Zastosowanie narzędzi komputerowych do projektowania oświetlenia

Transkrypt

1 Studia Podyplomowe EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ w ramach projektu Śląsko-Małopolskie Centrum Kompetencji Zarządzania Energią Zastosowanie narzędzi komputerowych do projektowania oświetlenia mgr inż. Artur Gancarz

2 Zastosowanie narzędzi komputerowych do projektowania oświetlenia Studia Podyplomowe EUEE Efektywność energetyczna w układach oświetleniowych Mgr inż. Artur Gancarz Kraków, r.

3 Wprowadzenie Referat rozwija tematykę techniki świetlnej i projektowania oświetlenia zgodnie z odpowiednimi przepisami i normami. Jest on kontynuacją wykładu: Fizyczne podstawy techniki świetlnej Klasyfikacja źródeł światła i podstawowe własności fizyczne i aplikacyjne Oprawy oświetleniowe Przepisy i normy dotyczące oświetlenia wewnętrznego i zewnętrznego Plan referatu: - przypomnienie najważniejszych wielkości i metod - wprowadzenie do komputeryzacji projektowania i omówienie projektu oświetlenia, - przykłady aplikacji, różnice i wspólne elementy w procesie obliczeniowym - wnioski 3

4 Przypomnienie wybranych wielkości Natęż ężenie oświetlenia o E [lx lux] w danym punkcie powierzchni stosunek strumienia świetlnego padającego na elementarną powierzchnię do wartości tej elementarnej powierzchni, dφ E = da strumień świetlny Φ [lm lumen] wielkość wyprowadzona ze strumienia energetycznego przez ocenę działania ania promieniowania na normalnego obserwatora fotometrycznego CIE 4

5 Przypomnienie wybranych wielkości światłość źródła a w określonym kierunku Iv [cd[ cd- kandela] stosunek strumienia świetlnego dφv wysyłanego przez źródło światła a w elementarnym kącie k przestrzennym dωd w danym kierunku do wartości tego elementarnego kąta k przestrzennego, I V dφ = d Ω wskaźnik oddawania barw [-][ współczynnik, który określa na ile wrażenia barw wzbudzone po oświetleniu o danej kolorowej powierzchni określonym źródłem światła a sąs zgodne z wrażeniami po oświetleniu tej powierzchni światłem ciała a doskonale czarnego o tej samej temperaturze barwowej (bardzo dobre oddawanie jest przy Ra>80) V 5

6 Przykłady światłości źródeł 6

7 Przypomnienie wybranych wielkości skuteczność świetlna C [lm[ lm/w] stosunek strumienia świetlnego wysyłanego przez źródło o do pobieranej przez nie mocy, tj. efektywność energetyczna źródła sprawność oprawy η [zwykle w %] stosunek strumienia świetlnego Φ wychodzącego cego z oprawy oświetleniowej o do strumienia świetlnego wysyłanego przez źródło światła Φ0!!! to charakteryzuje dobrych producentów w i ma ogromny wpływ na efektywność 7

8 Zobrazowanie zależności pomiędzy podstawowymi wielkościami 8

9 Przypomnienie metod obliczeniowych Cel oświetlenia o i dobrego projektu źródła a oświetlenia o używane u sąs do zapewnienia komfortu pracy wzrokowej, z gwarancją łatwego postrzegania cech obserwowanych przedmiotów, stworzenie optymalnych warunków w odpoczynku, przy projekcie eliminacja negatywnych czynników: - olśnienia, - nieodpowieniej barwy światła, a, - niewystarczające ce oddawanie barw, - nierównomierno wnomierność oświetlenia - optymalizacja kosztów w energii i inwestycyjnych. 9

10 Metoda sprawności stosowana do obliczeń ośw.. Ogólnego wnętrz z jasnymi ścianami i sufitem odbijającymi dużą część światła. a. oblicza się całkowity strumień świetlny, jaki powinny wytworzyć źródła światła a (oprawy), w celu osiągni gnięcia wymaganego natęż ężenia oświetleniao S powierzchnia oświetlana, o P*Q K wsp.. Zapasu, Eśr wynika z odp. Przepisów ηos sprawność pomieszczenia Φ cała = E śr S η os K 10

