Adfærds datalogning Indholdsfortegnelse Introduktion... 2 Problemformulering... 2 Udvikling af dataloggerne... 2 Sensorer... 5 Lysmåling... 6 Bevægelses måling... 6 Opsætning af loggerne... 8 PIR... 8 CO2... 8 Analyse af målinger i referenceperioden... 9 Analyse af lokale Q1.01:... 10 Analyse af lokale S1.16:... 11 Analyse af lokale X2.70:... 12 Solskinstimer i reference perioden... 13 Analyse af målinger efter skiltene er sat op... 14 Analyse af lokale Q1.01:... 14 Analyse af lokale S2.16:... 15 Analyse af lokale X2.70:... 16 Solskinstimer i perioden med LED tavlen sat op... 16 Konklusion på effekten af LED tavlerne... 17
Introduktion Vi vil forsøge at gøre noget ved det store strømforbrug på belysnigen i undervisningslokalerne ved at forsøge med adfærdsregulering og få brugerne af lokalerne til at blive bedre til at slukke lyset efter sig. Det er tidligere forsøgt at sætte A4 sedler op rundt i lokalerne, hvor der står Sluk lyset efter Jer!, men vi har en fornemmelse af at der stadig ofte ikke bliver slukket. Belysnigen er ved at blive udskiftet i undervisninglokalerne, hvor også en PIR sensor bliver sat op til at slukke for lyset efter en given periode, hvis der ikke er bevægelse i rummet. Armaturene bliver udskiftet med nye armature med T5 lystofrør, hvor der i dag bruges T8 rør. Dette giver en besparelse på 30-50% 1. Vi vil alligevel forsøge at få brugerne til at tænke på om der er brug for at lyset er tændt og om vi kan få dem til at slukke efter sig. Ideen er at lave et skilt, som sidder indenfor ved døren i undervisninglokalerne, der lyser når der er bevægelse ve døren. På skiltet skal der stå Turn off the light, please. Problemformulering For at vise om skiltet har en effekt har vi brug for at måle hvor meget lyset er tændt om hvor meget lokalerne bruges. Dette vil vi løse ved at lave nogle dataloggere med sensore til at måle disse ting. Vi skal desuden have lavet et skilt med lys i, som vi kan sætte op når reference logningsperioden er ovre. Derefter vil vi logge videre og sammenligne de to perioder. Vi udvælger 3 undervisninglokaler med forskelligt brugsmønster, som vi vil lave forsøget i. Vi har valgt Q1.01, hvor adgangskurserne holdes. Dette lokale bruges meget. Det andet lokale er S2.16, som ikke bruges helt så meget, men der sidder ofte studerende og laver gruppearbejde i dette lokale. Sidst har vi valgt X2.70, som er et almindeligt undrevisningslokale i it- og elektronikafdelingen. Udvikling af dataloggerne Loggerne er bygget til at vise os om der er et overforbrug af energi til rumbeslysningen,- bliver lyset slukket når lokalet forlades eller ej. Vi vil samtidig måle hvordan indeklimaet er, da disse data kan bruges i analysen af ventilationsanlægget. 1 http://energiwiki.dk/index.php/belysning
Figur 1 iboard - Embedded System Dataloggerne består at et iboard med en Atmega328 microcontroller. iboardet har en ethernetport, så vi kan uploade logingdata til en webserive på internettet, samt 5 sensorer, der måler; temperatur, luftfugtighed, lysstyrke direkte på et lysarmatur, CO2 og PIR (bevægelse). Figur 2 Blockdiagram af datalogger C og C++ er brugt til at programmere microcontrolleren. Vi bruger webservicen COSM.COM, som viser grafer af de uploadede data på en hjemmeside. Derved er dataene fra loggerne tilgængelige i realtid for alle i gruppen. Loggerne uploader data fra de 5 sensorer ca. hvert 2 minut. Data kan også downloades fra COSM.COM og bruges til databehandling i f.eks. Excel eller Matlab.
Figur 3 Grafisk visning af data på COSM.COM. De røde bjælker er beskrivelser af hvordan logningerne skal læses.
