Βοηθούν στην αύξηση της στάθμης του φωτισμού των χώρων και παρέχουν διάχυτο φως (από τον ουράνιο θόλο και από τις πολλαπλές ανακλάσεις) συντελώντας στην ομοιόμορφη κατανομή του χωρίς θάμβωση. [84]

85 Εικόνα 4.8 Ανοίγματα στην οροφή (α και β) και δημιουργία αιθρίου (γ) Οι ανωτέρω τεχνικές είναι ενδεικτικές καθώς αναπτύσσονται συνεχώς νέες βελτιωμένες με τους ίδιους στόχους. Αρκετές από αυτές εντάσσονται στη βιοκλιματική αρχιτεκτονική. Οι πιο πολλές ενδείκνυνται για νέα κτίρια, ενώ κάποιες μπορούν να εφαρμοστούν σε υφιστάμενα κτίρια με υψηλότερο κόστος. Ούτως ή αλλιώς η εφαρμογή των παραπάνω τεχνικών σε χώρες με μεγάλη ηλιοφάνεια απαιτεί σοβαρή μελέτη ώστε να μην επιβαρύνει το ψυκτικό φορτίο των κτιρίων. Η παραπάνω παρουσίαση αρχιτεκτονικών λύσεων αν και σύντομη κρίνεται επαρκής. Άλλωστε η βιοκλιματική αρχιτεκτονική αποτελεί κλάδο από μόνη της και η περεταίρω ανάλυση ξεφεύγει από τα πλαίσια αυτού του συγγράμματος. Η εκτίμηση του ενεργειακού οφέλους που θα προκύψει από τη χρησιμοποίηση αυτών των λύσεων είναι αδύνατο να υπολογιστεί έστω και κατά τη τάξη μεγέθους, διότι απαιτείται συνυπολογισμός όλων των ενεργειακών παραμέτρων (θέρμανση, ψύξη κ.λπ.) σε ένα ενιαίο δυναμικό μοντέλο. Σε γενικές γραμμές πάντως το κόστος αυτών των λύσεων είναι αρκετά υψηλό και γι αυτό προβληματίζει τους κατασκευαστές σχετικά με τη εφαρμογή τους ειδικά αν συγκριθεί με το χαμηλότερο κόστος των λύσεων που αναλύθηκαν στις προηγούμενες παραγράφους. [85]

86 4.4.2 Προγραμματισμός Ο έλεγχος φωτισμού με προγραμματισμό διαιρείται σε δύο κατηγορίες σε προβλεπόμενο και μη προβλεπόμενο. Η στρατηγική του προβλεπόμενου προγραμματισμού χρησιμοποιείται σε κτίρια όπου επαναλαμβάνονται δραστηριότητες και μπορεί να καθοριστεί ένα σταθερό πρόγραμμα φωτισμού. Υπάρχει βέβαια δυνατότητα παρέμβασης σε περίπτωση αλλαγής των δραστηριοτήτων. Η στρατηγική αυτή είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική όταν το πρόγραμμα φωτισμού έχει καθοριστεί σωστά για ολόκληρο το χώρο. Τέτοιες στρατηγικές μπορούν να μειώσουν την κατανάλωση ενέργειας έως και 40% από τη χρήση φωτιστικών σε χώρους χωρίς προσωπικό. Ο αυτόματος αυτός προγραμματισμός απαλλάσσει τους χρήστες από το βάρος της λειτουργίας ελέγχου φωτισμού και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σαν χρόνος σηματοδότησης ιδιαίτερων δραστηριοτήτων όπως είναι το άνοιγμα ή το κλείσιμο καταστημάτων. Επιπρόσθετα, για να μην υπάρχει κίνδυνος να «βυθιστούν» στο σκοτάδι οι χρήστες κατά το σχεδιασμό και τη λειτουργία του συστήματος με προβλεπόμενο προγραμματισμό πρέπει να υπάρχει η δυνατότητα παράκαμψης τους συστήματος από τους χρήστες. Η στρατηγική του μη προβλεπόμενου προγραμματισμού εφαρμόζεται σε χώρους ανάπαυσης, βοηθητικοί χώροι με φωτοαντιγραφικά μηχανήματα, χώροι συσκέψεων, χώροι για διαλείμματα εργασίας οι οποίοι χρησιμοποιούνται για μικρά χρονικά διαστήματα και είναι δύσκολο να προγραμματιστούν. Σε αυτές τις περιπτώσεις διάφορες τοπικές τεχνικές ελέγχου του φωτισμού μπορούν να είναι πιο αποδοτικές οικονομικά από χειροκίνητη χρήση των φωτιστικών. Τέτοιες τεχνικές προβλέπουν τη χρήση αισθητήρων παρουσίας, οι οποίοι σβήνουν τα φωτά όταν δεν ανιχνεύσουν κίνηση στο χώρο για ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα. Όταν ανιχνεύσουν κίνηση επαναφέρουν τα φώτα σε λειτουργία. Οι αισθητήρες παρουσίας μπορεί να είναι: A. Να είναι είτε αυτόματοι είτε συνδεδεμένοι σε σύστημα ελέγχου και μπορούν να τοποθετηθούν σε τοίχους ή σε οροφή. Αυτοί ήταν οι πρώτοι ανιχνευτές παρουσίας που χρησιμοποιήθηκαν και παραμένουν ιδιαίτερα δημοφιλείς. Η εγκατάσταση τους απαιτεί διάνοιξη της οροφής ή του τοίχου, δεδομένου ότι πρέπει να καλωδιωθούν στην ηλεκτρική παροχή. Αυτό σημαίνει υψηλό κόστος εγκατάστασης ειδικότερα όταν αυτοί τοποθετηθούν εκ των υστέρων (σε περίπτωση ανακαίνισης). [86]

87 B. Να υπάρχουν όλα τα εξαρτήματα σε ένα κεντρικό σημείο και να μπορούν εύκολα να καλωδιωθούν σε υπάρχοντα κουτιά στο χώρο. Αυτή είναι η πιο πρόσφατη τεχνολογία που χρησιμοποιείται κυρίως σε μικρούς χώρους γραφείων, σε περίπτωση ανακαίνισης με αντικατάσταση των κοινών διακοπτών τοίχου. Έχουν περιορισμένη ευελιξία δεδομένου ότι το σημείο στο οποίο τοποθετούνται είναι σταθερό και συγκεκριμένο σε απόσταση συνήθως 110cm από το δάπεδο. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι ότι διαχωριστικοί τοίχοι και έπιπλα μπορεί να περιορίσουν την εμβέλειά τους. Ωστόσο σε κατάλληλους χώρους (μικρά γραφεία και αίθουσες συνεδριάσεων με επιτοίχιους διακόπτες) η τοποθέτηση όλων των εξαρτημάτων σε ένα κοινό σημείο είναι πολύ συμφέρουσα δεδομένης της χαμηλής τιμής τους και του αμελητέου κόστους εγκατάστασης. Κριτήριο για την επιλογή συστήματος ελέγχου παρουσίας είναι η χρήση του χώρου. Οι ενδεικνυόμενοι χώροι είναι χώροι με διακοπτόμενη ή απρόβλεπτη λειτουργία, π.χ. χώροι φωτοτυπίας, υπηρεσιακοί διάδρομοι, αποθήκες. Στρατηγικές με μη προβλεπόμενο προγραμματισμό που χρησιμοποιούν αισθητήρες παρουσίας-κίνησης μπορούν να εξοικονομούν ενέργεια έως και 60%. Για να αξιολογηθούν τα αποτελέσματα των αυτόματων ελέγχων είναι σημαντικό πρώτα να καθορίζεται το χρονικό διάστημα που ένας χώρος είναι κενός. Είναι σημαντικό να προβλεφθεί κάποια χρονική υστέρηση στο σύστημα καθώς ο χρήστης μπορεί να παραμείνει ακίνητος για μικρά χρονικά διαστήματα, ενώ βρίσκεται ακόμα στο χώρο και δεν επιθυμεί να σβήνουν τα φώτα πριν την έξοδο του από το χώρο. Απαιτείται επίσης προστασία στην επιλογή των αισθητήρων γιατί οι ιδιότητες τους ποικίλουν. Σημαντικό επίσης είναι ότι η έναυση ή σβέση φωτιστικών σωμάτων μπορεί να ενοχλεί τους χρήστες των παρακείμενων γραφείων όπως συμβαίνει σε ένα γραφείο ανοιχτού χώρου. Για λόγους αισθητικής, ασφάλειας και ικανοποίησης των χρηστών ο φωτισμός σε αυτούς στους χώρους μπορεί να βρίσκεται σε χαμηλότερη στάθμη φωτισμού παρά να είναι τελείως κλειστός. Σήμερα οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται για να ελέγχουν το φωτισμό, τον κλιματισμό και τον εξοπλισμό γραφείων και είναι τοποθετημένοι σε γραφεία, αποθήκες, βιβλιοθήκες, βοηθητικούς χώρους, διαδρόμους, κτλ. [87]

88 4.4.3 Διατήρηση των επιπέδων φωτισμού Τα συστήματα φωτισμού σχεδιάζονται έτσι ώστε να εξασφαλίζεται ένα ελάχιστο επίπεδο φωτισμού κάτω από το οποίο δεν επιτρέπεται να μειωθεί το επίπεδο του φωτισμού. Για να πραγματοποιηθεί αυτό θα πρέπει το επίπεδο φωτισμού ενός νέου συστήματος να υπερβαίνει το επίπεδο φωτισμού που πρέπει να επιτευχθεί από το σχεδιασμό (target illuminance level) κατά 20% με 30%. Έτσι το σύστημα φωτισμού θα πρέπει να αντισταθμίσει τη μείωση των επιπέδων φωτισμού με το χρόνο λόγω: Μείωσης του ποσού φωτός που εκπέμπεται από το λαμπτήρα λόγω γήρανσης(lamp lumen depreciation). Μείωση της απόδοσης των φωτιστικών σωμάτων εξαιτίας της επικάθισης σωματιδίων (βρωμιάς) στην επιφάνειά τους με το χρόνο(luminaire dirt depreciation). Μείωση τους συντελεστή ανάκλασης στους τοίχους των δωματίων λόγω επικάθισης σωματιδίων (βρωμιάς) στην επιφάνειά τους(room surface dirt depreciation). Η στρατηγική ελέγχου διατήρησης των επιπέδων φωτισμού προϋποθέτει μείωση του επιπέδου φωτισμού του αρχικού συστήματος στο επίπεδο φωτισμού που θα πρέπει να επιτευχθεί από το σχεδιασμό, δηλαδή να μην υπάρχει η προαναφερθείσα διαφορά μεταξύ τους του 20% με 30%. Δεδομένου ότι θα αρχίσει η μείωση των επιπέδων φωτισμού με την πάροδο του χρόνου, περισσότερη ισχύ θα εφαρμόζεται στους λαμπτήρες προκειμένου να διατηρηθεί η παραγωγή φωτισμού και επακόλουθα να παραμείνει σταθερό το απαιτούμενο επίπεδο φωτισμού. Κατά συνέπεια η πλήρης ισχύς θα εφαρμόζεται μόνο στο τέλος της περιόδου συντήρησης των φωτιστικών σωμάτων, μειώνοντας σημαντικά την ενεργειακή κατανάλωση κατά τη διάρκεια ζωής του λαμπτήρα. Σε ένα συμβατικό σύστημα φωτισμού τα επίπεδα φωτισμού μειώνονται κατά τη διάρκεια του χρόνου λειτουργίας και η καταναλισκόμενη ισχύς παραμένει σταθερή. Απεναντίας σε ένα σύστημα φωτισμού με στρατηγική ελέγχου διατήρησης των επιπέδων φωτισμού τα επίπεδα φωτισμού παραμένουν σταθερά κατά τη διάρκεια λειτουργίας του, ενώ υπάρχει εξοικονόμηση ενέργειας, αφού η ισχύς αυξάνεται σταδιακά μέχρι τη σταθερή τιμή που έχει το συμβατικό σύστημα. Η στρατηγική ελέγχου διατήρησης των επιπέδων φωτισμού μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη βοήθεια ενός συστήματος που ρυθμίζει τη στάθμη του φωτισμού (dimming system) και τους αισθητήρες φωτισμού. Το σύστημα ελέγχου με διατήρηση επιπέδων φωτισμού είναι το πιο αποδοτικό οικονομικά όταν ελέγχονται από κοινού μεγάλες συστοιχίες φωτιστικών σωμάτων. Οι λαμπτήρες πρέπει να αλλάζονται ομαδικά διατηρώντας θεωρητικά σε όλα τα φωτιστικά σώματα την ίδια παραγωγή φωτισμού έτσι ώστε το σύστημα ελέγχου να είναι πιο αποτελεσματικό ως προς τη μείωση της ενέργειας και των δαπανών συντήρησής του. [88]

89 4.4.4 Ρύθμιση των επιπέδων φωτισμού ανά περιοχή εκτέλεσης εργασιών Συνήθως το σύστημα φωτισμού σχεδιάζεται να παράγει ομοιόμορφα επίπεδα φωτισμού σε όλο το χώρο που τοποθετείται. Παρόλα αυτά με τη στρατηγική ελέγχου ρύθμισης των επιπέδων φωτισμού ανά περιοχή (task dimming) το σύστημα φωτισμού μπορεί να ρυθμιστεί έτσι ώστε να παρέχει τον κατάλληλο τοπικό φωτισμό όπου απαιτείται. Τα επίπεδα φωτισμού μπορούν να μειωθούν σε χώρους όπως είναι οι διάδρομοι και οι χώροι υποδοχής και να αυξηθούν σε περιοχές όπου υπάρχουν υψηλότερες απαιτήσεις σε επίπεδα φωτισμού. Σημαντικά είναι και τα ποσά εξοικονόμησης ενέργειας με βάση αυτόν τον έλεγχο φωτισμού. Η στρατηγική αυτή οδηγεί σε πιο αποδοτική χρήση της ενέργειας χωρίς να υπάρχει πρόβλημα με τη επάρκεια φωτισμού και θυσία της οπτικής άνεσης των χρηστών. Ο έλεγχος με ρύθμιση των επιπέδων φωτισμού πραγματοποιείται με τη μεταβολή της παραγωγής φωτισμού μεμονωμένων ή μικρών ομάδων φωτιστικών σωμάτων. Δεδομένου ότι ο φωτισμός είναι απαραίτητο να ρυθμίζεται περιστασιακά εξαιτίας μιας αλλαγής χρήσης του χώρου ή μιας δραστηριότητας που εκτελείται η ρύθμιση μπορεί να γίνεται συχνά και χειροκίνητα. Ο έλεγχος φωτισμού είναι σε θέση να μπορεί να ρυθμίζει μια ζώνη με φωτιστικά σώματα Εξισορρόπηση λαμπρότητας Ο σχεδιασμός τους συστήματος φωτισμού υπαγορεύει συχνά τα όρια της έντασης φωτισμού και λαμπρότητας στο εσωτερικό και μεταξύ των χώρων ενός κτιρίου. Ένας από τους στόχους του σωστού σχεδιασμού είναι η εξισορρόπηση των διαφορετικών επιπέδων έντασης φωτισμού έτσι ώστε η θάμβωση και οι σκιές να μειώνονται. Για παράδειγμα ένας έλεγχος φωτισμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μετριάσει την πολύ υψηλή ένταση φωτισμού που εισέρχεται από τα παράθυρα στο εσωτερικό των χώρων. Μια τέτοια τεχνική ελέγχου είναι ο περιορισμός του φυσικού φωτισμού που εισάγεται στο χώρο μέσα από σκιάστρα ή περσίδες. Μια άλλη τεχνική με αντίθετα αποτελέσματα για τους εσωτερικούς χώρους είναι η αύξηση της έντασης του φωτισμού που παράγεται από τον τεχνητό φωτισμό. Συχνά, ο έλεγχος φωτισμού χρησιμοποιείται για να εξισορροπηθούν επίπεδα φωτισμού μεταξύ δύο χώρων που έχουν διαφορετικά επίπεδα έντασης φωτισμού ή τιμές λαμπρότητας. Ίσως το πιο κοινό παράδειγμα τέτοιου ελέγχου είναι ο φωτισμός σηράγγων. Η λαμπρότητα που παράγεται από το τεχνητό φωτισμό στο στόμιο της σήραγγας με την υψηλότερη λαμπρότητα να παράγεται από τον τεχνητό φωτισμό κατά τη διάρκεια μιας ηλιόλουστης μέρας από ότι σε μια νεφοσκεπή. [89]