11 Metoda sprawności ηos os sprawność pomieszczenia, zależy y od: - rodzaju opraw oświetleniowych, o - wymiarów w pomieszczenia i wysokości opraw i płaszczyzny p roboczej P Q w = h ( P + Q) - tzw. ekwiwalentnych współczynnik czynników w odbicia ścian, sufitu i podłogi, ogi, zwykle przyjmowało o się: * białe e lub bardzo jasne ρ=0,7 * jasne ρ=0,5 ρ1s1 + ρ2s ρnsn ρekw = * średnio jasne ρ=0,3 S1 + S Sn * ciemne barwy ρ=0,1 mając c powyższe dane, z tablic w katalogach opraw, odczytuje się wartość sprawności oświetlenia, o a następnie oblicza wymaganą liczbę źródeł światła n= Φcała/Φopr 11

12 Metoda mocy jednostkowej stosowana do obliczania natęż ężenia oświetlenia o w pomieszczeniach ogólnych o znacznej powierzchni, gdy oprawy sąs rozłożone one równomiernier polega na określeniu mocy źródeł Pcała (opraw) oświetlenia o ogólnego na podstawie wartości mocy jednostkowej W/m2 dla danego natęż ężenia oświetlenia o danym typem źródła a i oprawy, pw - odczytuje się z tabel w poradnikach, wyznaczonych na podstawie doświadcze wiadczeń w istniejących instalacjach P cała S p n opr w 12

13 Metoda strumienia jednostkowego stosowana na etapie założeń techniczno- ekonomicznych pozwala określi lić liczbę opraw do ogólnego oświetlenia, na podstawie strumienia na 1m2 powierzchni oraz wielkości tej powierzchni, pozwala określi lić łączny strumień potrzebny do uzyskania natęż ężenia Eśr=100 E lx, korzystając c z tabel w poradnikach dla danego typu oprawy i wysokości zawieszenia oraz powierzchni pomieszczenia szacuje się ilość opraw n, gdy natęż ężenie E pomieszczenia jest różne r od 100 lx, to proporcjonalnie zmienia się wartość strumienia jednostkowego na m2 i wylicza inną ilość opraw. 13

14 Metoda punktowa przy obliczeniach na piechotę stosowana jest do pomieszczeń bez odbić,, z ciemnymi ścianami oraz oświetlenia dróg g (na zewnątrz) polega na obliczaniu natęż ężenia oświetlenia o w pojedynczym punkcie, do obliczenia oświetlenia o w całym pomieszczeniu konieczne jest obliczanie w wielu punktach, metoda wymagająca dużego nakładu adu obliczeń i znacznej liczby danych (odległości, światłości dla wielu kątów w padania strumienia świetlnego itd.), pozwala na obliczenie natęż ężeń i równomiernor wnomierności oświetlenia EminE min/eśr, 14

15 Metoda punktowa Z 1 podstawowym wzorem jest obliczenie natęż ężenia oświetlenia e w wybranym punkcie A od jednej oprawy nr 1 I e α A _1 = cosα 2 r I α h r = cosα h α r α e A = _ 1 I h α cos 3 α 2 e A_1 A 15

16 Metoda punktowa gdy punkt A jest oświetlany o przez n źródeł należy y obliczyć natęż ężenie E w punkcie A jako sumę natęż ężeń e od wszystkich źródeł natęż ężenie oświetlenia o w całym pomieszczeniu wyznacza się w wielu punktach, dzieląc c pomieszczenie na wiele prostokątów/kwadrat w/kwadratów w i wyznaczając c w ich środkach natęż ężenia oświetlenia o E ostatnim krokiem jest przeliczenie natęż ężenia oświetlenia proporcjonalnie na strumień rzeczywisty źródła, gdyż obliczony uprzednio jest dla tzw. standardowego strumienia 1000 lm (krzywa światłości, z której odczytujemy I α jest dla 1000 lm tworzona). 16

