1.1 Общие сведения о системах автоматического управления
освещенностью помещения
В настоящее время целью светотехнического расчета является подбор осветительного оборудования, расчет освещенности, уточнение типа светильника, мощности источников света, их расположение. При этом влияние светящихся элементов источников света, их цветопередача и особенности сумеречного зрения не учитываются. Качественное освещение обеспечивает адекватное зрительное восприятие объектов, от качества освещения зависят такие параметры как цветопередача, и четкость восприятия объекта [3].
Естественное и искусственное освещение играет важную роль в жизни человека. Восемьдесят процентов информации воспринимается человеком именно посредством органов зрения. Безопасность и здоровье, условия труда в значительной степени зависят от освещенности рабочих мест и помещений. Недостаток освещенности утомляет зрение и вызывает утомление организма и может стать причиной травматизма.
С помощью современных системы управления можно регулировать уровень освещенности в помещении в зависимости от сезона года, времени суток и присутствия человека, что позволяет существенно экономить электроэнергию, продлевать срок службы оборудования и значительно повысить уровень комфорта и самочувствия человека. В вопросах энергосбережения в системах, связанных с освещением можно выделить два основных направления: экономия электроэнергии; применение систем микропроцессорного управления, обеспечивающих баланс естественного и искусственного освещения [4].
Другим важным фактором является влияние света на физиологические процессы живых организмов. Световые лучи видимого спектра проникают в тело на глубину около 2,5 сантиметров и стимулируют биохимические процессы, увеличивают иммунную реактивность. Повышается возбудимость коры головного мозга. При этом разные цвета видимого спектра оказывают различное влияние на нервно-психические процессы. Ультрафиолетовое излучение оказывает фотоэлектрический и люминесцентный эффекты. Умеренное ультрафиолетовое облучение повышает иммунные свойства [5].
Из сказанного выше можно сделать вывод о том, как много значит в нашей жизни освещение. С усилением процесса урбанизации, большинство людей вынужденно большую часть дня пользоваться искусственным освещением, характеристики которого чаще всего уступают естественному освещению. Ученые все чаще задумываются о различных способах улучшения показателей искусственного освещения [6].
Вопросы управления освещенностью и спектральным составом излучения были рассмотрены японскими исследователями еще в 1975 г. [7]. К сожалению, в то время технологии освещения на базе светодиодов не были широко распространены и в их работе источником излучения служили люминесцентные лампы. Современные условия диктуют необходимость постепенного отказа от люминесцентных ламп, это вызвано, как вопросами экологической безопасности, так и появлением более качественных источников излучения. По сравнению с люминесцентными лампами, светодиоды имеют большую надежность, меньшее потребление энергии, а также лучшую спектральную характеристику [8].
Количество осветительных приборов в РФ превышает 1 млрд. штук, при этом, существует возможность практически вдвое снизить расход электроэнергии без ухудшения условий освещенности. Это достигается за счет совершенствования технических средств и способов освещения, модернизации действующих установок, организации их правильной эксплуатации [9].
Одним из способов является оптимальная работа осветительной установки, которой добиться можно при помощи средств автоматического управления освещением (СУО). Существует два способа управления осветительной нагрузкой: дискретное управление (отключение светильников полное или частичное) и плавное изменение мощности осветительных устройств (одинаковое или индивидуальное).
Дискретное управление освещением – это такие устройства, как фотореле и автоматы. Фотоавтоматы (фотореле) работают на основе включения и отключения нагрузки, исходя из сигналов датчика естественного освещения. Автоматы работают по заранее заложенной программе относительно определенного времени суток [10].
Также к дискретному управлению относятся автоматы с датчиками присутствия. Такие устройства отключают и включают освещение в зависимости от появления и исчезновения объекта в определенном диапазоне. Данный способ дискретного управления является наиболее экономичным. Отрицательной чертой является возможный быстрый выход из строя ламп из-за частых включений.
Система плавного регулирования мощностью отличается сложностью устройства.
Современные компании освоили производство систем автоматизации управления внутренним освещением, что существенно позволяет экономить электроэнергию.
