7. Valaistuksen säätöön liittyvät ratkaisut
7.1 Keinovalaistuksen ja päivänvalon yhteissäädön peruskysymyksiä
7.1.5 Sähköinen valonohjausjärjestelmä
Jotta voidaan saavuttaa mahdollisimman suuri valaistuksen energian säästö rakennuk-sessa ja silti taata, että joka työpisteessä on riittävästi valoa, automaattinen ohjausjär-jestelmä on pakollinen. Koska sekä sähkövalon että päivänvalon käyttö vaihtelee sekä huoneittain että ajan mukaan, jokaisessa työpisteessä pitäisi olla yksilöllinen valaistuk-sen ohjaus. Päivänvalopohjainen ohjausjärjestelmä koostuu yleensä seuraavista ele-menteistä:
· valoanturi, joka mittaa valaistustasoa tietyllä alueella (joko ainoastaan päivän-valoa tai alueen kokonaisvalotasoa, joka koostuu päivänvalosta ja keinovalosta)
· elektroninen ohjausyksikkö, joka sisältää mahdollisuuden kalibrointiin, minimi-ja maksimitasojen säädön minimi-ja säätöviiveet jne. minimi-ja
· yksikkö lamppujen kytkentään tai himmennykseen Päivänvalo-ohjausjärjestelmissä on kaksi perustapaa:
· valaistuksen tason säätö eli ns. himmennys
· valaistuksen päälle ja pois -ohjaus eli on/off-säätö
Valonsäätimet ohjaavat valojen tasoa laajalla alueella tarjoten näin halutun valotason.
Kytkimet vain kytkevät valot päälle tai pois tietyn viiveen jälkeen, kun kynnysarvo on ohitettu. Nykyaikainen loistelamppujen himmennys vaatii elektroniset himmennettävät liitäntälaitteet. Tämä tekee ne kytkimiä kalliimmiksi, mutta niillä saavutetaan suurim-mat säästöt eikä niillä ole epämiellyttäviä muutoksia valotasoissa. Himmentimet sovel-tuvat parhaiten toimistoihin, kouluihin ja mille tahansa alueelle, jossa tehdään töitä pöy-dän ääressä. Kytkimiä voidaan käyttää alueilla, joilla on paljon päivänvaloa ja joilla ei tehdä kriittisiä visuaalisia työtehtäviä.
Valaistuksen himmennysjärjestelmä, joka on suunniteltu seuraamaan päivänvalon muutoksia, koostuu kolmesta perusosasta:
1. valoanturi, joka kehittää sähköisen signaalin, joka on suhteessa pintaan tulevaan valoon
2. säädin, joka sisältää algoritmin miten muuttaa valoanturin signaali himmentimiä ohjaavaksi signaaliksi ja
3. himmennin, joka tasaisesti muuttaa valaisimen tuottaman valon määrää säätämällä valaisimeen menevää tehon määrää.
Vaikka himmennin tosiasiallisesti säätää valon määrää, on sen vaikutus ohjausjärjestel-män tavoitteisiin merkityksetön verrattuna valoanturiin ja säätimeen. Siksi keskitymme-kin valoanturin ja säätimen ominaisuuksiin.
Jatkuvan säädön perusratkaisut
Sisätilan suurempi päivänvalon määrä johtaa sähkön säästöihin vain, jos keinovalo kyt-ketään pois tai himmennetään sen mukaan, kuinka paljon päivänvaloa tulee huoneeseen.
Jotta keinovaloa voidaan ohjata siten, että se reagoi päivänvalon vaihteluihin, täytyy järjestelmässä olla valoanturi, ohjauslogiikka ja säätökomponentteja. Valonsäätöön on olemassa kaksi erilaista perusperiaatetta: takaisinkytketty säätö (suljettu silmukka, kuva 118) ja myötäkytkentäinen ohjaus (avoin piiri, kuva 119) (Rubinstein et al. 1988). Mo-lemmissa ohjausstrategioissa on ongelmia valoanturin sijoittamisessa parhaan tuloksen saavuttamiseksi. Takaisinkytketyssä ohjauksessa valoanturiin ei saa tulla ikkunasta suo-raa päivänvaloa eikä myötäkytketyssä saa valoanturiin tulla tilasta keinovaloa. Jälkim-mäisessä tapauksessa anturin ihannepaikka olisi ulkona, mutta tällöin kaihtimet tekevät ratkaisusta hyvin ongelmallisen.
liitäntä-laite valaistusvoimakkuus x
asetus-arvo w
e = w - r
Päivänvalo
anturin ulostulo r
Kuva 118. Takaisinkytketty (suljetun silmukan) vakiovalosäätö.
säädin u = f(r) anturi
r=f(w)
säätö-taso u valaistusvoimakkuus x anturin
lukema r
valaistus-asennus Päivänvalo w
Kuva 119. Myötäkytketty (avoimen silmukan) vakiovalosäätö.