Sensorer Temperatur og luftfugtighed For at måle indeklimaet har vi valgt at måle; temperatur, luftfugtighed og CO2. Temperatur og luftfugtighedssensorene er samlet i én digital sensor, DHT22. De har begge en opløsning på 0,1. Figur 4 DHT22,- digital temperatur- og luftfugtighedssensor DHT22 har et relativt lavt strømforbrug (10 mw ved datarequest), og har en temperatur præcision på +- 0,5 C og en luftfugtighedspræcision på 2-5%. Den er relativ langsom, da den har en aflæsningsfrekvens på 0,5 Hz (2 sek. mellem målingerne), men det er nok til at monitorere indeklima. Denne måler vil kunne bruges i et færdigt system og koster 15 USD. CO2. Til CO2 niveauet har vi brugt en elektrokemisk CO2 sensor, HS-135. Det er en analog sensor, der kun koster 6-7 USD. Den er både meget temperatur og luftfugtighedsfølsom, så det har vist sig at være svært at opnå en troværdigt værdig for CO2 koncentrationen i ppm, da vi ikke har haft en CO2 måler til at kalibrere sensorene med. Figur 5 CO2 sensor,- HS-135 Vi har mulighed for at lave 10 målinger af CO2 koncentrationen med prøverør, som vi har forsøgt at kalibrere HS-135 sensorene efter. Sensorene virker følsomme og ændre output hurtigt når man ånder på dem, og de har store udsving i den periode de har målt i undervisningslokalerne.
CO2 prøverørene gav ikke noget resultat vi kunne bruge, da værdien lå fra 100-140 ppm i lokaler hvor der havde været undervisning i flere timer. Enten brugte vi dem forkert eller de virkede ikke som forventet. Derfor havde vi ikke mulighed for at kalibrere CO2 sensorene. CO2 sensorene bruger relativt meget strøm ca. 1.000 mw. Den skal være tændt hele tiden og tager min. 1 time at varme op. Hvis dataloggeren skulle bruge et 9 V batteri som strømkilde, ville der være strøm til 3-4 timer. Det er derfor ikke lykkedes os at få brugbare data ud af CO2 målerne. Vi skulle evt. have valgt en CO2 sensor, der koster lidt mere, og ikke er så temperatur- og luftfugtighedsfølsom som HS-135. Det kunne være en anden analog sensor som MG811, der koster 56 USD, eller en COZIR Ambient sensor, der er en digital CO2, temperatur og luftfugtigheds sensor, der allerede er kalibreret. COZIR Ambient sensoren koster 139 USD. Lysmåling For at måle om lyset er tændt eller slukket har vi brugt en LDR5 photo resistor, der er forbundet til en 10 bit ADC pin (Analog To Digital converter) på microcontrolleren. Ved sampling af spændingen fra lyssensoren giver det os et talt mellem 0-1023, som viser lysintensiteten i det armatur hvor sensoren er installeret. Figur 6 LDR5,- Photo resistor til lysmåling Hvis tallet er ca. 1000, er lyset tændt se figur 3 Ext. Lux. Vi kunne vises 0 for slukket og 1 for tændt, men ved at vise adc værdien på COSM.COM kan vi f.eks. se når solen står op og generelt hvor meget lys der er i rummet når lyset er slukket. Dette kan vi dog ikke se når lyset er tændt, da værdien så er konstant ca. 1000. Bevægelses måling For at vise om der er personer til stede, har vi brugt en PIR sensor (bevægelsessensor). Der er en indbygget timerfunktion i PIR sensoren, så når der er bevægelse i sensorens synsfelt, får vi en spænding ud på output pin en fra sensoren. Når timerperioden sluttes går outputtet lav igen. Vi har sat timeren til ca. 4 sek. PIR sensoren er forbundet til en digital input pin på microcontrolleren.
Figur 7 PIR sensoren Da vi kun gemmer data (sender til COSM.COM) hver 2. minut, har vi sat en counter ind i coden på microsontrolleren, der tæller hvor mange gange PIR sensoren bliver aktiveret indenfor de 2 minutter der er imellem hver upload af data. Hvis der er konstant bevægelse i sensorens synsfelt, vil tallet fra sensoren være 26-30 på COSM.COM. Derved kan vi ikke kun se om der er bevægelse i rummet, vi kan også se hvor aktive personerne i rummet er. Denne PIR sensor er meget følsom for støj på strømforsyningen. Hvis vi bruger batteri er det ikke noget problem, men vi bruger en switchmode strømforsyning til at forsyne loggerne med, kan det få sensoren til at trigge med få sekunders mellemrum, uden der er bevægelse. Vi har gjort PIR sensorene mere stabile med en pulldown modstand på outputtet, og det har næsten løst problemer, men vi har oplevet at én af sensorene stadig trigger ind i mellem (3-4 gange i løbet af 2 måneder). PIR sensoren koster 2,5 USD. PIR sensorene er for følsomme, overfor støj på tilførelsesforsyningen, til at kunne bruges i en permanent installation. De har en fin følsomhed i forhold til at dedektere bevægelse, men altså ikke stabile nok.
