Έξυπνος φωτισμός και πιθανές εφαρμογές του στο κτίριο παλιάς ΣΤΕΦ στο ΤΕΙ Κρήτης.

Abstract

Η παρούσα εργασία παρουσιάζει μια προσπάθεια εξοικονόμησης ενέργειας φωτισμού σε κτήριο του Τριτογενούς Τομέα και ειδικότερα Δημόσιας Εκπαίδευσης. Η κατανάλωση φωτισμού αποτελεί τουλάχιστον το 15 % της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης αυτού του είδους κτηρίων. Αρχικά, περιγράφονται οι κύριες τεχνολογίες φωτισμού εσωτερικού χώρου (λάμπες πυρακτώσεως, αλογόνου, λαμπτήρες φθορισμού, LED), τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους, οι συνήθεις εφαρμογές τους και παρουσιάζονται σε συγκριτικούς πίνακες ώστε να βοηθηθεί ο αναγνώστης στην επιλογή της καταλληλότερης λύσης. Υπάρχει μια άμεση σχέση μεταξύ του επιλεγμένου λαμπτήρα και του φωτιστικού που προορίζεται. Η δομή του συστήματος φωτισμού, μπορεί να μειώσει σημαντικά την αξία του λαμπτήρα. Έτσι, παρατίθενται κάποιες ιδέες ως προς τα ποια φωτιστικά είναι καταλληλότερα για την χρήση που προορίζονται. Αναφέρονται επίσης, τα πλεονεκτήματα των ηλεκτρονικών μπάλαστ, των ανακλαστήρων και άλλων υλικών που βελτιώνουν την απόδοση της πηγής. Καθώς υπάρχει μεγάλη ποικιλία λαμπτήρων, έχουν αναπτυχθεί και οι αντίστοιχοι αυτοματισμοί. Υπάρχουν αυτοματισμοί που μπορούν να ενεργήσουν είτε τοπικά ή ενσωματωμένοι σε ένα σύστημα διαχείρισης κτηρίου. Επίσης, μπορούν να ελέγχουν τα φωτιστικά είτε ενσύρματα, είτε ασύρματα. Μερικοί αυτοματισμοί, χρησιμοποιούν ως κύρια μονάδα ελέγχου, μικροελεγκτή. Υπάρχουν συσκευές που μπορούν ν’ ανιχνεύσουν κίνηση σ’ ένα χώρο ή να ρυθμίσουν την ένταση του τεχνητού φωτισμού βάσει του φυσικού φωτισμού, στα επιθυμητά επίπεδα. Στη συνέχεια περιγράφεται η τρέχουσα κατάσταση των φωτιστικών του κτηρίου της Παλιάς Σ.Τ.ΕΦ. στο οποίο θα εφαρμοστεί η επιλεγμένη μεθοδολογία έξυπνου φωτισμού. Ειδικότερα, προσδιορίζεται η συνολική εγκατεστημένη ισχύς φωτισμού και η αντίστοιχη παρασιτική ισχύς. Μεγάλη σημασία στην εξοικονόμηση ενέργειας είναι η σωστή επιλογή του έξυπνου συστήματος ελέγχου φωτισμού που θα εφαρμοστεί. Έτσι πραγματοποιήθηκε έρευνα για τα είδη των αυτοματισμών, κλασικών αλλά και πιο σύγχρονων που υπάρχουν, και προσδιορίζονται αναλυτικά τα λειτουργικά τους χαρακτηριστικά καθώς και οι ιδιαιτερότητες τους. Επίσης, γίνεται τεχνοοικονομική σύγκριση μεταξύ των συγκεκριμένων αυτοματισμών, με σκοπό την επιλογή του αυτοματισμού που θα χρησιμοποιηθεί, με βασικά κριτήρια το κόστος εγκατάστασης, την αξιοπιστία λειτουργίας και ευκολία τροποποίησης/αναβάθμισης. Στη συνέχεια παρουσιάζεται εφαρμογή συστήματος έξυπνου φωτισμού στο κτίριο της Παλιάς ΣΤΕΦ. Η εφαρμογή περιλαμβάνει τόσο πειραματική αξιολόγηση στο εργαστήριο όσο και πραγματική υλοποίηση σε υφιστάμενο διάδρομο (μεγάλη και διαρκής φωτεινότητα, συχνή επισκεψιμότητα). Παρουσιάζονται οι πειραματικές μετρήσεις, το είδος ελέγχου ,ο αλγόριθμος υλοποίησης με τη βοήθεια αισθητήρων και του μικροελεγκτή Arduino, η συνδεσμολογία καθώς και τα προβλήματα και ο τρόπος αντιμετώπισής τους. Επίσης Καταγράφεται η κατανάλωση ενέργειας με το παλιό σύστημα ελέγχου και συγκρίνεται με το νέο, παρουσιάζοντας πολύ σημαντικά ποσοστά εξοικονόμησης ενέργειας που υπερβαίνουν το 80% Επιπρόσθετα, πραγματοποιείται μελέτη Έξυπνου Φωτισμού, στο σύνολο του κτηρίου της παλιάς ΣΤΕΦ όπως αυτό θα προκύψει μετά από την ανακατασκευή του. Παρουσιάζονται ο απαιτούμενος εξοπλισμός, το κόστος εγκατάστασης και οι μελλοντικές αναβαθμίσεις- επεκτάσεις του συστήματος που υλοποιήθηκε ώστε να καλύψει και τυχόν ανάγκες που θα προκύψουν, αλλά και συνύπαρξη με συστήματα ελέγχου του κτιρίου (εξαερισμού, ψύξης/θέρμανσης, κλπ). Τέλος, αποδείχθηκε ότι με την εφαρμογή του αυτοματισμού που υλοποιήθηκε, μπορεί να επιτευχθεί υψηλότερη, μέχρι και διπλάσια εξοικονόμηση ενέργειας με το ίδιο περίπου κόστος εγκατάστασης, συγκριτικά με την αναβάθμιση του υφιστάμενου συστήματος φωτισμού με τη χρήση λαμπτήρων χαμηλότερης κατανάλωσης. Άρα, όταν κάποιος επιθυμεί εξοικονόμηση ενέργειας από το φωτισμό στο χώρο του, θα πρέπει να εξετάσει αν πρέπει να αναβαθμίσει το σύστημα ελέγχου φωτισμού και έπειτα τα φωτιστικά σώματα ή τους λαμπτήρες.

