Örökzöld téma: energiatakarékosság VI. – Világítástechnika
2011/11. lapszám | Chiovini György | 8025 |
Figylem! Ez a cikk 14 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
■ A mesterséges világítás szabályozása Az automatizált, a természetes fényt jól kihasználó mesterséges világítás megvalósítható vezérléssel és szabályozással. A szabályozás lényege a visszacsatolás. A szabályozott jellemzőt mérjük, a kapott értéket, mint ellenőrző jelet vetjük össze az alapjellel. Így avatkozunk be a szabályozott berendezés működésébe. A mesterséges világításnál a szabályozott jellemző a megvilágítás, amit a fényforrások fényáramának változtatásával akarunk a kívánt értéken (értéksávban) tartani (1. ábra).
Két szabályozási stratégia között választhatunk
Az egyik szerényebb célt fogalmaz meg: ha a természetes világítás elégséges, a mesterséges világítás kapcsolódjon ki. Fordítva: önműködően kapcsolódjon be, ha a természetes fény már nem biztosítja a szükséges megvilágítást. A másik stratégia fokozottabb takarékosságot tűz ki célul. Az előző megoldás ugyanis e tekintetben messze nem tökéletes: mindaddig, amíg a természetes világításból származó megvilágítás kis mértékben is, de kisebb a szükségesnél, működteti a mesterséges megvilágítást is.
A két forrásból származó fény nagyobb – akár sokkal nagyobb – az indokoltnál. Szélsőséges példa: ha a helyiségben 400 lx megvilágítást írunk elő, és a gyengébb napsütés miatt egész nap nem több a természetes megvilágítás pl. 330 lx-nál, akkor egész nap működni fog a 400 lx-os mesterséges világítás (ha csak kézi kapcsolással ki nem kapcsoljuk). Úgy is jellemezhető az első stratégia, hogy megfelel a célnak, ha a természetes világítás jellemzően lényegesen nagyobb a megkívánt szintnél, de nem jelent igazi megoldást, ha elég gyakran, illetve tartósan kisebb ennél. Ott célszerű alkalmazni, ahol a használat jellege és a helyiség benapozottsága miatt mesterséges világításra inkább csak a reggeli, illetve esti órákban és rövid ideig van szükség.
Tulajdonképpen bármilyen fényforráshoz alkalmazható, amelyik bekapcsolás után azonnal vagy rövid időn belül teljes fényárammal világít. Fontos azonban kiemelni, hogy egyes fényforrások élettartamát megrövidíti a gyakori ki- és bekapcsolás.
Ez kiküszöbölhető, ha ezt az üzemmódot megfelelő nagyságú kapcsolási hiszterézissel vagy késleltetési idők beállításával megakadályozzuk. Ott, ahol – különösen a fényszegény évszakokban – a természetes világítás nem teljes értékű, a másik stratégia alkalmazása indokolt. Ennek lényege egyszerű: a mesterséges világítást ne ki- és bekapcsolással szabályozzuk, hanem úgy, hogy a természetes fényt mindig a szükséges szintre egészítse ki.
Más szavakkal: a két fény összegét tartsuk állandó szinten. Gyengébb napsütésnél nagyobb fényáramra, erősebb napsütésnél kisebb fényáramra szabályozzuk a fényforrásokat. Ha pedig van rá mód, teljesen kapcsoljuk is ki azokat. Ez a megoldás csak dimmelhető fényforrásokkal valósítható meg. Gyártanak kapcsoló és előállítanak dimmelő szabályozókat. Mindkét célra alkalmas termékek is vannak a piacon. Ezek a szabályozók kapcsoló és dimmelő kimenettel is rendelkeznek.
1. ábra: A mesterséges világításnál a szabályozott jellemző a megvilágítás, amit a fényforrások fényáramának változtatásával akarunk a kívánt értéken (értéksávban) tartani.
