Гелиодон
Гелиодон ( HEE -leo-don) — устройство для регулировки угла между плоской поверхностью и лучом света для соответствия углу между горизонтальной плоскостью на определенной широте и солнечным лучом. Гелиодоны используются в основном архитекторами и студентами-архитекторами. Разместив модель здания на плоской поверхности гелиодона и отрегулировав угол наклона света/поверхности, исследователь может увидеть, как здание будет выглядеть в трехмерном солнечном луче в различные даты и время суток.
История
[ редактировать ]Вскоре после Второй мировой войны , в 1950-х годах, возник широкий интерес к разработке методов проектирования зданий, соответствующих климату. [1] В Принстонской архитектурной лаборатории термогелиодон был изобретен Олгейсом в надежде создать физиологические условия человеческого комфорта посредством архитектурного проектирования . Термогелиодон представлял собой куполообразную изолированную оценочную платформу для масштабных архитектурных моделей в определенных климатических условиях, измеренную с высоким уровнем расчета и точности. [1] Устройство представляло собой закрытую имитирующую среду, в которой можно было оценить тепловые характеристики масштабированной модели при различных температурах. [1] Однако получение точной оценки было проблемой с Thermoheliodion из-за влияния масштаба на тепловые характеристики. Хотя Термогелиодону не удалось создать точно измеренную среду, устройство привело к дальнейшим исследованиям адаптивного и эффективного проектирования зданий и разработало основу принципов биоклиматического проектирования.
В 1950-х годах The Building Research Station (BRS), ключевое учреждение Великобритании, разработало Гелиодон как часть тропической архитектуры и биоклиматической архитектуры. [2] Целью учреждения было улучшение жилищных условий и развитие местных ресурсов для строительства на колониальных территориях. [2] Гелиодон был разработан для имитации солнца на масштабных архитектурных моделях через точку света. [2] Устройство может перемещаться и наклоняться, чтобы получить точное положение солнца в любой день, время или место. [2]
был изобретен гелиодон В 1960-х годах Гершоном Фрулингом в Израиле , зафиксированный Патентным ведомством США. [3] Этот гелиодон представляет собой платформу, предназначенную для размещения модели здания, изоляцию которого необходимо оценить. [3] Горизонтальная платформа может раскачиваться на вращающемся вертикальном валу, который может вращаться вокруг своей оси. Вращение позволяет осуществлять горизонтальную и сезонную корректировку и поворачивает устройство почти до основания. [3] Название шахты позволяет адаптировать ее к различным географическим местоположениям по широте. [3] Можно использовать любой внешний источник света, наряду с солнцем, и расположение этого источника света можно сохранять стационарным на протяжении всего наблюдения. [3] Этот гелиодон — точный инструмент, позволяющий быстро и просто выполнять настройку. И требование обеспечения точно расположенного источника света не является обязательным. [3]
В 1990-е годы были изобретены современные гелиодоны с более быстрым моделированием и более высоким уровнем точности. Лаборатория солнечной энергии и строительной физики EPFL LESO-PB в Лозанне разработала роботизированный гелиодон для имитации прямого света. [4] Этот гелиодон объединен с симулятором сканирования неба ( искусственное небо ) для прогнозирования распределения света в здании в течение всего года. [4] Устройство может воспроизводить прямой свет в любой точке Земли. [4]
После 2000-х годов профессор Норберт Лехнер, архитектор LEED AP и эксперт в области энергоэффективной архитектуры , изобрел ручной эмулятор Sun Heliodon. [5] которых было гораздо легче оценить, Он изобрел гелиодоны, имитацию дневного света чем предыдущие модели. [5] Эмулятор Солнца Heliodon может точно продемонстрировать все принципы и стратегии дизайна, реагирующие на солнечную энергию. [5] Хотя устройство может содержать только небольшие архитектурные модели, оно является отличным инструментом для обучения солнечной геометрии. Этот гелиодон был произведен компанией High Precision Devices, и теперь альтернативным устройством является Orchard Heliodon, произведенный betanit.com с одобрения изобретателя солнечного эмулятора Heliodon.
