Analiza możliwości poprawy efektywności energetycznej systemów oświetleniowych w wybranym gabinecie lekarskim przy wykorzystaniu światła dziennego

Transkrypt

1 Magdalena SIELCHWSK, Maciej ZJKWSKI Poliechnika Białosocka, Kaedra Elekroenergeyki, Fooniki i Techniki Świelnej doi: / naliza możliwości poprawy efekywności energeycznej sysemów oświeleniowych w wybranym gabinecie lekarskim przy wykorzysaniu świała Sreszczenie. W budynkach użyeczności publicznej, ponad 15% energii elekrycznej, zużywane jes na porzeby oświelenia. W niniejszym arykule zaprezenowano kilka nowoczesnych sysemów, kóre wykorzysując promieniowanie słoneczne oraz dosępne oprawy i urządzenia serujące, umożliwiają minimalizowanie koszów energii elekrycznej. bsrac. In public buildings, more han 15% of elecriciy is consumed for lighing purposes. This aricle presens some modern sysems ha can minimize he cos of elecriciy, using solar radiaion available luminaires and conrol elemens. (nalysis of he possibiliies of improving he energy efficiency of lighing sysems in a seleced docor's office by using dayligh). Słowa kluczowe: oświelenie wnęrz, świało dzienne, efekywność energeyczna, serowanie oświeleniem Keywords: inerior lighing, dayligh, energy efficiency, lighing conrol Wsęp Poprawa efekywności energeycznej oświelenia jes od kilku la jednym z prioryeowych działań Unii Europejskiej. owodem na o są liczne zmiany wprowadzane w rozporządzeniach i normach, kóre mają za zadanie nie ylko zachęcić, ale wręcz zmusić użykowników do podjęcia próby ograniczenia zużycia energii elekrycznej. becnie, wydajne energeycznie oświelenie może być realizowane dzięki zasosowaniu sysemów serowania i regulacji, energooszczędnych źródeł świała, czy eż ciągłej konroli warości i serowania naężeniem oświelenia. Niezwykle ważnym aspekem jes wykorzysanie jednego z podsawowych, niewyczerpalnych źródeł energii promieniowania słonecznego. W niniejszym arykule dokonano analizy wpływu świała słonecznego, sysemu serowania oraz dwóch różnych rodzajów opraw (krzywych świałości) na zmianę warości liczbowego wskaźnika energii zużywanej na oświelenie (LENI), a akże obliczono całkowie roczne zaporzebowanie na energię elekryczną dla badanych konfiguracji. Regulacje prawne w zakresie efekywności energeycznej i oświelenia wnęrz świałem dziennym becnie obowiązującą normą, doyczącą projekowania oświelenia wnęrz jes Polska Norma PN-EN : 2012 [1]. Wymagania, określone w normie [1], doyczą między innymi minimalnego poziomu naężenia oświelenia ( ), jego równomierności ( ), współczynnika oddawania barw (R a ) oraz dopuszczalnej warości olśnienia (UGR L ). Przykładowe warości paramerów oświeleniowych dla pomieszczeń szpialnych podano w poniższej abeli. Tabela 1. Wymagania oświeleniowe dla wybranych pomieszczeń opieki zdrowonej [1] Typ obszaru, zadanie lub działalność UGR L R a Poczekalnia ,40 80 Biuro personelu ,60 80 Łazienki i oaley dla pacjenów ,40 80 Pokoje badań (oświelenie ogólne) ,60 90 Pokoje badań (badania i zabiegi) ,70 90 Pokoje przedoperacyjne i pooperacyjne ,60 90 Sala operacyjna ,60 90 Nowelizacja normy [1] w sposób znaczący zaakcenowała konieczność poszukiwania rozwiązań, zwiększających wykorzysanie nauralnego świała w oświeleniu wnęrz. Poza oczywisymi zaleami korzysania z promieniowania słonecznego, zwrócono uwagę na preferowany przez pracowników konak