SYSTEMY KONTROLI ZUŻYCIA ENERGII W INSTALACJACH OŚWIETLENIOWYCH

Transkrypt

1 SYSTEMY KONTROLI ZUŻYCIA ENERGII W INSTALACJACH OŚWIETLENIOWYCH Autor: Lech Borowik, Marek Kurkowski ( Rynek Energii nr 2/2013) Słowa kluczowe: audyt instalacji oświetleniowej, zużycie energii elektrycznej, systemy kontroli Streszczenie. W publikacji przedstawiono zapisy Dyrektyw Unii Europejskiej dotyczących efektywności energetycznej urządzeń stosowanych w instalacjach oświetleniowych. Zwrócono uwagę na zalecenia dotyczące pomiarów przy użyciu liczników oraz informacji dotyczących przejrzystości zużycia energii. Opisano wyniki audytów instalacji oświetleniowej pomieszczeń budynków użyteczności publicznej. Wskazano jak bardzo dane dotyczące zużycia energii elektrycznej przez urządzenia końcowe (m.in. oświetlenie) są niewystarczające lub niepewne. Przeanalizowano wymagania związane z metodyką uzyskiwania oszczędności energii. Wskazano na konieczność stosowania systemów kontroli przesyłu energii. Przedstawiono opracowany system do kontroli i monitoringu parametrów zasilania oraz parametrów urządzeń użytkowanych instalacji oświetleniowych. 1. WSTĘP Jednym z priorytetów strategii energetycznej w krajach UE jest doprowadzenie do bardziej efektywnego zużycia energii przez użytkowników końcowych [1] oraz wspieranie efektywności energetycznej w budownictwie [2]. Dążenie do jak największego ograniczenia strat energii przejawia się również w przepisach dotyczących ekoprojektowania wyrobów [3] czy etykietowania urządzeń zużywających energię [4]. Skuteczne ograniczenie zużycia energii elektrycznej w sektorach budownictwa mieszkaniowego, komercyjnego oraz energetyki i infrastruktury, można osiągnąć poprzez: precyzyjny pomiar zużycia energii służący do identyfikacji potencjalnych oszczędności lub awarii, instalację energooszczędnych maszyn i urządzeń, poprawę długoterminowego zużycia energii stosując układy automatyki, doradztwo i szkolenia, stałą analizę oszczędności, nadzorowanie i monitoring zużycia energii. 2. DYREKTYWY UE Jednym z aktów prawnych dotyczących wyeksponowania roli odbiorcy końcowego energii w racjonalnym jej użytkowaniu jest dyrektywa 2006/32/WE [1]. Celem dyrektywy jest opłacalna ekonomicznie poprawa efektywności końcowego wykorzystania energii. Poprawa ma zostać uzyskana poprzez szereg zaleceń i wymagań m.in. poprzez audyt energetyczny określony jako systematyczną procedurę pozwalającą na zdobycie odpowiedniej wiedzy o profilu istniejącego zużycia energii danego budynku (-ów) lub instalacji przemysłowej, która określa i kwantyfikuje możliwości opłacalnych ekonomicznie oszczędności energetycznych oraz informuje o wynikach (art. 3). W tym samym artykule podano definicję oszczędności energii jako ilości zaoszczędzonej energii ustalonej poprzez pomiar lub oszacowanie zużycia przed i po wdrożeniu jednego lub kilku środków poprawy efektywności. Zapisano również, że jeżeli jest to technicznie wykonalne, odbiorcy końcowi energii elektrycznej, mieli możliwość nabycia indywidualnych liczników, które dokładnie oddają rzeczywiste zużycie energii przez odbiorcę końcowego i informują o rzeczywistym czasie korzystania z energii. Ponadto Państwa Członkowskie zapewniają, by w odpowiednich przypadkach rachunki wystawiane przez dystrybutorów energii, operatorów systemu dystrybucji i przedsiębiorstwa prowadzące detaliczną sprzedaż energii opierały się na rzeczywi-

