Energy efficient lighting systems in buildings with integrated photovoltaics

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-03-06
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
101 + app. 85
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 18/2015
Abstract
The goal of this thesis was to study how a building integrated photovoltaic system, choice of lighting technology and the selected system voltage affect the energy efficiency of an office building. The quality of the lighting was considered also, as it is essential that users accept the lighting. The energy production of photovoltaic system (PV) was evaluated in Southern Finland through onsite PV measurements from several different compass points and tilt angles during 2010-2013. Based on the measurements, the PV system was sized to provide energy for lighting and office appliances. The energy efficiency of the devices had considerable effect on the sizing of the PV system. The seasonal variations in the PV production were considerable, as only few per cent of the summer time insolation was available during the winter. The energy efficiency and quality of lighting was studied. Fluorescent lighting (FL) and LED lighting were compared, as they are the most used options in offices today. Lighting measurements and a user study was conducted. Different illuminance levels and correlated colour temperatures (CCT) were studied. The studied parameters included glare, reading task performance, identification of detail, colour naturalness and pleasantness, illuminance level sufficiency and pleasantness, pleasantness of the lighting in general and naturalness of the shadows. The subjects also set their own preferred illuminance levels and CCTs. No major differences were found in the subjective preferences at equal illuminance levels between luminaire types. On average, an illuminance level around 600 lx and a CCT around 4000 K were preferred. LEDs were found more energy efficient than FLs and the difference increased when the luminaires were dimmed. In the last part of the research the electricity consumption of an office building was compared with system voltages 12 VDC, 24 VDC, 48 VDC and 230 VAC through computer simulations in a Matlab-Simulink environment. It was found that 230 VAC was the most energy efficient option as a general system voltage, with the selected components and system variables. The 24 VDC was the most energy efficient option with fluorescent lighting and the 48 VDC with LED lighting, if only the lighting system was considered.

Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli tutkia miten rakennukseen integroitu aurinkosähköjärjestelmä, valittu valaistusteknologia ja käytetty jännitetaso vaikuttavat rakennuksen energiatehokkuuteen. Valaistuksen laatua arvioitiin myös, koska on tärkeää että rakennuksen käyttäjät hyväksyvät valaistuksen. Aurinkosähkön tuotantoa Etelä-Suomessa tutkittiin mittausten avulla eri ilmansuunnista ja erilaisilla aurinkopaneelin kallistuskulmilla vuosina 2010-2013. Mittaustulosten pohjalta laskettiin aurinkosähkön asennustarve, jotta sen tuotanto kattoi eri tyyppisten toimiston sähkölaitteiden kulutuksen. Laitteiden energiatehokkuudella oli merkittävä vaikutus aurinkosähköjärjestelmän kokoon. Aurinkosähkön tuotanto vaihteli asennuspaikalla huomattavasti, sillä talviajan tuotanto oli vain muutamia prosentteja kesäajan vastaavasta. Tutkimuksessa vertailtiin valaistuksen laatua ja energiatehokkuutta loistelamppu- ja LED-valaistusten osalta, koska ne ovat yleisimmin käytössä tämän päivän toimistoissa. Valaistuksia tutkittiin erilaisilla valaistusvoimakkuuksilla ja värilämpötiloilla käyttäjätutkimuksen ja mittausten avulla. Käyttäjät arvioivat häikäisyä, lukemisen helppoutta, yksityiskohtien erotusta seinältä, valaistuksen yleistä miellyttävyyttä sekä varjonmuodostusta. Lisäksi testihenkilöt asettivat valaistusvoimakkuuden ja värilämpötilan mieltymystensä mukaan. Loistelamppu- ja led-valaistuksen välillä ei havaittu merkittäviä eroja miellyttävyyden suhteen samoilla valaistusvoimakkuuksilla. Keskimäärin n. 600 lx valaistusvoimakkuutta ja hieman yli 4000 K värilämpötilaa pidettiin miellyttävimpinä. LED-valaistus oli energiatehokkaampi vaihtoehto kuin loistelamppuvalaistus, erityisesti silloin kun valaisimia himmennettiin. Tutkimuksen viimeisessä osassa toimistorakennuksen sähkönkulutusta vertailtiin 12 VDC, 24 VDC, 48 VDC ja 230 VAC verkkojännitteillä. Vertailu toteutettiin tietokonesimulaatioilla Matlab-Simulink ympäristössä. Tulosten mukaan 230 VAC oli energiatehokkain vaihtoehto rakennuksen verkkojännitteeksi käytetyillä komponenteilla, kun otettiin huomioon rakennuksen koko kulutus. Valaistuksen osalta 24 VDC oli tehokkain vaihtoehto loistelamppuvalaisimia käytettäessä ja 48 VDC LED-valaisimia käytettäessä.
Description
Supervising professor
Halonen, Liisa, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Thesis advisor
Tetri, Eino, D.Sc., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Lehtovaara, Jorma, M.Sc., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Keywords
photovoltaics, LED, fluorescent lighting, energy efficiency, DC supply voltage, aurinkosähkö, loistelamppuvalaistus, energiatehokkuus, tasajännite
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Amogpai, A., Viitanen, J., Puolakka, M., Halonen, L., “Solar panels combined with LED lighting - Case study from Finland”, in Proceedings of the SB10 conference Sustainable Community – Building SMART Conference, Espoo, Finland, pp. 801-811. 2010.
  • [Publication 2]: Viitanen, J., Amogpai, A., Puolakka, M., Halonen, L., “Photovoltaic production possibilities and its utilization in office buildings in Finland”, International Review of Civil Engineering (IRECE), Vol. 2, N.1, pp. 52-59, 2011.
  • [Publication 3]: Viitanen, J., Puolakka, M., Halonen, L., “Adequacy of photovoltaic energy in office environment”, in Proceedings of CISBAT 11 – Cleantech for Sustainable Buildings, From Nano to Urban Scale, Lausanne, Switzerland, pp. 773-778, 2011.
  • [Publication 4]: Viitanen, J., Lehtovaara, J., Tetri, E., Halonen, L., ”Lighting preferences of users in office environment: A case study comparing LED and T5 lighting”, LEUKOS - The journal of the Illuminating Engineering Society of North America, Vol 9, No 4 , pp. 261-290, 2013.
  • [Publication 5]: Viitanen, J., Halonen, L., “Electrical efficiency study of alternating current and direct current power topologies in office building with integrated photovoltaics in Matlab-Simulink environment”, Journal of Renewable and Sustainable Energy, Vol 6, No 3, 2014.
    DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4880775 View at publisher
Citation