wzrokowy ze świaem zewnęrznym, kóry zapewnić ma odpowiednia ilość i rozmieszczenie oworów okiennych. Zadania, sawiane jednoskom sekora publicznego w zakresie efekywności energeycznej, określone zosały w Usawie z dnia 15 kwienia 2011 r. o efekywności energeycznej [2] oraz w Rozporządzeniu Minisra Infrasrukury z dnia 12 kwienia 2002 r. w sprawie warunków echnicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usyuowanie [3]. Według regulacji prawnych, przedsawionych w usawie [2] przedsawiciele działu publicznego powinni podejmować czynności związane z kupnem, wymianą lub modernizacją urządzeń, bądź insalacji w aki sposób, aby sworzyć sysem wydajny energeycznie. W usawie [2] modernizacja oświelenia zosała wyróżniona, jako jedno z przedsięwzięć, kóre w znaczący sposób oddziałują na zmniejszenie zużycia energii elekrycznej. W rozporządzeniu [3] zaznaczono konieczność zapewnienia co najmniej rzygodzinnego czasu nasłonecznienia w pomieszczeniach zbiorowego przebywania dzieci oraz zdefiniowano wymagany sosunek powierzchni okien do powierzchni podłogi, kóry dla wnęrz przeznaczonych na poby ludzi wynosi 1:8, a dla pozosałych 1:12. Ponado podano dopuszczalne warości mocy jednoskowej oświelenia w budynkach użyeczności publicznej (ab. 2) oraz maksymalne warości wskaźnika ΔEP L, określającego roczne obliczeniowe zaporzebowanie budynku na nieodnawialną energię pierwoną na porzeby oświelenia (ab. 3). Tabela 2. Maksymalna warość mocy jednoskowej oświelenia w wybranych budynkach użyeczności publicznej [3] Maksymalna warość mocy jednoskowej [W/m²] Typ Klasa kryeriów budynku B C Biura Szkoły Szpiale spełnienie kryeriów w sopniu podsawowym B spełnienie kryeriów w sopniu rozszerzonym C spełnienie kryeriów w sopniu pełnym 88 PRZEGLĄ ELEKTRTECHNICZNY, ISSN , R. 93 NR 9/2017

2 Tabela 3. Cząskowe maksymalne warości wskaźnika ΔEP L na porzeby oświelenia w budynkach użyeczności publicznej [3] Cząskowe maksymalne warości wskaźnika ΔEP L na porzeby oświelenia [kwh/m² rok] w Rodzaj budynku zależności od czasu działania oświelenia w ciągu roku 0 [h/rok] od 1 sycznia od 1 sycznia od 1 sycznia Budynek użyeczności publicznej 2014 r. dla 0 < 2500 ΔEP L = r. dla 0 < 2500 ΔEP L = r. dla 0 < 2500 ΔEP L = 25 Meody obliczeniowe Meodyka oszacowania wymagań energeycznych dla insalacji oświeleniowej zosała przedsawiona w Polskiej Normie PN-EN 15193: Charakerysyka energeyczna budynków. Wymagania energeyczne doyczące oświelenia [4]. Według normy w celu zdefiniowania ilości energii zużywanej na porzeby oświelenia, zasosować można dwie meody: pomiarową oraz obliczeniową (rys. 1). Rys. 1 rogi określenia zużycia energii [4] Koncepcja meody obliczeniowej opiera się na rzech współczynnikach, opisujących echniki minimalizowania energii: F C współczynnik sałego poziomu naężenia oświelenia, F współczynnik zależny, wynikający ze serowania i regulacji opraw oświeleniowych oraz F współczynnik wykorzysania świała [5]. W normie [4] współczynnik zależny, wynikający z konrolowania sałego poziomu naężenia oświelenia, zosał opisany jako sosunek średniej mocy wykorzysywanej przez określony czas do mocy zainsalowanej opraw. 