2 stym zużyciu energii i były sformułowane w sposób jasny i zrozumiały. Odbiorcom końcowym wraz z rachunkiem udostępniane są odpowiednie informacje pozwalające na całościowe zapoznanie z bieżącymi kosztami energii. Rachunek na podstawie rzeczywistego zużycia energii jest wystawiany dostatecznie często, by umożliwić odbiorcy regulowanie swojego zużycia energii. Ocenia się, że w budynkach, a raczej w sposobie ich użytkowania można dokonać znaczne ograniczenie zużycia energii. Jest to celem kolejnej omawianej dyrektywy [2], która wprowadza konieczność opracowywania metryk budynków jakimi są świadectwa charakterystyki energetycznej. Procedura obliczeniowa tu stosowana pozwala na wyznaczenie zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną m.in. na potrzeby oświetlenia (budynki użyteczności publicznej). Ocenia się, że zużycie energii elektrycznej na cele oświetleniowe w tym sektorze wynosi około 30%. Przepisy dotyczące ekoprojektowania [3] i etykietowania [4] urządzeń nakazują wprowadzanie na rynek i użytkowanie wyrobów energooszczędnych zaopatrzonych w etykiety efektywności energetycznej i spełniających nieraz bardzo rygorystyczne warunki zawarte w normach i rozporządzeniach UE [5,6]. 3. WYNIKI AUDYTÓW OŚWIETLENIA Na podstawie analizy szeregu zrealizowanych audytów oświetlenia w budynkach użyteczności publicznej można stwierdzić, że stosowane instalacje są często użytkowane przez wiele lat. Oprawy i źródła światła są przestarzałe i wyeksploatowane. Ich konserwacja jest dokonywana wybiórczo lub wcale. Oceniając projekty zauważono wiele uproszczeń i niezgodności z obowiązującymi przepisami. Niestety często nowe instalacje oświetleniowe projektowane i instalowane są wykonywane z najtańszych urządzeń zamawianych zgodnie z procedurami przetargowymi nakazującymi jako kryterium wyboru najniższą cenę. Powoduje to często nieprawidłowy dobór elementów i wykonanie instalacji oświetleniowej, niedotrzymywanie wymagań przepisów oraz zwiększenie i nieefektywne zużycie energii elektrycznej. Jednym ze środków poprawy miał być obowiązek wykonywania świadectw charakterystyki energetycznej budynku. Wyznaczenie wartości zapotrzebowania na energię zawiera m.in. informację dotyczące zużycia energii elektrycznej na oświetlenie. W razie braku danych rzeczywistych (projektów i dokumentacji technicznej instalacji oraz źródeł i opraw oświetleniowych oświetlenia), co niestety jest bardzo częste, przepisy zalecają przyjęcie uproszczonych danych dotyczących wartości mocy zainstalowanej oraz czasu użytkowania (tab.1 i 2) [7,8]. Wartość mocy instalowanej może być szacowana dla źródeł innych niż żarowe jako 1,2 x moc deklarowana źródeł światła. Całkowite roczny zużycie energii można wyznaczyć ze wzoru: W a P A ta =., (1) 1000 gdzie: W a zużycie energii elektrycznej w ciągu roku [kwh], P szacowana jednostkowa moc opraw oświetleniowych [W/m 2 ], t a szacowany czas użytkowania instalacji w ciągu roku [h], A pole powierzchni roboczej [m 2 ]. Wyniki uzyskane metodą uproszczoną są tylko prognozą zużycia energii. Dla prawidłowo wykonanego projektu rzeczywistą wartość zużycia energii można wyznaczyć ze wzoru [10]: W ra Pr A t = 1000 ra 2 E A t = 1000 η η ra os u, (2) gdzie: W ra zużycie energii elektrycznej w ciągu roku [kwh], P r rzeczywista jednostkowa moc opraw oświetleniowych [W/m 2 ], t ra rzeczywisty czas użytkowania instalacji w ciągu roku [h], E eksploata-

3 cyjne natężenie oświetlenia na powierzchni roboczej [lx], A pole powierzchni roboczej [m 2 ], η oś sprawność oświetlenia, η skuteczność świetlna z uwzględnieniem strat mocy w obwodzie [lm/w], u współczynnik utrzymania. Według zapisów normy [7] czas użytkowania instalacji oświetleniowej należy przyjmować zgodnie z tabelą 1. Według zapisów ustawy [9] czas użytkowania instalacji oświetleniowej należy przyjmować zgodnie z tabelą 2. Tabela 1 Standardowe godziny rocznego działania w zależności od typu budynku Lp. Typy budynków Czas użytkowania, h/rok 1. Biura Budynki na cele edukacyjne Szpitale Hotele Restauracje Obiekty sportowe Usługi hurtowe i detaliczne Zakłady produkcyjne 4000 Lp. Przeznaczenie pomieszczenia Tabela 2 Standardowe godziny rocznego działania w zależności od typu budynku Czas użytkowania budynki użyteczności publicznej i budynki biurowe, h/rok 1. Kuchnie Halle i korytarze Drogi ewakuacyjne Pomieszczenia w budynkach biurowych i użyteczności 1800 publicznej 5. Oświetlenie zewnętrzne budynku Pozostałe Oświetlenie uliczne 4150 Wyznaczane rzeczywistego zużycia energii na cele oświetleniowe wymaga uwzględnienia danych pomiarowych uzyskanych online w trakcie eksploatacji instalacji. 4. METODYKA UZYSKIWANIA OSZCZĘDNOŚCI ENERGII Jako środki poprawy efektywności energetycznej w dyrektywie [1] podano m.in. zalecenie stosowania: nowych wydajniejszych źródeł światła i stateczników, systemów cyfrowych kontroli, detektorów ruchu w budynkach handlowych oraz użyteczności publicznej itp. oraz pomiary realizowane inteligentnymi systemami pomiarowymi (np. indywidualne urządzenia pomiarowe wyposażone w zdalne sterowanie). Oferta wielu firm zawiera systemy sterowania oświetleniem, które są elementem inteligentnych instalacji. Są to: m.in. DALI (Digital Addressable Lighting Interface), KNX, xcomfort (Eaton Moeller) aparatura modułowa firm takich jak Schneider Electric, Rabbit i inne. Systemy te obejmujące czujniki obecności i światła dziennego oraz sterowanie roletami lub markizami zapewniają sterowanie poziomem oświetlenia w zależności od warunków oświetleniowych.

