Енергийно ефективно осветление в сгради

Много често, излизайки от помещения, хората забравят или не считат за свой ангажимент да изключат осветлението, особено в обществени, офисни, търговски и индустриални сгради. В това отношение принос имат системите за сградна автоматизация, чрез които изкуственото осветление може да се настрои в автоматичен режим на работа според характера на обитаемост през денонощието и седмицата, като се вземат предвид и сезонните възможности за естествено осветление.

Детекторите за движение и присъствие отчитат наличието на хора в пространството чрез инфрачервени сигнали и поддържат осветлението включено където и колкото е необходимо. Установено е, че регулиране на осветлението според наличието на дневна светлина, в комбинация с откриване на присъствие и движение, може да намали разходите за енергия за осветление в сградите с 50% в сравнение с нерегулираните конвенционални системи за осветление. При по-напреднали решения процентът спестявания може да е и по-висок.

Редица насоки в областта на енергийната ефективност в сгради посочват като основна мярка инсталиране на датчици за движение и присъствие за автоматично превключване на осветлението, особено на стълбища, тоалетни, асансьорни фоайета, коридори и други преходни зони, където хората се задържат за относително кратък период от време, и затова да се държи осветлението в тях постоянно включено се оказва нецелесъобразно. Така датчиците за движение и присъствие се нареждат сред основните елементи на системата за сградна автоматизация.

Устройство и принципи на работа на датчиците
Датчиците за движение и присъствие автоматично включват и изключват осветлението в помещението в зависимост от интензивността на потока естествена светлина и/или присъствието на хората. Техният принцип на действие се основава на регистрация на промени в инфрачервеното (IR) излъчване, причинени от човешки дейности или придвижване.

По своята физическа природа видимата светлина и инфрачервеното излъчване са еднакви. Инфрачервената радиация също като обикновената може да се фокусира върху лещи. При попадане на IR радиация върху фотоелемент (фотоклетка), той променя параметрите си. При стайна температура във видимия диапазон тялото не свети, докато в инфрачервения сектор, невидим за човешкото око, то сияе. За по-кратко ще наричаме инфрачервеното излъчване на тялото инфрачервена светлина, а под „светлина“ ще разбираме видимата светлина.

Яркостта на инфрачервената светлина зависи от температурата на тялото. Колкото по-топло е то, толкова по-ярко свети, а ако е с по-ниска температура, свети по-слабо. Контрастът между инфрачервената светлина на човешкото тяло и, например, IR излъчване на студен прозорец е значителен. Тогава присъствието на човека се разпознава веднага. IR лъчение на човека и на топлия под обаче са практически еднакви и разпознаването на човека е почти невъзможно на фона на излъчването от подовото отопление.

Датчиците за движение и присъствие реагират на появата и изчезването на IR светлина на фотоелемента. Такива появявания и изчезвания се дължат най-често на човешка дейност и по-рядко на фактори, които нямат връзка с човека, например движение на топъл въздух от отоплителната система. Погрешните сработвания са присъщи на всички датчици за движение и присъствие. Датчиците за движение са с по-проста конструкция и реагират само на активни движения, например ходене.

Докато детекторите за присъствие реагират на всяко малко движение, характерно за дейностите на човек, който седи или стои, например движение на пръстите по клавиатурата, поклащане на главата и т.н. Ако човек стои напълно неподвижно, то след предварително зададено време датчикът за присъствие ще изключи осветлението.

Обикновено устройството на сензорите е такова, че в средата им се намират приемниците на IR светлина – фотоклетки. Те са покрити с капачки и имат многоелементни лещи или вдлъбнати огледала за концентриране на светлината с няколко зони на топлочувствителност и нива на обхват. Топлочувствителните многосегментни лещи се използват за детекция на топлината от IR лъчение, а Френелови лещи за концентриране на лъчението и детекция на движение.

