Проектирование фасадной панели, движущейся за солнцем Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Проектирование фасадной панели, движущейся за солнцем

Грузков Александр Артурович;

студент, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений, Дальневосточный федеральный университет, [email protected]

Матвиенко Вероника Дмитриевна;

студент, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений, Дальневосточный федеральный университет; [email protected]

Харламова Полина Андреевна;

студент, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений, Дальневосточный федеральный университет; [email protected]

Описана проблема глобального потепления и рассмотрен один из методов уменьшения влияния факторов, являющихся основой данного процесса. А именно развитие и внедрение альтернативных источников энергии в повседневную жизнь на примере использования солнечных батарей, которые помогают уменьшить количество углекислого газа в атмосфере. Предложено использовать солнечные батареи в фасадных панелях. Разработан алгоритм проектирования движущихся фасадных панелей с солнечными батареями в программном комплексе для автоматизированного проектирования Revit с применением платформы визуального программирования Dynamo. Определены оптимальные размер и форма панелей. Проанализирована целесообразность применения данных панелей.

Наглядно показаны преимущества использования параметрики - с помощью логических операций происходит связь геометрии с необходимым параметром, что позволяет менять геометрию формы объекта, изменяя входные параметры, что, в свою очередь, облегчает проектную деятельность. Ключевые слова: параметрика, параметрическое проектирование, солнечные батареи, движущаяся фасадная панель.

Со времен промышленной революции развитие цивилизации сопровождалось стремительным развитием машин и механизмов, параллельно которому происходило увеличение потребляемой ими энергии. Классическим источником энергии является ископаемое топливо. Но такая энергия вырабатывается с выделением вредных веществ. В частности, выделяется колоссальное количество углекислого газа, что является главной причиной глобального потепления. Поэтому на данный момент остро стоит проблема поиска альтернативных источников энергии. Одним из направлений в альтернативной энергетике является гелиоэнергетика, то есть получение электрической или тепловой энергии за счет энергии солнца.

Сейчас технологии, которые потребляют солнечную энергию, развиваются с большой скоростью. К таким технологиям относятся приспособления для генерирования фотоэлектричества - солнечные батареи, которые являются объединениями фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) - полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

В строительстве применить данную технологию можно в виде фасадных панелей с солнечными батареями. Такая конструкция уже реализована. Но она не использует весь потенциал солнечной энергии. Для наибольшей эффективности работы солнечных панелей необходимо, чтобы солнечные лучи были направлены перпендикулярно поверхности панели. В таком случае освещенность поверхности солнечных панелей будет максимальной, так как поток солнечной радиации 5гпр,Вт/м2, на поверхность, расположенную под углом р к этому потоку равен:

^гпр — ^гтах • Кат • С0^>Р, (1)

где Srmax - количество радиации, которое поступает от Солнца на Землю. Эта величина является константой, равной 1325Вт/м2,

Кат - коэффициент поправки на воздушную массу, которую необходимо пройти лучу,

в - приведенный угол падения солнечных лучей на поверхность инсоляции.

Для этого необходимо, чтобы система контроля максимума освещенности в течение дня периодически изменяла положение солнечных панелей для сохранения прямого угла между направлением лучей и его плоскостью.

Поэтому создав панель способную двигаться за Солнцем, можно получить следующий прирост вырабатываемой мощности:

- на южном фасаде - до 10%;

- на восточном и западном фасадах - до 17%.

X X

о

го А с.

X

го m

о

м о

to

о

es

О Ш

m

X

Проектирование фасадной панели в программном комплексе для автоматизированного проектирования Revit

1) Габариты и форма

Одним из главных из современных трендов в архитектуре является бионика, которая подразумевает использование сложных криволинейных форм. Поэтому панель запроектирована в виде равностороннего треугольника, потому что такая форма позволяет повторить любую криволинейную поверхность.

Размер стороны треугольника - 3 м. Масса вычислена пропорционально солнечной панели КСМ-190 и равна 179,3 кг.

Проектируются панели двух типов - с двумя подвижными вершинами и с одной подвижной вершиной.

За подъем вершин отвечают телескопические подъемники с сечением в виде трубы. Размеры сечений были подобраны в программно-вычислительном комплексе SCAD. Нагрузки собраны согласно СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Результаты подбора сечений приведены в таблице 1.

Таблица 1

Расчетная схема и подобранные сечения

Расчетна я схема

№

элемента

Марка стали

Сечение

09Г2С

ГОСТ 8732-78 95x3.5 ГОСТ 8732-78 25x2.5

3-5

09Г2С

г) назначаем размер горизонтальной сетки L =

д) ставим две точки в вершины 2, 3 и задаем им смещение 1_. Затем соединяем базовые точки с соответствующими им смещенными точками;

е) ставим точки на этих прямых и задаем им нормализованный параметр кривой равный ph_NCP =

где ph = ^L2c-(

C = ^+f ,

Lc = L • (1 — NCP),

NCP = 1 — cos(ugol) - normal curve parameter - нормализованный параметр кривой - параметр, отвечающий за подъем панели,

ugol - угол подъема панели;

ж) соединяем точки 2 и 3. Ставим в середину отрезка точку и соединяем ее с вершиной 1. На полученную прямую ставим точку и задаем ей нормализованный параметр кривой равный NCP;

з) соединяем NCP с точками ph_NCP;

и) создаем формой панель и телескопические стойки.

Рисунок 1 - Модель фасадной панели

3) Построение стены

Для примера возьмем стену с небольшим радиусом кривизны, ориентированную на восток. Для этого создадим формообразующий элемент и разделим его на прямоугольники, в узлы которых будут вставлены фасадные панели.