90 4.4.6 Εξομάλυνση φορτίου και μείωση της ζήτησης ισχύος Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας όσον αφορά στο φωτισμό σε ένα κτίριο μπορεί να μειωθεί αποτελεσματικά με τον έλεγχο της μείωσης της ζήτησης ισχύος για μερικές χρονικές περιόδους. Η επιλεκτική μείωση της έντασης φωτισμού στους λιγότερο σημαντικούς χώρους του κτιρίου μπορεί να είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική σε περιοχές όπου η μέγιστη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας εμφανίζεται το καλοκαίρι. Μια σχετική μείωση στην ισχύ για φωτισμό μπορεί να μειώσει έμμεσα την ισχύ για κλιματισμό. Οι έλεγχοι με εξομάλυνση φορτίου και μείωση της ζήτησης ισχύος περιλαμβάνουν πολλές εφαρμογές οι οποίες βοηθούν στο να αποφεύγονται συσκοτίσεις έτσι ώστε η εξοικονόμηση ενέργειας στις ώρες αιχμής να είναι σημαντική. Συνδυαστικά με την μείωση ζήτησης ισχύος εφαρμόζεται και διόρθωση συντελεστή ισχύος η οποία έχει αναλυθεί παραπάνω. 4.5 Συστήματα κεντρικής διαχείρισης (BEMS) Τα συστήματα κεντρικής διαχείρισης κτιρίων (Building Energy Management Systems BEMS) συνιστούν ολοκληρωμένη λύση για την εποπτεία της λειτουργίας των κτιρίων, τον έλεγχο των ηλεκτρομηχανολογικών εγκαταστάσεων και τη διαχείρισή τους. Η ορθολογική χρήση ενέργειας είναι μια μόνο μόνο από τις παραμέτρους που επηρεάζεται από την ύπαρξη αυτών των συστημάτων εκφεύγει του αντικειμένου του παρόντος. Αναφέρεται μόνον ότι όλες οι παραπάνω λειτουργίες τοπικών αυτοματισμών μπορούν να εκτελεσθούν από ένα στοιχειωδώς απλό BEMS. Επιπλέον, οι αυτοματοποιημένες λειτουργίες δεν αντιμετωπίζονται αυτόνομα και τοπικά σε κάθε διακριτό χώρο αλλά ενσωματώνονται στο ολοκληρωμένο σύστημα του κτιρίου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη διασύνδεση των αυτοματισμών και την αλληλεπίδραση των διακριτών λειτουργιών. Ουσιαστική επίσης είναι η διαφορά στο κόστος εγκατάστασης. Το κόστος εγκατάστασης αυτόνομων αυτοματισμών σε περισσότερους διακριτούς χώρους είναι σχεδόν ακέραιο πολλαπλάσιο της εγκατάστασης του ενός. Αντίθετα, στο ολοκληρωμένο ΒEMS του κτιρίου οι επί μέρους μονάδες έχουν πολλαπλές λειτουργίες με συνέπεια τον επιμερισμό του κόστους. Τα BEMS εξοικονομούν ενέργεια στη θέρμανση και ψύξη των κτιρίων, στο φωτισμό αλλά και σε άλλες καταναλώσεις (ζεστό νερό χρήσης, αρδεύσεις, ανελκυστήρες, κτλ.). Έχει διαπιστωθεί με μετρήσεις εξειδικευμένων φορέων ότι η εγκατάσταση συστήματος κεντρικής διαχείρισης επιτυγχάνει, σε συνδυασμό με τις δράσεις που ελέγχει, εξοικονόμηση ενέργειας στο φωτισμό από 10% έως 35% ανάλογα με το είδος της χρήσης του κτιρίου. [90]

91 Το κόστος εγκατάστασης συστήματος κεντρικής διαχείρισης είναι αρκετά υψηλότερο από το αντίστοιχο μιας συμβατικής εγκατάστασης. Όμως η εφαρμογή του σε σύγχρονα επαγγελματικά κτίρια αποσβένει το κόστος της σε λογικό χρονικό διάστημα καθιστώντας την επένδυση συμφέρουσα. Οπωσδήποτε για την εγκατάσταση BEMs απαιτείται τεχνοοικονομική μελέτη η οποία θα εκτιμήσει το χρόνο απόσβεσης σύμφωνα με τις λειτουργίες του κτιρίου. Η συνεχιζόμενη διείσδυση των BEMs στην κατασκευή κτιρίων και η συνεπαγόμενη αύξηση των πωλήσεων θα μειώσει περαιτέρω το κόστος τους και το χρόνο απόσβεσης αυξάνοντας έτσι ακόμα περισσότερο τα οφέλη, ενεργειακά και λειτουργικά, από μια τέτοια επένδυση. 4.6 Στρατηγικές ελέγχου φωτισμού για αισθητικούς λόγους Παρότι δεν αποτελεί στοιχείο μελέτης της συγκεκριμένης εργασίας να αναφερθεί ότι οι στρατηγικές ελέγχου του φωτισμού μπορεί να στοχεύουν, εκτός από τη διαχείριση και εξοικονόμηση της ενέργειας, και στην αισθητική αναβάθμιση του χώρου. Ο έλεγχος φωτισμού για αισθητικούς λόγους παρέχει τη δυνατότητα να μεταβάλλονται οι λειτουργίες του χώρου δημιουργώντας ταυτόχρονα συναισθηματική ευφορία, προσφέροντας έλεγχο στην ποιότητα φωτισμού, τη διάθεση των χρηστών και το χρώμα του χώρου στον οποίο είναι εγκαταστημένος. Ο έλεγχος φωτισμού για αισθητικούς λόγους περιλαμβάνει διακόπτες και ρυθμιστές της στάθμης του φωτισμού για τη δημιουργία διαφορετικών «σκηνών» ή «σεναρίων» φωτισμού. Ο έλεγχος φωτισμού με ρύθμιση της στάθμης φωτισμού μπορεί να παρέχει δυναμικά αποτελέσματα ή να δημιουργεί περιβάλλον με ισχυρά σημεία εστίασης. Αλλαγές στις σκηνές του φωτισμού μπορούν να λαμβάνουν χώρα γρήγορα για να δημιουργήσουν ενθουσιασμό ή με πιο λεπτό τρόπο για να δημιουργήσουν μια ομαλή μετάβαση μεταξύ διαφορετικών λειτουργιών στο χώρο. Σε πολλές εφαρμογές ελέγχου για αισθητικούς λόγους είναι απαραίτητο να υπάρχει έλεγχος της έντασης φωτισμού μέσα από μια μεγάλη κλίμακα τιμών. Για παράδειγμα, σε ένα δωμάτιο συσκέψεων πρέπει να υπάρχει υψηλή στάθμη της έντασης φωτισμού όπως απαιτείται για εφαρμογές ανάγνωσης, ενώ για μια εφαρμογή παρουσίασης διαφανειών η στάθμη φωτισμού πρέπει να μεταβεί στο ένα δέκατο ή και λιγότερο της στάθμης που απαιτείται για ανάγνωση. Είναι σημαντικό λοιπόν να χρησιμοποιούνται πηγές φωτισμού που να μπορούν να μειώνουν κατάλληλα την ένταση φωτισμού που εκπέμπουν. [91]

92 Στους συνηθισμένους λαμπτήρες πυράκτωσης και στους λαμπτήρες πυράκτωσης χαμηλής τάσης μπορεί να μειώνεται η ένταση φωτισμού μέχρι να σβήσουν (μηδενική παραγωγή φωτισμού). Στους λαμπτήρες φθορισμού μπορεί να μειώνεται η ένταση του φωτισμού μέχρι το 5% της παραγωγής του αρχικού φωτισμού όταν χρησιμοποιούνται κατάλληλα ηλεκτρονικά συστήματα έναυσης και λειτουργίας φθορισμού με ρύθμιση της στάθμης φωτισμού (Electronic Dimming Ballasts EDBs). Στους λαμπτήρες Νέον και ψυχρής καθόδου μπορεί να μειώνεται η ένταση φωτισμού περίπου μέχρι το 10% της μέγιστης παραγωγής φωτισμού. Στους λαμπτήρες εκκένωσης υπό υψηλή πίεση (High-Intensity Discharge lamps, HIDs) μπορεί να μειώνεται η ένταση φωτισμού περίπου μέχρι το 40% της μέγιστης παραγωγής φωτισμού, αλλά έχουν αργό χρόνο απόκρισης και ισχυρές μετατοπίσεις στην χρωματική απόδοση τους οι οποίες τους καθιστούν κακή επιλογή για αισθητικές εφαρμογές. Οι στρατηγικές που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο φωτισμού για αισθητικούς λόγους περιλαμβάνουν χειροκίνητους ελέγχους, προκαθορισμένα συστήματα ελέγχου και κεντρικά συστήματα ελέγχου. Ο χειροκίνητος έλεγχος με διακόπτες και ρυθμιστές έντασης φωτισμού χρησιμοποιούνται συνήθως σε χώρους με εμπορική χρήση, σε κτίρια γραφείων, βιομηχανικούς χώρους και κατοικίες. Για να είναι αποτελεσματικός, ο χειροκίνητος έλεγχος πρέπει να είναι απλός και κατάλληλος να χρησιμοποιηθεί. Ο αριθμός των κυκλωμάτων φωτισμού που ελέγχει πρέπει να είναι ελαχιστοποιημένος, για να αποφεύγονται λανθασμένες επιλογές. Τα πλαίσια επιλογής σκηνών ή σεναρίων φωτισμού του χειροκίνητου ελέγχου πρέπει να είναι σαφή και να είναι μόνιμα ονοματισμένα. Η εμφάνιση των πλαισίων είναι επίσης σημαντική, οι διακόπτες και οι ρυθμιστές έντασης φωτισμού πρέπει να ταιριάζουν ο ένας με τον άλλον και να αρμόζουν στο γενικό αρχιτεκτονικό ύφος του χώρου. Τα προκαθορισμένα συστήματα ελέγχου επιτρέπουν διαφορετικά κυκλώματα φωτισμού να ελέγχονται ταυτόχρονα. Όλα τα κυκλώματα είναι προγραμματισμένα να παρέχουν πολλαπλές σκηνές φωτισμού για διάφορες διαθέσεις. Κάθε μια από αυτές τις σκηνές μπορεί να επιλεγεί με την αφή ενός κουμπιού. Τα προκαθορισμένα συστήματα είναι πολύτιμα σε χώρους πολλαπλών χρήσεων όπως είναι και οι χώροι συσκέψεων και οι αίθουσες σορών. Επίσης, χρησιμοποιούνται οι κατοικίες και ιδιαίτερα στους χώρους του καθιστικού, τις τραπεζαρίες και σε δωμάτια πολυμέσων. Τα κεντρικά συστήματα ρύθμισης της στάθμης φωτισμού είναι τα ισχυρότερα συστήματα από το σύνολο των δυνατών επιλογών. Όπως τα θεατρικά συστήματα ρύθμισης στάθμης φωτισμού, έτσι και τα κεντρικά συστήματα έχουν τουλάχιστον μια κεντρική μονάδα ρύθμισης και διάφορους ρυθμιστές έντασης φωτισμού κατάλληλους για τον κάθε τύπο φορτίου. Οι ίδιοι ρυθμιστές έντασης φωτισμού είναι και οι συσκευές χειρισμού. Ο έλεγχος λειτουργίας είναι στη μονάδα ελέγχου, η οποία μπορεί να περιλαμβάνει τους επεξεργαστές και διάφορους τύπους χειροκίνητων ή προκαθορισμένων ελέγχων. [92]

93 Συνοψίζοντας και για τις δύο βασικές κατηγορίες στρατηγικών ελέγχου φωτισμού να τονισθεί πως τα οφέλη των δύο αυτών κατηγοριών δεν είναι απαραιτήτως αντίρροπα. Έτσι οι στρατηγικές ελέγχου διαχείρισης της ενέργειας μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την ποιότητα ενός χώρου αλλά και ο έλεγχος φωτισμού που είχε εγκατασταθεί αρχικά για λόγους αισθητικής μπορεί να συντελέσει σε σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας. Να αναφερθεί, εν κατακλείδι, ότι οι υπάρχουσες ερευνητικές μελέτες σχετικά με την εφαρμογή διαφόρων στρατηγικών ελέγχου αναφέρουν ότι είναι δυνατό να μειωθεί η γενική κατανάλωση ενέργειας για το φωτισμό έως και 80% σε ορισμένες περιπτώσεις και για συστήματα φωτισμού πολύ κακής πρότερης κατάστασης. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης διπλωματικής, συνδυάσαμε την ιδέα του κεντρικού συστήματος διαχείρισης των BEMs για αποτελεσματικό συντονισμό και εξοικονόμηση με την ιδέα του ελέγχου φωτισμού για αισθητικούς λόγους και επιπλέον προσθέσαμε τον προσωπικό παράγοντα του χρήστη. Συνεπώς, επιτυγχάνεται ικανοποίηση του χρήστη, του οποίου οι ανάγκες προβλέπονται σε μεγάλο βαθμό από το κεντρικό σύστημα, και φυσικά επιτυγχάνεται μείωση της κατανάλωσης ενέργειας μέσω του προσωποκεντρικού αυτοματοποιημένου συστήματος. Ακολουθεί περεταίρω ανάλυση του interface στο κεφάλαιο 6. [93]

94 5. ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΓΙΑ ΕΛΕΓΧΟ ΦΩΤΙΣΜΟΥ 5.1 Ηλεκτρονικά συστήματα έναυσης και λειτουργίας λαμπτήρων Τα ηλεκτρονικά συστήματα έναυσης και λειτουργίας λαμπτήρων (ΕΒs) δεν δημιουργούν φωτεινή μαρμαρυγή στους λαμπτήρες και χαρακτηρίζονται από αθόρυβη λειτουργία. Τα EBs έχουν βελτιωθεί σημαντικά σε συνάρτηση με τα ηλεκτρομαγνητικά στραγγαλιστικά πηνία, τα περισσότερα εκ των οποίων δημιουργούν φωτεινή μαρμαρυγή στους λαμπτήρες και ευδιάκριτο θόρυβο (λόγω ατελειών στο πηνίο) κατά τη διάρκεια λειτουργίας τους. Τα EBs χρησιμοποιούνται σε σωληνοειδείς και συμπαγείς λαμπτήρες φθορισμού. 5.2 Ηλεκτρονικά συστήματα έναυσης και λειτουργίας λαμπτήρων με δυνατότητα ρύθμισης της στάθμης φωτισμού Στις περισσότερες στρατηγικές ελέγχου φωτισμού όπου χρησιμοποιούνται αισθητήρες φωτισμού όπως στη στρατηγική εκμετάλλευσης φυσικού φωτισμού και διατήρησης των επιπέδων φωτισμού είναι αναγκαία η δυνατότητα ρύθμισης της φωτεινής ροής των λαμπτήρων φωτισμού. Τα ηλεκτρονικά συστήματα έναυσης και λειτουργίας λαμπτήρων φθορισμού με ρυθμιζόμενη στάθμη φωτισμού (EDBs) έχουν καθοριστικό ρόλο στην εφαρμογή ελέγχου στο σύστημα φωτισμού. Τα EDBs μπορούν να εξοικονομούν ενέργεια αλλά και να προσφέρουν μεγαλύτερο εύρος δυνατοτήτων στην επιλογή της στάθμης φωτισμού σε ένα σύστημα τεχνητού φωτισμού. Ένα σύστημα με δυνατότητα ρύθμισης της φωτεινής ροής εξοικονομεί ενέργεια σε συνάρτηση με ένα απλό σύστημα, όταν το πρώτο βρίσκεται με χαμηλότερο επίπεδο έντασης φωτισμού από το δεύτερο και όταν αυτά λειτουργούν για το ίδιο χρονικό διάστημα. Στα EDBs υπάρχουν δύο τύποι κυκλωμάτων ελέγχου, ένας χαμηλής και ένας υψηλής τάσης που ρυθμίζουν τη φωτεινή ροή των λαμπτήρων φθορισμού. Συνήθως το εύρος της κλίμακας του σήματος ελέγχου που δέχεται το EDB ταυτίζεται με το εύρος της κλίμακας του ηλεκτρικού συστήματος που στέλνουν οι συσκευές ελέγχου σε αυτά για να γίνει η ρύθμιση της στάθμης του φωτισμού. Συσκευές ελέγχου των EDBs είναι συνήθως: [94]

95 Αυτόματες και χειροκίνητες συσκευές σχεδιασμένες για ηλεκτρικό έλεγχο της ρύθμισης της έντασης φωτισμού ενός λαμπτήρα φθορισμού ή μιας οποιαδήποτε πηγής φωτισμού (automatic and manual dimming). Αισθητήρες φωτισμού οι οποίοι μειώνουν την ένταση φωτισμού όταν ανιχνεύουν ανάλογη ποσότητα φυσικού φωτισμού. Ολοκληρωμένα συστήματα ενεργειακής διαχείρισης (energy management systems) σε κτίρια, τα οποία μειώνουν την ένταση φωτισμού κατά τη διάρκεια της περιόδου αιχμής των φορτίων και τις βραδινές ώρες. Κάθε EDB έχει σχεδιαστεί για συγκεκριμένη κλίμακα σήματος ελέγχου, χαμηλής ή υψηλής τάσης. Τα πιο διαδεδομένα EDBs είναι τα χαμηλής τάσης ηλεκτρονικά συστήματα έναυσης (low voltage EDBs) τα οποία εκτός από τις υποδοχές για τα καλώδια της τροφοδοσίας τους έχουν και δύο υποδοχές καλωδίων για χαμηλής τάσης κυκλώματα ελέγχου, το οποίο λειτουργεί με συνεχές ρεύμα και έχει κλίμακα από 0 έως 10 V. Το σύστημα έναυσης EDB με έλεγχο χαμηλής τάσης παρέχει τάση 10V DC στη συσκευή ελέγχου που είναι συνδεδεμένα όπως για παράδειγμα στους αισθητήρες φωτισμού. Για τη μέγιστη παραγωγή φωτισμού στο κύκλωμα του EDB, η συσκευή ελέγχου επιστρέφει τη μέγιστη τιμή του σήματος ελέγχου στο EDB. Για μικρότερη παραγωγή φωτισμού η συσκευή ελέγχου μειώνει την τάση στα καλώδια ελέγχου αναγκάζοντας το EDB να μειώσει την ένταση φωτισμού στους λαμπτήρες. Καθώς η τάση ελέγχου μειώνεται στα 0V DC, το EDB οδηγεί τους λαμπτήρες στην ελάχιστη δυνατή παραγωγή φωτισμού. Τα υψηλής τάσης ηλεκτρονικά συστήματα έναυσης ( high voltage EDBs) δεν έχουν πρόσθετα καλώδια ελέγχου. Αντί αυτών, οι υψηλής τάσης συσκευές ελέγχου (π.χ. χειροκίνητες συσκευές για ηλεκτρικό έλεγχο ρύθμισης της έντασης φωτισμού, manual dimmers) συνδέονται μεταξύ της ηλεκτρικής παροχής και της παροχής ρεύματος του ηλεκτρονικού συστήματος έναυσης. Γενικά τα EDBs διακρίνονται σε EDBs με αναλογικό σήμα ελέγχου (0V-10V DC σήμα) και σε EDBs με ψηφιακό σήμα ελέγχου (πλατφόρμες και πρωτόκολλα επικοινωνίας όπως τα LomWorks, DALI, DMX-512, DSI κ.λπ.). Ο έλεγχος της ισχύος στον λαμπτήρα πραγματοποιείται κυρίως με τρεις μεθοδολογίες: [95]

