Как найти баланс между энергоэффективностью и восприятием освещения человеком

Введение

Обсуждение проблем изменения климата имеет огромное значение. Мир признает существование угрозы, поэтому не только политики, в частности Эл Гор (Al Gore) и его движение «Неудобная правда» (An inconvenient truth), но и другие деятели говорят нам о необходимости начала активных действий. В своем докладе, который касается экономических аспектов грядущего глобального потепления, бывший экономист Всемирного банка Николас Штерн (Nicholas Stern) высказался за срочные и интенсивные действия стран, направленные на преодоление последствий изменения климата, польза от которых должна значительно превысить необходимые затраты.

По этой причине потребление энергии и выбросы парниковых газов, в частности CO2, в глобальном масштабе должны быть сокращены.

В данной статье основное внимание будет уделено обсуждению вопросов энергопотребления систем освещения зданий, в которых расположены центры оказания профессиональных услуг. В Европе законодательство в сфере энергоэффективности зданий было принято Еврокомиссией в 2002 году и в настоящее время вступило в силу во всех Европейских странах. Системы освещения являются одним из потребителей энергии в зданиях. Энергоэффективность новых и существующих зданий должна быть документально зафиксирована в обязательном сертификате по энергопотреблению.

Оценка энергопотребления производится с помощью LENI (Lighting Energy Numeric Indicator) — показателя, выраженного в кВтч/м2 в год, который отражает годовое потребление энергии, необходимой для функционирования систем освещения в соответствии со спецификациями здания. Так как имеется показатель, логично установить также и критерии энергопотребления, что отражено в стандарте EN 15193, описывающим требования по энергоснабжению систем освещения.

Огромное значение имеет то, чтобы спроектированная и установленная система освещения соответствовала рекомендуемым нормам, которые зафиксированы в стандарте EN 12464. Требования людей к качеству освещения имеют еще большее значение. Эти требования определяются показателем качества освещения — ELI (Ergonomic Lighting Indicator). Этот показатель введен для того, чтобы иметь возможность учесть одновременно множество аспектов качества освещения.

В указанных выше стандартах имеются ссылки друг на друга. Таким образом, можно оценить баланс между восприятием освещения человеком и энергоэффективностью.

LENI (Lighting Energy Numeric Indicator): аспекты энергоэффективности

Согласно директиве ЕС 2002/91/EC «Энергетика зданий» (Energy performance of buildings) обязательным требованием является наличие энергетического сертификата, который отражает общее энергопотребление здания, включающее в себя энергию, необходимую для систем отопления, кондиционирования воздуха, водоснабжения, вентиляции, освещения, а также систем управления. Методика расчета для систем освещения представлена в стандарте EN 15193-1 «Оценка мощности, потребляемой системой освещения» (Lighting energy estimation).

Этот стандарт учитывает различные аспекты энергопотребления:

а) подключенная нагрузка: все установленные светильники;

б) использование в дневное время: управление освещением в дневное время и загрузкой;

в) использование в ночное время: управление загрузкой;

г) использование постоянного освещения: управление первичным освещением (технический осмотр);

д) дежурный режим: паразитная мощность в контролируемых элементах системы освещения;

е) алгоритмическое освещение и задание сцены для снижения энергопотребления.

Общая мощность, используемая для освещения за год равна:

WLIGHT = WL + WP, кВтч/год.

Показатель LENI (Lighting Energy Numeric Indicator) был введен для того, чтобы рассчитать годовое потребление энергии системой освещения на квадратный метр площади, которая требуется для выполнения функций освещения в соответствии со спецификациями здания:

 

кВтч/(м2 год).

Очевидно, что на энергопотребление системы освещения может серьезно влиять использование управления.

В стандарте используется базовая формула для измерения и расчета годового энергопотребления освещения зданий WL,t:

Кроме того, в расчет энергопотребления входит паразитная мощность для оценки потерь в дежурном режиме и мощность, требуемая для аварийного освещения:

В этих формулах:

Pn — общая мощность освещения в зоне;

FC — коэффициент постоянного освещения;

tp — период использования паразитной мощности;

tD — период дневного использования;

FD — коэффициент дневного освещения;

FO — коэффициент загрузки;

PPC — паразитная мощность в зоне (которая в общем случае означает потери в дежурном режиме);

ty — стандартное годовое время (8760 часов);

PEM — общая установленная мощность заряда для светильников аварийного освещения в зоне;

tEM — время заряда для системы аварийного освещения.

ELI (Ergonomic Lighting Indicator): аспекты качества освещения

Показатель ELI использует пять основных критериев для описания общего качества осветительного оборудования. Они связаны с наиболее важными аспектами человеческого восприятия освещения. Ниже перечислены пять критериев качества освещения:

– визуальные характеристики;

– перспектива (вид сцены);

– зрительный комфорт;

– жизненная сила;

– возможности (влиять на освещение).

