MOŻLIWOŚCI STEROWANIA OŚWIETLENIEM Z WYKORZYSTANIEM ELEMENTÓW KNX

XII SYMPOZJUM ODDZIAŁU POZNAŃSKIEGO STOWARZYSZENIA ELEKTRYKÓW POLSKICH WSPÓŁCZESNE URZĄDZENIA ORAZ USŁUGI ELEKTROENERGETYCZNE, TELEKOMUNIKACYJNE I INFORMATYCZNE OPTYMALIZACJA DOSTAW I ROZDZIAŁU ENERGII ORAZ PRZESYŁANIA INFORMACJI W INTELIGENTNYCH OBIEKTACH POZNAŃ, 18-19 LISTOPADA 2009 R. MOŻLIWOŚCI STEROWANIA OŚWIETLENIEM Z WYKORZYSTANIEM ELEMENTÓW KNX Andrzej KSIĄŻKIEWICZ Politechnika Poznańska Instytut Elektroenergetyki Słowa kluczowe: KNX, oświetlenie, algorytmy sterowania. Streszczenie. W referacie przedstawione zostały różnorodne algorytmy sterowania oświetleniem takie jak sterowanie ręczne, z wykorzystaniem czujnika ruchu i obecności, strefowe i zintegrowane, zapewniające zachowanie wymaganych przez normy i warunki komfortu parametrów oświetlenia. Zwrócona została uwaga na możliwie najlepsze wykorzystanie światła naturalnego oraz oszczędność energii elektrycznej. Przedstawiony został przykładowy sposób realizacji zintegrowanego sterowania oświetleniem i roletami, bazujący na wykorzystaniu elementów systemu KNX. 1. WSTĘP Podczas projektowania oświetlenia należy spełnić szereg wymagań formalnych, które opisane są między innymi następującymi kryteriami [1]: natężeniem oświetlenia (na polu pracy i w jego otoczeniu, także równomierność oświetlenia), olśnieniem (przykre UGR, także przeszkadzające i odbiciowe), oddawaniem barw R a i migotaniem. Oprócz wymagań normatywnych zaleca się, aby stosowane oświetlenie było wydajne energetycznie. Istnieje konieczność odpowiedniego sposobu oświetlenia, doboru odpowiedniego sprzętu oświetleniowego, stosowania sterowania oświetleniem i wykorzystania dostępnego światła dziennego [1]. W niniejszym referacie omówione zostanę różne algorytmy sterowania oświetleniem, które mogą zostać zrealizowane w systemie instalacji inteligentnych KNX. Algorytmy te mają na celu zminimalizowanie zużywanej na oświetlenie energii elektrycznej poprzez efektywne sterowanie źródłami światła oraz wykorzystanie światła naturalnego. W budynkach wyposażonych w system instalacji inteligentnej KNX możliwa jest oszczędność energii nawet do 50% w porównaniu do obiektu bez sterowania [2]. 2. MOŻLIWOŚCI STEROWANIA OŚWIETLENIEM W SYSTEMIE KNX W skład systemu instalacji inteligentnych KNX wchodzą elementy służące do pobierania informacji z otoczenia, zwane sensorami, oraz elementy wykonawcze zwane aktorami. Urządzenia KNX komunikują się między sobą przesyłając informacje po magistrali, którą zwykle jest skrętka dwuparowa 2x2x0,8. Informacje przesyłane są w postaci telegramów zawierających między innymi informacje o trasie telegramu, dane właściwe oraz sumę kontrolną. W celu sterowania oświetleniem wykorzystuje się następujące sensory [3]: przyciski, wejścia binarne, czujniki obecności, czujniki natężenia oświetlenia, czujniki wiatru oraz stacje pogodowe. Elementami wykonawczymi wykorzystywanymi w procesie sterowania są następujące aktory [3]: załączające, żaluzjowe oraz ściemniaczowe. Te elementy, połączone ze sobą odpowiednio pod względem funkcjonalnym, umożliwiają realizację szeregu algorytmów sterowania, między innymi sterowanie na podstawie obecności w pomieszczeniu, sterowanie z utrzymywaniem stałego poziomu natężenia oświetlenia, sterowanie strefowe oraz zintegrowane sterowanie oświetleniem i żaluzjami. 3. STEROWANIE Z WYKORZYSTANIEM CZUJNIKA OBECNOŚCI I NATĘŻENIA OŚWIETLENIA Jednym z prostszych sposobów automatycznego sterowania oświetleniem jest wykorzystanie czujnika obecności. Zasada działania takiego sensora oparta jest na pasywnym pomiarze ciepła w zakresie podczerwieni PIR. Jeżeli czujnik wykryje w zasięgu swojego działania ruch, wysyłany jest wtedy telegram na magistralę, który może służyć do sterowania oświetleniem. Algorytm takiego sterowania przedstawiony został na rysunku 1. Ten rodzaj sterowania automatycznego znajduje zastosowanie w regulacji oświetlenia w ciągach