С 2004 года итальянская компания betanit.com разрабатывает различные гелиодоны, спроектированные архитектором Джулио М. Подеста для использования в лабораториях дневного освещения университетов и архитектурных фирм. [6] Архитектор спроектировал Orchard Heliodon с характеристиками, похожими на гелиодон Sun Emulator (разработанный Норбертом Лехнером). Для более точного моделирования был разработан Orange Heliodon, простой в использовании роботизированный гелиодон с фиксированным источником света, который был выпущен на рынок в 2007 году. [6] Более того, Оранжевый гелиодон использовался в Миланском политехническом университете в лаборатории архитектурного проектирования отделения BEST. [7] Для воспроизведения солнцезащитного козырька использовался компьютеризированный автоматический гелиодон. [7] Кроме того, архитектор спроектировал Tulip Heliodon, роботизированный гелиодон с фиксированным источником света, который часто объединяется с искусственным небом с полным куполом для совместного проектирования и презентации, используемой для исследований дневного света . [6]
Квок Пун Чунг, профессор и исследователь факультета архитектуры Гонконгского университета, разработал различные гелиодоны. Чунг разработал простой настольный гелиодон и гелиодон с несколькими лампами для использования в архитектурных школах. [8] был разработан настольный гелиодон с движущимся источником света Кроме того, для архитектурных бюро . Запатентованный портативный универсальный гелиодон для работы в условиях прямого солнечного света, установленный на штативе для фотоаппарата, был разработан для оценки воздействия прямого солнечного света на небольшие архитектурные модели или компоненты зданий.
Научная основа
[ редактировать ]Земля . представляет собой шар в космосе, постоянно перехватывающий цилиндр параллельных энергетических лучей Солнца (Представьте себе теннисный мяч, который держится на ветру.) Угол любого участка Земли по отношению к солнечному лучу определяется
- Широта места, которая определяет его положение на кривой Земли между экватором и одним из полюсов.
- Время суток на объекте, измеряемое по его продвижению на восток вокруг оси Земли от восхода до заката.
- Дата, определяющая положение Земли на ее годовой орбите вокруг Солнца.
Изменения, происходящие в настоящее время, труднее всего визуализировать. Ось Земли устойчива, но наклонена Земли : плоскость, включающая экватор , перпендикулярный оси, не параллельна плоскости, включающей центр Солнца и центр Земли, называемой эклиптикой . Представьте себе Землю как машину на колесе обозрения. Ось автомобиля всегда направлена «вниз», что меняет ее отношение к центру колеса. Свет в центре колеса коснется нижней части автомобиля в верхней части орбиты и верхней части машины в нижней части орбиты. По мере вращения Земли положение центральной линии солнечного цилиндра меняется, перемещаясь от тропика Рака (в июне) к тропику Козерога (в декабре) и обратно. Это меняет углы наклона Солнца по всей Земле в зависимости от даты. Подробнее см. на аналемме .
Утилита
[ редактировать ]Гелиодоны могут имитировать широту , время суток и дату. Они также должны иметь четкое направление с севера на юг на своей поверхности, чтобы ориентировать модели. Некоторые гелиодоны очень сложны и используют направляющие на высоком потолке, чтобы освещать большую студию. Другие очень просты: в качестве ориентира для регулировки используются солнечные часы, а в качестве источника света — дневное солнце. В целом, настройка даты вызывает наибольшую сложность у проектировщика гелиодона, а источник света доставляет больше всего проблем при использовании. Параллельные солнечные лучи нелегко воспроизвести с помощью искусственного света в нужном масштабе, в то время как настоящее солнце не уважает сроки и часы занятий.
Все гелиодоны могут выиграть от включения подвижного наклоняемого устройства, которое можно настроить так, чтобы оно соответствовало любой поверхности модели и отображало угол падения. Устройство угла падения указывает относительную интенсивность прямого луча на поверхности. Устройство представляет собой схему из концентрических колец вокруг отбрасывающего тень указателя, перпендикулярного схеме. Каждое кольцо представляет собой процент прямого солнечного луча, падающего на поверхность. Процент варьируется от 100% — луч проходит прямо по указателю, перпендикулярно диаграмме, — до нуля — луч идет параллельно диаграмме и не попадает в поверхность. Косинус угла падения дает проценты. Например, косинус 0,9,90% соответствует углу падения 26,84 градуса. Радиус кольца угла равен его тангенсу, умноженному на высоту указателя отбрасывания тени. Например, угол падения в 45 градусов даст косинус около 0,7,70%. Поскольку тангенс 45 градусов равен 1, радиус 70%-го кольца будет равен высоте стержня, отбрасывающего тень.
