CODYRUN'da Yapay Aydınlatma Simülasyonunun Doğrulanması: CIE Test Senaryolarına Uygulama

İçindekiler

1. Giriş

Bu makale, Bina Fiziği ve Sistemleri Laboratuvarı (L.P.B.S) tarafından geliştirilen, binalarda hava akışı ve ısıl simülasyon için bir hesaplama aracı olan CODYRUN yazılımının yapay aydınlatma simülasyon yeteneklerinin bir doğrulama çalışmasını sunmaktadır. Çalışma, yazılımın bu spesifik fiziksel fenomeni simüle etmedeki güvenilirliğini değerlendirmek, sınırlarını ve iyileştirme potansiyelini belirlemek amacıyla başlatılmıştır. Doğrulama, aydınlatma simülasyon yazılımlarını değerlendirmek için standart prosedürler sağlayan Uluslararası Aydınlatma Komisyonu'nun (CIE) Görev-3 TC-33 birimi tarafından geliştirilen test senaryolarını (özellikle senaryo 1 ve 3) temel almaktadır.

2. Kapalı Alan Aydınlatma Hesaplaması İçin Yeni Basitleştirilmiş Model

Kapalı alan aydınlatmasını nicel olarak belirlemek için CODYRUN, hem doğrudan hem de yayınık yapay ışık bileşenlerini hesaba katan birkaç birleşik modeli entegre eder. Yeni tanıtılan basitleştirilmiş model, kavramsal olarak DIALux ve CALCULUX gibi yerleşik aydınlatma tasarım yazılımlarında kullanılan modellere benzerdir.

2.1 CODYRUN'da Simülasyon Varsayımları

Model, birkaç temel varsayım altında çalışır: ışık saçılımı Lambertian (tüm yönlerde düzgün) olarak kabul edilir; armatürler üretici tarafından sağlanan fotometrik verilerle karakterize edilir ve ağırlık merkezlerinde bir nokta kaynağına indirgenir; ve ışık kaynağı ile çalışma düzlemindeki aydınlatılan nokta arasında hiçbir engel yoktur.

2.2 Aydınlatmanın Doğrudan Bileşeni (Yapay Işık Kaynağından)

Çalışma düzlemindeki bir noktadaki doğrudan aydınlık şiddeti, kaynağın morfolojisine ve aydınlatılan noktanın kaynağa göre gördüğü katı açıya dayanarak hesaplanır. Şekil 1, tavana monte bir kaynaktan çalışma düzlemindeki bir noktaya ışık yayılımını göstererek bu kavramı göstermektedir.

2.3 Aydınlatmanın Yayınık Bileşeni (Oda İçi Yansımalardan)

Yayınık bileşen, doğrudan ışığın odanın iç yüzeylerinden (duvarlar, tavan, zemin) yansımaları sonucu oluşur. Bu bileşen, bu yüzeylerin yansıtma katsayısına (rengine) bağlıdır. CODYRUN'un modeli bunu, doğrudan aydınlık şiddetini iç duvarların ortalama yansıma katsayısı ile ağırlıklandırarak hesaplar, Şekil 2'de gösterildiği gibi.

3. Temel İçgörü: Analist Perspektifi

Temel İçgörü: Bu çalışma, mümkün olan en yüksek fiziksel doğruluğu aramak yerine, hesaplama verimliliğini ve mevcut bir çoklu-fizik platformuna (CODYRUN) entegrasyonu önceliklendiren, pragmatik, mühendislik odaklı bir doğrulama yaklaşımını temsil etmektedir. Radiosity veya Ray Tracing gibi daha titiz yöntemler yerine basitleştirilmiş, yarı-detaylı bir modelin seçilmesi stratejik bir ödünleşimdir.

Mantıksal Akış: Makalenin mantığı basit ve savunulabilirdir: 1) Bir boşluğu belirle (ısıl simülatörde doğrulanmış aydınlatma eksikliği). 2) Entegrasyona uygun, hesaplama açısından hafif bir model benimse/geliştir. 3) Modeli bir endüstri standardı kıyas noktasına (CIE test senaryoları) karşı doğrula. Bu, bina enerji simülasyonu için ASHRAE Standard 140 veya BESTEST prosedürlerinde tartışılan metodolojilere benzeyen, klasik bir yazılım Doğrulama ve Geçerleme (V&V) iş akışıdır.