2 KSIĄŻKIEWICZ A. komunikacyjnych, pomieszczeniach socjalnych czy sanitarnych. Pozwala on na rezygnację z ręcznego sterowania, na przykład na korytarzach z wykorzystaniem łączników schodowych i krzyżowych, co upraszcza instalację okablowania w budynku. Jednocześnie, przy poprawnie dobranym oświetleniu, pozwala zapewnić wymagane normami parametry natężenia oświetlenia, olśnienia i współczynnika oddawania barw z jednoczesną redukcją poboru energii elektrycznej zapotrzebowanej przez oświetlenie. Rys. 1. Algorytm sterowania oświetleniem z wykorzystaniem czujnika obecności Regulacja w pomieszczeniu oparta tylko na czujniku obecności ma tą podstawową wadę, że oświetlenie będzie załączane nawet wtedy, kiedy światło naturalne będzie wystarczające i spełniające wymogi normatywne. Można usprawnić działanie tego algorytmu wykorzystując dodatkowo czujnik natężenia oświetlenia, przykładowo INSTABUS ARGUS Präsenz [3]. Urządzenie to stale monitoruje poziom natężenia światła w pomieszczeniu i przy dostatecznym oświetleniu naturalnym nie załączy sztucznych źródeł światła. Algorytm regulacji z wykorzystaniem czujnika obecności i czujnika natężenia oświetlenia przedstawiono na rysunku 2. W przypadku wymienionego sensora nie ma konieczności stosowania dwóch oddzielnych urządzeń, ponieważ spełnia on zarówno funkcję czujnika ruchu jak i kontroli natężenia oświetlenia. Rys. 2. Algorytm sterowania oświetleniem z wykorzystaniem czujnika obecności i z pomiarem natężenia oświetlenia Wprowadzenie dodatkowego bloku w algorytmie sterowania usprawni proces sterowania, zredukuje ilość załączeń źródeł światła, co może zwiększyć ich żywotność. Dodatkowo może przyczynić się do dalszego zmniejszenia zapotrzebowania na energię elektryczną przez oświetlenie w budynku. 4. WYKORZYSTANIE ŚWIATŁA NATURALNEGO Zapewniając dostęp światła słonecznego do pomieszczenia można uzyskać lepsze warunki oświetleniowe w jego wnętrzu, bez potrzeby użytkowania sztucznych źródeł światła lub przy ich minimalnym udziale. Ilość wpadającego do pomieszczenia światła jest zależna od wielu czynników, do których należą między innymi pora roku i dnia czy usytuowanie budynku. W pomieszczeniach znajdujących się od strony południowej jest możliwe znaczne wykorzystanie światła naturalnego. Często można zaobserwować, że w okresie od wiosny do jesieni jest wystarczająco jasno i nie ma konieczności załączania oświetlenia. Natomiast w pomieszczeniach od strony północnej może występować półmrok, niezależnie od pory roku. W takim wypadku konieczne będzie zastosowanie oświetlenia sztucznego. Możliwość sterowania dopływem oświetlenia zewnętrznego istnieje w pomieszczeniach wyposażonych w rolety, verticale (żaluzje pionowe) oraz żaluzje poziome. Oba rodzaje żaluzji dają większe możliwości regulacji niż rolety, ponieważ oprócz ustawienia poziomu wysokości (żaluzje poziome) czy przesunięcia w bok (żaluzje pionowe) pozawalają także na zmianę kąta lamelek. Do ich sterowania wykorzystywane są aktory żaluzjowe, które mają możliwość między innymi ustawienia typu żaluzji, czasu