Виртуальная лабораторная работа Использование датчиков света для экономии электроэнергии

Виртуальная лабораторная работа
Использование датчиков света для экономии электроэнергии
Долгое время был известен один способ экономии электроэнергии — выключение
ненужных приборов. Однако, в современных условиях с развитием энергосберегающих
технологий и изобретением различного энергоэффективного оборудования, можно
достигнуть существенной экономии электричества множеством способов.
Наиболее распространенный способ экономии электроэнергии - оптимизация
потребления электроэнергии на освещение. Ключевыми мероприятиями оптимизации
потребления электроэнергии на освещение являются:

максимальное использование дневного света (повышение прозрачности и
увеличение площади окон, дополнительные окна);

повышение отражающей способности (белые стены и потолок);

оптимальное размещение световых источников (местное освещение, направленное
освещение);

использование осветительных приборов только по необходимости;

повышение светоотдачи существующих источников (замена люстр, плафонов,
удаление грязи с плафонов, применение более эффективных отражателей);

замена ламп накаливания на энергосберегающие (люминесцентные, компактные
люминесцентные, светодиодные);

применение устройств управления освещением (датчики движения и акустические
датчики, датчики освещенности, таймеры, системы дистанционного управления);

регулярная
очистка
прозрачных
элементов
светильников
и
датчиков
автоматического отключения;

внедрение автоматизированной системы диспетчерского управления наружным
освещением (АСДУ НО);

