Στις μέρες μας η εξοικονόμηση ενέργειας αποτελεί πρωταρχικό στόχο των κοινωνιών και έχει καταστεί πλέον αναγκαία η εκμετάλλευση των φυσικών πηγών

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟ ΦΩΤΙΣΜΟ ΜΕΣΩ ΤΗΣ ΧΡΗΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ BALLAST - ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΜΕ ΤΟ ΕΝ ΚΟΡΠΕΤΗΣ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ ΑΕΜ: 5675 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΗΜΟΥΛΙΑΣ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή Εξοικονόµηση Ενέργειας στο φωτισµό Λογισµικό DIALUX Γενικά Αξιολόγηση Ενέργειας Υπολογισµός επίδρασης φυσικού φωτισµού Ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΝ Σχετικός συντελεστής φυσικού φωτισµού Κατάτµηση σε ζώνες Παράµετροι εισερχόµενου φυσικού φωτισµού Αίθρια Παράθυρα διπλής υάλωσης Συντελεστής εισερχόµενου φυσικού φωτισµού F D, S Συντελεστής αξιοποίησης Μηνιαίος υπολογισµός κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας Συντελεστής παρουσίας F O Συντελεστής συντήρησης MF Συντελεστής σταθερής έντασης φωτισµού Αναλυτικός υπολογισµός κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας µιας εγκατάστασης φωτισµού σε κτίριο της Θεσσαλονίκης Αποτελέσµατα Συµπεράσµατα. 86 Βιβλιογραφία

3 Εισαγωγή Στις μέρες μας η εξοικονόμηση ενέργειας αποτελεί πρωταρχικό στόχο των κοινωνιών και έχει καταστεί πλέον αναγκαία η εκμετάλλευση των φυσικών πηγών ενέργειας. Προς την κατεύθυνση αυτή έχουν στραφεί οι αρχιτεκτονικέςκατασκευαστικές τεχνικές, δημιουργώντας τις προϋποθέσεις και την τεχνογνωσία για ανέγερση έξυπνων κτιρίων που να εκμεταλλεύονται στο μέγιστο δυνατό βαθμό τις ιδιαιτερότητες του κτιριακού περιβάλλοντος. Οι έρευνες αφορούν στην ανάπτυξη σύγχρονων υλικών, κτιριακών συστημάτων και τεχνικών για εξοικονόμηση ενέργειας, βελτίωση ποιότητας αέρα, φωτισμού και άνεσης. Σημαντικό ρόλο, επομένως, στην προσπάθεια εξοικονόμησης ενέργειας παίζει ο έλεγχος του εσωτερικού φωτισμού ενός κτιρίου. Η πρόβλεψη του ποσού ενέργειας που καταναλώνεται από τα φωτιστικά σώματα συμβάλει στον προσδιορισμό του δείκτη ενεργειακής απόδοσης του κτιρίου, στην ορθότερη αξιολόγηση του και στην απόδοση του ανάλογου πιστοποιητικού όπως τείνει πλέον να θεσπιστεί στην Ευρώπη. Αναφερόμαστε σε μέθοδο πρόβλεψης, αν και εκτός της μελέτης για το σχεδιασμό κτιρίων από μηδενική βάση, συχνά αντικείμενο των μηχανικών αποτελεί η ενεργειακή αναβάθμιση κτιρίων και κατοικιών και η βελτίωση των ενεργοβόρων χαρακτηριστικών τους. Πέρα βέβαια από τα περιβαλλοντικά οφέλη, μεγάλο είναι το κέρδος όσον αφορά και τα οικονομικά μεγέθη των επιχειρήσεων. Γι αυτό άλλωστε οι διοικήσεις πρωτίστως, και οι τεχνικές υπηρεσίες μεγάλων κτιρίων όπως ξενοδοχεία, νοσοκομεία δημόσιες ή ιδιωτικές εγκαταστάσεις γραφείων δίνουν μεγάλη βαρύτητα σε τεχνικές λύσεις ενεργειακά αποδοτικότερες οι οποίες αποσβένουν το επιπλέον αρχικό κόστος σχετικά σύντομα. Η επένδυση σε ηλεκτρονικές συσκευές που παρέχουν ποιοτικό και απομακρυσμένο έλεγχο του ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού ενός κτιρίου είναι μονόδρομος αρκεί βέβαια να συνοδεύεται από τη σωστή σχεδίαση και συνεργασία των υποσυστημάτων. Στο παρόν σύγγραμμα χρησιμοποιείται ένα ελεύθερο λογισμικό το οποίο έχει αναπτύξει, βάσει ευρωπαϊκών προτύπων, μία συγκεκριμένη μεθοδολογία 3

4 πρόβλεψης της ενεργειακής κατανάλωσης του κτιριακού φωτισμού. Επειδή η Ελλάδα είναι μία χώρα με μεγάλη ηλιοφάνεια σε σχέση με τον ευρωπαϊκό μέσο όρο, θα διερευνηθούν οι συνθήκες κάτω από τις οποίες η εξοικονόμηση ενέργειας, που προκύπτει με τη βοήθεια του προτύπου ΕΝ 15193, συμπίπτει με τα αποτελέσματα που προέρχονται από τον αναλυτικό προσδιορισμό της ηλεκτρικής κατανάλωσης φωτισμού, χρησιμοποιώντας το λογισμικό Dialux. 4

5 1. Εξοικονόµηση ενέργειας στo φωτισµό Από τη συνολικά παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια ένα περίπου 20% χρησιμοποιείται στο φωτισμό. Επομένως η υιοθέτηση συστημάτων φωτισμού με υψηλό βαθμό απόδοσης, όπως οι λαμπτήρες φθορισμού, οδηγεί σε μεγάλη εξοικονόμηση ενέργειας. Με τη χρήση των ηλεκτρονικών ballast εξαλείφθηκαν προβλήματα που υπήρχαν λόγω των αντίστοιχων μαγνητικών τα οποία ήταν η υψηλή κατανάλωση ισχύος (με επακόλουθη υπερθέρμανση), ο χαμηλός συντελεστής ισχύος λόγω της αυτεπαγωγής και ο μεγάλος όγκος. Ο βαθμός απόδοσης του ηλεκτρονικού ballast είναι 30% μεγαλύτερος του μαγνητικού και ο συντελεστής ισχύος είναι κοντά στη μονάδα. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης της έντασης του φωτισμού από τους λαμπτήρες φθορισμού (dimming electronic ballast). Τα ηλεκτρονικά ballast με ρύθμιση της φωτεινής έντασης συνδυάζονται συχνά με μικροεπεξεργαστές συνδεδεμένους σε δίκτυο (bus) για την κεντρική ρύθμιση του φωτισμού σε μεγάλα κτίρια (digital dimming ballast). Μέσω του δικτύου δέχονται εντολές, υπό μορφή τάσης 0-10 V, για την επιθυμητή ένταση του φωτισμού και συγχρόνως στέλνουν πληροφορίες στον κεντρικό υπολογιστή για την κατάσταση των λαμπτήρων. Έτσι εξασφαλίζονται οι ιδανικές συνθήκες φωτισμού και ταυτόχρονα η εξοικονόμηση ενέργειας. Η παραπάνω τεχνική αποτελεί πρακτικό μέρος της φιλοσοφίας με την οποία κατασκευάζονται τα μεγάλα κτίρια σήμερα, ενώ σαν επίσημος όρος χρησιμοποιείται εκτενώς το BEMS (Building Energy Management System) δηλαδή σύστημα ενεργειακής διαχείρισης κτιρίου. Οι διασυνδεδεμένοι μικροεπεξεργαστές μέσω του bus, αναλαμβάνουν την αμφίδρομη μεταφορά πληροφοριών σχετικά με τη λειτουργία του ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού του κτιρίου. Εκτός του φωτισμού επεξεργάζεται και ελέγχεται η θέρμανση, ο κλιματισμός και οποιαδήποτε άλλη υποεγκατάσταση, ανάλογα με τη χρήση του κτιρίου. Όλα αυτά τα σήματα καταλήγουν σε έναν κεντρικό υπολογιστή στο κέντρο ελέγχου (control room) και 5

6 έτσι υπάρχει η δυνατότητα της σωστής επίβλεψης και επέμβασης στον εξοπλισμό, στοχεύοντας στην ποιοτική λειτουργία με το οικονομικότερο σενάριο. Ένας τρόπος ελέγχου της λειτουργίας του συστήματος φωτισμού, ο οποίος είναι αυτόνομος και προς το παρόν δεν υπάρχει δυνατότητα σύνδεσης με το BEMS, είναι το DALI (Digital Addressable Lighting Interface). To DALI είναι ένα ψηφιακό πρωτόκολλο, εναρμονισμένο κατά IEC 60929, το οποίο αναπτύχθηκε για τον κτιριακό φωτισμό και ουσιαστικά μέσω ψηφιακών σημάτων διαύλου ελέγχει τα dimmers των ηλεκτρονικών ballast με τιμές τάσης 0-10 V. Το σύστημα μπορεί και παρέχει ανεξάρτητο έλεγχο για κάθε ομάδα φωτιστικών διότι υποστηρίζει τη διευθυνσιοδότηση των μικροεπεξεργαστών του. Επομένως είναι δυνατή η επικοινωνία ενός μεγάλου αριθμού (έως 64) ηλεκτρονικών ballast και ο συνδυασμός διαφορετικών σεναρίων φωτισμού. 6