ruchu, przerwy oraz pojedynczego kroku. Ponadto umożliwiają ustawienie alarmów pogodowych, scen świetlnych i pozycjonowania wysokości lamelek. Oddziaływanie na parametry aktorów żaluzjowych odbywa się na podstawie danych zebranych przez sensory, w tym przypadku sensorem jest stacja pogodowa. Zamontowana jest ona na zewnątrz budynku i wykonuje w sposób ciągły pomiary następujących wielkości: natężenia oświetlenia, temperatury, wiatru oraz deszczu. Zmierzone wartości tych wielkości posłużą do sterowania aktorami KNX. Mogą zostać również wykorzystane na przykład w celu wyświetlenia aktualnej sytuacji pogodowej na wyświetlaczu informacyjnym. Istnieje możliwość zaprogramowania kilku poziomów wysterowania żaluzji, które zostaną wykorzystane w zależności od zewnętrznego natężenia oświetlenia. W ten sposób można pośrednio regulować poziom oświetlenia w pomieszczeniu. Właściwie dobrane poziomy sterowania żaluzjami pozwalają na wykorzystanie światła słonecznego, jednocześnie ograniczając przykre olśnienie. Po wykryciu zbyt silnego wiatru lub deszczu stacja pogodowa steruje aktorami żaluzjowymi tak aby żaluzje zostały opuszczone częściowo lub całkowicie, chroniąc w ten sposób pomieszczenie przed zalaniem lub przeciągiem. Istnieje możliwość wykorzystania zamiast stacji pogodowej czujnika światła. Jednak przy takim rozwiązaniu rezygnuje się z kontroli pozostałych warunków atmosferycznych, a tym samym ogranicza możliwość sterowania odbiornikami w budynku. 5. ZINTEGROWANE STEROWANIE OŚWIETLENIEM W POMIESZCZENIU Wykorzystanie wyłącznie stacji pogodowej do sterowania oświetleniem jest niewystarczające, ponieważ nie pozwala ona na bezpośrednie sterowanie aktorami stosowanymi do regulacji sztucznych źródeł światła. Konieczne jest zastosowanie, poza samą stacją pogodową lub zewnętrznym czujnikiem natężenia oświetlenia, aktorów załączających lub ściemniaczowych umożliwiających bezpośrednio sterowanie lampami. Aby było możliwe zintegrowane sterowanie oświetleniem w pomieszczeniu, niezbędne jest zastosowanie następujących sensorów i aktorów: stacja pogodowa, czujnik natężenia oświetlenia, aktor żaluzjowy oraz aktor oświe-

MOŻLIWOŚCI STEROWANIA OŚWIETLENIEM Z WYKORZYSTANIEM ELEMENTÓW KNX tleniowy. Pod pojęciem aktora oświetleniowego należy rozumieć aktor załączający lub ściemniaczowy odpowiedni do oświetlenia zamontowanego w danym pomieszczeniu. Algorytm zintegrowanego sterowania oświetleniem i roletami przedstawiono na rysunku 3. elektrycznej potrzebnej do zasilania sztucznych źródeł światła. Zapewnia również komfort pracy w pomieszczeniu poprzez utrzymanie stałego poziomu natężenia oświetlenia, niezbędnego z punktu widzenia wykonywanej pracy. 3 Rys. 3. Algorytm zintegrowanego sterowania oświetleniem i roletami Urządzenia zgodnie z tym algorytmem działają w sposób następujący. Stacja pogodowa wykonuje pomiar warunków oświetlenia na zewnątrz budynku. W zależności od wyniku pomiaru i zaprogramowanych ustawień wysyła ona odpowiedni telegram sterujący do aktorów żaluzjowych, które następnie ustawiają żądany poziom żaluzji lub rolet. W pomieszczeniu zamontowany jest czujnik natężenia oświetlenia zintegrowany z czujką obecności. W przypadku wykrycia obecności w pomieszczeniu realizowany jest algorytm przedstawiony na rysunku 2. Wykonany pomiar warunków oświetlenia porównywany jest z wartościami ustawionymi podczas programowania urządzenia. Jeżeli ilość światła w pomieszczeniu jest zbyt mała, załącza się oświetlenie sztuczne lub, w przypadku kiedy