96 a) Με ρύθμιση της DC τροφοδοσίας του εσωτερικού κυκλώματος διόρθωσης του συντελεστή ισχύος του EDB. Το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ευρύτατη κλίμακα ελέγχου. Εικόνα 5.1 Σχεδιασμός λειτουργίας ενός συστήματος EDB με αναφορά στον έλεγχο ισχύος του λαμπτήρα b) Με διαμόρφωση εύρους παλμών (Pulse Width Modulation) μετά την αντιστροφή των υψηλών συχνοτήτων. Με την PWM χρειάζεται ένα επιπλέον κύκλωμα για να διατηρείται η θερμοκρασία στα ηλεκτρόδια του λαμπτήρα. c) Με μεταβολή της συχνότητας λειτουργίας του εσωτερικού κυκλώματος σταδίου εξόδου έναυσης του λαμπτήρα. Αυτή η μεθοδολογία είναι η πιο διαδεδομένη. Η εφαρμογή αυτής της μεθοδολογίας εξαρτάται από την τοπολογία του κυκλώματος του κάθε EDB. Γενικά, χρησιμοποιώντας ένα αντίστοιχο απλοποιημένο κύκλωμα, η ισχύς στον λαμπτήρα είναι αντιστρόφως ανάλογη της συχνότητας. Μεταβάλλοντας τη συχνότητα της πηγής μεταβάλλονται οι τιμές L και C κατά συνέπεια η ισχύς του λαμπτήρα. Εικόνα 5.2 Απλοποιημένο σύστημα εξόδου έναυσης του λαμπτήρα σε ένα EDB. [96]

97 5.3 Αισθητήρες φωτισμού Η βασική λειτουργία ενός αισθητήρα φωτισμού (photo sensor) είναι η παραγωγή μιας τάσης ελέγχου η οποία συσχετίζεται με το ποσό και τη διανομή του φωτισμού μέσα στο χώρο στον οποίο είναι τοποθετημένος. Η λειτουργία ενός αισθητήρα φωτισμού είναι περίπλοκη επειδή εξαρτάται από πολλές μεταβλητές όπως είναι: Η κατανομή του φωτισμού στον χώρο που βρίσκεται ο αισθητήρας. Η φασματική σύνθεση του φωτισμού. Οι ρυθμίσεις της θέσης σε λειτουργία του αισθητήρα. Το περιβάλλον επίπεδο φωτισμού. Ο αισθητήρας φωτισμού είναι μιας πλήρης μονάδα ελέγχου που περιέχει φακό για την είσοδο του φωτισμού, φωτοκύτταρο και το απαραίτητο ηλεκτρικό κύκλωμα για την παραγωγή του σήματος ελέγχου. Ο αισθητήρας μετατρέπει τα δεδομένα εισόδου σε ένα σήμα εξόδου που ελέγχει τα ηλεκτρονικά συστήματα έναυσης και λειτουργίας λαμπτήρων φθορισμού (EDB) ή το κεντρικό σύστημα διαχείρισης ενέργειας ενός κτιρίου. Το σήμα εξόδου κυμαίνεται συνήθως στην περιοχή 0-10V, εκτός και αν ο αισθητήρας φωτισμού και το σύστημα έναυσης των λαμπτήρων φθορισμού (EDB) είναι ενσωματωμένα σε ένα σύστημα οπότε το σύστημα έναυσης σχεδιάζεται για να λειτουργεί συγκεκριμένα με έναν ιδιαίτερο αισθητήρα φωτισμού. Οι αισθητήρες φωτισμού χρησιμοποιούνται στην στρατηγική ελέγχου της εκμετάλλευσης φυσικού φωτισμού (Daylight harvesting) και της διατήρησης των επιπέδων του φωτισμού (Lumen maintenance). Εικόνα 5.3 Αισθητήρας φωτισμού με την μονάδα ελέγχου [97]

98 5.4 Χρονοδιακόπτες Οι χρονοδιακόπτες (time switchers) είναι μηχανικοί ή ηλεκτρονικοί, οι οποίοι ανάβουν και σβήνουν τα κυκλώματα φωτισμού σύμφωνα με προγραμματισμένα χρονικά διαστήματα. Τα χρονικά διαστήματα ποικίλουν έτσι ώστε να προσαρμόζονται στις ανάγκες των χρηστών του χώρου. Οι χρονοδιακόπτες μπορούν να αντικαταστήσουν τους συμβατικούς διακόπτες χωρίς να υπάρχει ανάγκη επιπλέον καλωδίωσης. Οι χρήστες μπορούν να επωφεληθούν από τη μεγάλη ποικιλία δυνατοτήτων που παρέχουν δίνοντας αυξημένη λειτουργικότητα στο σύστημα φωτισμού. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η συμβατότητά τους με κεντρικά συστήματα ελέγχου και διαχείρισης ενέργειας των κτιρίων αλλά και η δυνατότητα ρυθμίσεων των παραμέτρων από το χρήστη. Εικόνα 5.4 Χρήση χρονοδιακόπτη για έλεγχο φωτισμού και χτυπήματος κουδουνιού σε σχολείο Οι χρονοδιακόπτες ομαδοποιούνται αναλόγως την πολυπλοκότητά τους από τους απλούς μηχανικούς με ελατήριο έως αυτούς με μικροεπεξεργαστές που μπορούν να προγραμματίσουν μια ακολουθία γεγονότων για μια ολόκληρη χρονιά. Κατά γενικό κανόνα πρέπει να υπάρχει κάποια μορφή παράκαμψης από τους χρήστες έτσι ώστε να λαμβάνονται υπ όψη οι τυχαίες αποκλίσεις από το προκαθορισμένο πρόγραμμα των χρονοδιακοπτών. [98]

99 5.5 Αισθητήρες παρουσίας/κίνησης Οι αισθητήρες παρουσίας (occupancy sensors) κόβουν αυτόματα τα κυκλώματα φωτισμού που ελέγχουν και σε ορισμένες περιπτώσεις το σύστημα κλιματισμού όταν οι χώροι στους οποίους είναι τοποθετημένοι είναι χωρίς ανθρώπινη παρουσία με σκοπό να μειωθεί η ενεργειακή κατανάλωση. Συνήθως αποτελούνται από τον ανιχνευτή κίνησης και μια μονάδα ελέγχου. Ο αισθητήρας δημιουργεί και στέλνει σήμα στη μονάδα ελέγχου που με τη σειρά της ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί το σύστημα φωτισμού. Οι περισσότεροι αισθητήρες διαθέτουν χειροκίνητες και αυτόματες επιλογές για τη ρύθμιση της ευαισθησίας στην ανίχνευση της κίνησης και τη ρύθμιση της χρονικής καθυστέρησης για την απενεργοποίηση του συστήματος φωτισμού από την στιγμή που ο αισθητήρας δεν θα αντιλαμβάνεται παρουσία ατόμου στον χώρο που ελέγχει. Ο ανιχνευτής κίνησης συλλέγει τα δεδομένα εισόδου χρησιμοποιώντας συνήθως ηχητικά κύματα ή υπέρυθρη ακτινοβολία. Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου μετατρέπει τις πληροφορίες που απορρέουν από τον ανιχνευτή και καθορίζει το κατά πόσο υπάρχει ή όχι παρουσία ατόμου στο χώρο αξιοποιώντας έναν εγκατεστημένο αλγόριθμο ελέγχου. Οι τελευταίας γενιάς αισθητήρες είναι διπλής λειτουργίας επειδή υιοθετούν και υπέρυθρη ακτινοβολία αλλά και υπέρηχους. Σκοπός τους είναι να μειώνουν τα σφάλματα από λανθασμένη λειτουργία ενεργοποιώντας τον φωτισμό εφόσον και οι δύο τεχνικές ανιχνεύουν παρουσία ενώ παραμένει ενεργός εφόσον τουλάχιστον μια από τις δυο συνεχίζει να την ανιχνεύει. Εικόνα 5.5 Αισθητήρες παρουσίας και κίνησης ελέγχου συστήματος φωτισμού και κλιματισμού [99]

100 5.6 Τοπικοί διακόπτες έναυσης Οι τοπικοί διακόπτες έναυσης ελέγχουν τη λειτουργία των φωτιστικών κατά ομάδες και ρυθμίζουν το φωτισμό σε συγκεκριμένες ζώνες του χώρου, όπως σε ζώνες στις οποίες εκτελείται κάποια εργασία. Με τους τοπικούς διακόπτες εξασφαλίζεται σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας και μεγαλύτερη άνεση του χρήστη σε σχέση με τα συμβατικά συστήματα στα οποία το σύνολο των φωτιστικών σωμάτων του χώρου ελέγχεται με έναν διακόπτη. Μελέτες σε γραφεία «ελεύθερης διάταξης» έχουν δείξει μεγάλες διαφορές στις προτιμήσεις των εργαζόμενων ως προς το φωτισμό ( άλλοι προτιμούν αναμμένα φώτα σε συνεχή βάση και άλλοι όχι). Οι τοπικοί διακόπτες παρέχουν μεγαλύτερη ευελιξία στον έλεγχο του φωτισμού στους χώρους εργασίας, σε σχέση με τις σειρές διακοπτών που είναι συγκεντρωμένες πλησίον της κύριας εισόδου του χώρου. Ο τοπικός έλεγχος κατά ομάδες φωτιστικών είναι σημαντικός σε περιπτώσεις κατά τις οποίες μόνο κάποια τμήματα του χώρου απαιτούν τεχνητό φωτισμό, είτε γιατί στα άλλα τμήματα δεν υπάρχουν εργαζόμενοι (π.χ. μετά τη λήξη του εργασιακού ωραρίου) είτε γιατί στα άλλα τμήματα δεν υπάρχει επαρκής φωτισμός. Γενικά, οι ζώνες που ο φωτισμός τους ελέγχεται από τοπικούς διακόπτες θα πρέπει να έχουν παρόμοια στάθμη φυσικού φωτισμού σε όλη τους την επιφάνεια. Επίσης, θα πρέπει η ομαδοποίηση των φωτιστικών να σχετίζεται με τον τρόπο χρήσης του χώρου. Ως γενική αρχή, οι τοπικοί διακόπτες δεν θα απέχουν περισσότερο από 8 μέτρα από το πιο απομακρυσμένο φωτιστικό ή 3 x h, όπου h το ύψος του χώρου σε μέτρα. [100]

101 6. ΑΛΓΟΡΙΘΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ-ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Παραπάνω έχει αναλυθεί η σημασία του ελέγχου του συστήματος φωτισμού για λόγους αισθητικής αλλά και εξοικονόμησης ενέργειας. Το αμέσως επόμενο βήμα που έχει ήδη αρχίσει να υλοποιείται είναι η εφαρμογή έξυπνων συστημάτων ελέγχου φωτισμού ώστε το σύστημα να προσαρμόζεται αυτόματα στις διάφορες συνθήκες και τώρα πλέον και να προβλέπει τις ανάγκες του χρήστη. Το έξυπνο σύστημα ελέγχου φωτισμού που εφαρμόζεται σε ένα κτίριο είναι ουσιαστικά ένα σύστημα του οποίου ο σχεδιασμός, η κατασκευή και η διαχείριση το καθιστά ευέλικτο και προσαρμόσιμο, και κατ επέκταση κερδοφόρο και αποδοτικό σε βάθος χρόνου (μετάφραση ορισμού από Robathan, 1989). Σε ένα τέτοιο σύστημα προτιμάται η συνεχής λήψη δεδομένων από διαφόρους αισθητήρες σε αντίθεση με προγενέστερα συστήματα που είχαν έτοιμα μοντέλα με αποθηκευμένες πληροφορίες. Οι δυναμικές αυτές πληροφορίες χρησιμοποιούνται από αλγοριθμικές αρχιτεκτονικές προκειμένου το σύστημα να ανταποκρίνεται στις ανάγκες του χρήστη, σε μειωμένη ενεργειακή κατανάλωση ακόμα και σε ανάγκες ασφαλείας και ελέγχου. Μέσω της αλγοριθμικής προσέγγισης, προσανατολισμένης στη συμπεριφορά του χρήστη, το έξυπνο σύστημα «εκπαιδεύεται» να αντιδρά σε κάθε κατάσταση και να προσαρμόζεται στις απαιτήσεις. Η κύρια διαφορά του έξυπνου συστήματος από τα προηγούμενα είναι το γεγονός ότι αποκτά «μνήμη» και «εμπειρία» και δεν λειτουργεί μέσω στατιστικών. Τα απαραίτητα στοιχεία αυτού του συστήματος είναι οι αισθητήρες, οι τελεστές που θα μεταφέρουν το αποτέλεσμα στις μονάδες ελέγχου οι οποίες με τη σειρά τους θα ρυθμίζουν τη λειτουργία των ελεγχόμενων συσκευών. Το κρίσιμο στοιχείο όμως είναι ένα δίκτυο που λειτουργεί βάσει αλγορίθμου και χρησιμοποιεί απλά interfaces για να επικοινωνεί με το χρήστη και το υπόλοιπο σύστημα. [101]

102 6.2 ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ/ΜΟΝΤΕΛΑ-ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Τα πρώτα αλγοριθμικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν στην προσπάθεια δημιουργίας ενός έξυπνου συστήματος χωρίζονταν σε δύο κατηγορίες: σε αυτά που ανεβάζουν τα επίπεδα εισερχόμενου φωτισμού (π.χ με τη ρύθμιση περσίδων) στο ελάχιστο επίπεδο φωτισμού που έχει οριστεί και σε αυτά που παύουν την λειτουργία του φωτισμού όταν ο εισερχόμενος φυσικός φωτισμός είναι πάνω από ένα συγκεκριμένο όριο. Πιο συγκεκριμένα αναφέρονται τα εξής μοντέλα: Ο Hunt (1980) πρότεινε μια μέθοδο πρόβλεψης για χειροκίνητα συστήματα ελέγχου βασισμένη σε δεδομένα στατιστικών και μελετών. Δημιούργησε ορισμένες συναρτήσεις πιθανότητας χρησιμοποίησης του τεχνητού φωτισμού για ορισμένες ώρες της ημέρας όμως λόγω έλλειψης απαραίτητων δεδομένων χρησιμοποίησε τις ίδιες συναρτήσεις για να προβλέψει τις αποφάσεις του χρήστη σε όλες τις ημέρες και ώρες ανεξαρτήτως εισερχόμενου φυσικού φωτισμού. Ο Newsham (1994) βασιζόμενος στο μοντέλο του Hunt υπέθεσε ότι ο φυσικός φωτισμός ενεργοποιείται το πρωί καθώς και μετά το μεσημέρι αν ο εσωτερικός φωτισμός πέσει κάτω από τα 150 lux. Ενδιάμεσες ενεργοποιήσεις του τεχνητού φωτισμού δεν λαμβάνονταν υπόψη. Ένα μοντέλο το οποίο έλαβε υπόψη του και τα συστήματα σκίασης (περσίδες) είναι αυτό των Lee και Selkowitz (1995), σύμφωνα με τους οποίους ο χρήστης χαμηλώνει τις περσίδες μόνο όταν υπάρχει ανεπιθύμητη θάμβωση. Συγκεκριμένα, εξίσωσαν τη θάμβωση με την ύπαρξη άμεσης ηλιοφάνειας στο επίπεδο εργασίας μεγαλύτερη από 94.5 W/m2 και υπέθεσαν ότι ο χρήστης αναπροσαρμόζει τις περσίδες κάθε μία ώρα. Οι Erhorn και Kluttig (1996) συνέδεσαν τη λειτουργία των περσίδων με την θερμοκρασία του χώρου και υπέθεσαν ότι όταν ανεβαίνει η θερμοκρασία πάνω από ορισμένα επίπεδα οι περσίδες χαμηλώνουν δημιουργώντας την ανάγκη για τεχνητό φωτισμό. Όλα τα παραπάνω μοντέλα αγνοούν την ιδέα του Hunt ότι οι καταστάσεις του τεχνητού φωτισμού όπως ρυθμίζονται από τους χρήστες είναι αποτέλεσμα συνάρτησης πιθανότητας και όχι στατιστικών μεγεθών. Ο Newsham το 1995 ξεκίνησε τη δημιουργία του πρώτου μοντέλου που δείχνει την πιθανότητα ενεργοποίησης του φωτισμού ως αποτέλεσμα στοχαστικής διαδικασίας. Ο Lightswitch2002 χρησιμοποιεί ένα συνδυασμό των παραπάνω μοντέλων και δίνει την πιο ολοκληρωμένη για την εποχή του αλγοριθμική προσέγγιση που μπορεί να εφαρμοστεί από ένα έξυπνο σύστημα. [102]

