Освещение помещений за счет моделирования прямого и отраженного солнечного света

Автор: | 20.05.2018

Обзор моделирования прямого и отраженного солнечного света, образования многозвенных потоков лучей и управления ими для энергосбережения в строительстве и архитектуре.

моделирования прямого и отраженного светаЭнергосбережение в строительстве и архитектуре связанно с качественным использованием световой и тепловой солнечной энергии, и минимизацией энергозатрат для солнцезащиты и созданием комфортной тепловой и световой  среды в зданиях. Существенной составляющей подачи световой энергии является прямой солнечный свет, имеет переменный характер во времени как по вектору направления лучей, так и по суточной продолжительности. Поэтому имеет практическое значение моделирования с учетом этого прямого, отраженного и преломленного света, возможность создания многозвенных потоков света, и управления ими, разработка приемов концентрации.

Ключевой моделью является модель поступления прямых солнечных лучей, которая отображает его изменчивость исходя из положения Земли на орбите в заданные сутки, в течение суток и в зависимости от широты местонахождения объекта.моделирования прямого и отраженного света
Моделирование прямого солнечного освещения в каждые сутки года выполнено при помощи направляющего конуса, каждая образующая которого определяется направлением параллельных солнечных лучей в заданный момент времени. С допустимым приближением его можно получить, если считать линию орбиты Земли кругом, движение  по орбите нашей планеты равномерным, а к каждой эпохи отнести одну точку на орбите, поделив ее на 365 равных дуг. Тогда каждой такой точке будет отвечать в заданные сутки единственное направление на Солнце.

При рассмотрении движения Солнца относительно Земли возникает прямой круговой конус с вершинной как результат вращения направления на Солнце вокруг оси вращения Земли. Форма конуса зависит от угла между осью и образующей.
Разделение конуса на дневную и ночную часть для любой широты происходит с помощью плоскости горизонта, составляет угол с осью конуса.

Световой лучСоздание цепочек прямых, отраженных и преломленных лучей выполняется на основе объединения волновой и лучевой трактовки распространения колебаний. При распространении колебаний в плоскости фронта падающей и отраженной волны в каждый момент являются ветками огибающей однопараметрической множены кругов, имеющих центры на отражающей линии.
При этом падающие и отраженные лучи соединяют центр каждого круга с соответствующими точками прикосновения к нему линий фронтов волн. При пространственной картине отражение от поверхности фронта волн является ветками огибающей  двухпараметрической множены сфер поверхности с центрами на поверхности отражения, а лучи соединяют центры сфер с соответствующими точками их прикосновения к фронтам волн.

В случае преломления каждая точка преломляющей линии или поверхности является центром двух кругов или сфер, отношение радиусов которых равна коэффициенту преломления. Таким образом, образуются два множества кругов, каждый из которых ограничен линиями или поверхностями ниспадающей имоделирования прямого и отраженного света преломленной волны.
Момент преломления может иметь место при использовании оптических систем. При моделировании потоков лучей солнца, падающие лучи считаются параллельными. Поэтому, фронтами падающих волн являются прямые или плоскости.
За счет отражающей линии или поверхности можно концентрировать или рассеивать свет. Если отражающей будет прямая или плоскость, то отраженные лучи  солнца также параллельные и имеют фронт волн в виде прямой или плоскости. В этом случае модель отраженных лучей в течение суток имеет направляющий конус, зеркально направляющий конусы падающих лучей.

Световой колодецПоследовательными отражениями для задач гелиоосвещения можно транспортировать солнечный свет во внутренние объемы помещений. При этом можно так задать траекторию потока, чтобы последний направляющий конус отраженных лучей занял такое же положение, как и направляющий конус падающих лучей. Это дает возможность воссоздать в помещении внешнюю картину солнечного освещения.
При получении в звеньях потока параллельных отраженных лучей можно выбирать их направления.
При этом возникают следующие три случая, которые рассмотрены на примере первого звена: отраженные лучи параллельные оси направляющего конуса падающих лучей, параллельные какой-либо прямой в полуденной плоскости, параллельные произвольной прямой. В каждый момент направляющий падающий луч (образующая направляющего конуса) вместе с заданным направлением, проведенным через вершину конуса, задают плоскость, в которой находится отраженный луч. Отражающая плоскость  будет перпендикулярна этой плоскости и является биссектрисой относительно падающего и отраженного луча.Световые шахты

В первом случае при отражении, параллельном оси конуса, отраженный поток лучей вдоль кругов параллелей направляющего конуса расслаивается на круговые цилиндрические поверхности. В других случаях цилиндрические поверхности является эллиптическими, потому что круги параллелей лежат в плоскости, не перпендикулярных направления отражения. Это означает, что происходит сжатие потока на величину разницы малой и большой осей основ эллиптических поверхностей. За счет таких сжатий можно добиться увеличения концентрации потоков параллельных лучей.
Световые шахтыРезультат сжатия в каком-либо звене аналогичен рассмотренному для первого звена, если предыдущий направляющий конус отраженных лучей считать конус падающих.
Описанное моделирования потоков с учетом особенностей решений может использоваться для гелиоосвещения внутренних объемов крупных зданий через различные типы световодов, световые колодцы, открытые световые впадины, отверстия-иллюминаторы, световые шахты и тому подобное.
В гелиотехнике важную роль играет концентрация солнечной энергии. Кроме упомянутого выше предложения по сжатию потоков параллельных лучей можно добавить возможность использования торсовых поверхностей.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *