CC BY
4
УДК 523
Ахметов И.А. студент магистратуры 1 курса
Краснов И.Д. студент магистратуры 1 курса НИУ "Московский государственный строительный университет"
Россия, г. Москва СОЛНЕЧНАЯ ДОСТУПНОСТЬ В ГОРОДАХ
Аннотация: Плотная городская среда обеспечивает сложную среду, где доступ к солнечной энергии и дневного света может стать дефицитным товаром, тем более что здания становятся все более высокими. Это мужественное из-за сложных динамических эффектов затенения, присутствующих на поверхностях зданий. Точная количественная оценка этих эффектов имеет ключевое значение для прогнозирования сокращения солнечной доступности. Это, в свою очередь, может существенно повлиять на дневной свет и тепловые характеристики зданий, а также потенциал для PV и других возобновляемых источников энергии. Поэтому необходимо использовать инструменты моделирования для прогнозирования этих сложных эффектов.
Ключевые слова: солнечная доступность, солнечное излучение, солнечный доступ, моделирование, переосмысление
Akhmetov I.A.
1rdyear master's student National Research Moscow State University Of Civil Engineering
Russia, Moscow Krasnov I.D.
1rdyear master's student National Research Moscow State University Of Civil Engineering
Russia, Moscow
SOLAR AVAILABILITY IN CITIES
Annotation: Dense urban environments provide a complex environment, where solar and daylight availability can become a scarce commodity, especially since buildings become increasingly taller. This is manly due to the complex dynamic overshadowing effects present on building surfaces. Accurately quantifying these effects is key in predicting reductions in solar availability. These in turn, can significantly affect daylight and thermal performance of buildings, as well as potential for PVs and other renewables. It is therefore necessary to use simulation tools to predict these complex effects.
Key Words: Solar availability, Solar radiation, Solar access, Modelling, Overshadowing
Плотная городская среда обеспечивает сложную окружающую среду, где собственное затенение и омрачение смежными зданиями могут
доминировать в потенциале солнечной энергии и доступности дневного света. Это приводит к уменьшению солнечной тепловой нагрузки через окна, а также к сокращению доступности дневного света. Такие среды могут значительно варьироваться от места к месту, в зависимости от их широты, расстояний между зданиями и их высоты. Кроме того, строительные нормы становятся все более жесткими в отношении энергетических характеристик зданий. Особенно в Европе, где директивы ЕС приводят к коренным изменениям конструкции зданий. Правила солнечного доступа и права на свет могут устанавливать определенные ограничения для геометрии сооружения. Поэтому становится необходимым иметь возможность оценить солнечный и дневной потенциал объекта, даже до того, как будет построено здание. Предлагаемые методы обеспечивают это, позволяя оценить солнечный и дневной потенциал для любого сложного городского участка.
В этой статье мы предлагаем новый подход, в котором информация, необходимая разработчику, доступна визуально значимым образом. Представленная информация должна позволить дизайнеру оценить, где лежат желаемые границы. Например, достаточно просто оценить, может ли конкретный участок получить желаемое солнечное излучение, или каковы пределы высоты, ширины и длины для здания, чтобы получать определенное количество излучения, без ущерба для излучения, близлежащих зданий.
Такой подход к вычислению и визуализации солнечной доступности -это подход к проектированию, поскольку его основная цель - информировать наш дизайн. Для достижения этого предлагаются два метода расчета и визуализации желаемых показателей. Первая часть статьи посвящена картированию солнечной радиации и другим метрикам на поверхностях зданий, а вторая часть - расчет полного пространственного изменения солнечной доступности по всему объему участка с использованием сетки.
