Systémy řízení umělého osvětlení v závislosti na denním osvětlení

Systémy řízení umělého osvětlení v závislosti na denním osvětlení
Ing. Petr Novotný

Denní osvětlení představuje jeden z nejdůležitějších faktorů zdravého pracovního prostředí. Současně ale jeho efektivní využívání umožňuje dosáhnout v řadě případů i významné úspory energie, protože často zajišťuje v administrativních a průmyslových objektech dostatečné osvětlení pro vykonávanou činnost po značnou část pracovní doby. V našich zeměpisných podmínkách se pohybuje difúzní oblohová složka denního osvětlení (přímé sluneční světlo na pracovišti zpravidla není žádoucí a ve výpočtech se nezohledňuje) po většinu dne v rozsahu cca 5.000 – 20.000 lx v zimním období a cca 10.000 – 40.000 lx po zbytek roku. Při požadavku ČSN 73 0580 na minimální činitel denního osvětlení 1,5 (vyjádřeno v procentech horizontální difúzní složky denního osvětlení venku na nezastíněné ploše) na pracovištích s trvalým pobytem osob tyto hodnoty odpovídají intenzitě přirozeného osvětlení 75lx – 600lx na nejhůře osvětlených pracovních místech ještě odpovídajících hygienickým předpisům. V prostorách blízko oknům nebo pod světlíky jsou tyto hodnoty až 5-ti násobně vyšší. Tyto hodnoty představují dostatečný prostor pro efektivní a ekonomicky zdůvodnitelnou regulaci umělého osvětlení.

Základní principy měření vstupních hodnot pro řízení:
Hlavním problémem efektivního řízení osvětlení je měření skutečně relevantní vstupní veličiny na základě které bude řízení prováděno. Integrace denního světla do automatizovaného řízení osvětlení je možno provést se zpětnou vazbou nebo bez ní. Obě řešení mají svoje výhody i nevýhody.

Řízení se zpětnou vazbou:
Řídící systém se zpětnou vazbou měří skutečnou hodnotu jasu v místnosti a měřená hodnota tedy představuje součtovou hodnotu denního a umělého osvětlení. Naměřená hodnota jasu v podstatě odpovídá požadované nominální osvětlenosti. Výhodou je automatická eliminace vlivu udržovacího činitele na celkovou osvětlenost v kterémkoliv bodě udržovacího cyklu (platí pouze pokud se nemění činitel odrazu referenční plochy).
Nevýhody jsou v zásadě dvě:
- Měření v místnosti většinou zahrnuje pouze odrazy z relativně malé plochy, jako je například stůl. Oblečení lidí v místnosti (světlé nebo tmavé), povrch stolu (tmavý nebo s rozloženými bílými papíry), to všechno má zásadní vliv na naměřenou hodnotu jasu a ovlivňuje tedy i kolísání doplňující umělé složky osvětlení.
- Obvykle je cílem osvětlit místnost rovnoměrně v celé její hloubce. Protože intenzita denního světla je nejvyšší blízko k oknu a klesá směrem k zadní stěně místnosti, je nezbytné automatizovat řízení osvětlení v případě bočního osvětlení (okna) ve skupinách. Řízení se zpětnou vazbou v tomto případě vyžaduje tedy několik kontrolních bodů. Každé svítidlo má ale vždy vliv na celou místnost, různé řízené skupiny se tedy ovlivňují navzájem. Osvětlovací systém trpí vnitřními oscilacemi a stabilní zrakové podmínky je možné zajistit pouze v případě plynulé regulace s dostatečným časovým zpožděním. Skokové řízení spínáním jednotlivých skupin je těžko uskutečnitelné.

Příklady technického řešení měřícího a řídícího systému:

a) Použití individuálních světelných senzorů pro každé svítidlo (případně skupinu svítidel) vybavené stmívatelným předřadníkem. Senzor je uchycen na zářivkové trubici ve svítidle a orientován svisle dolů. Nastavení se provádí zpravidla štěrbinovou clonou. Kromě nedostatků zmíněných výše je obtížné systém v případě většího počtu svítidel vůbec nastavit. Senzory jsou použitelné pouze pro otevřená svítidla.

b) Světelné (nebo multifunkční) senzory společné pro skupinu svítidel montované na strop nebo do podhledu. V případě dostatečného měřícího úhlu systémy mohou velmi dobře fungovat v místnostech s malou hloubkou, kde stačí jeden měřící bod.

Regulace bez zpětné vazby:
Základním rozdílem je, že systém měří pouze hodnotu denního osvětlení, ať už pomocí senzoru umístěného přímo ve venkovním prostředí, nebo uvnitř místnosti a směrovaného do okna nebo světlíku, tak aby umělé osvětlení nemělo vliv na naměřenou hodnotu. Tím jsou eliminovány nevýhody řízení se zpětnou vazbou. Nicméně, řízení bez zpětné vazby má také svá slabá místa, která je nutno při volbě systému řízení zohlednit:

- Samotná místnost a zvláště odrazy od ohraničujících ploch (stěny, podlaha, strop, nábytek…), mají podstatný vliv na hodnotu osvětlení. Zařízení které měří pouze jas v exteriéru, nebere tento důležitý vliv vůbec v úvahu.
- Množství denního světla vstupující do místnosti závisí i na orientaci místnosti a okolním prostředí. Množství denního světla není odlišné pouze na každé straně budovy, ale zpravidla i v každém podlaží. To je třeba zohlednit při volbě typu a umístění snímačů.

