جدول المحتويات
1. المقدمة
تقدم هذه الورقة دراسة تحقيق صحة لقدرات محاكاة الإضاءة الاصطناعية داخل برنامج CODYRUN، وهو أداة حسابية لمحاكاة التهوية والحرارة في المباني تم تطويرها بواسطة مختبر فيزياء المباني والأنظمة (L.P.B.S). تم بدء الدراسة لتقييم موثوقية البرنامج في محاكاة هذه الظاهرة الفيزيائية المحددة، بهدف تحديد حدوده وإمكانيات التحسين. يعتمد التحقق على حالات الاختبار (التطبيقات 1 و 3 تحديدًا) التي طورتها المهمة الفرعية TC-33 التابعة للجنة الدولية للإضاءة (CIE)، والتي توفر إجراءات قياسية لتقييم برامج محاكاة الإضاءة.
2. نموذج مبسط جديد لحساب الإضاءة الداخلية
لتحديد الإضاءة الداخلية كميًا، يدمج برنامج CODYRUN عدة نماذج مجتمعة تأخذ في الاعتبار مكونات الضوء الاصطناعي المباشر والمنتشر. يشبه النموذج المبسط المُدخل حديثًا من الناحية المفاهيمية النماذج المستخدمة في برامج تصميم الإضاءة الراسخة مثل DIALux و CALCULUX.
2.1 فرضيات المحاكاة في CODYRUN
يعمل النموذج تحت عدة افتراضات رئيسية: يعتبر تشتت الضوء لامبرتيًا (منتظمًا في جميع الاتجاهات)؛ توصف التركيبات الضوئية ببيانات قياس ضوئي مقدمة من الشركة المصنعة ويتم اختزالها إلى مصدر نقطي في مركز ثقلها؛ ولا يوجد عائق بين مصدر الضوء والنقطة المضاءة على مستوى العمل.
2.2 الجزء المباشر من الإضاءة (من مصدر الضوء الاصطناعي)
يتم حساب الاستضاءة المباشرة عند نقطة على مستوى العمل بناءً على مورفولوجيا المصدر والزاوية الصلبة التي يشغلها عند النقطة المضاءة بالنسبة للمصدر. يوضح الشكل 1 هذا المفهوم، حيث يظهر انتشار الضوء من مصدر مثبت على السقف إلى نقطة على مستوى العمل.
2.3 الجزء المنتشر من الإضاءة (من الانعكاسات الداخلية المتبادلة)
ينتج المكون المنتشر عن الانعكاسات المتبادلة للضوء المباشر عن الأسطح الداخلية للغرفة (الجدران، السقف، الأرضية). يعتمد هذا المكون على الانعكاسية (اللون) لهذه الأسطح. يحسب نموذج CODYRUN هذا عن طريق ترجيح الاستضاءة المباشرة بمعامل الانعكاس المتوسط للجدران الداخلية، كما هو موضح في الشكل 2.
3. الرؤية الأساسية: منظور المحلل
الرؤية الأساسية: يمثل هذا العمل نهجًا عمليًا يركز على الهندسة للتحقق من الصحة، حيث يُعطي الأولوية للكفاءة الحسابية والدمج في منصة متعددة الفيزياء موجودة مسبقًا (CODYRUN) على السعي لتحقيق أعلى دقة فيزيائية ممكنة. إن اختيار نموذج مبسط وشبه مفصل بدلاً من الطرق الأكثر دقة مثل الراديوسيتي أو تتبع الأشعة هو مقايضة استراتيجية.
التدفق المنطقي: منطق الورقة مباشر ويمكن الدفاع عنه: 1) تحديد فجوة (عدم وجود إضاءة مُتحقق من صحتها في محاكٍ حراري). 2) اعتماد/تطوير نموذج خفيف حسابيًا مناسب للدمج. 3) التحقق من صحته مقابل معيار قياسي في الصناعة (حالات اختبار CIE). هذا هو سير عمل التحقق والتحقق من الصحة (V&V) الكلاسيكي للبرمجيات، يشبه المنهجيات التي تمت مناقشتها في المعيار ASHRAE 140 أو إجراءات BESTEST لمحاكاة طاقة المباني.
نقاط القوة والعيوب: القوة الأساسية هي الدمج بحد ذاته. إن دمج الإضاءة مع محاكاة الحرارة وتدفق الهواء أمر بالغ الأهمية لتحليل أداء المبنى الشامل، مما يؤثر على استخدام الطاقة للإضاءة والتبريد. استخدام معايير CIE يضيف مصداقية. العيب الرئيسي، الذي يعترف به المؤلفون بتسمية النموذج "مبسط"، هو التبسيط الكبير للفيزياء. اختزال التركيبات الضوئية المعقدة إلى مصادر نقطية واستخدام طريقة المتوسط الموزون للانعكاسات المتبادلة (تشبه تقريبًا تقريبي لعامل الشكل الخام) سيؤدي حتمًا إلى إدخال أخطاء في المساحات المعقدة أو غير المنتشرة أو التي بها عوائق. وهذا يتناقض بشكل حاد مع تقنيات التصيير عالية الدقة القائمة على الفيزياء المستخدمة في أبحاث رسومات الحاسوب، مثل تلك المبنية على معادلة التصيير الأساسية لكاجيا.
رؤى قابلة للتنفيذ: بالنسبة للممارسين، هذه الأداة قيمة لدراسات التصميم المقارنة في المراحل المبكرة حيث السرعة هي المفتاح. ومع ذلك، للامتثال لتصميم الإضاءة النهائي أو تحليل الراحة البصرية التفصيلي، تبقى برامج الإضاءة المخصصة (مثل الأدوات القائمة على Radiance) ضرورية. المسار المستقبلي واضح: النموذج يخدم كأساس جيد. يجب أن تكون الخطوة التالية نهجًا متدرجًا - باستخدام النموذج البسيط للتكرارات السريعة وتشغيل حسابات الراديوسيتي أو تعيين الفوتونات الأكثر دقة (مثل تلك الموجودة في مجموعة Radiance مفتوحة المصدر) للمشاهد الحرجة أو التحقق النهائي، مما يخلق بيئة محاكاة هجينة متعددة الدقة.
4. التفاصيل التقنية والصياغة الرياضية
الحساب الأساسي، كما تشير إليه الورقة، يتضمن جمع المكونات المباشرة والمنتشرة. تحكم الاستضاءة المباشرة $E_{direct}$ عند نقطة بقانون التربيع العكسي وجيب تمام زاوية السقوط، مستمدة من شدة الإضاءة للمصدر $I(\theta)$ المعطاة بواسطة ملفه القياسي الضوئي:
$E_{direct} = \frac{I(\theta) \cdot \cos(\alpha)}{d^2}$
حيث $d$ هي المسافة من نقطة المصدر إلى النقطة المضاءة، و $\alpha$ هي الزاوية بين اتجاه الضوء والعمودي على السطح.
يتم تقريب الاستضاءة المنتشرة $E_{diffuse}$ كدالة للمكون المباشر وانعكاسية أسطح الغرفة. إحدى الطرق المبسطة الشائعة (التي أُشير إليها بـ "الترجيح") هي استخدام الانعكاسية المتوسطة $\rho_{avg}$ وعامل الانعكاس المتبادل، غالبًا ما يُشتق من "طريقة اللومن" أو تقريبات عامل الشكل البسيطة:
$E_{diffuse} \approx E_{direct} \cdot \frac{\rho_{avg}}{1 - \rho_{avg}}$ (أو صياغة مماثلة تأخذ في الاعتبار هندسة الغرفة).
إذن الاستضاءة الكلية $E_{total}$ هي: $E_{total} = E_{direct} + E_{diffuse}$.
5. النتائج التجريبية ووصف المخططات
تطبق الورقة حالات اختبار CIE (التطبيقات 1 و 3 من TC-3-33) على CODYRUN. بينما لم يتم تفصيل نتائج رقمية محددة في المقتطف المقدم، فإن الغرض من مثل هذه الحالات الاختبارية هو عادةً مقارنة قيم الاستضاءة المحسوبة بواسطة البرنامج عند نقاط شبكية محددة مقابل قيم مرجعية أو نتائج من برامج أخرى مُتحقق من صحتها.
الشكل 1: مصدر الضوء المباشر – يصور هذا المخطط التخطيطي مقطعًا عرضيًا مبسطًا للغرفة. يظهر مصدر ضوء نقطي على السقف. خط مستقيم (شعاع) يربط هذا المصدر بنقطة محددة على مستوى العمل الأفقي (مثل مكتب). تم الإشارة إلى زاوية السقوط. يحدد هذا الشكل المرئي المتغيرات (المسافة، الزاوية) المستخدمة في حساب الاستضاءة المباشرة.
الشكل 2: الضوء المنتشر – يوضح هذا الرسم مفهوم الانعكاس المتبادل. من المحتمل أنه يظهر نفس الغرفة، ولكن الآن مع أسهم متعددة ترتد بين الجدران والسقف والأرضية قبل أن تصل في النهاية إلى نقطة مستوى العمل. يمثل هذا المكون المنتشر الذي لا يأتي مباشرة من المصدر ولكن من الانعكاسات، مؤكدًا على اعتماده على ألوان الأسطح (الانعكاسية).
6. إطار التحليل: حالة مثال
السيناريو: تقييم أداء الإضاءة وتأثير حمل التبريد المرتبط به للتحول من تركيبات الفلورسنت المعلقة إلى ألواح LED في غرفة مكتبية قياسية مقاس 5م × 5م × 3م.
تطبيق الإطار باستخدام نموذج CODYRUN:
- تعريف المدخلات: إنشاء نسختين من النموذج في CODYRUN. النسخة أ: استخدام بيانات قياس ضوئي (ملف IES/LDT) للتركيبة الفلورسنت الحالية. النسخة ب: استخدام بيانات قياس ضوئي للوح LED المقترح. تعريف نفس ارتفاع مستوى العمل (0.75م) وشبكة نقاط الحساب.
- تنفيذ المحاكاة: تشغيل محاكاة الإضاءة لكلا النسختين. سيقوم النموذج المبسط بحساب $E_{total}$ عند كل نقطة شبكية. في الوقت نفسه، ستحسب محرك الحرارة في CODYRUN كسب الحرارة من أنظمة الإضاءة (بناءً على استهلاكها بالواط وكسرها الإشعاعي).
- التحليل:
- مقاييس الإضاءة: مقارنة متوسط الاستضاءة، نسبة الانتظام (الحد الأدنى/المتوسط)، والامتثال للمعايير مثل EN 12464-1.
- تأثير الطاقة: مقارنة كثافة قدرة الإضاءة (LPD).
- التأثير الحراري: تحليل الفرق في حمل التبريد المحسوس بسبب التغيير في كسب حرارة الإضاءة.
- فحص التحقق: بالنسبة للنقاط الحرجة (مثل تحت النافذة، في زاوية)، التحقق الفوري من قيم الاستضاءة مقابل حساب سريع باستخدام DIALux أو صيغة يدوية لتقييم الخطأ الناتج عن التبسيط.
7. آفاق التطبيق والاتجاهات المستقبلية
يفتح دمج محاكاة الإضاءة في أدوات أداء المبنى المتكاملة مثل CODYRUN عدة مسارات مستقبلية:
- التحكم الهجين في الإضاءة النهارية والاصطناعية: الخطوة المنطقية التالية هي دمج نموذج إضاءة نهارية مُتحقق من صحته (مثلًا، بناءً على نموذج سماء بيريز). هذا سيمكن من محاكاة استراتيجيات التحكم الديناميكي للأضواء الكهربائية بناءً على ضوء النهار المتاح، وهو أمر بالغ الأهمية للتنبؤ بتوفير الطاقة في العالم الحقيقي.
- الراحة البصرية والتأثيرات غير البصرية: الانتقال إلى ما هو أبعد من الاستضاءة البسيطة للتنبؤ بمقاييس مثل احتمالية الوهاء النهاري (DGP)، وتقييم الوهاء الموحد (UGR)، والتحفيز اليومي. يتوافق هذا مع التركيز المتزايد على الصحة والرفاهية في المباني، كما هو موضح في معيار WELL Building Standard.
- تدرج دقة النموذج: تطوير إطار محاكاة تكيفي حيث يتكيف مستوى التفصيل في نموذج الإضاءة بناءً على مرحلة التحليل - نماذج بسيطة للاستكشاف البارامتري، وتشغيل آلي لمحاكاة Radiance عالية الدقة للتحقق النهائي من التصميم.
- التكامل مع BIM والتحكم في الوقت الفعلي: استخدام نواة المحاكاة لإعلام أنظمة إدارة المباني (BMS) في الوقت الفعلي أو لتوليد بيانات لتدريب نماذج التعلم الآلي للتحكم التنبئي في الإضاءة.
8. المراجع
- برنامج CODYRUN. مختبر فيزياء المباني والأنظمة (L.P.B.S).
- CIE. (السنة). حالات الاختبار لتقييم برامج الإضاءة. اللجنة الدولية للإضاءة، اللجنة الفنية TC-3-33.
- Reinhart, C. F. (2014). Daylighting Handbook I & II. Building Technology Press.
- Kajiya, J. T. (1986). The Rendering Equation. ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 20(4), 143–150.
- DIALux. DIAL GmbH.
- CALCULUX. Philips Lighting (Signify).
- ASHRAE. (2019). Standard 140-2017, Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs.
- Ward, G. J. (1994). The RADIANCE lighting simulation and rendering system. Proceedings of the 21st Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques (SIGGRAPH '94), 459–472.