Функции автоматизированных систем управления освещением:
поддержание освещения в помещении на запрограммированном уровне;
учет естественного освещения внутри помещения;
учет времени суток и определенного дня (отключение освещения в определенный период суток или в выходные дни);
реагирование на присутствие людей в помещении;
дистанционное управление освещением [11].
Методом управления осветительной установкой является дискретное включение и отключение светильников или определенного их количества. Также возможно плавное снижение мощности устройств.
Виды систем автоматического управления освещением.
Условно системы управления освещением делятся на две основные группы: локальные системы и централизованные.
Локальные системы – это управление лишь одной группой светильников, а централизованные – подключение большого числа автономно управляемых групп светильников.
Локальные системы управления и централизованные внутри себя также имеют классификацию:
а) локальные:
системы управления светильниками;
системы управления освещением помещений;
б) централизованные:
специализированные (только для систем освещения);
общего назначения (для всех инженерных систем – отопление, кондиционирование, пожарная сигнализация).
Локальные системы, как правило, не требуют дополнительной проводки, тем самым исключают необходимость прокладки кабелей. Корпуса устройств имеют малые габариты и монтируются непосредственно на светильнике или на колбе лампы. Датчики – это единый прибор, которые встраивается в корпус самой системы. Светильники с датчиками осуществляют обмен информацией посредством проходов электросети.
Централизованное управление полноценно можно назвать интеллектуальным. Строятся такие системы на микропроцессорах, которые обеспечивают возможность одновременного управления большим числом устройств.
Системы управления освещением делятся на три класса:
для светильника является самой простой малогабаритной системой;
для помещения является самостоятельной системой, которая управляет одной или несколькими группами осветительных устройств;
для здания – централизованная компьютеризованная система управления [12].
На сегодняшний день практически невозможно полностью воспроизвести параметры естественного освещения, используя существующие источники света. Связано это с трудностями создания источников света со спектром, аналогичным спектру естественного света. RGB-светодиоды имеют спектр, наиболее соответствующий чувствительности человеческого глаза, и позволяют регулировать цветовую температуру. Присутствие человека в помещении с установленной системой регистрирует датчик движения, и данные об этом отправляют на блок управления. При получении данных микроконтроллер проводит считывание информации с датчика освещенности об уровне интенсивности спектров излучения красной, зеленой и синей составляющих отдельно и о суммарной величине уровня естественной освещенности. Полученное значение сравнивают с заданным и при несовпадении пропорционально корректируют величину интенсивности каждого из цветов. Это позволяет при неизменной цветовой температуре изменять уровень освещенности. С микроконтроллера информацию об интенсивности свечения каждого цвета подают на блок исполнения, формирующий импульсы управления кристаллами светодиода.
Системы искусственного электрического освещения используются во всех сферах жизнедеятельности человека. Это сложные многокомпонентные инженерные системы, в которых конечный потребитель контактирует только с небольшой частью электрооборудования. В их состав входят следующие элементы:
электрогенерирующие мощности – глобальные (ГЭС, ТЭС, АЭС) – обеспечивает всю структуру энергопотребления региона. Локальные (системы солнечных панелей и ветрогенераторы различной мощности) – обеспечивают дополнительную энергетическую подпитку одного отдельно взятого объекта. Это может быть жилой дом, производственное предприятие или коммерческая организация;
система транспортировки электроэнергии – воздушные ЛЭП или кабельные сети;
преобразователи – различные трансформаторы, конвекторы и выпрямители, осуществляющие преобразования параметров электрического тока от транспортного до потребительского;
устройства распределения электроэнергии открытого и закрытого типа (ОРУ, ЗРУ);
защитное оборудование, как правило, это цепи релейной защиты, куда могут входить следующие компоненты: реле сопротивления, силы тока и напряжения, устройства дуговой и грозовой защиты, а также защиты от коротких замыканий;
управляющее оборудование – бытовые электрические счетчики и различные автоматизированные системы контроля и учета коммерческого потребления электроэнергии;
устройства эксплуатации и потребления, сюда входит все оборудование конечного пользователя, в том числе и системы освещения.
