EFICIENTIZAREA ENERGETICĂ A SISTEMELOR DE ILUMINAT PENTRU CLĂDIRI EXISTENTE ŞI CLĂDIRI AFLATE ÎN STADIUL

DE PROIECT.

HRISIA MOROLDO Catedra de Luminotehnică şi Instalaţii electrice, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti,

dmoroldo@yahoo.com CRISTIAN OANCEA

Catedra de Electrotehnică, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti. cristianhoo@yahoo.de

Abstract: In order to proper evaluate the energy performance of a building, it has to be analysed and evaluated the electrical energy consumption for the general and safety lighting, in the spaces afferent to the building , for the buildings in service as well for the recent build ones. Lighting systems must correspond from the functional, aesthetically, economic and energetic point of view. Taking into consideration the four requests a lighting system must comply with, the auditor may face a series of problems, especially when it comes to buidings in use. In case of recent buildings, rehabilitated or in design stage, an important role comes to the projectants (the electrical engineer and the architect) as well the beneficiary, which have to co-operate so that the lighting systems correspond the imposed exigences. Introducere

Pentru a evalua corespunzător performanţa energetică a unei clădiri trebuie să se analizeze şi să se evalueze consumul de energie electrică pentru iluminatul general şi iluminatul de siguranţă al spaţiilor aferente clădirii, atât în cazul clădirilor aflate în exploatare precum şi în cazul clădirilor nou construite.

Sistemele de iluminat trebuie să corespundă atât din punct de vedere al confortului vizual ( funcţional), din punct de vedere estetic (să satisfacă exigenţele impuse de arhitect), economic, cât şi din punct de vedere energetic.

Luând în consideraţie cele patru cerinţe cărora trebuie să le răspundă un sistem de iluminat, auditorul se poate confrunta cu o serie de probleme, în special în cazul clădirilor aflate în exploatare. In cazul clădirilor nou construite sau reabilitate, aflate în stadiul de proiect, un rol important îl au proiectanţii (inginerul de electrice şi arhitectul) precum şi beneficiarul, care trebuie să colaboreze astfel încât sistemele de iluminat să corespundă exigenţelor impuse.

La crearea mediului luminos interior concură o serie de factori cantitativi şi calitativi, contribuind astfel la asigurarea funcţionalităţii şi esteticii încăperii.

Analiza performanţei energetice a clădirii se poate face numai în condiţiile realizării unui mediul luminos care să răspundă cerinţelor minime de confort vizual şi estetic.

In cazul clădirilor aflate în stadiul de proiect lucrurile sunt relativ simple, deoarece în urma evaluării consumului de energie electrică se pot adopta măsuri eficiente de reduce a consumului de energie electrică, încă din stadiul de proiect, prin adoptarea unor soluţii de sisteme de iluminat adecvate destinaţiilor, surse de lumină şi corpuri de iluminat performante, utilizarea luminii naturale etc.

1

In cazul clădirilor existente, auditorul trebuie să evalueze nu numai consumul de energie electrică ci şi sistemul de iluminat cu elementele componente ale acestuia, în scopul stabilirii consumului de energie electrică în condiţiile în care sistemul de iluminat analizat corespunde din punct de vedere calitativ şi cantitativ. In caz contrar există riscul ca deşi sistemul de iluminat să nu fie performant din punct de vedere energetic (subdimensionare, echipamente uzate moral etc) clădirea să se încadreze într-o clasă energetică corespunzătoare.

Consecinţele unei astfel de situaţii sunt: lipsa confortului vizual; influenţe negative asupra stării de sănătate a persoanelor care-şi desfăşoară

activitatea în acea încăpere; consum inutil de energie electrică; aviz favorabil din partea auditorului, ceea ce nu ar reflecta situaţia reală.

Ca o primă concluzie, evaluarea performanţei energetice în cazul clădirilor vechi ale căror sisteme de iluminat nu au fost reabilitate va fi în mod obligatoriu însoţită de observaţii pertinente din partea auditorului, observaţii care vor fi însuşite de beneficiar în scopul reabilitării sistemelor de iluminat interior.

