智慧型節能照明決策系統之研究
龔建銓 林志穎* 李清然
工業技術研究院綠能與環境研究所
摘 要
本文基於智慧建築照明管理系統之技術需求，進行節能照明管理技術研 發，在照明系統中我們設計可提供照明控制系統較佳化控制參數具備最佳能耗 演算法之照明決策系統，決策系統不僅可計算滿足光環境需求的配置參數外，
同時還具備演算符合需求情況下的最佳能耗參數配置方案，進而有效的應用照 明用電達到節能減碳之目的。而結合決策系統與控制系統的節能照明系統除了 可配合環境狀態動態調控燈具達到空間需求，大幅提升系統的自動化能力，同 時也增加了系統附加價值。
關鍵詞：智慧節能，照明管理，照明控制系統。
A STUDY OF THE INTELLIGENT ENERGY SAVING LIGHTING DECISION-MAKING SYSTEM
Chien-Chuan Kung Zhi-Ying Lin* Ching-Ran Lee
Green Energy and Environment Research Laboratories Industrial Technology Research Institute
Hsinchu, Taiwan 310, R.O.C.
Key Words: intelligent energy saving, lighting management, lighting con- trol system.
ABSTRACT
Based on the technical requirements of the intelligent building lighting management system, energy saving lighting management technology was researched and developed in this study. In the lighting system, a lighting decision-making system provides the lighting control system more opti- mized control parameters and the best energy consumption algorithms were designed. In addition to calculating the configuration parameters that meet the lighting environment needs, the decision-making system also features optimized energy consumption parameters and configuration plans in line with the needs, which, in turn, effectively applied for lighting energy use to achieve the purpose of energy saving and carbon reduction. The energy saving lighting system that combines the decision-making system and control system achieves spatial needs by adjusting the lighting to be in line with the environmental situation and dynamics, thereby significantly increasing the system’s automation capabilities and increasing the added value of the system.
*通訊作者：林志穎，e-mail: [email protected]
Corresponding author: Zhi-Ying Lin, e-mail: [email protected]
一、前 言
隨著節能意識的抬頭，如何減少能源浪費更有效率的 能源使用，逐漸成一重要議題。據統計，全球各主要工業 國的照明用電約占總用電的 10%~20% (2010)，臺灣地區照 明用電為 264 億度約占總用電 12.5% (2010) [1]，為相當高 之比例，若能更有效率的運用照明用電，將可省下許多不 必要的浪費。照明系統節能除了透過材料、照明設備的效 率提升之外，藉由對照明設備進行控制管理與適當的配置 設計，以合理規劃能源的使用方式，能達到大幅節能之目 的。
近年來人們對於光環境的品質日益注重，如何提供優 質的光環境並能同時兼顧照明耗電量之設計方式也更趨重 要。照明控制系統能依使用者所處環境、時間、情緒之不 同，可以多元化、自動化的調整光源，不僅能滿足使用者 的身心需求，同時透過適當的控制設定更可達到節約能源 和減少碳排放之效益，然而在使用者需求越來越多元以及 系統複雜度大幅提升的情況下，傳統的調光技術已無法滿 足功能上之需求。目前在照明系統控制的技術發展，已從 基本的時序、情境控制，演進到導入晝光、結合感測技術 等資通訊整合技術的使用，朝向多元化且快速發展之階段 [2-6]。
相較於一般的照明控制系統，雖能依時序、情境進行 調整但多僅能套用預先設定之參數配置，但並不具備自主 運算之能力。也因此，近年來已有相關的研究在研討具智 能運算之照明節能系統技術[7-9]，而本文提出之照明決策 系統，能依目前環境狀態及可調配之燈具提供最佳能耗之 解決方案。
二、系統設計
智慧節能系統以減少不必要之能源浪費並具自動化 調節技術為目的，決策系統即扮演著提供控制系統燈具設 定參數之角色，而系統運算能依連結之控制系統及受控燈 具做對應之參數計算，為一具高度自主運算功能之獨立系 統。依整體系統架構及決策系統之設計分述如下。
1. 系統架構
節能照明系統方塊圖如圖 1，包含可根據環境狀態進 行最佳能耗演算的決策系統，以及對受控燈具傳送控制訊 號進行參數設定的照明控制系統；可接收控制訊號具備訊 號解碼、執行能力的受授單元及負載燈具組成的受控燈 具。系統動作流程為決策系統可針對所屬環境進行最佳燈 具參數演算提供給照明控制系統，而控制系統依決策系統 提供的參數轉換為控制訊號傳送配置指令給對應的受控燈 具，受控燈具再依接收到之指令進行相對應之動作。本文 在光源控制上採用 DALI (Digital Addressable Lighting Interface) 照明控制系統做為我們的控制介面，原因在於
圖1 智慧節能照明系統方塊圖
DALI 架構簡單易用，且依其技術特性特別適合在商辦空 間使用。DALI 目前為國際通用之標準照明控制介面之一。
該標準之建立是由國際照明大廠間為了彼此所生產電子安 定器之調光控制介面能互相搭配，因此訂定統一之標準介 面電路之電氣規格與通訊協定，在 2002 年正式成為國際規 範附錄於 IEC 60929, Annex E.4 and Annex G，並於 2009 年 6月獨立成為 IEC 62386 的國際標準。
2. 決策系統設計
在實際環境中，光環境會受到許多變因影響而有所 變化，如靠室外窗的位置會受到晝光的影響，在屏風旁的 位置光源可能會受到遮蔽等，而不同時段又有不同之照度 需求，難以透過一套固定的配置去滿足所有要求，因此一 個有效的照明決策系統應盡可能將所有變數考慮進去。
本文所提出的決策系統可根據燈具能耗表，照度需求 點及空間照度資訊，自動運算出該空間燈具的最佳配置方 案，而不受限於所處環境的不同及背景照度的影響。智慧 型照明節能決策系統目的在於解決動態變化狀況，觀察實 際情況可發現，對使用者而言，無論外在環境如何改變，
使用者的目標是在所需的特定點能達到照度需求，我們定 義這些使用者在意的點為「計算點」，如工作面、走道等，
每個計算點的照度需求值會隨著使用之目的、場所而不 同，所以一天當中各位置的照度需求是動態的，很難以一 套固定的配置去滿足所有要求，也因此一個有效的照明決 策系統應盡可能的將所有變數考慮進來。
完成計算點的照度需求值設定後，扣除環境背景照 度，即為燈具所需提供之照度配額，節能決策系統之設計 目標即是在滿足各計算點情況下調配各可控燈具之照度，
達到整體最節能配置。
決策系統動作流程如圖 2 所示，首先進行初始化量測 參數建構，將受控燈具和光感測器模組佈置完成後，將所 有燈具關閉，依序調整各別燈具的調光值，逐一測試由這 些數據分析各別燈具對計算點的影響範圍和能力，經系統 計算後可反推出針對空間中某個計算點會有哪些燈具各能 提供多少照度。經由上述量測並初始化完成之系統，在運 行階段藉由接收計算點之照度值和預先設定好期望之計算
圖2 照明決策系統動作流程
點照度需求，與資料庫中燈具對應光感測器的照度影響力 分析表，即可自動演算出一套最佳化的節能照明配置方案。
決策系統設計之能耗演算法如圖 3 所示，經過初始化 階段建立出相關參數表後，逐一分析系統中之計算點，針 對該計算點列出有影響力的燈具清單，由影響力最大的燈 具開始進行照度模擬，調光值由最低階開始測試直到計算 點被滿足為止，則此時的燈具調光參數對此計算點而言就 是最佳配置之一，待所有計算點皆分析過後可取得所有符 合的配置集合，此集合裡的配置皆是最佳化配置的可能解 之一，最後再由系統預設的「最佳化策略原則」來排序比 對，最佳化策略原則可由使用者自行規範，例如那些燈具 要優先使用，是否優先使用壽命最長之燈具等。經由此策 略原則排序篩選後的配置即為目前系統之最佳化配置。
三、系統測試與實驗結果
1. 實驗環境與方法
