CC BY
18
УДК 535.317
Закируллин Р.С.
Оренбургский государственный университет, г Оренбург, Россия E-mail: [email protected]
СПОСОБ ОПТИМИЗИРОВАННОЙ УГЛОВОЙ СЕЛЕКТИВНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ
СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Представлен метод оптимизации углового селективного регулирования светопропускания окна с помощью оптического фильтра с двумя наклонными поверхностными решетками, состоящими из поглощающих, отражающих или рассеивающих параллельных полос. Показана возможность угловой селективной фильтрации прямого солнечного излучения с учетом географических координат здания, траектории Солнца, сезонного и суточного распределения интенсивности солнечного излучения и азимута ориентации окна по сторонам света за счет оптимального угла наклона решеток фильтра на оконном стекле, что обеспечит выполнение гигиенических требований к естественному и искусственному освещению и инсоляции, приведенных в санитарно-эпидемиологических правилах и нормативах СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях». Приведены примеры расчета угла наклона решеток для различных дат, показателей преломления оконного стекла, расстояний между решетками фильтра для окон с одинарным и двойным остеклением, азимутов ориентации окна по сторонам света.
Ключевые слова: солнечная радиация, оптический решеточный фильтр, угловая селективная характеристика, направленное светопропускание, оптимальный угол наклона, гигиенические нормы.
Угловая селективная фильтрация солнечного излучения актуальна не только для улучшения характеристик солнечных элементов [1]-[3], но и также для достижения оптимального естественного освещения и инсоляции в помещениях, обеспечения достаточной солнцезащиты при непрерывном движении солнца относительно окна. В последние десятилетия в архитектуре и строительстве все шире применяются различные типы смарт-стекол.
Применяются теплосберегающие е-стекла с низкоэмиссионными спектрально-селективными тонкопленочными покрытиями [4]-[6], пропускающие видимый спектр и отражающие инфракрасное излучение. Разработаны методы расчета коэффициентов отражения и пропускания многослойных поверхностных покрытий
[7]-[9].
Имеют перспективы для применения фото-хромные стекла [10]-[12], светопропускание которых обратимо изменяется в зависимости от интенсивности падающего ультрафиолетового или коротковолнового видимого света. В последние годы разработаны термохромные смарт-окна, прозрачные для видимого света при относительно низких температурах и контролирующие количество проходящей через окно солнечной радиации при увеличении температуры окружающей среды [13]. Известны термотропные системы с зависящим от темпе-
ратуры изменением свойств рассеяния света [14]. Электрохромное смарт-стекло [15] при пропускании слабого электрического тока через активный слой плавно изменяет свою прозрачность и/или цвет.
Известны также и другие хромогенные материалы с обратимым изменением свето-пропускающих свойств в зависимости от изменения различных факторов окружающей среды - влажности, состава воздуха, давления и т. д. Некоторые пленки прозрачны для видимого света и отражают тепловое излучение [16]. В последние годы активно исследуются перспективные наноструктурированные мета-материалы [17], [18].
Применение смарт-стекол не позволяет добиться селективного регулирования направленного светопропускания по диапазонам углов падения солнечных лучей и динамически адаптироваться к положению солнца. Такое регулирование требует использования дополнительных устройств перераспределения световых потоков (жалюзи и т. п.). Разработаны методы расчета распределения светопропускания инновационных оконных систем с жалюзи и другими устройствами [19]. Основным достоинством дополнительных устройств перераспределения световых потоков является возможность блокирования прямого солнечного излучения. Количество прямой солнечной радиации [20],
попадающей в помещение, изменяется в зависимости от времени суток и сезона. База данных по наблюдениям за солнечной радиацией для различных районов Земли приведена в справочниках [21], [22]. Разработаны также методы расчета солнечной радиации [23], [24].
Цель данной работы состоит в улучшении угловой селективной фильтрации прямого солнечного излучения путем применения в оконной системе решеточного оптического фильтра с оптимизированными параметрами. Такой фильтр с двумя поверхностными решетками, состоящими из чередующихся параллельных пропускающих и непропускающих полос [25]-[28], обеспечивает регулирование светопропускания без использования дополнительных устройств перераспределения световых потоков, следовательно, выполнение гигиенических требований к естественному и искусственному освещению и инсоляции, приведенных в санитарно-эпидемиологических правилах и нормативах СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях». В статье обновляется и расширяется метод расчета оптимального угла наклона решеток фильтра [29]. Демонстрируются результаты оптимизации параметров фильтра для различных дат, показателей преломления оконного стекла, расстояний между решетками фильтра для окон с одинарным и двойным остеклением, азимутов ориентации окна по сторонам света. Способ регулирования направленного свето-пропускания, на котором основана работа фильтра, запатентован [30], [31].
