Оценка целесообразности и актуальности разработки методов проектирования и применения автоматической системы управления искусственным освещением на базе СИД для достижения заданных параметров освещения

В статье рассмотрена концепция моделирования жизненного цикла создания автоматизированных систем, представлены схемы процесса разработки и архитектура системы. Выбрана перспективная среда разработки и дано заключение о потенциальной востребованности указанного решения.

Ключевые слова: моделирование, жизненный цикл, стадии создания, автоматизированные системы.

Введение. Процесс типового проектирования систем освещения в жилых и общественных зданиях представляет собой достаточно тривиальную задачу. Расчет освещения ведется по основному показателю — освещенности (лм), а также исходя из требуемых типов источников освещения. При этом практически никогда не принимается в расчет отражающая способность поверхности стен и окон, их способность к рассеиванию, пропусканию и диффузионному отражению излучения [3, с. 26]. Тем не менее, эти параметры могут принимать существенные значения. Применение в таких случаях типовых схем освещения может быть нерациональным, т. к. может не соответствовать оптимальным показателям энергоэффективности [7,8].

Несмотря на обилие различных программ расчета освещенности, таких как DIALux, Relux, Lightscape, очень редко во внимание принимаются явления, возникающие вблизи границы систем — около стен и окон. Применение адресных систем светодиодного освещения с организацией обратной связи может значительно снизить затраты на электроэнергию [2].

Актуальность работы. Приблизительный график зависимости диффузионного рассеивания излучения вблизи стены от светового потока источника освещения имеет зависимость, близкую к логарифмической (Рисунок 1). Это обусловлено выводом из закона Ламберта.

Рис. 1. Приблизительный график зависимости диффузионного рассеивания излучения вблизи стены от светового потока источника освещения

В противоположность эффекту диффузионного рассеивания излучения от стен так же существует эффект взаимодействия излучения со стеклом. Это взаимодействие носит более сложный характер по разным причинам. Любое вещество обладает следующими оптическими характеристиками — пропускание, рассеивание и отражение, поглощение [3, с. 27]. Процентное соотношение этих показателей обуславливает оптические показатели материалов. Стекло обладает большим процентом пропускания до 90–95 % в зависимости от качества стекла и его назначения. Этот эффект является положительным в случае освещения естественным светом с наружи, но отрицательным в вечернее время при освещении помещения изнутри (Рисунок 2).

Рис. 2. Оптические свойства стекла

Методы контроля освещения. Для того чтобы устранить негативные последствия, возникающие в жилых и общественных зданиях в условиях совмещенного освещения применяются различные методы — геометрически-конструктивные, электрические, технологические.

К геометрически-конструктивным методам относится изменение геометрии расположения потолочных светильников таким образом, чтобы их количество вблизи стен было меньше, чем в остальной части помещения. Благодаря диффузионному рассеиванию света вблизи стен уровень освещенности будет не ниже среднего уровня освещенности в помещении. Данный метод обладает определенным недостатком. В случае изменения внутренней геометрии помещения, переносе стен и межкомнатных перегородок, а также высокой мебели (шкафов) будет меняться характер диффузионного отражения, но геометрическое расположение светильников останется неизменным.

К электрическим методам относится способ электрического подключения светильников, при котором они могут включаться группами, имеющими, как правило, продольное расположение вдоль наружной стены с окном. Несколько таких линий-групп, подключенных к разным выключателям могут обеспечить комфортное освещение в помещении при различных условиях наружного освещения. Данный метод, в дополнение к недостатку геометрическо-конструктивного метода, достаточно дорог, так как повышается количество электрических проводов и выключателей, необходимых для монтажа.

К технологическим методам относится применение различных пассивных и активных светонепроницаемых тонирующих пленок. Пассивные тонирующие пленки представляют собой полупрозрачные пленки с высоким коэффициентом отражения. Они могут отражать до 70–80 % солнечного излучения, преимущественно инфракрасного и ультрафиолетового диапазона. Кроме этого могут применяться стекла и пленки с переменной прозрачностью (эдектрохромные) (Рисунок 3) [1].

