Разработка технологии создания систем интеллектуального освещения



Проектирование и разработка систем интеллектуального освещения (СИО) является в настоящее время одним из перспективных направлений развития в сфере энергосберегающих технологий. Проекты СИО позволяют экономить большое количество электроэнергии, имеют быструю окупаемость и их высокую эффективность в процессе эксплуатации. В статье рассматриваются проблемы существующих систем освещения, опыт внедрения умного освещения, разработка технологии проектирования и реализации подобных систем, приведены требования к подобным системам и рекомендуемые решения.

Ключевые слова: энергоэффективность, система интеллектуального освещения, Умный дом, Умный город, Интернет вещей.

На сегодняшний день проектирование и разработка систем интеллектуального освещения (СИО) является наиболее актуальной задачей в связи с повышением необходимости развития энергоэффективных проектов. Главным вектором направления в сторону решения задач экономии энергоресурсов является движение в сторону энергоэффективных решений. Ежегодно в России на освещение расходуется около 109 млрд кВт⋅ч, или приблизительно 12 % от общего энергопотребления. При этом потенциал энергосбережения в освещении составляет около 60 млрд кВт⋅ч/год [1].

Одной из основных проблем на данный момент является отсутствие механизмов повсеместной замены устаревшего оборудования. Государство имеет в данном случае несколько способов воздействия на потребителей: стимулирование (даже с учетом того, что стоимость энергосберегающих ламп понизилась в несколько раз), принудительная замена (путем создания законопроектов по запрету неэффективных продуктов) и просветительство (деятельность, направленная на популяризацию информации об энергоэффективных решений, разъяснения о необходимости использования данных решений).

Актуальным также остается вопрос использования динамического освещения. С одной стороны, ведутся активные исследования влияния света на физическое и психическое состояние человека. С другой стороны, такие системы редко устанавливаются на рабочие места, возможно, по причине малой обоснованности этих решений или боязни нововведений на местах.

В настоящее время на рынке систем освещения представлено множество решений в области интеллектуальных систем освещения. Также в ходе развития подобных систем было реализовано несколько экспериментальных проектов, в том числе в образовательных учреждениях.

В 2016 году в Челябинской области проходило тестирование нескольких пилотных проектов по энергосбережению в образовательных учреждениях. Стартовой площадкой была выбрана школа № 12. Компания «Ивелси» совместно с МБУ «ЧГФЭиИТ» оборудовали 4 учебных помещения системами градиентного освещения. В 2017 году также были оборудованы еще несколько помещений и части уличного освещения.

Результатами проведения данного эксперимента стали:

– проект был успешно закончен и распространен еще на несколько объектов;

– за 6 месяцев сэкономлено 30000 КВт∙ч, это на 74,74 % ниже, чем в кабинетах с обычным освещением;

– общие расходы на электроэнергию в образовательном учреждении сократились на 30 %.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что опыт внедрения СИО в Челябинске оказался успешным, что доказывает целесообразность применения таких систем в образовательных учреждениях.

Компания «Световые технологии» разработала концепцию автоматизированного биоритмического освещения помещений, согласно которой система учитывает воздействия на состояние человека и регулирует искусственные источники света согласно рассчитанным параметрам. Эта компания является разработчиком уникального на отечественном рынке решения по организации динамического освещения согласно концепции Human Centric Lighting — светодиодных светильников серии Color Fusion (CH CF). Эта система освещения позволяет воздействовать на человека, подстраиваясь под его биологические ритмы с помощью изменения цветовой температуры (Тцв) [2].

Организация совместно с кафедрой Казанского государственного энергетического университета «Светотехника и медико-биологическая электроника» провела исследование по влиянию спектра окружающего освещения на организм человека. На основе полученных данных была разработана вышеописанная концепция. В системах компании используются собственные компоненты, которые связываются при помощи цифрового интерфейса, разработанного специально для освещения, DALI (Digital Addressable Lighting Interface). Данный протокол имеет ряд преимуществ, среди которых возможность использования его шин с силовыми кабелями, произвольная децентрализованная топология устройств, открытость, устойчивость к шуму, большое количество устройств в схеме, возможность интеграции с другими автоматизированными системами.

Компания Philips еще в 2005 году разрабатывала решения в области интеллектуального освещения. Одним из их проектов, начавшихся в то время, являлась разработка СИО для великобританской компании Citi. Целью проекта было повышение энергоэффективности на 20 % к 2015 году. В ходе проведения эксперимента были проделаны следующие шаги:

– разделение площади офисов на тестовые и рабочие зоны;

– замена старых светильников на светодиодные;

– разработка индивидуальных светильников с функцией автоматического понижения яркости;

– применение технологии Philips LightMaster.

