Dążenie do ograniczania zużycia energii elektrycznej na cele oświetleniowe nie powinno być ślepe. Nie może ono powodować obniżenia ilościowych i jakościowych cech oświetlenia. Wprost przeciwnie, celem zawsze powinny być doskonałe warunki poprawnego widzenia przy równoczesnej racjonalizacji zużycia energii elektrycznej.
Największe oszczędności energii elektrycznej w oświetleniu wnętrz można osiągnąć łącząc harmonijnie trzy działania:
- maksymalne wykorzystanie światła dziennego docierającego do wnętrz w porze dnia tak, by w tym czasie zminimalizować konieczność doświetlania wnętrz światłem sztucznym,
- zastosowanie systemów oświetleniowych składających się ze źródeł światła i opraw oświetleniowych LED, które charakteryzują się najwyższą efektywnością energetyczną oferowaną przez współczesną technikę,
- zastosowanie cyfrowych systemów sterowania oświetleniem, które idealnie nadają się do współpracy z półprzewodnikowymi diodami LED i mogą być integrowane z systemami automatycznego sterowania budynkiem.
Sterowanie systemami oświetlenia wnętrz
Sterowanie oświetleniem może odbywać się na różne sposoby, od sterowania ręcznego po sterowanie w pełni automatyczne, które uwzględnia porę dnia, natężenie światła naturalnego docierającego do pomieszczeń z zewnątrz budynku i obecność użytkowników w pomieszczeniach. Intensywny rozwój systemów oświetleniowych wykorzystujących technikę diod świecących LED w połączeniu z cyfrowymi systemami sterowania sprawił, że niedawne prognozy w dziedzinie inteligentnych budynków biurowych i obiektów przemysłowych już dziś stały się codzienną rzeczywistością. Sterowana cyfrowo infrastruktura oświetleniowa oparta na technice LED pozwala zarządzać obiektami w sposób zwiększający komfort ich użytkowania i efektywność wykorzystania.
Proste sterowanie instalacją oświetleniową za pomocą wyłączników czasowych i czujników ruchu
W nowych lub modernizowanych obiektach publicznych i komercyjnych najprostsze, wyłącznie ręczne, sterowanie oświetleniem typu załącz/wyłącz za pomocą wyłączników ściennych, odchodzi już w przeszłość ustępując miejsca sterowaniu zautomatyzowanemu. Proste instalacje oświetleniowe w pojedynczych wnętrzach lub przestrzeniach, np. na klatkach schodowych lub w korytarzach, które dotychczas wyposażone bywały co najwyżej w wyłączniki czasowe, współpracują teraz z czujnikami obecności montowanymi w oprawach lub jako urządzenia autonomiczne współpracujące z grupami opraw. Dzięki nim światło sztuczne może być automatycznie załączane po pojawieniu się ludzi i przygaszane lub całkowicie wyłączane po ich odejściu. Czujniki obecności pozwalają na uzyskanie znacznych oszczędności gdyż gwarantują, że w pomieszczeniach, w których nie przebywa żaden użytkownik, światło zostanie wyłączone.
Czujniki obecności działają na zasadzie wykrywania ruchu i spełniają trzy zasadnicze funkcje polegające na załączeniu światła z chwilą, gdy użytkownik wchodzi do pomieszczenia, utrzymaniu oświetlenia załączonego w czasie, w którym w pomieszczeniu ktoś przebywa i wyłączeniu go, gdy w pomieszczeniu nikogo nie ma.
Inteligentne sterowanie systemami oświetleniowymi
Coraz powszechniejszą praktyką w przypadku oświetlenia opartego na wykorzystaniu półprzewodnikowych diod świecących LED jest stosowanie zautomatyzowanych, inteligentnych systemów cyfrowego sterowania oświetleniem wnętrz. Takie scentralizowane systemy stosuje się do sterowania oświetleniem w złożonych układach architektonicznych składających się z wielu pomieszczeń i przestrzeni, np. w całych budynkach, poszczególnych piętach lub częściach budynku stanowiących zespół wnętrz składających się na siedzibę jednej instytucji.
