Uthibitishaji wa Uigaji wa Taa Bandia katika CODYRUN: Utumizi kwa Kesi za Majaribio za CIE

Yaliyomo

1. Utangulizi

Makala haya yanawasilisha utafiti wa uthibitishaji wa uwezo wa uigaji wa taa bandia ndani ya programu ya CODYRUN, zana ya kompyuta ya uigaji wa hewa na joto katika majengo iliyotengenezwa na Maabara ya Fizikia na Mifumo ya Majengo (L.P.B.S). Utafiti huu ulianzishwa ili kukadiria uaminifu wa programu katika kuiga hali hii maalum ya fizikia, kwa lengo la kutambua mipaka na uwezekano wake wa kuboreshwa. Uthibitishaji unatumia kesi za majaribio (hasa hali 1 na 3) zilizotengenezwa na Kazi-3 TC-33 ya Tume ya Kimataifa ya Mwangaza (CIE), ambayo hutoa taratibu zilizosanifishwa za kutathmini programu za uigaji wa mwangaza.

2. Mfano Mpya Rahisi wa Kuhesabu Mwangaza Ndani ya Chumba

Ili kubainisha kiasi cha mwangaza ndani ya chumba, CODYRUN inaunganisha mifano kadhaa iliyochanganywa inayozingatia vipengele vya mwangaza wa moja kwa moja na unaotawanyika. Mfano mpya rahisi ulioanzishwa unafanana kwa dhana na ule unaotumika katika programu zilizokubalika za kubuni mwangaza kama vile DIALux na CALCULUX.

2.1 Dhana za Uigaji katika CODYRUN

Mfano huu unafanya kazi chini ya dhana kadhaa muhimu: mtawanyiko wa mwanga unachukuliwa kuwa wa Lambertian (sawa katika pande zote); vifaa vya taa vinabainishwa na data ya fotometri iliyotolewa na mtengenezaji na vinapunguzwa kuwa chanzo cha uhakika katikati ya uzito wao; na hakuna kizuizi kati ya chanzo cha mwanga na sehemu iliyowashwa kwenye ndege ya kazi.

2.2 Sehemu ya Moja kwa Moja ya Mwangaza (kutoka Chanzo cha Taa Bandia)

Mwangaza wa moja kwa moja kwenye sehemu kwenye ndege ya kazi unahesabiwa kulingana na umbo la chanzo na pembe imara inayotolewa kwenye sehemu iliyowashwa ikilinganishwa na chanzo. Kielelezo 1 kinaonyesha dhana hii, kikionyesha usambazaji wa mwanga kutoka chanzo kilichowekwa dari hadi sehemu kwenye ndege ya kazi.

2.3 Sehemu ya Mwangaza Unaotawanyika (kutoka Utafutano Ndani ya Chumba)

Kipengele cha kutawanyika hutokana na utafutano wa mwanga wa moja kwa moja kutoka kwenye nyuso za ndani za chumba (kuta, dari, sakafu). Kipengele hiki kinategemea uakisi (rangi) wa nyuso hizi. Mfano wa CODYRUN unahesabu hii kwa kuzidisha mwangaza wa moja kwa moja kwa mgawo wa wastani wa uakisi wa kuta za ndani, kama inavyoonyeshwa kwenye Kielelezo 2.

3. Ufahamu Muhimu: Mtazamo wa Mchambuzi

Ufahamu Muhimu: Kazi hii inawakilisha njia ya vitendo, inayolenga uhandisi ya uthibitishaji, ikipatia kipaumbele ufanisi wa hesabu na ujumuishaji katika jukwaa lililopo la fizikia nyingi (CODYRUN) badala ya kufuatilia usahihi wa juu zaidi wa fizikia. Uchaguzi wa mfano rahisi, wenye maelezo ya kati badala ya mbinu kali zaidi kama Radiosity au Ray Tracing ni usawa wa kimkakati.

Mtiririko wa Mantiki: Mantiki ya makala ni wazi na inaweza kuteteleka: 1) Tambua pengo (ukosefu wa uthibitishaji wa mwangaza katika kielezi cha joto). 2) Kukubali/kutengeneza mfano mwepesi wa hesabu unaofaa kwa ujumuishaji. 3) Uthibitishe dhidi ya kiwango cha tasnia (kesi za majaribio za CIE). Hii ni mfano wa kawaida wa mchakato wa Uthibitishaji na Uhalalishaji (V&V) wa programu, sawa na mbinu zinazojadiliwa katika ASHRAE Standard 140 au taratibu za BESTEST za uigaji wa nishati ya majengo.