103 6.3 Παρουσίαση Lightswitch Τοποθέτηση του Lightswitch2002 στα πλαίσια των κανονισμών και αναγκών Ο αλγόριθμος Lightswitch2002 προτάθηκε για την πρόβλεψη και κατ επέκταση τη μοντελοποίηση της λειτουργίας τόσο χειροκίνητης όσο και αυτόματης του συστήματος περσίδων και ηλεκτρικού φωτισμού. Αυτές οι δύο είσοδοι συνδυάζονται με στοχαστικά μοντέλα, που έχουν προκύψει από πεδίο ερευνών, προκειμένου να προβλέψουν με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια την κατάσταση του συστήματος περσίδων και ηλεκτρικού φωτισμού σε όλη τη διάρκεια του χρόνου. Στο μοντέλο αυτό εμφανίζονται τέσσερις τύποι χρηστών για να προσομοιώσουν την ποικιλία στη συμπεριφορά των διαφορετικών χρηστών του γραφείου. Με βάση το IESNA Lighting Handbook Chapter 27 συστήματα ελέγχου φωτισμού τοποθετούνται σε κτίρια ώστε να προσφέρουν στους χρήστες αισθητικό και ενεργειακό έλεγχο πάνω στο οπτικό αποτέλεσμα. Από την αρχική εμφάνιση της έκδοσης του Application Volume of Lighting Handbook (IESNA 1987) συστήματα ελέγχου φωτισμού έχουν προωθηθεί βασισμένα στο συμπέρασμα ότι οι τοπικοί αυτοματισμοί μπορούν να εξοικονομήσουν περισσότεροι ενέργεια σε σχέση με την χειροκίνητη λειτουργία. Σύμφωνα με το IESNA Lighting Handbook είναι ζωτικής σημασίας για έναν μηχανικό/ σχεδιαστή ηλεκτρικού συστήματος φωτισμού να γνωρίζει το εύρος των συστημάτων ελέγχου φωτισμού και τις πρακτικές που μπορούν να εφαρμοστούν με τη βοήθεια αυτών, ώστε να επιλέξει το κατάλληλο για την εκάστοτε εφαρμογή λαμβάνοντας υπόψη το κόστος εγκατάστασης συνδυαστικά με το κόστος λειτουργίας. Ωστόσο, ενώ οι πληροφορίες για το κόστος των συστημάτων είναι σαφείς, ο τρόπος λειτουργίας τους και η απόδοση τους αξιολογούνται πολύ διαφορετικά ανάλογα τις ιδιαίτερες συνθήκες που επικρατούν, όπως δραστηριότητες εργαζομένων, επίπεδα εξωτερικού φωτισμού, εκπαίδευση εργαζομένων, οικολογική συνείδηση, κ.τ.λ.. Με βάση προσωπική εμπειρία, στατιστικά δείγματα και κάποιες προσομοιώσεις που μπορούν να πραγματοποιηθούν υπολογιστικά ο κάθε σχεδιαστής/μηχανικός κρίνει και επιλέγει το σύστημα που θα εφαρμόσει. [103]

104 Τα μοντέλα προσομοίωσης προσφέρουν μια συγκριτική ανάλυση της ενεργειακής συμπεριφοράς των διαφορετικών συστημάτων ελέγχου φωτισμού. Η ενεργειακή απόδοση των αυτοματοποιημένων συστημάτων είναι σχετικά προφανής στη μοντελοποίησή της βασιζόμενη σε ντετερμινιστικούς συσχετισμούς φυσικών μεγεθών, όπως η λαμπρότητα μετρημένη από έναν αισθητήρα και η κατάσταση του συστήματος φωτισμού. Στον αλγόριθμο που παρουσιάζεται εδώ (Lightswitch2002) παρουσιάζεται ένα μοντέλο χειροκίνητου συστήματος ελέγχου φωτισμού και περσίδων που είναι δυναμικό και στοχαστικό. Δυναμικό σημαίνει ότι αντί να μας απασχολεί μια τυχαία μέρα μέσα στο έτος ή στο μήνα, η παρουσία στο χώρο, η εσωτερική λαμπρότητα και η κατάσταση του συστήματος μας ελέγχονται με βήμα των 5 λεπτών ολόκληρο το έτος. Στοχαστικό σημαίνει πως όταν ο χρήστης έρχεται αντιμέτωπος με τη λήψη μιας απόφασης ελέγχου, π.χ. να ανάψει ή όχι το φως, εκτελείται μια στοχαστική διαδικασία η οποία προβλέπει την τελική απόφαση. Η προσέγγιση αυτή προσφέρει: Έναν αλγόριθμο ο οποίος προσομοιώνει τις ανεξάρτητες αποφάσεις ελέγχου πιο κοντά στην πραγματική ανθρώπινη συμπεριφορά από ότι ένα μοντέλο που στηρίζεται σε στατιστικά δεδομένα όπως οι κατά μέσο όρο φορές που μετρήθηκε ότι άναψε ή έσβησε ο φωτισμός σε ένα γραφείο. Έναν τρόπο αντιμετώπισης έκτακτων συνθηκών όπως είναι οι αντικρουόμενες αποφάσεις δύο ανεξάρτητων χρηστών από το ίδιο γραφείο ή το αναπάντεχο αποτέλεσμα που μπορεί να επέλθει από τη συμπεριφορά ενός χρήστη. Τέλος ο αλγόριθμος αυτός καταφέρνει να μοντελοποιήσει αρκετά αντιπροσωπευτικά τις διαφοροποιήσεις στον έλεγχο του συστήματος που έχουν παρατηρηθεί μετά από χρόνια έρευνας και κατηγοριοποίησης των χρηστών. Ο συγκεκριμένος αλγόριθμος έχει βασιστεί σε πεδία ερευνών από τον Καναδά, την Ιαπωνία, τη Γερμανία, το Ηνωμένο Βασίλειο και τις ΗΠΑ και το 2002 στην ονομασία του προμηνύει την περεταίρω εξέλιξή του με την πάροδο των ετών. Μπορεί να βοηθήσει έναν σχεδιαστή συστήματος φωτισμού να βελτιστοποιήσει ενεργειακά αλλά και αποδοτικά το σύστημά του. Η μοντελοποίησή του βασίζεται στα πρότυπα συμπεριφοράς χρηστών που έχουν μελετηθεί στις παραπάνω χώρες και κυρίως στην ενημέρωση των χρηστών για το σύστημα, ειδάλλως αντί να εξοικονομεί χρόνο και ενέργεια μπορεί να αποτελέσει τροχοπέδη στην παραγωγικότητα. [104]

105 6.3.2 Έλεγχος ηλεκτρικού συστήματος φωτισμού Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η βασική προσέγγιση του Lightswitch2002 στον προσδιορισμό των ενεργειακών απαιτήσεων γραφείων με έναν ή περισσότερους χρήστες. Οι είσοδοι του μοντέλου είναι μετρήσιμες ή υπολογίσιμες καταστάσεις παρουσίας χρηστών με ανεξάρτητα προφίλ προσδιοριζόμενες κάθε 5 λεπτά και το αποτέλεσμα φυσικού φωτισμού στο επίπεδο εργασίας. Το τελευταίο αποτελεί μέρος και του προγράμματος DAYSIM που προσομοιώνει την ωριαία κατάσταση φυσικού φωτισμού με βήμα των 5 λεπτών. Η παρουσία ή όχι χρήστη έχει προσεγγιστεί με το μοντέλο του Newsham Εικόνα 6.1 βασικό σχήμα λειτουργίας Lightswitch2002 για τα φώτα [105]

106 Εικόνα 6.2 Διαδικασία καθορισμού κατάστασης φωτισμού Στην εικόνα 6.2 φαίνεται αναλυτικότερα η διαδικασία με την οποία η κατάσταση παρουσίας και φυσικού φωτισμού οδηγούν στον καθορισμό του τελικού αποτελέσματος. Σε κάθε χρονικό βήμα ( κάθε εκτέλεση του αλγορίθμου ) η κατάσταση του συστήματος προσδιορίζεται από το αποτέλεσμα του παραπάνω βρόχου. H διαδικασία που φαίνεται με γκρι set blinds εκτελείται χωριστά και θα αναλυθεί παρακάτω, το αποτέλεσμά της θεωρείται είσοδος για το συγκεκριμένο βρόχο. Αρχικά, η παρουσία ή όχι χρήστη καθορίζει σε ποια από τις δύο πιθανές εκδοχές του αλγορίθμου οδηγούμαστε. Στη συνέχεια μια τυχαία διαδικασία ξεκινά για να προσδιορίσει εάν η λήψη απόφασης για το φωτισμό θα οδηγήσει σε αλλαγή της υπάρχουσας κατάστασης του συστήματος φωτισμού. Όλες οι στοχαστικές διαδικασίες λαμβάνουν υπόψη τους στατιστικά στοιχεία αλλά και τις παρακάτω παραδοχές: Παρότι οι χρήστες συμπεριφέρονται διαφορετικά, όλοι τους χρησιμοποιούν το σύστημα συνειδητά και συνεχόμενα. Ο χειροκίνητος έλεγχος φωτισμού συμπίπτει με την άφιξη ή αποχώρηση χρήστη από το χώρο εργασίας. Κάποιοι ενεργοποιούν πάντοτε το φωτισμό στη διάρκεια όλης της μέρας ανεξάρτητα από τα επίπεδα φυσικού φωτισμού (user does not consider daylight)μοντέλο a. Άλλοι ανάβουν τον φωτισμό μόνο όταν δεν επαρκεί ο φυσικός φωτισμός ( user considers daylight ) μοντέλο a. [106]

107 Ενδιάμεσα στη διάρκεια της ημέρας η πιθανότητα να ανάψει το φως σχετίζεται με την ελάχιστη λαμπρότητα στο επίπεδο εργασίας με βάση το στοχαστικό μοντέλο c. Η πιθανότητα να ανάψει ο φωτισμός κυμαίνεται από 0.5% μέχρι 2% σε κάθε βήμα (5 λεπτών) για ελάχιστη λαμπρότητα κάτω από 250 lux στο επίπεδο εργασίας. Αυτό το επίπεδο προσομοιώνει τη λαμπρότητα στην οποία οι χρήστες σε διάφορες μελέτες που εκπονήθηκαν έτειναν να ενεργοποιούν τον τεχνητό φωτισμό. Ο χρόνος της απουσίας του χρήστη από το χώρο εργασίας σχετίζεται με την πιθανότητα το τεχνητό φως να έχει σβήσει χειροκίνητα. Έχει βρεθεί ότι η παρουσία αυτόματων συστημάτων ελέγχου επηρεάζει τη συμπεριφορά κάποιων ατόμων. Άτομα σε γραφεία με αισθητήρες παρουσίας είναι λιγότερο πιθανό να σβήσουν τα φώτα σε περίπτωση προσωρινής τους απουσίας σε σχέση με άτομα που δουλεύουν σε χώρους χωρίς αισθητήρες. Παρόμοια μικρότερη είναι η πιθανότητα να σβήσουν τα φώτα σε ένα σύστημα με επίπεδα φωτισμού (dimmed) από ότι σε ένα σύστημα με απόλυτες καταστάσεις (σβηστά ή ανοιχτά) (undimmed). Αυτά φαίνονται αντιπροσωπευτικά στο μοντέλο c. [107]

108 Εικόνες 6.3 Στοχαστικά μοντέλα Έλεγχος συστήματος περσίδων Οι περισσότεροι χρήστες αποφεύγουν την παρουσία άμεσου φυσικού φωτός στο επίπεδο της εργασίας τους οπότε ενεργοποιούν τις περσίδες για σκίαση. Ενώ τα κριτήρια αυτά για το κλείσιμο των περσίδων είναι σαφή, τα κριτήρια για άνοιγμα αυτών παραμένουν αρκετά υποκειμενικά και εξαρτόμενα από τις εποχές και το κλίμα. Έχει παρατηρηθεί για παράδειγμα ότι κάποιοι χρήστες τείνουν να μαζεύουν τις περσίδες καθημερινά κατά την αποχώρησή τους ή μετά την άφιξή τους το πρωί. Άλλοι χρήστες μπορεί να αφήσουν τις περσίδες τους στην ίδια θέση για εβδομάδες ακόμα και μήνες χωρίς καμία αλλαγή. Αυτά τα αποτελέσματα μεταφράζονται στα εξής συστήματα ελέγχου ένα αυτόματο και δύο χειροκίνητα: Αυτόματο σύστημα περσίδων: Οι περσίδες αυτόματα χαμηλώνουν μόλις εισερχόμενη απευθείας ηλιακή ακτινοβολία πάνω από 50 W/m 2 πέσει πάνω στο επίπεδο εργασίας. Η γωνία κλεισίματος είναι η μικρότερη από τις 0 ο (οριζόντια) 45 ο και 75 ο (προς τα κάτω) στην οποία η άμεση ηλιακή ακτινοβολία αποκόπτεται πλήρως. Σε κάθε άλλη περίπτωση οι περσίδες είναι πλήρως ανοιχτές. Αυτός είναι ο ιδανικός τρόπος ελέγχου καθώς μεγιστοποιείται η εκμετάλλευση φυσικού φωτισμού, όταν δεν υπάρχει πρόβλημα θάμβωσης. Δυναμικό σύστημα περσίδων: οι περσίδες κλείνουν χειροκίνητα μόλις εισερχόμενη απευθείας ηλιακή ακτινοβολία πάνω από 50 W/m 2 πέσει πάνω στο επίπεδο εργασίας. Η γωνία κλεισίματος είναι η μικρότερη από τις 0 ο (οριζόντια) 45 ο και 75 ο (προς τα κάτω) στην οποία η άμεση ηλιακή ακτινοβολία αποκόπτεται πλήρως. Σε κάθε άλλη περίπτωση οι περσίδες είναι πλήρως ανοιχτές. Αυτή η συμπεριφορά παραπέμπει σε ενεργό χρήστη. Στατικό σύστημα περσίδων: Οι περσίδες μόνιμα είναι πλήρως κλειστές (75 ο ). Αυτή η περίπτωση περιγράφει έναν χρήστη που σπάνια χρησιμοποιεί περσίδες και κυρίως χρησιμοποιεί το παράθυρο για οπτική επαφή με το εξωτερικό περιβάλλον. [108]

109 Μετά από αυτούς τους ελέγχους και τη διαδικασία που περιγράφεται στο παρακάτω διάγραμμα ροής δίνεται το αποτέλεσμα στο set blinds. Στην περίπτωση που έχει μόλις συμβεί αλλαγή στην κατάσταση των περσίδων (has the blind setting just changed) μπορεί να εκτελεστεί οποιαδήποτε από τις στοχαστικές διαδικασίες των μοντέλων a ή b. Αυτός ο συσχετισμός δικαιολογείται από το γεγονός ότι αν η κατάσταση των περσίδων μόλις άλλαξε, στρέφεται η προσοχή του χρήστη στο φωτισμό οπότε μπορεί να θελήσει να επαναπροσδιορίσει την επιλογή επιπέδου φωτισμού. Σημειώνεται στο σημείο αυτό ότι η επιλογή switch on δηλώνει άναμμα των φώτων όμως switch off μπορεί να γίνει μόνο όταν αποχωρήσει ο χρήστης. Εικόνα 6.4 Έλεγχος συστήματος περσίδων (Lightswitch2002) [109]

