Роль солнца в проектировании помещений

Чтобы спроектировать хорошее окно с учётом солнца, следует принимать во внимание два аспекта. Первый – это тепло от солнца, и второй – это естественное освещение.
В отношении тепла от солнца, идеальное окно должно пропускать солнечные лучи вовнутрь в холодное время года и препятствовать этому в жаркое. Оно должно предотвращать потери тепла в холодное время и теплопоступление в жаркое. В отношении естественного света, идеальное окно должно обеспечивать достаточное освещенние во внутреннем пространстве и предотвращать блёскость путем регулирования светового контраста и отражений света. Также оно должно обеспечивать необходимый контакт с внешней средой. Солнечный свет, тень и естественное освещение являются специфическими факторами, которые определяются с помощью предлагаемого в этой статье метода.
Гипотеза
Этот метод – развитие метода «теневой маски» окна, являющегося простым графическим способом показа параметров окна в зависимости от солнечного света и тени на оконной плоскости. Накладка «граница естественного света», предложенная вторым соавтором, дополняет «теневую маску», чтобы показать, как параметры окна влияют на естественное освещение помещений.
Рассматривались наихудшие ситуации при проектировании формы «теневой маски». Последняя подготавливается для наихудшего места, находящегося сразу за остеклением окна, где существует тепличный эффект. При подготовке накладки «граница естественного света» по концепции купола небосвода необходимо учитывать, что место у окна не испытывает недостатка в естественной освещенности. Проблема касается наиболее темных мест в помещении, имеющих наименьшие уровни естественного освещения. Если в наиболее темном месте помещения достигается необходимый уровень естественного освещения, то в остальных местах оно заведомо сильнее.
Благодаря изменению естественной освещенности в течение дня и года, в наиболее темных местах помещения иногда освещение бывает достаточным, а иногда нет. При нахождении границы достаточной (для данной зрительной задачи) освещенности в расчетной точке и нанесении ее на небесную сферу, мы получаем границу естественного света той экранирующей маски, которую будем называть накладкой «граница естественного света». Эта накладка равноценна упомянутой накладке «теневая маска». Совмещение этих двух накладок дает новую накладку, называемую «тепло-световой», которая определяет эффективность окна в отношении тени, солнечного света и естественного освещения.
Чтобы найти возможность начертить границу естественного света в наиболее темном месте помещения (в расчетной точке) с использованием коэффициента естественной освещенности (КЕО), вторым соавтором предложено новое понятие, названное «разрешенный КЕО» (РКЕО).
Вследствие различия уровней естественного освещения в разное время дня и года использование КЕО – простой способ упрощения расчетов естественной освещенности в помещениях. КЕО – это отношение освещенности на рабочей плоскости в расчетной точке помещения к освещенности от рассеянного света неба на открытой горизонтальной наружной площадке.
Что касается РКЕО, то он показывает, как проектировщик в соответствии с требуемой освещенностью в расчетной точке может снизить естественную освещенность, используя козырек или другие элементы окна, не вызывая недостатка освещенности в наиболее темной (расчетной) точке помещения. РКЕО – это отношение необходимой освещенности в расчетной точке помещения к диффузной освещенности от неба на открытой горизонтальной наружной площадке.
Если КЕО больше РКЕО, это значит, что освещенность в расчетной точке помещения достаточна. Если КЕО меньше РКЕО, то освещенность в расчетной точке недостаточна. Если КЕО равно РКЕО, то в расчетной точке помещения наблюдается граничная освещённость (для данной зрительной работы).
Существуют несколько факторов, влияющих на уровень естественного освещения в расчетной точке помещения. Некоторые из них зависят от климата местности, где проектируется здание, широты местности, облачности, высоты над уровнем моря, загрязнения воздуха и т. д. Другие факторы зависят от условий проектирования, таких как топография местности, ориентация окна, высота и ориентация окна, характеристики окна (переплеты, остекление, загрязнение), отражения от внутренних поверхностей и намечаемый вид зрительной работы. Чтобы получить достаточно надежную «тепло-световую маску окна», следует учитывать все эти факторы. Часть из них предусматривается концепцией «купол небосвода». Например, солнце, местоположение, климат и характеристики небосвода показываются на карте солнечной траектории и соответствующих накладках. Другие факторы должны учитываться в качестве «поправочных индексов», предложенных ранее.
В остальной части статьи объясняется, как рассчитать КЕО, РКЕО, поправочный индекс, и как начертить накладку «граница естественного света».
Расчёт освещённости на оконной плоскости
Освещенность на оконной плоскости имеет 4 составляющих: от прямого и отражённого света неба и от прямого и отражённого солнечного света. Освещенность на плоскости окна от прямого солнечного света зависит от азимута и высоты солнца, с одной стороны, и от угла падения солнечных лучей, который зависит от ориентации окна, с другой стороны. Прямой и отражённый свет неба и отражённый солнечный свет есть следствие отражения света от небосвода и окружающей среды и представляют собой рассеянный свет.
Согласно исследовательским организациям, занимающимся естественным освещением, таким как МКО, Британский исследовательский центр (BRE) и Северо-американское светотехническое общество, существует 650 типов небосвода. Оценивая ошибки, получаемые при использовании этих типов неба вместо реальных, Мардальевич нашёл, что наилучшую сходимость с реалиями имеют 4 типа из них: ясное небо, частично ясное небо, частично облачное небо и пасмурное небо. Существуют методы расчета освещенности при этих типах неба на горизонтальной и вертикальной поверхностях, но из-за сложности этих расчетов Трегенза создал упрощенный метод для случая ясного однородного неба в городских условиях. Посредством него можно рассчитывать среднюю освещенность от четырех составляющих естественного света (прямой и отражённый свет неба и Солнца) на вертикальной плоскости окна, ориентированного на освещенную Солнцем городскую улицу. Соответствующая формула даже упрощается, если оба фасада улицы имеют одинаковые высоту и средний коэффициент отражения:

где Ewo – средняя освещённость на наружной вертикальной оконной плоскости; Ews – полная прямая освещённость на оконной плоскости(солнце+небо); Ewg – наружная освещённость на оконной плоскости от мощения; E'ws – полная прямая освещённость на фасаде напротив окна (солнце+небо); E'wg – наружная освещённость на фасаде напротив окна от мощения; ρw – коэффициент отражения фасада с расчётным окном и противоположного фасада (фасады – как две параллельные плоскости); ω – угол между проведёнными из центра окна нормалью к нему и линией к верхней границе противоположного фасада.
По этой формуле можно сравнивать освещенности на оконной плоскости при разных размерах улицы. При этом главными составными частями в этом сравнении являются: отношение высоты зданий на улице к ее ширине (h/w), которое определяется как угол улицы (а), и высота окна над мощением, которая рассматривается как «угол экранирования» (ω) (рис. 1).

Рис. 1. Угол улицы (a) и угол экранирования окна (ω)

 
Далее,

где Eg = E'g – средняя освещённость на мощении; Edh – полная диффузная освещённость на открытой горизонтальной площадке; ρsg – доля площади улицы, освещённая прямым солнечным светом; h – высота фасада, создающего тень; w – ширина улицы; θ – угол падения солнечных лучей на фасад с расчётным окном; γs – высота солнца; as – азимут солнца; ab – азимут перпендикуляра к фасаду (направление ориентации фасада).

где Esn – прямая освещённость от солнца.
Вычисления при различных а и ω показывают, что: на широких улицах наибольший вклад в естественное освещение помещений вносит отражение от мощения, а в узких и среднеузких улицах – отражение от освещенного солнцем противоположного фасада.
Кроме того, для лучшего учёта влияния отраженной освещенности от мощения и противоположных фасадов, были приняты во внимание различные материалы и цвета мощения или противоположного фасада. В этой связи, стало возможным классифицировать все городские особенности или размеры улиц, материалы и цвета поверхностей фасадов (рис. 2).