4) Создание скрипта в платформе визуального программирования Dynamo, которая идет в дополнение к Revit

а) Необходимо указать расположение каждой панели на стене и подогнать масштаб точек модели;

3

<

m о х

X

2) Создание модели

а) Создаем семейство в шаблоне адаптивная типовая модель;

б) в свойствах сетки назначаем тип - треугольники плоские;

в) задаем параметр а, который будет являться основанием треугольника;

2

Рисунок 2 - Ноды для нахождения координат узлов панелей

Подгонка по масштабу

Geometry.Scale

geometry > Geometry

amount > «по

Number

1.000 3

ReferencePoint. By Point

pt

ReferencePoint

АШО

Рисунок 3 - Ноды для масштабирования точек модели

б) необходимо из трех точек панели оставить одну, для того чтобы построить вектор нормальный к плоскости панели;

Одна точка на панель

I 0.000 > F^f**

иаЛ;

3-000 > I---

List.SIke

ИМ > items

пал >

епй >

яер >

MJTO

List .Flatten

-< list > var(]..D

< amt >

AUTO

Рисунок 4 - Ноды для выбора одной точки из трех

160.000

Рисунок 5 - Ноды для построения нормали к панелям

в) привязываем параметры солнца из модели к скрипту. Строим вектор по направлению солнца к точкам панелей;

Рисунок 6 - Ноды для нахождения параметров Солнца

Рисунок 7 - Ноды для построения вектора от панели к Солнцу

г) находим углы между векторами солнца и нормалей к панелям;

X X

о

го А с.

X

го m

о

м о

to

Угол между вектором нормали панели и вектором Солнца

Vector_Angl е With Vector

vector > otherVector > double

ALTO

Watch

> >

List 61.7822948186776

НЯ 62.2225S32O030S3

Ш 61.4497981706843

H 61.2î70337188062

Mi 61.1153182166625 1

■■ 61.1153181868418

Ш 61.227833629526

M 61.4497980224743

61.7822946124884

" 9 62,2225879376702

ie 61.4497981706842

1 il 61.227033718806

IX 61.1153182166625

13 61.1153181868429

14 1 61.227033629526

IS 61.4497980224746

1С ft1

| LJ .LI {SOI

о

сч

О Ш

m

X

3

<

m о х

X

Рисунок 9 - Ноды для наложения условий на допустимый угол подъема панели

е) угол наклона будет равен углу между векторами солнца и нормалей к панелям.

Рисунок 8 - Ноды для нахождения угла между векторами солнца и нормалей панелей

д) задаем условия. Для Владивостока высота солнцестояния над горизонтом в день летнего солнцестояния равна 70°, зимнего - 23,5°. Следовательно, угол наклона панели должен находиться в этих же пределах;

Рисунок 10 - Ноды назначения панелям найденных параметров

Таблица 2

Положение фасадных панелей в зависимости от времени

Время

Положен

ие панелей

9:30

11:30

13:00

С помощью данного скрипта были запроектированы фасадные панели, которые будут вырабатывать значительную часть электроэнергии, потребляемой зданием или сооружением. Применение данного типа панелей может увеличить количество вырабатываемой электроэнергии на 17%.

Итак, был рассмотрен процесс проектирования фасадной панели. Наглядно показано, как современные технологии, а именно применение параметрического проектирования, могут ускорить работу архитектора и инженера. Не менее важен тот факт, что данный скрипт может быть применен и для других типов панелей путем незначительных изменений. Это является одним из самых важных аспектов параметрики - строится не просто сама модель объекта, а логика его построения.

Литература

1 СП 20.13330.2016 (Актуализированная версия СНиП 2.01.07-85*). Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования. - М.: Минрегион России, 2016.

2 Попель О.С., Фрид С.Е., Альварес Г.М. К расчету поступления солнечной радиации на земную поверхность // Гелиотехника-1986.- №1-С.56.

3 Deger [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.degerenergie.de/en/index.html

4 Солар [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://solarb.ru/solnechnye-batarei-na-povorotnykh-modulyakh

Designing a facade panel moving behind the sun Gruzkov A.A., Matvienko V.D., Kharlamova P.A.

Far Eastern Federal University

The problem of global warming is described and one of the methods of reducing the influence of factors that are the basis of this process is considered. Namely, the development and introduction of alternative energy sources in everyday life on the example of the use of solar panels, which help to reduce the amount of carbon dioxide in the atmosphere. It is proposed to use solar panels in the facade panels. The algorithm of design of moving facade panels with solar batteries in the software complex for computer-aided design Revit with the use of visual programming platform Dynamo is developed. The optimal size and shape of the panels are determined. The expediency of using these panels is analyzed.

The advantages of using parametrics are clearly shown - with the help of logical operations, the geometry is connected with the necessary parameter, which allows you to change the geometry of the object shape by changing the input parameters, which, in turn, facilitates the design activity. Keywords: parametrics, parametrical design, solar panel, moving

facade panel. References

1 SP 20.13330.2016 (Updated version of SNiP 2.01.07-85 *). Loads

and impacts. Design Standards. - M.: Ministry of Regional Development of Russia, 2016.

2 Popel O.S., Frid S.E., Alvarez G.M. To the calculation of the arrival

of solar radiation on the earth's surface // Heliotekhnika -1986.- No. 1 - P.56.

3 Deger [Electronic resource] - Access mode: http://www.degerenergie.de/en/index.html

4 Solar [Electronic resource] - Access mode: http://solarb.ru/solnechnye-batarei-na-povorotnykh-modulyakh

X X О го А С.

X

го m

о

м о

to