4 Rys. 1. Diagram poziomu oszczędności energii elektrycznej przy różnych wariantach instalacji oświetleniowej na przykładzie systemu DALI Systemy sterowania i zarządzania oświetleniem w obiektach pozwalają na oszczędność energii do 75%. Nie są one jednak wyposażone w układy pomiaru i rejestracji parametrów zasilania oraz istotnych ze względów eksploatacyjnych parametrów opraw i źródeł światła. Stopień skomplikowania układów sterowania wynikający z ich wielofunkcyjnego przeznaczenia oraz konieczności dotrzymania zapisów norm powoduje, iż w trakcie pracy jest oddawana duża ilość ciepła mająca wpływ na poprawność ich działania oraz trwałość elementów elektronicznych. 5. SYSTEMY POMIAROWE Zgodnie z zapisami normy [7] obwody instalacji oświetleniowych powinny zostać wyposażone w liczniki energii elektrycznej. Rys. 2. Diagram instalacji oświetleniowej (oprawy fluorescencyjne) z licznikami kontrolnymi Ze względu na jakość energii oraz straty mocy biernej liczniki takie powinny umożliwiać pomiar parametrów zasilania obwodów instalacji oświetleniowych [11,12]. Dane liczników kontrolnych powinny być przesyłane do licznika rozliczeniowego z dostawcą energii elektrycznej. Jednym z dedykowanych rozwiązań są urządzenia firmy Schneider Electric zawierające moduł wyłącznika Compact NSX wypo-

5 sażony dodatkowo w funkcje pomiarowe i wyświetlacz [16]. Wybrane dane techniczne modułu zamieszczono w tabeli 3. Tabela 3 Wybrane dane techniczne modułu Compact NSX Prąd znamionowy 16 40A Pomiary wartości I, U, P, S, W ra, THD, PF, cosϕ, f, 15 harmonicznych Akcesoria komunikacyjne Plug&Play Zaproponowany system sterująco-pomiarowy umożliwia spełnienie przepisów dotyczących efektywności energetycznej. Łączy stosowane dotychczas elementy układów sterowania (w tym bezprzewodowe), zabezpieczeń i pomiarowe. Umożliwia monitoring zużycia energii a także daje informacje o jej składowych. Wartości pomiarów realizowane na wejściu obwodu oświetleniowego mogą być przekazywane do licznika nadrzędnego tworząc rozproszony system pomiarów i monitorowania parametrów zasilania. Można również zastosować tu układy kompensacji mocy biernej i filtry harmonicznych. Jednym z ważnych parametrów charakteryzujących urządzenia elektryczne jest ich temperatura. Ciepło jest wydzielane podczas pracy i ma duży wpływ na poprawność pracy, zwłaszcza elementów i układów elektronicznych. Przekształtniki stosowane w oprawach i instalacjach oświetleniowych to coraz częściej układy elektroniczne. Dzięki ich zastosowaniu możliwe jest sterowanie oraz ograniczanie zużycia energii na potrzeby własne urządzeń. W trakcie projektowania i badań typu nowych rozwiązań urządzeń pomiary temperatury są jednym z najistotniejszych punktów programu badawczego. Ich pozytywne (zgodne z zapisami norm) wyniki potwierdzają poprawny dobór elementów składowych. Przekształtniki stosowane w oprawach oświetleniowych ze źródłami fluorescencyjnymi i LED wśród wielu parametrów znamionowych określonych w normach [13,14], powinny mieć określone wartości temperatur: otoczenia t a i znamionową dopuszczalną temperaturę pracy t c, której nie tylko urządzenia sterujące ale także ich podstawy nie powinny przekraczać. Część urządzeń jest wyposażona w półprzewodnikowe zabezpieczenia termiczne (oznaczenie ). Istotne jest aby w stanie zwarcia dynamiczny przyrost temperatury nie przekraczał określonych wartości podanych w normie [13]. Rys. 3. Diagram instalacji oświetleniowej ze sterowaniem i pomiarem parametrów elektrycznych (opracowanie własne)