В обоих предложенных методах существует ряд параметров, которые можно вычислить. Способ разработки методов позволяет хранить и легкодоступно отображать некоторые из этих показателей в одной и той же модели. Прежде всего, доступность солнечной энергии, которая может быть охарактеризована суммой общего солнечного излучения, полученной в течение целого года. Это общее глобальное излучение, которое можно подразделить на его компоненты прямого и рассеянного излучения. Часть собранной солнечной радиации полезна для фотосинтеза в растениях. Другим полезным параметром является доступность дневного света, которая может быть охарактеризована в городских масштабах по факторам дневного света.
НОВЫЙ ПОДХОД
Предлагаемый здесь метод касается этой проблемы и позволяет 3D-интерактивной среде для дизайнеров исследовать с гибкостью наличия нескольких значений, хранящихся для каждой поверхности, чтобы можно было легко проводить сравнения в одной и той же модели.
Для разработки обоих предложенных методов использовалось программное обеспечение для анализа экологического проектирования ECOTECT (Marsh, 1996). Чтобы отобразить солнечную радиацию или любую другую метрику на поверхности, каждая поверхность каждого здания была разделена на более мелкие сегменты. Для каждого сегмента была подсчитана маска затенения для захвата окружающей геометрии и их влияния затухания на эту поверхность. Затем совокупная падающая солнечная радиация, собранная в течение года, рассчитывалась на основе файла погоды для этого местоположения. Собранная солнечная радиация, а также другие показатели могут быть рассчитаны для любого конкретного периода года. Нет никаких ограничений на то, насколько маленькая каждая поверхность может быть, чем меньше она, тем точнее будут результаты. Гибкость системы позволяет хранить несколько разных показателей для одной и той же поверхности. Например, каждая поверхность может содержать значения глобального, прямого и рассеянного излучения в течение целого года, а также уровни дневного света. Это позволяет легко сравнивать различные показатели, а также манипулировать данными для выполнения простых статистических анализов, все в одной модели.
Полезность предоставленной информации может варьироваться от базовых принципов проектирования до дизайнеров о том, как наилучшим образом использовать граничные условия на объекте, чтобы дать приблизительные оценки местным властям о правах доступа к солнечной энергии.
Рисунок 4. Глобальная ежегодная падающая солнечная радиация, нанесенная на южные поверхности.
На рисунке 1 показан пример высоко застроенной площади, содержащей высотные башни, где собранная годовая солнечная радиация была нанесена на поверхность здания. Более светлые тона показывают более высокие значения и более темные тона меньшие значения. Очевидно, что комплексные эффекты затухания, присутствующие на этом месте, приводят к изменению солнечной доступности во всех зданиях, которые зависят от высоты, направления воздействия и местоположения на участке. Гибкость используемого программного обеспечения позволила нам интерактивно панорамировать, увеличивать и поворачивать модель, чтобы получить лучший обзор области, в которой мы были заинтересованы, и таким образом визуально фиксировать изменения в солнечной радиации.
На рисунке 2 мы можем сравнить вариацию глобального радиационного излучения на поверхности, обращенную к северу и западу. Аналогичным образом, мы можем сравнить изменения в прямом или диффузном излучении или другие показатели, просто выбрав для отображения соответствующее значение. Это позволяет нам, например, быстро оценить вклад прямого или диффузного излучения на каждой поверхности. Рисунок 2, ясно показывает, что вклад диффузного излучения в большинстве зданий намного больше, чем прямой на большинстве отображаемых поверхностей.
Рисунок 5. Глобальная, прямая и диффузная годовая падающая солнечная радиация, нанесенная на поверхности, обращенные к северу.
Отображение поверхностей также позволяет отображать другие метрики, а затем солнечную радиацию. В примере, показанном на рисунке 3, мы отобразили потенциал затенения с точки зрения ежегодных затененных часов для каждой поверхности соседних зданий для двух разных схем проектирования. Чтобы получить точное сравнение между двумя схемами, мы вычитали значения, полученные по одной схеме, из другой и все это в пределах одной модели. Таким образом, появившееся изображение может указать, какая схема лучше всего отображала в целом и выделяла области, где одна конструкция выполнялась лучше, чем другая.