Виды гелиодона
[ редактировать ]Ручной настольный гелиодон
[ редактировать ]Ручные настольные гелиодоны используются для анализа затенения на любой заданной широте и в любое время. Опорная платформа модели крепится на обычный стол или письменный стол. Он может вращать и наклонять масштабированную архитектурную модель . [9] Эти гелиодоны управляются вручную без использования компьютеров и обеспечивают хорошую точность. Подставка модели, установленная на столе, наклоняется по широте и поворачивается для определения времени суток. [9] Для имитации времени года в единственном источнике света используется лента с указанием месяцев года, прикрепленная к краю двери. [9] Для большей точности устройство можно использовать во внутренних помещениях с лампами и на открытом воздухе под прямыми солнечными лучами. При использовании на открытом воздухе наклон и вращение подставки модели контролируются солнечными часами. Главным преимуществом является доступность и небольшой размер. [9] Гелиодон точен, если его используют люди, уже знакомые с солнечной геометрией. Но он не подходит для изучения солнечной геометрии и основных принципов солнечного адаптивного дизайна. [9]
- Факультет архитектуры Гонконгского университета использует настольный гелиодон для проектирования масштабных архитектурных моделей на солнечной энергии . Гелиодон в основном используется в учебных и дизайнерских целях. [8]
Ручной эмулятор Солнца Гелиодон
[ редактировать ]
Ручной гелиодон состоит из плоского стола с масштабированной моделью наверху, тогда как стол неподвижен, а в движении находятся только солнечные лампы. Гелиодон состоит из горизонтальной платформы и семи колец, обозначающих путь Солнца 21-го дня каждого месяца, которые можно вращать, чтобы имитировать время суток. Он действует как обучающий инструмент для архитекторов, проектировщиков и разработчиков. [5] Гелиодон можно использовать для обучения солнечной геометрии и принципам проектирования, реагирующего на солнечную энергию, в научных музеях. [5] Не полагаясь на внешние условия неба, легко оценить анализ затенения на любой широте. Этот тип гелиодона очень прост в настройке и эксплуатации. [10] Этот гелиодон требует лишь ограниченного обучения, поскольку его легко понять и использовать.
Учитывая характеристики, ручной эмулятор солнца также отлично подходит для объяснения детям солнечной динамики и сторон света в функциональной, научной и увлекательной форме демонстрации.
Ручной эмулятор солнца гелиодон используется в различных вузах, таких как:
- Обернский университет , Алабама . Университет использует гелиодон-эмулятор солнца с покрытием Formica диаметром 48 дюймов (1,2 м), известный как HPD Model 126 Heliodon. [10]
- Техасский христианский университет , Техас . Студенты университета используют гелиодон-эмулятор солнца для изучения дневного света в проектах светодизайна. [11]
- Университет Юго-Восточной Луизианы , Луизиана . Университет использует гелиодон в качестве интерактивного инструмента для учебных целей при проектировании архитектуры, учитывающей солнечную энергию . [12]
- Даремская школа инженерии и строительства, Небраска . Профессор Норберт Лехнер использует гелиодон-эмулятор солнца, чтобы объяснить анализ затенения масштабной модели. [13]
- Центр CERES в Государственном университете Болла , Индиана [10]
- Колледж Джадсон , Алабама [10]
Роботизированный гелиодон с фиксированным источником света
[ редактировать ]Этот тип роботов-гелиодонов является наиболее точным имитатором Солнца. Он используется для оценки масштабных моделей в компактном пространстве с фиксированным источником света при поддержке роботизированной платформы. Это автоматически управляемый гелиодон, в котором физическая модель точно позиционируется с помощью компьютеров вокруг двух осей. Роботизированный гелиодон может проводить частые испытания и оценки на более крупных и тяжелых моделях, чем ручные, для получения точных результатов экспериментов. Они используются для исследований дневного света в университетах, исследовательских центрах и лабораториях по разработке экологически безопасных зданий.
Некоторые роботизированные гелиодоны используют зеркало, чтобы свернуть световой путь и позволить установку в небольшой комнате. Комната обычно темная, без окон, а стены, потолки и полы обычно черные.
Роботизированный гелиодон используется в архитектурных школах, исследовательских лабораториях и крупных инжиниринговых фирмах, таких как:
- Лаборатория солнечной энергии и строительной физики EPFL LESO-PB в Лозанне (лабораторный гелиодон) использует роботизированный гелиодон для моделирования прямого света. [4] Этот гелиодон объединен с симулятором сканирования неба ( искусственное небо ) для прогнозирования распределения света в здании в течение всего года. Инструмент может имитировать прямой солнечный свет в любом месте на Земле. [4] Этот гелиодон представляет собой лабораторный инструмент, который позволяет моделировать дневной свет внутри масштабных моделей для различных исследовательских и проектных целей. [4] Лаборатория дневного света создала этот инструмент, чтобы ограничить экономию энергии и повысить комфорт пользователей за счет более эффективного использования дневного света в зданиях. [4] Инструмент позволяет архитекторам, дизайнерам и проектировщикам понять влияние их архитектурных концепций. Помимо ограничения потребления энергии, лаборатория фокусируется на улучшении здоровья жителей здания и производительности за счет эффективного использования дневного света. Более того, роботизированный гелиодон поможет лаборатории добиться энергоэффективности и использования возобновляемых источников энергии в зданиях и городах .
