MODELOWANIE NATĘŻENIA OŚWIETLENIA DZIENNEGO W PROGRAMIE DIALUX

Transkrypt

1 POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 88 Electrical Engineering 2016 Ewa PIOTROWSKA* MODELOWANIE NATĘŻENIA OŚWIETLENIA DZIENNEGO W PROGRAMIE DIALUX Międzynarodowa Komisja Oświetlenia CIE, na potrzeby obliczania oświetlenia budynków światłem dziennym, wprowadziła 15 typów nieboskłonów. Niniejszy artykuł, bazując na informacjach przedstawionych w raporcie Komisji, prezentuje wyniki symulacji natężenia oświetlenia w budynku użyteczności publicznej zrealizowane w programie Dialux. Wykonane obliczenia ukazują możliwość wykorzystania światła dziennego do oświetlania pomieszczeń przy oknach skierowanych w kierunku północnym, południowym, wschodnim oraz zachodnim. Analiza zawiera roczny rozkład natężenia oświetlenia światłem dziennym, również dzienną analizę natężenia oświetlenia dla trzech różnych typów nieboskłonów. SŁOWA KLUCZOWE: natężenie oświetlenia światła dziennego, równomierność oświetlenia, luminacja nieboskłonu, symulacja komputerowa 1. MODELE NIEBOSKŁONU W OPARCIU O WYTYCZNE CIE 1.1. Przegląd standardowych typów nieboskłonów W celu poprawy efektywności energetycznej budynku oświetlanego światłem dziennym Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa CIE opracowała 15 modeli nieboskłonów. Zestaw tych nieboskłonów oddaje realistyczną metodę modelowania światła dziennego, wykorzystywaną w obliczeniach charakterystyki energetycznej budynków i badaniach optymalizacji, jak również do określenia ich skutków środowiskowych i ekonomicznych [3, 4]. Tabela 1.1 zawiera opis trzech modeli nieboskłonów wykorzystanych w dalszych analizach. W pierwszej kolumnie pokazano rozkład luminancji światła dziennego w przekroju osiowym. W kolumnie drugiej zobrazowano ten sam rozkład luminancji światła dziennego w układzie biegunowym. W trzeciej kolumnie natomiast przedstawiono odpowiadające danej sytuacji fotografie rzeczywistych nieboskłonów. Dla każdego z modeli nieboskłonu określono charakterystyczne dla nich wartości rozkładu luminancji, czyli stosunek poziomego * Politechnika Białostocka.

2 326 Ewa Piotrowska natężenia oświetlenia światła dziennego do poziomego natężenia oświetlenia, z uwzględnieniem wysokości Słońca (równanie 3). Tabela 1.1. Modele nieboskłonów według CIE Model nieboskłonu 1 Standardowe zachmurzenie nieba według CIE. Równomierny rozkład luminancji Poziom gradacji: I Poziom dyfuzji: 1 Nieboskłon 10 Częściowe zachmurzenie, z przebłyskami słońca Poziom gradacji: I Poziom dyfuzji: 10 Nieboskłon 12 Standardowe przejrzyste niebo według CIE o niskim zmętnieniu Poziom gradacji: I Poziom dyfuzji: 12 Założenia tej metody wykorzystuje się również w pracy sztucznych symulatorów nieboskłonu, odwzorowujących rozkład luminancji sfery niebieskiej oraz w programach komputerowych takich jak np. SkyModeller lub Velux Daylight Visualizer, co pozwala na dokładną analizę wpływu światła dziennego na rozkład natężenia oświetlenia w rozpatrywanym pomieszczeniu. Symulatory sztucznego nieba to struktury zdolne do otworzenia luminancji światła dziennego. Zazwyczaj składają się z dużej liczby lamp o regulowanym strumieniu świetlnym usytuowanych w pomieszczeniu lub specjalnie skonstru-

3 Modelowanie natężenia oświetlenia dziennego w programie DIALux 327 owanej skrzyni o kształcie kulistym bądź półkulistym tak, aby symulować zarówno rozproszone światło słoneczne, jak również składową bezpośrednią od tarczy Słońca. W celu zrealizowania badań, makietę analizowanego budynku umieszcza się wewnątrz symulatora sztucznego nieba (rys. 1.1). Sztuczne nieboskłony często odwzorowują też jakościowe cechy promieniowania, takie jak widmowy rozkład, charakteryzowany długością drogi optycznej AM, w celu uwzględnienia w badaniach i obliczeniach symulacyjnych bilansu energetycznego promieniowania słonecznego. Obecnie wyróżnia się trzy rodzaje symulatorów nieboskłonów: nieboskłon lustrzany, kopułowy oraz symulator płytkowy. Na rysunku 1.1 przedstawiono przykłady symulatorów sztucznego nieba w formie nieboskłonu kopułowego oraz symulatora płytkowego. a) b) Rys Symulator sztucznego nieba: a) nieboskłon kopułowy, b) symulator płytkowy Lustrzany nieboskłon stosowany jest głównie przez angielskie uniwersytety oraz ośrodki badawcze. Tworzy go przestrzeń ograniczona zwierciadlanymi ścianami oraz rozpraszającym sufitem, który zaopatrzony jest w szereg źródeł światła o regulowanym strumieniu świetlnym, odtwarzających modele nieboskłonów CIE. Nieboskłon kopułowy (rys. 1.1a) składa się z półkoliście rozmieszczonych powierzchni świecących, w których strumień świetlny regulowany jest indywidualnie lub grupowo, aby generować różne dystrybucje luminancji. W przypadku sztucznych nieboskłonów kopułowych stosuje się trzy rodzaje pozycjonowania lamp. W pierwszym przypadku, źródła światła są umieszczone na poziomym podłożu i skierowane na sklepienia odbijające dyfuzyjnie. W drugim modelu, lampy są umieszczone za kopułą zbudowaną z przepuszczalnej warstwy materiału, zapewniającego rozproszenie światła. W trzecim rodzaju symulatora, lampy oświetlające umieszczone są bezpośrednio na powierzchni półkuli kopuły. Sztuczny nieboskłon realizuje wówczas składową bezpośrednią. Rozwiązanie to umożliwia odtworzenie największego kontrastu luminancji.

4 328 Ewa Piotrowska Symulatory płytkowe (rys. 1.1b) reprezentują najnowszą koncepcję konstruowania sztucznych nieboskłonów. Działanie ich oparte jest na modelu opracowanym przez Tregenza [6], zgodnie z którym kopuła nie jest uważana jako ciągła powierzchnia, ale jest podzielona na 145 obszarów kołowych (plastrów), o jednorodnej luminancji. Struktura ta składa się z indywidualnie sterowanych obszarów świecących, co odpowiada jednej szóstej całej półkuli. Utworzona w ten sposób struktura przemieszcza się na podstawce zwanej heliodonem, który pozwala ją obracać i przechylać tak, aby odtworzyć dowolny nieboskłon, zależnie od szerokości geograficznej. Rozkład luminancji całego nieba uzyskiwany jest poprzez sześć obrotów azymutowych modelu (tj. sześć "skanów") grupy plastrów świecących, w celu realizacji odpowiedniego rozkładu luminancji nieboskłonu CIE. Natężenie oświetlenia wewnątrz badanego modelu otrzymuje się przez zsumowanie wartości cząstkowych z poszczególnych ustawień azymutowych Opis analityczny natężenia i luminancji światła pochodzącego od nieboskłonu Według Kitlera i Daruli (2014), nawet w przypadku całkowicie zachmurzonego nieba, natężenie oświetlenia w głównej mierze zależy od wysokości Słońca w ciągu dnia oraz przepuszczalności i grubości warstwy chmur [3, 4]. Lun Tang Ho (2008) badając ponad próbek danych ze stacji badawczej City University of Hong Kong, potwierdził silny związek między wahaniami natężenia oświetlenia a pozycją Słońca na nieboskłonie [5]. Parametrem określającym odpowiedni model nieboskłonu jest zależność pomiędzy luminację nieboskłonu w punkcie obliczeniowym L vz podzieloną przez poziome natężenia oświetlenia światła dziennego E vd. Natężenie oświetlenia światła dziennego na powierzchni poziomej w terenie otwartym określa się według następującego wzoru: o o EVd L sin Z cos Zd dz (1) o o Z 0 0 gdzie: L a jest luminancją nieboskłonu, przy określonym azymucie, w odniesieniu do luminancji w słońca zenicie L VZ, Z kąt padania światła w zenicie dla danego nieboskłonu (maksymalny kąt horyzontalny), α kąt azymutalny Słońca. Na rysunku 1.2 przedstawiono wyznaczanie kąta azymutalnego Słońca w rzucie, kąta zenitalnego Z oraz kąta horyzontalnego γ na tarczy nieboskłonu. Poziom natężenia oświetlenia światła dziennego pochodzącego z okien określa się według wzoru:

