विषय सूची
1. परिचय
यह शोधपत्र CODYRUN सॉफ्टवेयर के भीतर कृत्रिम प्रकाश सिमुलेशन क्षमताओं के एक सत्यापन अध्ययन को प्रस्तुत करता है। CODYRUN, लेबोरेटरी ऑफ बिल्डिंग फिजिक्स एंड सिस्टम्स (L.P.B.S) द्वारा विकसित, भवनों में वायुगतिकीय और तापीय सिमुलेशन के लिए एक कम्प्यूटेशनल उपकरण है। इस विशिष्ट भौतिक घटना के सिमुलेशन में सॉफ्टवेयर की विश्वसनीयता का आकलन करने, इसकी सीमाओं और सुधार की संभावनाओं की पहचान करने के उद्देश्य से यह अध्ययन शुरू किया गया था। सत्यापन अंतर्राष्ट्रीय प्रकाशन आयोग (CIE) के टास्क-3 TC-33 द्वारा विकसित परीक्षण मामलों (विशेष रूप से परिदृश्य 1 और 3) का लाभ उठाता है, जो प्रकाश सिमुलेशन सॉफ्टवेयर के मूल्यांकन के लिए मानकीकृत प्रक्रियाएं प्रदान करता है।
2. इनडोर प्रकाश गणना के लिए नया सरलीकृत मॉडल
इनडोर प्रकाश को मात्रात्मक रूप से निर्धारित करने के लिए, CODYRUN प्रत्यक्ष और विसरित दोनों कृत्रिम प्रकाश घटकों को ध्यान में रखते हुए कई संयुक्त मॉडलों को एकीकृत करता है। नव प्रस्तुत सरलीकृत मॉडल संकल्पनात्मक रूप से DIALux और CALCULUX जैसे स्थापित प्रकाश डिजाइन सॉफ्टवेयर में उपयोग किए जाने वाले मॉडलों के समान है।
2.1 CODYRUN में सिमुलेशन की परिकल्पना
मॉडल कई प्रमुख मान्यताओं के तहत कार्य करता है: प्रकाश प्रकीर्णन को लैम्बर्टियन माना जाता है (सभी दिशाओं में एकसमान); ल्यूमिनेयर निर्माता-प्रदत्त फोटोमेट्रिक डेटा द्वारा चित्रित किए जाते हैं और उनके गुरुत्वाकर्षण केंद्र पर एक बिंदु स्रोत तक सीमित होते हैं; और प्रकाश स्रोत और कार्य तल पर प्रकाशित बिंदु के बीच कोई अवरोध नहीं होता है।
2.2 प्रकाश का प्रत्यक्ष भाग (कृत्रिम प्रकाश स्रोत से)
कार्य तल पर एक बिंदु पर प्रत्यक्ष प्रदीप्ति की गणना स्रोत की आकृति विज्ञान और प्रकाशित बिंदु पर स्रोत के सापेक्ष घन कोण के आधार पर की जाती है। चित्र 1 इस अवधारणा को दर्शाता है, जो छत पर लगे स्रोत से कार्य तल पर एक बिंदु तक प्रकाश प्रसार को दिखाता है।
2.3 प्रकाश का विसरित भाग (इनडोर अंतर्वर्ती परावर्तन से)
विसरित घटक कमरे की आंतरिक सतहों (दीवारें, छत, फर्श) से प्रत्यक्ष प्रकाश के अंतर्वर्ती परावर्तन के परिणामस्वरूप उत्पन्न होता है। यह घटक इन सतहों की परावर्तन क्षमता (रंग) पर निर्भर करता है। CODYRUN का मॉडल इसे आंतरिक दीवारों के औसत परावर्तन गुणांक द्वारा प्रत्यक्ष प्रदीप्ति को भारित करके गणना करता है, जैसा कि चित्र 2 में दर्शाया गया है।
3. मूल अंतर्दृष्टि: विश्लेषक का परिप्रेक्ष्य
मूल अंतर्दृष्टि: यह कार्य सत्यापन के लिए एक व्यावहारिक, इंजीनियरिंग-केंद्रित दृष्टिकोण का प्रतिनिधित्व करता है, जो संभावित उच्चतम भौतिक सटीकता की खोज पर कम्प्यूटेशनल दक्षता और एक मौजूदा बहु-भौतिकी प्लेटफॉर्म (CODYRUN) में एकीकरण को प्राथमिकता देता है। रेडियोसिटी या रे ट्रेसिंग जैसी अधिक कठोर विधियों पर एक सरलीकृत, अर्ध-विस्तृत मॉडल का चयन एक रणनीतिक समझौता है।
