Не снижает ли интеллектуальное освещение энергоэффективность?

Несомненно, светодиодное освещение произвело революцию в индустрии освещения и создало на рынке совершенно новую ситуацию. Например, благодаря замене старых технологий освещения на светодиоды появились новые возможности управления, позволяющие владельцам зданий повысить комфорт и энергоэффективность. Но вопрос в том, не снижают ли системы интеллектуального управления экономию, полученную с помощью светодиодов?

От управления освещением к «Интернету вещей»

Переход от традиционных систем освещения к светодиодным можно разбить на три фазы, имеющие свои уникальные признаки.

Первая фаза характеризуется заменой традиционных источников света, например ламп накаливания или люминесцентных ламп, светодиодными. Основная цель заключалась в том, чтобы снизить эксплуатационные расходы за счет более низкого энергопотребления и более длительного срока службы светодиодных источников света по сравнению с их традиционными аналогами.

Светодиодное освещение потребляет примерно на 75% меньше энергии и имеет срок службы в 25 раз больше, чем у традиционных ламп накаливания. Министерство энергетики США подсчитало, что полный переход на светодиодное освещение может сэкономить около 348 ТВт^.ч электроэнергии только в Соединенных Штатах. Это эквивалентно годовой электрической мощности 44 электростанций (1000 МВт каждая) и представляет собой экономию средств более чем в $30 млрд при сегодняшних ценах на электроэнергию.

Как ожидается многими, вторая фаза этого перехода будет сосредоточена на сочетании светодиодного освещения с датчиками и элементами управления, позволяющими создавать интеллектуальные системы освещения, которые не только принесут удобства пользователям, но и еще больше повысят энергоэффективность. При рассмотрении рыночных факторов становится ясно, что энергоэффективность (и, следовательно, снижение затрат) должна была бы стать главным коммерческим аргументом даже для данной фазы. Поэтому необходимо проверить основополагающий постулат о том, что использование элементов управления освещением обязательно приведет к снижению потребления энергии.

Одним из существенных побочных эффектов применения систем интеллектуального управления освещением является дополнительное энергопотребление, обусловленное их работой. Это энергопотребление будет требоваться как входным устройствам (датчикам, выключателям, устройствам коммутации), так и логическим схемам управления и приема сигналов в самих источниках света. Интеллектуальные системы освещения потребляют энергию для отправки, приема и анализа данных, а также для управления подключенными драйверами и светильниками. Учитывая количество датчиков и узлов управления в интеллектуальных системах освещения, эта потребляемая мощность становится достаточно заметной. Вот почему важно оценить, действительно ли верна главная идея о том, что увеличение управляемости эквивалентно снижению энергопотребления осветительных сетей.

Возрастающее влияние «Интернета вещей» (IoT) отражается и на системах освещения, что позволяет им стать базой для внедрения IoT-решений. Это третий этап, когда система освещения продолжает обеспечивать традиционное освещение, параллельно генерируя и перенося в облако большое количество данных от датчиков. Примером может служить система освещения с датчиками присутствия, где основной функцией остается управление светом. Однако данные датчика присутствия могут служить и для определения степени использования пространства офиса. Кроме того, беспроводная сеть, установленная между источниками света, может использоваться для передачи данных датчиков, которые не имеют прямого отношения к управлению освещением, например датчиков температуры, влажности или качества воздуха.

Анализ этих данных дает огромные преимущества, в частности извлекая информацию, позволяющую интеллектуальному освещению реагировать на уровень окружающего освещения, влажности или уровень СO₂. К тому же это открывает новые возможности и области применения, скажем, подсчет людей или предоставление дополнительной информации, основанной на присутствии людей в помещении. В результате третья фаза предоставит дополнительное повышение эффективности, позволяя интеллектуальному освещению полностью реализовать весь свой революционный потенциал. В настоящей статье пример офисного освещения будет использоваться для количественной оценки как прироста потребляемой мощности от интеллектуального управления освещением, так и экономии, которую можно с ним достигнуть. Также будут обсуждаться основные препятствия на пути внедрения подобных решений и будут проанализированы варианты их минимизации (рис. 1).

Рис. 1 Как в офисном здании, так и в магазинах розничной торговли освещение оказывает значительное влияние на энергоэффективность и комфорт

Подход

Для того чтобы количественно оценить возможную экономию средств от управления освещением в офисах, следует установить базовый уровень минимального потребления энергии, необходимый для освещения рабочего места. Впоследствии этот базис можно использовать для оценки возможной экономии от различных схем управления. Результат этой оценки будет соотноситься с энергопотреблением системы управления для определения общей выгоды от схем интеллектуального освещения. Для обеспечения достоверных выводов будут применены консервативные (низкие) оценки как для требуемой энергии, так и для достижимой экономии.