Proiectarea corespunzătoare a sistemelor de iluminat artificial in vederea asigurării confortului vizual prin respectarea factorilor cantitativi şi calitativi impuşi de normativul in vigoare, precum şi a implementării unor soluţii performante din punct de vedere energetic se fac luând în considerare următoarele aspecte:

• alegerea adecvată a echipamentelor electrice din punct de vedere funcţional; • alegerea judicioasă a echipamentelor electrice utilizate, astfel încât instalaţia de

iluminat să prezinte un grad ridicat al eficienţei energetice; • alegerea adecvată a tipului de sistem de iluminat din punct de vedere al distribuţiei

fluxului luminos în spaţiu; • implementarea unor sisteme de iluminat mixte daca este cazul; • utilizarea metodelor de calcul precise pentru stabilirea soluţiei luminotehnice; • utilizarea programelor de calcul specializate pentru o dimensionare corectă a

soluţiilor de iluminat în vederea evitării supradimensionării sau subdimensionării sistemelor de iluminat artificial.

A. Alegerea echipamentelor electrice din punct de vedere funcţional

O Alegerea sursei de lumină Sursa de lumină sau lampa electrică realizează conversia energiei electrice în energie

luminoasă. Pentru realizarea unui mediu luminos adecvat se recomandă ca, pentru alegerea sursei

de lumină să se ia în consideraţie parametrii luminotehnici ai acesteia: • culoarea aparentă; • temperatura de culoare; • redarea culorii caracterizată prin indicele de redare a culorilor, Ra; • durata de funcţionare; • durata de punere în funcţiune; • geometrie şi dimensiuni CIL. Alegerea parametrilor enumeraţi anterior se face de către specialistul în tehnica

iluminatului în funcţie de destinaţia încăperii, activitatea desfăşurată, în consecinţă, de condiţiile minime de confort pe care trebuie să le asigure sistemul de iluminat.

2

O Alegerea corpului de iluminat Din punct de vedere funcţional, tipul corpului de iluminat se alege în funcţie de o serie

de criterii: • activitatea desfăşurată în încăperea respectivă; • estetică; • unghiul minim de protecţie vizuală; • luminanţă; • modul de distribuţie al fluxului luminos (direct, semi-direct, direct-indirect, semi-

indirect, indirect). • tipul suprafeţei pe care va fi montat; • grad de protecţie la agenţii de mediu; • grad de protecţie la electrocutare.

O Alegerea aparatajului auxiliar

Aparatajul auxiliar necesar funcţionării adecvate a surselor de lumină este reprezentat de balast şi condensator.

Balastul trebuie să îndeplinească următoarele condiţii: • să asigure: stabilizarea descărcării, • să introducă un procentaj redus de armonici, • să fie echipat cu sisteme de atenuare a paraziţilor radio sau TV, • să prezinte o funcţionare silenţioasă o perioadă cât mai lungă de timp, Din punct de vedere funcţional, aceste echipamente electrice trebuie să prezinte

compatibilitate electrică, astfel încât funcţionarea surselor de lumină să se facă la parametrii nominali.

In general, corpurile de iluminat sunt distribuite de către furnizorii de echipamente, complet echipate.

B. Alegerea echipamentelor electrice din punct de vedere al performanţei energetice

O Alegerea sursei de lumină In funcţie de natura producerii radiaţiilor luminoase, sursele de lumină pot fi: surse cu

radiaţii produse pe cale termică (surse cu incandescenţă) sau surse cu radiaţii produse prin agitaţie moleculară (surse cu descărcări, surse cu inducţie magnetică) .

