CC BY
14УДК 628.92
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВЕТОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ ДЛЯ ВЬЕТНАМА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОБЪЕКТОВ СТРОИТЕЛЬСТВА
Фыонг Н.Т.Х. ^Соловьёв А.К.2
Институт Строительства и Архитектуры (ИСА), ФГБОУ ВО НИУ МГСУ 129337, г. Москва, ул. Ярославское Шоссе, 26, e-mail: 1 phuongntk@nuce.edu.vn, 2 kafedraarxitektury@yandex.ru
Аннотация. В светотехнических исследованиях и в анализе проектирования естественной освещения зданий и сооружений необходимо изучить световой климат местности. Горизонтальная освещенность является важным показателем, который показывает ресурсы светового климата каждого региона. Тщательное рассмотрение данных о светому климату позволяет рассчитать графики изменения диффузной и суммарной освещенности для любой местности, уточнить светоклиматические коэффициенты и перейти к территориальным нормам естественного освещения на современном уровне. Данные измерений горизонтальной освещенности во Вьетнаме не доступны. Поэтому расчет определения освещенности под открытым небом от солнечной радиации по световым эквивалентам с использованием значений световой эффективности солнечной радиации широко применяется в настоящее время. В статье предлагаются две модели определения световой эффективности для Ханоя и Хошимина. В результате показывается разница значений хода диффузной горизонтальной освещенности, рассчитаны по моделям Зан Н.Ш., Perez и др. Обзор некоторых работ определения световой эффективности в Малайзии и Австрии показывает погрешность расчетных моделей. При этом, натурное измерение горизонтальной естественной освещенности для уточнения значений световой эффективности региона рекомендуется.
Ключевые слова: световая эффективность, световой эквивалент, солнечная радиация, диффузная горизонтальная освещенность, суммарная горизонтальная освещенность.
ВВЕДЕНИЕ
Диффузная горизонтальная освещенность является важным показателем, которая показывает ресурсы светового климата каждого региона. До сих пор, долгосрочные данные натурных измерений горизонтальной освещенности не имеются во Вьетнаме. Данные светового климата получены расчетом по «световой эффективности солнечной радиации» по данным солнечной радиации, которые получаются от спутника. Для предложения методики, позволяет разработать графики изменения диффузной горизонтальной освещенности всех городов Вьетнама, перейти к территориальным нормам естественного освещения, наилучшая модель расчета световой эффективности необходимо выбрана.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ, МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДОВ
Модели расчета световой эффективности разработаны разными авторами: Littlefair [1] предложил диффузную световую эффективность как интерполяцию между пасмурным небом и ясным небом используя яркость неба в качестве индикатора. Используя модель Littlefair, Chung T.A. [2] и Robledo et al. [3, 4] разработали модель расчета световой эффективности для пасмурного неба и промежуточных типов неба, использует высоту солнца в качестве независимой переменной величины. Aydinli и Krochmann [5] представляли полиномиальные отношения разной степени с использованием высоты солнца как единственной независимой входящей переменной для световой эффективности солнечной радиации.
По некоторым рекомендациям, световой эффективности (K) находится между 93 и 115 лм/Вт [6]. Среднее значение по рекомендации автора Muneer [7] - 104 лм/Вт, которое рассчитано на основе моделей, разработанных авторами Navvab et al. [8].
Пример работы исследования авторов A.Zain-Ahmed и др. [9] опубликована в 2002, модели расчета световой эффективности Perez al et. [10] использована для моделирования наружной естественной освещенности в тропическом небе Малайзии. Значения световых эквивалентов для диффузной и суммарной освещенности соответственно KD = 120 лм/Вт, KG = 112 лм/Вт для города Шубанг (3,060 с.ш). Максимальные значения суммарной горизонтальной освещенности превышаются 80000 лк и 60.000 лк в весеннем и зимнем месяцах (в марте и декабре). Проверка была приведена: набор показателей радиации солнца и был измерен в городе Банги (4,340 с.ш) 7 сентября 1999 года с пятиминутными интервалами для получения средней суммарной световой
эффективности. Значение Kq было равно 133 ± 2% лм/Вт для города Банги, соответственно суммарная горизонтальная освещенность по измерению E q превышается 140.000 лк. Для города Shah Alam (3,070 с.ш) эти значения соответственно равны 119 ± 2% лм/Вт и 100000 лк.