Рис. 3. Принцип работы пленки с переменной прозрачностью

Электрохромные пленки (Polymer Dispersed Liquid Crystals — PDLC) состоит из двух слоев полимерного покрытия (прозрачные токопроводящие плёнки), между которыми располагается жидкокристаллический слой. Кристаллы в нём находятся в беспорядочном состоянии и рассеивают свет, плёнка выглядит матовой и непрозрачной. При подаче переменного напряжения 65–110 В, кристаллы располагаются перпендикулярно плоскости образовавшегося электрического поля. Расход электроэнергии при этом составляет 5–7 Вт/м².

Отсюда следует очевидный недостаток таких систем — для того что бы оставаться прозрачными, а большую часть времени от окна это и требуется, такая пленка будет потреблять электроэнергию. Однако правильный расчет и подбор начальной степени прозрачности пленки позволит свести затраты к минимуму. На данный момент недостатком так же является цена, которая может составлять десятки тысяч рублей за квадратный метр.

К электрическим и технологическим способам контроля равномерного освещения в помещениях относится так же применение адресных светодиодных систем управления освещением, организованным на базе спектрометров. Благодаря своему низкому энергопотреблению, светодиоды являются оптимальными источниками освещения, а применение адресного управления и обратной связи позволяет значительно повысить их КПД [6]. Пиксельная адресация является перспективным направлением развития светодиодных систем освещения, она обеспечивает связь центрального управляющего оборудования непосредственно с каждым светодиодом системы освещения, управление его цветом и интенсивностью свечения. Применение радиоканальных средств управления позволяет значительно снизить затраты на монтаж оборудования и материалы [4,5]. При такой организации управления системой автоматического управления исключаются неприятности, которые могут возникнуть при внутренней перепланировке и изменении назначений помещений. Характеристики освещения, необходимые для эффективной и комфортной работы, такие как спектральный состав и интенсивность излучения, автоматически регулируются и поддерживаются на необходимом уровне благодаря обратной связи и спектрометрам [9].

Указанные методы должны быть определены на стадии проектных работ.

Заключение. Анализ представленных данных, а также результаты исследований позволяют предположить, что наиболее оптимальные показатели по контролю целевых показателей совмещенного освещения в жилых и общественных помещениях могут быть обеспечены путем комплексных мер. Наиболее перспективной и оптимальной является система автоматического управления светодиодным освещением с обратной связью. Для контроля уровня фоновой засветки естественным излучением могут применяться электрохромные PDLC стекла или пленки. Комплексное применение этих мер может повысить энергоэффективность всего здания за счет снижения потребления электроэнергии без ущерба для здоровья людей, позволит уменьшить вероятность ошибки и ее стоимость, упростить процесс проектирования в целом и, в перспективе, снизить номенклатуру применяемого оборудования.

Литература:

1.         Private Glass [Электронный ресурс]: официальный сайт компании // Private Glass. URL: http://www.privateglass.ru/ (дата обращения: 06.11.2015).

2.         Worldsemi. WS2811. Signal line 256 Gray level 3 channal. Constant current LED drive IC. / Worldsemi.

3.         Айзенберг, Ю. Б. Справочная книга по светотехнике. / Айзенберг, Ю.Б. — 3-е изд. Москва: Знак, — 2006.

4.         Беккер, Ю. Л. Анализ и выбор оптимального физического уровня реализации распределенных сетей для системы «умный дом». / Беккер, Ю.Л., Завьялов, В.А., Ульянов, Р.С., и др. // Научное обозрение. — 2015. — № 10.

5.         Вишневский, В. MESH-сети: в ожидании стандарта IEEE 802.11s. / Вишневский, В., Лаконцев, Д., Софонов, А., и др. // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. — 2008. — № 3. — С. 98–105.

6.         Прокопьев, С. В. Применение светодиодных светильников с автоматическим управлением для организации совмещенного освещения в помещениях жилых и общественных зданий. / Прокопьев, С.В., Ульянов, Р.С., Шиколенко, И.А. // Молодой ученый. — 2013. — № 7. — С. 69–71.

7.         МГСН “Энергосбережение в зданиях”: 138. — 1999.

8.         Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: 261-ФЗ.

9.         СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278–03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий».