Inteligentne sieci oświetlenia drogowego jako metoda poprawy bilansu energetycznego w gminach

fot. LUG Light Factory

W poszukiwaniu oszczędności energetycznych i finansowych oświetlenie drogowe wprowadza coraz bardziej zaawansowane technologie. Są to oprawy oświetleniowe LED wyposażone w różnego rodzaju czujniki i sterowniki. Możliwe jest dostosowanie warunków oświetleniowych do bieżących potrzeb oraz monitorowanie zarządzanie pracą instalacji oświetleniowej. Modernizacja oświetlenia drogowego jest poprzedzona audytem efektywności energetycznej, który określa opłacalność takiej inwestycji i jest podstawą do pozyskiwania środków finansowych.

Przy szczupłości środków finansowych na eksploatację i inwestycje, jaka występuje w większości jednostek samorządowych w Polsce, jednym z najefektywniejszych środków poprawy tego stanu jest przeprowadzenie modernizacji oświetlenia drogowego i wnętrzowego w budynkach należących do samorządów. Modernizacja oświetlenia jest wymieniana Ustawie z dnia 15 kwietnia 2011 r. O efektywności energetycznej (Dz.U. nr 94 poz. 551) jako jedno z przedsięwzięć prowadzących do ograniczenia zużycia energii elektrycznej, tym samym do poprawy bilansu energetycznego gminy, powiatu, miasta. Modernizacje oświetlenia, głównie instalacji drogowych i ulicznych, przeprowadzane w Polsce od szeregu lat potwierdziły celowość takich przedsięwzięć. 

W wyniku modernizacji zmniejszenie zużycia energii elektrycznej na cele oświetleniowe osiąga się na poziomie co najmniej 50%. Uzyskuje się to w przypadku zamiany opraw z wysokoprężnymi lampami rtęciowymi na wysokoprężne lampy sodowe nowszej generacji. Kolejne procenty poprawy bilansu energetycznego można uzyskać w wyniku zastosowania w modernizacji oświetlenia drogowego opraw w technologii LED. Przy zamianie straszych opraw sodowych na oprawy LED można uzyskać zmniejszenie zużycia energii od 15% do nawet 30%. Za zmniejszeniem zużycia energii idzie również zmniejszenie kosztów eksploatacji (głównie w wyniku niższych opłat za energię elektryczną). 

Przy często zawodnych oprawach LED, które pojawiały się na rynku krajowym na początku wprowadzania tej techniki, obecnie ocenia się, że jest już dość duży wybór asortymentu tego rodzaju opraw, o dobrych parametrach i potwierdzonych badaniami charakterystykach rozsyłu światła. Należy podkreślić, że modernizacja oświetlenia drogowego wymaga obliczenia i sprawdzenia parametrów oświetleniowych pasa drogowego (droga wraz chodnikami i ścieżkami rowerowymi – jeżeli są) z wymaganiami normy PN-EN 13201 – Oświetlenie dróg. Niedopuszczalne jest dobieranie opraw pod względem wyłącznie mniejszej mocy punktu świetlnego. 

Audyty efektywności energetycznej 

W celu uzasadnienia celowości przedsięwzięcia modernizacyjnego należy wykonać przed realizacją inwestycji audyt efektywności energetycznej. Zobowiązuje do tego ustawa O efektywności energetycznej oraz Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 27 sierpnia 2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu i sposobu sporządzania audytu efektywności energetycznej, wzoru karty audytu efektywności energetycznej oraz metody obliczania oszczędności energii [Dz.U. 2012, poz. 962]. 

Audyt efektywności energetycznej składa się z dwóch podstawowych części. Pierwsza część obejmuje ocenę stanu technicznego instalacji, w ramach której wykonywane są następujące czynności: 

• inwentaryzacja techniczna, 
• wyliczenie oszacowań zużycia energii na podstawie zinwentaryzowanej mocy zainstalowanej (nie przyjmuje się zużycia energii elektrycznej z faktur),
• wykonanie pomiarów, jeżeli jest to konieczne do oceny stanu istniejącego,
• określenie czynników wpływających na zużycie energii (wizja lokalna i rozmowy z użytkownikami),
• przedstawienie, w jednostkach fizycznych, całkowitej, bazowej wielkości zużycia energii.