Предлагать модели определения световой эффективности с повышением точности для расчета горизонтальной освещенности в настоящее время становится всё более актуально, так как качество данных об освещенности играет большую роль в процессе информационного моделирования здания. Sokol Dervishi и Ardeshire Mahdavi (2012) [11] провели сравнение и дали оценку нескольких моделей расчета диффузной световой эффективности на основе базы данных измеренных диффузных освещенностей и диффузных радиации Солнца в городе Вена (Австрия). Семь расчетных моделей световой эффективности были выбраны для измерения данных о диффузной радиации солнца и о диффузной горизонтальной освещенности. Они приведены регулярно через каждые 15 минут для 145 типов неба, охватывающих различные условия неба, от солнечного, до облачного и пасмурного с 1 августа 2010 г. до 20 июля 2011 г. Данные измерений при высоте солнца меньше 5 градусов были исключены. Результаты исследования показывают: все модели предоставляют данные, которые значительно отличаются от измерений. Самая простая модель, которая показывается по выражению (1), применяет только средние (постоянные) значения диффузной световой эффективности KD дает результаты значительно лучшие, чем другие - более детализированные модели [11]. Модель Perez et al. широко используется в мире, показывает недостаточную точность по сравнению с данными измерений.
F
= Q (1)
где Ed - данные измерений диффузной горизонтальной освещенности, Клк и QD - диффузная горизонтальная радиация, Вт.
ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью статьи является определение световой эффективности солнечной радиации при разработке хода диффузной освещенности для Вьетнама. Для достижения данной цели поставлены следующие задачи: рассмотрение некоторых исследовательских работ о световом климате; анализ различных моделей расчетов световой эффективности: выбраны модель Perez, которая широко использована в мире и модель Зан Н.Ш. широко используемая во Вьетнаме.
ОСНОВНОЙ РАЗДЕЛ
В данном исследовании, модели Зан Н.Ш. и Perez выбраны для определения диффузной световой эффективности при разработке хода диффузной горизонтальной освещенности. Сравнительный анализ результатов хода диффузной горизонтальной освещенности в Ханое и Хошимине показывает разнищу между двумя модеами расчета.
При расчете, данные о солнечных радиациях выбраны из ASHRAE IWEC21 - «White Box Technologies, weather data for energy calculations» [12]. При преобразовании необработанной интегрированной почасовой базы данных по поверхности (ISD)2 в локальное время, программное обеспечение заполняет или уменьшает данные до почасовых временных шагов и вычисляет солнечное излучение. Данные по погоде светового климата Хошимина получены в течении двенадцати лет, с 2005 г. до конца 2017 г. и являются типичными данными. Выбор этих типичных месяцев, основан не только на средних, но и на статистических распределениях по месяцам различных климатических параметров по записям долгосрочных многолетних наблюдений. Наиболее широко используемый метод выбора типичных месяцев был разработан Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии NREL для создания первых файлов типичного метеорологического года TMY в начале 1980-х годов. Главными параметрами в процедуре выбора TMY является статистика Finkelstein-Schafer (FS), которая определяется мерой общей разницы между распределением месяца кандидата и долгосрочным распределением в одни и те же
1 Временные файлы ASHRAE IWEC2 были разработаны для ASHRAE компанией White Box Technologies, Inc. и основаны на данных интегрированной почасовой базы по поверхности ISD за 3,012 местоположения за пределами США и Канады, которые имеют не менее 12 лет записи до 25 лет. Data Sourse: http://weather.whiteboxtechnologies.com/IWEC2
2 Integrated Surface Hourly Database
календарные месяцы за период записи. Статистика FS оценивается по различным климатическим параметрам, которым затем присваиваются весовые коэффициенты, а затем они суммируются. Месяц с наименьшим FS считается самым представительным «типичным месяцем».
