Örökzöld téma: energiatakarékosság III.
2011/7-8. lapszám | Chiovini György | 6752 |
Figylem! Ez a cikk 13 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A legtöbb épületben van olyan napszak, amikor a természetes világítás is elegendő. Energiát tudunk megtakarítani, ha a mesterséges világítást összehangoljuk a természetes világítással. „Ha kinn süt a nap, akkor benn világosabb van” – ez közhely, de i...
A legtöbb épületben van olyan napszak, amikor a természetes világítás is elegendő. Energiát tudunk megtakarítani, ha a mesterséges világítást összehangoljuk a természetes világítással. „Ha kinn süt a nap, akkor benn világosabb van” – ez közhely, de igaz. Mivel az épületen kívül és a helyiségben mérhető megvilágítás között valóban van mennyiségi összefüggés, erre alapozva világításvezérlő rendszert készíthetünk.
■ Világítási tényező
A természetes megvilágítás a Naptól származik. A Föld felszínére jutó fényt alapvetően befolyásolja a felhőzet.
 |
A közvetlen napfény Magyarországon, nyáron akár 100 000 lx megvilágítást is okoz. Ennél kisebb, de nagyon jelentős az a szórt fény, ami a felhőkkel teljesen beborított égboltról érkezik.
Ezt takaratlan, vízszintes síkon mérjük, illetve erre vonatkoztatjuk. Lényeges, hogy a megvilágítás ilyen körülmények között független az égtájtól. Ismeretes, hogy a Nap évszaktól függően más látszólagos pályát ír le a horizonthoz képest napkeltétől napnyugtáig. Ebből következik, hogy deleléskor télen kisebb a felhős égbolt szórt fénye, nyáron pedig nagyobb. Évente mintegy 4400 órán keresztül mérhető bizonyos megvilágítás, aminek júniusi várható értéke több mint 40 000 lx. Ezt szemlélteti a külső tér megvilágításának tartamdiagramja (2. ábra).
Ha a görbén kiválasztunk egy pontot, akkor leolvashatjuk, hogy az ahhoz tartozó külső megvilágítás évi hány órán keresztül áll fenn. A világítástervezésnél megállapodáson alapuló szabály az, hogy méretezési értékként 5000 luxot használunk. Ez évente mintegy 4000 órán keresztül rendelkezésre áll.
Ennek jelentősége lemérhető azon, hogy mesterséges világításnál ennek ötödrésze, 1000 lx is igen jó érték.Épületeink azonban csak kis felületen átjárhatók a napfény számára. Az ablakokon, felülvilágítókon, esetleg fényáteresztő falakon bejutó fény a külsőhöz képest sokkal kisebb megvilágítást hoz létre.
A megfelelő világításvezérléshez éppen ennek az összefüggésnek az ismeretére van szükség. Erre szolgál az „e” világítási tényező. Meghatározás szerint két megvilágítási érték hányadosa, százalékban kifejezve. Az egyik az épületben mért megvilágítás, a másik ugyanabban az időpontban az épületen kívül mért megvilágítás (1. ábra).
Fontos, hogy mindkettőt vízszintes síkban mérjük, illetve értelmezzük, továbbá a külső megvilágítást felhővel teljesen takart égboltnál, a közvetlen napfény kizárásával kell mérni. Belátható, hogy a világítási tényező nem függ mástól, csak az épület kialakításától. Ugyanaz minden évszakban, minden napszakban. (Kis pontosítás: feltételezzük, hogy az épület környezete sem változik, például nem kerül takarásba.) Annál jobb a világítási tényező, minél nagyobb a bevilágítók felülete, minél nagyobb a belső teret határoló felületek reflexiója. Ez építészeti kérdés, a világításvezérlés szempontjából adottságnak kell venni.
 |
 |
Energiatakarékosság tekintetében természetesen az a jó, ha nagy a világítási tényező, mert akkor a mesterséges világításra csak rövid ideig van szükség. A világítási tényező a helyiségen belül más és más érték. Oldalablaknál az ablaktól kezdve csökken egészen a helyiség legtávolabbi pontjáig. Számpélda egy adott helyiségre: az ablaktól 1,35 méterre 10%, 4 méterre 3% és 6,75 méterre már csak 1,8%. Ha a lámpatesteket zónákba fogjuk össze, akkor az egyes zónákra meghatározható annak a helyiségrésznek az átlagos világítási tényezője.