Роботизированный гелиодон с фиксированным источником света, используемый в Arup и Национальной лаборатории жилищного строительства и устойчивого развития сообществ - Национальная лаборатория жилищного строительства и устойчивого развития сообществ в Соноре, Мексика, использует оранжевый гелиодон производства Betanit. [14] Роботизированный гелиодон используется для оценки солнечных траекторий и их взаимодействия с уже существующими или новыми конструкциями. [14] Использование масштабной физической модели под роботизированным гелиодоном помогает проекту измерить комфорт и энергоэффективность здания. [14] Гелиодон эффективен, поскольку проект учитывает климатические условия и интеграцию источников энергии. [14] Поскольку здание расположено в жарком сухом климате, автоматический гелиодон помог найти дизайнерские решения, обеспечивающие непрямое естественное освещение и вентиляцию, избегая при этом попадания прямых солнечных лучей во внутренние помещения здания. [14] Из-за точности роботизированного гелиодона было использовано несколько исследований с фотографиями для сравнения построенного дома с масштабной моделью, смоделированной на солнечной энергии. Результаты показали эффективность использования в здании соответствующих конструктивных особенностей, полученных от автоматического гелиодона. [14]
- Инженерная фирма Arup (Лондон) использует оранжевый гелиодон производства Betanit в своей лаборатории освещения, чтобы имитировать солнце для своих экспериментов и построек. [15] [16] Моделирование освещения с помощью гелиодона помогает быстро определить проникновение дневного света в здания. Arup использует роботизированного гелиодона для разработки устойчивых, энергоэффективных и отмеченных наградами концепций освещения. [16] Инженеры и эксперты анализируют дневное освещение зданий, копируя солнце для своих инновационных проектов. Кроме того, в рамках дипломного проекта, которым руководил доктор Франческо Ансельмо, гелиодон также использовался в экспериментальных целях. Гелиодон также используется для исследований кривизны и ежегодной отражательной способности «Лифа» в Арупе при координации с Бетанитом. [17]
Роботизированный гелиодон с фиксированной моделью
[ редактировать ]Этот роботизированный гелиодон полностью автоматизирован с помощью компьютера и оснащен подсветкой, которая вращается вокруг модели фиксированного масштаба, расположенной горизонтально на столе. Этот вид роботизированного гелиодона используется отдельно или интегрируется с куполом искусственного неба для презентаций, светодизайна и исследовательских целей. При использовании с искусственным небом комбинированный инструмент может воспроизводить как Солнце, так и небо с большой точностью и получать результаты исследования дневного света . Модель фиксированного масштаба может быть больше и тяжелее моделей других типов, что позволяет источнику обходить модель для получения результатов оценки, проведения презентаций и наблюдения. Роботизированный гелиодон позволяет людям легко передвигаться вокруг него и внутри него для изучения дневного света .
Автоматизированный роботизированный гелиодон с фиксированной моделью используется в исследовательских учреждениях, осветительных компаниях и университетских лабораториях, таких как:
- Лаборатория исследования освещения Канзасского университета , Лоуренс, США, использует имитатор солнечного света гелиодона для изучения дневного света и исследовательских целей. [18] Устройство было разработано доктором Хунъи Цаем и изготовлено по индивидуальному заказу в Китае компанией Quanzhou HuaTian Measurement Equipment LLC. [18] Инструмент моделирования имеет возможность трехмерного углового перемещения масштабной модели здания вокруг фиксированной точки модели с точностью до 0,1. тот . Гелиодон устанавливается в темной комнате для учебных целей, исследований и изучения дневного света. [18]
- HFT , Штутгартский университет прикладных наук, Штутгарт, использует роботизированный гелиодон в своей лаборатории планирования дневного света. [19] В своем симуляторе дневного света лаборатория использует два элемента — искусственное небо и искусственное солнце. [19] Имитатор искусственного солнца состоит из галогенной лампы с параболическим отражателем, имитирующим параллельный солнечный свет. Гелиодон объединил искусственное небо диаметром 4,20 м с 30 люминесцентными лампами. [19] Панель управления позволяет воспроизводить любую солнечную орбиту в любой день и в любом месте по всему миру. [19] Такая интеграция позволяет с большой точностью воспроизводить яркость неба и околосолнечную радиацию. [19] Кафедра архитектуры и дизайна использует устройство в учебных целях, изучении дневного света, теней и исследований.