установка интеллектуальных распределённых систем управления освещением
(минимизирующих затраты на электроэнергию для данного объекта).
Освещение помещений складывается из искусственного и естественного. Для
обеспечения максимального использования естественного освещения рекомендуется
использовать светлые оттенки в дизайне помещения, повышение прозрачности окон,
использование материалов с высокой отражающей способностью.
Одним из эффективных способов решения проблемы экономии электроэнергии
является установка датчиков движения и присутствия. Принцип их работы прост: датчики
автоматически включают / выключают освещение в помещении в зависимости от
интенсивности естественного потока света и/или присутствия людей. Возможным это
делает
пассивная
технология
инфракрасного
излучения:
встроенные
IR-датчики
производят запись тепловой радиации и преобразовывают ее в измеряемый электрический
сигнал. Люди излучают тепловую энергию, спектр которой находится в инфракрасном
диапазоне и не видим человеческому глазу.
Тепловая
радиация
собирается
оптической
линзой
и
проектируется
на
инфракрасные датчики. Изменения тепловой радиации, т. е. различия в температуре,
вызванные движением, регистрируются датчиками и преобразуются в электрический
сигнал. Встроенная в датчик электроника обрабатывает полученный сигнал и производит
заранее установленные действия (включение / выключение групп освещения).
Оптическая система линз фиксирует тепловую радиацию и проектирует данные на
инфракрасный датчик. Область обнаружения датчика поделена на активные и пассивные
зоны. На инфракрасный датчик проектируются только активные зоны. В результате
изменения показаний инфракрасной радиации от одной активной зоны к другой
посылается сигнал.
Для того, чтобы датчик среагировал на движение, применяют специальные линзы
(линзы Френеля) с несколькими фокусирующими участками, которые разбивают общую
тепловую картину на активные и пассивные зоны, расположенные в шахматном порядке.
Человек, находясь в сфере работы датчика, занимает несколько активных зон полностью
или частично. Поэтому, даже при минимальном движении происходит перемещение из
одних активных зон в другие, что вызывает срабатывание датчика. Фоновая тепловая
картина, как правило, меняется очень медленно и равномерно. Датчик на нее не реагирует.
Высокая плотность активных и пассивных зон позволяет датчику надежно определить
присутствие человека даже при малейшем движении.
Для корректного выбора датчика присутствия необходимо учитывать способ
использования помещения. Различают принципиально два способа: с постоянным
наличием людей (сидячая работа) и временным – транзитные зоны для прохода.
Для обнаружения сидящих людей оптимальным является датчик присутствия
потолочного монтажа с 360о обзором. Необходимо учесть, что сидящие люди должны
полностью находиться в зоне контроля, поэтому она будет меньшего размера чем зона для
ходящих людей. Величина зоны зависит от высоты установки датчика.
Для обнаружения ходящих людей применяют датчики настенного монтажа с 180о
обзором или потолочные модели с большой зоной контроля.
Иногда люди могут находиться в помещении без малейшего движения, при этом
даже высокочувствительный датчик не зарегистрирует присутствия человека.
Чтобы определить наличие людей в помещении, датчик должен «перекрыть» время
между двумя движениями.
Для этого устанавливается задержка выключения. С каждым новым движением эта
задержка отсчитывается заново. Пока она не закончится, помещение считается занятым.
В местах постоянных хождений, таких как коридоры, свет должен выключаться как
можно быстрее без ненужного длительного включения. Зато в офисах, с редкими и
нерегулярными
движениями,
задержка
увеличивается
для
исключения
частных
включений и выключений. Для качественного управления освещением вместе с
определением присутствия человека, необходима фотометрия.
Традиционные датчики движения обладают ограниченными возможностями: при
недостаточной
освещенности
включают
освещение,
после
чего
фотометрия
деактивируется чтобы исключить влияние искусственного света. Это означает, что свет
даже в солнечную погоду автоматически не выключится, а только после ухода людей.
Затем
функция
фотометрии
снова
активируется.
Такое
поведение
является
удовлетворительным в зоне хождения, но в длительно занимаемых помещениях – нет.
Измеренная освещенность (от потолка вниз) может отличаться от точной
освещенности на рабочей поверхности. На нее будут оказывать влияние геометрия
помещения, расположение окон, отражательная способность стен и потолка, меблировка и
т.д., поэтому, эта освещенность не будет соответствовать санитарным нормам. Реакция на
изменение освещенности выполняется с задержкой, чтобы, например, при прохождении
облака исключить ненужные включения и выключения. Фотометрия гарантирует
надежную работу датчика в диапазоне 50-1500 Лк.
При измерении освещенности естественного дневного света с помощью
спектральных фильтров, подавляется искусственный свет и замеряется дневной вблизи
инфракрасной области. При измерении освещенности смешанного света, определяется
сумма
из
дневного
и
искусственного
света
и
автоматически
рассчитывается
интенсивность установленного освещения. В обоих случаях определяется доля дневного
света в помещении, даже при включенном освещении.
Существуют различные схемы включения датчиков.
Датчик присутствия без управляющего входа
Простейший
вариант
управления освещением
–
датчик
присутствия без
дополнительного ручного управления.
При присутствии людей и недостаточном дневном свете, освещение автоматически
включается, при отсутствии или достаточном дневном свете – выключается. Возможности
ручного управления ограничены: выключателем можно включить и выключить свет
(последовательно соединенным). Причем, включить можно только с разрешения датчика.
Это решение рационально в определенных условиях, например, в больших офисах,
замкнутых помещениях или в транзитных зонах, т.е. там, где первичным является
зависимость от присутствия, а освещенность играет второстепенную роль.
Свет – субъективное восприятие, зависящее от деятельности в данный момент,
световой ситуации и, не в последнюю очередь, от персонального, (личного) настроения.
Одно и то же освещение воспринимается по-разному. Датчик присутствия без
возможности ручного управления предъявляет высокие требования к точности установки
пороговых значений т.к. не учитывает настроения пользователей.
Датчики присутствия с управляющим входом
К датчику присутствия с управляющим входом можно подключить кнопку
управления, позволяющую потребителю вмешиваться (простейшим способом) в работу
датчика и включать освещение по своему желанию.
Режимы работы