Güçlü ve Zayıf Yönler: Birincil güçlü yön, entegrasyonun kendisidir. Aydınlatmayı ısıl ve hava akışı simülasyonu ile birleştirmek, aydınlatma ve soğutma için enerji kullanımını etkileyen bütüncül bina performans analizi için çok önemlidir. CIE kıyas noktalarının kullanılması güvenilirlik katar. Yazarların modeli "basitleştirilmiş" olarak adlandırarak kabul ettiği ana zayıflık, fiziğin önemli ölçüde basitleştirilmesidir. Karmaşık armatürleri nokta kaynaklara indirgemek ve yansımalar için ağırlıklı-ortalama yöntemi kullanmak (kaba bir form faktör yaklaşımına benzer), karmaşık, yayınık olmayan veya engelli mekanlarda kaçınılmaz olarak hatalar getirecektir. Bu durum, Kajiya'nın temel Render Denklemi üzerine kurulu olanlar gibi, bilgisayar grafikleri araştırmasında kullanılan yüksek doğruluklu, fizik tabanlı görüntü oluşturma teknikleriyle keskin bir tezat oluşturur.

Uygulanabilir İçgörüler: Uygulayıcılar için bu araç, hızın anahtar olduğu erken aşama, karşılaştırmalı tasarım çalışmaları için değerlidir. Ancak, nihai aydınlatma tasarımı uyumluluğu veya detaylı görsel konfor analizi için, özel aydınlatma yazılımları (örn., Radiance tabanlı araçlar) hala gereklidir. Gelecek yol açıktır: model iyi bir temel oluşturur. Bir sonraki adım kademeli bir yaklaşım olmalıdır—hızlı iterasyonlar için basit modeli kullanmak ve kritik görüşler veya nihai doğrulama için daha doğru Radiosity veya foton haritalama hesaplamalarını (açık kaynak Radiance paketindekiler gibi) tetikleyerek, melez çoklu-doğruluklu bir simülasyon ortamı yaratmak.

4. Teknik Detaylar ve Matematiksel Formülasyon

Makalenin ima ettiği gibi, temel hesaplama doğrudan ve yayınık bileşenlerin toplamını içerir. Bir noktadaki doğrudan aydınlık şiddeti $E_{direct}$, ters kare yasası ve geliş açısının kosinüsü ile yönetilir ve bu, fotometrik dosyası tarafından verilen kaynağın ışık şiddeti $I(\theta)$'dan türetilir:

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

Burada $d$, kaynak noktasından aydınlatılan noktaya olan mesafe, ve $\alpha$ ışık yönü ile yüzey normali arasındaki açıdır.

Yayınık aydınlık şiddeti $E_{diffuse}$, doğrudan bileşenin ve odanın yüzey yansıtma katsayılarının bir fonksiyonu olarak yaklaşık olarak hesaplanır. Yaygın bir basitleştirilmiş yöntem ("ağırlıklandırma" ile ima edilen), ortalama yansıtma katsayısı $\rho_{avg}$ ve genellikle "lümen yöntemi" veya basit form-faktör yaklaşımlarından türetilen bir yansıma faktörü kullanmaktır:

$E_{diffuse} \approx E_{direct} \cdot \frac{\rho_{avg}}{1 - \rho_{avg}}$ (veya oda geometrisini hesaba katan benzer bir formülasyon).

Toplam aydınlık şiddeti $E_{total}$ şu şekildedir: $E_{total} = E_{direct} + E_{diffuse}$.

5. Deneysel Sonuçlar ve Grafik Açıklaması

Makale, CIE test senaryolarını (TC-3-33'ten Senaryo 1 & 3) CODYRUN'a uygular. Sağlanan alıntıda spesifik sayısal sonuçlar detaylandırılmamış olsa da, bu tür test senaryolarının amacı tipik olarak, yazılım tarafından belirtilen ızgara noktalarında hesaplanan aydınlık şiddeti değerlerini referans değerlerle veya diğer doğrulanmış yazılımların sonuçlarıyla karşılaştırmaktır.

Şekil 1: Doğrudan Işık Kaynağı – Bu şematik, basitleştirilmiş bir oda kesitini göstermektedir. Tavanda bir nokta ışık kaynağı gösterilmiştir. Düz bir çizgi (ışın), bu kaynağı yatay çalışma düzlemindeki (örn., bir masa) belirli bir noktaya bağlar. Geliş açısı belirtilmiştir. Bu şekil, doğrudan aydınlık şiddeti hesaplamasında kullanılan değişkenleri (mesafe, açı) görsel olarak tanımlar.

Şekil 2: Yayınık Işık – Bu diyagram, yansıma kavramını göstermektedir. Muhtemelen aynı odayı gösterir, ancak şimdi çalışma düzlemi noktasına ulaşmadan önce duvarlar, tavan ve zemin arasında sekerek ilerleyen birden fazla ok vardır. Bu, doğrudan kaynaktan değil de yansımalardan gelen yayınık bileşeni temsil eder ve yüzey renklerine (yansıtma katsayısı) bağımlılığını vurgular.