- Бартенбах, Тироль – осветительная фирма использует гелиодон (внутри искусственного неба диаметром 6,5 м) со множеством небольших ламп для проектирования дневного освещения с моделями визуализации и расчетами. [20] [21] Осветительная фирма использует гелиодон для моделирования дневного света в исследованиях и разработках сложных строительных конструкций. [20] Фирма использует инструмент для проектирования архитектурного освещения, используемый для сертификации экологически чистых зданий , отчетов и консультаций.
- Университет Объединенных Арабских Эмиратов (ОАЭУ) использует мощный роботизированный гелиодон, созданный betanit.com, внутри полнокупольного искусственного неба, чтобы с большой точностью оценивать дневное освещение масштабных моделей. [22] Гелиодон оснащен лампой HMI мощностью 1200 Вт со специально разработанной оптической настройкой, способной воспроизводить на столе, поддерживающем масштабную модель, диапазон от 200 000 до 600 000 люкс. [22] Роботизированный гелиодон с искусственным небом используется в исследовательских целях в области проектирования и технологий экологически чистых зданий .
Гелиодон в справочнике по освещению
[ редактировать ]Общество светотехники (IES) публикует справочник по освещению, в котором гелиодон рассматривается как один из инструментов, используемых для оценки дизайна дневного освещения . [23] Справочник является всемирно известным справочником и руководством, позволяющим специалистам и практикам освещения понять влияние света на здоровье человека и способствовать устойчивому развитию посредством эффективного изучения и проектирования освещения. [23] Гелиодон описан в справочнике как программный инструмент освещения, который используется для изучения характеристик дневного света для моделей физического масштаба. [23] Обычно его используют архитекторы и инженеры .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с «ТЕРМОГЕЛИОДОН» . закрытые миры . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Баведжа, Вандана (2008). Предыстория зеленой архитектуры: Отто Кенигсбергер и тропическая архитектура, от княжеского Майсура до постколониального Лондона (диссертация). hdl : 2027.42/60709 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж US3090124A , Гершон, Фрулинг, «Гелиодон», выпущен 21 мая 1963 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г «Гелиодон» . ЭПФЛ . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и "ДОМ" . www.heliodons.org . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б с «Гелиодон — Бета нит» . www.betanit.com . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Миланский политехнический институт и Бета-Нит объединены» . www.betanit.com . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б «ДРУГИЕ ГЕЛИОДОНЫ» . www.heliodons.org . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и «НАСТОЛЬНЫЙ ГЕЛИОДОН» . www.heliodons.org . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д «Гелиодон HPD — это эмулятор Солнца, демонстрирующий движение Солнца» . www.hpd-online.com . 27 марта 2018 г. Архивировано из оригинала 27 марта 2018 г. Проверено 23 января 2022 г.
- ^ «Войти • Instagram» . www.instagram.com . Проверено 23 января 2022 г.
{{cite web}}: Cite использует общий заголовок ( справка ) - ^ «СТЭМ Фест» . www.southeastern.edu . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ Даремская школа архитектурного проектирования и строительства. Гелиодон Норберта Лехнера , получено 23 января 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж «НАЦИОНАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ ЖИЛЬЯ И УСТОЙЧИВЫХ СООБЩЕСТВ» . Laboratorydevivienda.org . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ «Консультанты по проектированию архитектурного и коммерческого освещения и строительству — Аруп» . www.arup.com . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Лаборатория освещения Arup использует гелиодон betanit.com для имитации солнца — Beta nit» . www.betanit.com . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ «Исследования дневного света гелиодона» , www.youtube.com , получено 23 января 2022 г. ,
ежегодные исследования кривизны и отражательной способности «Листика» в сотрудничестве с Arup и Betanit.
- ^ Перейти обратно: а б с «КУ-ЛРЛ-ЛАБ» . люди.ку.еду . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и «Лаборатория планирования дневного света | HFT Штутгарт» . www.hft-stuttgart.com . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Бартенбах: Световой дизайн» . www.bartenbach.com . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ «ДэйМедиа – имитация солнца» . www.new-learn.info . Проверено 23 января 2022 г.
- ^ Перейти обратно: а б Аль-Саллал, Халед, изд. (25 апреля 2016 г.). Низкоэнергетическая низкоуглеродная архитектура: последние достижения и будущие направления . Лондон: CRC Press. дои : 10.1201/b19882 . ISBN 978-0-429-22549-9 .
- ^ Перейти обратно: а б с «Справочник по освещению, 10-е издание – Интернет-магазин IES» . store.ies.org . Проверено 23 января 2022 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Гелиодон де Аналемас. Архивировано 17 июля 2010 г. в Wayback Machine.