110 6.3.4 Είδη χρηστών Οι δύο τύποι χρηστών για τον ηλεκτρικό φωτισμό και οι δύο τύποι χρηστών για τη λειτουργία των περσίδων αποτελούν αντιπροσωπευτικά μοντέλα που προσομοιώνουν τις δυνατές συμπεριφορές των ενοίκων ενός γραφείου. Συνοπτικά οι τέσσερις αυτοί χρήστες αναλύονται παρακάτω: User DdBd: Αυτός ο χρήστης ελέγχει το σύστημα φωτισμού με ευαισθησία απέναντι στο διαθέσιμο φυσικό φως και χρησιμοποιεί τις περσίδες καθημερινώς. User DiBd: Αυτός ο χρήστης ελέγχει το σύστημα φωτισμού ανεξάρτητα από το διαθέσιμο φυσικό φως και χρησιμοποιεί τις περσίδες καθημερινώς. User DdBs: Αυτός ο χρήστης ελέγχει το σύστημα φωτισμού με ευαισθησία ως προς το διαθέσιμο φυσικό φως και διατηρεί τις περσίδες χαμηλωμένες σε γωνία 75 ο. User DiBs: Αυτός ο χρήστης ελέγχει το σύστημα φωτισμού ανεξάρτητα από το διαθέσιμο φυσικό φως και διατηρεί τις περσίδες χαμηλωμένες σε γωνία 75 ο Περιορισμοί του μοντέλου Το μοντέλο που ακολουθεί ο Lightswitch2002 παρουσιάζει κάποιους εμφανείς περιορισμούς, που οφείλονται σε ελλιπές πεδίο δεδομένων. Μερικοί από αυτούς αναλύονται ακολούθως: Ενδιάμεσο σβήσιμο φωτισμού: Το σενάριο κατά το οποίο ο χρήστης επιστρέφει στο χώρο εργασίας μετά από προσωρινή απουσία και κλείνει το φωτισμό δεν καλύπτεται από τον αλγόριθμο αυτόν. Περσίδες μόνιμα ανοιχτές ή μόνιμα κλειστές: Το μοντέλο υποθέτει ότι ο χρήστης διατηρεί τις περσίδες είτε μόνιμα ανοιχτές είτε μόνιμα κλειστές. Στην πράξη όμως οι χρήστες χαμηλώνουν τις περσίδες μόνο στο επίπεδο που χρειάζεται ώστε να αποφύγουν τη θάμβωση. Ζητήματα θερμότητας: Το μοντέλο αυτό αγνοεί οποιαδήποτε απόφαση για τις περσίδες που σχετίζονται με τη θερμότητα που εισέρχεται με την ηλιακή ακτινοβολία. Ζητήματα ιδιωτικότητας: Από στατιστικά δείγματα προκύπτει ότι ένοικοι γραφείων που βρίσκονται κοντινά με άλλα κτίρια γεμάτα ενοίκους στα αστικά κέντρα μπορεί να χρησιμοποιήσουν τις περσίδες προκειμένου να αποκόψουν οπτική επαφή με το λοιπό περιβάλλον. Αυτό το σενάριο δεν καλύπτεται εδώ. [110]

111 Προσανατολισμός θέσης: Ο προσανατολισμός της θέσης στην οποία εργάζεται ο χρήστης καθορίζει το πεδίο ορατότητάς του και κατ επέκταση επηρεάζει τις αποφάσεις του σχετικά με τις περσίδες και τα φώτα. Λόγω έλλειψης επιβεβαιωμένων δεδομένων και λόγω πολυπλοκότητας ο παρόν αλγόριθμος λαμβάνει υπόψη μόνο τη λαμπρότητα στο οριζόντιο επίπεδο εργασίας αγνοώντας τον προσανατολισμό της θέσης του χρήστη. Θέση συστήματος ελέγχου: Η συχνότητα με την οποία ανοιγοκλείνουν οι περσίδες και τα φώτα εξαρτάται ως ένα βαθμό και από το πόσο βολική προς το χρήστη είναι η θέση του συστήματος ελέγχου, π.χ. διακόπτης. Ένας χρήστης είναι λιγότερο πιθανό να αλλάξει την κατάσταση των περσίδων ή του φωτισμού εάν χρειάζεται να σηκωθεί και να απομακρυνθεί από το γραφείο του προκειμένου να το κάνει. Αυτός ο προσωπικός παράγοντας δεν αντικατοπτρίζεται στη διαδικασία λήψης απόφασης του αλγορίθμου αυτού Συμπεράσματα Παρακάτω αναλύονται η πρωτοτυπία, οι περιορισμοί και η διαθεσιμότητα του αλγόριθμου Lightswitch2002 που αναλύθηκε παραπάνω. Πρωτοτυπία: Η αποφασιστική καινοτομία του Lightswitch2002, τόσο στην εποχή του όσο και σήμερα ακόμα, είναι το ότι κάθε απόφαση ελέγχου του συστήματος έχει τη δική της συνάρτηση πιθανότητας και μια τυχαία διαδικασία αποφασίζει εάν θα συμβεί αλλαγή στην κατάσταση του συστήματος φωτισμού και περσίδων. Η δυνατότητα να μοντελοποιηθεί με ακρίβεια το άνοιγμα/κλείσιμο και τα ενεργειακά αποτελέσματα ενός αυτόματου συστήματος ελέγχου βοηθά να προσδιοριστεί υπό ποιες συνθήκες ο έλεγχος οδηγεί σε εξοικονόμηση ενέργειας και ως ποιο βαθμό. Οι τέσσερις τύποι χρηστών προσομοιώνουν τις ανεξάρτητες ποικίλες διαδεδομένες συμπεριφορές που έχει βρεθεί, μετά από έρευνα, ότι είναι πιο πιθανό να επιδείξουν οι ένοικοι ενός συνηθισμένου κτιρίου με γραφεία. Αυτό πληροφορεί το σχεδιαστή πώς να προβλέψει μέσα στο σύστημα του όλες τις πιθανές συμπεριφορές και να φροντίσει να δίνεται το κατάλληλο κάθε φορά αποτέλεσμα. Περιορισμοί: Αρκετοί είναι οι πρακτικοί και κυρίως οι τεχνικοί περιορισμοί του μοντέλου, κάποιοι από τους οποίους αναλύονται παραπάνω και κάποιοι άλλοι έχουν να κάνουν με το χρόνο εφαρμογής, την πολυπλοκότητα και τα απαιτούμενα υλικά (hardware). Επίσης, το όλο μοντέλο βασίζεται πάνω σε προβλέψεις οι οποίες πάντα υπάρχει πιθανότητα να μην επαληθευτούν και να μην δώσουν το ζητούμενο αποτέλεσμα που θα ικανοποιήσει το χρήστη. Διαθεσιμότητα: Ο Lightswitch2002 έχει ενσωματωθεί στο «εργαλείο» σχεδιασμού Lightswitch Wizard Online Design ( και επίσης στην ανάλυση φυσικού φωτισμού του προγράμματος DAYSIM ( [111]

112 6.4 Η νέα αλγοριθμική προσέγγιση Εισαγωγή Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής προτείνεται ένας νέος αλγόριθμος ο οποίος χρησιμοποιεί τη βασική δομή του Lightswitch2002 και μαθηματικοποιημένους κάποιους προσωπικούς παράγοντες που επηρεάζουν την προτίμηση του χρήστη όσον αφορά το σύστημα των περσίδων και του φωτισμού. Η κύρια διαφορά σε σχέση με τον αρχικό αλγόριθμο είναι ότι το σύστημα που θα εφαρμόζει τον ακόλουθο αλγόριθμο θα δίνει το αποτέλεσμα της ρύθμισης των περσίδων και του φωτισμού χωρίς παρέμβαση του χρήστη και μετά από ελέγχους με τα αποδεκτά για κάθε χρήστη όρια. Βέβαια όσο και αν προσπαθήσει το σύστημα να προβλέψει ικανοποιητικά το αποτέλεσμα που θα ικανοποιήσει το χρήστη πάντα θα υπάρχει η δυνατότητα παρεμβολής του χρήστη (override). Ακολουθεί η ανάλυση ορισμένων διαφορών της δικής μας αλγοριθμικής προσέγγισης σε σχέση με τον Lightswitch Διαφορές με Lightswitch2002 Αρχικά, ο Lightswitch2002 έδινε ως αποτέλεσμα απόλυτες καταστάσεις, δηλαδή τελείως ανοιχτές ή τελείως κλειστές περσίδες και όμοια με τα φώτα. Η νέα αλγοριθμική προσέγγιση δίνει τη δυνατότητα ρύθμισης των επιπέδων φωτισμού (dimming). Το ίδιο συμβαίνει και με τις περσίδες. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατό να επιτευχθούν ενδιάμεσα επίπεδα φωτισμού τα οποία ικανοποιούν το χρήστη και παράλληλα εξοικονομούν ενέργεια. Επίσης, καθώς η μετάβαση από το ένα επίπεδο φωτισμού στο άλλο γίνεται σταδιακά με κάθε «τρέξιμο» του αλγορίθμου, δεν δημιουργείται δυσαρέσκεια στο χρήστη από απότομες αλλαγές στο φωτισμό γύρω του. Επιπρόσθετα, οι τύποι χρηστών έχουν προσεγγιστεί διαφορετικά στον παρόν αλγόριθμο. Όσο αφορά τη χρήση των περσίδων αναγνωρίζονται δύο κυρίαρχοι τύποι χρήστη ο ενεργητικός (active) και ο παθητικός (passive). Από αυτούς ο πρώτος λαμβάνει υπόψη του το διαθέσιμο φυσικό φωτισμό, ανοίγει τις περσίδες κατά την είσοδό του στο γραφείο το πρωί και επιθυμεί ανάλογα ρυθμισμένες τις περσίδες του στη διάρκεια της μέρας του ώστε να μην έχει θάμβωση λόγω άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας. Από την άλλη, ο δεύτερος αγνοεί το φυσικό φωτισμό, δεν ενδιαφέρεται για τη ρύθμιση των περσίδων και τις επιθυμεί κλειστές ώστε να μην έχει άμεση ηλιακή ακτινοβολία η οποία μπορεί να τον ενοχλήσει. Όσο αφορά τον ηλεκτρικό φωτισμό, επιλέξαμε τέσσερις τύπους χρηστών που προσομοιώνουν τα πιθανά κίνητρα και συμπεριφορές των ενοίκων ενός γραφείου. [112]

113 Οι χρήστες αυτοί είναι οι ακόλουθοι: Convenience/Ease: Ο χρήστης που ανήκει σε αυτό το προφίλ ενδιαφέρεται μόνο για την άνεσή του και ζητήματα όπως εκμετάλλευση φυσικού φωτισμού, εξοικονόμηση ενέργειας και κόστος δεν τον απασχολούν. Επιθυμεί την οπτική άνεση με τάση προς την υπερβολή και συνήθως δηλώνει ικανοποιημένος με πολύ μεγαλύτερα επίπεδα λαμπρότητας από τα απαιτούμενα για το μέσο όρο των εργαζομένων. Conscious: Ο χρήστης αυτής της κατηγορίας αποζητά την οπτική άνεση στα πλαίσια όμως της συνειδητής επιλογής για εξοικονόμηση ενέργειας, τόσο για περιβαλλοντικούς όσο και για οικονομικούς λόγους. Είναι ο συνειδητοποιημένος και ενεργός χρήστης και γι αυτό προσομοιώνει τον ιδανικό χρήστη. Costs: Ο χρήστης αυτός ενδιαφέρεται ιδιαίτερα για την εξοικονόμηση ενέργειας για οικονομικούς λόγους και είναι πιθανό να προσαρμοστεί σε χαμηλότερα επίπεδα φωτισμού με σκοπό την μείωση του κόστους. Environment: Ο χρήστης που ανήκει σε αυτή την κατηγορία είναι συνειδητοποιημένος όσον αφορά το περιβάλλον και είναι πιθανόν να επιλέξει χαμηλότερα επίπεδα φωτισμού για οικολογικούς λόγους. Οι δύο τελευταίες κατηγορίες, αν και έχουν διαφορετικά κίνητρα, συνήθως καταλήγουν σε κοινές αποφάσεις οπότε σε αυτόν τον αλγόριθμο ομαδοποιούνται μαζί. Ένα ακόμα σημείο στο οποίο διαφέρουν ο Lightswitch2002 με τη δική μας προσέγγιση είναι ο ορισμός των δυναμικών συστημάτων ελέγχου των περσίδων (dynamic manual), των στατικών (static manual) και των αυτόματων (automated). Σύμφωνα με την προσέγγιση μας υπάρχουν δύο έλεγχοι μόνο, δηλαδή δύο περιπτώσεις, για τη διαδικασία που θα ακολουθηθεί για τον καθορισμό της κατάστασης των περσίδων : ο αυτόματος έλεγχος και ο δυναμικός έλεγχος. Στην περίπτωση του αυτόματου ελέγχου γίνονται λιγότεροι έλεγχοι προκειμένου να καθοριστεί το αποτέλεσμα, ενώ στην περίπτωση του δυναμικού λαμβάνονται υπόψη περισσότεροι προσωπικοί παράγοντες σχετικά με το χρήστη και το αποτέλεσμα προκύπτει μετά από περισσότερους ελέγχους και συνεπώς απαιτούνται περισσότερα δεδομένα. Ουσιαστικά ο στατικός έλεγχος που θεωρείται ξεχωριστή περίπτωση στον Lightswitch2002, περιέχεται στον ορισμό μας για τον δυναμικό έλεγχο ως η περίπτωση του παθητικού χρήστη. Σε κάθε περίπτωση το σύστημα που λαμβάνει υπόψη όσο το δυνατόν περισσότερες προσωπικές προτιμήσεις του κάθε τύπου χρήστη θεωρείται δυναμικό. [113]

114 Τέλος, οι στοχαστικές διαδικασίες που χρησιμοποιούνται από τον Lightswitch2002 είναι αποτέλεσμα ερευνών που έχουν γίνει σε χώρες του εξωτερικού (Καναδάς, ΗΠΑ, Ηνωμένο Βασίλειο, Ιαπωνία) και δεν ανταποκρίνονται αποτελεσματικά στα ελληνικά δεδομένα. Επίσης, απουσιάζουν οι προσωπικοί παράγοντες που επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την απόφαση του χρήστη. Για το λόγο αυτό αντικαταστάθηκαν με ελέγχους που εμπεριέχουν αριθμητικά δεδομένα τα οποία έχουν προκύψει από κατηγοριοποίηση των αναγκών του χρήστη, σχετικές έρευνες και μετρήσεις (βλέπε βιβλιογραφία). Επιπλέον, για λόγους πολυπλοκότητας δεν θα ήταν δυνατόν να χρησιμοποιηθούν για όλες τις επιπρόσθετες περιπτώσεις που αναπτύξαμε στοχαστικές διαδικασίες που να τις καλύπτουν, χωρίς εξειδικευμένες έρευνες και στατιστικές Περιβάλλον λειτουργίας (Interface)-Είσοδοι/έξοδοι Το ηλεκτρονικό σύστημα που θα εγκατασταθεί και θα υλοποιεί τον αλγόριθμο θα περιλαμβάνει ένα είδος interface φιλικό στο χρήστη το οποίο θα λαμβάνει τα δεδομένα του κάθε χρήστη. Ο κάθε χρήστης με την είσοδό του στο γραφείο θα εισάγει την κάρτα με τα δεδομένα του στο σύστημα και επομένως θα εισάγεται στο σύστημα το προφίλ του, δηλαδή τι τύπος χρήστη είναι ο συγκεκριμένος όσο αφορά τις περσίδες και όσο αφορά το φωτισμό. Επιπλέον, το σύστημα θα έχει αποθηκευμένα τα χαρακτηριστικά του κάθε γραφείου, όπως διαστάσεις, θέσεις παραθύρων, θέσεις αισθητήρων, είδη λαμπών και περσίδων, αποστάσεις γραφείων, είδη παραθύρων, προσανατολισμός και γειτνίαση με άλλα κτίρια. Αφού εισαχθούν τα δεδομένα του χρήστη στο σύστημα, ο αλγόριθμος ξεκινάει να «τρέχει» με βήμα των δέκα λεπτών για το συγκεκριμένο χρήστη αυτόνομα. Ο αλγόριθμος «τρέχει» για συνολικά δέκα ώρες που εκτιμάται ότι είναι το μέγιστο που μπορεί ο χρήστης αυτός να παραμείνει στο γραφείο του. Βέβαια όταν ο χρήστης εξέλθει από το σύστημα (log out), παύει αυτόματα και η λειτουργία του αλγορίθμου για το συγκεκριμένο χρήστη. Το αποτέλεσμα για το κάθε γραφείο στο οποίο μπορεί να εργάζονται περισσότεροι από ένας χρήστες προκύπτει από σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από το «τρέξιμο» του αλγορίθμου για τον κάθε χρηστή. Αν τα αποτελέσματα είναι αντικρουόμενα, υπερισχύει για τις περσίδες το αποτέλεσμα του ενεργού χρήστη ενώ για τα φώτα το αποτέλεσμα του χρήστη που απαιτεί υψηλότερο επίπεδο φωτισμού. [114]

115 Στο σύστημα εισάγονται και άλλα δεδομένα εκτός από τα αποθηκευμένα για το κάθε γραφείο και τα στοιχεία του χρήστη, τα οποία προκύπτουν από χρήση αισθητήρων και μετρήσεις που έχουν γίνει και συνεχίζουν να γίνονται στο κάθε γραφείο. Ο βασικός αισθητήρας που χρησιμοποιούμε είναι ο αισθητήρας παρουσίας ο οποίος βρίσκεται κοντά στο γραφείο του κάθε χρήστη και στέλνει ηλεκτρονικό μήνυμα στο σύστημά μας για την παρουσία του χρήστη αυτού στο γραφείο του. Ένας ακόμη αισθητήρας είναι ο αισθητήρας φυσικού φωτισμού ο οποίος βρίσκεται στον κοντινότερο προς το παράθυρο τοίχο του γραφείου και μετράει το επίπεδο του φυσικού φωτισμού και δίνει το αποτέλεσμα αυτό στο σύστημα. Ο αισθητήρας είναι ρυθμισμένος κατάλληλα ώστε να δίνει το επίπεδο φυσικού φωτισμού που φτάνει στο επίπεδο εργασίας, όχι σε οποιαδήποτε άλλη επιφάνεια και αναπροσαρμόζει το αποτέλεσμα ανάλογα με την απόσταση του κάθε γραφείου από το παράθυρο. Τέλος, υπάρχει ένα είδος λουξόμετρου επάνω στο γραφείο του κάθε χρήστη το οποίο προσμετρά το συνολικό φωτισμό στο επίπεδο εργασίας (μαζί και με τεχνητό φωτισμό, ανακλάσεις και φωτισμό από άλλες πηγές). Παρακάτω θα γίνει μια ανάλυση των μεταβλητών και των σταθερών που χρησιμοποιούνται από το σύστημα καθώς εκτελείται ο αλγόριθμος και οι οποίες είναι άλλοτε αποθηκευμένες άλλοτε μετριένται. Τα μεγέθη που είναι αποθηκευμένα στο σύστημα είναι τα εξής: CRI: Η ποιότητα του χρώματος των φωτεινών πηγών που υπάρχουν στο γραφείο παίρνει τιμές από 0 μέχρι 100, αποτελεί χαρακτηριστικό του κάθε γραφείου και ως τέτοιο είναι αποθηκευμένη στο σύστημα. Ακολουθεί πίνακας με τις αποδεκτές τιμές του συγκεκριμένου δείκτη: UGR: Είναι ο δείκτης που δείχνει το συνολικό επίπεδο θάμβωσης που προκαλείται από μια φωτεινή πηγή συμπεριλαμβανομένων των ανακλάσεων και διαχύσεων. Δίνεται από τον παρακάτω τύπο: 0.25 L UGR 8 log (Σχέση 6.1) όπου Lb η φωτεινότητα φόντου n 2 si si 10 2 Lb i 1 P (σε cd/m 2 ). Οι υπόλοιπες μεταβλητές εξηγούνται παρακάτω. [115]