Mogą one działać automatycznie powtarzając sekwencje zaprogramowane na podstawie informacji o czasowym zapotrzebowaniu na oświetlenie lub wykorzystywać dane uzyskiwane w czasie rzeczywistym z czujników natężenia światła dziennego oraz obecności osób. Oczywiście w tym drugim przypadku systemy takie umożliwiają też doraźne wymuszenie zmiany globalnych lub lokalnych ustawień. Współpraca systemu sterowania z czujnikami poziomu natężenia światła naturalnego docierającego do pomieszczeń z zewnątrz pozwala sterować światłem sztucznym tak, aby nie przekraczać niepotrzebnie wymagań oświetleniowych, a tylko doświetlać wnętrza do poziomu zapewniającego właściwy komfort i wydajność pracy wzrokowej. Sterowanie oświetleniem na podstawie sygnałów z czujników ruchu może obniżać zużycie energii elektrycznej dzięki automatycznemu wyłączaniu lub przyciemnianiu światła w miejscach, w których nie przebywają ludzie, np. we wszystkich pomieszczeniach pomocniczych, w których praca odbywa się tylko okresowo i krótkotrwale, a także w sanitariatach i wielu korytarzach. System taki załącza światło natychmiast po pojawieniu się ludzi i automatycznie wyłączy w krótkim czasie po ich wyjściu z pomieszczenia. W ten sposób zabezpiecza przed częstym niewyłączaniem światła wskutek zapomnienia lub zaniedbania. Automatyczne sterowanie może również ograniczać oświetlenie zewnętrzne budynków do niezbędnego minimum w sytuacji, gdy na zewnątrz nie przebywają ludzie lub nie poruszają się pojazdy. Oprawy oświetleniowe mogą być sterowane indywidualnie lub łączone w grupy. Czas pracy pojedynczych opraw oświetleniowych lub ich grup może być monitorowany, dzięki czemu uzyskuje się cenne informacje dotyczące zużycia energii i utrzymania instalacji oświetleniowej, przydatne dla zarządzania obiektem. Całość obsługi i programowania nowoczesnego systemu sterowania oświetleniem odbywa się z laptopa lub tabletu przez intuicyjny i łatwy do opanowania interfejs programowy łączący się z systemem sterowania np. za pośrednictwem Bluetooth lub Wi-Fi.
Sterowanie przewodowe
Jednym z najstarszych, jeszcze analogowych sposobów przewodowego sterowania oświetleniem jest system 1-10V. Dziś jest on już rzadko stosowany. Skutecznie wyparły go cyfrowe systemy sterowania oświetleniem. Najpopularniejsze z nich to systemy DALI i DMX. Podstawową przewagą systemów cyfrowych nad analogowymi jest ich większa funkcjonalność. Systemy cyfrowe charakteryzują się dużą odpornością na zakłócenia, co pozwala na tworzenie dużych instalacji nawet w najbardziej wymagających zastosowaniach.
Systemy 1-10V to prosty, analogowy system umożliwiający zmniejszanie strumienia świetlnego opraw. Sterowanie oprawą oświetleniową odbywa się za pomocą przewodowej linii sterującej przez zmianę sygnału napięciowego na zaciskach zasilacza źródła światła w zakresie 1–10 V. W najprostszych układach sterowania 1-10V elementem regulacyjnym jest potencjometr. Zmiana napięcia wywołuje zmianę częstotliwości pracy układu. W efekcie wywołuje to zmianę prądu płynącego przez lampę i w konsekwencji wartości strumienia świetlnego. System 1-10V umożliwia sterowanie oprawami oświetleniowymi zasilanymi z różnych faz za pomocą tego samego kontrolera. Wszystkie oprawy oświetleniowe muszą być wyposażone w odpowiednie zasilacze pracujące w standardzie 1-10V. Zaawansowane instalacje w tym systemie mogą współpracować z różnego rodzaju czujnikami, np. natężenia światła dziennego lub obecności.