Příklady technického řešení:

a) běžný soumrakový spínač (světelný senzor) umístěný v exteriéru: Světelný senzor měří skutečnou hodnotu venkovního osvětlení. Nerozlišuje přitom difůzní oblohovou složku a přímé sluneční světlo (které je v interiéru většinou nežádoucí). Při proměnlivém počasí měřená veličina silně kolísá aniž by se tyto změny ekvivalentně promítaly v měřené místnosti (mimo plochy, které jsou přímo osluněny). Měření je pro efektivní řízení osvětlení v interiéru obtížně použitelné.

b) Směrový světelný senzor umístěný v místnosti: Prakticky se využívají systémy řízení osvětlení se směrovým senzorem umístěným na stropě místnosti a orientovaným k oknu. Systém při správném umístění senzoru v podstatě měří pouze odražené světlo od ploch v exteriéru, které vstupuje do místnosti. Tím je zachována určitá dynamika změn poměru difůzního a přímého slunečního světla, která lépe odpovídá změnám v místnosti po vícenásobných odrazech. Hlavním problémem takového systému měření jsou sezónní změny činitele odrazu ploch v exteriéru, ketré mohou být značné (trávník – sníh). Vzhledem k tomu, že velká většina denního světla do místnosti přichází přímo, může měření pouze odražené složky znamenat v těchto (poměrně řídkých) případech velkou chybu.

c) Měření metodou srovnávací místnosti: Se zajímavou myšlenkou přišla německá firma Krieger Lichtsteuerungen. Systémy Krieger RLS, RLM a RLSLIN III používají pro měření aktuální hodnoty denního světla metodu tzv. srovnávací místnosti. Ta zajišťuje při použití řízení bez zpětné vazby i zahrnutí vlivu odrazů denního světla v osvětlení v řízené místnosti. Senzor s nastavitelnými činiteli odrazu vnitřních povrchů montovaný ve venkovním prostoru představuje zmenšenou “řízenou” místnost. Měřící sonda uvnitř senzoru je umístěna horizontálně pod „oknem“ senzoru. To odpovídá směru převažujícího pohledu pozorovatele uvnitř místnosti, který vnímá jasy rovněž horizontálně. Tato koncepce nejlépe odpovídá skutečným změnám světelných poměrů v konkrétní místnosti. Na výsledné měřené veličině se přitom odpovídajícím způsobem podílí jak oblohová složka tak i odrazy z exteriéru, takže změny činitelů odrazů ploch v exteriéru nemají na přesnost měření vliv. Identický systém měření je možno použít pro plynulou i skokovou regulaci umělého osvětlení. Na výstupu je podle toho možno získat binární signál nebo některý ze standardních analogových výstupů (1-10V, 0-10V, 4-20mA, 0-20mA) pro přímé řízení stmívatelných předřadníků nebo další zpracování (MaR).

d) Inteligentní externí senzor pro busové systémy řízení: Sofistikovaný systém měření přirozeného osvětlení nabízí např. firma Zumtobel Staff jako součást řídícího systému Luxmate Professional. Externí měřící sonda montovaná na nejvyšší místo řízeného objektu měří pomocí 8 senzorů jas oblohy nezávisle ve 4 kvadrantech a 2 elevačních úhlech. Na základě těchto údajů je schopna stanovit polohu slunce na obloze a využít ji pro optimalizaci řízení umělého osvětlení i clonící techniky (žaluzie). Při spouštění systému řízení jsou jednotlivým řízeným místnostem přiřazeny softwarově parametry odpovídající limitním stavům umělého osvětlení. Na základě údajů z jednoho měřícího bodu je možno takto parametrizovat a řídit osvětlení rozsáhlého objektu s různou orientací místností a to jak skokově (s využitím systémových adresovatelných relé), tak plynule (digitální předřadníky standardu DALI nebo DSI).

Plynulé nebo skokové řízení osvětlení:

Ph = L (cd/m²)

Tento vzorec vyjadřuje závislost mezi subjektivním pocitem “h” vyvolaným jasem tak jak ho vnímá lidské oko a skutečnou hodnotou jasu “L” (cd/m²). P je kořen mocniny s hodnotou 4,5.
Vizuální pocit jasu “h” (viz. tabulka vpravo) se zdvojnásobí, když “h” se zvýší o dvě a je poloviční když “h” se o dvě sníží. To znamená že 870 cd/m² (h = 9) vyvolá pocit dvojnásobného jasu než 193 cd/m² (h = 7) a nebo že (h = 8 1/4) = 495 cd/m² se zdá mít poloviční jas než (h = 10 1/4) = 2.227 cd/m².

Důsledek této biologické rovnice je zřídka zmiňován: Neexistuje lineární závislost mezi pocitem vnímání “h” jasu lidským okem a skutečnou exaktně změřenou hodnotou jasu “L” (cd/m²). (To rovněž platí pro intenzitu osvětlení v luxech). V praxi proto většinou postačuje spínání svítidel po skupinách pro vytvoření dostatečného vizuálního komfortu, aniž by člověk v místnosti byl občasnými skokovými změnami jasů (intenzit) v zorném poli rušen. Přitom je samozřejmě nezbytné zajistit přiměřené časové zpoždění a hysterezi regulátoru, aby nedocházelo k nežádoucímu opakovanému spínání v různých hraničních stavech. Výhodou je nízká cena takového řešení, protože svítidla nemusí být vybavena stmívatelnými předřadníky.

Naproti tomu výhodou plynulého řízení osvětlení je vyšší míra úspor energie a téměř nepostřehnutelný průběh změn osvětlení.