Megvilágítás és fénysűrűség
A témakör megismerését segíti két fénytechnikai fogalom tisztázása. Az egyik a megvilágítás, azaz a felületelemre beeső fényáramnak és a felületelemnek a hányadosa (lx/m2). A megvilágítást a padozaton vagy a munkasíkon mérjük, luxmérőt használva. A szabályozó fényérzékelőjét nem helyezhetjük ide, annak helye célszerűen a mennyezeten van. Ott viszont nem megvilágítást mérünk, hanem fénysűrűséget.
Fénysűrűség a megvilágított felület adott pontjából kiinduló fényerősségnek és a felület erre merőleges vetületének hányadosa (cd/m2). A fénysűrűség azonban nem csak a felületen mért megvilágítástól függ, hanem a felület reflexiós tényezőjétől is. Ha a felület a rá eső fényből sokat ver vissza, akkor adott megvilágítás mellett nagyobb fénysűrűséget mérünk és fordítva. Egy számpélda: 500 lx megvilágítás különböző, de nem nagyon eltérő reflexiós tényező mellett 80-160 cd/m2 fénysűrűséget hoz létre. Tehát a fénysűrűségmérés helyettesíteni tudja a megvilágításmérést, az arányosság azonban függ a felület reflexiós tulajdonságaitól. Az arányossági számot, a korrekciós tényezőt kalibrálással tudjuk megállapítani. Ha az érzékelési terület reflexiós szempontból nem vagy alig változik, akkor az így meghatározott korrekciós tényezővel a világításszabályozás megfelelően fog működni.
Kapcsolószabályozók, statikus fénymérési módszer
Az energiatakarékosság közhelyszerű szabálya szerint „csak ott és akkor fogyasszunk energiát, ahol és amikor szükséges”. A mesterséges világításra vonatkoztatva „legyen kikapcsolva a világítás, ha senki nem tartózkodik az adott helyen, vagy a természetes fény is elegendő”. Az első feltétel értékelésére szolgálnak a jelenlétérzékelők. Ha fénymérési képességgel is ellátunk egy jelenlétérzékelőt, akkor a második feltételhez köthető működés is megvalósítható. Elvileg készíthetünk eszközt csak az utóbbi feladatra, de ez érthető módon nem terjedt el. Ugyanis csekély többletráfordítással egy sokkal hatékonyabb készülék hozható létre. A gyakorlatban a kapcsolószabályozó megnevezés nem szokásos, egyszerűen jelenlétérzékelőről beszélünk.
A szabályozó funkció ismertetésénél azonban kifejezőbb a kapcsolószabályozó megnevezés használata.A kapcsolásos szabályozási stratégiához az ún. statikus fénymérési módszert alkalmazzuk. A statikus módszer azon a felismerésen alapul, hogy a színkép alapján a napfény megkülönböztethető számos mesterséges fényforrástól. A színkép írja le, hogy egy fényforrás a különböző hullámhosszúságokon milyen intenzitással sugároz. A Nap hőmérsékleti sugárzó, ennek megfelelően színképe folytonos. A vörös tartomány nagy intenzitással jelenik meg (2. ábra).
Az izzólámpák ugyancsak hőmérsékleti sugárzók, folytonos színképűek, és ezekben is intenzív a vörös tartomány (3. ábra). A kisülő fényforrások színképei vonalasak. A kisnyomású fénycsövek és kompakt fénycsövek színképét a fénypor összetétele határozza meg. Az egyes fényporoknak meghatározott hullámhosszúságú a fénye. Az ún. háromsávos fénycsövekben három fénypor található, melyek sárga, zöld és kék színben sugároznak. Hasonló színképet találunk kompakt fénycsöveknél is (4. ábra). Jelentős különbség az izzókhoz képest, hogy a vörös tartományra gyenge intenzitás jellemző.
A nagynyomású kisülő fényforrások színképe az égőben alkalmazott fémektől függ. A világítástechnikában használt LED-ek fehér fényét különböző színekből vagy fénypor használatával állítják elő. A színkép szempontjából az a lényeg, hogy a vörös tartomány csekély (5. ábra). A statikus fénymérési módszer lényege, hogy színszűrővel elnyomjuk a vörösnél rövidebb hullámhosszúságú sugárzást, a fényérzékelő csak a látható vörös és a nem látható infravörös tartományt méri.
2. ábra: A Nap hőmérsékleti sugárzó, ennek megfelelően színképe folytonos. A vörös tartomány nagy intenzitással jelenik meg.
Ezért jól meg tudja különböztetni a napfénytől azokat a fényforrásokat, melyek fénye az így kizárt kék, zöld és sárga hullámhosszon intenzív. A gyakorlatban ez a módszer különösen az egyenes és kompakt fénycsöves világításhoz alkalmazható eredményesen. Ezzel a módszerrel tehát mérhetjük a helyiségben a természetes fény okozta megvilágítást, és a szabályozó ezt veti egybe a megkívánt szinttel.
Számos, világításszabályozásra szolgáló termék található a gyártók, illetve kereskedők kínálatában, melyeket fényérzékelőnek (szenzornak) neveznek. Ezek legtöbbször nem egyszerű érzékelők, hanem érzékelőt is tartalmazó szabályozók. Léteznek „valódi” érzékelők is, de ilyen termékből kevés van. Tulajdonképpen nem is indokolt külön fényérzékelőt gyártani világításszabályozási célra. Más a helyzet a világításvezérlésnél.
Ott a fényérzékelőt vagy az épületen kívül, vagy belül, de az ablak közelében kell elhelyezni, hiszen a külső megvilágítást méri. Oda a vezérlőt nem célszerű telepíteni, annak jobb helye van egy lámpatestben vagy egy elosztó- szekrényben. Szabályozásnál nincs akadálya, hogy a fényérzékelőt és a szabályozót egyetlen készülékházban helyezzük el, ne az ablak közelébe, hanem a helyiség belsejébe telepítsük.
Gyártanak azonban két egységből álló készülékeket is, többek között lámpatestbe szerelhetőket. Itt az eltérő elhelyezési szempontok miatt a fényérzékel1ő és a szabályozó különválik. Annak érdekében, hogy a beállításokat el lehessen végezni, a potenciométereket nem a szabályozón, hanem a könnyebben hozzáférhető fényérzékelőn helyezték el. Ha egy kifejezetten nagy helyiségben szabályozzuk a mesterséges világítást, és ott sok fényforrás működik, a megfelelő teljesítményű szabályozó az elosztó- szekrénybe kerül. Az ilyen termékek több lámpatestcsoportot is tudnak kezelni.
3. ábra: Az izzólámpák ugyancsak hőmérsékleti sugárzók, folytonos színképűek, és ezekben is intenzív a vörös tartomány.
Működés
Ha egy adott helyen nem tartózkodik senki, a mesterséges világítás kikapcsolt állapotban van. Jelenlét észlelésével teljesül a világítás bekapcsolásának egyik feltétele. A szabályozó összehasonlítja a fénysűrűség pillanatnyi mért értékét a bekapcsolás feltételeként meghatározott értékkel. Ennek függvényében kerülhet sor a lámpák bekapcsolására. Ha a természetes világítás nem változik, vagy legalábbis nem éri el a megkívánt értéket, a mesterséges világítás bekapcsolva marad. Amikor a jelenlét megszűnik, a kikapcsolási folyamat indul el. Bizonyos késleltetést követően a készülék a világítást kikapcsolja (6. ábra).
Magának a késleltetésnek kettős szerepe van. Az egyik a jelenlétérzékeléssel függ össze. Ennek szerepe – köztudottan – az indokolatlan kikapcsolások kiküszöbölése. A késleltetés másik célja a változó természetes világításból ered. A fényviszonyok gyors változását nem jó követni, mert ez gyakori ki- és bekapcsolásokhoz vezetne. Az időtartam megválasztható, beállítható. Szokásos értékei elég nagy sávban mozognak: fél perctől akár hatvan percig is. Egy másik megoldás az, amikor a készülék maga határozza meg a késleltetési időt a jelenléti idő függvényében.
