MONITOROWANIE CZYNNE PROCESU OŚWIETLANIA ULICZNEGO Autor: Kazimierz S. Bieliński ("Rynek Energii" - sierpień 2015) Słowa kluczowe: monitorowanie czynne, systemy pomiarowe, efektywność energetyczna, oświetlenie uliczne Streszczenie. W artykule opisano ogólnie ideę monitorowania czynnego procesu oświetlania ulicznego. W pracy przedstawiono model monitorowania czynnego procesu oświetlania ulicznego, stany postulowane i mary oceny procesu oświetlania ulic oraz przeprowadzono dyskusję przyjętego wstępnie rozwiązania inteligentnego systemu sterowania oświetleniem ulicznym w warunkach działania ustawy o efektywności energetycznej. 1. WPROWADZENIE Aktualne wymagania stawiane oświetlaniu ulic, dróg są zawarte w kilkuarkuszowej normie PN-EN 13201:2007 opracowanej przez Europejski Komitet Normalizacyjny. W Polsce obowiązuje ona pod nazwą Oświetlenie dróg [5]. Jej treść pomaga projektantom i użytkownikom w stawianiu wymagań oświetleniowych, w wyborze klas oświetlenia, przeprowadzeniu obliczeń parametrów oświetleniowych, a także wskazuje metody pomiaru parametrów oświetlenia. Identyfikacja wpływu warunków, w jakich jest realizowany proces oświetlania zewnętrznego na jakość oświetlenia oraz opis możliwości sterowania, regulacji i kompensacji zakłóceń jest wciąż ważnym obszarem badań naukowych i poszukiwań innowacyjnych rozwiązań. Wymagania zawarte w normach [4, 5] oraz od lat wytyczany w UE trend preferencji wdrażania przedsięwzięć poprawiających wskaźniki efektywności procesów [3], w tym oświetlania ulicznego, mają istotny wpływ na nowe kierunki w projektowaniu rozwiązań technicznych oraz zmiany oczekiwań ze strony użytkowników systemów oświetlania ulicznego. Przekłada się to na znaczny wzrost zainteresowania władz gmin i innych właścicieli infrastruktury oświetlenia zewnętrznego, rozwiązaniami inteligentnych systemów sterowania oświetleniem ulicznym, których główną funkcją celu jest minimalizacja kosztów eksploatacji instalacji oświetleniowych [2]. Jednak na powszechność ich wdrażania będą miały wpływ: poziom korzyści ekonomicznych wynikających głównie z ograniczenia zużycia energii, uzyskanego dzięki stosowaniu inteligentnego sterowania oraz nakłady poniesione na ich zakup, wdrożenie i utrzymanie. Celem artykułu jest przybliżenie istoty monitorowania czynnego procesu oświetlania ulicznego, stanów postulowanych i warunków technicznych systemu (ST), zmiennych i wskaźników oświetlanego otoczenia (O) oraz wykazanie zgodności działań twórczych z dyrektywą i ustawą o efektywności energetycznej [3].