System DALI (ang. Digital Addressable Lighting Interface), przedstawiony po raz pierwszy w 2000 r., to najczęściej stosowana technologia cyfrowego sterowania oświetleniem. Zapewnia wzajemną kompatybilność urządzeń pochodzących od różnych producentów. Charakteryzuje się wszechstronnością, uniwersalnością i jest odporny na zakłócenia. Duża elastyczność i funkcjonalność sprawia, że system DALI jest chętnie stosowany do sterowania oświetleniem pojedynczych pomieszczeń, pięter budynków lub całych, wielopiętrowych obiektów architektonicznych. Systemy sterowania oparte na protokole DALI charakteryzują się możliwością rozbudowy, integracji i komunikacji z innymi systemami. Mogą współpracować z systemami zarządzania budynkiem, np. BMS i KNX. Są przystosowane do rozwoju funkcjonalności automatyki budynku, zapewniając zdalny dostęp do infrastruktury oświetleniowej. Dzięki otwartej architekturze systemu DALI przyłączanie nowych urządzeń w postaci opraw oświetleniowych lub czujników, nie stanowi problemu. Pojedyncza sieć DALI może składać się z maksymalnie 64 indywidualnie adresowanych i sterowanych urządzeń, które mogą zostać przyporządkowane do każdej z 16 zdefiniowanych grup. Kontrolowanie urządzeń odbywa się za pomocą przewodu dwużyłowego. Umożliwia to prowadzenie przewodów sterujących i instalacji zasilającej w jednym pięciożyłowym przewodzie. Zwiększa to szybkość montażu instalacji oraz ogranicza koszty inwestycji. Maksymalna dopuszczalna długość przewodów sterujących, zarówno ze względu spadek napięcia, jak i na wymagania samego protokołu, wynosi 300 m. Dzięki sterowaniu cyfrowemu każda z opraw oświetleniowych LED może być indywidualnie załączana i wyłączana oraz pracować z różnymi wartościami strumienia świetlnego. System DALI charakteryzuje się wysoką odpornością na zakłócenia co sprawia, że może być stosowany także we wnętrzach przemysłowych. Komunikacja w systemie DALI jest dwukierunkowa. Sieć oświetleniowa sterowana w systemie DALI odbiera sygnały sterujące, ale może także wysyłać sygnały zwrotne, np. informując o ewentualnych usterkach. Umożliwia to identyfikację awarii i ich szybkie usunięcie.
System DMX (ang. Digital Multiplex) jest cyfrowym protokołem komunikacyjny, bazującym na standardzie interfejsu szeregowego RS-485, używanym głównie do sterowania oświetleniem scenicznym. Obecnie coraz częściej stosowany jest także do sterowania wielobarwnymi efektami w oświetleniu iluminacyjnym obiektów architektonicznych, szczególnie dynamicznej iluminacji fasad, dzięki możliwości zmiany barw RGB i temperatury barwowej białego światła LED. System DMX umożliwia jednoczesne sterowanie maksymalnie 512 kanałami, przy czym szybkość transmisji danych wynosi aż 250 kB/s, dzięki czemu system DMX jest doskonałym rozwiązaniem w przypadkach gdy wymagana jest bardzo duża liczba lamp RGB oraz dynamiczne zmiany barw.
System KNX stanowi prawdopodobnie najlepsze rozwiązanie do sterowania oświetleniem, jednak możliwości tej platformy znacznie wykraczają poza to zadanie. Rozwiązanie to umożliwia integrację różnych funkcji automatyki budynkowej, niezależnie od producenta osprzętu. KNX zapewnia duże możliwości integracji i współpracy różnych instalacji, dzięki czemu pozwala na równoczesne sterowanie ogrzewaniem, oknami połaciowymi, roletami i markizami, bramami oraz systemami bezpieczeństwa, czyli praktycznie wszystkimi urządzeniami mającymi wpływ na komfort użytkowania obiektu. Technologia KNX jest jednolitym, otwartym standardem, chętnie stosowanym w obiektach użyteczności publicznej, komercyjnych i budynkach mieszkalnych, dlatego w wielu przypadkach sterowania jedynie oświetleniem użycie tak rozbudowanego narzędzia jest nieuzasadnione. Przesyłanie sygnałów sterujących w systemie KNX może odbywać się za zarówno za pośrednictwem przewodu sterującego lub instalacji elektrycznej, jak i bezprzewodowo, za pomocą sygnału radiowego.
Sterowanie bezprzewodowe
W ostatnich latach szczególnie atrakcyjne możliwości sterowania oświetleniem LED przynosi technologia łączności bezprzewodowej. Główną różnicą w porównaniu ze starowaniem przewodowym jest przekazywanie cyfrowego sygnału sterowniczego za pomocą fal radiowych w ogólnodostępnych pasmach 868 MHz ISM i 2,4 GHz, a nie linii kablowych. Rozwiązania bezprzewodowego sterowania radiowego mogą być stosowane jako całkowicie autonomiczne systemy sterownicze, ale również jako podsystemy do rozwiązań przewodowych.