Всяка от лещите може да фокусира инфрачервената светлина върху плоскостта на фотоелемента (Passive Infrared, PIR-детектор). Една от тях, в обхвата на която се намира излъчването, фокусира топлинното излъчване непосредствено на самия фотоелемент, при което се създава напрежение. Когато напрежението надмине зададен праг, се регистрира електрически сигнал. Вградената електроника обработва сигналите и провежда предварително зададени действия (включване/изключване на определени осветителни тела).

При преминаване на някакъв интервал от време от движението, след като човекът е излязъл от обхвата на лещата, тя не фокусира върху фотоелемента и сигналът изчезва. После движението попада в обхвата на друга леща, тя фокусира IR светлина на фотоелемента и сигналът се появява отново. Такова появяване-изчезване-появяване е признак за присъствие на човек. Всяка леща има свое ниво на обхват – сегмент. Сигналът се появява при влизане в него, а изчезва при излизане. Именно затова детекторите имат множество лещи, за да се засича движение/присъствие, когато се преминава през границите на обхват на отделните лещи.

Важни особености при проектиране и инсталиране
Изводът от това функциониране е, че колкото повече са лещите, толкова по-малки движения може да засече сензорът. С отдалечаване от сензора, например при поставянето му на по-голяма височина, обхватът се разширява (като фуния), но чувствителността на сензора намалява, защото се увеличава не само активната, но и пасивната зона. Така на определено разстояние всички малки движения, като мърдане на пръсти, ръце и глава, ще попадат в рамките на един сегмент, т.е. в обхвата на една леща. От това разстояние сензорът за присъствие може да работи само, като сензор за движение. При датчиците за движение обхватът е по-голям в сравнение с датчиците за присъствие. Също така датчиците за движение реагират на по-ярка IR светлина от датчиците за присъствие.

Като се имат предвид тези особености проектирането на системата трябва да става само след внимателна преценка на чувствителността и обхвата на сензорите, изискванията за които ще са различни в отделните проекти. Освен това индивидуално могат да се определят диагоналните разстояния при движение на лица, при които да се активира сензорът.

Поставянето на сензорите трябва да е на такива места, че да не са изложени на пряка изкуствена светлина. Те трябва да се поставят далече от отоплителни уреди, климатици и вентилатори. В обхвата на сензорите не трябва да има тела, които ограничават възможността им за засичане на IR светлина, например висящи лампи. Също така в зоната на детекция не трябва да се поставят и преградни стени, дори остъклени, защото инфрачервената светлина не преминава през тях.

Предизвикателство са и колебанията в температурата на околната среда. Ако в помещенията е топло, регистрирането на движения ще е по-трудно. Също така, ако хората са облечени в по-дебели дрехи, те ще попречат на излъчването. Смущения в работата на системата могат да предизвикат и електронни източници като телевизори, компютри, радиовръзки и т.н. Преминаването на домашни любимци също може да задейства сензорите. Всичко това трябва да се обмисли индивидуално за всеки проект.

Основна характеристика на датчиците за движение и присъствие е радиусът на обхвата им, в чийто граници засичат съответно ходещ човек или малки движения на седящ и стоящ човек. Този радиус трябва да достига ъглите на помещението. Ако не ги достига, в стаята трябва да се поставят 2-3 или повече датчика. Обхващането на едно правоъгълно помещение със сензори с кръгов обхват може да стане само с презастъпване на сегментите.

Почти всички сензори за движение и присъствие днес са с кръгов или овален обхват. Датчиците за присъствие с квадратна зона на обхват са по-рядко срещани, защото се предлагат от по-малко компании. Те обаче значително опростяват проектирането и правят системата по-евтина, защото например за едно помещение, което има нужда от 7 датчика с кръгов обхват, ще са нужни 4 датчика с квадратен. Намаляването на броя сензори в случая се дължи на надеждното покриване на ъглите на помещението.

Предимство в работата на системите е, че сензорите могат да се програмират с дистанционно управление, което улеснява конфигурирането на различни параметри на работа по всяко време, без необходимост от използване на допълнителни средства като инструменти, стълби и т.н.