Pierwsza cześć audytu stanowi punkt wyjścia dla przedsięwzięć zmierzających do zmniejszenia zużycia energii. Część druga audytu dotyczy oceny spodziewanych efektów w wyniku realizacji przedsięwzięcia, w tym głównie:

• wskazanie realizowanego przedsięwzięcia, zmierzającego do zmniejszenia zużycia energii, 
• opis przyjętych założeń oraz wskazanie źródeł danych zastosowanych do obliczeń,
• sposób wykonania analizy danych, metod obliczeniowych i zastosowanych modeli matematycznych, 
• wyniki obliczeń, w szczególności osiągniętej oszczędności energii, efektów ekologicznych.

Audyt powinien zakończyć się oszacowaniem kosztów przedsięwzięcia i łącznej redukcji kosztów eksploatacji instalacji. Sposób sporządzenia audytu efektywności energetycznej zależy od złożoności przedsięwzięcia. Dla przedsięwzięć złożonych zalecana jest metoda bilansowa, uwzględniająca wszystkie formy energii występujące w zadaniu. Należy w tym przypadku zastosować odpowiednio udokumentowaną metodę obliczeniową, opartą na wiedzy ogólnej lub pomiarach. Dla przedsięwzięć mniej skomplikowanych zalecany jest uproszczony sposób analizy. I taki jest z reguły przyjmowany, gdy modernizacją objęta jest wyłącznie instalacja oświetleniowa. Dla tego przypadku możliwe jest wykorzystanie załącznika 2 i załącznika 3 do rozporządzenia, w których podana została metodyka wyliczania oszczędności energii.

Obliczanie oszczędności energii 

Modernizacja instalacji oświetleniowych może uwzględniać wymianę opraw oświetleniowych lub wymianę źródeł światła. Pierwszy przypadek dotyczy oświetlenia drogowego i wnętrzowego, drugi daje najlepsze efekty przy modernizacji oświetlenia wnętrzowego. 

Według Rozporządzenia [2] oszczędność energii przy wymianie opraw oświetleniowych wylicza się ze wzoru (1), a przy wymianie źródeł światła – ze wzoru (2): 

ΔQ₀  = T_U (M₀ – M₁) / 1000 (1)

gdzie: 

ΔQ₀ – ilość zaoszczędzonej energii finalnej [kWh/rok],
T_U – czas użytkowania źródła światła [h/rok],
M₀ – łączna moc znamionowa istniejących (starych) opraw oświetleniowych [W],
M₁ – łączna moc znamionowa nowych opraw oświetleniowych po modernzacji [W].

Podana została uwaga: Oszczędności w zużyciu energii dla źródeł światła obliczane są przy założeniu, że natężenie oświetlenia powierzchni, mierzone w luksach [lm/m2], po modernizacji spełnia wymagania Polskich Norm PN-EN 12464-1 oraz PN-EN 13201-2. 

ΔQ₀  = 1,40 · (M₀ – M₁) / 1000 (2)

gdzie:

ΔQ₀ – ilość zaoszczędzonej energii finalnej [kWh/rok],
M₀ – moc znamionowa istniejącego (dotychczasowego) źródła światła [W],
M1 – moc znamionowa nowego źródła światła [W]. 

Czasy użytkowania instalacji oświetleniowych do obliczeń oszczędności energetycznych należy przyjmować z tabeli 1.

Tabela 1. Czasy użytkowania źródeł światła w godzinach/rok w zależności od rodzaju budynku i przeznaczenia pomieszczenia – wg Rozporządzenia [2]

Przeznaczenie pomieszczenia	Czas użytkowania źródła światła - budynki mieszkalne [h/rok]	Czas użytkowania źródła światła - budynki użuyteczności publicznej i budynki biurowe [h/rok]
Kuchnie	1900	1200
Halle i korytarze	420	1080
Drogi ewakuacyjne	2200	2200
Pomieszczenia mieszkalne	1100	–
Pomieszczenia w budynkach biurowych i użyteczności publicznej	–	1800
Oświetlenie zewnętrzne budynku	700	2200
Pozostałe	360	540
Oświetlenie uliczne	4150

Możliwości systemów oświetlenia inteligentnego 

Systemy inteligentnego oświetlenia drogowego wykorzystują zdobycze postępu technicznego w elektronice i przesyłania danych, zwiększając funkcjonalność instalacji oraz komfort użytkowników. Zawsze jednak kryterium ich wyboru jest możliwość uzyskania znaczących oszczędności energetycznych i poprawy wskaźników ekologicznych, co skompensuje większe koszty takich rozwiązań. 