Автоматический – полуавтоматический режим работы
Управление освещением может осуществляться на выбор либо полностью
автоматически либо полуавтоматически для большей экономии.
В режиме «автомат» освещение включается и выключается автоматически в
зависимости от присутствия людей и освещенности. Кнопкой можно в любое время
освещение включить и выключить. При этом, автоматика временно блокируется.
В режиме «Полуавтомат» автоматически освещение только выключается.
Включить можно вручную. Это решение предлагает меньший комфорт, зато большую
экономию.
Управление кнопкой возможно в любой момент.
Помещение – Коридор
В рабочих комнатах кнопка служит для включения и выключения освещения. В
транзитных зонах (коридорах) нерационально использовать ручное выключение, особенно
в непросматриваемых. В положении «Коридор» кнопкой можно только включить
освещение, выключит его автоматика.
Выключатель – кнопка
Часто датчики присутствия устанавливаются при модернизации систем освещения,
Чтобы сократить затраты, вместо кнопок ручного управления можно использовать
существующие выключатели.
Схема подключения датчика движения
Подключить датчик движения не сложнее, чем подключить обычный выключатель.
В обоих случаях датчик движения или выключатель замыкает, или наоборот, размыкает
электрическую цепь, в которую последовательно включен светильник, поэтому схема
подключения датчика движения (рис. 1) аналогична подключению светильника через
выключатель.
Иногда требуется, чтобы несмотря на отсутствие движения в помещении
светильник работал постоянно – тогда в схему может быть добавлен выключатель (рис 2),
подключенный параллельно к датчику движения. В этом случае выключатель
продублирует
работу
датчика
движения,
и
оперировать
светом
можно
будет
принудительно.
В некоторых случаях, когда ввиду особенностей помещения один датчик не в
состоянии охватить всю площадь этого помещения применяется схема подключения
светильника с двумя датчиками движения. При срабатывании любого датчика цепь
замыкается и на контакты светильника подаётся рабочее напряжение.
В среднем, номинальная мощность датчиков движения 500-700 Вт, что
ограничивает их использование с большей нагрузкой. Иногда возникает необходимость
подключения нескольких мощных электроламп через датчики движения (напр. освещение
двора частного жилого дома). В этом случае лучше всего использовать магнитный
пускатель.
Вот схема подключения датчика движения с магнитным пускателем:
Параллельное включение
Параллельное включение применяется когда зоны контроля датчика недостаточно.
Существуют несколько вариантов подключения
Обычная схема
 Присутствие и освещенность определяет каждый датчик в своей зоне.
 Установки: задержки и уровни освещенности вводятся для каждого датчика
отдельно и могут не совпадать.
 Каждый датчик включает общую нагрузку.
Установки вводятся наиболее оптимальные для своей зоны. Как только
освещенности будет недостаточно для одного из датчиков – включается освещение. Ввод
установок для каждого датчика ведет к увеличению затрат.
Схема master-slave
 Только master управляет освещением, т.к. только он замеряет освещенность.
 Остальные датчики определяют только присутствие и обмениваются этой
информацией между собой.
 Все потенциометры и DIP-переключатели установлены только у master.
Преимущество: уменьшение затрат, т.к. все установки выполняются только у
master. Его окружение является определяющим для определения освещенности в
помещении.
Схема master-master
В больших помещениях с участками с различной освещенностью, освещение
можно включать не общее, а отдельными группами. Например, в зоне окон и у
противоположной стены. В этом случае применяется схема параллельного соединения
master-master:
 Каждый master определяет освещенность в соответствующей зоне.
 Каждый master включает свою группу освещения.
 Все важнейшие потенциометры и DIP-переключатели находятся у всех master.
 Все датчики определяют наличие людей и обмениваются этой информацией;
 Дополнительно можно установить другие датчики в качестве slave, которые
будут только определять наличие людей в своей зоне контроля.
Для более качественного управления освещением участки с похожими условиями
необходимо объединять в одну группу освещения.
Задержка выключения
Иногда люди могут находиться в помещении без малейшего движения, при этом
даже высокочувствительный датчик не зарегистрирует присутствия человека. Чтобы
определить наличие людей в помещении, датчик должен «перекрыть» время между двумя
движениями. Для этого устанавливается задержка выключения. С каждым новым
движением эта задержка отсчитывается заново. Пока она не закончится, помещение
считается занятым.
Длительность задержки может изменяться, т.е., автоматически подгоняться к
условиям использования помещения. В местах постоянных хождений, таких как
коридоры, свет должен выключаться как можно быстрее без ненужного длительного
включения. Зато в офисах, с редкими и нерегулярными движениями, задержка
увеличивается для исключения частных включений и выключений.
Максимальное увеличение может достигать 15 минут, минимальная задержка – 2
минуты.
Планируется реализация различных параметров моделирования:
Виды помещений:
 проходы
 комнаты с окнами и без окон
 санитарные зоны
 наружное освещение
Тип освещения:
 искусственное
 естественное
 совместное
Регулировка датчиков:
 радиус действия
 светочувствительность
 таймер работы
Подключение датчиков:
 параллельно с выключателем
 последовательно с выключателем
 параллельное подключение датчиков
Примерная лицевая панель тренажера показана ниже.
Помещения.
Показан включенный
в проходе свет.
План помещений
Человек
Освещенность на
улице
Затраченная на
освещение мощность
Каждый датчик
настраивается
индивидуально
Возможность в ручном
режиме проверить работу
датчиков (управляя
человеком)
Работа программы заключается в следующем:
Управляя объектом (человеком) можно будет провести его через различные
помещения. При это в каждом помещении расположен датчик движения. Датчики могут
быть настроены индивидуально. Датчик подключен параллельно или последовательно с
выключателем. Есть возможность принудительного включения света в помещении с
помощью выключателей выведенных на лицевую панель. Также на срабатывание датчика
влияет интенсивность естественного освещения (если оно проникает в помещение).
Для анализа правильности выбора и настройки датчика в программу введен
счетчик
потраченной
энергии.
Можно
оценить
экономию
энергоресурсов
при
использовании датчиков. В качестве примера можно привести лестничные марши, где
освещение необходимо только в случае появления людей. При использования датчиков
количество затраченной энергии значительно уменьшается.