7 1.1 Λογισμικό DIALUX Γενικά Για την προσομοίωση των συνθηκών φωτεινότητας στους χώρους και την εκτίμηση της συνεισφοράς του φυσικού φωτισμού στην εξοικονόμηση ενέργειας χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Dialux. Με τη βοήθεια του λογισμικού είναι δυνατή η επεξεργασία ενός μεγάλου πλήθους παραμέτρων όσον αφορά το επιθυμητό αποτέλεσμα στο φωτισμό και την κατανάλωση ενέργειας. Δεδομένα όπως είναι οι γεωγραφικές συντεταγμένες της περιοχής και η αρχιτεκτονική όλων των χώρων με κάθε λεπτομέρεια, εισάγονται στη βάση δεδομένων του προγράμματος. Έτσι λοιπόν, παρέχεται η πρόσβαση σε στοιχεία τα οποία αποτελούν σημαντικό κομμάτι της μελέτης και επηρεάζουν άμεσα το φωτισμό ενός χώρου όπως οι διαστάσεις, διάφορες κατασκευαστικές λεπτομέρειες (π.χ. αυλές, αίθρια), τα χρώματα και οι ανακλαστικές ιδιότητες τοίχων, οροφής και επίπλων καθώς επίσης και οι επιθυμητές τιμές ισχύος φωτισμού σε οποιαδήποτε επιφάνεια. Το περιβάλλον του Dialux δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να εργασθεί σε τρία (3) διαφορετικά τμήματα προκειμένου να εισάγει τα δεδομένα που επιθυμεί και να έχει τον πλήρη έλεγχο της μελέτης του, τα οποία είναι : Παράθυρο σχεδίασης (CAD-Window) Διαχειριστής Μελέτης και εποπτικός έλεγχος (Project manager with Inspector) Οδηγός (The Guide) Στην εικόνα 1 παρουσιάζεται το περιβάλλον εργασίας του λογισμικού και οι τρεις (3) προαναφερθείσες περιοχές. Ένα μεγάλο πλεονέκτημα που προσφέρει το DIALux είναι ότι δέχεται, προς επεξεργασία, την κάτοψη ενός χώρου από το σχεδιαστικό πρόγραμμα AUTOCAD. Πιο συγκεκριμένα, στο Διαχειριστή Μελέτης (αριστερό τμήμα) παρουσιάζονται με τη μορφή δέντρου όλες οι παράμετροι του χώρου, όπως είναι ο 7

8 τύπος των φωτιστικών σωμάτων που χρησιμοποιούνται, τα έπιπλα, οι τοίχοι με τα παράθυρα, το δάπεδο, η οροφή. Η αλλαγή των παραμέτρων μπορεί να γίνει ανά πάσα στιγμή με παράλληλο εποπτικό έλεγχο, σε πραγματικό χρόνο (real time), μέσω των 3D γραφικών του CAD-Window. Εικόνα 1 : Το γραφικό περιβάλλον του Dialux Στο παράθυρο σχεδίασης (CAD-Window) έχουμε τη δυνατότητα να παρατηρήσουμε τον υπό μελέτη χώρο από οποιαδήποτε οπτική γωνία επιθυμούμε ενώ υπάρχει και η επιλογή της κάτοψης υπό κλίμακα. Μετά το τέλος των υπολογισμών από τη μεριά του προγράμματος, βάσει των εισηγμένων παραμέτρων από εμάς, μπορούμε να έχουμε την ισχύ φωτισμού οποιουδήποτε σημείου του χώρου θέλουμε αρκεί να μετακινήσουμε τον κέρσορα πάνω στο τρισδιάστατο σχέδιο. Μόλις ακινητοποιηθεί ο κέρσορας στο κάτω μέρος της οθόνης θα εμφανισθούν οι τιμές της ισχύος φωτισμού (lux) και της λαμπρότητας (cd/m 2 ) του συγκεκριμένου σημείου του χώρου. Επιπροσθέτως, για κάθε σενάριο φωτισμού του χώρου και για οποιαδήποτε ημέρα και ώρα του χρόνου μπορούμε να έχουμε σε τρισδιάστατη παρουσίαση 8

9 (CAD) την πραγματική εικόνα του χώρου υπό φωτισμό. Έχουμε δηλαδή προσομοίωση των πραγματικών συνθηκών φωτισμού ενός χώρου ύστερα από τις δικές μας παρεμβάσεις. Εδώ παρουσιάζονται παραδείγματα μελέτης χώρων κατά την εισαγωγή του προσανατολισμού τους και των γεωγραφικών συντεταγμένων, ενώ παράλληλα φαίνονται και οι τιμές ισχύος φωτισμού και λαμπρότητας στα σημεία που έχουμε οδηγήσει τον κέρσορα : Εικόνα 2 : Γεωγραφικές συντεταγμένες του χώρου 9

10 Εικόνα 3 : Προσανατολισµός του χώρου Αξιολόγηση Ενέργειας Το DIALux χρησιμοποιεί το ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΝ προκειμένου να υπολογίσει τη μηνιαία-ετήσια κατανάλωση ενέργειας μιας εγκατάστασης λόγω του εσωτερικού ή και εξωτερικού φωτισμού. Έχει δηλαδή στη βάση δεδομένων του μια σειρά απαραίτητων συντελεστών σε συνδυασμό με κατάλληλους υπολογιστικούς τύπους, για κάθε ειδική περίπτωση κατασκευής και για κάθε σύστημα ελέγχου φωτισμού, με τη βοήθεια των οποίων προβαίνει στην αντίστοιχη αξιολόγηση ενέργειας. Αυτό γίνεται βέβαια αφού πρώτα σχεδιαστεί ο χώρος με τις πραγματικές του διαστάσεις και με κάθε λεπτομέρεια όσον αφορά υλικά, χρώματα, έπιπλα, ανακλαστικές ιδιότητες και παράλληλα έχει γίνει η επιλογή των φωτιστικών σωμάτων που θα χρησιμοποιηθούν. Κατόπιν δίνουμε την εντολή στο πρόγραμμα να πραγματοποιήσει την αξιολόγηση ενέργειας και εκείνο προκειμένου να ξεκινήσει τον υπολογισμό, βάσει του προτύπου, τεμαχίζει το χώρο σε περιοχές φωτιζόμενες και μη φωτιζόμενες ανάλογα με την έκθεση τους ή μη στο φως της ημέρας. Από την αρχιτεκτονική του χώρου σε συνδυασμό με τα ανοίγματα των παραθύρων 10