實驗環境選擇在新竹工研院中興院區 74 館實驗室進行 系統測試。環境為長 7.7 公尺寬 4.9 公尺之室內空間，並有 兩面包含大面積透明窗之牆面可供導入戶外晝光，並配有窗 簾可進行暗房量測。依實驗環境選定八個計算點並參考CNS 國家標準設定照度需求值如表一，計算點佈置如圖 4。
燈具配置如圖 5 所示，所使用燈具為 T5-14W 雙管共 12盞，每盞輸入額定功率為 32 W，因此總系統額定功率 為 384 W。燈具可調光階數共 255 階，本次實驗選用其中
表一 計算點列表
計算點編號 描述 照度需求值 (lux)
1 會議桌 400
2 會議桌 400
3 走道 150
4 走道 150
5 電腦桌 300
圖3 照明決策系統動作流程
16 階並紀錄其消耗功率如表二。量測點實際佈置圖如圖 6(a) (b)。
本實驗將會透過決策系統分析各計算點即時照度資 訊，計算在無外部光源和有外部光源之環境下各自的最佳 化燈具配置方案，並將此方案透過 DALI 控制網路部署到 可調控燈具上，最後紀錄各計算點照度與燈具消耗功率。
表二 燈具能耗表
燈具調光值 消耗功率 (W) 燈具調光值 消耗功率 (W) 225 31.6 145 24.3 215 31.2 135 23.1 205 30.1 125 22 195 29.2 115 20.9 185 28.5 105 19.6 175 27.5 95 18.4 165 26.5 85 17.2
155 25.4 0 0
圖4 計算點佈置圖
圖5 燈具配置圖
(a) (b)
圖6 計算點佈署照(a)、(b)
2. 實驗結果
實作設計之實驗方法，在無外部光源情況下依照決策
表三 實驗結果－計算點量測值 (無外部光源) 計算點編號 描述 背景值 (lux) 量測照度 (lux)
1 會議桌 0 413
2 會議桌 0 404
3 走道 0 246
4 走道 0 162
5 電腦桌 0 308
表四 燈具配置表 (無外部光源)
燈具編號 調光值
1 225 2 165 3 225 4 0 5 0 6 125 7 0 8 0 9 0 10 0 11 0 12 195 總能耗 140.9W
圖7 最佳配置環境照 (無外部光源)
系統運算結果配置，量測計算點照度數值如表三，燈具配 置參數如表四，環境圖如圖 7。在引入晝光情況下，依決 策系統配置量測結果如表五，燈具配置如表六，開燈前後 對照圖如圖 8、圖 9。
比較採用預設燈具配置及以決策系統演算法運算結 果進行燈具功率設定，發現在無外部光源的情況下，以滿 足 設 定 的 計 算 點 條 件 其 耗 電 量 僅 有 無 控 制 情 況 下 的 49.6%，而若引入自然光源則其耗電量更可
再進一步降低，能耗比較表如表七。在能耗計算上以 燈具之調光等級對照燈具能耗表 (表二) 進行消耗之功率 計算如下：
31.6 * 2 + 29.2 * 1 + 26.5 * 1 + 22 * 1 = 140.9 (W) (無外部光源)
表五 實驗結果－計算點量測值 (有外部光源) 計算點編號 描述 背景值 (lux) 量測照度 (lux)
1 會議桌 164 421
2 會議桌 64 404
3 走道 36 210
4 走道 17 151
5 電腦桌 18 308
表六 燈具配置表 (有外部光源)
燈具編號 調光值
1 155 2 155 3 215 4 0 5 0 6 115 7 0 8 0 9 0 10 0 11 0 12 195 總能耗 132.1W
圖8 無開燈環境照 (有外部光源)
圖9 最佳配置環境照 (有外部光源)
表七 能耗比較表
環境條件 無控制 無外部光源 有外部光源 燈具備置 無控制 最佳化 最佳化
總能耗 384W 140.9W 132.1W 能耗百分比 100% 36.6% 34.4%
31.2 * 1 + 29.2 * 1 + 25.4 * 2 + 20.9 * 1 = 132.1 (W) (有外部光源)
32 *12 = 384 (W) (未進行調光)
四、結 論
本文實作結果，完成能計算最佳能耗參數之照明決策 系統，透過該能耗演算法能規劃出滿足空間但有不同照度 需求之燈具參數設置方式。根據實作的結果，能在相同的 燈具裝設情況下以演算的參數進行功耗設定，對比未進行 最佳功耗設定的情況下可大幅度的減少照明用電，但仍能 同時兼顧空間照度需求。經由照明決策系統的設計相信未 來對於照明系統的智能化應用將更有助益。
誌 謝
本論文感謝能源局專案計畫“節能照明系統設計與 產品驗證技術開發計畫”在經費上之支持與協助，使本論 文能順利完成產出。
參考文獻
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2013年 05 月 06 日 收稿 2013年 05 月 08 日 初審 2013年 07 月 22 日 複審 2013年 07 月 23 日 接受