116 Μεγαλύτερο του 28 είναι μη ανεκτό και κάτω από 13 είναι ανεπαίσθητο. Καθώς ο δείκτης αυτός αποτελεί χαρακτηριστικό του φωτισμού κάθε γραφείου είναι ήδη αποθηκευμένο στο σύστημα για κάθε γραφείο. Τύπος χρήστη για τις περσίδες(ub) &Τύπος χρήστη για τα φώτα(ul): Για τον κάθε χρήστη υπάρχει αποθηκευμένο το προφίλ του που περιλαμβάνει την κατηγορία του χρήστη στην οποία ανήκει όσον αφορά τις περσίδες και το φωτισμό. D (παράγοντας φυσικού φωτισμού διορθωμένος): Ο παράγοντας αυτός έχει περιγραφεί αναλυτικά στο κεφάλαιο 3 (σε 59) και όπως προκύπτει εξαρτάται μόνο από χαρακτηριστικά του χώρου, υλικά των παραθύρων και των τοίχων οπότε είναι συγκεκριμένος για κάθε χώρο και αποθηκευμένος στο σύστημα. control: Ανάλογα αν ο έλεγχος των περσίδων είναι δυναμικός (manual) ή αυτόματος (automated), στοιχείο που χαρακτηρίζει τον κάθε χώρο. Τα μεγέθη που μετριόνται κάθε φορά που τρέχει ο αλγόριθμος ή κάθε φορά που αλλάζει η κατάσταση και το αντιλαμβάνεται το σύστημα μέσω των αισθητήρων είναι τα εξής: Για τις περσίδες DS (direct sunlight): Είναι μεταβλητή που παίρνει τιμή από τον αισθητήρα φυσικού φωτισμού κάθε φορά που «τρέχει» ο αλγόριθμος. DGP (Daylight Glare Probability): Πρόκειται για το δείκτη που δείχνει την θάμβωση που οφείλεται στο φυσικό φωτισμό, τόσο από απευθείας ηλιακή ακτινοβολία όσο και από ανακλάσεις. Ο τύπος από τον οποίο υπολογίζεται είναι ο ακόλουθος: Όπου L DGP (Σχέση 6.2) n si si Ev log 10(1 ) i 1 Ev Pi L si si E v P i η φωτεινότητα (σε cd/m 2 ) του ι-οστού μέρους της φωτεινής πηγής στην κατεύθυνση του ματιού η στερεά γωνία (σε sr) η φωτεινότητα (σε lux) στο επίπεδο του ματιού στο φόντο (εξαιρώντας την πηγή θάμβωσης) δείκτης θέσης του ι-οστού μέρους της πηγής θάμβωσης (Chapter 9, Lighting Calculations, IESNA Lighting Handbook) [116]

117 Παρατηρούμε ότι κάποια μεγέθη είναι χαρακτηριστικά του γραφείου αλλά η ένταση του φωτισμού Εν προέρχονται από μετρήσεις που γίνονται με τα δεδομένα που προκύπτουν από τον αισθητήρα φυσικού φωτισμού. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι αποδεκτές και μη τιμές των δύο παραγόντων DGP και UGR: Type of glare DGP UGR Imperceptible glare <0.35 <13 Perceptible glare Disturbing glare Intolerable glare >0.45 >28 occupancy: Η μεταβλητή αυτή δείχνει την παρουσία ή όχι του χρήστη στο γραφείο και παίρνει τιμή (εμμέσως) από τον αισθητήρα παρουσίας ( πρώτα η τιμή από τον αισθητήρα αποθηκεύεται στη μεταβλητή oc_arrive/oc_leave) ar: Η μεταβλητή αυτή παίρνει τιμή όταν φτάνει ο χρήστης στο χώρο και «χτυπάει» την κάρτα του. oc_sensor: Ανάλογα με το αν ένα γραφείο αισθητήρα παρουσίας ή όχι δίνεται τιμή σε αυτή τη μεταβλητή. Για τα φώτα occupancy: Όμοια με τις περσίδες. ls: Η μεταβλητή αυτή παίρνει τιμή ανάλογα με το αν τα φώτα είναι αναμμένα ή όχι. Πρόκειται για απόλυτη κατάσταση, ανεξάρτητη του επιπέδου φωτισμού. oc_arrive/oc_leave: Οι μεταβλητές αυτές παίρνουν τιμή απευθείας από τον αισθητήρα παρουσίας μόλις αλλάξει η κατάσταση παρουσίας του χρήστη, δηλαδή μόλις φτάσει ή φύγει ο χρήστης. timer: Χρονομετρητής που μετράει το χρόνο απουσίας του χρήστη ώστε να συγκριθεί με το αποθηκευμένο όριο (delay time). w: Με σύστημα monitoring του υπολογιστή μπορεί το σύστημα να αντιληφθεί εάν ο χρήστης δουλεύει στην οθόνη η στο επίπεδο εργασίας, καθώς αυτά τα δύο απαιτούν διαφορετικά επίπεδα φωτισμού. lux: Η τιμή αυτής της μεταβλητής προέρχεται από το λουξόμετρο που είναι τοποθετημένο στο κάθε γραφείο. [117]

118 6.5 Ανάλυση αλγορίθμου κατά βήμα Περσίδες Παρακάτω δίνεται σχηματικά το συνολικό λογικό διάγραμμα του αλγορίθμου για τη ρύθμιση των περσίδων. Ακολουθεί ο ψευδοκώδικας που το περιγράφει: Εικόνα 6.5 Γενική μορφή αλγορίθμου περσίδων [118]

119 Ο βρόχος της επανάληψης εκτελείται με βήμα 10 λεπτών για από το πρώτο λεπτό μέχρι το 601 (1min+60min*10h). Στην αρχή του βρόχου γίνεται ο έλεγχος αν είναι ο χρήστης στο γραφείο του ή όχι. Αν δεν είναι ο χρήστης στο γραφείο του, η κατάσταση παραμένει ως έχει (b=b). Από την άλλη αν ο χρήστης είναι στο γραφείο του, ελέγχουμε το είδος του ελέγχου (αυτόματος ή δυναμικός) που υπάρχει στο συγκεκριμένο γραφείο. Στην περίπτωση που ο έλεγχος είναι δυναμικός (control=1), συνεχίζουμε να ελέγξουμε αν είναι η πρώτη άφιξη του χρήστη για τη συγκεκριμένη μέρα. Στην πρώτη άφιξη του χρήστη στο γραφείο για την συγκεκριμένη μέρα, θέτουμε ως default setting να ανοίγουν πλήρως οι περσίδες. Αν δεν είναι η πρώτη άφιξη, αφήνουμε την κατάσταση ως έχει και προχωράμε στο κομμάτι 2 (βλ Εικόνα 6.6) όπου γίνονται οι απαραίτητα έλεγχοι για τα επίπεδα του φυσικού φωτισμού προκειμένου να ρυθμιστούν οι περσίδες. Από την άλλη αν ο έλεγχος είναι αυτόματος (control=0), εκτελείται το κομμάτι 1 (βλ Εικόνα 6.8) που περιέχει και πάλι ελέγχους για το φυσικό φωτισμό πιο απλοποιημένους από το δυναμικό ώστε το κομμάτι του αυτομάτου ελέγχου να εκτελείται γρηγορότερα. Ακολουθεί ο ψευδοκώδικας που το περιγράφει: Εικόνα 6.6 (2) έλεγχος φυσικού φωτισμού σε περίπτωση δυναμικού ελέγχου [119]

120 Στο κομμάτι 2 (βλ Εικόνα 6.6) (δυναμικός έλεγχος) ελέγχεται αρχικά αν το επίπεδο της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο επίπεδο εργασίας είναι μεγαλύτερο από τα 50 W/m 2 (τιμή που προέρχεται από τον Lightswitch2002 και κρίνεται ότι πάνω από αυτή ο χρήστης ενοχλείται). Αν είναι μεγαλύτερο το επίπεδο φυσικού φωτισμού από αυτή την τιμή, εκτελείται το κομμάτι 4 (βλ Εικόνα 6.7) όπου πραγματοποιούνται περαιτέρω έλεγχοι για το φυσικό φωτισμό ανάλογα με τον τύπο του χρήστη. Στην περίπτωση που δεν ξεπερνάει ο φυσικό φωτισμός στο επίπεδο εργασίας τα 50 W/m 2, προχωράμε σε έναν επιπλέον έλεγχο αν η τιμή είναι κατά πολύ μικρότερη των 50 W/m 2, ενδεικτικά αν είναι μικρότερη από 40 W/m 2, τότε προχωράμε σε άνοιγμα των περσίδων κατά ένα επίπεδο, αν δεν είναι ήδη τελείως ανοιχτές (b<1). Αν είναι οριακά κάτω από τα 50 W/m 2, αφήνουμε την κατάσταση των περσίδων ως έχει. Εικόνα 6.7 (4) Έλεγχος φυσικού φωτισμού ανάλογα με τον τύπο χρήστη Στο κομμάτι 4 (βλ Εικόνα 6.7) ελέγχουμε τα επίπεδα της θάμβωσης από φυσικό φωτισμό και τον διορθωμένο παράγοντα φωτισμού ανάλογα με τον τύπο του χρήστη. Αν ο χρήστης είναι ενεργός (active), τότε ελέγχουμε αν ο συντελεστής θάμβωσης φυσικού φωτισμού είναι μεγαλύτερος από 0.4, χαμηλώνουμε ένα επίπεδο τις περσίδες. Διαφορετικά προχωρούμε σε έλεγχο του παράγοντα φυσικού φωτισμού και αν βρεθεί μεγαλύτερος του 0.03, χαμηλώνουμε τις περσίδες κατά 2 επίπεδα γιατί το 0.03 θεωρείται ανεπίτρεπτα υψηλή τιμή (βλ πρότυπο). Αν ο παράγοντας φυσικού φωτισμού βρεθεί μικρότερος από 0.03 αλλά μεγαλύτερος από 0.02, κρατάμε το επίπεδο σταθερό γιατί είναι ανεπαίσθητη η ενόχληση που μπορεί να προκληθεί και αν μειώσουμε το επίπεδο των περσίδων είναι πιθανό να μην έχουμε επαρκή φωτισμό. Τέλος, αν βρεθεί ο παράγοντας φυσικού φωτισμού κάτω από 0.02, ανοίγουμε τις περσίδες κατά ένα επίπεδο. Στην περίπτωση που ο χρήστης είναι παθητικός (passive) διατηρούμε σταθερό το επίπεδο των περσίδων στο 0.25 που θεωρείται αρκετό για να μπαίνει το ελάχιστο φυσικό φως. [120]

121 Ακολουθεί ο ψευδοκώδικας που το περιγράφει: Εικόνα 6.8 (1) Έλεγχος φυσικού φωτισμού σε περίπτωση αυτόματου ελέγχου Στο κομμάτι 1 (βλ Εικόνα 6.8) γίνεται ο έλεγχος για τα επίπεδα φυσικού φωτισμού για την περίπτωση του αυτόματου ελέγχου. Αν η απευθείας ηλιακή ακτινοβολία στο επίπεδο εργασίας είναι μεγαλύτερη των 50 W/m 2, τότε εκτελείται το κομμάτι 3 (βλ Εικόνα 6.9). Αν είναι μικρότερο, τότε ελέγχουμε κατά πόσο μικρότερο από το 50 W/m 2. Αν είναι κάτω των 40 W/m 2, δηλαδή κατά πολύ μικρότερο από 50, ανοίγουμε ένα επίπεδο της περσίδες αν δεν είναι ήδη τελείως ανοιχτές (b<1). Αν δεν είναι μικρότερο των 40 W/m 2, τότε το θεωρούμε οριακά αποδεκτό και δεν αλλάζουμε την κατάσταση των περσίδων. [121]

122 Εικόνα 6.9 (3) Έλεγχος για φυσικό φωτισμό σε περίπτωση που DS>50 W/m 2 Στο κομμάτι 3 (βλ Εικόνα 6.9) πραγματοποιούμε περαιτέρω ελέγχους για το φυσικό φωτισμό ανάλογα με τον τύπο του χρήστη. Αν ο δείκτης θάμβωσης που οφείλεται σε φυσικό φωτισμό είναι μεγαλύτερος του 0.4, που θεωρείται μη ανεκτό, χαμηλώνουμε το επίπεδο των περσίδων. Διαφορετικά ελέγχουμε τον παράγοντα διορθωμένου φωτισμού και αν είναι μεγαλύτερος από 0.03 χαμηλώνουμε δύο επίπεδα τις περσίδες, ενώ αν είναι μικρότερο του 0.03 τις χαμηλώνουμε κατά ένα μόνο επίπεδο. Σε οποιαδήποτε άλλη περίπτωση το επίπεδο των περσίδων μένει σταθερό Τεχνητός Φωτισμός Για τη συγκρότηση του αλγοριθμικού μέρους που σχετίζεται με το φωτισμό χρησιμοποιήσαμε ως θεμέλιο και εδώ τον βασικό αλγόριθμο Lightswitch 2002 στον οποίο κάναμε περαιτέρω προσθήκες. Στο παρακάτω διάγραμμα ροής φαίνεται η τελική μορφή που έχουμε δώσει στον αλγόριθμο για το φωτισμό χώρων. Στην κορυφή παρατηρούμε την ύπαρξη ενός ρόμβου με περιεχόμενο την έκφραση set blinds. Όπως και στον πρότυπο αλγόριθμο, έτσι και εμείς εδώ ορίζουμε η ρύθμιση των περσίδων να γίνεται πρώτη και μετά να ακολουθεί η ρύθμιση των φώτων ώστε να έχουμε πλήρη εκμετάλλευση του εισερχόμενου φυσικού φωτισμού. Όπως φαίνεται στο διάγραμμα, υπάρχουν ρόμβοι που περικλείουν αριθμούς στο εσωτερικό τους. Ο κάθε αριθμός αντιπροσωπεύει ένα τμήμα αλγορίθμου το οποίο δε συμπεριλαμβάνουμε απευθείας στο διάγραμμα ροής για λόγους αποφυγής σύγχυσης, καθώς τα τμήματα αυτά είναι μεγάλα σε μέγεθος κώδικα. [122]

123 Εικόνα 6.10 Ακολουθεί ο κώδικας που περιγράφει συνολικά το παραπάνω διάγραμμα ροής: [123]

124 Εικόνα 6.11 Ο παραπάνω βρόχος εκτελείται από το πρώτο λεπτό που μπαίνει το σύστημά μας σε εφαρμογή, με βήμα δέκα λεπτών, μέχρι και δέκα ώρες μετά (δηλαδή μέχρι και 10x60=600 λεπτά αργότερα). Η επιλογή των δέκα ωρών έγινε με βάση το βασικό οκτάωρο εργασίας διευρυμένο για την κάλυψη τυχόν υπερωριών. Πριν τη λεπτομερέστερη ανάλυση αξίζει να αναφέρουμε ότι και για τις περσίδες και για το φωτισμό έχουμε ορίσει πέντε επίπεδα λειτουργίας. Όσον αφορά τις περσίδες υπάρχουν συγκεκριμένες θέσεις στις οποίες μπορούν να ρυθμιστούν. Αυτές είναι (με βάση τη γωνία αναφοράς στην οποία θεωρούνται τελείως κλειστές (θέση 0) οπότε επιτρέπουν μηδενική εισροή φωτός στο χώρο) οι θέσεις 0, 0.25, 0.5, 0.75 και 1. Για τα φώτα ισχύει παρόμοια αρχή. Υπάρχουν και εδώ πέντε ρυθμιζόμενες θέσεις. Στη θέση 0 το επίπεδο φωτισμού είναι μηδενικό και σταδιακά αυξάνεται με βήμα 0.25 μέχρι τη μονάδα όπου θεωρούμε ότι το σύστημα φωτισμού αποδίδει το 100% των δυνατοτήτων του. [124]