Din punct de vedere al eficienţei luminoase, sursele cu radiaţii produse prin agitaţie moleculară sunt net superioare celor cu incandescenţă, eficacitatea luminoasă a acestora fiind de cca 3…6 ori mai mare. Deci, se recomandă utilizarea cu preponderenţă a acestor surse, cu condiţia realizării condiţiilor de confort vizual impuse de normativ. Utilizarea surselor cu incandescenţă sau a celor cu incandescenţă cu halogen este justificată numai în cazuri speciale (ex: lăcaşe de cult, foaierele teatrelor, localuri de lux etc. ), acolo unde condiţiile de confort (redare excelentă a culorilor, culoarea aparentă caldă etc.) impun această soluţie costisitoare atât din punct de vedere al consumului de energie cât şi din punct de vedere al costurilor de întreţinere.

Alegerea sursei de lumină are rolul cel mai important în asigurarea performanţei energetice a sistemului de iluminat, aceasta fiind receptorul electric cu consumul cel mai mare de energie electrică din cadrul sistemelor de iluminat.

3

O Alegerea corpului de iluminat Din punct de vedere al performanţei energetice, alegerea corpului de iluminat se va

face în funcţie de randamentul acestuia, η . Randamentul corpurilor de iluminat variază în funcţie de tipul CIL şi de firma producătoare, acesta având o gamă de valori cuprinsă între 0.28 şi 0.98. Alegerea unor corpuri de iluminat cu randament necorespunzător duce la reducerea eficienţei energetice a sistemului de iluminat.

În consecinţă, se recomandă alegerea cu preponderenţă a corpurilor de iluminat cu randament mare, în condiţiile în care calitatea mediul luminos a unei încăperi (oricare ar fi destinaţia acesteia) este cea indicată prin normativul în vigoare.

O Alegerea aparatajului auxiliar

Balasturile utilizate în circuitul de alimentare a surselor de lumină pot fi: balasturi electromagnetice şi balasturile electronice.

Din punct de vedere al eficienţei energetice, balasturile electronice au un consum energetic redus, utilizarea acestora conducând la o importantă reducere a consumului global de energie electrică (pentru întreaga clădire) şi, de asemenea, la o serie de avantaje din punct de vedere funcţional, cum ar fi: creşterea eficacităţii luminoase a lămpilor fluorescente, creşterea duratei de funcţionare a acestor surse, posibilitatea varierii fluxului luminos în funcţie de necesităţile utilizatorului.

Balasturile electromagnetice pot fi utilizate, dar numai cele performante, în vederea gestionării judicioase a energiei electrice.

In cazul clădirilor existente utilizarea unor balasturi electromagnetice uzate moral poate fi o sursă importantă de scădere a performanţei energetice a clădirii.

C. Alegerea sistemului de iluminat (artificial).

Sistemele de iluminat interior trebuie, prin mod de concepţie şi realizare, să asigure mediul luminos funcţional, confortabil şi estetic, în funcţie de activitatea desfăşurată în încăpere, luând în considerare criteriile de realizare a performanţei energetice.

Sistemele de iluminat interior pot fi clasificate din punct de vedere funcţional, astfel: - sisteme de iluminat normal – care asigură desfăşurarea activităţii umane în condiţii optime de confort vizual, în cazul în care iluminatul natural nu este satisfăcător sau lipseşte. Sistemele de iluminat normal sunt sisteme de iluminat principale care realizează iluminatul general al încăperii necesar desfăşurării activităţii, completate sau nu cu sisteme de iluminat secundare cu rol în realizarea unor efecte luminoase decorative, de accent etc.

Sistemele de iluminat principale se realizează pentru orice încăpere, cele secundare au un domeniu mai restrâns de aplicabilitate cum ar fi: expoziţii, magazine, muzee etc. - sisteme de iluminat de siguranţă care trebuie să asigure condiţii optime pentru evacuarea persoanelor din clădire în caz de urgenţă, continuarea lucrului etc.

Alegerea tipului de sistem de iluminat normal. Soluţia sistemului de iluminat normal se stabileşte luând în consideraţie situaţia de

seara/noapte, atunci când componenta naturală lipseşte, astfel încât acesta să îndeplinească o serie de cerinţe: funcţionale, estetice, economice şi de performanţă energetică.