तार्किक प्रवाह: शोधपत्र का तर्क सीधा और बचाव योग्य है: 1) एक अंतराल की पहचान करना (एक तापीय सिम्युलेटर में सत्यापित प्रकाश की कमी)। 2) एकीकरण के लिए उपयुक्त कम्प्यूटेशनल रूप से हल्के मॉडल को अपनाना/विकसित करना। 3) इसे एक उद्योग-मानक बेंचमार्क (CIE परीक्षण मामलों) के विरुद्ध सत्यापित करना। यह एक क्लासिक सॉफ्टवेयर V&V (सत्यापन और मान्यकरण) वर्कफ़्लो है, जो भवन ऊर्जा सिमुलेशन के लिए ASHRAE मानक 140 या BESTEST प्रक्रियाओं में चर्चित पद्धतियों के समान है।
शक्तियाँ और दोष: प्राथमिक शक्ति एकीकरण ही है। समग्र भवन प्रदर्शन विश्लेषण के लिए प्रकाश को तापीय और वायु प्रवाह सिमुलेशन के साथ जोड़ना महत्वपूर्ण है, जो प्रकाश और शीतलन के लिए ऊर्जा उपयोग को प्रभावित करता है। CIE बेंचमार्क का उपयोग विश्वसनीयता जोड़ता है। प्रमुख दोष, जिसे लेखक मॉडल को "सरलीकृत" कहकर स्वीकार करते हैं, भौतिकी का महत्वपूर्ण सरलीकरण है। जटिल ल्यूमिनेयर को बिंदु स्रोतों में कम करना और अंतर्वर्ती परावर्तन के लिए भारित-औसत विधि (एक अपरिष्कृत फॉर्म फैक्टर सन्निकटन के समान) का उपयोग करना जटिल, गैर-विसरित, या अवरुद्ध स्थानों में अनिवार्य रूप से त्रुटियां पैदा करेगा। यह कंप्यूटर ग्राफिक्स अनुसंधान में उपयोग की जाने वाली उच्च-निष्ठा, भौतिक-आधारित रेंडरिंग तकनीकों के विपरीत है, जैसे कि कजीया द्वारा मौलिक रेंडरिंग समीकरण पर आधारित तकनीकें।
कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: व्यवसायियों के लिए, यह उपकरण प्रारंभिक-चरण, तुलनात्मक डिजाइन अध्ययनों के लिए मूल्यवान है जहां गति महत्वपूर्ण है। हालांकि, अंतिम प्रकाश डिजाइन अनुपालन या विस्तृत दृश्य आराम विश्लेषण के लिए, समर्पित प्रकाश सॉफ्टवेयर (जैसे, रेडिएंस-आधारित उपकरण) आवश्यक बने रहते हैं। भविष्य का मार्ग स्पष्ट है: मॉडल एक अच्छा आधार प्रदान करता है। अगला कदम एक स्तरीय दृष्टिकोण होना चाहिए—त्वरित पुनरावृत्तियों के लिए सरल मॉडल का उपयोग करना और महत्वपूर्ण दृश्यों या अंतिम सत्यापन के लिए अधिक सटीक रेडियोसिटी या फोटॉन मैपिंग गणनाओं (जैसे कि ओपन-सोर्स रेडिएंस सूट में) को ट्रिगर करना, एक संकर बहु-निष्ठा सिमुलेशन वातावरण बनाना।
4. तकनीकी विवरण और गणितीय सूत्रीकरण
मूल गणना, जैसा कि शोधपत्र द्वारा संकेत दिया गया है, में प्रत्यक्ष और विसरित घटकों का योग शामिल है। एक बिंदु पर प्रत्यक्ष प्रदीप्ति $E_{direct}$ व्युत्क्रम वर्ग नियम और आपतन कोण की कोज्या द्वारा नियंत्रित होती है, जो स्रोत की दीप्त तीव्रता $I(\theta)$ से प्राप्त होती है जो इसकी फोटोमेट्रिक फ़ाइल द्वारा दी जाती है:
$E_{direct} = \frac{I(\theta) \cdot \cos(\alpha)}{d^2}$
जहां $d$ स्रोत बिंदु से प्रकाशित बिंदु तक की दूरी है, और $\alpha$ प्रकाश दिशा और सतह सामान्य के बीच का कोण है।
विसरित प्रदीप्ति $E_{diffuse}$ को प्रत्यक्ष घटक और कमरे की सतह परावर्तन क्षमताओं के एक फ़ंक्शन के रूप में अनुमानित किया जाता है। एक सामान्य सरलीकृत विधि ("भारित" द्वारा संकेतित) औसत परावर्तन क्षमता $\rho_{avg}$ और एक अंतर्वर्ती परावर्तन कारक का उपयोग करना है, जो अक्सर "लुमेन विधि" या सरल फॉर्म-फैक्टर सन्निकटन से प्राप्त होता है:
$E_{diffuse} \approx E_{direct} \cdot \frac{\rho_{avg}}{1 - \rho_{avg}}$ (या कमरे की ज्यामिति को ध्यान में रखते हुए एक समान सूत्रीकरण)।
कुल प्रदीप्ति $E_{total}$ तब है: $E_{total} = E_{direct} + E_{diffuse}$.