11 εξαρτάται αν στο φωτισμό μιας υποπεριοχής συμβάλλει το φως της ημέρας ή όχι. Πρακτικά, σε ένα χώρο δίχως παράθυρα δεν θα προκύψουν καθόλου φωτιζόμενες περιοχές κατά την αξιολόγηση ενέργειας του DIALux, ενώ ένας χώρος ο οποίος έχει σχετικά μεγάλα παράθυρα και μικρό βάθος ίσως και να περιλαμβάνει μόνο φωτιζόμενες περιοχές κατά την εν λόγω διαδικασία. Το DIALux προβλέπει την μηνιαία-ετήσια κατανάλωση ενέργειας ακόμα και όταν πρόκειται για συστήματα ελέγχου φωτισμού μέσω dimmers. Στην ουσία συνυπολογίζει το φυσικό φωτισμό κατά τη διάρκεια της ημέρας και τη μείωση της καταναλισκόμενης ενέργειας λόγω του dimming με τη βοήθεια των συντελεστών του προτύπου ΕΝ Υπολογισμοί επίδρασης του φυσικού φωτισμού Για να μπορέσουμε να υπολογίσουμε, με τη βοήθεια του λογισμικού, τη (μειωμένη) κατανάλωση ενέργειας των φωτιστικών σωμάτων της μελέτης, σαν αποτέλεσμα του dimming και του φυσικού φωτισμού των χώρων, είναι απαραίτητες ορισμένες ενέργειες. Το λογισμικό καταλαβαίνει την πρόθεση μας να πραγματοποιήσουμε τον παραπάνω υπολογισμό μόνον εφόσον δημιουργήσουμε μία φωτεινή σκηνή (με δεξί κλικ μέσα στο project manager ή από το κεντρικό μενού). Αυτή η διαδικασία ακολουθείται εάν θέλουμε να υπολογίσουμε την ηλεκτρική κατανάλωση του φωτισμού ενός χώρου για μία συγκεκριμένη ώρα και μέρα κάποιου έτους. Ακόμα μας παρέχονται διάφορες επιλογές όσον αφορά τα μοντέλα του ουρανού (καθαρός, συννεφιασμένος ή ανάμεικτος) ενώ μπορούν να γίνουν υπολογισμοί για τη φωτεινή ισχύ (lux) των επιφανειών του χώρου, με απενεργοποιημένο φωτισμό, λαμβάνοντας υπόψη μόνο το φως της ημέρας. Να αναφερθεί εδώ ότι το Dialux παραμετροποιεί τις συνθήκες φωτισμού λόγω των καταστάσεων του ουρανού βάσει των προτύπων DIN 5034 και CIE (δημοσίευση 110). Μέσα από το μενού επιλογών της φωτεινής σκηνής έχουμε τη δυνατότητα να εισάγουμε την επιθυμητή ώρα και ημερομηνία για τις οποίες εξετάζουμε το χώρο και παράλληλα να κάνουμε προσθήκη των ομάδων ελέγχου (control groups) 11

12 φωτιστικών σύμφωνα με τη φιλοσοφία μας. Η δημιουργία ομάδων ελέγχου είναι επίσης απαραίτητη προκειμένου να δοκιμάσουμε διαφορετικές ρυθμίσεις των dimmers φωτισμού, συγκεκριμένων φωτιστικών, με σκοπό τη μέγιστη εξοικονόμηση ενέργειας αλλά και την καλύτερη ποιότητα φωτισμού. Το πλεονέκτημα που μας προσφέρει ουσιαστικά η προσθήκη των ομάδων ελέγχου είναι ότι μπορούμε να προσομοιώσουμε καταστάσεις σε έναν χώρο κατά τις οποίες συγκεκριμένα φωτιστικά σώματα ή ομάδες φωτιστικών ελέγχονται ανεξάρτητα. Επομένως είναι εφικτό να ικανοποιηθούν οι πιο δύσκολες εφαρμογές αυτόματου ελέγχου φωτιστικών αλλά και τα πιο απαιτητικά σενάρια φωτισμού. Παρακάτω στην εικόνα 4 παρουσιάζεται ένα παράδειγμα ανεξάρτητου ελέγχου δύο ομάδων φωτιστικών σωμάτων στο οποίο απεικονίζονται και οι τιμές του dimming. Πρακτικά το επί τοις εκατό ποσοστό που αναγράφεται σε κάθε φωτιστικό είναι σε σχέση με την ονομαστική του λειτουργία, δηλαδή με 0% συμβολίζεται η κατάσταση ενός φωτιστικού σώματος με σβησμένους λαμπτήρες (off) ενώ με 100% συμβολίζεται η ονομαστική του λειτουργία (on), με τους λαμπτήρες σε πλήρη ισχύ. Ενδιάμεσες τιμές ρύθμισης βέβαια μπορούν να επιτευχθούν μόνο σε εγκαταστάσεις με σύστημα τεχνητής ρύθμισης φωτισμού. Εικόνα 4 : Ανεξάρτητος έλεγχος φωτιστικών ομάδων 12

