Optimalizace energetické náročnosti osvětlovacích soustav v závislosti na denním světle

Jan Šumpich

Doctoral thesis

Energy Performance Optimizing of Lighting Systems Depending on Daylight

Abstract:

Ve své disertační práci řeším výpočty úspor elektrické energie v oblasti osvětlení. Práce přináší podklady pro nástavbu softwaru pro výpočty osvětlení WDLS/WILS od firmy ASTRA. Z podkladů se dají jednoduše predikovat energetické úspory dosažitelné řízením osvětlovacích soustav umělého osvětlení zejména v závislosti na dynamice a směrovosti denního osvětlení. První část práce je zaměřena na základní teorií denního světla, spektrální záření a jeho vliv a potřebu pro živé organismy. Z denního světla vyplývají možnosti využití pro modelování rovnoměrně zatažené oblohy, osvětlování vnitřních pracovních prostor umělým světlem a možnosti jeho řízení v kontextu s chováním denního světla. Jsou zde rozebrány kvantitativní a kvalitativní parametry na osvětlování vnitřních pracovních prostor. Dále tato část naznačuje možnosti regulace osvětlovacích soustav s využitím moderních světelných zdrojů a dostupných řídících a měřících systémů. V této teoretické části je přehled z pohledu legislativních požadavků, které vytvářejí tlak na snižování energetických náročností osvětlovacích soustav. Další část práce se věnuje rešerši možností predikce spotřeby elektrické energie osvětlovacích soustav umělého osvětlení u současně dostupných softwarů. Stávající část porovnává současný stav, kterým směrem se ubírají nástavbové části programů pro výpočty úspor elektrické energie ve výpočetních softwarech RELUX, DIALux. Hlavní jádro disertační práce se věnuje základní filozofii využití dynamického modelu rovnoměrně zatažené oblohy pro výpočty příspěvků osvětleností ve výpočetních bodech míst zrakových úkolů ve vnitřních pracovních prostorech. Tyto cyklické výpočty probíhají s využitím softwaru pro výpočet denního osvětlení. Hodnoty takto vypočtených osvětleností získaných pomocí denního světla jsou následně cyklicky porovnávány s navrženou osvětlovací soustavou umělého osvětlení. Predikce energetických úspor je následně vyhodnocována z požadované úrovně stmívaní osvětlovací soustavy umělého osvětlení provozované na takovou hladinu, aby součet denní a umělé složky odpovídal normativním požadovaným parametrům na udržovanou osvětlenost. Z tohoto rozdílu a doby provozu řešeného prostoru se následně generuje předpokládaná spotřeba takto řízené osvětlovací soustavy umělého osvětlení vůči osvětlovací soustavě neřízené. Díky navržení matematického modelu pro výpočet osvětleností na venkovní nezastíněné rovině během celého roku, který je implementován do výpočetního softwaru WDLS, přepočítá matematický model rovnoměrně zatažené oblohy venkovní nezastíněné roviny přes známý činitel denní osvětlenosti D, na vnitřní intenzitu osvětlenosti. Výpočty WDLS importuji jednoduše do programu WILS, který mi díky navrženému principu regulace dopočítá nastavenou hodnotu intenzity osvětlení ve vnitřním pracovním prostředí. V software WILS si nastavím jednotlivé řady svítidel pro regulaci a tím získám výpočty příkonů cele umělé osvětlovací soustavy jak s regulací, tak bez regulace. Poslední část je věnována verifikaci matematického modelu se skutečnými hodnotami získanými v testovaných prostorech na základě dlouhodobých měření.

Abstract:

Dissertation deals with calculation of the electrical energy savings in the illumination field. Resource materials for superstructure software for the illumination calculation WDLS/WILS from ASTRA MS software are drawn up in this thesis. From these resource materials, it is possible to predict the electrical energy savings, which are achievable by controlling the artificial lighting system based on daylight dynamics. First part of dissertation is focused on basic theory of daylight, spectral radiation and its influence and need for living organisms. Possibilities of the overcast sky for using in model follow. This part of dissertation is devoted to the illumination of the indoor workspaces by artificial lighting with contribution of daylight. Quantitative and qualitative parameters of the indoor workspaces illumination are described. Possibilities of the lighting system regulation using modern light sources, the available control and measurement systems and the legislative requirements overview for the energy consumption reduction of the lighting systems follow. Next part of thesis deals with predictions of electrical energy consumption of artificial lighting systems in available software. Comparison of electrical energy savings calculations in RELUX and DIALux software is presented. The core of dissertation is concentrate to create the dynamic model of the overcast sky for calculation of daylight illuminance on plane of the visual tasks in the indoor workspaces. This calculations run in the software for daylight factor calculation. Gained values are compared with the designed artificial lighting system. Predictions of the electrical energy savings are evaluated with respect to required level of dimming of the artificial lighting system, which is based on level of daylight and artificial light sum. This sum must meet normative requirements for sustainable illuminance. From this difference and operating time of each specific workspace presumptive savings of the electrical energy consumption of controlled lighting systems in comparison with uncontrolled lighting systems of artificial illumination are calculated. Suggested mathematical model of the outdoor unshadowed plane illumination during whole year uses mathematical model of the overcast sky and known daylight factor D to calculate indoor illumination level. Suggested model is implemented into software WDLS. The calculations made in WDLS are then imported into WILS program. Given values of the indoor workspaces illuminance are used as input for dimming of the artificial lighting system. Individual lines of luminaires are controlled in WILS software and input power of whole artificial lighting system recorded – both with and without regulation. The last part of dissertation is dedicated to verification of mathematical model. Data for verification are obtained from long-term measurements in two tested spaces.

Keywords

Energetické úspory, osvětlení, denní osvětlení, rovnoměrně zatažená obloha, umělé osvětlení, stmívání, predikce.

Keywords

Energy savings, illuminance, daylight, overcast sky, artificial lighting system, dimming, prediction.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 9. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 7. 12. 2017
• Supervisor: Karel Sokanský
• Reader: Tomáš Novák, Jan Kaňka, Jiří Plch

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Doctoral programme / field:
Elektrotechnika / Elektroenergetika