6 Rys. 4. Tabliczka znamionowa przekształtnik do lamp LED t a = 50 0 C, t c = 85 0 C Również oprawy wykorzystujące złącza LED są wrażliwe na ciepło. Odprowadzanie ciepła ma główne znaczenie dla wydajności diod LED oraz ich żywotności. Zarządzanie ciepłem sprowadza się głównie do obniżania temperatury chipu do możliwie niskiego poziomu poprzez stosowanie radiatorów (rys. 5). Źródłem zbyt wysokiej temperatury może być zasilenie dużym prądem, złe odprowadzanie ciepła do otoczenia, zbyt wysoka temperatura otoczenia lub kombinacja tych czynników. Niewielkie lub krótkotrwałe przegrzanie struktury powoduje częściowe uszkodzenie materiału i osłabienie skuteczności świetlnej. Zwiększanie ilości diod w module LED pozwoli zmniejszyć moc pojedynczej diody. Niestety wzrośnie temperatura otoczenia, diody będą się ogrzewać wzajemnie. Rys. 5. Oprawa oświetleniowa z modułem LED Wyniki badań, które przeprowadziła firma Cree potwierdziły, że: temperatura złącza (również jego podstawy), temperatura powietrza (dookoła złącza) oraz wartość prądu zasilania ma decydujący wpływ na długoterminowe utrzymanie strumienia światła diod LED [15]. Ciepło oddawane do otoczenia jest też wykorzystywane w układach pomiaru wartości prądu płynącego przez przewody z użyciem czujników temperatury. W celu monitorowania temperatur pracy urządzeń zaproponowano zastosowanie sensorów termicznych. Układ realizuje pośrednio pomiar wartości prądów na wejściu i wyjściu przekształtnika i temperaturę jego obudowy oraz podłoża. W przypadku stosowania źródeł LED można też realizować pomiary temperatury podłoża i powietrza wokół złącza półprzewodnika.

7 Rys. 6. Diagram pomiaru temperatury przekształtnika i źródła LED Pośrednie pomiary wartości natężenia prądu na wejściu i wyjściu przekształtnika pozwolą na ocenę (w warunkach rzeczywistych) strat mocy w obwodzie (wzór 2). Wszystkie przedstawione aspekty narzucają konieczność budowę takich systemów umożliwiających kontrolę parametrów zasilania i opraw oświetleniowych. 6. PODSUMOWANIE Przedstawione w niniejszym artykule rozwiązania pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: pomiary kontrolne zużycia energii są wpisane zarówno w ideę smart meteringu jak i wynikają z zapisów dyrektyw i norm. Ich dokładność nie pozwala na rozliczanie według ich wyników kosztów zużytej energii ale umożliwia monitoring parametrów zasilania opraw oświetleniowych, urządzenia kontrolne można użytkować w już istniejących instalacjach oświetleniowych. Niestety w części stosowanych w instalacjach oprawach oświetleniowych ze źródłami fluorescencyjnymi i źródłami LED mogą być stosowane przekształtniki nie spełniające norm dotyczących zawartości harmonicznych. Również całkowity współczynnik mocy PF jest często pomijany w opisie lub prod ucenci podają tylko cosϕ. Podobne jest z wartością mocy znamionowej podawana jest tylko moc diod LED zamiast całej oprawy, dzięki tym urządzeniom można będzie stosować bardziej efektywne układy kompensacji mocy biernej (zarówno indywidualne jak i grupowe), pomiary kontrolne w obwodach oświetlenia umożliwią wykonywanie audytów oświetleniowych na podstawie danych rzeczywistych zużycia energii elektrycznej (wartości mocy i czasu pracy opraw), stosowanie systemów sterowania oprawami (zespołami opraw) oświetleniowymi pozwala na duże oszczędności energii. Jednak oprócz sterowania należy również mieć możliwość pomiarów parametrów pracy urządzeń takich jak temperatura. Złącze półprzewodnikowe stosowane w oprawach LED może pracować wiele tysięcy godzin. Jednak jego skuteczność świetlna i trwałość bardzo zależy od temperatury a co za tym idzie warunków odprowadzania ciepła. Prawidłowy dobór radiatora ale tak-

8 że monitoring temperatur ich pracy pozwoli na bardziej efektywną eksploatację, mniejszą liczbę awarii a w efekcie zmniejszy koszty, proponowane rozwiązania (sensory, urządzenia i systemy pomiarowe) można także z powodzeniem stosować w oprawach stosowanych na zewnątrz pomieszczeń (ogrodowe, uliczne i drogowe). Oprawy te pracują w bardzo szerokim zakresie temperatur, również w ciąg doby. Są często w okresie zimowym pokryte śniegiem. Powoduje to zmianę warunków pracy źródeł światła i układów elektronicznych. Kontrola parametrów zasilania a przede wszystkim monitoring temperatury pracy układów umożliwi bardziej efektywną eksploatację tej grupy urządzeń oświetleniowych. LITERATURA [1] Dyrektywa 2006/32/UE w sprawie efektywności końcowego wykorzystania energii i usług energetycznych. [2] Dyrektywa 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków. [3] Dyrektywa 2009/125/UE ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią. [4] Dyrektywa 2010/30/UE w sprawie wskazania poprzez etykietowanie oraz standardowe informacje o produkcie, zużycia energii oraz innych zasobów przez produkty związane z energią [5] Rozporządzenie Komisji (UE) nr 245/2009 w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla lamp fluorescencyjnych bez wbudowanego statecznika, dla lamp wyładowczych dużej intensywności, a także dla stateczników i opraw oświetleniowych służących do zasilania takich lamp. [6] Rozporządzenie Komisji (UE) nr 347/2010 z dnia 21 kwietnia 2010 r. zmieniające rozporządzenie Komisji (UE) nr 245/2009. [7] PN-EN 15193: 2010 Charakterystyka energetyczna budynków. Wymagania energetyczne dotyczące oświetlenia. [8] Ustawa o wspieraniu termomodernizacji i remontów Dz.U nr 223 poz [9] Rozporządzenie w sprawie szczegółowego zakresu i sposobu sporządzania audytu efektywności energetycznej, wzoru karty audytu efektywności energetycznej oraz metod obliczania oszczędności energii. [10] Pracki P.: Efektywność energetyczna oświetlenia obiektów użyteczności publicznej.; Przegląd Elektrotechniczny, 2009, R85 NR 9/2009, s [11] Borowik L., Kurkowski M.: Składowe mocy elektrycznej opraw z lampami fluorescencyjnymi w świetle przepisów UE. Przegląd Elektrotechniczny, R88 NR 4a/2012, s [12] Bielecki S., Skoczkowski T.: Racjonalne użytkowanie energii w kontekście zagadnień dostarczania energii elektrycznej. Przegląd Elektrotechniczny, R88 NR 12a/2012, s [13] PN-EN :2008. Urządzenia do lamp. Część 2-13: Wymagania szczegółowe dotyczące elektronicznych urządzeń sterujących zasilanych prądem stałym lub prądem przemiennym do modułów LED. [14] PN-EN :2011/AC:2011 Urządzenia do lamp. Część 2-3: Wymagania szczegółowe dotyczące stateczników elektronicznych prądu przemiennego do świetlówek. [15] Materiały firmy Cree [16] Materiały firmy Schneider

9 ENERGY CONSUMPTION CONTROL SYSTEMS IN INSTALLATIONS OF LIGHTING Key words: lighting audit, consumption of electric energy, control systems Summary. The paper presents provisions of EU Directives on energy efficiency equipment used for lighting installations. Attention to recommendations for measurements with meters and transparency of information on energy consumption is paid. It describes the results of audits of lighting installations of premises public buildings and indicates how much data on electricity consumption by the end devices (such as lighting) are insufficient or uncertain. We analyzed requirements for obtaining energy saving methodology. Necessity of power transmission control systems has been indicated. The paper also presents a system developed for the control and monitoring of power and performance of lighting installations equipment. Lech Borowik, dr hab. inż. prof. PCZ, Wydział Elektryczny Politechniki Częstochowskiej. Jego badania skupiają się na problematyce związanej z elektrotermią, metrologią wielkości elektrycznych, pomiarami wielkości elektrycznych i nieelektrycznych. borowik@el.pcz.czest.pl Marek Kurkowski, dr inż. Wydział Elektryczny Politechniki Częstochowskiej. Jego badania skupiają się na problematyce związanej z techniką świetlną, projektowaniem oświetlenia, prognozowaniem zużycia energii na oświetlenie, pomiarami wielkości elektrycznych i nieelektrycznych. marekk@el.pcz.czest.pl