Nguvu na Kasoro: Nguvu kuu ni ujumuishaji wenyewe. Kuchanganya mwangaza na uigaji wa joto na mtiririko wa hewa ni muhimu kwa uchambuzi kamili wa utendaji wa jengo, na kuathiri matumizi ya nishati ya taa na baridi. Kutumia viwango vya CIE huongeza uaminifu. Kasoro kuu, ambayo waandishi wanakiri kwa kuita mfano huu "rahisi," ni urahisishaji mkubwa wa fizikia. Kupunguza vifaa tata vya taa kuwa vyanzo vya uhakika na kutumia njia ya wastani wa uzani kwa utafutano (sawa na makadirio ya umbo la fomu duni) bila shaka itaingiza makosa katika nafasi tata, zisizo na mtawanyiko, au zilizozuiwa. Hii inapingana sana na mbinu za juu za uwasilishaji, zenye msingi wa fizikia zinazotumika katika utafiti wa michoro ya kompyuta, kama vile zile zilizojengwa juu ya Mlinganyo wa Uwasilishaji wa Kajiya.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watendaji, zana hii ni ya thamani kwa tafiti za awali za kubuni za kulinganisha ambapo kasi ni muhimu. Hata hivyo, kwa usahihi wa mwisho wa kubuni mwangaza au uchambuzi wa kina wa faraja ya kuona, programu maalum ya mwangaza (k.m., zana zinazotegemea Radiance) bado ni muhimu. Njia ya baadaye ni wazi: mfano huu hutumika kama msingi mzuri. Hatua inayofuata inapaswa kuwa njia ya ngazi—kutumia mfano rahisi kwa kurudia haraka na kuanzisha hesabu sahihi zaidi za Radiosity au uchoraji ramani za fotoni (kama zile zilizo katika kifurushi cha wazi cha Radiance) kwa maoni muhimu au uthibitishaji wa mwisho, na kuunda mazingira ya uigaji mchanganyiko wenye usahihi mbalimbali.

4. Maelezo ya Kiufundi na Mfumo wa Hisabati

Hesabu kuu, kama inavyodokezwa na makala, inahusisha kujumlisha vipengele vya moja kwa moja na vinavyotawanyika. Mwangaza wa moja kwa moja $E_{direct}$ kwenye sehemu unatawaliwa na sheria ya mraba kinyume na kosini ya pembe ya matukio, inayotokana na nguvu ya mwangaza ya chanzo $I(\theta)$ iliyotolewa na faili yake ya fotometri:

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

ambapo $d$ ni umbali kutoka sehemu ya chanzo hadi sehemu iliyowashwa, na $\alpha$ ni pembe kati ya mwelekeo wa mwanga na kawaida ya uso.

Mwangaza unaotawanyika $E_{diffuse}$ unakadiriwa kama utendakazi wa kipengele cha moja kwa moja na uakisi wa nyuso za chumba. Njia rahisi ya kawaida (inayodokezwa na "uzani") ni kutumia uakisi wa wastani $\rho_{avg}$ na kipengele cha utafutano, mara nyingi kinachotokana na "njia ya lumen" au makadirio rahisi ya umbo la fomu:

$E_{diffuse} \approx E_{direct} \cdot \frac{\rho_{avg}}{1 - \rho_{avg}}$ (au muundo sawa unaozingatia jiometri ya chumba).

Mwangaza wa jumla $E_{total}$ basi ni: $E_{total} = E_{direct} + E_{diffuse}$.

5. Matokeo ya Majaribio na Maelezo ya Chati

Makala yanatuma kesi za majaribio za CIE (Hali 1 & 3 kutoka TC-3-33) kwa CODYRUN. Ingawa matokeo maalum ya nambari hayajaelezewa kwa kina katika dondoo lililotolewa, madhumuni ya kesi kama hizo za majaribio kwa kawaida ni kulinganisha thamani za mwangaza zilizohesabiwa na programu katika alama maalum za gridi dhidi ya thamani za kumbukumbu au matokeo kutoka kwa programu nyingine zilizothibitishwa.

Kielelezo 1: Chanzo cha Mwanga wa Moja kwa Moja – Mchoro huu unaonyesha sehemu ya chumba iliyorahisishwa. Chanzo cha mwanga cha uhakika kinaonyeshwa kwenye dari. Mstari ulionyooka (miale) unaunganisha chanzo hiki na sehemu maalum kwenye ndege ya kazi ya usawa (k.m., dawati). Pembe ya matukio imeonyeshwa. Kielelezo hiki kinafafanua kwa kuonekana vigezo (umbali, pembe) vinavyotumika katika hesabu ya mwangaza wa moja kwa moja.

Kielelezo 2: Mwanga Unaotawanyika – Mchoro huu unaonyesha dhana ya utafutano. Labda unaonyesha chumba kile kile, lakini sasa kwa mishale mingi inayoruka kati ya kuta, dari, na sakafu kabla ya kufikia sehemu ya ndege ya kazi. Hii inawakilisha kipengele cha kutawanyika ambacho hakija moja kwa moja kutoka chanzo lakini kutokana na uakisi, na kusisitiza utegemezi wake kwenye rangi za nyuso (uakisi).

6. Mfumo wa Uchambuzi: Mfano wa Kesi

Hali: Kutathmini utendaji wa mwangaza na athari inayohusiana ya mzigo wa baridi ya kubadilisha kutoka taa za fluorescent troffers hadi paneli za LED katika chumba cha ofisi cha kawaida cha 5m x 5m x 3m.