Они оцениваются по шкале от 1 (плохо) до 5 (прекрасно). Общее описание этих пяти критериев дано на рисунке 1.

Каждая размерность шкалы включает несколько подкритериев. Они необходимы для надежного и воспроизводимого анализа.

Этот метод используется для коммуникации между людьми во время осуществления проекта в области освещения (к примеру, связь между заказчиком и разработчиком). В начале обсуждаются требования по освещению. Затем разрабатывается или даже устанавливается система освещения. И наконец, можно выполнить оценку решения.

Для всех этапов можно использовать специальные опросные листы, в которых, кроме пяти основных, указаны 38 дополнительных критериев.

Требования к проекту можно легко сравнить с оценкой решения (см. рис. 1: оранжевая область — требования к проекту, синяя область — оценка решения). Сила и слабость различных решений по освещению видны наглядно. Когда возникает необходимость сделать сложный анализ, часто можно получить паутиноподобные графики, подобные показанному на рисунке  1. Их легко проанализировать, что является основным преимуществом при их использовании для связи между заказчиком, который обычно не является специалистом, и разработчиком, который является специалистом с детальными знаниями многих тонкостей освещения.

Показатель ELI является результатом первых исследований в этой области; он был разработан совместно с профессором Кристофом Ширзом (Christoph Schierz) из Швейцарского института технологии (в настоящее время он работает в Техническом университете в Ильменау).

Эмпирическое исследование: объективность, надежность и достоверность опросного листа ELI

В эмпирическом исследовании опросный лист был тщательно рассмотрен с помощью анализа заданий и критерия традиционного теста. Были выполнены две серии экспериментов.

В первой серии была проверены основания для метода опросного листа. На основе проектной документации 22 испытателя ответили на вопросы ELI сначала для требований к проекту, а затем для оценки решения. Результаты были исследованы с помощью анализа заданий и критерия выполнения теста в том, что касается объективности, надежности и достоверности. Кроме того, были проанализированы отдельные вопросы, связанные с масштабированием, измерением и операционализацией.

Во второй серии было протестировано приложение по процессу оценки. Необходимо было выявить проблемы, которые могут возникнуть во время технологического процесса создания системы. Поэтому был смоделирован, изучен и проанализирован полный процесс работы над проектом. Эта экспериментальная серия была выполнена двумя разработчиками. Они должны были получить у заказчика требования на проект. Затем им нужно было предложить и оценить совместно с заказчиком качество освещения. Проект был связан с освещением реального офиса.

В целом, анализ показал, что метод оценки может быть квалифицирован как объективный и достоверный. Его точность может быть увеличена за счет совершенствования вопросов, относящихся к различным приложениям.

Вторая серия тестов была проведена в лабораторных условиях. Результаты тестов показали, что оценка концепции системы освещения может стать частью повседневной работы разработчика. Данный подход был оценен испытателями, в целом, как точный. Тем не менее, были собраны полезные сведения для дальнейшего совершенствования показателя ELI. Опросный лист для оценки качества освещения одобрен в качестве надежного инструмента. Для того, чтобы улучшить точность показателя ELI задания и оценки должны быть адаптированы к различным приложениям по освещению.

Практическое применение оценки ELI-LENI

Для оценки ELI-LENI предлагаемых решений был использован калькулятор ELI-LENI (см. рис. 2).

На рисунке 3 показаны четыре решения для системы освещения, которые были использованы для длительных исследований характеристик освещения на базе полученных эмпирических данных.

Заключение

Серьезные усилия по сокращению энергии, потребляемой системами освещения, должны соответсвовать требованиям по качеству освещения. Показатель LENI отражает энергоэффективность осветительного оборудования и, что даже более важно, показывает необходимость эффективного управления освещением. Непременным требованием является использование естественного освещения и детектирование присутствия. Управление освещением обеспечивает подстройку освещения к требованиям пользователя. Качество освещения, которое включает в себя множество аспектов, представляет собой больше, чем просто показатель. Поэтому паутинообразный график — это весьма полезный инструмент для отображения пяти основных критериев. Он помогает специалистам сбалансировать энергоэффективность и качество освещения. В конечном итоге, энергопотребление системы освещения может снизиться, а качество освещения — возрасти.

Показатель LENI уже утвержден в стандарте. ELI войдет в руководства по освещению. В будущем он может стать обычным инструментом оценки качества освещения. Между ELI и LENI должен быть найден оптимальный баланс.

Литература

1. Peter Dehoff. The balance between energy efficiency and human aspects in lighting// Proceedings of CIE 2010 «Lighting Quality and Energy Efficiency».