A mesterséges világítás működtetésénél abból indulunk ki, hogy a helyiségben előírt megvilágítást mindenképpen biztosítani kell. Ha a külső természetes fény elegendő ehhez, akkor ne használjuk a fényforrásokat; ha kisebb, akkor a fényforrásokkal egészítsük ki, vagy teljesen pótoljuk. Ha az e = (Eb/Ek)*100 képletbe beírjuk a belső megvilágítás kívánt értékét és az oda érvényes világítási tényezőt, kiszámolhatjuk belőle az ehhez tartozó külső megvilágítási értéket.
Ez lesz a vezérlés alapjele. Ha a természetes fény ennél kevesebb, akkor kell az automatikának a mesterséges világítás bekapcsolására parancsot adni. Példa: legyen a megvalósítandó megvilágítás a helyiségben 500 lx, a világítási tényező 5%: ekkor az ehhez tartozó külső megvilágítás 10 000 lx. A tartamdiagramból látszik, hogy ebben az esetben évente kb. 3000 órán keresztül nem lesz szükség mesterséges világításra.
A tényleges működtetési idő azon is múlik, hogy a helyiséget a nappali órákon kívül milyen hosszú ideig kívánjuk használni. A világítási tényező méréssel való meghatározását a fenti szempontok szerint végezzük. A külső mérésnél nem érheti közvetlen napfény a műszert, csak az égbolt szórt fényét kell mérni. A belső mérésnél legalább annyi ponton mérünk, ahány világítási zónát (lámpacsoportot) tervezünk. Zónán belül a legkedvezőtlenebb ponton kell a megvilágítást megmérni. Célszerű egymás után két mérést végezni, hogy az esetleges zavaró körülményeket kiszűrjük.
■ Fényérzékelés, fényérzékelők
A világításvezérlés megvalósításához alapvetően két eszköz szükséges. Az egyik eszköz a fényt érzékeli, és ezzel arányosan megváltozik valamilyen villamos jellemzője. Ezt a villamos jelet dolgozza fel a másik eszköz, és ennek alapján vezérli a rákapcsolt lámpatestet vagy lámpatestcsoportot. E két funkció beépíthető egy készülékházba is, de helyileg el is különülhet (5-6. ábra). Az érzékelő (szenzor) alatt az irányítástechnikában elsősorban egy jelátalakító funkciót értünk. A világítástechnikában az érzékelő megnevezés rendszerint egy felszerelésre, használatra kész terméket jelent. Részegysége, alkatrésze az a szerkezeti elem, amelyik ténylegesen a fényt érzékeli, és ennek hatására valamilyen villamos jellemzője megváltozik (3. ábra). A szemünk is fényérzékelő, de sajátos érzékenységgel. A különböző elektromágneses sugárzások közül szemünkkel – mint fényt – a 380 és 780 nm közötti tartományt látjuk (4. ábra).
 |
|
 |
 |
Ezen belül azonban eltérő a szem érzékenysége. Ezt szemlélteti az ún. láthatósági függvény. Tulajdonképpen két függvényről van szó, mert szemünk másképp lát sötétben és világosban. A világítástechnikai alkalmazás szempontjából az utóbbi helyzet, illetve függvény a meghatározó. Lényege, hogy a tartomány közepén érzékenyebb, szélein érzéketlenebb a szemünk (8. ábra). Amikor az automatizálásnál szemünk helyett elektronikus érzékelő észleli a megvilágítást, a megfelelő vezérléshez vagy szabályozáshoz hasonló érzékenységgel kell működnie.
Miként szemünknek van spektrális érzékenységi függvénye, úgy az egyes fizikai elven működő fényérzékelőknek is. Ez nem esik egybe a szemünkre érvényes összefüggéssel, a kettő közelítéséről külön gondoskodni kell. Erre azért is érdemes figyelemmel lenni, mert léteznek más fényérzékelők is, amelyeket világításvezérlési feladatra nem célszerű használni. Például az árnyékolók vezérléséhez használt fényérzékelők a napfény hosszabb hullámhosszúságú összetevőire vannak kifejlesztve. (Árnyékolásnál a napsütés hőhatása ellen védekezünk.)Fényérzékelésre fotoellenállásokat, fotodiódákat és fototranzisztorokat alkalmazunk.
 |
A fotoellenálások működési elve az, hogy elektromágneses sugárzás hatására ellenállásuk meredeken csökken. Sokfélék lehetnek, felhasználási cél szerint eltérő spektrális érzékenységgel készülnek (9. ábra). Fénymérésre azok alkalmasak, melyek érzékenységi tartománya hasonló az emberi szemhez. Igen széles méréshatárok között működnek, a méréshatárváltás egyszerűen megoldható. A fotodiódák és fototranzisztorok p-n átmenetes érzékelők. A fény hatására fellépő fotoáram arányos a megvilágítással.