1 MF (1) F C 2 gdzie: MF współczynnik urzymania. Współczynnik urzymania MF zdefiniowano w Raporcie Technicznym CIE 97: 2005 [6]. Współczynnik pobyu F określany jes za pomocą poniższych wzorów, zależnie od warości wskaźnika F, charakeryzującego sopień nieobecności. gdy 0 F < 0,2 (2) F 1 F 1 C F gdy 0,2 F 0,9 (3) F FC 0, 2 F gdy 0,9 F 1 / 0,2 (4) F 7 10 F F 1 C gdzie: F C wskaźnik regulacji oświelenia. Relację między wykorzysaniem mocy zainsalowanej opraw oświeleniowych w porze dziennej a dosępnością promieniowania słonecznego, opisuje współczynnik F : (5) F 1 F F S gdzie: F S wskaźnik dosępności świała, F C wskaźnik regulacji oświelenia szucznego Wskaźnik F S opisują współczynniki a i b, zależne od warości naężenia oświelenia oraz dosępności świała (ab. 4), a akże ką szerokości geograficznej położenia danego budynku ( erenu ). Warość F C określana jes na podsawie informacji o sysemie serowania oświeleniem szucznym (ab. 6). F a b C (6) S erenu Tabela 4. Warości współczynników a i b w zależności od warości naężenia oświelenia oraz dosępności świała [4] Urzymywany poziom naężenia Wnikanie świała a b oświelenia Słaba 1,2425 0, Średnia 1,3097 0,0106 Silna 1,2904 0,0088 Słaba 0,9432 0, Średnia 1,2425 0,0117 Silna 1,3220 0,0110 Słaba 0,6692 0, Średnia 1,0054 0,0098 Silna 1,2812 0,0121 W normie [4] przyjęo czerosopniową skalę dosępności świała, zależnie od warość współczynnika, inną dla okien i świelików. Tabela 5. osępność świała [4] kna Świeliki osępność świała 3% 7% Silna 3% > 2% 7% > 4% Średnia 2% > 1% 4% > 2% Słaba 1% > 2% > 0% Pomijalna Tabela 6. Warości współczynnika F C jako funkcja wnikania świała [4] F C jako funkcja wnikania świała Sysem serowania szucznym oświeleniem słaby średni silny Ręczny 0,20 0,30 0,40 uomayczny, zależny od świała 0,75 0,77 0,85 ceny energii zużywanej na oświelenie (W ) dokonuje się sumując energię wykorzysywaną w celu wyworzenia wymaganego oświelenia w pomieszczeniu (W L, ) i energię pasożyniczą wykorzysywaną do oświelenia awaryjnego oraz podrzymywania sysemów serowania (W P, ): (7) W WL, WP, (8) W P F F F F L, n C gdzie: P n moc wszyskich opraw oświeleniowych zasilanych normalnie, czas świecenia opraw oświeleniowych w porze dziennej, N czas świecenia opraw oświeleniowych w porze poza dziennej. (9) W P P, pc P y N em N em PRZEGLĄ ELEKTRTECHNICZNY, ISSN , R. 93 NR 9/

3 gdzie: P pc moc podrzymywania sysemów konroli opraw, P em moc ładowania baerii awaryjnych opraw oświeleniowych, em czas ładowania baerii awaryjnych opraw oświeleniowych, y czas sandardowego roku. Wydajność energeyczną oświelenia definiuje ak zwany liczbowy wskaźnik energii zużywanej w roku na oświelenie LENI, kóry wyraża się poniższym wzorem: W (10) LENI gdzie: W roczna energia, zużywana przez wszyskie oprawy oświeleniowe, całkowie, podłogowe pole użyeczne w budynku. W Rozporządzeniu Minisra Infrasrukury i Rozwoju z dnia 27 luego 2015r. w sprawie meodologii wyznaczania charakerysyki energeycznej budynku lub części budynku oraz świadecw charakerysyki energeycznej [7], zdefiniowano roczne zaporzebowanie na nieodnawialną energię pierwoną dla sysemu wbudowanej insalacji oświelenia: (11) Qp, L Qk, L wel Tabela 8. Warości naężenia oświelenia oraz równomierności na płaszczyźnie pracy in ax in / in / ax ,636 0,483 W celu określenia energochłonności isniejącej insalacji oświeleniowej, wyznaczono warości wskaźnika zużycia energii elekrycznej LENI oraz wskaźnika ΔEP L (ab. 9). Tabela 9. Wyniki obliczeń wskaźników energeycznych isniejącej insalacji oświeleniowej LENI [kwh/m²rok] Q k,l Q p,l ΔEP L 64, , ,06 192,15 Na