6. Analiz Çerçevesi: Örnek Vaka

Senaryo: Standart bir 5m x 5m x 3m ofis odasında floresan tavan armatürlerinden LED panellere geçişin aydınlatma performansını ve ilişkili soğutma yükü etkisini değerlendirmek.

CODYRUN Modeli Kullanılarak Çerçeve Uygulaması:

Girdi Tanımı: CODYRUN'da iki model varyantı oluşturun. Varyant A: Mevcut floresan armatür için fotometrik verileri (IES/LDT dosyası) kullanın. Varyant B: Önerilen LED panel için fotometrik verileri kullanın. Aynı çalışma düzlemi yüksekliğini (0.75m) ve hesaplama noktaları ızgarasını tanımlayın.
Simülasyon Çalıştırma: Her iki varyant için aydınlatma simülasyonunu çalıştırın. Basitleştirilmiş model her ızgara noktasında $E_{total}$'ı hesaplayacaktır. Eşzamanlı olarak, CODYRUN'un ısıl motoru, aydınlatma sistemlerinden gelen ısı kazancını (güç tüketimleri ve ışınımsal oranlarına dayanarak) hesaplayacaktır.
Analiz:
- Aydınlatma Metrikleri: Ortalama aydınlık şiddeti, düzgünlük oranını (min/ort) ve EN 12464-1 gibi standartlara uyumu karşılaştırın.
- Enerji Etkisi: Aydınlatma güç yoğunluğunu (LPD) karşılaştırın.
- Isıl Etki: Aydınlatma ısı kazancındaki değişiklikten kaynaklanan duyulur soğutma yükündeki farkı analiz edin.
Doğrulama Kontrolü: Kritik noktalar için (örn., bir pencere altında, köşede), basitleştirmenin getirdiği hatayı ölçmek amacıyla aydınlık şiddeti değerlerini DIALux veya manuel bir formül kullanarak hızlı bir hesaplamayla noktasal olarak kontrol edin.

Bu entegre analiz, yaklaşık olsa da, tasarım değişikliğinin çoklu alan etkileri hakkında hızlı, eş-zamanlı bir değerlendirme sağlar.

7. Uygulama Öngörüsü ve Gelecek Yönelimler

Aydınlatma simülasyonunun CODYRUN gibi bütüncül bina performans araçlarına entegrasyonu, birkaç gelecek yönelimi açmaktadır:

Gün Işığı ve Yapay Aydınlatma Hibrit Kontrolü: Bir sonraki mantıklı adım, doğrulanmış bir gün ışığı modelinin (örn., Perez gökyüzü modeline dayalı) entegrasyonudur. Bu, mevcut gün ışığına bağlı olarak elektrikli ışıklar için dinamik kontrol stratejilerinin simülasyonunu mümkün kılacak ve gerçek dünya enerji tasarrufunu tahmin etmek için çok önemlidir.
Görsel Konfor ve Görsel Olmayan Etkiler: Basit aydınlık şiddetinin ötesine geçerek Gün Işığı Kamaşma Olasılığı (DGP), Birleştirilmiş Kamaşma Değerlendirmesi (UGR) ve sirkadiyen uyarım gibi metrikleri tahmin etmek. Bu, WELL Bina Standardı'nda görüldüğü gibi, binalarda sağlık ve esenliğe artan odaklanma ile uyumludur.
Model Doğruluk Ölçeklendirmesi: Aydınlatma modelindeki detay seviyesinin analiz aşamasına göre ayarlandığı, uyarlanabilir bir simülasyon çerçevesi geliştirmek—parametrik keşif için basit modeller ve nihai tasarım doğrulaması için yüksek doğruluklu Radiance simülasyonlarının otomatik tetiklenmesi.
BIM ve Gerçek Zamanlı Kontrol ile Entegrasyon: Simülasyon çekirdeğini, gerçek zamanlı bina yönetim sistemlerini (BMS) bilgilendirmek veya öngörülü aydınlatma kontrolü için makine öğrenimi modellerini eğitmek üzere veri üretmek için kullanmak.

8. Kaynaklar

CODYRUN Yazılımı. Bina Fiziği ve Sistemleri Laboratuvarı (L.P.B.S).
CIE. (Yıl). Aydınlatma Yazılımlarının Değerlendirilmesi için Test Senaryoları. Uluslararası Aydınlatma Komisyonu, Teknik Komite TC-3-33.
Reinhart, C. F. (2014). Gün Işığından Yararlanma El Kitabı I & II. Bina Teknolojisi Yayınları.
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, Bina Enerji Analizi Bilgisayar Programlarının Değerlendirilmesi için Standart Test Yöntemi.
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.