jest możliwość płynnej regulacji oświetlenia, zwiększany jest jego poziom. W przeciwnym przypadku oświetlenie jest wyłączane lub zmniejszane jest jego natężenie. Płynne sterowanie oświetleniem realizowane przez czujnik natężenia realizowane jest w pętli. Aby uniknąć zbędnych zmian nastaw aktorów, pomiar wykonywany jest przez sensor co cztery sekundy. Jeżeli zaistnieje konieczność regulacji, zmiana nastaw realizowana jest z małym krokiem. Następnie ponownie wykonywany jest pomiar natężenia oświetlenia w pomieszczeniu. Cykl ten realizowany jest, dopóki nie będzie uzyskany żądany poziom parametrów oświetlenia. Zmieniając wartość kroku, z jakim regulowany jest poziom wysterowania aktorów, zmienia się szybkość regulacji. Mniejszy krok oznacza wolniejszą, ale dokładniejszą regulację natężenia oświetlenia, większy krok umożliwia szybsze osiągnięcie żądanych parametrów. Istnieje również możliwość ustawienia histerezy, wpływa to na zmniejszenie ilość kroków regulacji, co jest szczególnie przydatne przy wartościach natężenia oświetlenia bliskich wartościom nastawionym. Algorytm ten umożliwia wykorzystanie oświetlenia zewnętrznego do oświetlenia pomieszczenia. Jednocześnie może przyczynić się do zmniejszenia ilość energii 6. STREFOWE STEROWANIE OŚWIETLENIEM Przedstawione dotychczas algorytmy sterowania mogą znaleźć zastosowanie głównie w pomieszczeniach o ograniczonej powierzchni lub jednorodnych pod względem wykorzystania i przeznaczenia. Można rozważyć przypadek, w którym w jednym pomieszczeniu wyodrębnione są na przykład dwa oddzielne stanowiska pracy, stanowiące jednocześnie oddzielne strefy oświetleniowe. W tych dwóch strefach sterowanie oświetleniem może odbywać się niezależnie od siebie, w taki sposób, aby zapewnić wymaganą jakość oświetlenia w miejscu pracy. Jeżeli w jednej strefie wykonywana jest praca a w sąsiedniej nie, można wtedy załączyć oświetlenie tylko nad użytkowanym stanowiskiem pracy. Należy oczywiście zapewnić na polu bezpośredniego otoczenia pracy wymaganą wartość eksploatacyjną natężenia oświetlenia [1]. Wymaganie to ma charakter nakazowy. W normie PN-EN-12464-1 wymienione są również wymagania o charakterze zaleceń, jednym z nich jest rozkład luminancji. Równomierny rozkład luminancji wpływa na ogólną jakość widzenia i można go zapewnić pośrednio poprzez odpowiednie natężenie oświetlenia [1]. Na podstawie tych zaleceń można zaproponować dodatkowy warunek w strefowym algorytmie sterowania. W strefie, która nie jest użytkowana, oświetlenie nie będzie całkowicie wyłączone. Poprzez wykorzystanie odpowiednich aktorów regulujących źródłami światłą, zmniejszone zostanie natężenia oświetlenia. Taki algorytm został przedstawiony na rysunku 4. Rys. 4. Algorytm strefowego sterowania oświetleniem Można wnioskować, że takie działanie algorytmu przyczyni się do zmniejszenia zużycia energii elektrycznej, pobieranej przez odbiorniki oświetleniowe, w stosunku do pomieszczenia bez sterowania. Dodatkowo w pomieszczeniu powinien być zapewniony lepszy rozkład luminancji, który ma wpływ na poziom adaptacji narządu wzroku a tym samym na jakość widzenia i lepsze warunki pracy [1]. Strefowe sterowanie oświetleniem może zostać również wykorzystane do regulacji oświetlenia w długich korytarzach. Ciąg komunikacyjny można podzielić na dwie lub więcej stref oświetleniowych. Sterowanie w każdej strefie jest niezależne od pozostałych i oparte jest na czujniku ruchu. Podział korytarza na dwie strefy oświetleniowe przedstawiono na rysunku 5.