podsawie orzymanych wyników można swierdzić, że wymagania określone w normie [1] zasały spełnione, naomias warość wskaźnika ΔEP L znacząco przekracza maksymalną dopuszczalną warość, określoną w rozporządzeniu [3] (ab. 3). gdzie: Q k,l roczne zaporzebowanie na energię końcową dosarczaną do budynku lub części budynku dla sysemu wbudowanej insalacji oświelenia, w el współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwonej na wyworzenie i dosarczenie energii elekrycznej (ab. 7). Tabela 7. Warości współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwonej na wyworzenie i dosarczenie nośnika energii lub energii dla sysemów echnicznych [7] Sposób zasilania budynku lub Rodzaj nośnika w części budynku w energię energii lub energii i Miejscowe wywarzanie energii w budynku Sieć elekroenergeyczna sysemowa Gaz ziemny Węgiel kopalny 1,10 Energia słoneczna 0,00 Energia elekryczna 3,00 Ponado określono meodologię obliczania wskaźnika określającego roczne obliczeniowe zaporzebowanie budynku na nieodnawialną energię pierwoną na porzeby oświelenia ΔEP L [7]: Qp, L (12) EPL Poprawa efekywności energeycznej nowoczesnego syemu oświeleniowego przy wykorzysaniu świała nalizę możliwości poprawy efekywności energeycznej sysemu oświeleniowego, wykonano na przykładzie gabineu lekarskiego, mieszczącego się w szpialu zlokalizowanym geograficznie (53º07 59 N 23º09 51 E). Pomieszczenie posiada dwa okna od srony zachodniej (rys. 2) i wyposażone jes w insalację, składającą się z dziewięciu opraw rasrowych ze świelówkami T5 o mocy 54 W każda. prawy załączane są ręcznie bez możliwości regulacji srumienia świelnego. Według normy [1] w badanym pomieszczeniu na płaszczyźnie roboczej, wymagane jes uzyskanie eksploaacyjnego naężenia oświelenia na poziomie 500 lx o minimalnej równomierności 0,60. Wyniki symulacji, przeprowadzonych za pomocą oprogramowania ILux dla sanu wyjściowego gabineu, przedsawiono w abeli 8. Rys. 2 Rzu analizowanego pomieszczenia Poprawę efekywności energeycznej analizowanego gabineu lekarskiego można osiągnąć poprzez modernizację isniejącej insalacji oświeleniowej oraz monaż dodakowych oworów okiennych, bądź świelików dachowych. obór odpowiedniego sysemu serowania, jak również ewenualnego monażu dodakowych okien, waro poprzedzić wnikliwą obserwacją rozkładu naężenia świała, wysępującego we wnęrzu w ciągu całego dnia pracy. osępność świała w gabinecie sprawdzono dla rzech konfiguracji (rys. 3): Warian 1. dwa okna od srony zachodniej, Warian 2. dwa okna od srony zachodniej, dwa okna od srony południowej, Warian 3. dwa okna od srony zachodniej, dwa okna od srony południowej, dwa świeliki dachowe. Symulacje wykonano z wykorzysaniem dosępnego oprogramowania ILux, dla dnia 21 marca 2016r przy nieboskłonie pochmurnym według CIE: Sandard General Sky Guide [8]. 90 PRZEGLĄ ELEKTRTECHNICZNY, ISSN , R. 93 NR 9/2017