2. IDEA MONITOROWANIA CZYNNEGO PROCESU OŚWIETLANIA ULICZNEGO Ogólny schemat relacji między każdym systemem technicznym (ST) a otoczeniem (O) z zaznaczoną pomiędzy nimi strefą graniczną (SG) opisano w [1], w kilku późniejszych opracowaniach oraz pokazano na rys.1. Dzięki czynnemu monitorowaniu wskaźników efektywnościowych i charakterystyk użytkowych systemu technicznego, następuje w strefie granicznej generowanie nowej wiedzy, a także poznanie przyczyn i skutków negatywnych następstw w środowisku. W monitorowaniu czynnym wykorzystuje się wiedzę nagromadzoną w strefie granicznej (SG), zdobywaną z oświetlanego otoczenia (O) systemem technicznym (ST) i w zależności od stanów postulowanych (SP) zmiennych, wskaźników jakości, efektywności, nieszkodliwości oświetlania - aktualizuje warunki techniczne (Wt). Problem monitorowania można sformułować w postaci pytania o warunki techniczne (Wt), w tym ciągle aktualizowane sterowanie poznawcze (s), niezbędne do zaistnienia stanów postulowanych (SP) jakości, efektywności, nieszkodliwości oświetlania wybranego obiektu. W monitorowaniu czynnym warunki i cele działania, obiekty doskonalenia, są podstawą realizacji strategii rozwoju systemu technicznego, środowiska (otoczenia), według trzech poziomów zależnych od modeli matematycznych i nowości rozwiązań: optymalizacji - poszukiwanie najlepszego środka, sposobu, czynności technicznej głównie przez działanie na modelu matematycznym, modernizacji unowocześnienie środka, sposobu, czynności technicznej przez równoważne działanie na modelu matematycznym i poszukiwanie nowości, innowacji wymyślenie nowego środka, sposobu, czynności technicznej głównie przez odkrywanie, wymyślanie i wdrażanie nowych rozwiązań. W optymalizacji, modernizacji i innowacji inżynierii oświetlenia, zgodnie z celami ustawy o efektywności energetycznej, poszukiwania redukcji kosztów i zużycia energii elektrycznej urządzeń i instalacji, stanowi istotę współczesnych rozwiązań [1, 2]. 3. ROZWIĄZANIE PROBLEMU Model monitorowania czynnego stanów postulowanych SP i warunków technicznych (Wt) obejmuje wskaźniki następujących zmiennych
(1) _ SP( q, e,, D) fwt( W, W, W, s, t, ), ź o u gdzie: stany postulowane: q jakość oświetlenia, e - efektywność energetyczna, ekonomiczna, ekologiczna, η - sprawność, Ð nieszkodliwość oddziaływania produktu i procesu oświetlania; warunki techniczne: W ź wskaźniki źródeł, W o wskaźniki opraw, W u wskaźniki użytkowania instalacji oświetleniowych, s - sterowanie, t czas cyklu, θ - czas życia. Rys.1. System techniczny (ST) w otoczeniu (O) ze strefą graniczną (SG); X st wejście systemu technicznego, X ot wejście otoczenia, Y ot wyjście otoczenia, Y st wyjście systemu Stany postulowane (SP) w szczególności dotyczą dążenia do wysokiej efektywności ekonomicznej, energetycznej i ekologicznej procesu oświetlania ulicznego o wymaganej jakości. Zatem wiążą się one ściśle z: wyższą jakością oświetlenia ulicznego q (poziom, rozkład luminancji i natężenia oświetlenia, oświetlenie poboczy, oddawanie barw,..), wyższą efektywnością energetyczną e źródeł światła, opraw, instalacji, systemów oświetlenia (skuteczność świetlna), wyższą efektywnością ekonomiczną cyklów życia modernizowanej instalacji oświetleniowej (wskaźniki SPBT, PBT, NPV, IRR), wyższą efektywnością ekologiczną, energetyczną cyklów życia instalacji oświetleniowej (np. redukcja CO 2, ograniczanie energochłonności), nieszkodliwością procesów działania i produktów oświetlenia na człowieka i środowisko (np. niskie wskaźniki olśnienia < 500 kcd/m 2 ),