Если посмотреть на систему освещения с точки зрения потребителя, то она будет состоять из следующих компонентов. Прежде всего, это источники искусственного электрического освещения (различные лампы, светильники, бра, прожектора и т.п.) и оборудование управления – выключатели.
Не менее важным элементом является электропроводка, куда могут входить трансформаторы, стыковочные и оконечные устройства.
Электропроводка может быть низковольтной и высоковольтной. Низковольтный переменный ток 12В и 24В получается при помощи понижающих трансформаторов. Необходимость в низковольтных электросетях возникает на предприятиях, использующих соответствующее осветительное оборудование (как правило, импортного производства).
Повсеместно на территории РФ принят стандарт высоковольтного осветительного оборудования – 220 В. Потребительские токопроводящие системы, использующиеся для освещения, имеют ограничения по силе тока.
В низковольтных электрических системах она не превышает 25А, соответственно общая мощность электропотребления ограничивается на уровне 300 Вт при напряжении 12 В. На практике такая система электрического искусственного освещения достаточна для подачи питания на всего на 9 ламп галогенного типа мощностью 30 Вт каждая.
Это один из основных аргументов в пользу эксплуатации высоковольтных систем, у которых величина силы тока равна 15 А, а электрическая мощность 3,5 кВт.
Если суммарная мощность всех установленных светильников превышает допустимое значение, то системы освещения разбивают на несколько автономных подсистем, подключая каждую из электросетей к отдельному трансформатору и/или УЗО (устройство защитного отключения).
Классификация систем электрического освещения. Искусственное освещение по выполняемым подразделяется на:
бытовое – применяется в жилых помещениях;
рабочее – может быть как общим, так и локализованным – непосредственно на рабочих местах. Как правило, строго нормировано в соответствии с нормативами условий труда;
дежурное – иногда называют охранным освещением, используется на коммерческих и производственных объектах в нерабочее время. Предназначено для освещения охраняемых зон;
аварийное – активируется вместо основных источников электрического освещения в экстремальных ситуациях, бывает двух типов:
а) эвакуационное, которое обеспечивает минимально необходимую видимость при экстренной эвакуации персонала и посетителей из здания. Источники эвакуационного освещения должны быть обязательно установлены в местах, представляющих опасность при быстром передвижении в условиях ограниченной видимости: узкие проходы, коридоры без окон, лестничные площадки;
б) безопасности, оно используется на промышленных объектах, где существует непрерывный технологический процесс. Освещение безопасности по нормативам имеет автономные источники энергообеспечения и обустраивается в местах, которые могут представлять опасность для персонала. Активируется при полном отключении рабочего освещения.
Кроме того следует отметить:
сигнальное, оно используется для обозначения помещений с зонами повышенной опасности. На практике представляет собой таблички с подсветкой и символами радиационной или биологической опасности. На производстве также встречаются световые таблички с обозначением лазерной опасности, повышенного электромагнитного поля;
бактерицидное – это разновидность освещения ультрафиолетовым или кварцевым светом, которое используется для обеззараживания помещений. Такие установки являются как стационарными, так и переносными;
эритемное – это разновидность освещения в ультрафиолетовом диапазоне со строго определенной длиной волны – 297 НМ. Используется в закрытых помещениях и при недостатке дневного освещения. Стимулирует некоторые физиологические процессы в организме.
Лампы для систем освещения по типу источника света делятся на следующие виды:
1) Лампа накаливания (ЛОН). Одна из первых и наиболее массово выпускаемых лампочек. Свет образуется в результате прохождение электричества через вольфрамовую проволоку с ее последующим накаливанием. В свет превращается не более 5% электроэнергии остальные тратятся на выработку тепла. Излучает желтый свет, срок службы редко превышает 1000 часов. Популярна из-за своей доступной стоимости;
2) Металлогалогенная лампа (МГЛ). Является газоразрядной лампой высокого давления. Свет вырабатывают ионы в газовых галогенидах некоторых металлов. Для работы необходимо импульсно зажигающее устройство (ИЗУ) и дроссель (балласт). Срок службы около 15 тыс. часов. Эффективность претворения электроэнергии в свет выше на 20-25% чем у ламп накаливания. Из недостатков следует отметить высокую стоимость и длительное время разгорания (30 сек. – 3 мин). Кроме того их невозможно включить повторно пока лампа не остынет;
3) Ртутные галогенные лампы (ДРЛ). Свет вырабатывается электрическим разрядом в парах ртути. Технически полностью аналогичны металл галогеновым лампам. Срок службы до 10 тыс. часов, светоотдача до 55 лм/Вт. Имеется чувствительность к низким температурам и длительное время разгорание, которое может достигать 10 мин.