4 Tabela 10. Warości naężenia oświelenia oraz równomierności na płaszczyźnie pracy in ax in / in / ax ,749 0,646 Rys. 3 Rozkład naężenia oświelenia świała w godzinach 7:00 19:00 Monaż dodakowych oworów okiennych oraz świelików, zapewnia wyworzenie wyższych poziomów naężenia oświelenia w obrębie analizowanej płaszczyźnie odniesienia. zięki emu dla warianu rzeciego w godzinach 10:30 14:30 w całym gabinecie jes zapewnione oświelenie świałem dziennym, o średniej warości naężenia wyższej niż 500 lx. Tabela 11. Zesawienie wyników po modernizacji oświelenia Godzina Warian 1 srony zachodniej) Warian 2 srony zachodniej, dwa od srony południowej) Warian 3 srony zachodniej, dwa od srony południowej, dwa świeliki dachowe) % 500 0,78 75% 512 0,81 70% 522 0, % 528 0,75 65% 505 0,78 45% 500 0, % 522 0,72 60% 524 0,73 30% 527 0, % 510 0,70 50% 502 0,67 10% 501 0, % 525 0,69 45% 500 0,63 0% 520 0, % 501 0,67 45% 516 0,62 0% 560 0, % 501 0,67 45% 517 0,62 0% 563 0, % 527 0,69 45% 503 0,63 0% 528 0, % 513 0,70 50% 507 0,67 10% 514 0, % 525 0,72 55% 500 0,71 25% 512 0, % 500 0,75 65% 513 0,78 45% 519 0, % 504 0,78 75% 521 0,82 65% 511 0, % 516 0,77 80% 512 0,76 80% 509 0,77 Średnia 69% 513 0,72 58% 510 0,71 29% 522 0,67 Rys. 4 Widok pomieszczenia po modernizacji Warości naężenia oświelenia jakie pojawiają się w okolicy okien są wyższe o ponad 2,5 ysiąca luksów od warości wymaganych. by emu zapobiec i jednocześnie uzyskać jak najlepszą jakość oświelenia, w oknach znajdujących się po sronie zachodniej oraz południowej, zasosowano szkło o sopniu ransmisji świała na poziomie 50%. Jes o pozornie zmiana ograniczająca możliwości dosania się do pomieszczenia promieniowania słonecznego. W rzeczywisości rozkład przesrzenny i powierzchniowy promieniowania słonecznego jes idenyczny, niezależnie od sopnia przepuszczania, a zmianie ulega jedynie warość średnia naężenia oświelenia na powierzchni roboczej (mniejsze olśnienie od okien). W celu zapewnienia jak najlepszej efekywności energeycznej dokonano modernizacji sysemu oświeleniowego. Isniejące oprawy świelówkowe zosały zasąpione nowoczesnymi, energooszczędnymi zamiennikami ze źródłami LE, LUGCLSSIC EC LB LE o mocy 24 [W]. Wyniki eksploaacyjnego naężenia i równomierności oświelenia na płaszczyźnie obliczeniowej, bez uwzględnienia świała, zesawiono w abeli 10. Zasosowane oprawy posiadają funkcję regulacji srumienia świelnego, co pozwala na precyzyjne dopasowanie poziomu naężenia oświelenia we wnęrzu przy jednoczesnym wykorzysaniu promieniowania słonecznego. Uzyskane wyniki średniego naężenia oświelenia, równomierności oraz możliwego poziomu opraw LE dla rzech warianów przedsawiono w abeli 11. Na podsawie zaprezenowanych wyników symulacji można zauważyć znaczącą poprawę w jakości oświelenia (równomierność na poziomie 0,749) po zasosowaniu opraw LE. Serowanie oświeleniem umożliwia zmniejszenia zużycia energii elekrycznej poprzez ściemnianie opraw. Waro zwrócić uwagę, iż z powodu niewielkiego przewymiarowania insalacji oświeleniowej, nawe w syuacji, gdy brakuje świała słonecznego wykorzysuje się maksymalnie 80% mocy insalacji oświeleniowej. W celu dokonania pełnej analizy efekywności energeycznej gabineu wykonano obliczenia wskaźnika LENI, wskaźnika ΔEP L, rocznego zaporzebowania na energię końcową (Q k,l ) oraz na nieodnawialną energię pierwoną (Q p,l ) dla sysemu insalacji oświelenia dla wszyskich rzech konfiguracji i porównano rezulay z wynikami sanu wyjściowego (ab. 12). Tabela 12. Wyniki obliczeń wskaźników energeycznych isniejącej insalacji oświeleniowej oraz po modernizacji oświelenia San Paramer Warian 1 Warian 2 Warian 3 wyjściowy P N [W/m²] LENI [kwh/m²rok] Q k,l Q p,l ΔEP L 17,67 7,85 7,85 7,85 64,05 25,00 20,15 18, ,35 687,59 554,12 499, , , , ,33 192,15 75,01 60,45 54,48 Poprzez modernizację insalacji oświeleniowej w badanym gabinecie lekarskim udało się osiągnąć bardzo dobre rezulay energeyczne. Wymiana opraw świelówkowych na LUGCLSSIC EC LB LE doprowadziła do znacznego obniżenia wskaźnika ΔEP L, PRZEGLĄ ELEKTRTECHNICZNY, ISSN , R. 93 NR 9/