5 Modelowanie natężenia oświetlenia dziennego w programie DIALux 329 o o EVd LVZ R sin S (2) 1 1 gdzie: L VZ luminancja nieboskłonu, R wskaźnik luminacji, γ kąt horyzontalny Słońca, ΔS pole powierzchni, na które pada strumień świetlny. Rys Wyznaczanie kątów azymutalnych i horyzontalnych Słońca Tabela 1.2. Równomierność oświetlenia światła dziennego Modele nieboskłonu Charakterystyczna wartość rozkładu luminancji światła (wartość parametru E Vd /E Voh ) 1 0,1 2 0,1 3 0,15 4 0,2 5 0,22 6 0,3 Niebo bezchmurne Niebo zachmurzone 7 0,38 0,35 8 0,39 0,4 9 0,32 0, ,28 0,3 11 0,26 0,3 12 0,25 0,3 13 0,26 0,3 14 0,28 0,3 15 0,28 0,3 Luminację nieboskłonu L VZ w punkcie obliczeniowym określa się według wzoru: C E vd B(sin S ) LVZ F sin S (3) E D oh (cos S )

6 330 Ewa Piotrowska gdzie: E Vd poziome natężenie oświetlenia od nieboskłonu dyfuzyjnego, E voh poziome natężenie oświetlenia z uwzględnieniem wysokości Słońca, γ s kąt horyzontalny położenia tarczy słonecznej na nieboskłonie, B, C, D, F współczynniki zależnie od typu nieboskłonu. Kolejnym ważnym do określenia parametrem dotyczącym oświetlenia pomieszczeń jest równomierność oświetlenia światłem dziennym. Wyznaczana jest ona na danej płaszczyźnie jako iloraz najmniejszej zmierzonej wartości natężenia oświetlenia występującej na danej płaszczyźnie (E Vdmin ) oraz średniego natężenia oświetlenia na tej płaszczyźnie E Vdśr. W tabeli 1.2 przedstawiono wartości równomierności oświetlenia światła dziennego charakterystyczne dla każdego z 15 modeli nieboskłonów Określenie rozkładu natężenia oświetlenia na danej powierzchni roboczej Procedura obliczania natężenia oświetlenia na powierzchni roboczej wewnątrz budynku, wymaga wykonania kilku kroków, w których największą trudność sprawić może wybór właściwego nieboskłonu. Realizację obliczeń symulacyjnych można przeprowadzić w oprogramowaniu DIALux lub Radiance. Poszczególne etapy (wraz z opisem) algorytmu wyznaczania natężenia oświetlenia światłem dziennym przedstawiono poniżej (rys. 1.3): Rys Algorytm wyznaczania natężenia oświetlenia światłem dziennym Określenie lokalizacji obiektu Według Kensek i Suk (2011), kluczowym w obliczeniach symulacji komputerowych jest określenie odpowiedniej lokalizacji (szerokości geograficznej) badanego pomieszczenia. Umiejscowienie budynku/powierzchni, dla której mają zostać przeprowadzone obliczenia, jest istotne z punktu widzenia położenia Słońca na niebie [2]. Należy określić maksymalny kąt horyzontalny (czyli kąt horyzontalny dla Słońca w zenicie), który posłuży do wyznaczenia luminancji L VZ.

7 Modelowanie natężenia oświetlenia dziennego w programie DIALux Wybór właściwego modelu nieboskłonu Kolejnym krokiem jest założenie konkretnego modelu nieboskłonu z określonych przez CIE 15 typów nieboskłonów, co wiąże się z przyjęciem charakterystycznych dla niego współczynników B, C, D, F oraz parametru E vd /E voh. Rodzaj nieboskłonu definiuje także rozkład krzywej zależności luminancji nieba od kąta horyzontalnego (wysokości). Rozkład ten jest potrzebny do określenia poziomego natężenia oświetlenia światłem dziennym Obliczenie luminancji nieboskłonu dla Słońca znajdującego się w zenicie Znając wymienione wcześniej parametry oraz kąt horyzontalny położenia tarczy słonecznej na nieboskłonie, ze wzoru (3) obliczana jest luminancja nieba w sytuacji, gdy Słońce znajduje się w zenicie. Należy pamiętać, iż otrzymana wartość nie jest dokładna i zależeć może od lokalnie panujących warunków pogodowych i chwilowych zmian zachmurzenia Wyznaczenie natężenia oświetlenia światłem dziennym Dla znanego maksymalnego kąta horyzontalnego i rozkładu luminancji nieboskłonu, oblicza się poziome natężenie oświetlenia od światła dziennego. Po podwójnym scałkowaniu zależności dla pełnego zakresu kątów azymutalnych i przemnożeniu jej przez luminancję L VZ, rezultatem będzie określenie poszukiwanego natężenia oświetlenia na powierzchni poziomej Wyznaczenie natężenia oświetlenia światłem dziennym pochodzącym od okien Krok ten jest opcjonalny i polega na pominięciu punktu nr 1 i 2, w celu obliczenia natężenia oświetlenia światłem dziennym, ale pochodzącym z okna budynku. 2. ANALIZA WYNIKÓW OBLICZEŃ NATĘŻENIA OŚWIETLENIA W SALI WYKŁADOWEJ 2.1. Model pomieszczenia użyteczności publicznej W celu określenia wpływu różnych typów nieboskłonów oraz orientacji budynku na wartość natężenia oświetlenia światłem dziennym na płaszczyźnie pracy, zaimplementowano w programie DIALux model obliczeniowy przykładowego pomieszczenia lekcyjnego (salę wykładową). Wykonano obliczenia oświetlenia przy zastosowaniu wyłącznie światła słonecznego. W modelu przyjęto powierzchnię pracy na wysokości 0,85m nad podłogą, na której znajdują się blaty ławek lekcyjnych. Model danego wnętrza przedstawiono na rysunku 2.1.