Видове и избор на сензори за движение и присъствие
Предлаганите на пазара сензори са разнообразни, но като цяло могат да се разграничат две групи – едните са по-прости и евтини , а другите – по-усъвършенствани и скъпи. За да изясним по-добре разликата между тях, ще дадем един пример:

Рано сутрин е и служителите идват в офиса. Навън е все още недостатъчно светло и датчиците за движение включват светлината при откриване на хора. Хората се движат в офиса и датчиците държат осветлението включено. Навън обаче става по-светло и естествената светлина, навлизаща от прозорците, стига над зададения праг на осветеност. Простите датчици за движение и присъствие ще държат осветлението включено докато в зоната им на чувствителност се намират хора. Ако всички излязат от помещението, датчиците ще изключат осветлението. При поява на човек отново, ако светлината от прозорците е достатъчно, сензорите няма да включат осветлението. Намаляването на разходите за осветление при тези по-прости датчици е 22-25%.

По-напредналите модели засичат нивото на естествената светлина, и ако то преминава зададения праг, изключват осветлението дори в помещението да има хора. Разходите за осветление в такъв случай се съкращават с 42-50%. По-простите датчици са подходящи за коридори и помещения където хората се появяват рядко и престоят им е кратък, както и за помещения без прозорци. За всички останали случаи се препоръчва използване на по-сложните датчици.

Ползи за потребителите
Основната цел на такова оборудване е да се осигури удобство за потребителите и да се намалят енергийните разходи за собственици и наематели. В Германия има изисквания, според които при реновиране на съществуващи и построяване на нови сгради трябва да се предвиди регулиране на осветлението с датчици за движение и присъствие.

Цената на електроенергията там е средно 0,18-0,22 евро/кВт, а с напредналите сензори в много обекти е постигнато намаляване на консумацията на електричество за осветление до 70-80%. Като се има предвид, че периодът за изплащане на системата е средно 1-2 години (в зависимост от движението на цената на електроенергия), а животът на сградите е над 50 години, то става ясно, че такова решение ще доведе до значителни икономии в експлоатацията на всяка сграда.

В офисите, например, като правило служителите нямат грижата за пестене на енергията. В резултат на това осветлението в коридори, тоалетни и работни помещения често остава включено от сутрин до вечер дори, когато не е необходимо. За собственика или наемателя това е излишно нарастване на сметката за ток. Това може да се избегне с автоматичен контрол на осветлението с датчици за движение и присъствие, като се имат предвид естествената светлина и функционалното предназначение на помещенията, с цел предоставяне на максимален комфорт за хората и спестяване на енергия. Във всички помещения трябва да се поставят датчици за движение.

В помещенията, които са разположени по периферията на сградата и имат достъп на естествена светлина от прозорци и фасадно остъкление, е удачно монтиране на датчици с функция димиране. Те могат да изменят степента на осветеност в стаята според нивото на естествената светлина – при необходимост плавно увеличават или намаляват мощността на лампите от 0 до 100%, при условие че има хора. Датчиците във вътрешни помещения без прозорци са само с функция включване/изключване.

Диапазонът на измерване на смесена светлина на датчиците е различен, например от 5 до 2000 лукса, като времето за изключване на осветлението може да се настройва, примерно в интервал от 1 до 15 минути. Такива напреднали датчици измерват степента на осветеност и едновременно откриват присъствието на хора дори при малки движения. Ако нормата за осветеност на даден офис е приета за 400 лукса, то когато датчикът отчете по-слабо осветление и присъствие на хора, той плавно ще увеличи осветлението до достигане на зададената граница. Когато и последният служител напусне помещението, датчикът няма да засича движение и таймерът ще изключи осветлението след предварително зададено време. На следващия ден то отново ще се включи при влизане на първия служител, ако естествената светлина не достига зададената норма на осветеност. Такова поддържане на режима на осветеност с плавно координиране с естествената светлина за постигане на максимален комфорт има най-добър икономически ефект.