Wielu inwestorów obawia się powiększonych kosztów inwestycyjnych związanych z zastosowaniem bezprzewodowego sterowania instalacjami oświetleniowymi, jednak powinni oni brać pod uwagę, że dzięki różnorodnym, elastycznym funkcjom i możliwości precyzyjnego programowania, te nowe technologie pozwalają znacznie obniżyć zużycie energii elektrycznej, a więc koszty eksploatacji obiektów.
Nowa generacja bezprzewodowych systemów sterowania oświetleniem upraszcza proces i obniża koszty budowy instalacji dzięki eliminacji dedykowanych kabli sterujących. Sterowanie bezprzewodowe zapewnia elastyczność konfiguracji, ponieważ eliminuje ograniczenia związane z koniecznością umieszczania elementów sterujących w miejscach narzucanych przez konfigurację przewodów sterujących i zasilających oprawy oświetleniowe. Sterowniki bezprzewodowe mogą być umieszczane w miejscach optymalnych ze względu na potrzeby i łatwość dostępu. W przypadku zmian w organizacji wnętrz, zmiany oświetlenia nie wymagają zmian instalacji elektrycznej i mogą być wykonane przez łatwe przeprogramowanie sterowania bezprzewodowego. Pierwotnie utworzona sieć bezprzewodowego sterowania oświetleniem, nie jest zamknięta. Do jej rozszerzenia lub konfiguracji przestrzennej nie jest wymagana budowa dodatkowej sieci przewodów sterujących. Dodanie kolejnych opraw z funkcją sterowania bezprzewodowego, czujników i przełączników wymaga jedynie minimalnej pracy i nie zakłóca działania dotychczasowej instalacji.
Systemy bezprzewodowego sterowania oświetleniem LED są z natury proste, a aplikacje sterujące ułatwiają elastyczne konfigurowanie przestrzeni we wnętrzach. Rosnące wymagania oszczędności energetycznych sprawiają, że dołączenie bezprzewodowego sterowania do inwestycji w system oświetlenia LED jest rozsądnym krokiem. Obszarem aplikacji gdzie może to przynieść największe oszczędności i równocześnie zapewnić elastyczność organizacji przestrzeni jest z pewnością oświetlanie wnętrz biurowych i komercyjnych, placówek edukacyjnych oraz obiektów służby zdrowia.
Liczba różnorodnych protokołów komunikacji bezprzewodowej dostępnych na rynku jest zaskakująco duża. Wszystko komplikuje się jeszcze bardziej, gdy napotykamy na konieczność użyciu sprzętu różnych firm. Pewne autorskie rozwiązania komunikacyjne działają bowiem najlepiej wtedy, gdy wszystkie urządzenia pochodzą od jednego producenta będącego autorem takiego systemu. Na szczęście sytuacja zmienia się. Producenci dostarczają już moduły, tzw. bramki, które pozwalały na łączenie elementów różnych systemów.
Jednymi z często stosowanych, otwartych protokołów komunikacji bezprzewodowej pozwalających na sterowanie systemami oświetlenia LED są ZigBee, Z-Wave i Bluetooth Mesh.
Protokół komunikacji bezprzewodowej ZigBee powstał ponad trzy dekady temu jednak jako standard otwarty został ostatecznie przyjęty w 2003 r., a pierwsze produkty wykorzystujące ZigBee pojawiły się na rynku w 2006 r. Od tego czasu ZigBee znalazło zastosowanie do sterowania oświetleniem, wentylacją i klimatyzacją w inteligentnych domach, obiektach biurowych i hotelowych, szpitalach, zakładach przemysłowych, inteligentnych miastach oraz w innych dużych instalacjach. Protokół stworzono w celu zaspokojenia zapotrzebowania na tanie, standaryzowane rozwiązanie komunikacji bezprzewodowej oferującej wprawdzie dość niską szybkość transmisji, ale za to wysokie bezpieczeństwo i niezawodność przy niskim poborze mocy.