8 332 Ewa Piotrowska Rys Model sali wykładowej Program DIALux umożliwia wykorzystanie jedynie 3 z 15 opisanych typów nieboskłonów. W obliczeniach światła dziennego, wykonywanych przez oprogramowanie symulacyjne, wybrano modele nieboskłonów 1, 10 oraz 12, zakwalifikowane według raportu CIE TC 3-51 [1]. Obliczenia przeprowadzono dwuetapowo, dla każdego z 3 typów nieboskłonów. W pierwszym etapie badano rozkład natężenia oświetlenia w zależności od pory dnia, w zakresie od godziny 4:48 (wschód Słońca) do 19:12 (zachód Słońca) w dniu 21 marca oraz w zakresie ruchu Słońca po nieboskłonie, od wschodu do zachodu, to jest od 3:36 do 20:24 w dniu 21 czerwca, dla dwóch orientacji okien skierowanych na północ i na południe. W etapie drugim sprawdzono rozkład natężenia oświetlenia na płaszczyźnie pracy w każdym 21 dniu miesiąca, również dla orientacji powierzchni okien w kierunku północnym i południowym Wyniki symulacji w programie DIALux Wyniki uzyskane w programie DIALux przedstawiono w tabeli 2.1. Godzinowy rozkład natężenia oświetlenia światłem dziennym, w dniu 21 marca osiągnął bardzo zbliżone wyniki dla nieba pochmurnego (model nieboskłonu 1) zarówno dla orientacji północnej, jak i południowej. Wskazuje to - w przypadku tego nieboskłonu - na niewielką zależność natężenia oświetlenia od orientacji budynku, co tłumaczyć można znaczną zawartością składowej rozproszonej w całkowitym promieniowaniu słonecznym, zaś niewielką składowej bezpośredniej tego promieniowania. W przypadku modelu nieba częściowo zachmurzonego oraz modelu nieba bezchmurnego, natężenie oświetlenia, zarówno średnie i skrajne, w dniach 21 marca i 21 czerwca, jest dla orientacji południowej niemal trzykrotnie większe od otrzymanego dla orientacji północnej. Oznacza to, że ustawienie okien ma znaczący wpływ na ilość promieniowania wchodzącego do wnętrza budynku. Także warunki atmosferyczne (model nieboskłonu), bezpośrednio przekłada się na uzyskiwane wartości natężenia oświetlenia na obliczanych powierzchniach.

9 Modelowanie natężenia oświetlenia dziennego w programie DIALux 333 Tabela Rozkład natężenia oświetlenia światłem dziennym na powierzchni roboczej Analiza miesięcznego rozkładu natężenia oświetlenia wskazuje na uzyskiwanie większych wartości strumienia świetlnego na powierzchni pracy, kierując okna pomieszczenia na południe. Jedynie w kilku przypadkach dla modelu nieboskłonu 1 uzyskano nieznaczne, liczone w kilku procentach, zwiększenie natężenia oświetlenia przy ustawieniu okien na południe. Uwidacznia to pomijalną wręcz zależność natężenie oświetlenia od sposobu usytuowania okien, gdy nieboskłon jest całkowicie zachmurzony i w otoczeniu dominuje światło rozproszone. W pozostałych dwóch modelach nieboskłonu różnice są już znaczne, gdzie natężenie jest ponad 3-krotnie wyższe po zorientowaniu okien na południe, niż przy ustawieniu ich na północ. Wartym odnotowania jest też fakt, iż zmienność natężenia oświetlenia w ciągu roku, przy obu orientacjach, jest dla modeli nieboskłonu o znacznej składowej dyfuzyjnej niemal identyczna. Wyjątkiem od tej reguły jest model nieboskłonu 12 (najmniejszy udział światła rozproszonego), w którym obserwuje się obniżenie wartości maksymalnego i średniego natężenia oświetlenia światłem dziennym, w miesiącach czerwcu i lipcu.