A fototranzisztor jelleggörbéje nem olyan lineáris, mint a fotodiódáé. Inkább csak a sötét–világos megkülönböztetésre, mint mérésre használható, viszont érzékenysége többszöröse a fotodiódának. A fénymérésre használt fotodiódákat szűrővel egészítik ki, hogy az infravörös tartományt kizárják. A fényérzékelőt elhelyezhetjük az épületen kívül vagy belül. A beltéri változat természetesen az ablak közelébe kerül úgy, hogy az érzékelő felület az ablak felé néz (7. ábra). Sem közvetlen napfény, sem mesterséges világítás közvetlen fénye nem érheti. A távolság ne legyen nagyobb az ablak magasságánál. Az ablak és az érzékelő között tárgyak (pl. lámpatest, dísznövény) ne legyenek. Az árnyékolókra (pl. függöny) ez természetesen nem vonatkozik.
Felülvilágítóval rendelkező helyiségekhez is telepíthető belső fényérzékelő. Ennek elhelyezésére is érvényesek az előbbi szabályok. Tervezéskor célszerű a gyártó segítségét, útmutatását igénybe venni. A külső elhelyezésű érzékelő javasolt helye az épület északi oldala. Itt közvetlen napfény nem éri. Azt viszont biztosítani kell, hogy az égbolt szórt fénye akadálytalanul érhesse. Nem szükséges minden helyiséghez külön érzékelőt telepíteni.
A világítástechnikai szempontból azonos módon kezelhető helyiségek közös érzékelővel vezérelhetők. Gyártanak olyan fényérzékelőt is, mely digitális alakban szolgáltatja a mért megvilágítást. Ennek a fő előnye az, hogy a jelfeldolgozás programját a felhasználó tág határok között tudja testre szabni. Többek között az emberi szem spektrális érzékenységét leíró láthatósági függvény is nagyon pontosan alkalmazható. Figyelembe lehet venni a külső vagy belső telepítési hely sajátosságait is, ellensúlyozni lehet például egy szomszédos épület okozta időleges takarás hatását.
 |
A fényérzékelők adatlapján rendszerint a következő adatok találhatók:
■ energiaellátás (belső, külső),
■ méréstartomány(ok),
■ érzékelő (fotoellenállás, fotodióda),
■ alkalmazási hely (beltér, kültér),
■ jeltovábbítás (vezetékes, vezeték nélküli),
■ vezeték max. hossza,
■ szerelési mód,
■ védettség.
 |
■ Vezérlő eszközök – kapcsolóvezérlők
A vezérlőegység feldolgozza az érzékelőből származó jelet, és utasítást ad a mesterséges világítás változtatására (be- és kikapcsolás, növelés, csökkentés). Ha a vezérlő és érzékelő funkciót egy készülékházban helyezzük el, akkor ennek elhelyezése természetesen a helyiségben az ablak, illetve a felül- világító közelében történik. Egyébként a vezérlő kerülhet elosztó- vagy kapcsolószekrénybe. A külső elhelyezésű érzékelők egy nagyságrenddel nagyobb megvilágítást mérnek, mint az épületben felszereltek. Ennek megfelelően a vezérlők két méréstartománnyal rendelkeznek. A kiválasztás egyes termékeknél tolókapcsolóval, más termékeknél a sorkapocs megfelelő pontjainak rövidre zárásával végzendő. A legegyszerűbb vezérlő egy kapcsolt kimenettel rendelkezik.
A kapcsolási értékeket potenciométerrel kell kiválasztani (10. ábra). A kikapcsolást vezérlő potenciométer luxban van skálázva. A beállításhoz szükség van a világítási tényező ismeretére. Ez, mint ismeretes, a bent mért és a kint mért világítás hányadosa. (Meghatározását egy korábbi bekezdés tartalmazza.) A beállítást úgy kell végezni, hogy a kapcsolás a helyiségben szükséges megvilágításnál történjen. Számpélda: a világítási tényező 3% (0,03), az előírt megvilágítás pedig 300 lx. A beállítandó érték: 300/0,03 = 10 000 lx.