5. प्रायोगिक परिणाम और चार्ट विवरण
शोधपत्र CIE परीक्षण मामलों (TC-3-33 से परिदृश्य 1 और 3) को CODYRUN पर लागू करता है। हालांकि विशिष्ट संख्यात्मक परिणाम प्रदत्त अंश में विस्तृत नहीं हैं, ऐसे परीक्षण मामलों का उद्देश्य आमतौर पर निर्दिष्ट ग्रिड बिंदुओं पर सॉफ्टवेयर-गणना की गई प्रदीप्ति मानों की तुलना संदर्भ मानों या अन्य सत्यापित सॉफ्टवेयर के परिणामों से करना होता है।
चित्र 1: प्रत्यक्ष प्रकाश स्रोत – यह रेखाचित्र एक सरलीकृत कमरे के क्रॉस-सेक्शन को दर्शाता है। छत पर एक बिंदु प्रकाश स्रोत दिखाया गया है। एक सीधी रेखा (किरण) इस स्रोत को क्षैतिज कार्य तल (जैसे, एक डेस्क) पर एक विशिष्ट बिंदु से जोड़ती है। आपतन कोण दर्शाया गया है। यह चित्र प्रत्यक्ष प्रदीप्ति गणना में उपयोग किए गए चरों (दूरी, कोण) को दृश्य रूप से परिभाषित करता है।
चित्र 2: विसरित प्रकाश – यह आरेख अंतर्वर्ती परावर्तन की अवधारणा को दर्शाता है। यह संभवतः उसी कमरे को दिखाता है, लेकिन अब कार्य तल बिंदु तक पहुंचने से पहले दीवारों, छत और फर्श के बीच उछलती कई तीरों के साथ। यह विसरित घटक का प्रतिनिधित्व करता है जो सीधे स्रोत से नहीं बल्कि परावर्तनों से आ रहा है, जो सतह के रंगों (परावर्तन क्षमता) पर इसकी निर्भरता पर जोर देता है।
6. विश्लेषण ढांचा: उदाहरण मामला
परिदृश्य: एक मानक 5m x 5m x 3m कार्यालय कक्ष में फ्लोरोसेंट ट्रॉफर्स से LED पैनलों में बदलाव के प्रकाश प्रदर्शन और संबद्ध शीतलन भार प्रभाव का मूल्यांकन करना।
CODYRUN के मॉडल का उपयोग करते हुए ढांचा अनुप्रयोग:
- इनपुट परिभाषा: CODYRUN में दो मॉडल प्रकार बनाएं। प्रकार A: मौजूदा फ्लोरोसेंट ल्यूमिनेयर के लिए फोटोमेट्रिक डेटा (IES/LDT फ़ाइल) का उपयोग करें। प्रकार B: प्रस्तावित LED पैनल के लिए फोटोमेट्रिक डेटा का उपयोग करें। समान कार्य तल ऊंचाई (0.75m) और गणना बिंदुओं के ग्रिड को परिभाषित करें।
- सिमुलेशन निष्पादन: दोनों प्रकारों के लिए प्रकाश सिमुलेशन चलाएं। सरलीकृत मॉडल प्रत्येक ग्रिड बिंदु पर $E_{total}$ की गणना करेगा। साथ ही, CODYRUN का तापीय इंजन प्रकाश प्रणालियों से ऊष्मा लाभ (उनकी वाट क्षमता और विकिरण अंश के आधार पर) की गणना करेगा।
- विश्लेषण:
- प्रकाश मेट्रिक्स: औसत प्रदीप्ति, एकरूपता अनुपात (न्यूनतम/औसत), और EN 12464-1 जैसे मानकों के अनुपालन की तुलना करें।
- ऊर्जा प्रभाव: प्रकाश शक्ति घनत्व (LPD) की तुलना करें।
- तापीय प्रभाव: प्रकाश ऊष्मा लाभ में परिवर्तन के कारण संवेदी शीतलन भार में अंतर का विश्लेषण करें।