13 2. Ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΝ Το ευρωπαϊκό πρότυπο δημιουργήθηκε προκειμένου να γίνεται 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. Παρέχει τη δυνατότητα υπολογισμού της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας των φωτιστικών σε κάθε δυνατό σενάριο, επομένως βοηθά στην ενεργειακή αξιολόγηση και εκμετάλλευση ενός κτιρίου είτε πρόκειται για μελέτες φωτισμού είτε για μελέτες θέρμανσης και κλιματισμού. Όσον αφορά την ισχύ των φωτιστικών το πρότυπο λαμβάνει υπόψη του την ωμική κατανάλωση από τους λαμπτήρες και όχι τις απώλειες λόγω παρασιτικών φαινομένων. Το πρότυπο εξυπηρετεί μελέτες φωτισμού χώρων όπως: γραφεία, σχολεία, αθλητικές εγκαταστάσεις, ξενοδοχεία, νοσοκομεία, μαγαζιά και εργοστάσια. Παρακάτω δίνεται η επεξήγηση συντελεστών τους οποίους χρησιμοποιεί το πρότυπο για να μοντελοποιήσει διαφορετικές συνθήκες φωτισμού. 2.1 Σχετικός συντελεστής φυσικού φωτισμού Η συμβολή του σχετικού συντελεστή φυσικού φωτισμού F D,n (n χώρος) στον υπολογισμό της ενεργειακής κατανάλωσης ενός κτιρίου είναι καθοριστική και εξαρτάται από πολλές παραμέτρους. Το Dialux παρέχει στο χρήστη αρκετές επιλογές ώστε να αποτυπώσει καλύτερα τη φιλοσοφία σχεδιασμού μιας εγκατάστασης. Γι αυτό το σκοπό έχει ενσωματωμένα δεδομένα και παραμέτρους ώστε να είναι δυνατή η επεξεργασία διάφορων σεναρίων φωτισμού όπως : 13

14 Dimming Φωτισμός βάσει αλγορίθμων Γυάλινες οροφές, αίθρια Φωτεινές σκηνές Καθοδήγηση και αξιοποίηση του φυσικού φωτισμού Συγκεκριμένα η τιμή του συντελεστή F D,n, την οποία χρησιμοποιεί το πρότυπο, καθορίζεται από τους επιμέρους συντελεστές F D,S,n και F D,C,n όπως δηλώνεται και από τον παρακάτω τύπο : F Dn = 1 ( FD, S, n FDC,,, n ) Ο συντελεστής εισερχόμενου φυσικού φωτισμού F D,S,n (daylight supply factor) με τη σειρά του 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 την εισαγωγή του συντελεστή αξιοποίησης φυσικού φωτισμού F D,C,n (daylight control factor), στον υπολογισμό του F D,n, το πρότυπο καταφέρνει να παραμετροποιήσει κατά κάποιο τρόπο την εξυπνάδα του συστήματος ελέγχου φωτισμού, δηλαδή 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). Σε ζώνες στις οποίες το ημερήσιο φως δεν έχει πρόσβαση έχουμε F D,n = 1. 14

15 Η διαδικασία που ακολουθείται από το πρότυπο για τον ακριβή υπολογισμό του σχετικού συντελεστή φυσικού φωτισμού F D,n είναι η εξής : 1) Κατάτμηση του χώρου σε ζώνες ανάλογα με την έκθεση τους ή μη στο φως του ήλιου. 2) Προσδιορισμός των παραμέτρων που επηρεάζουν την κατανομή του φυσικού φωτισμού στο χώρο όπως είναι γεωγραφικές συντεταγμένες, διαστάσεις και μορφή των ανοιγμάτων του δωματίου. 3) Πρόβλεψη της εξοικονόμησης ηλεκτρικής ενέργειας μέσω του υπολογισμού του συντελεστή εισερχόμενου φυσικού φωτισμού F D,S,n. 4) Προσδιορισμός του συντελεστή αξιοποίησης φυσικού φωτισμού F D,C,n λαμβάνοντας υπόψη δεδομένα για τον τύπο του συστήματος ελέγχου φωτισμού. 5) Μετατροπή του σχετικού συντελεστή φυσικού φωτισμού F D,n, που υπολογίστηκε από τον παραπάνω τύπο και είναι ετήσιος, σε μηνιαίες τιμές. 2.2 Κατάτμηση σε ζώνες Ένας χώρος τεμαχίζεται σε ζώνες φωτεινότητας, περιοχές δηλαδή οι οποίες επωφελούνται άμεσα από το φυσικό φωτισμό (Α D,j ), και σε μη φωτιζόμενες ζώνες στις οποίες δεν έχει πρόσβαση το φως της ημέρας (Α ND,j ). Παρακάτω εξηγείται ο τρόπος υπολογισμού αυτών των περιοχών, όπως ακολουθείται από το πρότυπο, με βοηθητικές απεικονίσεις δωματίων. Το μέγιστο δυνατό βάθος μίας ζώνης οι επιφάνειες της οποίας εκτίθενται στο φως της ημέρας προκύπτει ως εξής : a = 2,5 ( h h ), [m] D, max Li Ta όπου h Li : το ύψος του τοίχου από το άνω μέρος του παραθύρου μέχρι το ταβάνι h Ta : το ύψος του τοίχου από το δάπεδο μέχρι το κατώφλι του παραθύρου 15