A vezérlő tehát akkor kapcsolja ki a mesterséges világítást, amikor kint a megvilágítás elérte a 10 000 luxot. Külső érzékelésnél a húszas szorzó miatt a potenciométert 10 000/20 = 500 luxra állítjuk. A bekapcsolást vezérlő potenciométer százalékban van skálázva. Úgy állítjuk be, hogy milyen kapcsolási hiszterézist akarunk. Ha például 85%-ot állítunk be, akkor a 10 000 lx 85 százalékánál, 8500 luxnál történik meg a világítás bekapcsolása. Mivel a külső megvilágítás a felhőzet változásától függően hirtelen jelentősen megváltozhat, kis hiszterézis azzal járhat, hogy a vezérlő a világítást ki-be kapcsolgatja.
Az indokolatlan kapcsolgatást úgy is megakadályozhatjuk, hogy mind a ki-, mind a bekapcsoláshoz késleltetési időket rendelünk az erre szolgáló potenciométerek segítségével. Lehetőség van félautomata üzemmód választására azzal, hogy a világítás automatikus bekapcsolását letiltjuk.Előnyös, ha a magasban, nehezen hozzáférhető helyen felszerelt vezérlő beállítási jellemzőit nem csak magán a készüléken lehet megváltoztatni. Egy alkalmazott megoldás erre a külső nyomógomb vagy a távirányító.
 |
Nagyobb helyiségnél a világítást zónákra osztjuk. Az egyes zónák vezérléséhez gazdaságosabb három egycsatornás vezérlő helyett olyat alkalmazni, melynek több – például három – kimenete van. Fényérzékelő természetesen csak egy kapcsolódik a vezérlőhöz (11. ábra). Ebben a példában egy, az előzőhöz képest egyszerűsített kivitelű termék szerepel. Méréshatár- választáshoz külső elhelyezésű érzékelő esetében a sorkapocs két meghatározott pontját rövidre kell zárni. A zónákhoz tartozó potenciométereken csak a kikapcsolási értéket állítjuk be luxban, felhasználva a zónánként meghatározott világítási tényezőt. A bekapcsolás külön nem állítható, minden kimenet 10%-os hiszterézissel működik. (A be- és kikapcsolási érték közötti különbség 10%.) Az egyes kimenetek galvanikusan elválasztottak, a lámpatestek különböző fázisokra köthetők.
 |
Ezek az eszközök alkalmasak a világítás ki- és bekapcsolására a külső vagy belső természetes megvilágítás függvényében. Hátrányuk, hogy csak egy fokozat létezik: a teljes ki- vagy bekapcsolás. Emiatt bizonyos ideig a megvilágítás értéke jelentősen nagyobb a szükségesnél. Reggel kikapcsolás csak akkor történik, amikor a külső eredetű fény önmagában is elégséges. A kikapcsolás időpontjáig azonban a mesterséges és természetes világítás eredője folyamatosan növekedett. Ez fordítva ismétlődik meg este, mert a mesterséges világítást be kell kapcsolni, amikor a természetes fény a határérték alá csökken. Ekkor az eredő érték ismét jelentősen meghaladja az előírt értéket.
A túlvilágítás addig tart, amíg a természetes világítás gyakorlatilag jelentéktelenné válik.Javítja a helyzetet és energia-felhasználás csökkenést eredményez az, ha a kapcsolás több fokozatban történik. Minél több fokozatot használunk, a túlvilágítottság annál kisebb. Egy ilyen készülék három fogyasztói csoportot (lámpatesteket) tud kezelni. A kiválasztott méréshatáron belül be lehet állítani három kapcsolási szintet, pontot. A három érték a méréshatár terjedelmén belül négy megvilágítás-tartományt határoz meg (12. ábra).
 |
Ha a természetes megvilágítás a legkisebb szintnél is kisebb, mindhárom kimenet „BE” állapotban van: a világítás teljesen be van kapcsolva. A második tartományban kikapcsolódik az első lámpatest-csoport. A következő tartományban egy újabb kap „KI” utasítást. Végül, amikor a megvilágítás nagyobb a harmadik kapcsolási értéknél, a teljes világítás – mindhárom fogyasztói csoport – kikapcsolt állapotban van. A bekapcsolás értelemszerűen ugyancsak három lépcsőben történik. Ilyen rendszer gazdaságosan nagyméretű helyiségben, csarnokokban, termekben alkalmazható, ahol egyébként is sok lámpatestre van szükség.Ha a vezérlő kimenetének terhelhetősége nem elégséges, a fogyasztók és a vezérlő közé megfelelő relét vagy reléket iktatunk. (Folytatjuk!)