4

Din punct de vedere al performanţei energetice, sistemul de iluminat trebuie dimensionat astfel încât consumul de energie electrică să fie minim, în condiţiile realizării unui mediu luminos adecvat activităţii umane desfăşurate.

La alegerea sistemului de iluminat se au în vedere următoarele aspecte: • sarcina vizuală specifică activităţii desfăşurate în încăperea respectivă; • clasa de calitate a sistemului de iluminat (A - foarte înaltă calitate, B - înaltă

calitate , C - calitate medie, D - calitate scăzută, E - calitate foarte scăzută) • nivelul de iluminare impus prin normativ; • modul de distribuţie a fluxului luminos ( SIL direct, SIL semi-direct, SIL direct-

indirect, SIL semi-indirect, SIL indirect); • estetică.

Clasificarea sistemelor de iluminat normal. Sistemele de iluminat normal se clasifică după mai multe criterii, principalul criteriu în

ceea ce priveşte eficienţa energetică fiind distribuţia fluxului luminos: • distribuţia fluxului luminos în spaţiu; • distribuţia iluminării (a fluxului luminos) în plan util; Clasificarea sistemelor de iluminat după distribuţia spaţială a fluxului luminos

Clasificarea sistemelor de iluminat după distribuţia spaţială a fluxului luminos se face în funcţie de raporturile dintre cele două fluxuri semisferice, flux inferior , flux superior

şi fluxul emis de corpul de iluminat iΦ

sΦ cΦ . a. Sistemul de iluminat direct (SIL-D) se caracterizează prin proporţie mare de flux

luminos dirijat în emisfera inferioară ( 9.0≥ΦΦ

c

i ) şi o proporţie mică de flux emis în emisfera

superioară ( 1.0<ΦΦ

c

s ). Acest sistem de iluminat este cel mai eficient din punct de vedere

energetic, deoarece fluxul luminos este dirijat direct către planul util. Eficienţa energetică este mare în cazul realizării unui sistem de iluminat direct, dar confortul vizual scade. Pentru utilizarea acestui tip de sistem de iluminat nu numai în încăperile industriale ci şi în cazul celor cu activitate intelectuală (birouri, săli de clasă etc) se impune adoptarea unor măsuri care să diminueze luminanţa mare a surselor de lumină care echipează corpul de iluminat (corpul de iluminat trebuie să fie prevăzut cu elemente de protectie vizuală: gratre de protecţie, difuzoare etc.).

b. Sistemul de iluminat semi-direct (SIL-SD) se caracterizează printr-o distribuţie mai echilibrată a luminanţelor în spaţiu ( creşte proporţia de flux luminos emis de corpurile de

iluminat în emisfera superioara: 9.06.0 <ΦΦ

<c

i şi 4.01.0 <ΦΦ

<c

s ).

Din punct de vedere al eficienţei energetice acest sistem de iluminat este mai putin performant decât primul, dar mai confortabil: Este recomandat în cazul încăperilor cu activitate intelectuală fiind o soluţie echilibrată.

c. Sistemul de iluminat direct-indirect (SIL-DI) asigură o distribuţie foarte bună a luminanţelor în spaţiu datorită emisiei de flux luminos către emisfera superioară într-o

proporţie mai mare ( 6.04.0 <ΦΦ

<c

i , 6.04.0 <ΦΦ

<c

s ) conducând la un confort vizual foarte

bun. Se recomandă o astfel de soluţie în cazul încăperilor în care se impune un confort

5

luminos deosebit, de exemplu: încăperi cu activitate intelectuală, încăperile destinate odihnei, divertismentului etc. Din punct de vedere al performanţei energetice, eficacitatea acestuia scade.

d. Sistemul de iluminat semi-indirect (SIL-SID) dirijează fluxul luminos într-o

proporţie semnificativă către emisfera superioară ( 4.01.0 <ΦΦ

<s

i ), 9.06.0 <ΦΦ

<c

s ). Acest

sistem de iluminat se utilizează, în general, în încăperi unde se impune un confort luminos deosebit. Din punct de vedere al consumului de energie electrică aceasta este o soluţie dezavantajoasă, de aceea se recomandă adoptarea unei astfel de soluţii numai în încăperi deosebite din punct de vedere al confortului ce trebuie asigurat .