Итогами проекта стала экономия электроэнергии (в сравнении с предыдущей системой) на 45 %. Общие затраты на электроэнергию уменьшились на 36 %. Окупаемость проекта составила 3,5 года.

Как было описано ранее, основными проблемами систем освещения в настоящее время являются проблемы использования устаревшего неэффективного оборудования и отсутствие системы рационального использования электроэнергии. В связи с необходимостью решения перечисленных проблем в совокупности с задачей использования динамического освещения формируется цель работы: повышение эффективности использования электроэнергии, а также работоспособности людей на рабочих местах путем проектирования и разработки технологии систем интеллектуального освещения. Данной целью обуславливается выполнение следующих задач:

1. Анализ области энергоэффективности систем освещения.
2. Изучение исследований в области биоритмического освещения, определение возможности влияния динамического освещения на организм человека.
3. Анализ существующих систем интеллектуального освещения.
4. Разработка технологии, которая позволит проектировать и реализовывать системы умного освещения, предоставление соответствующих гигиеническим, строительным и другим нормам требований и решений.

В ходе реализации проекта был сформирован набор требований и рекомендаций к умному освещению. Система интеллектуального освещения должна реализовывать следующие функции:

1. Адаптивное изменение яркости светильников. Система должна учитывать уровень естественного освещения и, в зависимости от параметров конфигурации, регулировать яркость осветительных приборов. Одно из основных требований к реализации — это плавность изменения интенсивности, отсутствие скачков и морганий. Данное требование диктуется разделом нормативов СанПин, а конкретно максимальным коэффициентом пульсации. Система освещения должна поддерживать минимальный уровень освещенности согласно нормам для помещения. Необходима реализация функции выключения системы при высоком уровне естественного освещения. Также рекомендуется определить минимальный порог яркости.
2. Регулирование цветовой температуры света в зависимости от выбранного режима работы. Требуется создание цикла системы, подобно биологическому, в течение которого изменяется тон светильников в пределах допустимых значений 2700К — 5000К.
3. Отслеживание движения в помещении и своевременное выключение системы освещения при отсутствии такового. Период выключения должен настраиваться в конфигурации системы. При первом обнаружении движения система должна плавно перейти на необходимый уровень яркости.
4. Возможность ручного выключения системы, например, в случаях необходимости затемнения помещения (с целью использования мультимедиа оборудования).
5. Настройка параметров системы через программное приложение. Рекомендуется использование для подключения беспроводных каналов связи.
6. Возможна реализация режима ручного управления. В таком случае требуется разработка удобного приложения, например, на мобильной платформе.

Все функции, кроме последней, являются обязательными для создания максимально энергоэффективной системы и входят в техническое задание на разработку СИО.

Вариантов компоновки такой системы может быть несколько:

 отдельные модули со светильником, контроллером, датчиками;

– модули с несколькими светильниками, датчиками для каждого из них и одним контроллером;

– другие.

Для апробирования разработанной технологии реализована схема, состоящая из следующих элементов:

– один микроконтроллер,

– четыре светильника,

– 1 датчик движения,

– 2 датчика освещения.

Эскиз решения представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Схема соединения компонентов системы

Такая схема позволяет при небольшом наборе компонентов достаточно точно и индивидуально регулировать освещение для нескольких рабочих мест.

Представленная технология была апробирована при проектировании системы освещения для образовательного учреждения. Процесс тестирования показал, что она действительно намного эффективней обычного освещения. Кроме того, такое исполнение более удобно и практично, поскольку исключает возможность оставления света включенным, создает комфортную атмосферу на рабочем месте с правильным уровнем света и его цветовой температурой.

Литература:

1. Об актуализации требований к осветительным устройствам и электрическим лампам в цепях переменного тока // Энергоэффективность и энергосбережение. URL: http://government.ru/docs/30118/ (дата обращения: 15.06.2018).
2. Биологически и эмоционально эффективное освещение Human Centric Lighting // Световые технологии. URL: https://www.ltcompany.com/ru/solutions/hcl/ (дата обращения: 21.06.2018).
3. Human Сеntric Lighting, биодинамические светильники и комфортное освещение // комфортная световая среда. URL: http://www.humancentriclighting.ru/ (дата обращения: 14.06.2018).