10 334 Ewa Piotrowska Równomierność oświetlenia na powierzchni roboczej, przy zastosowaniu wyłącznie światła dziennego nie spełnia wymagań norm oświetleniowych. Zależy ona od kierunku ustawienia okien, choć nie występuje jednoznaczny trend, wskazujący na korzystniejszy rozkład natężenia oświetlenia. 3. WNIOSKI Założenia metody obliczeniowej opartej na najnowszym raporcie Międzynarodowej Komisji Oświetleniowej CIE [1] wykorzystywane są również w pracy sztucznych symulatorów nieboskłonu oraz w programach komputerowych. Zaprezentowano wyniki modelowania natężenia oświetlenia w przedstawionym pomieszczeniu referencyjnym za pomocą programu DIALux. W obliczeniach oświetlenia danego wnętrza uwzględniono ruch dobowy oraz roczny Słońca po nieboskłonie przy użyciu trzech modeli matematycznych światła dziennego, zaimplementowanych w oprogramowaniu, które wg. raportu CIE TC 3-51, klasyfikowane są jako modele 1, 10 oraz 12. Symulowany rozkład natężenia oświetlenia w pomieszczeniu lekcyjnym, wskazuje na silną zależność wpadającego do wnętrza strumienia świetlnego, zależność od kierunku zorientowania okien, miesiąca w roku (wysokości Słońca na niebie) oraz stopnia przejrzystości nieba. Wyniki potwierdzają duże korzyści umieszczania okien od strony południowej, by maksymalizować energię świetlną wprowadzaną do wnętrza budynku. Natomiast częściowe zachmurzenie nieba nie musi zmniejszać ilości światła słonecznego na powierzchni poziomej, lecz pozwala na uzyskanie podobnej efektywności energetycznej, co niebo bezchmurne. Według obliczeń, równomierność oświetlenia światłem dziennym na powierzchni roboczej, przy zastosowaniu wyłącznie światła dziennego nie spełnia normy PN-EN :2012. Pora dnia, dzień w roku oraz orientacja budynku ma również wpływ na równomierność oświetlenia, lecz w celu określenia konkretnego wpływu tych czynników, konieczne są dodatkowe, dokładniejsze badania niż dokonane w programie DIALux. Praca zrealizowana z funduszu dydaktycznego Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej LITERATURA [1] CIE Standard General Sky Guide : Technical Report, [2] Kensek Karen, Suk Jae Young: Daylight Factor (overcast sky) versus Daylight Availability (clear sky) in Computer-based Daylighting Simulations, Journal of Creative Sustainable Architecture & Built Environment, CSABE Vol. 1, November, 2011.

11 Modelowanie natężenia oświetlenia dziennego w programie DIALux 335 [3] Darula Stanislav, Kittler Richard: CIE General Sky Standard Defining Luminace Distributions, Institute of Construction and Architecture, Slovak Academy of Sciences. [4] Kittler Richard, Darula Stanislav: The simultaneous occurrence and relationship of sunlight and skylight under ISO/CIE standard sky types, LIGHTING RESEARCH AND TECHNOLOGY JUNE [5] Lun Thang Ho: A Study of Standard Skies Classification, City University of Hong Kong, December [6] Tregenza, P.R. and Waters, I.M: Daylight coefficients, Lighting Research & Technology 15(2), 1983, MODELS ILLUMINACE DISTRIBUTION IN DIALux The International Commission on Illumination CIE for the purpose of calculating the lighting of buildings daylight has introduced 15 types of sky. This article, based on the information provided in the CIE report shows the simulation of a public building in the "Dialux". The simulation shows the possibility of using daylight to illuminate rooms of different orientation, with windows facing the north, south, east and west. The analysis includes the annual distribution of daylight intensity, as in temperate climatic zone height was also carried out daily analysis of illumination for the three different types of sky. This article shows the possibilities to adapt building geometry and especially its geographical focus for effective use of daylight. (Received: , revised: )