Освещение офисных пространств

Освещение офисов может осуществляться широким спектром различных источников света. Обычно используются потолочные светильники, такие как «армстронг» (прямоугольные светильники, устанавливаемые в модульные навесные потолки) и подвесные линейные светильники.

Рабочие места в офисах, естественно, различаются по размеру. В Германии минимальный рекомендуемый размер рабочего места начинается от 8 м² (отдельный кабинет) и до 15 м² (офис открытого типа). Минимальная требуемая освещенность рабочих мест зависит от политики предприятия и составляет 300-500 лк в зависимости от типа работы.

Учитывая вышеназванные минимальные значения, можно увидеть, что минимально требуемое количество света на одно рабочее место составляет 300 _лк x 8 _м² = 2400 _лм. Предположив, что световая отдача равна 100 лм/Вт, можно получить, что для освещения отдельного рабочего места требуется минимум 24 Вт электроэнергии. Это число представляет собой абсолютный минимум, основанный на предположении о небольшом офисном пространстве, освещенном высокоэффективным светодиодным освещением. Фактические значения обычно будут значительно выше.

Механизмы управления освещением

Существует четыре основных механизма управления, обычно предназначенные для снижения энергопотребления осветительных систем:

• Датчики присутствия позволяют автоматически выключать свет, когда он не нужен. Это особенно полезно для больших офисных помещений, где отдельные области могут использоваться реже других.
  
• Определение времени включения и выключения (работа по расписанию). Такой метод подходит для зон с заданной по времени схемой освещения (например, уменьшение уровня освещенности в торговых центрах при закрытии, выключение наружного освещения в течение дня).
  
• Датчики уровня окружающей освещенности могут регулировать яркость внутреннего освещения в зависимости от количества доступного дневного света. Это особенно актуально для зданий с большими стеклянными фасадами, через которые поступает много солнечного света.
  
• Определение максимальных настроек яркости для диммируемых светильников позволяет избежать чрезмерно освещенных областей и оптимизировать уровень освещенности для отдельных зон.
  

Энергосбережение с помощью интеллектуального управления освещением

Экономия энергии, которую можно достичь с помощью интеллектуального управления освещением, широко изучается как на частных примерах (конкретные здания/установки), так и для общих случаев - в широком диапазоне различных систем.

Проведенные исследования ясно демонстрируют, что все четыре механизма управления освещением дают ощутимые результаты, доказано, что они значительно сокращают потребление энергии. Оценки объема энергосбережения варьируются от 10 более чем до 50% в зависимости от конкретной ситуации использования.

В 2017 году Министерство энергетики США опубликовало исследование, определяющее типичную экономию при использовании датчиков присутствия в зависимости от типа помещения (табл. 1).

Таблица 1 Типичная экономия при использовании датчиков присутствия в зависимости от типа помещения

Во время метаисследования доступных данных об экономии, выполненного в 2012 году Национальной лабораторией Лоуренса Беркли, оценка экономии составила 24% при использовании датчиков присутствия, 28% - для датчиков дневного освещения, 31 % - для персональных профилей, 36% - для институциональных профилей и 38% - для комбинации нескольких подходов.

Если предположить, что система управления освещением состоит из датчика присутствия и диммера, то по сравнению с обычным освещением экономия энергии может достигнуть 30%. Если применить это к офису, то экономия энергии составит не менее 8 Вт на одно рабочее место.

Мощность, потребляемая системой управления освещением

Потребляемая мощность, которую можно отнести непосредственно к управлению освещением, в основном определяется двумя классами устройств.

• Мощность, потребляемая устройствами ввода (датчики/выключатели). Количество энергии, потребляемой устройствами, которые предоставляют входные данные для регулирования уровня освещенности, например датчики присутствия, датчики дневного света или выключатели с диммерами.
  
• Мощность, потребляемая устройствами вывода (контроллерами).
  

Контроллер получает входные данные от подключенных датчиков (проводных или беспроводных), рассчитывает соответствующий уровень освещенности и передает его драйверу через подходящий интерфейс (например, DALI).

Оба класса устройств могут быть реализованы отдельно (например, один центральный датчик присутствия, обеспечивающий входные данные для нескольких контроллеров) или совместно (контроллер со встроенными датчиками). Одним из примеров таких датчиков является семейство Philips Easysense. Потребление датчиков обычно составляет менее 0,1 Вт, а у контроллеров, как правило, менее 0,2 Вт.