17 Metody - podsumowanie Część z nich wymaga umiarkowanej ilości danych i obliczenia sąs proste (korzysta się z tabel i urządze dzeń liczących) cych) Metoda punktowa wymaga dość dużej ilości danych i obliczeń. Jeszcze kilkanaście lat temu... W latach 80-tych... I wcześniej... 17

18 Komputeryzacja projektowania Postęp techniczny znajduje odzwierciedlenie w metodach projektowania oświetlenia. Techniki komputerowe umożliwiają: znaczne poszerzenie wariantów rozwiązań projektowych, pozwalają na optymalizację zadania projektowego z punktu widzenia różnych celów (np. efektywności energetycznej), uzyskuje się wyższej jakości projekty skracany jest czas projektowania. 18

19 Komputeryzacja projektowania Systemy projektowania dzieli się na: - systemy komputerowego wspomagania CAD - Computer Aided Design, - systemy projektowania automatycznego. W systemach komputerowego wspomagania projektowania: nie jest wyeliminowana rola projektanta, nadal człowiek podejmuje decyzje co do rozwiązań, parametrów czy zakresu obliczeń. rola komputera i oprogramowania ogranicza się do przechowywania danych, wykonywania obliczeń pomocniczych na podstawie algorytmów oraz do edycji wyników. można optymalizować projekt przez porównywanie rozwiązań, programy CAD bardzo szybko wykonują obliczenia, które wymagają dużego nakładu pracy. W programach komputerowych możemy sobie pozwolić na pogłębienie szczegółowości projektu i uzyskanie lepszego efektu/wyniku. 19

20 Komputeryzacja projektowania Programy komputerowe do wspomagania projektowania były opracowywane często do użytku własnego w celu rozwiązywania niepowtarzalnych problemów przy projektowaniu (np. zawsze inne pomieszczenie, droga, hala). 20

21 Komputeryzacja projektowania Szybki rozwój elektroniki i wzrost mocy obliczeniowej komputerów osobistych pozwoliły na zestandaryzowanie bibliotek programistycznych i katalogów producentów. Przeciętny komputer posiada wystarczające parametry do uruchomienia programu do wspomagania projektowania. Wymierne efekty przy projektowaniu komputerowym dają także urządzenia peryferyjne: - monitory o dużej przekątnej ekranu i rozdzielczości; - plotery i drukarki o formatach od A-4 do A-0; - digitizery, skanery. 21

22 Komputeryzacja projektowania W Polsce najpopularniejszymi programami do obliczania oświetlenia elektrycznego są programy: DIALux, Relux, Calculux. Programy występują w wielu wersjach, do projektowania oświetlenia wnętrz i ulic, fasad budynków i iluminacji artystycznych. Pierwsze wersje programów były w połowie lat 90-tych, po których nastąpił znaczący rozwój w latach Obecnie jednym z najbardziej zaawansowanych programów jest DIALux. 22

23 Komputeryzacja projektowania Producenci programów nie udostępniają danych i algorytmów, na podstawie których programy obliczają oświetlenie. Można tylko wyciągać wnioski, że są to pochodne metody punktowej i nieomówiona tutaj metoda luminancji (obliczenia brył światłości i luminancji na powierzchni). Zmieniono podejście od lat 90-tych do bazy katalogów: Wiodący producenci źródeł i opraw są umieszczani w bazach programów, brak ograniczeń do jednego producenta, standardowy zapis i format danych w bazie pozwala na wczytywanie informacji nawet mniej spotykanych opraw innych firm Możliwe jest edytowanie danych opraw i tworzenie ciekawych opracowań w porozumieniu z producentami. 23

24 Komputeryzacja projektowania Sprzęgnięto, w wersjach profesjonalnych programów, z całymi systemami CAD (nakładki AutoCAD itp.), wizualizacji, efektów obliczeń w postaci graficznej. Nastąpiła ewolucja interfejsów programów: stały się bardziej przyjazne, intuicyjne, zwiększono liczbę katalogów opraw, 24