1 Метод оптимизации
Угловая характеристика светопропускания фильтра рассчитывается в соответствии с методикой, приведенной в [28], когда источник света движется в плоскости, перпендикулярной к фильтру, и угол падения изменяется только в этой плоскости. Солнце перемещается относительно окна по сложной криволинейной траектории. Геометрические параметры фильтра (угол наклона решеток фильтра на оконном стекле, ширины полос и характеристический угол фильтра) могут быть определены для достижения минимального или максимального коэффициента светопропускания окна с учетом его
ориентации по сторонам света, широты населенного пункта, сезонного и суточного распределения интенсивности солнечного излучения. В отличие от горизонтальных или вертикальных жалюзи, решетки оптического фильтра могут быть расположены на оконном стекле под любым углом - наиболее оптимальным для окна с заданным азимутом ориентации.
Для определения оптимального угла наклона необходимо выбрать расчетную дату с учетом местного климата. В качестве такой даты можно взять середину самого жаркого периода года или день с максимальным солнечным излучением. Эти две даты могут отличаться более чем на месяц. Далее, для выбранной даты определяются время зенитного положения солнца и время с максимальной солнечной радиацией. Максимальное солнечное излучение падает на верхние слои атмосферы в полдень. Однако, прозрачность атмосферы существенно влияет на суточный ход излучения, особенно в летние месяцы. Атмосфера после полудня менее прозрачна из-за ее повышенной запыленности и влажности и появления конвективной облачности. Таким образом, максимальная интенсивность прямого солнечного излучения в летнее время наблюдается в утренние часы. Оптимальный угол наклона решетки фильтра на оконном стекле определяется в соответствии со следующим алгоритмом (начальная версия [29] обновлена и расширена для окон с двойным остеклением).
1) Высота стояния h и азимут A солнца вычисляются по одной из многочисленных компьютерных программ для выбранной даты через каждый час по отношению к времени, когда A = A где A0 - азимут ориентации окна. В этот момент времени солнечные лучи падают в плоскости, перпендикулярной к плоскости окна и направленное светопропускание можно вычислить точно по формулам [28].
2) Азимут солнца для заданного окна, измеренный от перпендикуляра к окну, рассчитывается через каждый час по формуле: а = A - A0.
3) Угол падения луча на вертикальное окно рассчитывается по частному случаю первой теоремы косинусов для трехгранного угла, когда двугранный угол напротив искомого плоского угла равен 90°: cos © = cos h cos а. Полная версия этой теоремы используется для расчета
угла падения на наклонные или криволинейные окна.
4) Координаты х и у (рис. 2а) следа точки 0 падения на входную поверхность фильтра на его выходной поверхности определяются через каждый час для окон с одинарным остеклением по формулам:
x = s tg р; (1)
y = - {s tg (®я - |p|) / cos в, (2) где 0п - угол преломления, в - угол преломления, соответствующий азимутальному углу падения а, вычисленный по пропорции: в = 0 а / 0. Для окна с двойным остеклением (рис. 2 б.):
x = s tg а; (3)
y = - {s tg (0 - |а|) / cos а}. (4)
На риснках 1а и 1б трассировка лучей показана для луча 1, падающего в плоскости перпендикулярной к окну, и луча 2, падающего под произвольным углом. Углы 0 и 0 , показанные на горизонтальных разрезах, повернуты для совмещения с горизонтальной плоскостью.
5) Траектории следа точки падения на выходной поверхности строятся через каждый час по вычисленным координатам х и у. Эти траектории показывают смещение следов (теней) непропускающих полос входных решеток на выходной поверхности. Промежутки между этими тенями и не-пропускающими полосами выходных решеток определяют полосу пропускания прямого излучения [28]. Когда азимуты
солнца и окна равны (А = А0), след точки падения на выходной поверхности максимально смещен вниз: у =утЫ,х = 0 (точки 0! на рис. 1а и 1б). Траектория следа точки падения будет приблизительно симметрична относительно линии, проходящей через 01. Точная симметрия будет только для окна с азимутом 180°, когда траектория солнца относительно окна является симметричной. Для такого окна полосы решеток фильтра должны быть горизонтальными наподобие ламелей горизонтальных жалюзи, наиболее оптимальных для углового регулирования светопропускания окон с азимутом в южном секторе.