Рис. 2. Различные условия по светлоте, создаваемой отражениями от мощения и противостоящего фасада

 
Расчёт освещённости в помещении
Уровень естественного освещения рабочей поверхности (в расчетной точке) в помещении зависит от нескольких факторов. Использование КЕО упрощает расчеты. В отличие от КЕО при пасмурном небе, КЕО при ясном небе помимо трех других компонент (небесной, наружной отраженной и внутренней отраженной) учитывает отраженный солнечный свет. Из-за проблемы блёскости обычно лучше защищать помещение от прямого солнечного света. При использовании штор или козырька перед окном названные другие три компоненты рассматриваются как рассеянный свет в расчетной точке помещения:

где DF – КЕО на горизонтальной поверхности; SC – небесная компонента; ERC – наружная отраженная компонента; IRC – внутренняя отраженная компонента.
На естественное освещение помещения влияет «коэффициент экранирования» окна (n). Важность n зависит от соотношения освещённости от неба и отраженной освещённости от противоположного фасада улицы. Когда противоположный фасад освещен прямым солнечным излучением, от него приходит больше света в помещение. Однако диффузное небо освещает сильнее, и n показывает, какую часть видимого из расчетной точки окна занимает экранирующий противоположный фасад.
Используя «точечные карты-накладки для ясного неба», можно легко определять процентную долю света неба, приходящего в расчетную точку помещения через окно. Другое преимущество использования точечных карт – их чувствительность к размерам, форме, расположению окна относительно расчётной точки и др. Это преимущество отсутствует у других подобных методов, таких как, например, метод КЕО.
Определение соотношения между SC и ERC – рациональный путь упрощения расчета ERC. Оно рассчитывается с использованием новой величины «весовой коэффициент» (wf), предложенной Трегензой. В процессе предварительного проектирования и для упрощения может подсчитываться количество точек SC на всей видимой из расчетной точки части неба в окне (SCdots). А затем с помощью n можно вычислять SC и ERC в расчетной точке (рис. 3):

Рис. 3. Расчёт небесной (SC) и наружной отражённой (ERC) компонент естественного освещения в расчётной точке помещения с помощью точечных карт небесных компонент

Что же касается IRC, то она зависит от пропорций окна, поверхностей помещения и среднего коэффициента отражения внутренних поверхностей:

где IRC – в %; DFv – вертикальный КЕО, %; Aw – площадь остекления окна, м²; Ar – общая площадь внутренних поверхностей помещения, м²; ρr – средний коэффициент отражения всех поверхностей помещения, %; d – коэффициент загрязнения.

где Ev – полная освещённость на вертикальной поверхности, лк; Edh – в лк.
DFv зависит от ориентации стены с расчётным окном и должен рассчитываться отдельно для каждой такой ориентации.
Может быть вычислено и соотношение между размерами окна и помещения.
В соответствии с различными светлотами и уровнями загрязнения поверхностей помещения эти поверхности могут быть классифицированы согласно рис. 4. Это позволяет, в частности, оценивать IRC.

Рис. 4. Различные условия по светлоте и загрязнению поверхностей помещения

 
Новый «поправочный индекс света»
Поправочный индекс света (СIL) учитывает действие других влияющих факторов, таких как конструктивные элементы окна и атмосферные условия. Согласно методам расчёта КЕО Причарда и Шильда СIL рассчитывается как произведение двух коэффициентов: «коэффициента ослабления окна» (k) и «коэффициента ослабления атмосферы» (At).

Рис. 5. Различные общие коэффициенты светопропускания окна

 
CIL зависит от прозрачности остекления, конструкции переплета и уровня загрязнения окна. Соотнося экстремальные ситуации, могут быть найдены самое темное и самое светлое окна и одно или два промежуточных (рис. 5). При этом

где k – общий коэффициент светопропускания окна; τ – коэффициент пропускания остекления ⇒ 0,6 – двойное раздельное остекление; 0,72 – спаренное остекление; 0,85 – одинарное остекление; CM – коэффициент, учитывающий снижение светопропускания рамой и переплётом ⇒ 0,5 – толстая рама; 0,8 – обычная рама; 0,9 – тонкая рама; CD – коэффициент загрязнения остекления ⇒ 0,4 – грязное; 0,6 – среднее; 0,8 – чистое.
At учитывает такие местные факторы как облачность неба и мутность атмосферы. Этот коэффициент – предмет многих исследований, и мы оставим его для будущего изучения.
Граница естественного света в расчётной точке
С помощью КЕО и РКЕО можно начертить границу естественного света. Для вычисления разности КЕО и РКЕО при любых высотах солнца и азимутальных углах между солнцем и перпендикуляром к плоскости окна используются упрощенные формулы Трегензы для ясного однородного неба и точечные карты SC для ясного неба. Разработанная программа в среде 3D MAX способна учитывать все условия и затем, с помощью интерполяции результатов, чертить объемное поле разностей КЕО и РКЕО в цилиндрических координатах (высота солнца, азимутальные углы между солнцем и перпендикуляром к плоскости окна, КЕО и РКЕО). Нулевая разность КЕО и РКЕО указывает границу естественного света в расчетной точке помещения (рис. 6).