Расчет по модели 1 (авторы модели Зан Н.Ш. и др.) [13]: модель выбрана для определения суточного хода диффузной освещенности Вьетнама на основе определения световой эффективности по разным высотам солнца.
Высота Солнца на небосводе рассчитана по формулам (2) и (3):
Ь0 = агс8т{8т 5^пф + со85.со8ф.со8[150(12-Т)]}, градусов (2)
О/Г /Л "ЗАП
5 = 23,458т[-(а- 81)] или 5 = 23,458т[-(284 + а)], градусов (3)
365 365
где: d - порядковый номер дня в году, считая от 1 января;
Ь0 - высота солнца, градусов;
5 - наклон солнца в любой день года, градусов;
Т - время в часах, например, 16ч15м = 16,25 ч;
ф - географическая широта (южная - со знаком минус);
Световая эффективность солнечной радиации рассчитывается по формулам:
Кв = 0,1.Ь0 + 67, Клк/Кал.см-2.мин-1, лм/Вт (4)
Значения диффузной освещенности получаются умножением данных о солнечной диффузной радиации на KD. То есть логично по выражениям (1). По этой модели, значение световой эффективности KD для Вьетнама приблизительно 72 (Клк/кал.см~2'м_1) или 103 (лм/Вт).
Расчет по модели 2 (авторы модели Perez и др.) [10, 12]: значения «функции ясности неба» (s), высоты солнца (Z), атмосферной конденсации водяного пара (W), и индекса яркости неба (А) использованы в формуле (5). В результате расчетов, выполненных на ЭВМ по специально разработанной программе, были получены значения хода горизонтальной диффузной освещенности для городов Ханоя и Хошимина. Аналогичные значения световой эффективности KD для Ханоя и Хошимина соответственно равны 122 и 115 (лм/Вт).
К = а, + Ь^ +с,со82 + а,1п(А), лм/Вт (5)
Разработка хода диффузной освещенности по модели 1 и 2 для Ханоя и Хошимина приведены в таблицах 1 и 2. Графики хода диффузной освещенности для Ханоя изображенны на рисунке 1, для Хошимина изображены на рисунке 2.
Таблица 1.
Суточный ход диффузной освещенности Ханоя в Клк, модель1/модель 2
Месяцы I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
6 0,2/ 0.3 0,7/ 0,9 0,9/ 1,0 0,6/ 0,8 0,4/ 0.6 0,1/ 0,1
7 0,4/ 0,6 1,0/ 1,2 0,9/ 1,2 3,2/ 4,7 7,3/ 9,4 7,2/ 8,9 6,1/ 8,1 4,2/ 5,7 4,4/ 5,6 2,2/ 3,4 1,4/ 1,8 0,3/ 0,4
8 4,8/ 6,0 7,9/ 8,9 9,7/ 13,2 13,5/ 17,5 17,7/ 20,7 16,2/ 20,1 15,0/ 18,9 14,5/ 18,2 14,2/ 16,8 12,3/ 14,9 9,3/ 11,6 6,6/ 8,1
Часы суток, 9 12,3/ 15,2 15,6/ 18,8 18,2/ 23,3 23,6/ 28,4 27,4/ 31,2 24,4/ 29,1 24,1/ 29 23,6/ 28,5 23,6/ 27,6 21,3/ 25,3 17,7/ 21,4 15/ 17,6
ч. 10 18,6/ 23,8 23,1/ 28,2 27,7/ 32,5 26,1/ 31,6 34,8/ 39,4 33,8/ 37,9 32,1/ 36,5 31,2/ 36,2 32,0/ 36,8 28,2/ 32,3 24,6/ 29,2 21,1/ 25,3
11 23,8/ 29,2 28,7/ 34,4 32,3/ 37,9 37,5/ 42,2 39,8/ 44,3 39,6/ 43,9 39,3/ 43,8 38/ 42,5 37,4/ 42,2 33,4/ 37,8 29,9/ 34,3 26,4/ 30,8
