فهرست مطالب
1. مقدمه
این مقاله یک مطالعه اعتبارسنجی از قابلیتهای شبیهسازی روشنایی مصنوعی در نرمافزار CODYRUN ارائه میدهد. CODYRUN یک ابزار محاسباتی برای شبیهسازی هوایی و حرارتی در ساختمانها است که توسط آزمایشگاه فیزیک و سیستمهای ساختمان (L.P.B.S) توسعه یافته است. این مطالعه با هدف ارزیابی قابلیت اطمینان نرمافزار در شبیهسازی این پدیده فیزیکی خاص آغاز شد تا محدودیتها و پتانسیلهای بهبود آن شناسایی شود. اعتبارسنجی با استفاده از موارد آزمون (بهطور خاص سناریوهای 1 و 3) توسعهیافته توسط کارگروه 3 کمیته فنی 33 کمیسیون بینالمللی روشنایی (CIE) انجام شده است که رویههای استانداردی برای ارزیابی نرمافزارهای شبیهسازی روشنایی فراهم میکند.
2. مدل سادهشده جدید برای محاسبه روشنایی داخلی
برای تعیین کمّی روشنایی داخلی، CODYRUN چندین مدل ترکیبی را که هر دو مؤلفه نور مصنوعی مستقیم و پخششده را در نظر میگیرند، یکپارچه میکند. مدل سادهشده جدید معرفیشده از نظر مفهومی مشابه مدلهای مورد استفاده در نرمافزارهای طراحی روشنایی شناختهشدهای مانند DIALux و CALCULUX است.
2.1 فرضیات شبیهسازی در CODYRUN
این مدل تحت چند فرض کلیدی عمل میکند: پراکندگی نور لامبرتی در نظر گرفته میشود (یکنواخت در همه جهات)؛ چراغها با دادههای فوتومتریک ارائهشده توسط سازنده مشخص میشوند و به یک منبع نقطهای در مرکز ثقل خود تقلیل مییابند؛ و هیچ مانعی بین منبع نور و نقطه روشنشده روی صفحه کار وجود ندارد.
2.2 بخش مستقیم روشنایی (از منبع نور مصنوعی)
شدت روشنایی مستقیم در یک نقطه روی صفحه کار بر اساس ریختشناسی منبع و زاویه فضایی تشکیلشده در نقطه روشنشده نسبت به منبع محاسبه میشود. شکل 1 این مفهوم را نشان میدهد و انتشار نور از یک منبع نصبشده روی سقف به یک نقطه روی صفحه کار را به تصویر میکشد.
2.3 بخش پخششده روشنایی (از بازتابهای داخلی)
مؤلفه پخششده ناشی از بازتابهای متقابل نور مستقیم از سطوح داخلی اتاق (دیوارها، سقف، کف) است. این مؤلفه به بازتابندگی (رنگ) این سطوح بستگی دارد. مدل CODYRUN این را با وزندهی شدت روشنایی مستقیم با ضریب بازتاب متوسط دیوارهای داخلی محاسبه میکند، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است.
3. بینش کلیدی: دیدگاه تحلیلگر
بینش کلیدی: این کار نمایانگر رویکردی عملگرا و متمرکز بر مهندسی برای اعتبارسنجی است که کارایی محاسباتی و ادغام در یک پلتفرم چندفیزیکی موجود (CODYRUN) را بر تلاش برای دستیابی به بالاترین دقت فیزیکی ممکن اولویت میدهد. انتخاب یک مدل سادهشده و نیمهجزئینگر به جای روشهای دقیقتری مانند رادیوزیتی یا رهیابی پرتو، یک مصالحه راهبردی است.
جریان منطقی: منطق مقاله سرراست و قابل دفاع است: 1) شناسایی یک شکاف (عدم وجود روشنایی اعتبارسنجیشده در یک شبیهساز حرارتی). 2) اتخاذ/توسعه یک مدل سبک از نظر محاسباتی که مناسب برای ادغام باشد. 3) اعتبارسنجی آن در برابر یک معیار استاندارد صنعتی (موارد آزمون CIE). این یک گردش کار کلاسیک تأیید و اعتبارسنجی نرمافزار (V&V) است، مشابه روشهای مطرحشده در استاندارد 140 انجمن ASHRAE یا رویههای BESTEST برای شبیهسازی انرژی ساختمان.
نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت اصلی، خود ادغام است. ترکیب روشنایی با شبیهسازی حرارتی و جریان هوا برای تحلیل عملکرد کلی ساختمان حیاتی است و بر مصرف انرژی برای روشنایی و سرمایش تأثیر میگذارد. استفاده از معیارهای CIE اعتبار میافزاید. ضعف اصلی، که نویسندگان با نامیدن مدل به عنوان "سادهشده" به آن اذعان دارند، سادهسازی قابل توجه فیزیک است. تقلیل چراغهای پیچیده به منابع نقطهای و استفاده از یک روش میانگین موزون برای بازتابهای متقابل (شبیه به یک تقریب خام فاکتور شکل) به ناچار در فضاهای پیچیده، غیرپخش یا دارای مانع خطا ایجاد خواهد کرد. این به شدت با تکنیکهای رندرینگ با وفاداری بالا و مبتنی بر فیزیک مورد استفاده در تحقیقات گرافیک کامپیوتری، مانند آنهایی که بر اساس معادله رندرینگ بنیادین کاجیا ساخته شدهاند، در تضاد است.
بینشهای قابل اجرا: برای متخصصان، این ابزار برای مطالعات طراحی مقایسهای در مراحل اولیه که سرعت کلیدی است، ارزشمند است. با این حال، برای تطابق نهایی طراحی روشنایی یا تحلیل دقیق آسایش بصری، نرمافزارهای تخصصی روشنایی (مانند ابزارهای مبتنی بر Radiance) همچنان ضروری هستند. مسیر آینده روشن است: این مدل به عنوان یک پایه خوب عمل میکند. گام بعدی باید یک رویکرد لایهای باشد - استفاده از مدل ساده برای تکرارهای سریع و فعالسازی محاسبات دقیقتر رادیوزیتی یا نقشهبرداری فوتون (مانند آنهایی که در مجموعه نرمافزاری متنباز Radiance وجود دارد) برای دیدگاههای بحرانی یا اعتبارسنجی نهایی، تا یک محیط شبیهسازی ترکیبی چند-وفاداری ایجاد شود.
4. جزئیات فنی و فرمولبندی ریاضی
محاسبه اصلی، همانطور که در مقاله اشاره شده، شامل جمعزدن مؤلفههای مستقیم و پخششده است. شدت روشنایی مستقیم $E_{direct}$ در یک نقطه تابع قانون مربع معکوس و کسینوس زاویه تابش است که از شدت نورانی منبع $I(\theta)$ دادهشده توسط فایل فوتومتریک آن به دست میآید:
$E_{direct} = \frac{I(\theta) \cdot \cos(\alpha)}{d^2}$
که در آن $d$ فاصله از نقطه منبع تا نقطه روشنشده است و $\alpha$ زاویه بین جهت نور و نرمال سطح است.
شدت روشنایی پخششده $E_{diffuse}$ به عنوان تابعی از مؤلفه مستقیم و بازتابندگی سطوح اتاق تقریب زده میشود. یک روش سادهشده رایج (که با "وزندهی" به آن اشاره شده) استفاده از بازتابندگی متوسط $\rho_{avg}$ و یک فاکتور بازتاب متقابل است که اغلب از "روش لومن" یا تقریبهای ساده فاکتور شکل استخراج میشود:
$E_{diffuse} \approx E_{direct} \cdot \frac{\rho_{avg}}{1 - \rho_{avg}}$ (یا یک فرمولبندی مشابه که هندسه اتاق را در نظر میگیرد).
شدت روشنایی کل $E_{total}$ سپس برابر است با: $E_{total} = E_{direct} + E_{diffuse}$.
5. نتایج آزمایشی و توصیف نمودار
مقاله موارد آزمون CIE (سناریوهای 1 و 3 از TC-3-33) را بر روی CODYRUN اعمال میکند. اگرچه نتایج عددی خاص در بخش ارائهشده جزئیات داده نشده است، هدف چنین موارد آزمونی معمولاً مقایسه مقادیر شدت روشنایی محاسبهشده توسط نرمافزار در نقاط شبکه مشخصشده با مقادیر مرجع یا نتایج سایر نرمافزارهای اعتبارسنجیشده است.
شکل 1: منبع نور مستقیم – این شماتیک یک مقطع سادهشده اتاق را نشان میدهد. یک منبع نور نقطهای روی سقف نمایش داده شده است. یک خط مستقیم (پرتو) این منبع را به یک نقطه خاص روی صفحه کار افقی (مانند یک میز) متصل میکند. زاویه تابش نشان داده شده است. این شکل به صورت بصری متغیرهای مورد استفاده در محاسبه شدت روشنایی مستقیم (فاصله، زاویه) را تعریف میکند.
شکل 2: نور پخششده – این نمودار مفهوم بازتاب متقابل را نشان میدهد. احتمالاً همان اتاق را نشان میدهد، اما این بار با چندین پیکان که بین دیوارها، سقف و کف برخورد میکنند و در نهایت به نقطه صفحه کار میرسند. این نمایانگر مؤلفه پخششدهای است که مستقیماً از منبع نمیآید بلکه از بازتابها ناشی میشود و وابستگی آن به رنگ سطوح (بازتابندگی) را تأکید میکند.
6. چارچوب تحلیل: یک مثال موردی
سناریو: ارزیابی عملکرد روشنایی و تأثیر مرتبط بار سرمایشی ناشی از تعویض چراغهای فلورسنت توکار با پنلهای LED در یک اتاق اداری استاندارد به ابعاد 5 متر در 5 متر در 3 متر.
کاربرد چارچوب با استفاده از مدل CODYRUN:
- تعریف ورودی: ایجاد دو گونه مدل در CODYRUN. گونه الف: استفاده از دادههای فوتومتریک (فایل IES/LDT) برای چراغ فلورسنت موجود. گونه ب: استفاده از دادههای فوتومتریک برای پنل LED پیشنهادی. تعریف ارتفاع یکسان صفحه کار (0.75 متر) و شبکه نقاط محاسبه.
- اجرای شبیهسازی: اجرای شبیهسازی روشنایی برای هر دو گونه. مدل سادهشده $E_{total}$ را در هر نقطه شبکه محاسبه خواهد کرد. همزمان، موتور حرارتی CODYRUN کسب حرارت از سیستمهای روشنایی (بر اساس توان و کسر تابشی آنها) را محاسبه خواهد کرد.
- تحلیل:
- معیارهای روشنایی: مقایسه شدت روشنایی متوسط، نسبت یکنواختی (حداقل/متوسط) و تطابق با استانداردهایی مانند EN 12464-1.
- تأثیر انرژی: مقایسه چگالی توان روشنایی (LPD).
- تأثیر حرارتی: تحلیل تفاوت در بار سرمایشی محسوس ناشی از تغییر کسب حرارت روشنایی.
- بررسی اعتبارسنجی: برای نقاط بحرانی (مانند زیر پنجره، در گوشه)، مقادیر شدت روشنایی را به صورت نقطهای با یک محاسبه سریع با استفاده از DIALux یا یک فرمول دستی مقایسه کنید تا خطای ناشی از سادهسازی را بسنجید.
7. چشمانداز کاربرد و جهتگیریهای آینده
ادغام شبیهسازی روشنایی در ابزارهای عملکرد کل ساختمان مانند CODYRUN چندین مسیر آینده را باز میکند:
- کنترل ترکیبی نور روز و روشنایی مصنوعی: گام منطقی بعدی، ادغام یک مدل اعتبارسنجیشده نور روز (مانند مدل مبتنی بر آسمان پرز) است. این امر امکان شبیهسازی راهبردهای کنترل پویا برای چراغهای الکتریکی بر اساس نور روز موجود را فراهم میکند که برای پیشبینی صرفهجویی انرژی واقعی حیاتی است.
- آسایش بصری و اثرات غیربصری: فراتر رفتن از شدت روشنایی ساده برای پیشبینی معیارهایی مانند احتمال خیرگی نور روز (DGP)، درجه خیرگی یکپارچه (UGR) و تحریک ریتم شبانهروزی. این با تمرکز فزاینده بر سلامت و رفاه در ساختمانها، همانطور که در استاندارد ساختمان WELL دیده میشود، همسو است.
- مقیاسبندی وفاداری مدل: توسعه یک چارچوب شبیهسازی تطبیقی که در آن سطح جزئیات در مدل روشنایی بر اساس فاز تحلیل تنظیم میشود - مدلهای ساده برای اکتشاف پارامتریک، و فعالسازی خودکار شبیهسازیهای با وفاداری بالای Radiance برای اعتبارسنجی نهایی طراحی.
- ادغام با BIM و کنترل زمان واقعی: استفاده از هسته شبیهسازی برای اطلاعرسانی به سیستمهای مدیریت ساختمان (BMS) زمان واقعی یا برای تولید داده جهت آموزش مدلهای یادگیری ماشین برای کنترل پیشبینانه روشنایی.
8. مراجع
- نرمافزار CODYRUN. آزمایشگاه فیزیک و سیستمهای ساختمان (L.P.B.S).
- CIE. (سال). موارد آزمون برای ارزیابی نرمافزار روشنایی. کمیسیون بینالمللی روشنایی، کمیته فنی 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.