Другим способом получения полезной информации является вычисление требуемых показателей по конкретным поверхностям, а не по всему зданию. Таким образом, может быть достигнута значительная экономия времени, и можно выполнить быструю оценку до того, как будет выполнен полный запуск для всех поверхностей. Гибкость используемого программного обеспечения позволила использовать другие специализированные программные средства моделирования, такие как RADIANCE, для выполнения конкретных вычислений. В случае, представленном на рисунке 4, были отобраны поверхности на пяти уровнях и с использованием RADIANCE были вычислены вертикальные коэффициенты дневного света, а затем импортированы обратно в модель. Расстояние между вычисленными поверхностями не позволяло визуально захватывать вариации, в результате значения были представлены в векторах.
Рисунок 6. Эффект затенения схемы проектирования A и схемы B, нанесенный на соседние поверхности здания, и сравнение между двумя схемами путем вычитания двух значений на каждую поверхность.
Рисунок 7. Сопоставление внешних / вертикальных дневных факторов на пяти уровнях и отображение значений в векторной форме.
ОГРАНИЧЕНИЯ
Отображение солнечной радиации или других показателей по поверхностям позволяет нам очень подробно визуализировать их эффект в городских условиях. При оценке существующей или предлагаемой схемы это очень полезно, но если мы находимся на этапе предварительного проектирования и хотим сообщить о нашем дизайне, отображение поверхностей мало помогает. Это требует от нас интерполировать рассчитанные данные и судить о направлении, к которому должен стремиться наш дизайн. Например, на незастроенном месте мы можем оценить, что происходит с текущей солнечной радиацией, рядом с поверхностью здания, а также с поверхностью земли. Хотя эта информация полезна, она не говорит нам о том, как должен развиваться наш проект, чтобы он не имел неблагоприятных воздействие на близлежащие здания, соблюдать правила, а также наши собственные требования. Единственный способ оценить влияние схемы - это ее спроектировать, проверить, какой эффект она имеет, и в зависимости от результата либо доработать дизайн, либо перепроектировать его, и проверить его до тех пор, пока он не будет соответствовать требованиям. Это приводит нас к пробному и ошибочному подходу, как показано на рисунке 5. Если мы находимся на стадии предварительного проектирования, хотя дизайн еще не завершен, и мы хотим сообщить наш дизайн, а не оценивать предложение, изменить его и переоценивать его, тогда отображение поверхностей становится
своевременным и менее информативным.
Метод проб и ошибок Дизайнерский подход
Предпроектная стадия г Предпроектная стадия 1
1 Разработка схемы 1 1 Оценка потенциала |
1 Оценка 1 Проектирование схемы в
воздействия 1 прогнозируемой совместимой оболочке 1
1 Финальный дизайн 1 Финальный дизайн
Рисунок 8. Метод проб и ошибок для оценки солнечной радиации в городах и предлагаемый подход к проектированию.
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СОЛНЕЧНАЯ ДОСТУПНОСТЬ Помимо расчета распределения солнечной радиации по ряду существующих строительных поверхностей, можно рассчитать полное пространственное изменение солнечной доступности по всему объему участка. Это особенно важно на стадии предварительного проектирования, где необходимо учитывать только эффекты зданий, окружающих этот участок. Это позволяет дизайнерам реагировать на 3-мерные модели доступности солнечной энергии, чтобы наилучшим образом использовать то, что становится ограниченным ресурсом в постоянно растущих городских районах. Этот процесс включает в себя расширение трехмерной сетки точек в интересующей области. Очевидно, что размерность сетки и количество точек в каждом кардинальном измерении определяются пользователем. Затем вычисляется расчет доступности солнечной энергии для каждой точки и сохраняется в сетке.
