Исследования эффективности горизонтальных световодов для естественного освещения помещений с боковыми окнами

Характерная проблема естественного освещения традиционными окнами – неравномерность распределения освещённости на рабочей поверхности. Вдобавок, в городских зонах с плотной застройкой возможности естественного освещения удалённых от окон зон помещений ограничены. Это может приводить к резкому падению освещенности по мере удаления от окон, так что при ясном небе освещённость вблизи окон намного выше, чем в глубине помещений. Чрезмерная светлота приоконных зон может вызывать дискомфорт и ослеплять людей в помещениях, тогда как вдали от окон приходится пользоваться искусственным освещением.

Применение горизонтальных полых световодов (ГПС) может способствовать повышению эффективности естественного освещения помещений и его большей равномерности благодаря тому, что ГПС «забирают» прямой солнечный и рассеянный дневной свет с фасада зданий и доставляют его в глубь помещений путём многократных отражений в световодной полости. ГПС могут способствовать защите окружающей среды и общему повышению экономичности освещения из-за снижения энергозатрат на искусственное освещение.

1. Усовершенствование световодов панелями лазерной резки

Общая проблема, возникающая при использовании ГПС в зонах плотной городской застройки, – доступность в качестве ИС только высоко стоящего солнца или неба. Кроме того, передача естественного света по ГПС резко ухудшается по мере увеличения угла падения световых лучей на входе ГПС, повышающего потери на отражение при прохождении света по ГПС. Для решения этой проблемы можно воспользоваться панелями лазерной резки (ПЛР). Основная идея состоит в том, чтобы направить падающий пучок света параллельно, насколько возможно, оси ГПС, что снижает указанные потери на отражение.

Рис. 1. Панель лазерной резки (ПЛР), отклоняющая часть падающего на неё света

 
ПЛР получают лазерным нарезанием тонких слоёв из листа акрилового пластика, затем сбором таких слоёв в прозрачный параллелепипедный блок и затем сбором таких блоков в панель; при этом смежные поверхности соседних блоков, на которых происходит полное внутреннее отражение, тщательно полируются. На рис. 1 показан принцип действия ПЛР. При падении света на ПЛР он может отражаться, отклоняться или не отклоняться, что зависит от угла падения света на поверхность ПЛР, показателя преломления и отношения высоты каждого блока ПЛР (S) к её толщине (T) (A). Рис. 2, фактически, показывает доли отклонённого светового потока для ПЛР с коэффициентом преломления 1,5 при разных углах падения света и A.

Рис. 2. Доля отклонённого светового потока в зависимости от угла его падения на панель лазерной резки при различных отношениях высоты каждого блока этой панели к её толщине (А)

 
В руководстве показано, что установка ПЛР на входе вертикального полого световода улучшает эффективность освещения при значениях высоты солнца над горизонтом, приблизительно меньших 60°. В методике описано подобное же исследование, с переменным углом наклона коллекторной (входной) ПЛР, и сделан вывод, что полые световоды с ПЛР улучшают освещение интегрирующей камеры. Отсюда предположительно следовало, что добавление коллекторной ПЛР к ГПС благотворно скажется и на освещении помещений.

Данная статья посвящена расчётным и экспериментальным исследованиям эффективности ГПС как средств естественного освещения, на модельных помещениях, в условиях ясного неба МКО и (или) солнечного света при различных комбинациях A и угла наклона коллекторной ПЛР в ГПС.

2. Компьютерное моделирование

2.1. Расчётная модель

Для исследования методом компьютерного моделирования была разработана обобщенная модель городской среды с плотной застройкой. Сцена представляла собой квадратное в плане здание (25х25 м²) высотой 60 м, окружённое экраном в виде цилиндрической стены (радиус 40 м) той же высоты, что и здание. Два одинаковых помещения высотой 2,5, шириной 5 и длиной 9 м, оснащённые ГПС (с входным защитным стеклом) высотой 0,5 м, шириной 1 м и длиной 7 м с зеркальным коэффициентом отражения 95%, находились в модельном здании на разных этажах: на высотах 5 м (нижнее помещение) и 45 м (верхнее помещение) от земли – для моделирования условий экранирования естественного света разной степени. Вертикальные угловые размеры видимого неба от центра оконных проёмов на южной стороне составляли 62 и 24° для верхнего и нижнего помещений соответственно. На рис. 3 показаны габаритные размеры модельного помещения и ГПС (в мм).