Lighting consumption represents at least 15% of the total energy consumption of Public Education buildings. In this thesis smart techniques for energy management in lighting are presented. In order to do so, the main indoor lighting technologies (incandescent lamps, halogen, fluorescent lamps, LED), their own characteristics, their common applications are presented in comparative tables that help the reader choose the most appropriate solution. There is a very close relationship between the selected bulb and the artificial lighting source. The structure of the lighting device may decrease significantly the value of the bulb. Thus, some ideas on which lighting devices are more suitable for each use have been provided. Advances in ballasts, reflectors and other materials improving the efficiency of the lighting source have been also described. A variety of automation systems has been developed. There are automations which can either act individually or can be embedded in a Building Management System. They also can control the artificial lighting sources either wired or wirelessly. Some automation systems use microcontrollers as the main controller. There are sensors, which can detect movement in a room or to dim the light to improve visual comfort taking into account natural lighting. The current status of lighting appliances in the old building of the School of Engineering (S.E) of TEI Crete was presented in order to apply the selected smart lighting methodology. Particularly, the total installed lighting power and corresponding parasitic power are determined. The right choice of the smart lighting control system that will be implemented is very important for energy saving. Thus, a concise survey on the operating characteristics and peculiarities of the lighting automation applications is presented. Additionally, a techno-economic comparison of specific automation was made out, in order to select the automation to be used, with main criteria the installation cost, reliability, ease of operation and modification / upgrade. Then an application of the Smart Lighting in the S.E old building is designed. In particular, the Smart Lighting includes both experimental assessment in the laboratory and actual installation along an existing corridor (with increased natural lighting). The control approach utilizing sensors and the Arduino microcontroller is presented along with experimental measurements. A description of the hardware problems and their solution is also provided. The energy consumption of the corridor is reduced by more than 80% due to this Arduino-Based controller. Based on these favorable results a preliminary Smart Lighting study for the anticipated renovation of the building hosting the corridor is implemented. The required equipment is presented, and future upgrades-extensions of the system were suggested. The implemented smart lighting application is shown to achieve much higher, up to double energy savings, compared with the upgrading of the existing lighting system with LED lighting with similar installation cost. So when energy savings in lighting are anticipated smart lighting control system should be considered as an option before lighting sources replacement.