125 Ξεκινώντας την επεξήγηση από το αριστερό τμήμα του διαγράμματος (βλ εικόνα 6.11), στην περίπτωση που ο χώρος είναι άδειος, δεν υπάρχει φωτισμός και δεν εισέρχεται κάποιος μέσα στο χώρο, το σύστημα φωτισμού παραμένει στην προηγούμενή του κατάσταση (όλα τα φώτα παραμένουν σβηστά). Εάν με τις ίδιες αυτές συνθήκες (άδειος χώρος και φώτα σβηστά) έχουμε είσοδο ενός ατόμου στο χώρο, ακολουθείται το τμήμα αλγορίθμου (6) το οποίο επεξηγείται αργότερα. Ακολουθεί η περίπτωση στην οποία ο χώρος είναι κενός αλλά τα φώτα είναι σε λειτουργία. Εάν εισέλθει κάποιος στο χώρο και δεν υπάρχει αισθητήρας ανίχνευσης παρουσίας η κατάσταση των φώτων παραμένει ως έχει, ενώ αν υπάρχει αισθητήρας ανίχνευσης παρουσίας ακολουθείται η διαδικασία (1) που περιγράφεται παρακάτω. Εάν με τις ίδιες παραπάνω συνθήκες (άδειος χώρος, αναμμένα φώτα) έχουμε είσοδο εργαζόμενου στο χώρο ακολουθείται η διαδικασία (5) η οποία επίσης αναλύεται στις επόμενες σελίδες. Προχωρώντας προς το δεξιό κομμάτι του διαγράμματος της εικόνας 6.11 θα αναφερθούμε σε καταστάσεις στις οποίες υπάρχει παρουσία ατόμου στο χώρο. Εάν λοιπόν παρουσία ατόμου τα φώτα είναι σβηστά και δεν φεύγει κανείς από το χώρο γίνεται πρώτα ένας έλεγχος που αφορά τις περσίδες. Αυτός ο έλεγχος αποσκοπεί στο να ξέρουμε εάν με την παρούσα κατάσταση στο χώρο μας έχει αλλάξει η κατάσταση των περσίδων. Εάν είναι η πρώτη φορά της ημέρας που τρέχει ο αλγόριθμός μας, δίνεται η εντολή να ανοίξουν οι περσίδες έτσι ώστε αν υπάρχει έστω και μικρό ποσοστό φυσικού εισερχόμενου φωτισμού να μπορέσουμε να το εκμεταλλευτούμε. Ακολουθεί ακόμα ένας έλεγχος που αφορά τις περσίδες. Εάν η κατάσταση των περσίδων είναι ίδια με την προηγούμενη (δηλαδή με την κατάσταση πριν δέκα λεπτά που είχε ξανατρέξει το πρόγραμμά μας), ακολουθείται η διαδικασία (3), σε αντίθετη περίπτωση ακολουθείται η διαδικασία (2). Και οι δύο αυτές διαδικασίες θα περιγραφούν αργότερα. Θα εξηγηθεί γιατί τα τμήματα (2) και (3) επιλέγονται τελικά να είναι πανομοιότυπα. Αυτή η ομοιότητα θα μπορούσε κανείς να πει ότι καθιστά άστοχο αλγοριθμικά το γεγονός ότι είτε είμαστε στην πρώτη επανάληψη του αλγορίθμου είτε όχι εκτελείται ακριβώς το ίδιο κομμάτι κώδικα. Στην πραγματικότητα όμως είναι πολύ σημαντικό αυτό το τμήμα του κώδικα γατί είναι το μόνο σημείο στο οποίο ο αλγόριθμός μας μπορεί να αντιληφθεί την αλλαγή εργασίας από οθόνη σε γραφείο και αντίστροφα, ενώ δεν παρατηρείται καμία αλλαγή στις εξωτερικές συνθήκες ώστε να αλλάξουν κατάσταση οι περσίδες ή η στάθμη φωτισμού. Εάν ενώ υπήρχε άτομο στο δωμάτιο και τα φώτα ήτανε σβηστά το άτομο αυτό αποφάσισε να απουσιάσει ακολουθείται το τμήμα αλγορίθμου (1). Μία ακόμη περίπτωση που διερευνάται παρακάτω είναι εάν ενώ υπάρχει παρουσία ατόμου στο δωμάτιο, τα φώτα είναι σε κάποιο επίπεδο αναμμένα και το άτομο παραμένει στο δωμάτιο. Τότε ακολουθείται η διαδικασία (4), ενώ εάν το άτομο αποφασίσει να φύγει (με τις υπάρχουσες συνθήκες πάντα->ύπαρξη ατόμου στο χώρο, φώτα αναμμένα) ακολουθείται η διαδικασία (1). [125]

126 Μέχρι στιγμής έχει περιγραφεί το κυρίως μέρος του αλγορίθμου σχετικά με το φωτισμό. Παρακάτω παρουσιάζονται, επεξηγούνται και αναλύονται οι ενότητεςδιαδικασίες που αναφέρθηκαν παραπάνω με νούμερα. Το παρακάτω τμήμα του αλγορίθμου περιλαμβάνεται στα σύμβολα που περιέχουν τον αριθμό (1). Εικόνα 6.12 Σε αυτές τις λίγες αλλά σημαντικές γραμμές κώδικα συγκρίνεται χρόνος που λείπει ο εργαζόμενος από το χώρο του γραφείου του (μεταβλητή timer) με ένα καθορισμένο μέγιστο χρόνο καθυστέρησης (μεταβλητή delay_time). Στην εφαρμογή αυτή ο μέγιστος χρόνος καθυστέρησης έχει επιλεγεί να είναι τριάντα λεπτά. Αν ο χρόνος απουσίας είναι μεγαλύτερος από τριάντα λεπτά δίνεται η εντολή στο σύστημα να κλείσει τελείως τα φώτα. Σε αντίθετη περίπτωση (δηλαδή εάν ο εργαζόμενος λείψει λιγότερο από τριάντα λεπτά), τότε τα φώτα παραμένουν στην προηγούμενή τους κατάσταση. Η μεταβλητή occupancy παίρνει την τιμή μηδέν (εάν ο εργαζόμενος λείψει περισσότερη από μισή ώρα σημαίνει ότι εγκατέλειψε το γραφείο του) για καθαρά προγραμματιστικούς λόγους για την σωστότερη ροή του υπόλοιπου προγράμματος. Το παρακάτω τμήμα του αλγορίθμου περιλαμβάνεται στα σύμβολα που περιέχουν έναν από τους αριθμούς (2), (3) και (6). Το γεγονός ότι ο κώδικας είναι ίδιος και για τις τρεις αυτές καταστάσεις αιτιολογείται από τη φύση των καταστάσεων αυτών. Και οι τρεις αναφέρονται σε χώρους όπου τα φώτα είναι σβηστά. Στην κατάσταση (2) είναι κάποιος στο χώρο, δεν φεύγει και η κατάσταση των περσίδων παραμένει στάσιμη. Στην κατάσταση (3) πάλι είναι κάποιος στο χώρο, δεν φεύγει αλλά έχει αλλάξει η θέση των περσίδων. Τέλος, στην κατάσταση (3)ο χώρος είναι άδειος και δεν εισέρχεται κανείς. Άρα λοιπόν από τα παραπάνω φαίνεται ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί το ίδιο κομμάτι αλγορίθμου για τις τρεις αυτές περιπτώσεις καθώς εμφανίζουν κοινά χαρακτηριστικά. Ακολουθεί παρακάτω το κοινό τμήμα του αλγορίθμου και η επεξήγησή του. [126]

127 [127]

128 Εικόνα 6.13 [128]

129 Αρχικά γίνεται ένας διαχωρισμός ανάλογα με το επίπεδο εργασίας. Σε περίπτωση που ο χρήστης δουλεύει σε οθόνη (w=0) είναι ικανοποιημένος με λιγότερα lux από ότι εάν δουλεύει σε γραφείο(w=1). Στη συνέχεια ο αλγόριθμός μας προχωρά σε κατηγορίες ανάλογα με το είδος του χρήστη σε σχέση με τα φώτα. Ο χρήστης convenience είναι ο πιο απαιτητικός από όλος τους χρήστες και γι αυτό η ικανοποίησή του απαιτεί μεγαλύτερη ένταση φωτισμού. Ακολουθεί κατά σειρά απαιτητικότητας σε lux ο χρήστης conscious και τέλος στην τελευταία θέση και με ίδιες απαιτήσεις θεωρούμε τους χρήστες cost και environmental. Σύμφωνα με τα παραπάνω λοιπόν πρώτη περίπτωση θεωρούμε την εργασία σε οθόνη. Εάν ο χρήστης είναι τύπου convenience έχουμε θέσει ως όριο ικανοποίησής του όσον αφορά το φωτισμό τα 600 lux. Τα όρια ικανοποιητικού επιπέδου φωτισμού για το χρήστη conscious είναι 400 lux ενώ για τους χρήστες cost και environmental είναι 300 lux. Σε περίπτωση που τα lux στο γραφείο ενός χρήστη είναι κατά 100 και πάνω περισσότερα από αυτά που θεωρούμε ότι τον ικανοποιούν (ανάλογα πάντα με το τι είδους χρήστης είναι) τότε το σύστημα φωτισμού είναι ρυθμισμένο να μειώνει το φωτισμό κατά ένα επίπεδο. Από κει και πέρα υπάρχουν κάποιες ενδιάμεσες διαβαθμίσεις lux για κάθε χρήστη σύμφωνα με τις οποίες ορίζεται το επίπεδο φωτισμού c. Δηλαδή ανάλογα με το πόσο λιγότερα lux έχουμε από τα επιθυμητά προσαρμόζουμε τον αριθμό των επιπέδων (σκάλες c) που θα αυξήσουμε το φωτισμό. Ως δεύτερη περίπτωση θεωρούμε την εργασία σε γραφείο. Η σειρά απαιτητικότητας σε επίπεδο φωτισμού είναι ίδια ξεκινώντας από τον convenience (περισσότερο απαιτητικός με 700 lux), συνεχίζοντας με τον conscious (λιγότερο απαιτητικός με 500 lux) και τελειώνοντας με τους cost και environmental (ακόμα λιγότερο απαιτητικοί χρήστες με 400 lux). Για το πλεόνασμα των 100 lux και πάνω και για τις ενδιάμεσες διαβαθμίσεις ισχύει ίδια διαδικασία με πάνω με λίγο διαφοροποιημένα νούμερα φυσικά. Να διευκρινιστεί ότι δεν έχουμε προσθέσει επιπλέον έλεγχο για τη μεταβλητή c ώστε να μη λαμβάνει τιμές μεγαλύτερες του 1 διότι θεωρήσαμε ότι έτσι όπως είναι δομημένος ο αλγόριθμος αυτό είναι περιττό. Πιο αναλυτικά θεωρούμε ότι εάν όλα τα φωτιστικά είναι αναμμένα στο 100% (c=1) θα υπερβαίνουμε κατά πολύ τα lux στα οποία είναι ικανοποιημένος ο εκάστοτε χρήστης και ο έλεγχος για διαφορά lux όχι μεγαλύτερη από 100 lux επιθυμητά θα κατέβαζε το επίπεδο φωτισμού. Το παρακάτω κομμάτι του αλγορίθμου περιλαμβάνεται στα σύμβολα που περιέχουν έναν από τους αριθμούς (4) και (5). Είναι ίδιο με το παραπάνω κομμάτι που παρουσιάστηκε για τα (2), (3) και (6) με μόνη διαφορά τον επιπλέον έλεγχο UGR και CRI εξαιτίας του τεχνητού φωτισμού που υπάρχει. Τα τμήματα αλγορίθμου (4) και (5) είναι ίδια μεταξύ τους καθώς αναφέρονται σε καταστάσεις με αναμμένα φώτα σε κάποιο επίπεδο. Οι διαφορές είναι ότι το μεν (4) αναφέρεται σε κατάσταση όπου υπάρχει κάποιος στο χώρο, ο οποίος δεν φεύγει ενώ το δε (5) σε κατάσταση όπου ο χώρος είναι άδειος και δεν εισέρχεται κανείς. [129]

130 [130]

131 Εικόνα 6.14 [131]

132 Η ανάλυση του παραπάνω τμήματος αλγορίθμου είναι ίδια με αυτή που προηγήθηκε νωρίτερα για τα τμήματα (2), (3) και (6). Η μόνη διαφορά έγκειται στις έξι πρώτες γραμμές κώδικα όπου προηγείται ο έλεγχος δύο επιπλέον συνθηκών πριν το κοινό κομμάτι κώδικα. Πιο συγκεκριμένα, εάν ο παράγοντας UGR (ο οποίος επεξηγείται παραπάνω) είναι μεγαλύτερος του 20 τότε δίνεται η εντολή να χαμηλώσει κατά μία κλίμακα ο τεχνητός φωτισμός. Σε αντίθετη περίπτωση (όταν UGR<20) ακολουθεί ο έλεγχος του μεγέθους CRI. Αν ο παράγοντας CRI είναι μεγαλύτερος από 90 τότε προσθέτουμε στην τιμή των lux που μετρώνται από λουξόμετρα πάνω σε κάθε γραφείο το 100. Αυτή η ενέργεια γίνεται διότι θεωρούμε ότι εάν έχουμε υψηλή ποιότητα χρώματος φωτεινής πηγής ο χρήστης είναι ικανοποιημένος με λιγότερα lux. Επομένως εάν αυξήσουμε τα lux όταν θα προχωρήσουμε στα παρακάτω βήματα του αλγορίθμου θα έχουμε είσοδο σε ένα elseif στο οποίο έχουμε σύγκριση με περισσότερα lux και εν τέλει μείωση του επιπέδου φωτισμού. Το υπόλοιπο τμήμα κώδικα αυτής της υποενότητας που αφορά συγκρίσεις για εργασία σε οθόνη-γραφείο για κάθε είδος χρήστη είναι όπως προαναφέρθηκε όμοιο με των παραπάνω περιπτώσεων. [132]

133 7. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ-ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Με αφορμή την παραπάνω αλγοριθμική προσέγγιση επιχειρούμε να εισάγουμε κάποια στοιχεία από τους παράγοντες που αναλύθηκαν προηγουμένως σε μια πρακτική εφαρμογή με σκοπό να δείξουμε την βελτιστοποίηση που επιτυγχάνεται όσον αφορά την εξοικονόμηση ενέργειας και την ικανοποίηση του χρήστη. Λαμβάνοντας υπόψη τον εισερχόμενο φυσικό φωτισμό σε πραγματικούς χώρους εργασίας και τα είδη των χρηστών όπως ορίστηκαν παραπάνω, εκτελούμε προσομοιώσεις με την βοήθεια του προγράμματος Ecotect και παρατηρούμε την επίδραση που έχουν στη λειτουργία του συστήματος. Συνοπτικά τα βήματα που θα ακολουθήσουμε είναι τα εξής: Σχεδίαση των δύο γραφείων Εισαγωγή των κλιματικών και γεωγραφικών δεδομένων στο πρόγραμμα Επιλογή ενδεικτικής μέρας και ώρας για τον κάθε μήνα προκειμένου να εκτελεστεί η προσομοίωση Χρήση του προγράμματος RADIANCE (βλ Εικόνα 7.10) για προβολή των αποτελεσμάτων Επεξεργασία των αποτελεσμάτων και οικονομική σύγκριση των καταστάσεων πριν και μετά την εισαγωγή των παραγόντων Στο πρόγραμμα Ecotect σχεδιάσαμε 2 γραφεία, το Γραφείο 1 που βρίσκεται στο υπόγειο του κτιρίου Δ και το Γραφείο 2 που βρίσκεται στον 4 ο όροφο. Λαμβάνοντας υπόψη τις διαστάσεις τους αλλά και τον προσανατολισμό τους προέκυψαν τα παρακάτω σχέδια: Εικόνα 7.1 Γραφείο 1 στο υπόγειο (εξωτερική όψη) [133]

134 Εικόνα 7.2 Γραφείο 1 (όψη εσωτερικού από κάμερα) Στην παρακάτω εικόνα βλέπουμε το γραφείο 1 για να φανούν πιο αναλυτικά οι λεπτομέρειες του χώρου. Εικόνα 7.3 [134]

135 Εικόνα 7.4 Γραφείο 2 Στην παρακάτω εικόνα βλέπουμε και το γραφείο 2 με τις λεπτομέρειες σχεδιασμένες: Εικόνα 7.5 [135]

136 Εκτελώντας ANALYSIS-Solar exposure και έχοντας φορτώσει τα γεωγραφικά δεδομένα και τα στοιχεία ηλιοφάνειας για τη Θεσσαλονίκη, προκύπτουν τα επίπεδα φυσικού φωτισμού στο εσωτερικό των γραφείων και συγκεκριμένα στο επίπεδο εργασίας. Ενδεικτικά επιλέγουμε την 1 η του κάθε μήνα για να προσομοιώσουμε το αποτέλεσμα του φυσικού φωτισμού για κάθε ώρα εργασίας αυτής της μέρας. Όμοιο, με πολύ μικρές αποκλίσεις, θεωρούμε ότι θα είναι το αποτέλεσμα σε όλες τις μέρες του δεδομένου μήνα. Οι ώρες εργασίες θεωρούνται από τις 8.30 το πρωί μέχρι τις Συγκεκριμένα για το γραφείο 1 παρατηρήσαμε ότι τα επίπεδα φυσικού φωτισμού στα δύο πίσω γραφεία (βλ Εικόνα 7.2) δεν είναι καμία μέρα του χρόνου πάνω από 400 lux ώστε να ικανοποιήσουν κάποιον χρήστη. Οπότε εξετάζουμε, ανάλογα με το είδος του χρήστη, ποιες ώρες της κάθε ημέρας του χρόνου ικανοποιείται μόνο με το φυσικό φωτισμό ο χρήστης του κοντινότερου στο παράθυρο γραφείου (γραφείο 1). Παρατηρούμε ότι τα μεγέθη είναι συγκρίσιμα με το όριο των 50 W/m 2 που έχουμε χρησιμοποιήσει στην αλγοριθμική προσέγγιση. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται η πορεία του ήλιου γύρω από το κτίριο Δ στο υπόγειο του οποίου βρίσκεται το γραφείο 1. Παρατηρούμε ότι λόγω προσανατολισμού μόνο κάποιες πρωινές ώρες εισέρχεται σημαντική ηλιακή ακτινοβολία στο γραφείο 1, ενώ το μεγαλύτερο μέρος της ημέρας η ηλιακή ακτινοβολία εμποδίζεται λόγω γειτνίασης με το απέναντι κτίριο (το οποίο βρίσκεται σε απόσταση περίπου πέντε μέτρων από το γραφείο 1). Εικόνα 7.6 [136]