16 Έτσι προκειμένου να υπολογιστεί το βάθος μιας ζώνης φωτεινότητας a D ακολουθείται η εξής μέθοδος : η τιμή της μεταβλητής a D θα είναι ίση με την a D,max εκτός από περιπτώσεις στις οποίες το πραγματικό βάθος της ζώνης φωτεινότητας είναι μεγαλύτερο από αυτήν την τιμή ή μικρότερο κατά 1,25 φορές, οπότε σαν βάθος της ζώνης φωτεινότητας λαμβάνεται η πραγματική τιμή. Επομένως : A Dj = a b, [m 2 ] D D όπου a D : βάθος της ζώνης φωτεινότητας b D : πλάτος της ζώνης φωτεινότητας Σχήμα 1 : Χώρος με μία μεγάλη ζώνη φωτεινότητας 16

17 Σε δωμάτια στα οποία τα παράθυρα δεν καλύπτουν όλη την πρόσοψη αλλά ένα μικρό τμήμα αυτής, το πλάτος της ζώνης φωτεινότητας b D εκλαμβάνεται ως το άθροισμα του πραγματικού πλάτους του παραθύρου και του μισού μήκους του a D. Για τις περιπτώσεις γυάλινων οροφών στους χώρους μιας μελέτης ο συντελεστής F D,S,n υπολογίζεται ξεχωριστά ενώ το πρότυπο θεωρεί σαν περιοχή φωτεινότητας Α D,j την επιφάνεια η οποία βρίσκεται ακριβώς κάτω από το άνοιγμα της οροφής και στο ύψος πάντα του επιπέδου εργασίας. Σχήμα 2 : Χώρος με μία ζώνη φωτεινότητας και μία μη φωτισμένη περιοχή 17

18 2.3 Παράμετροι εισερχόμενου φυσικού φωτισμού Όπως αναφέρθηκε 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 D C και ορισμένων δεικτών όπως ο δείκτης διαπερατότητας Ι T, ο δείκτης βάθους Ι De και ο δείκτης παρεμπόδισης Ι Ο. Χρησιμοποιώντας αυτούς τους συντελεστές στην ακόλουθη σχέση προκύπτει ο υπολογισμός του συντελεστή D C ο οποίος ορίζεται από το πρότυπο για ανοίγματα κάθετων προσόψεων κτιρίων: D C = ( 4, IT 1.36 Ide ) IO (%) O δείκτης διαπερατότητας Ι T χαρακτηρίζει το τμήμα του κτιρίου το οποίο επωφελείται από το φυσικό φωτισμό: I = T A C A D όπου Α C : η συνολική επιφάνεια των ανοιγμάτων της πρόσοψης του χώρου, [m 2 ]. Α D : η συνολική επιφάνεια των ζωνών φωτεινότητας του χώρου, [m 2 ]. προκύπτει : Ενώ ο δείκτης βάθους Ι De ενός χώρου στον οποίο εισέρχεται το ηλιακό φως I De = a D h h ( Li Ta ) Ο δείκτης παρεμπόδισης Ι Ο 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. 18

19 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 Ι Ο όπως θα δούμε και παρακάτω Αίθρια Στο σύγχρονο σχεδιασμό κτιρίων καλούμαστε αρκετές φορές να συμπεριλάβουμε στη μελέτη φωτισμού αίθρια ή χώρους γραφείων οι οποίοι βλέπουν σε αίθρια και επομένως φωτίζονται μέσω αυτών. Το απλοποιημένο μοντέλο που χρησιμοποιεί το πρότυπο αναφέρεται σε αίθρια τεσσάρων πλευρών όπως δείχνει και το Σχήμα 5 και ορίζει το δείκτη ολικού βάθους w i _d για να περιγράψει τη γεωμετρία ενός τέτοιου χώρου : w _ d i = h At ( I At + w At ) (2 I At w At ) όπου h At : ύψος του αίθριου, [m]. l At, w At : μήκος και πλάτος του αίθριου, [m]. Σχήμα 3 : Ορισμός αίθριου 19