Рис. 6. Трёхмерное изображение разности КЕО (DF) и разрешённого КЕО (ADF) в среде 3D MAX

где ADF – РКЕО; Eneed – требуемая естественная освещённость в расчётной точке помещения.

где DF – КЕО; DF > ADF – достаточная естественная освещенность в расчетной точке; DF < ADF – недостаточная естественная освещенность в расчетной точке.
Новый метод «тепло-световая маска окна»
В настоящей работе понятие «граница естественного света» развивается применительно к методу «небесный купол». В добавок к «теневой маске» Олджяя совмещающиеся накладки «теневая маска» и «граница естественного света» образуют новую накладку, названную «тепло-световая накладка окна». «Тепло-световая накладка окна», в первую очередь, показывает на одном и том же изображении уровни солнечной тепловой энергии и естественного света, которые одновременно поступают через окно в течение года (рис. 7).

Рис. 7. Образование и описание «тепло-световой накладки» окна

 
Наложение «тепло-световой накладки окна» на солнечную карту данной местности дает картину, называемую «тепло-световая маска окна». Эта картина позволяет оценивать эффективность окна и относящегося к нему помещения в части солнечного тепла и естественного освещения в течение моделируемого года (рис. 8).

Рис. 8. Образование и описание «тепло-световой маски» окна

 
«Тепло-световая накладка», накладываемая на солнечную карту, применима для любых широт и ориентаций окна. Так как она имеет две оси (дни и часы), авторы предлагают преобразовывать всю соответствующую информацию в «Календарь климатических потребностей» для данной местности. Изображение, которое может быть названо «Тепло-световой календарь окна», позволяет увидеть связь между параметрами солнца и всеми другими климатическими показателями, такими как температура, ветер, дождь, мороз и т. д., одним взглядом (рис. 9).

Рис. 9. «Тепло-световой календарь» окна, ориентированного на восток, в Исфагане (Иран)

 
«Тепло-световой календарь» позволяет рассчитывать годовой процент солнечного тепла и естественного света, который называется «тепло-световая эффективность окна». Это помогает архитекторам улучшать проекты окон в части поступления солнечного тепла и естественного света.
Графический метод, согласно данной статье, поддерживается скрипт-программой в среде 3D MAX 4, которая выполняет вычисления и выдает результаты в графической форме, для расчёта всевозможных условий при проектировании окон в данном населенном пункте. Программа называется «тепло-световой скрипт».
Среда 3D MAX имеет наглядную и удобную для пользователя область применения и знакома большинству архитекторов. Основным знанием, необходимым для пользования нашим методом, является знание концепции «купол небосвода» и относящихся к ней накладок, «теневой маски» окна и способа ее использования и основных концепций естественного освещения в архитектуре, а также способность выбирать условия освещения из ограниченного числа рекомендуемых вариантов. Кроме того, надо знать AutoCAD, 3D MAX (на уровне начальных умений пользования) и иметь доступ к солнечной карте и календарю климатических потребностей региона. И, очевидно, нужны при этом не более чем общие знания по архитектуре.
Примеры использования нового метода
Для испытания нашего метода было проведено натурное исследование, которое охватило 30 различных помещений и окон в одном микрорайоне Тегерана. После вычерчивания предварительного 3-мерного проекта комнат и окон в среде AutoCAD он импортировался в программу «тепло-световой скрипт». Выбирая параметры этого микрорайона, такие как плотность застройки или размеры улицы («угол улицы» (а)), высота окна над землей (угол ω), отношение высоты противоположного фасада к высоте окна над землей (коэффициент экранирования окна), коэффициенты отражения противоположного фасада и внутренних поверхностей помещения, мы вводили в расчет все факторы, влияющие на освещение помещения. При этом «тепло-световая накладка» образуется простым нажатием нескольких клавиш. Данная программа, сильно ускоряя вычисления, позволяет оценивать большое количество форм окон просто и быстро.
При изучении графических образцов помещений, вначале, в AutoCAD создавались трехмерные чертежи нескольких помещений трех разных размеров (6х4х3, 8х6х3 и 10х10х3 м³). Затем в этих помещениях намечались различно расположенные разноразмерные окна, которые подразделялись на окна площадью в 25, 33 и 45–47% от площади пола.
Кроме размеров окон их расстановка и плотность окружающей застройки также включались в состав переменных в моделируемых случаях. С целью сравнения показательных результатов, прочие влияющие факторы считались одинаковыми, так как полагалось обязательным, что все помещения находятся в Тегеране, а их ориентация, коэффициенты отражения внутренних поверхностей, состояние небосвода и светопропускание окон безупречны.
Для оценки влияния плотности застройки каждая конфигурация окна рассматривалась в связи с четырьмя категориями застройки: высокоплотной, плотной, умеренно плотной и низкоплотной (рис. 10).