e. Sistemul de iluminat indirect (SIL-ID) Acest sistem de iluminat dirijează fluxul

luminos către emisfera superioară în proporţie foarte mare 1.0≤ΦΦ

c

i , 9.0≥ΦΦ

c

s . Fluxul

luminos ajunge pe planul util prin reflexie. Lipsa suprafeţei de luminanţă mare a corpurilor de iluminat din câmpul vizual al utilizatorului conduce la diminuarea la minim a orbirii de inconfort, ceea ce presupune realizarea unui mediu luminos plăcut.

Din punct de vedere al consumului energetic acest tip de sistem de iluminat prezintă eficienta cea mai mică, de aceea, această soluţie se recomandă numai în încăperile în care considerente de ordin estetic o impun, în încăperi deosebite din punct de vedere arhitectural (clădiri monument de arhitectură, muzee, hoteluri de lux etc.).

Clasificarea sistemelor de iluminat după distribuţia în plan a fluxului luminos. Performanţa energetică a unei clădiri poate fi ameliorată prin alegerea unui sistem de

iluminat adecvat din punct de vedere al distribuţiei fluxului luminos în planul util. Această metodă se poate aplica în cazul încăperilor de mari dimensiuni cum ar fi halele industriale, unde se poate realiza un iluminat zonat. Aceste sisteme de iluminat se caracterizează prin realizarea unor niveluri de iluminare diferite, pe zone în care se desfăşoară activităţi diferite (zone de lucru, zone de circulaţie, zone de depozitare etc).

In cazul încăperilor foarte înalte, cu sarcini vizuale care necesită niveluri ridicate de iluminat, pentru a creşte performanţa energetică a sistemelor de iluminat se recomandă completarea iluminatului general cu un iluminat local, care să mărească nivelul de iluminare în zona sarcinii vizuale, conform cerinţelor impuse de normativ.

D. Sistemul integrat de iluminat artificial şi natural .

Sistemele integrate de iluminat au ca scop realizarea mediului luminos confortabil în condiţiile utilizării judicioase a luminii naturale. Din punct de vedere al confortului vizual şi al performanţei energetice, acestea reprezintă soluţia cea mai indicată.

Deşi sistemul de iluminat al unei încăperi este conceput pentru situaţia de seară/noapte (iluminatul natural lipseşte sau este insuficient), proiectantul sistemului de iluminat trebuie să conceapă sistemul de iluminat ca pe un sistem integrat prin implementarea unor soluţii agreate şi de beneficiar. Creşterea performanţei energetice a sistemelor integrate de iluminat se face prin implementarea unui anumit tip de control, în funcţie de care se poate face diferenţierea acestora din punct de vedere al gestionării judicioase a energiei electrice.

6

Controlul sistemelor de iluminat.

D1. Controlul sistemului de iluminat în funcţie de timpul de utilizare al încăperii. Acest tip de control se poate realiza prin: • sisteme fără detectare automatizată a prezenţei utilizatorilor în încăpere. Acţionarea corpurilor de iluminat se face prin intermediul:

- întreruptoarelor manuale, - întreruptoarelor manuale, la care se adaugă stingerea automată la sfârşitul

programului, pentru a se evita funcţionarea sistemului de iluminat după terminarea programului. Stingerea automată se poate realiza prin intermediul unui ceas programator care să comande întreruperea alimentării cu energie electrică. Scoaterea corpurilor de sub tensiune se face etapizat, prin reducerea treptată a nivelului de iluminare. Sistemul este eficient şi se realizează cu costuri suplimentare reduse.