szerszymi zasobami wiedzy o celach, stanach postulowanych systemu, zasobach, infrastrukturze, eksploatacji, sytuacjach oświetleniowych, o otoczeniu i o ograniczeniach technicznych. Miary oceny jakości produktu oświetlania są opisane w normie PN-EN 13201 i należą do nich między innymi: wartość luminancji oraz jej rozkład, wartość natężenia oświetlenia i jego rozkład, współczynnik oświetlenia poboczy. Efektywności są zdefiniowane następująco: efektywność energetyczna: efektywność ekonomiczna: efektywność ekologiczna: K e e e N, (2) e K ek e ek N, (3) ek K eko e eko N, (4) eko gdzie: K e, K ek, K eko - korzyści energetyczne, ekonomiczne, ekologiczne, odpowiednio: J, zł, t CO2 ; N e, N ek, N eko - nakłady energetyczne, ekonomiczne, ekologiczne, odpowiednio: J, zł, t CO2 ; Nieszkodliwość Ð: światła (poziom olśnienia, wskaźniki olśnienia TI wg normy PN-EN 13201, prześwietlanie powierzchni, nierównomierność rozkładu natężenia oświetlenia, nieoświetlone pobocza,..); procesu wytwarzania światła (minimalizacja energochłonności, minimalizacja emisji CO 2 ); procesu oświetlania (np. wpływ redukcji strumienia świetlnego na bezpieczeństwo użytkowania; niezawodność działania). Monitorowanie czynne oświetlania ulicznego obejmuje zastosowanie inteligentnego sterowania, regulacji i kompensacji instalacją oświetleniową. Na rysunku 1 pokazano szczególny schemat systemu technicznego w relacjach z otoczeniem i strefą graniczną pomiędzy nimi. Możliwości oddziaływania regulującego i kompensującego zależą od wiedzy zgromadzonej w strefie granicznej, gdzie następuje poznanie naukowe i praktyczne, które prowadzi do podniesienia kultury życia, zrównoważonego rozwoju systemu technicznego i polepszania otoczenia. Sprzężenia istniejące pomiędzy systemem, a jego otoczeniem dzieli się na zmienne wej-
ściowe systemu, zmienne wyjściowe systemu, prawa, zasady i modele relacji między zmiennymi. Zakres zadaniowy i metodyczny rozwoju instalacji oświetleniowej, wysokoefektywnych energoelektronicznych urządzeń zasilających, zaawansowanych algorytmów sterowania obejmuje: przybliżenie istoty stawiania i rozwiązywania problemów związanych ze wzajemnymi relacjami środowiska i obiektu technicznego podczas projektowania instalacji oświetlenia ulicznego, zrównoważonego rozwoju i postępu technicznego obejmującego podstawy i próby optymalizacji, modernizacji budowy, eksploatacji nowoczesnych systemów technicznych, a przede wszystkim polepszania elementów i relacji w środowisku naturalnym, tworzenie zasobów wiedzy i wyższego poziomu kultury oraz rozwoju cywilizacji (w kontekście energetyczno-ekologicznym), obliczenie wskaźników efektywnościowych e, wskaźników sprawności η, współczynnika utrzymania MF. Warunki techniczne Wt niezbędne do spełnienia powyższych stanów postulowanych, w zależności od charakteru drogi (klasy oświetlenia) determinują dobór odpowiednich cech i elementów instalacji oświetleniowej takich jak: rodzaj i liczba źródeł światła, typ opraw, typ słupów oświetleniowych, wysokość zamocowania opraw, liczba i typ sensorów, infrastruktura komunikacyjna, materiał podłoża, sposób zasilania instalacji i inne. Mają one istotny wpływ na dobór (obszary twórczego działania): źródeł światła (W ź ), np. innowacje, modernizacje konstrukcji, użyte materiały, poziom strumienia świetlnego, temperatura barwowa, skuteczność świetlna, podatność na sterowanie i regulację strumienia, typu i liczby opraw (W o ), np. innowacje, modernizacje konstrukcji, użyte materiały rozpraszania strumienia świetlnego, poziom poboru mocy, stopień ochrony obudowy, podatność na sterowanie i regulację strumienia, zainstalowane sensory pomiarowe z inteligencją pozwalającą na pomiar i zdalne komunikowanie oraz sterowanie, możliwości pracy autonomicznej, wysokości ich umocowania (W u ), np. wpływ na poziom i rozkład luminancji i natężenia oświetlenia, możliwość regulacji wysokości mocowania), układów sterowania, regulacji i kompensacji (W u, s, t, Θ), np. sterownie czasem astronomicznym, kontrola poziomu oświetlenia naturalnego, kontrola obecności, detekcja ruchu, regulacja strumienia świetlnego, pomiar temperatury i zużycia energii, pomiar parametrów jakości energii elektrycznej, stosowanie filtrów kompensujących zawartość harmonicznych, kompensacja mocy biernej i inne.