Koska säätöön vaikuttavat monet tekijät ja reunaehdot, tietyt silmukka- ja säädintyyp-pien yhdistelmät ovat vakiintuneet tarjolla oleviin toimistojen järjestelmiin:
1. suljetun piirin integroiva vakiovalonsäätö 2. avoimen piirin proportionaalinen säätö ja 3. suljetun piirin proportionaalinen säätö.
Ilmeisesti jaottelu on peräisin Rubinsteinin et al. (1989) tutkimuksesta ”Photoelectric control of daylighting systems” (Electric Power Research Institute, Final Report), johon tässä käytetyt sekundaarilähteet viittaavat (Lee et al. 1999, Bierman 2001, Choi &
Mistrick 1999).
Jos anturin asetukset ovat riittävät, sama anturi sopii useamman säätötavan toteuttami-seen (kuva 120). Anturin spektriominaisuudet, suuntaavuus ja ohjauselektroniikka vai-kuttavat merkittävästi säädön kokonaisratkaisuun.
Integroiva (suljetun piirin) vakiovalonsäätö
Integroiva vakiovalonsäätö on tarkoitettu takaisinkytkettyyn järjestelmään. Siinä va-laistusvoimakkuus pyritään pitämään asetusarvossa integroimalla todellisen ja asetusar-von erosignaalia. Rajat, joiden ulkopuolella valaistusvoimakkuus on joko asetusarvoa suurempi tai pienempi, riippuvat valaisinten säätöalueesta ja päivänvalon voimakkuu-desta.
Integroivan säädön ongelmana on anturin saama valaistustieto, johon työtason valais-tusvoimakkuuden lisäksi vaikuttaa huoneen muihin pintoihin kohdistuva valo. Säädöstä huolimatta työtason valaistusvoimakkuus ei aina säily vakiona, koska lopputulokseen vaikuttavat mm. anturin suuntaominaisuudet.
Proportionaalinen avoimen piirin säätö
Mikäli järjestelmä ei sisällä takaisinkytkentää, anturi voidaan sijoittaa ulkotilaan. Täl-löin säädin voi ohjata valaisimia proportionaalisesti suoraan päivänvalon määrän pe-rusteella. Päivänvalon valaistusvoimakkuuden kasvaessa saavutetaan kyllästystaso, jota enempää valaistusta ei himmennetä. Himmentäminen alkaa kuitenkin heti, ts. säätöpiirin asetusarvona on vain himmennyksen jyrkkyys suhteessa valoanturin tuloon.
Säädössä voidaan pyrkiä valaistustason säilyttämiseen vakiona tai valita jokin muu riip-puvuus asetusten rajoissa. Suurimpana ongelmana on, se etteivät säätöolosuhteet pysy vakiona. Anturin tehtävänä on tarkkailla päivänvalon määrää. Ulos sijoitettuna anturi ei reagoi esimerkiksi sälekaihtimiin, ja sisätilassa sälekaihdinten luminanssi ei välttämättä korreloi työtason valaistusvoimakkuuden kanssa.
Proportionaalinen suljetun piirin säätö
Suljetun piirin sovelluksessa säätimen ominaiskäyrään on lisätty kynnysarvo, jota pie-nemmällä valaistusvoimakkuudella valaistus pysyy vakiona. Näin pelkän sähkövalon aiheuttama valaistusvoimakkuus ei vielä aiheuta himmentämistä. Säätöpiirin asetusar-voina toimivat siten sekä kynnysarvo että sen jälkeinen himmennyksen jyrkkyys.
Ratkaisu ei teoriassa mahdollista vakiovalonsäätöä, mikäli anturi tarkkailee työtasoa, mutta toisaalta ratkaisu voi kompensoida anturin suhteellista yliherkkyyttä päivänvalol-le.13
13 Kuitenkin Rubinstein, Avery & Jennings 1997, s. 7 tutkimuksessa suljetun silmukan järjestelmien virittäminen osoittautui vaikeaksi pienissä toimistohuoneissa: "The closed-loop, high gain, control sys-tems – – [i]n small daylit offices, – – proved time-consuming to commission and even after careful ad-justment, consistency of illumination levels was difficult to maintain from office to office." Koska kyse oli pienistä huoneista, valojakauma ja anturikysymykset ovat todennäköinen ongelmien syy.
Kuva 120. Kolmen säätötavan avoimen piirin vasteet (Bierman 2001). Periaatteessa sama anturi voi sopia niihin kaikkiin, mikäli sen ominaisuudet voi asetella riittävän monipuolisesti.