Рис. 10. Некоторые варианты «тепло-световой маски» окна
* S1 – площадь окна; S2 –площадь пола

 
Некоторые конфигурации помещений и окон представлены на рис. 10, и путем сравнения этих вариантов были получены некоторые типичные результаты. Например, в большинстве случаев, если площадь окон возрастает с 25 до 33% от площади пола, их солнечная тепловая и световая характеристики возрастают значительно, а если – с 33 до 47%, то никакого заметного повышения не происходит. Поэтому, увеличение размеров окон не обязательно повышает их эффективность для естественного освещения, а только лишь повышает теплопотери здания.
Другая часть полученных результатов говорит о том, что при увеличении площади окон их солнечные осветительная и тепловая рабочие значительно возрастают в зонах плотной и высокоплотной застройки и слабее – в застройках умеренно плотных и низкоплотных. Было также замечено, что наилучшими являются горизонтальные окна и окна в двух разных стенах.
Заключение
Настоящая статья представляет новый метод оценки эффективности окна в части регулирования солнечного тепла и естественного света, который называется «тепло-световая маска окна». В этом методе накладка «теневая маска», которую ранее предложил Олджяй, и накладка «граница естественного света», которая предложена в данной работе, вычерчиваются по концепции «небесный купол». Совмещение двух этих накладок дает «тепло-световую накладку окна», которая позволяет одновременно видеть на одной картине солнечное тепло и свет, проникающие через окно в помещение. Эта накладка, совмещаемая с картой солнечной траектории, применима для всех широт и ориентаций окон. Это совмещение образует «тепло-световую маску окна», которая позволяет архитекторам оценивать проекты окна и помещения, вносить в них поправки по оптимизации использования солнечной энергии.
Для ускорения подготовки «тепло-световой маски окна» в среде 3D MAX создана программа «тепло-световой скрипт». В неё импортируется функция вычерчивания трёхмерного проекта помещения и окна в AutoCAD. При этом накладки получаются путем введения параметров застройки, помещения и окна как управляющих факторов.
По оценкам «тепло-световых масок» окна и помещения, архитекторы могут достаточно точно предсказывать эффективность вариантов окон на предварительной стадии проектирования. Данный метод позволяет быстро корректировать проект окон на этой стадии с точки зрения использования солнечной энергии и естественного света и сохранения окружающей среды.
Большая часть этого исследования выполнена в Университете Шахид Бехешти и Лондонском университете Метрополитен при работе над диссертаций на соискание ученой степени доктор философии. Натурные исследования проведены в Университете Шахид Бехешти при работе над магистерской диссертацией. Авторы имеют честь поблагодарить профессоров М. Разджуяна, П. Трегензу и М. Уилсона, которые помогли им в работе над статьей. Оборудование и финансовую поддержку обеспечили Университет Шахид Бехешти, Лондонский Университет Метрополитен и Британский Совет (в Иране).