Najważniejsze wymagania stawiane oświetleniu ulicznemu (wg normy PN-EN 13201-2, dobór klas oświetlenia ME, CE, S, A, ES, EV, do sytuacji oświetleniowych), dotyczą: zapewnienia użytkownikom wysokiej jakości oświetlania jezdni, chodnika, pobocza (obszaru użytkowego); dobrego rozpoznawania (zdolność rozróżniania kształtów i barw), postrzegania; ograniczenia wpływu otoczenia/środowiska, nie powodowania przykrych odczuć (olśnienia); bezpieczeństwa w strefach konfliktowych. Na rysunku 2 pokazano przykład rozwiązania techniczno-informatycznego instalacji oświetlania ulicznego. Centrum Nadzoru CN Serwer aplikacji zarządzającej GPRS Aplikacja użytkowników Inteligentne oprawy z sterownikami obiektowymi SO SZIO Zestaw czujników PLC Sterownik liniowy SL Urządzenie mobilne Rys. 2. Przykład rozwiązania inteligentnego systemu sterowania oświetlaniem ulicznym 4. DYSKUSJA PRZYJĘTEGO ROZWIĄZANIA W monitorowaniu czynnym procesu oświetlania ulicznego nadrzędną rolę w systemie pełni aplikacja zarządzająca zainstalowana na serwerze w Centrum Nadzoru Oświetleniem CN właściciela lub zarządcy. Z aplikacji zarządzającej przesyłane są (GPRS, Ethernet) poprzez Internet do sterowników liniowych SL, zestawy scenariuszy działania wyodrębnionego obwodu instalacji oświetleniowej. Sterowniki liniowe umieszczone w SZIO (szafa zasilająca instalację oświetleniową) uruchamiają algorytmy sterujące działaniem poszczególnych opraw wg pozyskanych scenariuszy zgodnie z aktualnymi wymaganiami oświetleniowymi. Istotnym elementem systemu sterowania oświetleniem ulicznym, jest dwukierunkowa komunikacja SL z poszczególnymi oprawami (SO). Zapewniają ją tory transmisji danych najczęściej PLC (Power Line Comunication) w wersji G3 lub PRIME oraz rozwiązania bezprzewodowe RFID (Radio-frequency identification), np. na pasmach ISM (433 i 868MHz) o krótkim zasięgu (SRD). Dzięki implementacji sensorów do pomiaru temperatury, zmierzchu, ruchu oraz po-
miarów wielkości elektrycznych, a także oprogramowaniu sterowników obiektowych SO, pojawiły się możliwości pracy autonomicznej opraw i całych obwodów instalacji oświetleniowych. Architektura systemu zapewnia rozwój ilościowy (liczba obwodów, opraw, sterowników, sensorów) oraz jakościowy (sterowanie pojedynczą oprawą, grupowanie opraw, sterowanie i regulowanie strumieniem świetlnym według zaawansowanych scenariuszy, ciągła kontrola poprawności pracy instalacji). Nowoczesne źródła światła stosowane w oświetleniu zewnętrznym oparte są na źródłach wyładowczych (sodowych, metalohalogenkowych) oraz źródłach typu LED. Charakteryzują się one bardzo wysoką trwałością, a w przypadku źródeł LED, dodatkowo znaczną podatnością na regulację wartości strumienia świetlnego (od 10 do 100%) oraz wybór temperatury barwowej (CCT) w zależności od potrzeb. Szeroki zakres regulacji strumienia świetlnego sprzyja sterowaniu obwodem oświetleniowym, którego celem jest minimalizacja zużycia energii elektrycznej obwodów oświetleniowych. Należy jednak zauważyć, że nowoczesne, energooszczędne źródła światła, poza niewątpliwymi zaletami takimi jak: wysoka skuteczność świetlna, wysoka trwałość, dobre oddawanie barw, posiadają również wady tj.: odkształcanie przebiegów prądów, niższy niż dla żarówki współczynnik mocy i przede wszystkim wysoki koszt (oprawy z źródłami LED). W przypadku źródeł i opraw LED, należy zaznaczyć wyraźnie kierunkowy strumień świetlny generowany z tych opraw. Ma to nieoczekiwane