12 28,3/ 33,8 33,5/ 38,9 35,8/ 41 40,5/ 44,9 42,5/ 46,4 44,6/ 48,3 42,3/ 45,9 41,1/ 45,2 39,3/ 43,7 35,2/ 39,8 32,0/ 36,2 29/ 33,6
13 29,3/ 30,1/ 36,6/ 38,5/ 43,1/ 45,2/ 42,0/ 39/ 39,1/ 33,6/ 30,9/ 27,8/
34,7 35,5 41,9 43,1 47,6 49,5 46,4 43,4 43,6 38,4 35,2 32,5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
27,3/ 29,7/ 33,1/ 38,8/ 39,6/ 41,6/ 38,3/ 36,6/ 35,8/ 31,6/ 28,2/ 24,8/
32,0 35,4 38,7 44,2 44,6 46,6 43,5 41,8 40,6 36,1 32 29,1
21,9/ 22,4/ 27,3/ 31,9/ 33,1/ 34,5/ 32,8/ 31,9/ 29,0/ 24,8/ 21,8/ 20,1/
26,1 27,5 32,6 37,3 38,2 39,7 38,1 37 33,5 28,9 25 23,9
13,0/ 15,6/ 19,8/ 22,2/ 24,6/ 25,8/ 23,4/ 20,9/ 20,0/ 14,4/ 13,4/ 12,1/
17,0 19,4 24,9 27,3 29,2 30,5 27,8 26,3 23,6 17,8 15,6 14,6
6,3/ 9,4/ 11,0/ 14,5/ 14,9/ 15,5/ 15,1/ 12,7/ 11,1/ 6,5/ 4,7/ 4,6/
7,8 11,9 14,8 17 18,4 19,8 18,8 17,1 13,7 7,9 5,8 5,6
0,5/ 2,5/ 3,3/ 4,4/ 5,4/ 6,2/ 6,9/ 4,5/ 2,4/ 0,4/ 0,1/ 0,2/
0,6 3,2 4,5 5.6 6,9 8,2 8,5 6,0 3,1 0,6 0,1 0,2
0,1/ 0,5/ 0,6/ 0,8/ 0,5/
0,1 0,6 0,7 1,0 0,7
Рис. 1. Графики хода естественной диффузной освещенности для Ханоя - 21,030 с.ш: (а) по расчету
модели 1 и (б) по расчету модели 2
Таблица 2.
Суточный ход диффузной освещенности Хошимина в Клк, модель 1/модель 2
Месяцы I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Часы суток, ч. 6 0,2/ 0,2 0,8/ 1 0,8/ 0,9 0,3/ 0,4 0,1/ 0,1 0,1/ 0,2 0,1/ 0,2
7 1,8/ 2,1 1,6/ 1,8 4,0/ 4,5 6,4/ 7,2 7,9/ 8,9 7,4/ 8,4 6,2/ 7 6,0/ 6,7 6,1/ 6,9 6,3/ 7,1 5,2/ 5,9 3,1/ 3,5
8 9,9/ 11 11,4/ 12,6 14,0/ 15,5 15,8/ 17,6 17,3/ 19,2 16,6/ 18,4 15,9/ 17,6 15,9/ 17,6 16,1/ 18,2 16,9/ 19,4 14,5/ 16,6 11,8/ 13,2
9 18,6/ 20,7 19,6/ 21,8 22,8/ 25,3 23,7/ 26,5 26,1/ 29 25,4/ 28,4 25,6/ 28,1 25,4/ 28,1 26,1/ 29,1 26,8/ 30,1 23,3/ 26,1 20,6/ 22,9
10 26,1/ 29,1 25,5/ 28,6 29,3/ 32,6 29,6/ 33,1 32,1/ 35,8 32,4/ 35,9 33,7/ 37,3 33,8/ 37,3 34,6/ 38,3 34,6/ 38,4 31,3/ 34,8 27,9/ 31,4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
11 31,2/ 34,7 29,2/ 32,8 33,0/ 36,8 33,2/ 37 35,8/ 39,6 36,2/ 40 38,0/ 42,7 38,9/ 42,7 40,5/ 44,5 39,6/ 43,7 35,4/ 39,3 33,0/ 36,7
12 34,0/ 38 30,5/ 34,4 34,7/ 38,6 35,1/ 38,7 38,2/ 42 38,2/ 42,1 40,6/ 45 41,4/ 45 41,7/ 45,6 42,0/ 46,2 37,6/ 41,8 35,0/ 39
13 34,5/ 38,7 30,5/ 34,7 34,6/ 38,9 35,0/ 39,2 38,3/ 42,5 37,8/ 42 40,0/ 45,4 41,1/ 45,4 41,2/ 45,5 39,3/ 43,7 37,1/ 41,2 34,2/ 38,2
14 31,3/ 35,3 29,1/ 33,2 32,6/ 37 33,2/ 37,5 34,6/ 38,8 34,0/ 38,2 36,6/ 42 37,6/ 42 37,0/ 41,5 35,5/ 39,7 33,1/ 36,9 31,2/ 35
15 26,1/ 29,6 26,1/ 29,9 28,8/ 32,8 29,0/ 32,9 28,8/ 32,5 29,1/ 32,9 32,2/ 36,1 32,1/ 36,1 31,3/ 35,6 28,6/ 32,3 26,7/ 30 25,3/ 28,4