Minél hosszabb ideig tart a jelenlét, annál hosszabb a késleltetési időtartam. Vannak ún. öntanuló gyártmányok is, melyek a késleltetési időt próbálgatással optimalizálják.Délelőtt a természetes világítás intenzitása rendszerint úgy növekszik, hogy eléri a szükséges értéket, az előírt megvilágítást a mesterséges világítás nélkül is biztosítja. Ekkor a fényérzékelőből származó jelre a szabályozó kikapcsolást indít el. Erre ténylegesen azonban csak egy bizonyos késleltetés után kerül sor (7. ábra). Ez az időtartam nem azonos a jelenlét megszűnését követő kikapcsolás késleltetésének idejével.
Lehet például gyárilag meghatározott, nem állítható érték. A délutáni időszakra jellemző helyzet a csökkenő természetes fény. Ilyenkor fordul elő, hogy a mesterséges világítás nem a jelenlét kezdetén, hanem később kerül bekapcsolásra (8. ábra). Késleltetés itt is van. A gyakorlatban az vált be, hogy sötétedéskor a késleltetés csekély, a bekapcsolás rövid időn belül megtörténik.
Fordítva, amikor a természetes világítás erősödik, a késleltetés nagyobb, a kikapcsolásra hosszabb időtartam múlva kerül sor.Megkülönböztetünk automata és félautomata üzemmódot. Az előbbi azt jelenti, hogy mind a bekapcsolás, mind a kikapcsolás automatikus. Félautomata üzemmódban a lámpákat kézi kapcsolóval kapcsoljuk be, csak a kikapcsolás automatikus. Egyébként a kapcsolószabályozók működése teljesen letiltható, át lehet térni a hagyományos kézi kapcsolgatásra. Egy sajátos alkalmazás a beltéri alkonykapcsoló. Nem vizsgálja a jelen-létet: ha a természetes világítás a határérték alá csökken, bekapcsolja a lámpákat. Reggel pedig szintén automatikusan kikapcsolást végez. Alkalmazása ott célszerű, ahol nincs állandó jelenlét, de mégis gyakran szükség van világításra. Ilyen helyiségek például az előterek, közlekedők.
4. ábra: Hasonló színképet találunk kompakt fénycsöveknél is.
Kalibrálás
A legegyszerűbb kapcsolószabályozók kalibrálás nélkül is használhatók. Azokra a felhasználókra is gondoltak a gyártók, akik számára nem lényeges, hogy a világítás ki- és bekapcsolása egy meghatározott lux-értéknél történjen. A készüléken egy potenciométerrel be lehet állítani, hogy milyen környezetben szerelik fel. A skála kezdete a közlekedő tereknek felel meg, a közepe többek között sportcsarnoknak vagy üzletnek, a vége pedig a leginkább fényigényes munkahelyeknek.Ha arra van szükség, hogy a kapcsolás ismert megvilágítás-értéknél történjen, kalibrálható készüléket kell választani.
A megfelelő működés kulcsa a készülék szakszerű kalibrálása. Ez az a művelet, amikor beállítjuk a kapcsolást kiváltó alapjelet. Ez fizikailag a fénysűrűség, mert a készülék fénymérője fénysűrűséget mér. Működési szempontból ennek megvilágítási jelentése van. Történetesen annak a megvilágításnak felel meg, amit a működési helyen tartani akarunk. A beállítható tartomány ilyen értelemben 5-2000 lx.
Egyes termékek csak egy szűkebb tartományban alkalmazhatók. Nagyon fényes (jól reflektáló) vagy nagyon sötét (rosszul reflektáló) környezetben előzetesen vizsgálni kell a kiválasztandó fényérzékelő megfelelőségét.A kalibráláshoz szükség van egy luxmérőre, gyakorlati elvégzése készülékenként eltér. Kissé kényelmetlen, ha magán a készüléken kell végezni. Erre a célra potenciométerek szolgálnak.
Kényelmesebb ugyanezt távirányító segítségével megtenni. Azoknál a készülékeknél, melyek egy épületirányítási vagy világításautomatizálási rendszerhez csatlakoznak, a buszos kapcsolat teszi lehetővé a kalibrálást. Ehhez megfelelő szoftvert is biztosítanak a gyártók.Akkor a legegyszerűbb a dolgunk, ha a helyiségben a luxmérővel mért pillanatnyi természetes megvilágítás éppen az előírt értékkel azonos. Adott esetben árnyékolóval be is tudjuk állítani ezt az állapotot. Nincs más tennivaló, mint a készüléken az erre a célra szolgáló eszközzel (csavarhúzó, távirányító, laptop) ezt a pillanatnyi fénysűrűséget alapjelként meghatározni. Ha a kalibráláskor ettől világosabb vagy sötétebb van, egy közvetett módszer a járható út.
Potenciométeres gyártmánynál az adott, mért megvilágításnál addig forgatjuk a potenciométert, amíg az állapotjelző LED bekapcsolást jelez. Attól függően, hogy a mért érték az előírthoz képest kisebb vagy nagyobb, módosítjuk a potenciométer szöghelyzetét. Ha jól becsültük meg a módosítást, a készülék annál a megvilágításnál fog bekapcsolni, amit beállítani akartunk. Ha elégedetlenek vagyunk az eredménnyel, finomíthatjuk a beállítást.Vannak távirányítóval vagy buszrendszeren keresztül kalibrálható készülékek. Itt a beállítás kulcsa a megvilágítás (lx) és a fénysűrűség (cd/m2) közötti arányszám, az ún. korrekciós tényező. Ezt fogjuk a készülékbe beprogramozni. Ennek alapján a kapcsolás akkor fog megtörténni, amikor a megvilágítás az általunk kívánt érték lesz.
A korrekciós tényező meghatározásának módja ötletes. Az teszi lehetővé, hogy a készülék visszajelzést küld. Ez lehet egy beépített LED, de történhet a buszrendszerre küldött távirattal is. Az első próbálkozást a gyárilag beállított korrekciós tényezővel végezzük. A kalibrálás kezdetén a távirányító segítségével beállítunk egy kis alapjelet, kis megvilágítás-értéket. A visszajelzés nyilván az, hogy az adott pillanatban a fénysűrűség-mérés szerint ennél világosabb van. Növeljük az alapjelet, egészen addig, amíg a visszajelzés világosról sötétre nem vált. Megtaláltuk azt a pontot, amit a készülék alapjelként értelmez.
5. ábra: A világítástechnikában használt LED-ek fehér fényét különböző színekből vagy fénypor használatával állítják elő. A színkép szempontjából az a lényeg, hogy a vörös tartomány csekély.
Megmérjük a megvilágítást
Attól függően, hogy ez kisebb vagy nagyobb az előírtnál, ugyancsak a távirányítóval növelni vagy csökkenteni kell a korrekciós tényezőt. Például egy arányosan nagyobb korrekciós tényezőt beprogramozva a készülék kapcsolása az általunk jónak tartott – nagyobb – megvilágítási értéknél fog megtörténni. Buszos készülékeknél a kalibrálás értelemszerűen ugyanígy történik.
A távirányító helyett szoftvert használunk, és táviratokkal kommunikálunk a készülékkel. A visszajelzés sem a készülékről érkezik, hanem távirat formájában. Nem szabad megfeledkezni arról, hogy a fénycsövek és kompakt fénycsövek fényárama bekapcsolás után csak több perc múlva állandósul. Kalibrálás közben, megvilágítás-méréskor erre ügyelni kell. A kapcsolószabályozókon a bekapcsolást állítjuk be, a kikapcsolás egy adott, nem változtatható hiszterézissel történik.