ЗАВИСИМОСТЬ ОТ ПОВЕРХНОСТЕЙ И ТОЧЕК При расчете солнечного падения на поверхность применяется косинус -закон, учитывающий изменение углов падения как для прямого солнца, так и для распределения диффузного излучения над куполом неба. Это означает, что для вертикальной поверхности излучение зенита неба значительно меньше, чем излучение от горизонта непосредственно перед поверхностью. Это также означает, что поверхности, обращенные к востоку, западу или от экватора, подвергаются пропорционально меньшему
солнечному излучению со временем, когда те, которые обращены к
экватору.
£н«1 Г} Г"г-"|1|" О
/ I
Рисунок 9. Относительные углы падения на вертикальной поверхности по сравнению с «падением» в точке.
Это не относится к точкам в сетке анализа, поскольку у них нет заметного «направления» или ориентации. Хотя для каждой точки сетки можно назначить искусственные поверхностные векторы, на этапе предварительного проектирования обычно нет конструкции здания, из которой можно получить эту информацию. Если вектор назначен, то каждая точка считается «малой» поверхностью с нормалью, направленной в направлении вектора, и все углы падения полностью рассматриваются. Если ни один вектор не назначен, то каждая точка действует как сферический датчик, одинаково чувствительный к солнечному излучению со всех сторон. МЕТОДЫ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ Как только вычисления будут завершены по всей 3D-сетке точек, можно как количественно, так и визуализировать результаты. Известно, что визуализация пространственной информации способом, который полезен для дизайнера, является сложным. Во многих случаях простые срезы через трехмерную сетку, как по горизонтали, так и по вертикали, могут отображать полезную информацию и определять характер изменений в определенных частях смоделированного места. На рисунке 7 ниже показаны некоторые примеры двумерных срезов, полученных в сетке ЗО-анализа.
Рисунок 10. Примеры 2D-срезов, взятых через сетку 3D-анализа, чтобы показать изменения в пространственном распределении солнечной радиации, в данном случае общую годовую доступность солнечной энергии. Также можно отображать полные данные 3D-сетки объемно, применяя
переменную прозрачность к каждой ячейке сетки на основе ее отношения к установленному порогу. В простейшей форме это означает только отображение тех ячеек сетки, средние значения которых ниже определяемого пользователем порогового значения. Изображение слева на рисунке 8 ниже показывает пример этой техники визуализации.
Альтернативный метод заключается в применении непрерывного изменения уровня прозрачности каждой ячейки на основе минимального и максимального диапазона значений. Любая ячейка со значением не выше максимума полностью прозрачна, в то время как любая ячейка на уровне или ниже минимума полностью непрозрачна. Между этими двумя значениями прозрачность линейно интерполируется. Изображение справа на рисунке 8 показывает пример непрерывных эффектов прозрачности.
Рисунок 11. Примеры объемной визуализации данных в сетке 3D-анализа, показывающей как простой порог отсечки (слева), так и непрерывную карту прозрачности (справа).
АНАЛИЗ ПОРОГОВЫХ ЗНАЧЕНИЙ
Другой метод визуализации, который может быть применен к солнечной доступности, включает в себя трехмерные изоплеты через сетку анализа с заданным пользователем пороговым значением. Это устанавливает виртуальную поверхность над участком, над которым значения солнечной радиации превышают порог. Это может быть полезным инструментом раннего проектирования, поскольку он четко определяет, насколько высока новая форма здания, чтобы получить желаемое солнечное воздействие. На рисунках 9 показаны примеры этих изоплетов как для глобальных, так и для диффузных значений солнечной радиации.
Рисунок 12. 3D-изоплеты через сетку анализа с заданным пользователем значением, в данном случае средним почасовым глобальным солнечным излучением (верхним) 300 Вт / м 2, средним почасовым прямым солнечным излучением 155 Вт / м2 (слева) и 130 Втч / м2 малом излучением.
