Верификация моделирования искусственного освещения в CODYRUN: применение к тестовым случаям МКО

Содержание

1. Введение

В данной статье представлено исследование по верификации возможностей моделирования искусственного освещения в программном обеспечении CODYRUN — вычислительном инструменте для аэраулического и теплового моделирования зданий, разработанном Лабораторией строительной физики и систем (L.P.B.S). Исследование было инициировано для оценки надёжности ПО при моделировании данного конкретного физического явления с целью определения его ограничений и потенциала для улучшения. Верификация использует тестовые примеры (а именно сценарии 1 и 3), разработанные Рабочей группой TC-33 Международной комиссии по освещению (МКО), которая предоставляет стандартизированные процедуры для оценки программного обеспечения светотехнического моделирования.

2. Новая упрощённая модель для расчёта внутреннего освещения

Для количественного определения уровня внутреннего освещения CODYRUN интегрирует несколько комбинированных моделей, учитывающих как прямую, так и рассеянную составляющие искусственного света. Вновь введённая упрощённая модель концептуально схожа с моделями, используемыми в известных программах светотехнического проектирования, таких как DIALux и CALCULUX.

2.1 Гипотезы моделирования в CODYRUN

Модель работает на основе нескольких ключевых допущений: рассеяние света считается ламбертовским (равномерным во всех направлениях); светильники характеризуются фотометрическими данными, предоставленными производителем, и сводятся к точечному источнику в их центре тяжести; между источником света и освещаемой точкой на рабочей плоскости отсутствуют препятствия.

2.2 Прямая составляющая освещённости (от искусственного источника света)

Прямая освещённость в точке на рабочей плоскости рассчитывается на основе морфологии источника и телесного угла, под которым он виден из освещаемой точки. Рисунок 1 иллюстрирует эту концепцию, показывая распространение света от потолочного источника до точки на рабочей плоскости.

2.3 Рассеянная составляющая освещённости (от межотражений в помещении)

Рассеянная составляющая возникает в результате межотражений прямого света от внутренних поверхностей помещения (стен, потолка, пола). Эта составляющая зависит от отражательной способности (цвета) этих поверхностей. Модель CODYRUN рассчитывает её путём взвешивания прямой освещённости на средний коэффициент отражения внутренних стен, как показано на Рисунке 2.

3. Ключевая идея: взгляд аналитика

Ключевая идея: Данная работа представляет собой прагматичный, ориентированный на инженерные задачи подход к верификации, отдающий приоритет вычислительной эффективности и интеграции в существующую мультифизическую платформу (CODYRUN) перед стремлением к максимально возможной физической точности. Выбор упрощённой, полудетализированной модели вместо более строгих методов, таких как Radiosity или Ray Tracing, является стратегическим компромиссом.

Логическая последовательность: Логика статьи прямолинейна и обоснованна: 1) Выявить пробел (отсутствие верифицированного модуля освещения в тепловом симуляторе). 2) Принять/разработать вычислительно лёгкую модель, подходящую для интеграции. 3) Верифицировать её на отраслевом стандартном эталоне (тестовые случаи МКО). Это классический рабочий процесс верификации и валидации (V&V) программного обеспечения, аналогичный методологиям, обсуждаемым в стандарте ASHRAE 140 или процедурах BESTEST для моделирования энергопотребления зданий.

Сильные стороны и недостатки: Основная сила — сама интеграция. Совмещение освещения с тепловым и аэродинамическим моделированием критически важно для целостного анализа производительности здания, влияя на энергопотребление систем освещения и охлаждения. Использование эталонов МКО добавляет достоверности. Главный недостаток, который авторы признают, называя модель «упрощённой», — это значительное упрощение физики. Сведение сложных светильников к точечным источникам и использование метода взвешенного среднего для межотражений (аналогичного грубому приближению форм-фактора) неизбежно приведёт к погрешностям в сложных, недиффузных или затенённых пространствах. Это резко контрастирует с высокоточной, физически корректной техникой рендеринга, используемой в исследованиях компьютерной графики, например, основанной на основополагающем уравнении рендеринга Каджии.

Практические выводы: Для практиков этот инструмент ценен для предварительных сравнительных исследований на ранних стадиях проектирования, где важна скорость. Однако для окончательной проверки соответствия нормам освещённости или детального анализа зрительного комфорта специализированное светотехническое ПО (например, на основе Radiance) остаётся необходимым. Путь развития ясен: модель служит хорошей основой. Следующим шагом должен стать многоуровневый подход — использование простой модели для быстрых итераций и запуск более точных расчётов по методу излучательности или фотонного картографирования (как в пакете Radiance) для критических зон или окончательной валидации, создавая гибридную среду моделирования с переменной детализацией.

4. Технические детали и математическая формулировка

Основной расчёт, как следует из статьи, включает суммирование прямой и рассеянной составляющих. Прямая освещённость $E_{direct}$ в точке определяется законом обратных квадратов и косинусом угла падения, выводимым из силы света источника $I(\theta)$, заданной его фотометрическим файлом:

$E_{direct} = \frac{I(\theta) \cdot \cos(\alpha)}{d^2}$

где $d$ — расстояние от точки источника до освещаемой точки, а $\alpha$ — угол между направлением света и нормалью к поверхности.