20 Εδώ ο δείκτης παρεμπόδισης Ι Ο προκύπτει ως εξής : I O = IOCA, IOGDF, όπου Ι Ο,CA : συντελεστής διόρθωσης για την περίπτωση του αίθριου. I O,GDF : συντελεστής διόρθωσης για διπλά τζάμια. I, =τ k,1 k,2 k,3 ( w _ d) OCA At AT AT AT i όπου τ At : συντελεστής μετάδοσης της γυάλινης επιφάνειας του αίθριου. k AT,1 : συντελεστής ελάττωσης για οροφή αίθριου με τμηματικά ανοίγματα. k AT,2 : συντελεστής ελάττωσης λόγω σκόνης στην οροφή του αίθριου. k AT,3 : συντελεστής ελάττωσης για τη μη κάθετη ακτινοβολία φωτός. Αν ισχύει w i _d>1,18 τότε θεωρείται Ι Ο,CA =0, δηλαδή υπάρχει είσοδος φυσικού φωτισμού στο αίθριο χωρίς όμως να είναι ικανή να συμβάλει στην εξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας Παράθυρα διπλής υάλωσης I =τ k k k O, GDF GDF GDF,1 GDF,2 GDF,3 όπου τ GDF : συντελεστής μετάδοσης της διπλής γυάλινης επιφάνειας. k GDF,1 : συντελεστής ελάττωσης για τμήματα διπλών τζαμιών. k GDF,2 : συντελεστής ελάττωσης λόγω σκόνης στην γυάλινη επιφάνεια. k GDF,3 : συντελεστής ελάττωσης για τη μη κάθετη ακτινοβολία φωτός. Για τη σκόνη στην εξωτερική πλευρά των γυάλινων επιφανειών θεωρούμε ότι k GDF,2 =1. Αυτό γίνεται διότι συνήθως λαμβάνεται υπόψη ένας άλλος συντελεστής ο οποίος αναφέρεται σε σκόνη στο κενό που παρεμβάλλεται μεταξύ των διπλών τζαμιών όπως θα δούμε παρακάτω. 20

21 Γνωρίζοντας το συντελεστή φυσικού φωτισμού D C, το πρότυπο χρησιμοποιεί κάποιους διορθωτικούς συντελεστές ώστε να εισάγει την επίδραση που έχουν, στην είσοδο του φυσικού φωτισμού, η διαμόρφωση και ο τρόπος τοποθέτησης των παραθύρων. Έτσι προκύπτει : D C = D τ k 1 k2 k 3 [%] όπου D: ο συντελεστής φυσικού φωτισμού της ζώνης. τ : ενεργός βαθμός μετάδοσης φωτός του παραθύρου. k 1 : συντελεστής ελάττωσης ανάλογα με το είδος του παραθύρου (συνήθως 0,7). k 2 : συντελεστής ελάττωσης λόγω σκόνης στις γυάλινες επιφάνειες. k 3 : 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 πίνακα 1. D C Classification Daylight Penetration D (Access of the zone to daylight) D C >= 6% D >= 3% Strong 6% > D C >= 4% 3% > D >= 2% Medium 4% > D C >= 2% 2% > D >= 1% Weak D C < 2% D < 1% None Πίνακας 1 21

22 2.4 Συντελεστής εισερχόμενου φυσικού φωτισμού F D,S εξίσωση : Για γεωγραφικά πλάτη από 38 έως 60 ο συντελεστής υπολογίζεται από την F D, S = a+ b γ Site Στον Πίνακα 2 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 F D,S θα πρέπει να πολλαπλασιαστούν με έναν συντελεστή 0,7 ενώ για μικρότερη διάρκεια ημερήσιου φωτισμού λαμβάνεται η τιμή F D,S = 1. Maintained illuminance [lux] Daylight penetration a b weak medium strong weak medium strong weak medium strong Πίνακας 2 22

23 Παρακάτω απεικονίζεται η γραφική παράσταση της µεταβολής του συντελεστή F D,S µε το γεωγραφικό πλάτος γ Site και για τις τρεις κατηγορίες του συντελεστή φυσικού φωτισµού D C ενώ στον Πίνακα 3 παρουσιάζονται οι τιµές του F D,S όπως προέκυψαν σε διάφορες ευρωπαϊκές πόλεις: Σχήμα 4 : Μεταβολή του συντελεστή F D,S συναρτήσει του γ Site Πίνακας 3 23

24 2.5 Συντελεστής αξιοποίησης φυσικού φωτισμού F D,C,n Όπως αναφέρθηκε ο συντελεστής F D,C,n εξετάζει την ικανότητα του συστήματος να εκμεταλλευτεί το φυσικό φωτισμό προς όφελος της εξοικονόμησης ενέργειας με τη βοήθεια του dimming. Να σημειωθεί ότι δεν λαμβάνει υπόψη του την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από τις συσκευές του συστήματος (π.χ. ελεγκτές, dimmers, διάφορες απώλειες), με λίγα λόγια ενδιαφέρεται μόνο για τη φιλοσοφία λειτουργίας του συστήματος φωτισμού ανεξάρτητα από το πόσο ενεργοβόρο είναι το σύστημα το οποίο έχει εγκατασταθεί. Ο πίνακας *** παρουσιάζει τις τιμές που παίρνει ο συντελεστής F D,C,n. Control of artificial lighting system F D,C,n as function of daylight penetration weak medium strong Manual 0,20 0,30 0,40 Automatic, daylight dependent 0,75 0,77 0,85 Πίνακας Μηνιαίος υπολογισμός κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας Η τιμή του συντελεστή F D,S,n που υπολογίζει το πρότυπο σε πρώτη φάση από μόνη της χρησιμεύει σε ετήσιους υπολογισμούς και δεν διαφοροποιείται από μήνα σε μήνα. Με τη χρήση συστημάτων ελέγχου φωτισμού όμως η κατανάλωση ενέργειας που προκύπτει ανά μήνα δεν είναι ίδια, επομένως το πρότυπο εισάγει στην αρχική εξίσωση υπολογισμού του F D,C,n έναν ακόμα συντελεστή C D,S,i ο οποίος κάνει ανακατανομή ουσιαστικά της ηλεκτρικής κατανάλωσης σύμφωνα με τις εποχιακές ιδιαιτερότητες. Η νέα εξίσωση θα έχει τη μορφή : 24