Информационная и контекстная польза трехмерных изображений изоплетов основана на способности интерактивно изменять пороговое значение, чтобы видеть темпы изменений в разных частях участка. Например, на рисунке 10 показана одна и та же сетка анализа сайта с изоплетами с тремя различными пороговыми значениями - 350, 275 и 200 Вт / м2.
350 Вт / п2 275 Вт / п2 200 Вт /
Рисунок 13. Примеры трехмерных изоплетов через одну и ту же сетку анализа при разных пороговых значениях, с изображениями, взятыми с фронта (вверху) и сзади (внизу) проекта.
ИЗОЛЯЦИЯ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЭФФЕКТОВ ЗДАНИЯ Этот метод также может быть применен к отдельным зданиям в пределах участка, чтобы количественно оценить их эффекты затенения. Таким образом, можно визуализировать потенциальный эффект предлагаемого здания на окружающие его. На рисунке 11 ниже показана только такая ситуация, когда потенциальное глобальное, прямое и диффузное воздействие большой офисной башни можно рассматривать очень рано в процессе проектирования.
Башенный блок изолироээн Глобальная солнечная радиация
Прямое солнечное излучение Диффузное солнечное излучение
Рисунок 14. Пример трехмерных изоплетов, генерируемых только для одного здания, показывающий глобальное, прямое и диффузное воздействие излучения.
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Трехмерное объемное картирование также может помочь нам определить наиболее эффективное расположение для размещения растений, деревьев и травы. Прогнозируя доступность фотосинтетически активного излучения, мы можем определить, где рост травы будет максимальным.
ВЫВОД
В этой статье мы представили два способа визуализации и расчета солнечной доступности в городах. Первый метод касался картирования солнечной радиации, а также других показателей на поверхностях зданий. Было установлено, что этот подход более подходит для оценки существующих схем, определения наиболее эффективного местоположения для возобновляемых источников энергии и проведения сопоставлений с эффектом, который могут иметь различные схемы для окружающего здания. Этот подход не был признан подходящим на стадии
предварительного проектирования, где еще не была разработана схема проектирования. Второй метод касался расчета пространственного изменения солнечной радиации по всему недостроенному объему участка. Было установлено, что этот предложенный метод более подходит на этапе предварительного проектирования, чтобы определить пространственные расширения желаемых или приемлемых пределов солнечной радиации. Оба метода могут дополнять друг друга, причем второй метод используется на более раннем этапе предварительного проектирования, где необходимо определить объем схемы, чтобы он соответствовал законодательству. Затем первый метод используется для сравнения воздействия различных возможных приемлемых конструкций на соседние здания. Оба метода способны обрабатывать сложные 3D-геометрии, сохраняя при этом их точность.
Использованные источники:
1. Морозов Н. А. Основы качественного физико-математического анализа. — 1908.
2. Бриджмен П. Анализ размерностей. — 2001.
3. Тирский Г. А. Анализ размерностей. Соросовский образовательный журнал том 7 N 6 2001.
4. Mardaljevic, J., Rylatt, M. 2003. Irradiation mapping of complex urban environments: an image-based approach. Energy and Buildings 35, 27-35.
5. Marsh, A.J. 1996. Performance Modelling and Conceptual Design.Proceeding of the international IBPSA conference. The University of New South Wales, Sydney, Australia.
6. Marsh, A.J., 2004. Calculating variations in the Distribution of Insolation Over Building Surfaces. Proceedings of the international conference on Building Envelope Systems and Technologies. Sydney, Australia, 2004.
7. Quaschning, V., Hanitsch, R. 1998. Irradiance calculations on shaded surfaces. Solar Energy 62 (5), 369-375.
8. Sanchez, F.J., Cebolla, R.O., Felix, J.L.M., Dominguez, S.A., 2005. Solar radiation calculation methodology for building exterior surfaces. Solar Energy 79, 513-522.
9. Ward, G.J., Shakespeare, R., 1998. Rendering with Radiance: The Art and Science of Lighting Visualization, Morgan Kaufmann, San Francisco.