Рис. 3. Модельное помещение

 
В исследовании компьютерным моделированием использовались две ПЛР: коллекторная (входная) и выводная (выходная). Угол наклона коллекторной ПЛР мог меняться (для лучшего захвата естественного света в разных случаях), а выводная ПЛР фиксировалась под углом 45°, отклоняя осепараллельные лучи вниз, в рабочую зону.

В данной модели окна выходили на юг (азимут солнца 0°), соблюдалось условие ясного неба МКО, а высота солнца над горизонтом менялась от 10 до 80 ° с шагом в 10°. Освещение моделировалось с помощью программного продукта Radiance. Моделирование ПЛР выполнялось согласно инструкции. Для расчетов конечного распределения на выходе световодной системы прозрачные блоки коллекторной и выводной ПЛР моделировались с использованием illum – материала вторичных источников света в Radiance.

2.2. Результаты

Согласно рис. 4, модельные помещения разделялись на шесть зон: Z1-Z6. В качестве показателя эффективности естественного освещения использовалась относительная освещенность (ОТО). Эта величина определяется как отношение освещённости с ГПС к освещённости без ГПС при прочих одинаковых условиях. Определялись средние ОТО для каждой указанной зоны. Обычно при правильных сочетаниях A и угла наклона коллекторной ПЛР выигрыш в ОТО приходился на зоны Z2 и Z3. Кроме того, переосвещение зоны Z6 (приоконной), не всегда приятное обитателям помещения, снижалось выступом коллекторной части ГПС.

Рис. 4. Выделенные зоны в модельном помещении

 
Из рис. 5 следует, что в отличие, по-видимому, от нижнего помещения, оптимальные условия освещения верхнего помещения, зависят от высоты солнца над горизонтом. Для нижнего помещения эти оптимальные условия, по-видимому, не зависит от этой высоты. В табл. 1 приведены ОТО, полученные при оптимальном подборе A и угла наклона коллекторной ПЛР при разных значениях высоты солнца над горизонтом как для верхнего, так и для нижнего помещений. При этом затенённые колонки представляют случаи, когда прямой солнечный свет экранирован цилиндрической стеной так, что небо становится главным источником света для обоих модельных помещений. При этом затенённым колонкам соответствуют повышенные ОТО. Это объяснимо низкими освещённостями вдали от окон (при указанном экранировании), и потому простое увеличение освещённости таким образом увеличивает среднюю ОТО. При использовании ГПС уровень естественного освещения помещения в зонах его дальнего конца повышается. Этому соответствуют ОТО порядка 7-9 для нижнего помещения и около 4 для верхнего (при экранировании прямого солнечного света).

Таблица 1
Расчётные сочетания значений отношения высоты каждого блока панели лазерной резки (ПЛР) к её толщине (A) и угла наклона коллекторной ПЛР горизонтального полого световода (α), соответствующие максимальной эффективности этого световода при разных значениях высоты солнца над горизонтом (ВС)

Рис. 5. Средняя относительная освещенность на поверхности зоны Z2 верхнего (а, в) и нижнего (б, г) модельных помещений при различных отношениях высоты каждого блока панели лазерной резки (ПЛР) к её толщине (А) и углах наклона коллекторной ПЛР, нулевом азимуте солнца и двух значениях его высоты над горизонтом: 40 (а, б) и 80° (в, г)

 
3. Экспериментальное моделирование

Из алюминиевых рам и плотной бумаги было изготовлено модельное помещение в масштабе 1:30. Размеры этого помещения имитировали размеры помещения при компьютерном моделировании. Отражательная способность внутренних поверхностей помещения была примерно той же, что при компьютерном моделировании. Самостоятельно из листового алюминия с высокой отражательной способностью был изготовлен ГПС, уменьшенный в том же масштабе. Конструкция световодной системы принципиально в точности воспроизводила использовавшуюся при компьютерном моделировании, и также содержала коллекторную и выводную ПЛР. Разных размеров ПЛР с разными A изготовлялись из акрилового листа толщиной 4,45 мм на станке для лазерной резки. Для измерений освещённости в центре каждой из зон, которые соответствовали зонам компьютерной модели (от Z1 до Z6, по рис. 4), применялись шесть люксметров (S1-S6, фирма Minolta, модель T-10 M) с эффективным диаметром 1,4 см. Модельное помещение устанавливалось на поворотной руке гониофотометра, что обеспечивало возможность его беспрепятственного и точного поворачивания вокруг вертикальной и горизонтальной осей (под управлением компьютера). На фиксированном расстоянии 3,5 м от центра модельного помещения устанавливалась ЛН мощностью 100 Вт. Поворачиванием руки гониофотометра вокруг разных осей могли моделироваться разные значения высоты солнца над горизонтом и его азимута при фиксированном положении ЛН. Показания люксметров собирались и передавались на управляющий компьютер посредством программных средств управления данными. Весь комплект оборудования, включая и модельное помещение, поворотную руку и ЛН, находился в тёмной комнате. Соответствующая экспериментальная установка показана схематически на рис. 6.

