Simulation of solar energy gain through natural iighting systems of complex geometry

Abstract

Важливу роль в енергозбереженні будівель відіграють системи природного освітлення. Тому площа світлових прорізів повинна бути оптимізована, щоб забезпечити світловий комфорт у приміщеннях і зниження енерговитрат на підтримку комфортного теплового режиму. Інженерні методи розрахунку сонячних теплонадходжень застосовуються для будівель масової забудови з огороджувальними конструкціями у вигляді горизонтальних і вертикальних площин. Для поверхонь криволінійної форми складають системи рівнянь, які розв’язують числовими методами зі значними затратами комп’ютерного часу. У статті запропоновано метод моделювання сонячних теплонадходжень для нестандартних рішень огороджувальних конструкцій в умовах наявної забудови з використанням апарату точкового числення. Апарат точкового числення дає змогу формувати точкову множину, оптимізовану до заданої форми геометричного об’єкта. Отриману множину використовують для формування елементарних тілесних кутів, у межах яких визначаються теплонадходження в розрахункові точки приміщення від прямої, розсіяної та відбитої сонячної радіації. Сума елементарних величин теплонадходження визначає загальну величину теплонадходжень у приміщенні. Дослідження показали, що математичний апарат точкового числення ефективний для моделювання багатьох фізичних процесів, зокрема режиму сонячних теплонадходжень у приміщення, що важливо для формування комфортного середовища та енергоефективності будівель. У результаті розроблено методику формування режиму сонячних теплонадходжень у будівлі складної геометрії як від прямих сонячних променів та розсіяного випромінювання небозводу, так і від променевих потоків, відбитих від поверхонь землі та сусідніх об’єктів. Практичне значення проведеного дослідження полягає у тому, що отримано точкові рівняння, за допомогою яких формують точкову множину геометричних об’єктів. Використовуючи координати точок сканування, одержали формули для визначення величин сонячних теплонадходжень, які легко програмувати на персональних комп’ютерах

Natural lighting systems are important for the energy efficiency of the buildings. Thus the size of light openings should be optimized to provide visual comfort and decrease the energy needed to provide comfort in the environment. There exist tools to calculate solar energy gain in the buildings of mass construction with enclosing structures in the shape of horizontal and vertical planes. For structures with curvilinear surfaces systems of equations are compiled, to be solved by numerical methods with significant use of computer time. The article proposes a method of simulation solar energy gain for non-standard enclosing structures for buildings surrounded by existing housing using an apparatus of Balyuba–Naidysh point calculation (BN-calculus). Apparatus of BN-calculus allows forming of a point set optimized to match the shape of a geometrical object. Received point set is used to form elementary solid angles within which energy inflows from direct, scattered and reflected solar radiation into computational points are calculated. The sum of elementary values of energy inflows defines the total value of energy gain of the room.