Opsætning af loggerne Vi måler med dataloggere i 3 forskellige undervisningslokaler. Loggerne er placeret lidt forskelligt i de tre lokaler, da loggerne skulle forbindes til skolens LAN netværk for at få forbindelse til internettet. Det har givet os en fornemmelse af, hvordan målingerne påvirkes af placeringen af sensorene. PIR I det rum (Q1.01) hvor PIR sensoren er placeret tæt på tavlen, hvor første række af de studerende og underviseren er i synsfeltet, giver en langt højere bevægelsesregistrering end hvis sensoren er placeret midt i rummet (S2.16). Den dårligste placering har vi i rummet (X2.70) hvor PIR sensoren sidder tæt på en sidevæg i rummet. Temperatur og luftfugtigheds sensorer Vi havde første placeret dataloggeren i rum X2.70 i loftet. Det viste sig ret hurtigt på målingerne at når ventilationen startede havde vi stor luftudskiftning nær loftet. Ventilationstype?? Vi flyttede dataloggeren 50 cm ned under loftet og fik lidt bedre målinger. CO2 CO2 sensoren bør ikke placeres tæt på en dør, ventilation eller vinduer, da det kan give en lavere CO2 koncentration ved Figur 8 Datalogger opsat i X2.70 sensoren end der er i rummet generelt. Generelt kan CO2 sensoren monteres i væggen, da CO2 spredes hurtigt i rummet. En anden metode til at måle et gennemsnit af CO2 koncentrationen i et lokale er, at placere sensoren i ventilations aftrækket fra rummet. Dette vil give en mere præcis af niveauet i rummet, men vil kun være brugbar når ventilationen kører. I vores tilfælde kører ventilationen ikke i døgndrift og derfor har vi placeret CO2 sensorene sammen med temperatur- og luftfugtighedssensorene.
Analyse af målinger i referenceperioden Vi har logget fra 5. april til 5. maj, som er vores reference til hvordan adfærden er uden forsøg på adfærdsregulering. Ved hjælp af målingerne fra dataloggerne har vi summeret antal timer der har været bevægelse i undervisningslokalerne og antal timer lyset har været tændt i løbet af de 4 uger. PIR (bevægelse) Lys tændt Tid 378 timer 623 timer Ind i mellem er lyset ikke tændt når der er personer i rummet, da lyset fra vinduerne giver tilstrækkeligt lys i rummet. Derfor kan vi ikke bare trække de to tal fra hinanden og finde spildet. Derfor har vi regnet ud hver dag om der er et spild, og hvis der er et spild er det summeret i en total, der så viser hvor stort spildet er (Se appendix Excelark med udregningerne). Hvis vi ikke gjorde det, ville en dag hvor lyset ikke bliver tændt men rummet benyttet, blive trukket fra den tid hvor lyset har været tændt unden rummet er benyttet en anden dag. Spildet i de 4 uger er derfor 319 timers belysning,- dvs. lyset har været tændt det antal timer i de 3 undervisninglokaler til sammen i løbet af de 4 uger. 51% af energiforbruget til belysning i de 3 lokaler er derfor spild. Hvis vi regner med at et undervisningsår er 40 uger, vil spildet svare til 3.190 timers belysning i de 3 lokaler. Vi har omkring 80 undervisningslokaler på DTU Ballerup. Hvis vi ganger spildet på de 3 lokaler op på alle undervisningslokalerne, svarer det til at lyset er tændt i 85.067 timer/år uden personer i lokalerne. Et skønnet gennemsnitlig forbrug i hvert lokale er 1,6 kw på belysningen. Så det samlede spild er 136.107 kwh/år, som svarer til 204.160 kr/år (1,5 kr/kwh ex. moms). DTU Ballerup har et årligt forbrug af strøm på 1,6 GWh, så spildet på belysningen i undervisningslokalerne er 136.107 kwh/år, svarende til 8,5% af det årlige forbrug.
Her kommer en gennemgang af de 3 lokaler vi har målt i. Analyse af lokale Q1.01: Det mest brugte lokale. Plottet herunder viser forholdet mellem tændt lys (RØD Lys) og personer i lokalet (BLÅ PIR). Fordoldet mellem de to (GRØN Balance) er negativt hvis der er tændt for lyset uden der er aktivitet i rummet. 25,00 Q1.01 - uden LED tavle 20,00 Tid tændt pr. dag [timer] 15,00 10,00 5,00 0,00-5,00-10,00 Q1.01 PIR Q1.01 Lys Q1.01 Bal. -15,00-20,00 Dage målt (28 dage) Rummet her har det mindste spild, i de 4 uger vi har logget, på 26,47%. Hvis vi ganger resultatet her op på 40 undervisningsuger koster spildet 1.080 kr/år.