5 dzięki czemu zosały spełnione warunki rozporządzenia [3] we wszyskich analizowanych warianach. W sosunku do sanu wyjściowego wskaźniki energeyczne poprawiły się nawe o 60% 70%, co w skali kilku la i większej grupy modernizowanych pomieszczeń, w znaczącym sopniu wpływa na poprawę efekywności energeycznej całego budynku. Podsumowanie W niniejszym arykule omówiono najważniejsze regulacje prawne w zakresie efekywności energeycznej i oświelenia wnęrz, zaprezenowano meodologię oszacowania wymagań energeycznych dla insalacji oświeleniowej oraz na przykładzie wybranego gabineu lekarskiego dokonano analizy wpływu świała słonecznego, sysemu serowania oraz dwóch różnych rodzajów opraw na zmianę warości wskaźników energeycznych. Uzyskane wyniki świadczą o ym, iż nawe najprossze rozwiązanie modernizacyjne, jakim jes wymiana opraw oświeleniowych, pozwala na uzyskanie bardzo dobrych efeków przy zmniejszeniu zużycia energii. Zasosowanie opraw LE spowodowało spadek warości wskaźnika LENI o około 60%, ym samym udało się osiągnąć warość wskaźnika ΔEP L na poziomie 75, co mieści się w granicach dopuszczalnych warości, określonych w rozporządzeniu [3] (ab. 3). Możliwość dopasowania warości srumienia świelnego do panujących warunków amosferycznych, daje ogromne możliwości w zakresie poprawy efekywności energeycznej, umożliwia sałą regulację i dososowanie warości naężenia oświelenia przy maksymalnym wykorzysaniu świała. odakowo rozważając całkowie zaporzebowania energeyczne budynku, z uwzględnieniem insalacji z ZE, można realizować ideę "prawie zero energeycznych" budynków użyeczności publicznej. Zaprezenowane wyniki mogą sanowić podsawę badań efekywności energeycznej oświelenia w budynkach opieki zdrowonej oraz budynkach użyeczności publicznej. rykuł zosał zrealizowany w Kaedrze Zarządzania Produkcją Poliechniki Białosockiej w ramach pracy sauowej S/WZ/1/2015 uorzy: mgr inż. Magdalena Sielachowska, Poliechnika Białosocka, Kaedra Elekroenergeyki, Fooniki i Techniki Świelnej, m.sielachowska@dokoranci.pb.edu.pl dr hab. inż. Maciej Zajkowski, Poliechnika Białosocka, Kaedra Elekroenergeyki, Fooniki i Techniki Świelnej, m.zajkowski@pb.edu.pl LITERTUR [1] Polska Norma PN-EN :2012. Świało i oświelenie. świelenie miejsc pracy. Część 1: Miejsca pracy we wnęrzach. [2] Usawa z dnia 15 kwienia 2011r. o efekywności energeycznej z. U. z 2011r. Nr 94, poz [3] Rozporządzenie Minisra Infrasrukury z dnia 12 kwienia 2002r. w sprawie warunków echnicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usyuowanie. [4] Polska Norma PN-EN 15193:2010. Charakerysyka energeyczna budynków. Wymagania energeyczne doyczące oświelenia. [5] Bąk J., Wydajne energeycznie oświelenie wnęrz, Wybrane zagadnienia., CSiW [6] CIE, Technical Repor: Guide on he mainenance of indoor elecric lighing sysems. CIE 97:2005 2nd Ediion. [7] Rozporządzenie Minisra Infrasrukury i Rozwoju z dnia 27 luego 2015r. w sprawie meodologii wyznaczania charakerysyki energeycznej budynku lub części budynku oraz świadecw charakerysyki energeycznej. [8] CIE, Technical Repor: Sandard General Sky Guide. CIE PRZEGLĄ ELEKTRTECHNICZNY, ISSN , R. 93 NR 9/2017