Одной из разновидностей ДРЛ являются ртутно-вольфрамовые лампы (ДРВ) в их колбе кроме паров ртути имеется и вольфрамовая нить. Такие лампы могут использоваться без балласта и ИЗУ, но имеют гораздо меньший срок службы – до 4000 часов, а также низкая эффективность светоотдачи до 30 лм/Вт;
4) Натриевые лампы (ДНАТ). Также относятся к классу газоразрядных ламп, свечение образуется в парах натрия. Излучают желто-оранжевый свет, из-за этого, несмотря на высокую эффективность, светоотдачи (150 лм/Вт), имеют ограниченную сферу применения. Экономичны, срок службы достигает 30 тыс. часов. Для полного запуска необходимо до 7 мин. Часто используются в отраслях, где необходимо круглосуточное освещение, к примеру, в теплицах;
5) Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) (энергосберегающие лампы дневного света). Как правило, имеют спиралеобразный излучающий элемент на пластиковой основе, где расположен дроссель и ИЗУ, который заканчивается стандартными цоколями Е14 / 27 / 40;
6) Светодиодные лампы (LED). Являются наиболее экономичными из всех существующих ныне. Срок службы составляет около 30 тыс. часов, а энергопотребление по сравнению с классическими лампами накаливания ниже в 10 раз. Они не содержат ртуть и выпускаются практически во всех цветовых вариациях. Единственным недостатком является довольно высокая цена устройств.
Характеристики систем искусственного освещения. Искусственное электрическое освещение характеризуется по нескольким параметрам:
1) Освещенность – измеряется в люксах (Lux), характеризует количество света падающего на рабочую поверхность определенной площади;
2) Равномерность освещения – этот параметр необходим для определения оптимального количества осветительных приборов в помещении. Выражается в отношении минимального и среднего уровня светового потока на единицу площади. (D = Emin/Eav, чем ближе этот параметр к единице, тем лучше);
3) Коэффициент мощности – этот параметр определяет, насколько эффективно используется электроэнергия для освещения. Низкие показатели этого коэффициента означают чрезмерные потери, что не только снижает эффективность системы освещения, но и может привести к перегреву электросети;
4) Степень ослепленности – параметр определяющий способность источника света снижать видимость или вызывать неприятные ощущения вследствие чрезмерной яркости;
5) Мерцание/частота мерцания – измеряется в герцах (Гц) определяет периодичность изменения интенсивности светового потока в видимом диапазоне. Было выявлено, что человек с нормальным зрением замечает мерцание с частотой 100Гц. При этом мерцание искусственного света с частотой до 300Гц оказывает влияние на мозговую деятельность.
Последние исследования показали, что в производственных в помещениях, где находятся установки с движущимися элементами крайне не рекомендуется использовать люминесцентные лампы с низкой частотой мерцания.
Наложение мерцание на движение механизмов может создать стробоскопический эффект. Когда движущиеся элементы кажутся неподвижными или визуально меняют направление движения.
Цветовая температура – измеряется в градусах Кельвина (К). Определяется как коэффициент на и соотношение между красным и синим цветом. Чем выше показатель, тем больше отклонения в синий спектр – холодный цвет. Цветовая температура напрямую влияет на психологический комфорт работников, находящихся в помещении. Регламентируется СНиП 23-05-95.
Индекс цветопередачи – измеряется в Ra. Определяет способность искусственного света передавать естественный цвет освещаемого объекта. Максимальный показатель составляет 100 единиц, что соответствует естественной освещенности в полдень. Для производственных помещений достаточно индекса цветопередачи в 50 Ra, для офисов – 60 Ra, для длительного пребывания и жилых помещений не менее 75 Ra.
|
Скачать 1.14 Mb.