efekty w postaci ostrego odcinania np. jezdni od otoczenia lub prześwietlania powierzchni pod lampą, a przy źródłach o bardzo wysokiej wartości skuteczności świetlnej wystąpić może olśnienie. Źródła LED w stosunku do źródeł sodowych mają znacznie wyższy wskaźnik oddawania barw Ra > 70 i bardzo szeroki zakres CCT 3000.10000 K. Im wyższa jest wartość CCT w źródłach LED tym znacząco wzrasta ich skuteczność świetlna η. Trwa od kilku lat dynamiczny przyrost innowacyjnych konstrukcji, kształtów źródeł światła i kompletnych opraw. Należy zadbać, aby wszystkie nowe propozycje rozwiązań spełniały wymagania wysokiej jakości oświetlania zgodnie z normami i ustawą o efektywności energetycznej. Dobór źródeł światła ma znaczący wpływ na aspekty efektywności całej instalacji oświetleniowej. Stosowanie źródeł o wysokiej skuteczności świetlnej wpływa w oczywisty sposób na zmniejszenie poboru mocy i zużycia energii elektrycznej. Redukcja zużycia energii w takich przypadkach, to (20-50)%. Należy pamiętać, że w zależności od przeznaczenia oświetlanej powierzchni ważnym parametrem jest również oddawanie barw.
Nowoczesne systemy czynnego monitorowania, dzięki zaimplementowanym algorytmom w aplikacji nadrzędnej, zapewniają redukcję wpływu przewymiarowania instalacji oświetleniowej wprowadzonego przez projektantów ze względu na starzenie się źródeł światła (współczynnik utrzymania MF). Algorytmy systematycznie zmniejszają stopień redukcji zgodnie z charakterystyką zmian strumienia świetlnego źródła lub oprawy w funkcji lat eksploatacji (W u ). Zastosowanie nowoczesnych źródeł światła (W ź ) z dużą wartością skuteczności świetlnej (np. LED), poprawia zdecydowanie efektywność energetyczną instalacji, ale wiążę się z wysokim kosztem zakupu tych źródeł, co z kolei wpływa na efektywność ekonomiczną instalacji. W przypadku opraw (W o ) aktualnie dostępnych na rynku do rozwiązania przyjęto oprawy z płaskim kloszem, z nową generacją odbłyśników, soczewek, statecznikami z rozbudowaną funkcjonalnością np. możliwością redukcji strumienia świetlnego pojedynczej oprawy. Istotą funkcjonowania opraw oświetleniowych jest zapewnienie równomiernego rozpraszania strumienia świetlnego na wskazanej powierzchni/przestrzeni. Graficzną reprezentacją rozkładu strumienia świetlnego jest krzywa światłości oprawy, która powstaje w wyniku przecięcia bryły fotometrycznej płaszczyzną przechodzącą przez środek symetrii oprawy. Zastosowanie opraw z innowacyjnymi odbłyśnikami dodatkowo wpływa na ograniczenie zużycia energii elektrycznej oprawy i instalacji oświetleniowej o kilka %. Poza zmianą źródeł światła i opraw energooszczędnych kolejnym sposobem na ograniczanie zużycia energii jest zastosowanie inteligentnych algorytmów sterowania, regulacji i kompensacji zakłóceń (W u, s). Dzięki nowoczesnym systemom monitorowania czynnego, inteligentnego, kognitywnego sterowania można uzyskać wysokie oszczędności energetyczne, ekologiczne, a przede wszystkim ekonomiczne. Ograniczenie zapotrzebowania na moc elektryczną instalacji z jednoczesnym zapewnieniem wymaganej jakości, ma istotne znaczenie dla projektowania układów zasilania instalacji. Jest to szczególnie ważne, gdy układ zasilania instalacji oparty jest o źródła energii odnawialnej. Korzyści z wdrożenia systemu monitorowania czynnego: zastosowanie źródeł energooszczędnych (źródła SON, LED,. ) z większą skutecznością świetlną zwiększenie sprawności przetwarzania energii elektrycznej na strumień świetlny, sterowanie pojedynczymi oprawami (możliwość wł/wył opraw, dostosowanie strumienia świetlnego do potrzeb, minimalizacja współczynnika zapasu) - wpływ na trwałość, minimalizację kosztów eksploatacyjnych, zastosowanie sterowania czasem astronomicznym (sterowanie automatyczne wg zegara astronomicznego z dodatkową zwłoką czasową ) redukcja zużycia energii,