В дополнение к потреблению датчиков и контроллеров необходимо учитывать потребление подключенного драйвера в режиме ожидания, которое составляет менее 0,5 Вт. Используя эти значения, можно оценить, что сложная система управления (один контроллер, один датчик, один выключатель, один драйвер) обычно потребляет не больше 1 Вт мощности. Сравнив эту цифру с полученной экономией, можно определить, что в случае офиса экономия энергии (8 Вт) значительно перевешивает дополнительную мощность, необходимую для работы интеллектуального управления освещением (1 Вт).

Этот сравнительно простой вывод вызывает вопрос о том, почему интеллектуальные средства управления освещением не используются повсеместно уже сегодня. Далее будут обсуждаться вопросы внедрения и потенциальных препятствий.

Внедрение систем управления освещением

Внедрение интеллектуального управления освещением и даже переход на светодиодное освещение все еще находятся на самой ранней стадии. По последней оценке Министерства энергетики США, уровень использования светодиодного освещения в стране в 2017 году составил 12,7 %. В том же отчете говорится, что доля средств управления освещением в настоящее время значительно ниже 1% от общего количества установленного оборудования.

Управление освещением становится все более распространенным подходом при новом строительстве офисных зданий, но они составляют лишь небольшую часть от общего количества зданий.

По оценкам экспертов Европейской строительной технологической платформы (European Construction Technology Platform), в Европе насчитывается около 160 млн зданий. Более 80% из них старше 30 лет, и только около 1% возводится каждый год (рис. 2,3).

Рис. 2 Краткий обзор европейских зданий 


Рис. 3 Распределение фонда зданий в трех регионах Европы по году постройки

Из этих данных видно, что экономию энергии от освещения можно получить только с помощью модернизации существующего фонда зданий. Чтобы успешно войти на этот рынок, системы управления освещением должны иметь положительное соотношение между затратами на модернизацию системы освещения и полученной экономией.

Основным фактором, влияющим на стоимость, является стоимость самих устройств, а также монтажа и эксплуатации (включая техническое обслуживание). Последние два компонента могут быть значительно снижены за счет применения беспроводных систем управления (обеспечивающих быструю установку с минимальными монтажными работами) в сочетании с датчиками на автономном питании.

Ожидаемое воздействие на выбросы парниковых газов

Сокращение выбросов парниковых газов, связанное с экономией энергии, зависит от выбранного для оценки типа топлива или их смеси. При использовании смеси ЕС-27 соотношение составляет около 443 г С02 за сэкономленный 1 кВт^.ч. Таким образом, если 180 тыс. квартир сэкономят 1600 млн кВт^.ч, это обеспечит сокращение выбросов СO₂ на 700 млн кг (или 700 000 т).

Согласно информации Агентства по охране окружающей среды США, впечатляющие 30% от средней энергии, используемой в коммерческих зданиях, теряются впустую. На отопление, вентиляцию, системы кондиционирования и освещение обычно приходится более трех четвертей потребления энергии здания. В случае жилых помещений это может быть не настолько явным, поскольку средства управления освещением, как правило, интегрированы в такие устройства, как Amazon Alexa или Apple Home, требующие для работы своего собственного (более энергоемкого) оборудования.

Например, Amazon Echo в режиме ожидания потребляет 2-3 Вт мощности в зависимости от используемого устройства. Согласно исследованию, по состоянию на январь 2018 года было продано 31 млн устройств, что соответствует более 500 ГВт^.ч энергии в год и свыше 200 000 т СO₂.

Глобальное влияние освещения на энергию

По данным исследования Международного энергетического агентства (МЭА), сегодня в день на освещение приходится примерно 19% (~ 3000 ТВт^.ч) мирового потребления электроэнергии. Ожидается, что потребление энергии для целей освещения будет возрастать, и это несмотря на значительные и быстро происходящие технические улучшения, такие как твердотельное освещение и новые методы управления светом.

Поэтому повышение энергоэффективности в освещении стало ключевым направлением деятельности по энергосбережению, и наиболее перспективным способом достижения этой цели, по-видимому, является использование средств управления светом. Но из-за низкой скорости постройки новых зданий внедрение подобных элементов управления будет происходить преимущественно во время модернизации и обновления. Общий объем потребления энергии зданиями оценивается Европейской комиссией примерно в 40% от общей энергии, расходуемой в Европе. Поэтому использование данных от датчиков, входящих в интеллектуальные системы освещения, может значительно оптимизировать, например, работу системы отопления и кондиционирования, что значительно повысит общую экономию энергии.