Рис. 6. Экспериментальная установка

 
Значения освёщенности в центре каждой из указанных выше шести зон модели измерялись как при наличии ГПС, так и без него. Затем для центральной части каждой зоны рассчитывались значения ОТО. Стоит отметить различие форм измерительных площадок в физической и компьютерной моделях. В экспериментальном моделировании значения освещённости измерялись «круглыми» датчиками, а при компьютерном моделировании регистрировалась средняя освещённость для зон прямоугольной формы. В эксперименте отсчёты освещенности в центре каждой зоны (по рис. 4) регистрировались при разных сочетаниях следующих параметров в следующих интервалах значений:

– высота солнца над горизонтом – от 10 до 80° (с шагом 10°);

– азимут солнца – от 0 до 60° (с шагом 20°);

– A – от 0,4 до 0,9 (с шагом 0,1);

– угол наклона коллекторной ПЛР – от 15 до 65° (с шагом 10°).

Эти сочетания были почти теми же, что в компьютерном моделировании за исключением того, что ПЛР с A от 0,1 до 0,3 в измерениях не участвовали. Это вызывалось трудностями создания крайне малых по высоте акриловых блоков, образующих ПЛР.

Подобно результатам компьютерного моделирования, из рис. 7 следует, что оптимальное сочетание A и угла наклона коллекторной ПЛР зависит от высоты солнца над горизонтом. В табл. 2 приведены наиболее представительные результаты эксперимента: указанные сочетания при разных положениях солнца, дающие максимальные ОТО, зарегистрированные люксметром, установленным в центре зоны Z2.

Таблица 2
Экспериментально определённые сочетания значений отношения высоты каждого блока панели лазерной резки (ПЛР) к её толщине (А) и угла наклона коллекторной ПЛР горизонтального полого световода (α), соответствующие максимальной эффективности этого световода при разных значениях высоты солнца над горизонтом (ВС) и его азимута (АС)

Рис. 7. Средняя относительная освещённость на поверхности зоны Z2 экспериментального модельного помещения, измеренная датчиком 2, при различных отношениях высоты каждого блока панели лазерной резки ПЛР к её толщине А и углах наклона коллекторной ПЛР, нулевом азимуте солнца и двух значениях его высоты над горизонтом: 40° (а) и 80° (б)

 
В эксперименте ЛН, имитирующая солнце, была единственным источником света и не экранировалась от модельного помещения. Это в корне отличалось от компьютерного моделирования, которое проводилось с модельным помещением при экранировании источников света – солнца и ясного неба.

Из табл. 2 видно, что эффективность ГПС возрастает по мере восхождения солнца над горизонтом – результат, подобный полученному компьютерным моделированием в случае верхнего модельного помещения и падения прямого солнечного света на коллекторную ПЛР.

С увеличением азимута солнца ОТО заметно падает. Например, при высоте солнца над горизонтом 70° при пошаговых изменениях азимута 0→20→40→60° ОТО, соответственно, меняется как 27,2→4,17→2,2→1,8. Это означает, что потери на отражение внутри ГПС снижают эффективность этого осветительного устройства. Соответственно можно предположить, что без соответствующих мер по коллимации собранного света по оси ГПС (для снижения потерь на отражение) трудно рассчитывать на реальную применимость ГПС с учётом движения солнца и хаотически изменчивого неба. Дальнейшие исследования данного вопроса будут освещены в последующей публикации.

4. Обсуждение результатов

Согласно предыдущим разделам, физическая и компьютерная модели различались в отношении источников света, условий экранирования света, свойств материалов модели (например, отражательной способности) и форм измерительных площадок в расчётах/измерениях освещённости. В основном расхождения между этими моделями сводятся к следующему:

• Источником света в физической модели служила ЛН, имитирующая только солнце (без неба), тогда как в компьютерном моделировании источниками света были ясное небо и солнце. Компьютерная модель содержала экранирующую цилиндрическую стену вокруг здания, тогда как в физической модели экран между источником света и модельным помещением отсутствовал.