Analyse af lokale S1.16: Her er der færrest faste undervisningstimer, men rummet bruges ofte til gruppearbejde o.l. 30,00 S2.16 - uden LED tavle 20,00 Tid tændt pr. dag [timer] 10,00 0,00-10,00-20,00 S2.16 PIR S2.16 Lys S2.16 Bal. -30,00 Dage målt (28 dage) I rummet her har vi det største spild på 193%. Derbliver stort set ikke slukket for lyset når rummet forlades. Det er normalt rengøringen der slukker for lyset om natten efter rengøring. Hvis vi ganger de 4 uger op på 40 undervisningsuger, koster energien til belysning i dette rum 7.026 kr/år. Hvis lyset kun havde været tændt når der var personer i rummet, ville det have kostet 2.394 kr/år. Spildet koster derfor 4.632 kr/år for dette rum alene.
Analyse af lokale X2.70: Her er forbruget lidt anderledes end i de andre rum. Den første uge var der et stort spild,- de næste uger ikke rigtig noget spild. Fra den anden uge har der være så meget sol udenfor, at det er lys nok til undervisning, så der bliver sjældent tændt for lyset i de sidste 3 uger. Når der tændes for lyset i dette rum er der en tendens til at det ikke bliver slukket igen før rengøringen kommer om natten. 30,00 X2.70 - uden LED tavle 20,00 Tid tændt pr. dag []timer 10,00 0,00-10,00-20,00 X2.70 PIR X2.70 Lys X2.70 Bal. -30,00 Dage målt (28 dage) I rummet her er der et spild på 75%, på trods af at det næsten kun er den første uge lyset er brugt. Hvis vi igen ganger det op på 40 uger, er der et spild der svarer til 1.950 kr/år.
Solskinstimer i reference perioden Solskinstimerne kan have effekt på hvordan lyset bruges i undervisningslokalerne,- specielt i lokale X2.70, da det vender på en måde, så lyset ikke genere ved tavlen. Herunder er solskinstimerne i de 28 dage, hvor vi har målt, før vi har forsøgt at ændre adfærden. Vi kan se, at der har være mere overskyet i første uge af måleperioden end i de sidste 3 uger af perioden. Der er brugt meget mere lys i X2.70 i den første uge, og lyset er næsten ikke brugt de sidste 3 uger af måleperioden i dette rum. Derfor har energiforbruget til belysning i X2.70 samlet set været mindre i måleperioden end hvis det havde været overskyet i en længere periode. Spildet kunne således have været 3-4 gange større i dette rum, hvis der havde været mere brug for belysning i lokalet de sidste 3 uger af måleperioden. I S2.16 er der også et større spild i den første uge. Lyset er tilgengæld blevet brugt stort set alle gange der har været aktivitet i rummet, men det har ikke været tændt helt så længe uden aktivitet i de sidste 3 uger. Der er dog ikke blevet slukket for lyset generelt, når rummet forlades, så hvilken påvirkning solen har i dette rum er ikke klart. Q1.01 er vendt mod syd-syd/øst og har derfor sol direkte på fra tidlig morgen. For det meste er gardinerne trukket for i dette rum pga. at solens lys genere ved tavlen. I dette rum er det heller ikke klar hvilken påvirkning solens lys har på forbruget, da det ser ud til at der altid tændes lys i lokalet uanset vejret. Alt i alt mener vi, at de mange solskinstimer (30% mere sol i april end normalt (1961-1990)) i perioden har været med til at give et overordnet mindre spild af energi til belysning, end hvis vi havde haft færre solskinstimer.