6) Для определенного времени дня, например, для зенитного положения солнца или для времени с максимальной солнечной радиацией, проводится линия симметрии траектории следа. Угол между перпендикуляром к этой линии симметрии, проходящим через соответствующую точку траектории следа, и горизонталью является оптимальным углом наклона решеток фильтра на оконном стекле.
Ниже представлены результаты расчетов оптимальных параметров фильтров по описанному выше алгоритму для разных дат, показателей преломления, расстояний между решетками и азимутов окон для города Оренбурга (51°47'00'Н 55°06'00''Е, ШС +05:00). За исключением особо оговоренных случаев, все расчеты проведены для окон с одинарным (я = 4 мм и
0 - точка падения на входную решетку, 0! и О2 - ее следы для солнечных лучей 1 и 2 на выходной решетке, х и у - координаты следов, 5 - расстояние между входной и выходной решетками, 0 - угол падения, 0^ - угол преломления, а - азимутальный угол падения, р - угол преломления, соответствующий азимутальному углу падения
Рисунок 1 - Координаты следов солнечных лучей при одинарном (а) и двойном (б) остеклении окон на вертикальном и горизонтальном разрезах и на фронтальном виде
п = 1,5) и двойным (5 = 16 мм, 5 = s2 = 4 мм и п1 = п2 = 1,5) остеклением с азимутами ориентации 120° по траекториям следов точки падения солнечных лучей на выходной поверхности оконного фильтра для 15.07.2015 (середина наиболее жаркого периода в Оренбурге). Оптимальные углы наклона решеток фильтра определены для 11 ч. 30 мин. (время с максимальной солнечной радиацией в Оренбурге).
2 Дата
На рисунке 2 представлены результаты расчета оптимальных углов наклона решеток фильтра для окон с одинарным и двойным остеклением для 15.06.2015 (дня с максимальной солнечной радиацией в г. Оренбурге), 15.07.2015 (для середины самого жаркого периода в г. Оренбурге) и 15.08.2015.
Оптимальные углы наклона решеток для дня с максимальной солнечной радиацией и середины самого жаркого периода отличаются на 4,24% (рис. 2a) и 0.66% (рис. 2б), соответственно. Отклонения между оптимальными углами наклона для 15.06.2015 и 15.08.2015 составляют 23,65%. Оптимальные углы наклона для одинарного остекления (11,3°, 11,8° и 14,8° на рис. 2а) меньше, чем для двойного остекления (15,0°, 15,1° и 18,3° на рис. 2б) из-за более медленной зависимости смещения луча от угла падения под влиянием преломления лучей [28].
3 Показатель преломления
Оптимальные углы наклона решеток фильтра, определенные для окна с одинарным остеклением с толщиной стекла s = 4 мм и показателями преломления 1,3; 1,4 и 1,5, представлены
на рисунке 3. Оптимальный угол увеличивается с уменьшением показателя преломления за счет увеличения смещения луча [28].
■4 -2 0 2 4 х (мм)
1.1 II
Рисунок 3 - Оптимальные углы наклона решеток фильтра при разных показателях преломления для окна с одинарным остеклением
4 Расстояние между решетками фильтра
Оптимальные углы наклона решеток фильтра, определенные для показателя преломления оконного стекла п = 1,5 и его толщин 4, 6 и 8 мм при одинарном остеклении, представлены на рисунке 4а. На рисункке 4б оптимальные углы определены для различных расстояний между оконными стеклами (12, 16 и 20 мм) для окна с двойным остеклением.
Траектории следов точки падения на выходной поверхности для окна с одинарным остеклением эквидистантны за счет пропорциональной зависимости координат х и у от толщины стекла в соответствии с формулами (1) и (2). Следовательно, оптимальные углы наклона равны. Та же особенность наблюдается и для окна с двойным остеклением в соответствии с формулами (3) и (4).
Рисунок 2 - Оптимальные углы наклона решеток фильтра по датам для одинарных (а)
и двойных (б) остекленных окон
5 Азимут окна
На рисунке 5 показаны оптимальные углы наклона решеток фильтра для окон с одинарным остеклением с различными азимутами ориентации по расчетам для 15.06.2015 (день с максимальной солнечной радиацией) и 15.07.2015 (середина самого жаркого периода). Разница между оптимальными углами наклона, определенными для дня с максимальной солнечной радиацией и середины самого жаркого периода, составляет 1,18%, 4,24% и 21,95% для азимутов окна 90°, 120° и 150° (рис. 6а-в), соответственно.
Из-за особенностей траектории солнца решетки фильтра должны быть горизонтальными для восточных и западных окон зданий, расположенных на экваторе, для южных окон зданий, расположенных в северном полушарии (рис. 6г), и для северных окон зданий, расположенных в южном полушарии. Результаты расчета показывают, что для окон с азимутами, симметричными по отношению к меридиану (рис. 6а и 6е, 6б и 6д), траектории следов симметричны относительно вертикальной оси у. Следовательно, оптимальные углы наклона для этих случаев одинаковы. Однако ширина
Рисунок 4 - Оптимальные углы наклона решеток фильтра при разных расстояниях между входными и выходными решетками для окон с одинарным (а) и двойным (б) остеклением
Рисунок 5 -Оптимальные углы наклона решеток фильтра при различных азимутах ориентации
окна по сторонам света
полос и характеристические углы фильтров могут быть различными, поскольку максимальная интенсивность прямой солнечной радиации уменьшается после полудня. Зависимости оптимального угла от азимута окна для дня с максимальной солнечной радиацией и середины самого жаркого периода представлены на рисунке 6. Максимальная разница между ними составляет 22%.
Рисунок 6 - Зависимость оптимального угла наклона решеток фильтра от азимута ориентации окна
Заключение
В статье приведен обновленный и расширенный метод расчета оптимального угла наклона решеток оптического фильтра с тонкопленочными решеточными слоями на двух поверхностях смарт-окна с одинарным и двой-
ным остеклением. Продемонстрированы результаты оптимизации параметров фильтра для различных дат, показателей преломления оконного стекла, расстояний между решетками фильтра для окон с одинарным и двойным остеклением, азимутов ориентации окна по сторонам света. Показаны различия в расчете оптимального угла наклона решеток фильтра для окон с одинарным и двойным остеклением.
Решеточный оптический фильтр с оптимизированными параметрами обеспечивает комфортное естественное освещение, блокируя прямые солнечные лучи в заранее рассчитанное время дня и сезона, и пропуская отраженный от поверхности Земли свет (альбедо) и рассеянный свет неба, а также обеспечивает выполнение гигиенических требований к естественному и искусственному освещению и инсоляции, приведенных в санитарно-эпидемиологических правилах и нормативах СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях».
Определенные оптимальные углы наклона могут быть полезны для создания жалюзи с наклонными ламелями, жалюзи типа зебра с наклонными полосами, а также для расположения концентраторов и солнечных элементов в смарт-окнах с генерированием электроэнергии и нагревом воды [32].
14.06.2017
Список литературы:
1. Gruneisen, M.T, Sickmiller, B.A., Flanagan, M.B., Black, J.P., Stoltenberg, K.E., Duchane, A.W. Adaptive spatial filtering of daytime sky noise in a satellite quantum key distribution downlink receiver. - Optical Engineering. - 55 (2). - 026104. - 2016.
2. Höhn, O., Kraus, T., Bauhuis, G., Schwarz, U.T., Bläsi, B. Maximal power output by solar cells with angular confinement. - Opt. Express. - 22 (S3). - A721. - 2014.
3. Peters, M., Goldschmidt, J.C., Loeper, P., Bläsi, B., Willeke, G. Lighttrapping with angular selective filters. - Proceedings of the 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. - Valencia, Spain. - 1-5 September 2008.
4. Macleod, H.A. Thin-Film Optical Filters. - 3rd ed. - Institute of Physics. - Philadelphia, Pa. - 2001.
5. Berning, P.H. Principles of design of architectural coatings. - Appl. Opt. - 22. - P. 4127-4141. - 1983.
6. Horowitz, F., Pereira, M.B., de Azambuja, G.B. Glass window coatings for sunlight heat reflection and co-utilization. - Appl. Opt. -
50. - C250-C252. - 2011.
7. Mazilu, M., Miller, A., Donchev, V.T. Modular Method for Calculation of Transmission and Reflection in Multilayered Structures. -Appl. Opt. - 40. - P. 6670-6676. - 2001.
8. Лапшин, Б., Петраков, В. Синтез оптических многослойных фильтров. - Компоненты и технологии. - 10. - С. 150-153. -2006.
9. G. Bader, G., Ashrit, P. V., Truong, V.-V. Transmission and Reflection Ellipsometry of Thin Films and Multilayer Systems. - Appl. Opt. - 37. - P. 1146-1151. - 1998.
10. Megla, G.K. Optical Properties and Applications of Photochromic Glass. - Appl. Opt. - 5. - P. 945-960. - 1966.
11. Garfinkel, H.M. Photochromic Glass by Silver Ion Exchange. - Appl. Opt.- 7. - P. 789-794. - 1968.
12. Crow, I.D., Borrelli, N.F., Seward III, T.P., Chodak, J. Lightguiding in Photochromic Glasses. - Appl. Opt. - 14. - P. 580-585. -1975.
13. Gao, Y., Luo, H., Zhang, Z., Kang, L., Chen, Z., Du, J., Kanehira, M., Cao, C. Nanoceramic VO2 thermochromic smart glass: A review on progress in solution processing. - Nano Energy. - 1 (2). - P. 221-246. - 2012.
14. Seeboth, A., Ruhmann, R., Mühling, O. Thermotropic and Thermochromic Polymer Based Materials for Adaptive Solar Control. -Materials. - 3. - P. 5143-5168. - 2010.
15. Andersson, A.M., Granqvist, C.G., Stevens, J.R. Electrochromic LixWO3/poymer laminate/LiyV2O5 device: toward an all-solidstate smart window. - Appl. Opt. -28. - P. 3295-3302. - 1989.
16. Hamberg, I., Granqvist, C.G. Color properties of transparent and heat-reflecting MgF2-coated indium-tin-oxide films. - Appl. Opt. -22. - P. 609-614. - 1983.
17. Симовский, К.Р. О материальных параметрах метаматериалов (Обзор). - Оптика и спектроскопия. - 107, №5. - С. 766-793. -2009.
18. Simovski C.R. On electromagnetic characterization and homogenization of nanostructured metamaterials. - J. Opt. - 13. - 013001. -2011.
19. Andersen, M. Light distribution through advanced fenestration systems. - Building Research & Information. - 30, No. 4. - P. 264-281. - 2002.
20. Blanc, P., Espinar, B., Geuder, N., Gueymard, C., Meyer, R., Pitz-Paal, R., Reinhardt, B., Renne, D., Sengupta, M., Wald, L., Wilbert, S. Direct normal irradiance related definitions and applications: The circumsolar issue. - Solar Energy. - 110. - P. 561-577. - 2014.
21. Page, J., Albuisson, M., Wald, L. The European Solar Radiation Atlas: A valuable digital tool. - Solar Energy. - 71 (1). - P. 81-83. -2001.
22. Lee, T., Oppenheim, D., Williamson, T.J. Australian Solar Radiation Data Handbook. Energy Research and Development Corporation, Canberra. - 1995.
23. Marion, W., George, R. Calculation of solar radiation using a methodology with worldwide potential. - Solar Energy. - 71 (4). - P. 275-283. - 2001.
24. Gueymard, C. The sun's total and spectral irradiance for solar energy applications and solar radiation models. - Solar Energy. - 76 (4). - P. 423-453. - 2004.
25. Zakirullin, R.S. Seating optical filters with angular-selective light transmission. - Appl. Opt. - 54, No. 21. - P. 6416-6419. -2015.
26. Закируллин, Р.С. Оптические фильтры с поверхностными решетками для углового селективного регулирования направленного светопропускания: дис. ... д-ра техн. наук: 01.04.05: защищена 16.11.16: утв. 28.04.17. - Москва, 2016. - 333 с.
27. Zakirullin R.S. An optical filter with angular selectivity of the light transmission. - Proc. SPIE. - Vol. 9579. - 95790Q. - 9 p. -2015.
28. Закируллин, Р.С. Метод расчета решеточного оптического фильтра для смарт-окна. - Вестник Оренбургского гос. ун-та. -7. - С. 172-180. - 2017.
29. Zakirullin, R.S., Letuta, S.N. A smart window for angular selective filtering solar radiation. - Solar Energy. - 120. - P. 585-592. -2015.
30. Пат. 2509324 Российская Федерация. Способ регулирования направленного светопропускания / Закируллин Р.С. -№2012130148/28; заявл. 17.07.12; опубл. 10.03.14, Бюл. №7. - 3 с.
31. Application 13/138,812 US, INT CL6 G 02 B 5/22, U.S. Cl. 359/359; 359/613. Expedient of regulation of the directional gear transmission of light / Zakirullin R. S. (Russian Federation) ; applicant Zakirullin R. S. - №US 13/138,812; fil. 11.05.10; § 371 (c) (1), (2), (4) 29.09.11; publ. 08.03.12, US 2012/0057225 A1. - 22 р.
32. Sabry, M., Eames, P.C., Singh, H., Yupeng Wu. Smart windows: Thermal modelling and evaluation. - Solar Energy. - 103. - P. 200-209. - 2014.
Сведения об авторе:
Закируллин Рустам Сабирович, доцент кафедры теплогазоснабжения, вентиляции и гидромеханики Оренбургского государственного университета, доктор технических наук, доцент 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 3015, тел.: +7 (3532) 37 24 26 e-mail: [email protected]