25 Komputeryzacja projektowania wprowadzono elementy wyposażenia obiektów (szafy, stoły, okna, krzesła, nawet kwiaty i rzeczy drobne), pomieszczenia mogą być o najbardziej wyszukanym kształcie i nachyleniu płaszczyzn ścian i sufitów, wprowadzono możliwość podziału obwodów lamp na podstawowe i awaryjne/ewakuacyjne (nie świecące normalnie), można wprowadzać modyfikacje dowolnego elementu w przestrzeni 3D przeciągając go na ekranie. 25

26 Przykład obliczeniowy - dane Nie znamy metody w programach. Czy liczą dobrze? Dla tego samego pomieszczenia wykonano obliczenia programami komputerowymi oraz metodą punktową Wysokość h=4,5m, Długość P=12m, Szerokość Q=5m Płaszczyzna pracy na wysokości 0,85m, Oprawy 2x39W (podwójna świetlówka) wka) o krzywej rozsyłu u podanej na rysunku na wcześniejszych slajdach Wysokość zawieszenia oprawy przy suficie 0,5m 26

27 Przykład obliczeniowy - wyniki W programach wybrano optymalną liczbę 12 opraw. DIALUX CALCULUX E śr [lx] E min [lx] E max [lx] E min /E śr 0,72 0,65 RELUX ,62 Metoda punktowa ,65 ŚREDNIO ,66 27

28 Przykład obliczeniowy nr 2 Pomieszczenie L Wys/szer szer/dług 3m/4m/6m, Calculux nie oblicza nietypowych pomieszczeń Oprawy 4x19W (4 x świetlówka) wka) Płaszczyzna pracy na wysokości podłogi, ogi, oprawy przy suficie E śr [lx] E min [lx] E max [lx] E min /E śr DIALUX ,75 RELUX ,56 28

29 Wnioski Proces projektowania wymaga uwzględnienia szeregu norm i przepisów Metody komputerowe pozwalają na szybkie i wielokrotne obliczenia w celu optymalizacji liczby i typów w lamp Niezastąpione w procesie optymalizacji zużycia energii w przyszłości jest wariantowe obliczanie dla różnych r typów w opraw, źródeł i ich rozmieszczenia Brak wspomagania komputerowego w latach przed 90- tymi nie pozwalał na wybór r optymalnego układu oświetlenia, przyjmowano różne r współczynniki zapasu (co zwiększa kszało o koszt inwestycyjny i eksploatacyjny) 29

30 Wnioski Dla danego typu pomieszczenia konieczne jest wybranie odpowiedniego programu i/lub metody obliczeniowej Uproszczone metody (strumienia/mocy jednostkowej) doskonale sprawdzają się na etapie założeń techniczno- ekonomicznych do oszacowania kosztów w instalacji Różnice w wynikach programów w komputerowych wynikają z zaimplementowanych metod obliczeniowych Odpowiedzialny inwestor/projektant po wykonaniu instalacji wykonuje pomiary użytkowanych u pomieszczeń Programy komputerowe ułatwiaju atwiają pracę,, ale nie zwalniają z myślenia, projektant musi brać odpowiedzialność za otrzymane wyniki i umieć je weryfikować 30

31 Literatura [1] Siwik A. i inni Laboratorium elektroenergetyki przemysłowej owej, skrypt AGH nr 1533, Kraków w 1997 [2] Strzałka J., Strojny J., Projektowanie urządze dzeń elektroenergetycznych,, wyd. VII, skrypt AGH, Kraków w 2008 [3] Rudkowski W., Obliczenia parametrów w oświetlenia o elektrycznego wnętrz trz,, pracy dyplomowa AGH, Kraków w 2011 [4] Praca zbiorowa, Poradnik inżyniera elektryka,, Tom. 3, WNT, W-wa 1997 [5] Niestępski S., Parol M. i inni, Instalacje elektryczne budowa, projektowanie i eksploatacja,, Pol. Warszawska, 2001 [6] Surówka I. Oprogramowanie CAD/CAE w procesie projektowania instalacji i urządze dzeń elektrycznych, Elektroinstalator 2/2007, 3/

32 Dziękuję za uwagę...