25 F D, n = 1 ( FD, S, n FDC,, n CD, S, i ) Ο Πίνακας 5 δίνει τις τιμές του C D,S,i, για όλες τις κατηγορίες του συντελεστή φυσικού φωτισμού D C και για διάφορα γεωγραφικά πλάτη. Είναι φανερό ότι οι μήνες στους οποίους επιτυγχάνεται η μεγαλύτερη εξοικονόμηση ενέργειας είναι Μάιος, Ιούνιος και Ιούλιος. Πίνακας 5 25

26 2.7 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 F O =1, αλλά 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 F O <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. Και στις δύο περιπτώσεις θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι προϋποθέσεις του Πίνακα 6 όσον αφορά τα χρονικά όρια και τα επίπεδα του dimming ώστε να καθοριστεί μία τιμή του F O που να οδηγεί σε ρεαλιστικά αποτελέσματα. Ο υπολογισμός του συντελεστή προκύπτει ως εξής: Όταν 0 F < 0, 2: A F O = 1 [(1 FOC ) FA 0,2] Για 0,2 F 0, 9: A F O = F + 0, 2 F OC A Και τέλος για 0,9 F 1: A F O [ 7 (10 F )] ( F 1) = OC A 26

27 όπου F A είναι το ποσοστό του χρόνου κατά το οποίο στο χώρο δεν παρατηρείται ανθρώπινη παρουσία (ενδεικτικές τιμές Πίνακα 7), ενώ οι τιμές του συντελεστή F OC ο οποίος εξαρτάται από το σύστημα ελέγχου του φωτισμού φαίνονται στον Πίνακα 6. Systems without automatic presence or absence detection F OC I Manual On/Off Switch 1.00 Manual On/Off Switch II + additional automatic sweeping extinction signal 0.95 Systems with automatic presence and/or absence detection III Auto On / Dimmed 0.95 IV Auto On / Auto Off 0.90 V Manual On / Dimmed 0.90 VI Manual On / Auto Off 0.80 F OC Πίνακας 6 Για να προσομοιωθούν διάφορα συστήματα ελέγχου φωτισμού έχουν εκτιμηθεί από το πρότυπο οι παρακάτω καταστάσεις : I. Τα φωτιστικά ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται από ένα διακόπτη χειρός μέσα στο χώρο. II. Επιπλέον ένα αυτόματο σήμα απενεργοποιεί τα φωτιστικά τουλάχιστον μία φορά καθημερινά, συνήθως το βράδυ. III. Τα φωτιστικά ενεργοποιούνται αυτόματα μόλις διαπιστωθεί κάποια παρουσία. Μέσα σε 5 λεπτά, το αργότερο, μετά από τη διαπίστωση της τελευταίας παρουσίας ρυθμίζεται αυτόματα η φωτεινότητα τους (κάτω από το 20% του κανονικού) και εντός του ίδιου χρονικού διαστήματος ακολούθως απενεργοποιούνται. 27

28 IV. Τα φωτιστικά ενεργοποιούνται αυτόματα μόλις διαπιστωθεί κάποια παρουσία. Μέσα σε 5 λεπτά, το αργότερο, μετά από τη διαπίστωση της τελευταίας παρουσίας απενεργοποιούνται αυτόματα. V. Τα φωτιστικά ενεργοποιούνται μόνο με το διακόπτη χειρός. Αν δεν ενεργοποιηθούν χειροκίνητα τότε μέσα σε 5 λεπτά, το αργότερο, μετά από τη διαπίστωση της τελευταίας παρουσίας ρυθμίζεται αυτόματα η φωτεινότητα τους (κάτω από το 20% του κανονικού) και εντός του ίδιου χρονικού διαστήματος ακολούθως απενεργοποιούνται. VI. Τα φωτιστικά ενεργοποιούνται μόνο με το διακόπτη χειρός. Αν δεν ενεργοποιηθούν χειροκίνητα, απενεργοποιούνται αυτόματα μέσα σε 5 λεπτά, το αργότερο, μετά από τη διαπίστωση της τελευταίας παρουσίας. 28

29 Πίνακας 7 Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι τιμές του F O όπως προκύπτουν τελικά από διάφορους συντελεστές απουσίας F Α : Πίνακας 8 29

30 Οι τιμές του συντελεστή F OC 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. 2.8 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%). 30