ZigBee jest rozproszonym systemem sterowania opartym na komunikacji radiowej w paśmie 2,4 GHz oraz w zależności od regionu 784-915 MHz. Bazuje na topologii kraty (mesh), która wraz z dostępnością wielu kanałów oraz tolerancją na zakłócenia sprawiają, że tego rodzaju sieć jest niezawodna, niedroga i łatwo pozwala się skalować do tysięcy węzłów.
Maksymalna szybkość transmisji w protokole ZigBee wynosi tylko 250 kb/s przy częstotliwości 2,4 GHz, ale nie ma to znaczenia w typowych zastosowaniach. ZigBee umożliwia przesyłanie małych pakietów danych we względnie długich odstępach czasowych, co jest zazwyczaj wystarczające do zbierania danych z czujników obecności, natężenia światła, temperatury, sensorów bezpieczeństwa, systemów monitorowania jakości powietrza i podobnych podsystemów. Niska przepustowość powoduje, że działania systemu nie wymaga wysokiej mocy, dzięki czemu węzły ZigBee mogą zazwyczaj pracować przez wiele lat na zasilaniu bateryjnym. Niski pobór mocy sprawia wprawdzie, że produkty wspierające ZigBee mają na ogół dość krótki zasięg transmisji wynoszący ok. 10 m do 15 m, a emitowany przez nie sygnał może być dodatkowo zakłócany przeszkodami, jednak dzięki pracy jako części sieci o topologii kraty, poszczególne z nich przekazują pomiędzy sobą sygnały na sumarycznie większe dystanse. Topologia kraty sprawia też, że uszkodzenie pojedynczego urządzenia nie spowoduje zatrzymania pracy całej sieci, gdyż komunikacja może zostać przekierowana pomiędzy innymi węzłami sieci.
Wprawdzie pojawienie się standardu ZigBee nastąpiło przed czasami Internetu Rzeczy, jednak jego cechy sprawiają, że idealnie nadaję się on do zastosowań IoT. Najnowsza wersja ZigBee 3.0, wprowadzona na początku 2016 r., została opracowana specjalnie z myślą o takich aplikacjach. Ta wersja eliminuję potrzebę stosowania mostków umożliwiających współpracę pomiędzy różnymi zestawami starszych urządzeń wspierających ZigBee i sprawia, że wszystkie mogą komunikować się bezpośrednio, niezależnie od typu. Przydatność ZigBee pod kątem IoT wynika też miedzy innymi z otwartości tego standardu. Dzięki temu produkty różnych producentów z zaimplementowanym systemem ZigBee mogą być używane na całym świecie. W ramach tego systemu mogą współpracować ze sobą elementy od wielu dostawców co sprawia, że użytkownicy nie są ograniczeni do żadnych konkretnych marek.
Z-Wave to również protokół bezprzewodowej transmisji danych służący do łączenia urządzeń w zdalnie sterowaną sieć o topologii kratowej (mesh), jednak nowszy od ZigBee i będący jego silnym konkurentem.
Miedzy Z-Wave i ZigBee istnieje kilka różnic. Z-Wave działa na niższych częstotliwościach co pozwala uzyskać lepszy zasięg i eliminuje problemy z zakłóceniami od sygnałów Wi-Fi i Bluetooth, czyli wady występujące w konkurencyjnym systemie. W wariancie europejskim do komunikacji wykorzystuje fale radiowe na częstotliwości 868,42 MHz, co w odpowiednich warunkach zapewnia maksymalny zasięg między każdym urządzeniem wynoszący do 100 m.
Z-Wave jest też często określany jako prostszy, bardziej kompatybilny i łatwiejszy w konfiguracji. Każde urządzenie wchodzące w skład sieci Z-Wave komunikuje się z centralnym węzłem komunikacyjnym będąc równocześnie przekaźnikiem sygnału dla innych urządzeń. Daje to zwiększenie realnego zasięgu całego systemu. Wyjątkiem są tu urządzenia zasilane bateryjnie, które za względu na oszczędność źródła zasilania mają wyłączoną możliwość przekazywania sygnału.
Bluetooth Mesh to najnowszy standard protokołu sterowania Bluetooth, zaprezentowany w lipcu 2017 r. Podobnie jak poprzednia wersja Bluetooth 5.0, skupia się na funkcjach niezbędnych w technologiach Internetu Rzeczy, m.in. ulepszonej prędkości, zwiększonej pojemności transmitowanych danych i zwiększeniu długości pakietów.