• sisteme cu detectare automată a prezenţei utilizatorilor în încăpere. Acţionarea corpurilor de iluminat se poate face, în acest caz, prin intermediul

senzorilor care detectează prezenţa utilizatorilor în încăpere. Senzorul de prezenţă comandă punerea sub tensiune a corpurilor de iluminat în momentul în care sesizează prezenţa utilizatorilor în încăpere şi apoi scoaterea de sub tensiune a acestora atunci când ultima persoană părăseşte încăperea. Avantajul constă în faptul că utilizarea corpurilor de iluminat se face numai pe perioada utilizării încăperii, neexistând consumuri inutile de energie electrică. Implementarea acestui sistem presupune însă costuri de investiţie suplimentare, costuri ce se amortizează în timp prin economia de energie ce se realizează.

D2. Controlul sistemului de iluminat în funcţie de accesul luminii naturale. Acest tip de control se poate realiza prin:

• acţionarea sectorizată a corpurilor de iluminat Aceasta presupune acţionarea corpurilor de iluminat în şiruri paralele cu ferestrele,

astfel încât corpurile de iluminat să fie puse sub tensiune pe măsură ce iluminarea produsă de lumina naturală scade în intensitate. Acest tip de control nu presupune costuri suplimentare, se poate implementa încă din faza de proiectare printr-o concepţie corectă a sistemului de iluminat. Eficientizarea sistemului prin implementarea acestui sistem rămâne însă la latitudinea utilizatorilor prezenţi în încăpere, existând riscul ca funcţionarea sistemului de iluminat să nu se realizeze la parametrii nominali sau să nu se realizeze parametrii de confort luminos. Deci implementarea acest tip de control presupune o urmărire atentă a acestui aspect de către utilizatori, acţionarea corpurilor de iluminat fiind manuală.

• reglarea automată a fluxului luminos emis de sursele de lumină ce echipează corpurile de iluminat dintr-o încăpere prin intermediul unor fotocelule montate în încăpere care comandă variaţia tensiunii la bornele surselor de lumină artificială în funcţie de aportul de lumină naturală.

Se realizează astfel un iluminat integrat artificial – natural, cu efecte pozitive asupra confortului vizual al utilizatorilor şi eficient din punct de vedere al consumului de energie electrică. Costul investiţiei este mai ridicat dar, amortizarea acestora se face într-un timp relativ scurt prin reducerea semnificativă a consumului de energie pentru iluminatul spaţiilor.

D3. Controlul mixt al sistemului de iluminat în funcţie de timpul de utilizare al încăperii şi

de accesul luminii naturale.

7

Acest tip de control se poate realiza prin: • control local la nivelul fiecărei încăperi Prin combinarea celor două tipuri de control al iluminatului pot fi obţinute alte

variante de control, cea mai eficientă fiind aceea în care se folosesc senzori de prezenţă pentru acţionarea corpurilor de iluminat şi celule fotoelectrice pentru reglarea fluxului luminos în funcţie de aportul de lumină naturală. Consumul de energie electrică se reduce semnificativ, insă investiţia este mare.

• control centralizat al instalaţiei de iluminat din clădire Un alt tip de control al iluminatului, pe tipuri de încăperii având destinaţii diferite deci

programe diferite de funcţionare, se poate realiza prin intermediul implementării unei instalaţii BMS. Controlul şi gestiunea instalaţiei de iluminat se poate realiza prin intermediul unui program de calcul specializat care conferă acesteia eficienţă şi flexibilitatea, permite măsurarea consumului real de energie electrică, înregistrarea curbelor de sarcină. Bibliografie

EN 12193, Light and Lighting - Sports Lighting EN 12646-1 Light and Lighting - Lighting of work places – Part1. Indoor work places; EN 12665, Light and Lighting – Basic terms and criteria for specifying lighting requirements; EN 13032-1, Lighting applications – Measurement and presentation of photometric data of lamps and luminaires – Part 1: Measurement and file format; EN 60598, Luminaires EN 60570, Electrical supply track systems for luminaires; EN 61347, Lamp control gear Vocabulaire Electrotechnique International CIE Publ. No.17.4 NP -061-02 Normativ pentru proiectarea şi executarea sistemelor de iluminat artificial din cladiri DRAFT prEN15193-1 Energy performance of buildings energy requirements for lighting – Part 1 Lighting energy estimation

8