Päivänvalon mukaan tapahtuva päälle/pois-ohjaus
Päivänvaloanturi mahdollistaa energian säästön sammuttamalla keinovalot silloin, kun päivänvalo yksin tuottaa riittävästi valoa. Ongelmana on kuitenkin vaihtelevissa päivän-valo-olosuhteissa jatkuva kytkeminen päälle ja pois, mikä yleensä ärsyttää käyttäjiä.
Yksi vaihtoehto vähentää tätä on säätää kytkin niin, että kun valaistus laskee alle kriitti-sen raja-arvon Eon, kytkin kytkee valot päälle, mutta sammuttaa ne pois vasta, kun va-laistus on saavuttanut selkeästi suuremman raja-arvon Eoff. Toinen vaihtoehto on liittää keinovalon pois-kytkentään riittävän pitkä aikaviive.
Yksinkertaisen on/off-kytkimen ongelma on käyttäjän reaktio sen toimintaan. Erityisesti tilanteet, joissa automaatio kytkee valot päälle silloin, kun käyttäjä itse kytkisi ne pois, ärsyttävät käyttäjiä. Toimistoissa, luokkahuoneissa, asuintiloissa ja muissa vastaavissa tiloissa pitäisi päälle-kytkemisen tapahtua manuaalisesti, vaikka pois-kytkentä tapahtui-sikin automaattisesti päivänvalon mukaan.
On kuitenkin olemassa tietyntyyppisiä tiloja, joissa käyttäjät eivät oleta itse ohjaavansa valaistusta. Tällaisia tiloja ovat mm. käytävät, portaikot ja atriumit. Jos näihin tiloihin tulee päivänvaloa, valoanturit ja automaattinen päälle- ja poiskytkentä on hyvä vaihto-ehto. Kytkemisen ja katkaisun pitää silti olla mahdollisimman huomaamaton eli hidas valon lisääminen ja himmennys.
Vaihteleva kytkennän ohjaus
Valoanturein ohjatussa järjestelmässä valojen nopea päälle- ja poiskytkeminen on eri-tyisesti silloin ongelma, kun päivänvalotaso on lähellä kytkentää ohjaavia raja-arvoja (Littlefair 1996). Jos ohjauksessa on määritelty erilaiset Eon ja Eoff arvot, täytyy päivän-valon valaistusvoimakkuuden muuttua koko niiden välinen ero edestakaisin, jotta se
kytkeytyisi päälle ja sen jälkeen taas pois päältä (kuva 121). Tällöin on todennäköistä, että häiritsevän nopea päälle- ja pois-kytkeytyminen vähenee. Toinen väitetty etu vaih-televasta ohjauksesta on se, että se tekee kytkemisestä vähemmän huomiota herättävän, koska se toimii silloin, kun päivänvalon valotaso on suurempi, kuin mihin silmä on so-peutunut. Sellaisessa tilanteessa, jossa valoanturi on sijoitettu siten, että se vastaanottaa suoraan tai epäsuorasti valoa ohjaamastaan valaisimesta, on pakko käyttää vaihtelevaa ohjausta. Muulloin anturi kytkisi valot pois heti sen jälkeen, kun se on kytkenyt ne päälle, koska valaisimesta tullut lisävalo aiheuttaisi välittömästi raja-arvon ylityksen.
on off on off on off
Aika E
Päivänvalon valaistusvoimakkuus
E off E keski E on
Kuva 121. Vaihteleva päälle/pois-kytkennän ohjaus.
Aikaviiveellinen kytkennän ohjaus
Toinen keino vähentää kytkennän määrää on aikaviive (kuva 122). On olemassa kaksi päästrategiaa, miten aikaviive voidaan toteuttaa:
· kytkentään kytketty aikaviive, jossa sammuttaminen ei voi tapahtua ennenkuin n minuutin kuluttua päällekytkemisestä, missä n on etukäteen määrätty viive ja
· päivänvaloon kytketty viive, jossa sammuttaminen ei voi tapahtua ennen kuin haluttu päivänvalontaso on ylitetty vähintään n minuutin ajan.
Päällekytkennässä ei pidetä viivettä tarpeellisena etenkään valoputkilla varustetuissa järjestelmissä, koska silloin puolipilvisinä päivinä valaistuksen taso voi pudota paljon alle halutun.
on off on off on Aika E
Päivänvalon valistusvoimakkuus n minuuttia
on on on
E s
Kuva 122. Aikaviiveellä varustettu päälle/pois-kytkennän ohjaus.
7.1.6 Loistelampun säätöteknologiat