• Отражающие способности и характер поверхности различных материалов в компьютерной модели были хорошо определены. Например, материал световодного канала имел зеркальный коэффициент отражения 0,95, а стены, потолок и пол диффузно рассеивали свет и имели коэффициенты отражения, соответственно, 0,5; 0,7 и 0,2. Напротив, в физической модели данные о свойствах листового алюминия от производителя отсутствовали, а относительно свойств плотной бумаги предполагалось, что она отражает диффузно и значения её коэффициентов отражения примерно равны указанным выше (0,5; 0,7 и 0,2 соответственно).

• Для простоты обращения с данными в компьютерной модели средняя освещенность рассчитывалась для прямоугольной площадки. Напротив, в эксперименте освещенность измерялась «круглым» датчиком, помещенным в центр той или иной прямоугольной зоны (по рис. 4).

• Несмотря на возможные расхождения расчётной и экспериментальной моделей, на рис. 8 представлены графики рассеяния расчётных (при свете солнца и неба) и измеренных (только при свете солнца) ОТО при значениях азимута солнца 0, 20, 40 и 60°. Каждая точка на рисунке представляет значения ОТО (для зоны Z2), полученные компьютерным моделированием и в эксперименте при одних и тех же значениях угла наклона коллекторной ПЛР, A, высоты солнца над горизонтом и его азимута. Графики показывают, что наклон линий регрессии возрастает с увеличением азимута солнца, поскольку при этом вклад прямого солнечного света постепенно снижается, а ГПС всё ещё значительно усиливает естественное освещение при наличии и света солнца, и света неба.

Рис. 8. Сравнение значений относительной освещённости (ОТО), полученных расчётным (компьютерным) (ОТОр) и экспериментальным (физическим) (ОТОэ) моделированием при четырёх азимутах солнца – 0 (а), 20 (б), 40 (в) и 60° (г) – и одинаковых прочих условиях. (Приведены только значения ОТО не выше 5)

 
5. Заключение

Описаны исследования методами расчётного и экспериментального моделирования эффективности ГПС с коллекторной и выводной ПЛР как средства естественного освещения. В расчётном исследовании моделировалось помещение с боковым оконным освещением и ГПС в условиях ясного неба и прямого солнечного света при различных значениях высоты солнца над горизонтом и его азимута. Модельные помещения располагались в городской среде с плотной застройкой, с различным светоэкранирующим действием соседних зданий. Обнаружено, что при должном сочетании A и угла наклона коллекторной ПЛР освещение под выходным концом ГПС может усиливаться. По сравнению с помещениями без ГПС в городских условиях с плотной застройкой в помещениях с ГПС при определённых сочетаниях A и угла наклона коллекторной ПЛР достижимы ОТО от 2 до 4. В остальных случаях, в которых прямой солнечный свет экранируется от коллекторной ПЛР, благодаря свету неба в помещениях с ГПС получаются ОТО от 4 до 9. Это свидетельствует о том, что предложенная конструкция ГПС усиливает естественное освещение в удаленных от окон зонах. В экспериментальном исследовании моделировалось помещение с боковым оконным освещением и ГПС в условиях только прямого солнечного света и отсутствия каких-либо экранов между солнцем и зданием с модельным помещением. Найдены оптимальные сочетания A и угла наклона коллекторной ПЛР при различных значениях высоты солнца над горизонтом и его азимута, обеспечивающие перенаправление солнечного света в глубь помещения. Обнаружено, что ГПС с коллекторной ПЛР может быть высокоэффективен для перенаправления солнечного света при оптимальном подборе A и угла наклона коллекторной ПЛР.

Из обоих исследований можно заключить, что ГПС с коллекторной и выводной ПЛР в помещениях с боковым оконным освещением могут давать выигрыш в освещении рабочих зон, расположенных вдали от окон. Более того, степень усиления естественного освещения может регулироваться выбором нужных сочетаний A и угла наклона коллекторной ПЛР при разных положениях солнца.

Работа, описанная в статье, выполнена целиком за счет гранта, предоставленного Советом по научно-исследовательским грантам Специального административного региона Гонконг, КНР.