137 Με βάση τους τύπους χρήστη που χρησιμοποιήθηκαν στον αλγόριθμό μας (convenience, conscious, cost & environmental) και τα αποτελέσματα του Lighting Analysis (using Radiance at specific hour and date and local weather conditions) προέκυψε ο παρακάτω συγκεντρωτικός πίνακας: Μήνας Ώρες Επίπεδο φωτισμού lux Τύποι χρήστη που ικανοποιούνται Σεπτέμβρης >400 Cost & environmental <400 Κανείς χρήστης Οκτώβρης >400 Cost & environmental <400 Κανείς χρήστης Νοέμβρης <400 Κανείς χρήστης Δεκέμβρης <400 Κανείς χρήστης Ιανουάριος <400 Κανείς χρήστης Φεβρουάριος <400 Κανείς χρήστης Μάρτιος <400 Κανείς χρήστης Απρίλιος >400 Cost & environmental <400 Κανείς χρήστης Μάιος >400 Cost & environmental <400 Κανείς χρήστης Ιούνιος >700 Όλοι οι χρήστες >500 Cost & environmental & conscious >400 Cost & environmental <400 Κανείς χρήστης Ιούλιος >700 Όλοι οι χρήστες >500 Cost & environmental & conscious >400 Cost & environmental <400 Κανείς χρήστης Αύγουστος >700 Όλοι οι χρήστες >500 Cost & environmental & conscious >400 Cost & environmental <400 Κανείς χρήστης [137]

138 Στις εικόνες που ακολουθούν δίνεται ένα παράδειγμα για την 1 η Αυγούστου στις 8.30 το πρωί στο γραφείο 1 που δείχνει πως προέκυψαν οι τιμές των lux στο επίπεδο εργασίας και κατ επέκταση τα συμπεράσματα για την ικανοποίηση του εκάστοτε χρήστη. Εικόνα 7.7 Εικόνα 7.8 [138]

139 Αναλυτικά δίνονται παρακάτω τα βήματα που ακολουθήθηκαν ενδεικτικά για το παράδειγμα της 1 ης Αυγούστου για το Γραφείο 1 ώστε να προκύψουν τα παραπάνω αποτελέσματα. Εκτελείται Lighting analysis: Εικόνα 7.9 Επιλέγουμε χρήση του Radiance, όπου έχουμε φορτώσει τα δεδομένα για τον καιρό της Θεσσαλονίκης: Εικόνα 7.10 [139]

140 Το αποτέλεσμα που θέλουμε είναι τα lux στην επιφάνεια εργασίας οπότε κάνουμε την αντίστοιχη επιλογή: Εικόνα 7.11 Επιλέγουμε να φανεί στην οθόνη μας μόνο το τελικό αποτέλεσμα: Εικόνα 7.12 [140]

141 Επειδή τον Αύγουστο έχουμε άφθονη ηλιοφάνεια, επιλέγουμε Sunny Sky: Εικόνα 7.13 Θέτουμε τη συγκεκριμένη ημερομηνία και ώρα: Εικόνα 7.14 [141]

142 Θέλουμε να μελετήσουμε το φωτισμό σε εσωτερικό χώρο: Εικόνα 7.15 Έχοντας τοποθετήσει κάμερες στο χώρο ώστε να παρατηρούμε το φωτισμό από διάφορες οπτικές γωνίες, επιλέγουμε την κάμερα που μας δίνει την οπτική γωνία που θέλουμε: Εικόνα 7.16 [142]

143 Επιλέγουμε επίπεδο ακρίβειας και που αποθηκεύονται τα αρχεία και εν συνεχεία «τρέχουμε» την προσομοίωση: Εικόνα 7.17 Εικόνα 7.18 [143]

144 Εικόνα 7.19 Εικόνα 7.20 [144]

145 Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται η πορεία του ήλιου γύρω από το κτίριο Δ στο υπόγειο του οποίου βρίσκεται το γραφείο 2. Παρατηρούμε ότι λόγω προσανατολισμού και ύψους τις μεσημεριανές ώρες εισέρχεται άφθονη ηλιακή ακτινοβολία. Το ποσό αυτό της ακτινοβολίας είναι σίγουρα μεγαλύτερο από το αντίστοιχο στο γραφείο 1 που βρίσκεται στο υπόγειο. Εικόνα 7.21 Οι ίδιες προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν και για το γραφείο 2 και τα αποτελέσματα συγκεντρώνονται στον παρακάτω πίνακα: Μήνας Ώρες Επίπεδο φωτισμού lux Τύποι χρήστη που ικανοποιούνται Σεπτέμβριος <400 Κανείς χρήστης >400 Cost & environmental >500 Cost & environmental & conscious <400 Κανείς χρήστης Οκτώβριος <400 Κανείς χρήστης >400 Cost & environmental >500 Cost & environmental & conscious >400 Cost & environmental Νοέμβριος <400 Κανείς χρήστης >400 Cost & environmental [145]

146 >500 Cost & environmental & conscious >700 Όλοι οι χρήστες >500 Cost & environmental & conscious <400 Κανείς χρήστης Δεκέμβριος <400 Κανείς χρήστης Ιανουάριος <400 Κανείς χρήστης Φεβρουάριος <400 Κανείς χρήστης Μάρτιος <400 Κανείς χρήστης >400 Cost & environmental >500 Cost & environmental & conscious >700 Όλοι οι χρήστες Απρίλιος <400 Κανείς χρήστης >400 Cost & environmental <400 Κανείς χρήστης <400 Κανείς χρήστης <400 Κανείς χρήστης Μάιος <400 Κανείς χρήστης >400 Cost & environmental <400 Κανείς χρήστης Ιούνιος <400 Κανείς χρήστης >400 Cost & environmental >500 Cost & environmental & conscious >700 Όλοι οι χρήστες >500 Cost & environmental & conscious >400 Cost & environmental Ιούλιος <400 Κανείς χρήστης >400 Cost & environmental >700 Όλοι οι χρήστες >500 Cost & environmental & conscious >400 Cost & environmental Αύγουστος <400 Κανείς χρήστης >400 Cost & environmental >500 Cost & environmental & conscious >700 Όλοι οι χρήστες >500 Cost & environmental & conscious [146]

147 Στις εικόνες που ακολουθούν δίνεται ένα παράδειγμα για την 1 η Αυγούστου στις στο γραφείο 2 που δείχνει πως προέκυψαν οι τιμές των lux στο επίπεδο εργασίας και κατ επέκταση τα συμπεράσματα για την ικανοποίηση του εκάστοτε χρήστη. Εικόνα 7.22 Εικόνα 7.23 [147]

148 Αναλυτικά δίνονται παρακάτω τα βήματα που ακολουθήθηκαν ενδεικτικά για το παράδειγμα της 1 ης Αυγούστου για το Γραφείο 1 ώστε να προκύψουν τα παραπάνω αποτελέσματα. Εκτελείται Lighting analysis: Εικόνα 7.24 Επιλέγουμε χρήση του Radiance, όπου έχουμε φορτώσει τα δεδομένα για τον καιρό της Θεσσαλονίκης: Εικόνα 7.25 [148]

149 Το αποτέλεσμα που θέλουμε είναι τα lux στην επιφάνεια εργασίας οπότε κάνουμε την αντίστοιχη επιλογή: Εικόνα 7.26 Επιλέγουμε να φανεί στην οθόνη μας μόνο το τελικό αποτέλεσμα: Εικόνα 7.27 [149]

150 Επειδή τον Αύγουστο έχουμε άφθονη ηλιοφάνεια, επιλέγουμε Sunny Sky: Εικόνα 7.28 Θέτουμε τη συγκεκριμένη ημερομηνία και ώρα: Εικόνα 7.29 [150]

151 Πρόκειται για παρατήρηση του φωτισμού σε εσωτερικό χώρο: Εικόνα 7.30 Έχοντας τοποθετήσει κάμερες στο χώρο ώστε να παρατηρούμε το φωτισμό από διάφορες οπτικές γωνίες, επιλέγουμε την κάμερα που μας δίνει την οπτική γωνία που θέλουμε: Εικόνα 7.31 [151]

152 Επιλέγουμε επίπεδο ακρίβειας και που αποθηκεύονται τα αρχεία και εν συνεχεία «τρέχουμε» την προσομοίωση: Εικόνα 7.32 Εικόνα 7.33 [152]

153 Εικόνα 7.34 Εικόνα 7.35 [153]

154 Γενικά σχόλια-παρατηρήσεις-συμπεράσματα: Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι το γραφείο 2 που είναι σε ψηλότερο όροφο και με καλύτερο προσανατολισμό έχει υψηλότερο επίπεδο φωτισμού τις περισσότερες μέρες του χρόνου. Βέβαια οι μέρες και ώρες που φωτίζεται καλύτερα το κάθε γραφείο διαφέρουν λόγω προσανατολισμού και γειτνίασης με άλλα κτίρια. Το σημείο στο οποίο επωφελείται το γραφείο 1 από το φυσικό φωτισμό είναι το γεγονός ότι το ένα από τα τρία γραφεία βρίσκεται κοντά στο παράθυρο οπότε λαμβάνει άμεσα το φυσικό φωτισμό. Από την άλλη στο γραφείο 2, ο χώρος εργασίας είναι σε βάθος περίπου 4 μέτρων οπότε μειώνονται σημαντικά τα επίπεδα του φυσικού φωτισμού σε σχέση με την περιοχή του παραθύρου. Οικονομική ανάλυση: Για το γραφείο 1 σημειώνεται ότι οι λάμπες στα πίσω γραφεία είναι πάντα ανοιχτές λόγω έλλειψης φυσικού φωτισμού και οι λάμπες πάνω από το γραφείο πλησιέστερα στο παράθυρο ανάβουν ανάλογα με τον τύπο του χρήστη που χρησιμοποιεί εκείνο το γραφείο. Κάνοντας οικονομική ανάλυση στο πρόγραμμα Ecotect και λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω προκύπτουν για όλους τους μήνες του χρόνου και για τον κάθε τύπο χρήστη τα εξής: Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σύνολο Cost & Environmental Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Δεδομένου ότι η τιμή της κιλοβατώρας είναι 0.07 Ευρώ/κιλοβατώρα το κόστος για το γραφείο 1 με αυτό το είδος χρήστη είναι *0.07=106,13 Ευρώ το έτος. [154]

155 Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σύνολο Conscious Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Δεδομένου ότι η τιμή της κιλοβατώρας είναι 0.07 Ευρώ/κιλοβατώρα το κόστος για το γραφείο 1 με αυτό το είδος χρήστη είναι *0.07=111,08 Ευρώ το έτος. Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σύνολο Convenience Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Δεδομένου ότι η τιμή της κιλοβατώρας είναι 0.07 Ευρώ/κιλοβατώρα το κόστος για το γραφείο 1 με αυτό το είδος χρήστη είναι *0.07=114,5 Ευρώ το έτος. Αυτά τα οικονομικά αποτελέσματα προέκυψαν με βάση τις ώρες λειτουργίας που υπολογίσαμε παραπάνω λαμβάνοντας υπόψη το φυσικό φωτισμό. [155]

156 Αν κάνουμε την οικονομική ανάλυση στο Ecotect με βάση τα σημερινά δεδομένα, δηλαδή τα φώτα αναμμένα σε όλες τις ώρες εργασίας όλο το χρόνο, προκύπτει ότι το κόστος θα ήταν: *0,07=118,552 Ευρώ το έτος. Το ποσό που εξοικονομείται από τη λειτουργία ενός πιο αποδοτικού συστήματος που λαμβάνει υπόψη το φυσικό φωτισμό είναι 118, ,5=4,052 Ευρώ το έτος για τον convenience user (εξοικονόμηση 3,4%), 118, ,08=7,472 Ευρώ το έτος για τον conscious (εξοικονόμηση 3,7%) και τέλος 118, ,13=12,422 Ευρώ το έτος για τους cost&environmental (εξοικονόμηση 10,48%). Φαίνεται ασήμαντο αρχικά το ποσό όμως αν το δούμε ποσοστιαία η εξοικονόμηση είναι υπολογίσιμη. Ακόμη αν σκεφτούμε ότι η εφαρμογή θα γίνει σε κτίρια με δεκάδες γραφεία και θα ληφθούν ακόμα περισσότεροι παράγοντες υπόψη εκτός από τα επίπεδα του φυσικού φωτισμού η εξοικονόμηση αγγίζει πιο ανταγωνιστικά επίπεδα. Ακολουθεί ένα παράδειγμα για τον μήνα Αύγουστο και τον conscious χρήστη. Εικόνα 7.36 Πραγματοποιούμε την ίδια ανάλυση για το γραφείο 2. Να σημειωθεί ότι τις δύο λάμπες που βρίσκονται δίπλα στο παράθυρο (βλ εικόνα 7.5) τις κρατάμε πάντοτε κλειστές διότι στις ώρες εργασίας τόσο κοντά στο παράθυρο τα επίπεδα φυσικού φωτισμού είναι τουλάχιστον lux και δεν εργάζεται κάποιος σε εκείνη την περιοχή. [156]

157 Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σύνολο Cost & Environmental 41760Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Δεδομένου ότι η τιμή της κιλοβατώρας είναι 0.07 Ευρώ/κιλοβατώρα το κόστος για το γραφείο 1 με αυτό το είδος χρήστη είναι *0.07=37,88 Ευρώ το έτος. Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σύνολο Conscious Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Δεδομένου ότι η τιμή της κιλοβατώρας είναι 0.07 Ευρώ/κιλοβατώρα το κόστος για το γραφείο 1 με αυτό το είδος χρήστη είναι *0.07=45,99 Ευρώ το έτος. [157]

158 Σεπτέμβριος Οκτώβριος Νοέμβριος Δεκέμβριος Ιανουάριος Φεβρουάριος Μάρτιος Απρίλιος Μάιος Ιούνιος Ιούλιος Αύγουστος Σύνολο Convenience Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Wh Δεδομένου ότι η τιμή της κιλοβατώρας είναι 0.07 Ευρώ/κιλοβατώρα το κόστος για το γραφείο 1 με αυτό το είδος χρήστη είναι *0.07=52,92 Ευρώ το έτος. Αν κάνουμε την οικονομική ανάλυση στο Ecotect με βάση τα σημερινά δεδομένα, δηλαδή τα φώτα αναμμένα σε όλες τις ώρες εργασίας όλο το χρόνο, προκύπτει ότι το κόστος θα ήταν: *0,07=130,407 Ευρώ το έτος. Το ποσό που εξοικονομείται από τη λειτουργία ενός πιο αποδοτικού συστήματος που λαμβάνει υπόψη το φυσικό φωτισμό είναι 130,407-52,92=77,687Ευρώ το έτος για τον convenience user (εξοικονόμηση 59,5%), 130,407-45,99=84,417 Ευρώ το έτος για τον conscious (εξοικονόμηση 64,7%) και τέλος 130,407-37,88=92,527 Ευρώ το έτος για τους cost&environmental (εξοικονόμηση 70,9%). Αν σκεφτούμε ότι η εφαρμογή θα γίνει σε κτίρια με δεκάδες γραφεία και θα ληφθούν ακόμα περισσότεροι παράγοντες υπόψη εκτός από τα επίπεδα του φυσικού φωτισμού η εξοικονόμηση αγγίζει πιο ανταγωνιστικά επίπεδα. Όπως αναμέναμε, η εξοικονόμηση για το πιο ευήλιο γραφείο είναι μεγαλύτερη και όπως ήδη αναφέρθηκε σε μεγαλύτερης κλίμακας εφαρμογές το αποτέλεσμα θα ήταν ακόμα πιο έντονο. [158]

159 Αξίζει να σημειωθεί ότι παραπάνω συγκρίνουμε την βελτιωμένη περίπτωση στην οποία λαμβάνεται υπόψη ο φυσικός φωτισμός με την χειρότερη δυνατή περίπτωση κατά την οποία οι χρήστες διατηρούν τα φώτα συνεχώς αναμμένα όλες τις ώρες εργασίας. Προφανώς υπάρχουν και αρκετές ενδιάμεσες περιπτώσεις όπου ο χρήστης επιλέγει από μόνος του να χαμηλώσει τον τεχνητό φωτισμό. Ακολουθεί ένα παράδειγμα για τον μήνα Οκτώβριο και τους χρήστες cost & environmental. Εικόνα 7.37 [159]