Jedną z jego najważniejszych cech jest to, że opiera się na współpracy modułów low-energy (LE) o niskim zapotrzebowaniu na energię elektryczną. Umożliwia to długotrwałą współpracę nawet pomiędzy urządzeniami z zasilaniem bateryjnym.
Wprawdzie szybkość protokołu łączności Bluetooth Mesh to tylko około 1 Mbps, ale wystarcza to do wymiany krótkich informacji, za to znacząco zmniejszy zapotrzebowanie na energię elektryczną, co zapewni wyższe bezpieczeństwo w przypadku zaniku zasilania.
Bluetooth 5.0 oparty był na topologii zwanej point-to-point lub inaczej star, natomiast Bluetooth Mesh wprowadza zupełnie innowacyjne podejście w tej kwestii. Topologia point-to-point oznacza, że wszystkie urządzenia w sieci, zamiast komunikować się między sobą, są podłączone do jednego centralnego węzła komunikacyjnego. Jedynym sposobem na rozszerzenie tego typu sieci jest podpięcie kolejnych urządzeń do węzła głównego. Zbudowanie dynamicznej, inteligentnej sieci oświetleniowej, w której każdy z węzłów jest w stanie komunikować się z dowolnym innym węzłem, nie jest możliwe w oparciu o takie założenia. Inteligentne oświetlenie wymaga komunikacji opartej na topologii sieci kratowej (mesh), w której każdy z węzłów może wysyłać i odbierać pakiety danych do i z innego węzła, a dzięki temu przekazywać je dalej w głąb sieci, bez konieczności łączenia się z węzłem centralnym. W przypadku infrastruktury oświetleniowej, której poszczególne węzły rozłożone są dość równomiernie w każdej przestrzeni zabudowanej, pozwala to na błyskawiczne przesyłanie danych w obrębie całego budynku. Cecha ta nabiera szczególnego znaczenia w obliczu faktu, że zasięg innych energooszczędnych protokołów bezprzewodowej komunikacji jest ograniczony. W standardzie Bluetooth Mesh obszar sieci jest w zasadzie nieskończony, co czyni go wyjątkowo użytecznym dla zastosowań Internetu Rzeczy. Protokół łączności Bluetooth Mesh nadaje się więc idealnie do automatyzacji budynków, sieci czujników, śledzenia zasobów i innych rozwiązań Internetu rzeczy (IoT), które wymagają niezawodnej komunikacji pomiędzy dziesiątkami, setkami, a nawet tysiącami urządzeń.
Na rynku dostępnych jest także wiele innych technologii, w tym także takie, które w zależności od potrzeb, mogą pracować w oparciu o jedną z topologii sieci, wybraną przez użytkownika – pear to pear, point to point, star lub mesh. Taką technologią jest np. IQRF torująca sobie drogę na światowe rynki.
Sterowanie oświetleniem elementem Internetu Rzeczy
Wiele współczesnych systemów sterowania oświetleniem może być obsługiwanych przez użytkownika nie tylko za pomocą paneli sterujących lub pilotów radiowych, ale także za pośrednictwem zaawansowanych interfejsów użytkownika w postaci aplikacji na smartfony, tablety lub laptopy, z którymi system łączy się za pośrednictwem internetowego łącza Wi-Fi. Takie interfejsy sprawiają, że systemy sterowania światłem we wnętrzach stały się jednym z podstawowych elementów Internetu Rzeczy (IoT). Systemy oświetleniowe LED współpracujące z czujnikami, sterowane cyfrowo za pośrednictwem aplikacji IoT, pozwalają na rozpoznanie potencjału budynków i zbieranie danych dotyczących potrzeb, by tworzyć inteligentne rozwiązania usprawniające ich funkcjonowanie. Daje to podstawę zapewnienia światła optymalnego nie tylko pod względem jakości widzenia i komfortu przebywania w pomieszczeniach, ale też oszczędności energii elektrycznej, a więc zrównoważonego rozwoju.
| Autor: Marek Kołakowski (LIGHTING.PL) Artykuł ukazał się w czasopiśmie Oświetlenie LED nr 1/2020 |
 |