Рассеянная освещённость $E_{diffuse}$ аппроксимируется как функция прямой составляющей и коэффициентов отражения поверхностей помещения. Распространённый упрощённый метод (на который намекает «взвешивание») использует средний коэффициент отражения $\rho_{avg}$ и фактор межотражений, часто выводимый из «метода люменов» или простых приближений форм-факторов:

$E_{diffuse} \approx E_{direct} \cdot \frac{\rho_{avg}}{1 - \rho_{avg}}$ (или аналогичная формулировка с учётом геометрии помещения).

Полная освещённость $E_{total}$ тогда равна: $E_{total} = E_{direct} + E_{diffuse}$.

5. Экспериментальные результаты и описание графиков

В статье применяются тестовые случаи МКО (Сценарии 1 и 3 из TC-3-33) к CODYRUN. Хотя конкретные численные результаты в предоставленном отрывке не детализированы, цель таких тестовых случаев обычно заключается в сравнении значений освещённости, рассчитанных программным обеспечением в заданных точках сетки, с эталонными значениями или результатами другого верифицированного ПО.

Рисунок 1: Прямой источник света — На этой схеме изображено упрощённое поперечное сечение помещения. На потолке показан точечный источник света. Прямая линия (луч) соединяет этот источник с конкретной точкой на горизонтальной рабочей плоскости (например, на столе). Указан угол падения. Этот рисунок визуально определяет переменные (расстояние, угол), используемые в расчёте прямой освещённости.

Рисунок 2: Рассеянный свет — На этой диаграмме проиллюстрирована концепция межотражений. Вероятно, показано то же помещение, но теперь с несколькими стрелками, отражающимися между стенами, потолком и полом, прежде чем достичь точки на рабочей плоскости. Это представляет рассеянную составляющую, которая исходит не непосредственно от источника, а от отражений, подчёркивая её зависимость от цвета поверхностей (коэффициента отражения).

6. Структура анализа: пример применения

Сценарий: Оценка светотехнических показателей и связанного с ними влияния на нагрузку охлаждения при замене потолочных люминесцентных светильников на светодиодные панели в стандартном офисе размером 5м x 5м x 3м.

Применение структуры с использованием модели CODYRUN:

1. Определение входных данных: Создать два варианта модели в CODYRUN. Вариант А: Использовать фотометрические данные (файл IES/LDT) для существующего люминесцентного светильника. Вариант Б: Использовать фотометрические данные для предлагаемой светодиодной панели. Определить одинаковую высоту рабочей плоскости (0.75м) и сетку расчётных точек.
2. Выполнение моделирования: Запустить моделирование освещения для обоих вариантов. Упрощённая модель рассчитает $E_{total}$ в каждой точке сетки. Одновременно тепловой модуль CODYRUN рассчитает теплопоступления от осветительных систем (на основе их мощности и доли лучистого тепла).
3. Анализ:
   • Светотехнические показатели: Сравнить среднюю освещённость, коэффициент равномерности (мин/ср) и соответствие стандартам, таким как EN 12464-1.
   • Энергетическое воздействие: Сравнить удельную установленную мощность освещения (УУМО).
   • Тепловое воздействие: Проанализировать разницу в явной нагрузке на охлаждение из-за изменения теплопоступлений от освещения.
4. Проверка валидации: Для критических точек (например, под окном, в углу) выборочно проверить значения освещённости с помощью быстрого расчёта в DIALux или по ручной формуле, чтобы оценить погрешность, вносимую упрощением.

Этот интегрированный анализ, хотя и приблизительный, обеспечивает быстрое совместное моделирование для оценки многодоменного эффекта изменения проекта.

7. Перспективы применения и направления развития

Интеграция моделирования освещения в инструменты оценки общей производительности зданий, такие как CODYRUN, открывает несколько перспективных направлений:

• Гибридное управление естественным и искусственным освещением: Следующим логическим шагом является интеграция верифицированной модели естественного освещения (например, на основе модели неба Переса). Это позволит моделировать динамические стратегии управления электрическим светом в зависимости от доступного дневного света, что критически важно для прогнозирования реальной экономии энергии.
• Зрительный комфорт и незрительные эффекты: Переход от простой освещённости к прогнозированию таких показателей, как вероятность ослепления дневным светом (DGP), унифицированный показатель ослеплённости (UGR) и циркадный стимул. Это соответствует растущему вниманию к здоровью и благополучию в зданиях, как это видно в стандарте WELL Building Standard.
• Масштабирование детализации модели: Разработка адаптивной структуры моделирования, где уровень детализации светотехнической модели меняется в зависимости от фазы анализа — простые модели для параметрического исследования и автоматический запуск высокоточных симуляций Radiance для окончательной валидации проекта.
• Интеграция с BIM и системами реального времени: Использование ядра моделирования для информирования систем управления зданием (BMS) в реальном времени или для генерации данных для обучения моделей машинного обучения для предиктивного управления освещением.

8. Список литературы

1. Программное обеспечение CODYRUN. Лаборатория строительной физики и систем (L.P.B.S).
2. МКО. (Год). Тестовые случаи для оценки программного обеспечения освещения. Международная комиссия по освещению, Технический комитет TC-3-33.
3. Reinhart, C. F. (2014). Daylighting Handbook I & II. Building Technology Press.
4. Kajiya, J. T. (1986). The Rendering Equation. ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 20(4), 143–150.
5. DIALux. DIAL GmbH.
6. CALCULUX. Philips Lighting (Signify).
7. ASHRAE. (2019). Standard 140-2017, Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs.
8. 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.