Każde rozwiązanie, które prowadzi do rozszerzenia funkcjonalności instalacji oświetleniowych można uznać za rozwiązanie z elementami inteligencji. Jako przykład można podać stosowane powszechnie oprawy oświetleniowe do lamp sodowych z redukcją mocy sterowaną wbudowanymi zegarami astronomicznymi. Oszczędności energetyczne w stosunku do podobnych rozwiązań bez redukcji mocy wynoszą co najmniej 20%. 

Jeżeli oświetlenie, poza zapewnieniem właściwych warunków oświetleniowych, daje możliwość dostosowania oświetlenia do bieżących potrzeb oraz zarządzania nim z pozycji komputera i/lub pilota, to możemy mówić o kolejnym etapie rowoju. Instalacja jest wyposażona w system sterowania oparty na komunikacji radiowej i GSM. Stworzenie takiego systemu nie wymaga dodatkowego oprogramowania ani infrastruktury. Elementy sterowania i nadzoru pracą instalacji znajdują się w oprawach oświetleniowych. 

Oświetlenie o tym stopniu inteligencji wykorzystują oprawy LED. Matryce LED budowane są jako modułowe z niezależnymi elementami zasilająco-sterującymi. Uszkodzenie jednego modulu LED nie przerywa pracy pozostałych, oprawa więc świeci z nieco mniejszą mocą do czasu wymiany uszkodzonego elementu. Prosty montaż i demontaż modułów nie wymaga zdejmowania oprawy, co skraca czas i koszt eksploatacji. 

Technika LED pozwala na ciekawe wzornictwo konstrukcji opraw, dostosowane do architektury krajobrazu i specyfiki historyczno-wzorniczej danego obszaru.

Jednym z podstawowych zadań systemu inteligentnego oświetlenia jest rejestrowanie danych o występujących awariach oraz przygotowanie raportów ułatwiających konserwację i eksploatację całego systemu. Można zmieniać według bieżących potrzeb czas świecenia oraz rejestrować bieżące zużycie energii. Każda oprawa oświetleniowa jest zidentyfikowana w systemie, można zmieniać jej moc i świecenie niezależnie od pracy pozostałych opraw w określonej grupie. 

Możliwy jest zdalny podgląd bieżących parametrów pracy systemu oświetlenia drogowego oraz najbliższego otoczenia: m.in. odczyty temperatur modułów LED i innych elementów wyposażenia, odczyty prądów pobieranych przez zasilacze, zanieczyszczenia środowiska, poziom natężenia oświetlenia wybranego fragmentu pasa drogowego, itp.

Zastosowanie systemów oświetlenia „inteligentnego” jest sposobem na zoszczędzenie energii elektrycznej do 80% w stosunku do instalacji standardowego oświetlenia (rtęciowego lub sodowego). 

Podsumowanie 

Modernizacja oświetlenia drogowego/ulicznego jest najprostszym i najefektywniejszym sposobem na uzyskanie oszczędności energetycznych i zmniejszenie kosztów eksploatacji. Przy występujących obecnie różnych instrumentach wsparcia finansowego dla jednostek samorządowych, jest to jednocześnie przedsięwzięcie z najkrótszym okresem zwrotu nakładów inwestycyjnych (nawet do 3 - 5 lat). Modernizacja oświetlenia powinna być poprzedzona audytem efektywności energetycznej, w którym w kilku wariantach należy zaproponować rozwiązania energooszczędne. Audyty powinny być prowadzone rzetelnie, na sprawdzonym sprzęcie oświetleniowym, z uwzględnieniem w obliczeniach rzeczywistych parametrów opraw i lamp. 

Wskaźniki ekologiczne oraz zmniejszenie kosztów eksploatacji oświetlenia jest podstawą dla inwestorów do wyboru wariantu modernizacji. Zastosowanie opraw „inteligentnych” do zarządzania energią z pozycji komputera użytkownika – to kolejna rewolucja w oświetleniu i kolejne poziomy oszczędzania energii i kosztów.

Artykuł powstał na podstawie referatu wygłoszonego na IV Konferencji Naukowo-Technicznej z cyklu: „Energooszczędność w oświetleniu” zatytułowanej „Energooszczędność w oświetleniu drogowym”. 
Poznań, 14 maja 2013 r. 

LITERATURA:

[1] Ustawa z dnia 15 kwietnia 2011 r. O efektywności energetycznej. Dz.U. nr 94 poz. 551.

[2] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 27 sierpnia 2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu i sposobu sporządzania audytu efektywności energetycznej, wzoru karty audytu efektywności energetycznej oraz metody obliczania oszczędności energii. Dz.U. 2012, poz. 962.