16 19,0/ 21,6 20,7/ 23,7 22,8/ 25,9 22,7/ 25,7 21,8/ 24,7 22,7/ 25,6 24,2/ 27,8 24,4/ 27,5 22,1/ 25,2 19,0/ 21,6 17,2/ 19,3 17,3/ 19,4
17 10,3/ 11,7 13,2/ 15 13,9/ 15,8 14,2/ 15,1 13,0/ 14,7 13,9/ 15,7 15,2/ 17,3 14,2/ 16,1 11,6/ 13,7 8,9/ 10,3 7,2/ 8,2 8,2/ 9,2
18 1,8/ 2,1 4,1/ 4,7 4,4/ 5,1 4,5/ 5,1 4,2/ 5,0 5,2/ 5,9 5,6/ 6,5 4,7/ 5,4 2,4/ 2,8 1,3/ 1,5 0,7/ 0,9 1,2/ 1,4
19 0,1/ 0,1 0,2/ 0,2
Рис. 2. Диаграммы хода естественной диффузной освещенности для Хошимина -10.820 с.ш: (а) по расчету
модели 1 и (б) по расчету модели 2
По сравнительному анализу результатов расчета диффузной освещенности для Ханоя и Хошимина, видно, что расчет по модели Perez и др. дает результаты выше чем расчет по модели Зан Н.Ш. Разницу по максимальным значениям диффузной освещенности в весеннем и зимнем месяцах от 4,5 до 6 Клк для города Ханоя и Хошимина - таблица 3.
Таблица 3.
Сравнение значения хода горизонтальной освещенности по моделям расчета 1 и 2 для Ханоя и Хошимина
Вид модели Разница в уровне диффузная освещенности (Клк)
Ханой - 21,03° с.ш Хошимина -10,820 с.ш
Модель 1 29 - 44 30,5 - 41,5
Модель 2 34 - 50 35 - 46
Расхождение расчетных значений 5 - 6 4,5 - 5,5
ВЫВОДЫ
1. При определении световой эффективности для Вьетнама, модель Зан Н.Ш. и др. были выбраны для расчета. Значение диффузной световой эффективности для Ханоя и Хошимина было определенно по модели Зан Н.Ш. равно 103 (лм/Вт); по модели Perez равны 122 и 115 (лм/Вт) соответственно.
2. В разработке диффузной горизонтальной освещенности для Ханоя и Хошимина, модели Зан Н.Ш. и Perez используются. Результаты сравнительного анализа между двумя моделями показывают максимальную диффузную освещённость в весенние и зимние месяцы от 4,5 до 6 Клк.
3. Результаты исследований показывают погрешность между разными теоретическими расчетными моделями при расчете значения световой эффективности. Эта проблема показана в рассмотренных работах по исследованиям расчетов световой эффективности в Вене (Австрия), в Шах Алам, Банги и Шубанге (Малайзия), и по результатам расчета для Ханоя и Хошимине (Вьетнам). В анализе горизонтальной естественной освещенности местности необходимо провести натурное измерение Солнечной радиации и естественной горизонтальной освещенности для уточнения значений световой эффективности. Диффузная радиация солнца и горизонтальной освещенности должны измеряться одновременно в одном месте в летние и зимние дни с разными состояниями неба (безоблачное, облачное). По этим данных проводится анализ для выбора наилучшей модели расчета световой эффективности для Вьетнама.