Utumizi wa Mfumo kwa kutumia Mfano wa CODYRUN:

Ufafanuzi wa Ingizo: Tengeneza tofauti mbili za mfano katika CODYRUN. Tofauti A: Tumia data ya fotometri (faili ya IES/LDT) kwa taa ya fluorescent iliyopo. Tofauti B: Tumia data ya fotometri kwa paneli ya LED inayopendekezwa. Fafanua urefu sawa wa ndege ya kazi (0.75m) na gridi ya alama za hesabu.
Utekelezaji wa Uigaji: Endesha uigaji wa mwangaza kwa tofauti zote mbili. Mfano rahisi utahesabu $E_{total}$ kwenye kila alama ya gridi. Wakati huo huo, injini ya joto ya CODYRUN itahesabu faida ya joto kutoka kwa mifumo ya taa (kulingana na wati yao na sehemu ya mnururisho).
Uchambuzi:
- Vipimo vya Mwangaza: Linganisha mwangaza wa wastani, uwiano wa umoja (duni/wastani), na kufuata viwango kama EN 12464-1.
- Athari ya Nishati: Linganisha msongamano wa nguvu ya mwangaza (LPD).
- Athari ya Joto: Chambua tofauti katika mzigo wa baridi unaohisi kutokana na mabadiliko ya faida ya joto ya taa.
Ukaguzi wa Uthibitishaji: Kwa alama muhimu (k.m., chini ya dirisha, kwenye kona), angalia thamani za mwangaza dhidi ya hesabu haraka kwa kutumia DIALux au fomula ya mkono ili kupima makosa yaliyoletwa na urahisishaji.

Uchambuzi huu uliojumuishwa, ingawa ni wa takriban, hutoa tathmini ya haraka, iliyosimamiwa pamoja ya athari za nyanja nyingi za mabadiliko ya muundo.

7. Matarajio ya Utumizi na Mwelekeo wa Baadaye

Ujumuishaji wa uigaji wa mwangaza katika zana za utendaji wa jengo zima kama CODYRUN unafungua njia kadhaa za baadaye:

Udhibiti Mchanganyiko wa Mwangaza wa Mchana na Taa Bandia: Hatua inayofuata ya kimantiki ni kujumuisha mfano uliothibitishwa wa mwangaza wa mchana (k.m., unaotegemea mfano wa anga wa Perez). Hii ingeweza kuwezesha uigaji wa mikakati ya udhibiti wa nguvu kwa taa za umeme kulingana na mwangaza wa mchana uliopo, muhimu kwa kutabiri akiba halisi ya nishati.
Faraja ya Kuona na Athari Zisizo za Kuona: Kuendelea zaidi ya mwangaza rahisi ili kutabiri vipimo kama Uwezekano wa Mwangaza Mkali wa Mchana (DGP), Ukadiriaji wa Mwangaza Mkali Umoja (UGR), na msisimko wa sirkadia. Hii inalingana na mwelekeo unaokua wa kuzingatia afya na ustawi katika majengo, kama inavyoonekana katika WELL Building Standard.
Kupimwa kwa Usahihi wa Mfano: Kutengeneza mfumo wa uigaji unaobadilika ambapo kiwango cha undani katika mfano wa mwangaza hubadilika kulingana na awamu ya uchambuzi—mifano rahisi kwa uchunguzi wa parameta, na kuanzishwa kiotomatiki wa uigaji wa hali ya juu wa Radiance kwa uthibitishaji wa muundo wa mwisho.
Ujumuishaji na BIM na Udhibiti wa Wakati Halisi: Kutumia kiini cha uigaji kutoa taarifa kwa mifumo ya usimamizi wa majengo ya wakati halisi (BMS) au kwa kuzalisha data ya kufundisha mifano ya kujifunza ya mashine kwa udhibiti wa kutabiri mwangaza.

8. Marejeo

Programu ya CODYRUN. Maabara ya Fizikia na Mifumo ya Majengo (L.P.B.S).
CIE. (Mwaka). Kesi za Majaribio za Kutathmini Programu ya Mwangaza. Tume ya Kimataifa ya Mwangaza, Kamati ya Kiufundi TC-3-33.
Reinhart, C. F. (2014). Kitabu cha Mwangaza wa Mchana I & II. Building Technology Press.
Kajiya, J. T. (1986). Mlinganyo wa Uwasilishaji. ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 20(4), 143–150.
DIALux. DIAL GmbH.
CALCULUX. Philips Lighting (Signify).
ASHRAE. (2019). Kiwango 140-2017, Njia ya Kawaida ya Majaribio ya Kutathmini Programu za Kompyuta za Uchambuzi wa Nishati ya Majengo.
Ward, G. J. (1994). Mfumo wa uigaji na uwasilishaji wa mwangaza wa RADIANCE. Proceedings of the 21st Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques (SIGGRAPH '94), 459–472.