4 KSIĄŻKIEWICZ A. Rys. 5. Podział korytarza na strefy oświetleniowe Strefy działania czujników powinny się częściowo pokrywać (część zakreskowana na rysunku 5). Dzięki temu uniknie się przechodzenia z jasnej części korytarza do ciemnej. Jeżeli osoba będzie zbliżała się do końca jednej strefy oświetleniowej wejdzie w zasięg kolejnej, powodując tym samym załączenie w niej oświetlenia. W warunkach normalnej pracy oświetlenie nie będzie wyłączne a jedynie przyciemnione. W chwili wykrycia ruchu załączone zostaną źródła światłą w odpowiedniej strefie, a w pozostałych natomiast pozostaną przyciemnione. 7. PRZYKŁADOWY SCHEMAT FUNKCYJNY ZINTEGROWANEGO STEROWANIA OŚWIETLENIEM I ŻALUZJAMI Na podstawie przedstawionego algorytmu zintegrowanego sterowania oświetleniem (rysunek 3) można zaproponować następującą praktyczną jego realizację. Połączenia funkcyjne pomiędzy wykorzystanymi urządzeniami systemu KNX przedstawiono na rysunku 6. Symbole elementów magistralnych opracowane zostały na podstawie Handbook for Home and Building Control [4]. Rys. 6. Schemat funkcyjny sterowania zintegrowanego Zestawienie urządzeń proponowanych do realizacji tego algorytmu oraz przykładowe adresy fizyczne przedstawiono w tabeli 1. Połączenia funkcyjne pomiędzy urządzeniami przyporządkowane są do odpowiednich grupach adresowych, przedstawionych na rysunku 6 w formie trzech cyfr oddzielonych ukośnikiem. Funkcje realizowane w poszczególnych grupach adresowych przedstawiono w tabeli 2. Tabela 1. Zestawienie urządzeń oraz ich adresy fizyczne L.p. Urządzenie Adres fizyczny 1 Przycisk wielofunkcyjny 1.1.1 2 Czujnik natężenia oświetlenia z czujką obecności 1.1.2 3 Stacja pogodowa 1.1.3 4 Aktor ściemniaczowy 1.1.4 5 Aktor żaluzjowy 1.1.5 Stacja pogodowa zamontowana jest na zewnątrz budynku. Służy do pomiaru natężenia oświetlenia oraz wykorzystana jest jako czujnik wiatru. Oświetlenie w pomieszczeniu sterowane jest poprzez czujnik natężenia oświetlenia umożliwiający również kontrolę obecności. Zamontowany w instalacji aktor ściemniający umożliwia takie funkcje jak załącz/wyłącz oraz ściemnij/rozjaśnij. Do sterowania żaluzjami wykorzystano aktor żaluzjowy umożliwiający zmianę pozycji żaluzji góra/dół oraz regulację kąta lamelek. Ilość wykorzystanych w instalacji aktorów żaluzjowych zależy od liczby okien w pomieszczeniu. Każda zamontowana żaluzja musi być podłączona do osobnego kanału aktora. W przypadku aktora ściemniaczowego ilość wykorzystanych kanałów zależna jest od mocy i rodzaju podłączonych źródeł światła. Można zastosować aktor ściemniaczowy sterujący fazowo odbiornikiem lub, w przypadku świetlówek z transformatorem elektronicznym umożliwiającym regulację, aktor sterujący 1 10 V. Aktor ściemniaczowy sterowany jest w trybie automatycznym poprzez czujnik natężenia oświetlenia, w trybie ręcznym poprzez sensor przyciskowy. W przypadku zbyt dużego natężenia oświetlenia w pomieszczeniu należy zmniejszyć poziom wysterowania aktora tak, aby zapewnić właściwe warunki świetlne. Warunki na zewnątrz budynku wpływają na działanie żaluzji. Przy zwiększającym się natężeniu światła słonecznego następuje obniżenie się żaluzji oraz ustawienie odpowiedniego konta lamelek, tym samym zapewniona jest ochrona przed przykrym olśnieniem wewnątrz pomieszczenia. Jeżeli pojawi się zbyt silny wiatr żaluzje zostaną opuszczone całkowicie do dołu. Zachowana zostaje oczywiście możliwość sterowania ręcznego żaluzji. Powyższy przykład stanowi jedynie podstawę do praktycznej realizacji algorytmu zintegrowanego sterowania oświetleniem. W celu faktycznej jego realizacji należy przeanalizować rodzaje zamontowanego oświetlenia i żaluzji, prawidłowo dobrać odpowiednie aktory oraz sensory, a także oczekiwania jakim powinna sprostać instalacja w pomieszczeniu.