Analyse af målinger efter skiltene er sat op Vi har målt adfærden over 3 uger efter LED tavlerne er sat op. De tre lokaler har i alt været brugt i 263 timer i løbet af de 3 uger. Lyset har været tændt PIR (bevægelse) Lys tændt Tid 263 timer (378 timer i reference perioden) 302 timer (623 timer i reference perioden) Spildet af lys er mål til at være 75 timer i alt, der svarer til 25%, hvor der var et spild på 51% i reference perioden. Spildet er den tid lyset er tændt uden der er bevægelse i rummet. Da der godt kan være slukket for lyset når der er bevægelse, er det ikke de to tal i tabellen trukket fra hinanden, der er det reelle spild. Analyse af lokale Q1.01: Kun 3 dage ud af de 21 dage I testperioden med LED tavlerne er der ikke blevet slukket for lyset. Man kan ikke se direkte om LED tavlerne har haft en effekt. Lyset har været tændt når der har været undervisning og de tre gange det ikke er blevet slukke når lokalet forlades, er det blevet slukke om aftenen, så det ikke har være tændt hele natten. Der har været et spild i dette rum på 14% i perioden med LED tavlerne, hvor der var et spild på 26% i referenceperioden. 15,00 Q1.01 - med LED tavle Tid tændt pr. dag [timer] 10,00 5,00 0,00-5,00 Q1.01 PIR Q1.01 Lys Q1.01 Bal. -10,00 Dage målt [21 dage]
Analyse af lokale S2.16: 7 dage af de 21 dage i test perioden med LED tavlerne er der ikke blevet slukket for lyset. Det lyder af meget, men i reference perioden på 28 dage blev lyset ikke slukket 18 dage. Der har endda været dage i perioden med LED tavlen, hvor lyset er blevet slukket midt på dage, hvor der har være bevægelse i rummet hele dage. Det er ikke sket i reference perioden. LED tavlerne ser ud til at have en stor effekt i dette rum, hvor der i forvejen var et meget stort spild på 193%. I LED tavle test perioden er spildet nu målt til 86%. 25,00 S2.16 - med LED tavle 20,00 Tid tændt pr. dag [timer] 15,00 10,00 5,00 0,00-5,00-10,00 S2.16 PIR S2.16 Lys S2.16 Bal. -15,00 Dage målt [21 dage]
Analyse af lokale X2.70: Her er kun glemt at slukke lyset én gang i testperioden med LED tavlen. I reference perioden var spildet 74% og nu er det 3%. I dette lokale kan man klare sig uden lys hvis solen skinner, for solen genere ikke som den kan i de andre lokaler. Men denne periode skiller sig ikke så meget ud mht. soltimer, end referenceperioden. Lyset er også indimellem slukket i løbet af dagen, selvom der har være bevægelse i rummet hele dage. Så LED tavlen ser ud til at have en effekt på adfærden i dette rum. 14,00 X2.70 - med LED tavle 12,00 Tid tændt pr. dag []timer 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 X2.70 PIR X2.70 Lys X2.70 Bal. -2,00-4,00 Dage målt [21 dage] Solskinstimer i perioden med LED tavlen sat op Maj har været lidt blandet i forhold til skoskinstimer. Derfor er det lidt svært at konkludere om vejret har haft en effekt på lysforbruget, udover at det er lyst nok udenfor til at give lys i undervisningslokalerne hele undervisningsdagen.
Konklusion på effekten af LED tavlerne Spilden af energi på belysning i undervisninglokalerne er halveret efter vi satte LED tavlerne op fra 51% til 25%. Dvs. 25% af den energi, der bruges til belysning af undervisninglokalerne, bruges når der ikke er bevægelse i rummet, hvorimod det var halvdelen før LED tavlerne blev sat op. Brugen af lokalerne i referencenperioden har være 31,5 timer/uge og i LED tavle perioden 29 timer/uge. Der har været 8% færre timer i LED tavle test perioden, sikkert fordi undervisningen er ved at slutte. Hvis vi tager det samlede energiforbrug på belysningen fra testperioden med LED tavlerne, og ganger det ud på et undervisningår på 40 uger, får vi et samlet årsforbrug i 80 undervisninglokaler på 515.413 kwh. Hvis vi ganger målingerne ud for referenceperioden ud på det samme får vi et årsforbrug på 798.080 kwh. Der er derfor blevet brugt 65% energi på belysning i undervisninglokalerne af det forbrug der var i referenceperioden, selvom der kun har været 8% færre undervisningtimer. Det er en besparelse på 424.000 kr. om året, hvis adfærden fra de sidste 3 uger med LED tavlen kunne opretholdes. Denne besparelse vil man også opnå ved at installere PIR sensorer i undervisninglokalerne, man vil endda få et endnu lavere spild. Men det er en dyr løsning, at installere i alle rum og det vil tage nogle år før alle armaturer er skiftet ud til T5 rør, samt en PIR sensor løsning. Derfor kunne man bruge LED skiltene i en overgang periode for at spare energi her og nu, da det er en relativ billig løsning. Derudover kunne man også bruge dem på toiletterne, kopirum, kontorer og andre rum hvor der ikke installeres PIR følere. Brugerne af lokalerne ville også ændre adfærd ved at et skilt lyser op og de selv skal slukke, hvorimod en PIR føler ikke opdrager brugerne. Så udover at spare på energien, kan LED tavlerne måske give en mere grundlæggende holdning til at vi skal spare på energien sammen og at det gør en forskel at slukke lyset i undervisninglokalerne, på toiletterne og på kontorene.