zastosowanie redukcji strumienia świetlnego w godzinach nocnych (włączanie redukcji mocy w SL lub w oprawie w zadanym okresie czasu), zastosowanie w instalacji oświetleniowej sterowania na ruch (dostosowanie do natężenia ruchu) redukcja zużycia energii, zapewnienie oświetlenia o barwie białej (5000 5500 K), spełnienie wymagań technicznych określonych w normie PN-EN 13201- zapewnienie bezpieczeństwa użytkowników, obniżenie kosztów konserwacji (sterownie pojedynczą oprawą w trakcie konserwacji i wymiany źródła, sygnalizacji awarii i otwarcia oprawy, lokalny pomiar temperatury i natężenia oświetlenia), uzyskanie podwyższenia efektywności energetycznej, ekonomicznej i ekologicznej instalacji oświetleniowej. 5. PODSUMOWANIE Powiązanie idei czynnego monitorowania z wytycznymi norm porządkujących metodykę postępowania (w tym oceny) stanowią klucz do poprawy efektywności energetycznej instalacji oświetleniowych. Celem opracowania było przybliżenie istoty monitorowania czynnego procesu oświetlania ulicznego, stanów postulowanych i warunków technicznych systemu (ST), zmiennych i wskaźników oświetlanego otoczenia (O) oraz wykazanie zgodności działań twórczych z dyrektywą o efektywności energetycznej. Stosowanie powyższych wskaźników oceny w oświetlaniu pozwala na wykonywanie analiz porównawczych oraz standaryzację procesu ewaluacji monitorowanych procesów oświetlania ulicznego. Nie inaczej jest w przypadku oceny skutków wdrożenia w gospodarce ustawy o efektywności energetycznej [3]. Przedstawiony materiał nawiązuje do wstępnych prac związanych z opracowaniem idei inteligentnego systemu sterowania oświetleniem ulicznym w ramach projektu pt. Inteligentny System Sterowania Oświetleniem Ulicznym w programie GEKON.
LITERATURA [1] Flizikowski J.B. Bieliński S. K.: Technology and Energy Sources Monitoring: Control, Efficiency, and Optimization. IGI Global USA 2013. [2] Pabjańczyk W.: Inteligentne sieci oświetlenia drogowego jako metoda poprawy bilansu energetycznego w gminach. IV Konferencja Naukowo-Techniczna z cyklu Energooszczędność w oświetleniu Poznań 2013. [3] Ustawa o efektywności energetycznej MG z dnia 15 kwietnia 2011. [4] Norma PN-EN 12464 (1-2): 2012. Światło i oświetlenie. PKN Warszawa 2012. [5] Norma PN-EN 13201 (1-4): 2007. Oświetlenie dróg. PKN Warszawa 2007. ACTIVE MONITORING OF STREET LIGHTING PROCESS Key words: active monitoring, metering, energy efficiency, street lighting Summary. This paper describes the general idea of the active monitoring of street lighting process. The paper presents a model of the active monitoring of street lighting process, postulated states and evaluation measure of street lighting process and a discussion was held initially adopted solutions intelligent street lighting control system in terms of the Energy Efficiency Act. Kazimierz Stanisław Bieliński, dr inż., Zakład Metrologii i Podstaw Elektrotechniki, Instytut Inżynierii Elektrycznej, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, e-mail: kazimierz.bielinski@utp.edu.pl.