MOŻLIWOŚCI STEROWANIA OŚWIETLENIEM Z WYKORZYSTANIEM ELEMENTÓW KNX Tabela 2. Adresy grupowe i funkcje realizowane w programie L.p. Adres grupowy Realizowana funkcja 1 0 \ 0 \ 1 2 0 \ 1 \ 1 3 0 \ 2 \ 1 4 0 \ 3 \ 1 Stacja pogodowa steruje żaluzjami w zależności od natężenia oświetlenia oraz prędkości wiatru Czujnik steruje oświetleniem wewnątrz pomieszczenia w zależności od natężenia oświetlenia i od obecności w jego wnętrzu Sterowanie załącz/wyłącz oraz ściemnij/rozjaśnij z wykorzystaniem sensora przyciskowego Sterowanie góra/dół z wykorzystaniem sensora przyciskowego Wykorzystanie instalacji inteligentnej umożliwia zmniejszenie zapotrzebowania przez budynek na energię, zarówno cieplną oraz elektryczną. Ma to szczególne znaczenie ze względu na konieczność posiadania przez budynki, między innymi użyteczności publicznej, świadectw charakterystyki energetycznej budynku, wymaganych przez Prawo budowlane [5]. Zastosowanie sterowania oświetleniem jest jednym z zalecanych sposobów prowadzącym do poprawy efektywności energetycznej budynku, zapewniającym jednocześnie wymagane przez normy i komfort użytkowania pomieszczenia parametry oświetlenia [1]. W tym celu należy w odpowiedni sposób dobrać elementy sterujące (aktory i sensory), źródła światła oraz algorytm sterowania w zależności od wymagań stawianych danemu pomieszczeniu. Różnorodność algorytmów sterowania pozwala wybrać ten właściwy dla każdego pomieszczenia w budynku. Prostsze sterowanie bazujące na czujniku obecności może znaleźć zastosowanie w pomieszczeniach socjalnych czy sanitarnych. Bardziej skomplikowane algorytmy, takie jak sterowanie strefowe czy zintegrowane, mogą być przeznaczone do zastosowania w pomieszczeniach biurowych. Zaprezentowane algorytmy mogą zostać rozszerzone o możliwość sterowania czasowego instalacją, elementy umożliwiające realizację bardziej skomplikowanych zależności logicznych oraz o sterowanie i monitoring poprzez internet. 5 8. WNIOSKI 9. BIBLIOGRAFIA 1. Komentarz do normy PN-EN 12464-1, COSiW SEP, Warszawa, 2006 2. KNX Journal, www.konnex.org, 1/2007 3. Rozwiązania dla inteligentnych budynków, Katalog, Merten,2006 4. Handbook for Home and Building Control, ZVEI/ZVEH, Belgia, 2006 5. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane, Dz.U. 1994 Nr 89 poz. 414 z późniejszymi zmianami LIGHTNING CONTROLS CAPABILITIES WITH THE USAGE OF KNX SYSTEM DEVICES Abstract. In this paper various lighting control algorithms are described such as manual control, with the usage of the motion sensor, area control, integrated with shutters, providing required by the standards and comfort conditions lighting parameters. Extra attention was paid to the best possible use of natural light and methods to reduce electrical energy demand. An example of integrated control of lighting and shutters, based on the use of the KNX system elements, was presented.