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Перспективой дальнейших исследований является использование световой эффективности солнечной радиации при расчете светового климата Вьетнама, перейти к территориальным нормам естественного освещения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Littlefair, P. Measurements of the luminous efficacy of daylight// Lighting Research and Technology. - 1988. - V. 20. - Pp. 177-188.
2. Chung, T. A study of luminous efficacy of daylight in Hong Kong// Energy and Buildings. -1992. - V. 19. - Pp. 45-50.
3. Robledo, L., Soler, A. Luminous efficacy of global solar radiation for clear skies // Energy Conversion and Mengagement. - 2000. - V. 41. - Pp. 1769-1779.
4. Robledo, L., Soler, A. On the luminous efficacy of diffuse solar radiation// Energy Convers Management. - 1998. - V. 42. - Pp. 1181-1190.
5. Aydinli, S. and Krochmann, J. Data on daylight and solar radiation: guide on daylight. Draft for CIE TC 4.2 // Commission Internationalde de l'Eclairage. - Paris. - 1983.
6. Littlefair, P. The luminous efficacy of daylight: a review// Lighting Res Tech, - 1985. - V. 17, No. 4. - Pp. 162-182.
7. Muneer, T. Solar irradiance and illuminance models for Japan II. Luminous efficacies// Lighting Res Tech. - 1995. - V. 27, No. 4. - Pp. 223-230.
8. Navvab, M., Karayel, M., Neeman, E., Selkowitz, S. Luminous efficacy of daylight. In: Proc. CIBSE Nat. Light // Conference. - 1988, - 409 p.
9. Zain-Ahmed, A., Sopian, K., Zainol Abidin, Z., Othman, M.Y.H. The availability of daylight from tropical skies- a case study of Malaysia// Renewable Energy. - 2002. - V. 25. - Pp. 21-30.
10. Perez, R., Ineichen, P., Seals, R. Modelling daylight availability and irradiance components from direct and global irradiance// Solar Energy. - 1990. - Pp. 271-289.
11. Dervishi, S., Mahdavi, A. A comparison of luminous efficacy models for the diffuse component of solar radiation// Fourth German-Austrian IBPSA Conference, Berlin. - 2012. - Pp. 117-120.
12. Huang, J. ASHRAE Research Project 1477-RP Development of 3.012 typical year weather files for international locations// White Box Technologies, Moraga CA, Moraga CA. - 2011.
13. Нгуен, З.Ш. Световой климатический справочник местности во Вьетнаме // З.Ш. Нгуен, М.В. Нгуен, Д.Н. Фам. Научно-Техническое Издательство, 1991. - 524 c.
DETERMINATION OF THE LUMINOUS EFFICACY OF SOLAR RADIATION
FOR VIETNAM
Phuong Nguyen Thi Khanh1,Solovyov A.K.2
National Research Moscow State University of Civil Engineering, Moscow
Annotation. The horizontal illuminance is an important indicator that shows the resources of the light climate of each region. Meticulous consideration of the light climate data allows us go to the territorial norms of daylight spaces at the modern level. At present, measurements of horizontal illuminance in Vietnam are not available, therefore, the calculation of the determination horizontal illuminance from solar radiation by luminous equivalent of radiation using the values of the luminous efficacy is widely used. The paper suggests two models for determining the luminous efficacy for Hanoi and Ho Chi Minh. The result is difference of the course diffuse horizontal illumination, calculated from these models. An overview of some works of determining luminous efficacy in Malaysia and Austria shows the error of the computational models. At the same time, the full-scale measurement of horizontal illumination to clarify the values of the region's light efficiency is recommended. Keywords: luminous efficacy, luminous equivalent of radiation, solar radiation, diffuse horizontal illuminance, global horizontal illuminance.