- सत्यापन जांच: महत्वपूर्ण बिंदुओं (जैसे, एक खिड़की के नीचे, एक कोने में) के लिए, सरलीकरण द्वारा पेश की गई त्रुटि का आकलन करने के लिए DIALux या एक मैनुअल सूत्र का उपयोग करके त्वरित गणना के विरुद्ध प्रदीप्ति मानों की स्पॉट-जांच करें।
7. अनुप्रयोग संभावनाएं और भविष्य की दिशाएं
CODYRUN जैसे संपूर्ण-भवन प्रदर्शन उपकरणों में प्रकाश सिमुलेशन का एकीकरण कई भविष्य की संभावनाएं खोलता है:
- दिन के प्रकाश और कृत्रिम प्रकाश संकर नियंत्रण: अगला तार्किक कदम एक सत्यापित दिन के प्रकाश मॉडल (जैसे, पेरेज़ आकाश मॉडल पर आधारित) को एकीकृत करना है। यह उपलब्ध दिन के प्रकाश के आधार पर विद्युत प्रकाशों के लिए गतिशील नियंत्रण रणनीतियों के सिमुलेशन को सक्षम करेगा, जो वास्तविक दुनिया की ऊर्जा बचत की भविष्यवाणी के लिए महत्वपूर्ण है।
- दृश्य आराम और गैर-दृश्य प्रभाव: सरल प्रदीप्ति से आगे बढ़कर डेलाइट ग्लेयर प्रोबेबिलिटी (DGP), यूनिफाइड ग्लेयर रेटिंग (UGR), और सर्केडियन उत्तेजना जैसे मेट्रिक्स की भविष्यवाणी करना। यह भवनों में स्वास्थ्य और कल्याण पर बढ़ते ध्यान के साथ संरेखित होता है, जैसा कि WELL बिल्डिंग स्टैंडर्ड में देखा गया है।
- मॉडल निष्ठा स्केलिंग: एक अनुकूली सिमुलेशन ढांचा विकसित करना जहां प्रकाश मॉडल में विस्तार का स्तर विश्लेषण चरण के आधार पर समायोजित होता है—पैरामीट्रिक अन्वेषण के लिए सरल मॉडल, और अंतिम डिजाइन सत्यापन के लिए उच्च-निष्ठा रेडिएंस सिमुलेशन का स्वचालित ट्रिगरिंग।
- BIM और वास्तविक-समय नियंत्रण के साथ एकीकरण: वास्तविक-समय भवन प्रबंधन प्रणालियों (BMS) को सूचित करने या पूर्वानुमानित प्रकाश नियंत्रण के लिए मशीन लर्निंग मॉडल को प्रशिक्षित करने के लिए डेटा उत्पन्न करने के लिए सिमुलेशन कोर का उपयोग करना।
8. संदर्भ
- CODYRUN सॉफ्टवेयर। लेबोरेटरी ऑफ बिल्डिंग फिजिक्स एंड सिस्टम्स (L.P.B.S)।
- CIE. (वर्ष)। प्रकाश सॉफ्टवेयर के मूल्यांकन के लिए परीक्षण मामले। अंतर्राष्ट्रीय प्रकाशन आयोग, तकनीकी समिति TC-3-33।
- Reinhart, C. F. (2014). डेलाइटिंग हैंडबुक I & II. बिल्डिंग टेक्नोलॉजी प्रेस।
- Kajiya, J. T. (1986). द रेंडरिंग इक्वेशन। ACM SIGGRAPH कंप्यूटर ग्राफिक्स, 20(4), 143–150।
- DIALux. DIAL GmbH.
- CALCULUX. फिलिप्स लाइटिंग (सिग्निफाई)।
- ASHRAE. (2019). मानक 140-2017, भवन ऊर्जा विश्लेषण कंप्यूटर प्रोग्राम के मूल्यांकन के लिए मानक परीक्षण विधि।
- Ward, G. J. (1994). द रेडिएंस लाइटिंग सिमुलेशन एंड रेंडरिंग सिस्टम। 21वीं वार्षिक कंप्यूटर ग्राफिक्स और इंटरैक्टिव तकनीकों पर सम्मेलन की कार्यवाही (SIGGRAPH '94), 459–472।