Способ сезонной калибровки светопропускания смарт-окна с решеточным оптическим фильтром - RU2786359C1

Чертежи

Описание

Изобретение применимо в архитектуре и строительстве для углового селективного саморегулирования светопропускания окна с адаптацией к траектории солнца относительно него и с учетом сезонного изменения угла падения солнечных лучей на поверхность окна. Изобретение предназначено к использованию в окнах с двумя и более слоями остекления.

При угловом регулировании направленного светопропускания окна обеспечивается пропускание определенной части падающего направленного (прямого) солнечного света (а также солнечной энергии) при каждом угле падения солнечных лучей, остальная часть отражается, поглощается или рассеивается. Устройства, предназначенные для углового регулирования направленного светопропускания, принудительно ослабляют интенсивность падающего излучения в зависимости от угла падения лучей. Принудительное регулирование светопропускания с помощью таких устройств осуществляется дополнительно к самопроизвольному изменению светопропускания остекленных конструкций вследствие угловой зависимости коэффициентов отражения и поглощения. Известно, что при увеличении угла падения коэффициенты отражения и поглощения возрастают, следовательно, коэффициент пропускания света уменьшается.

Для регулирования направленного светопропускания окна в зависимости от угла падения лучей применяют различные дополнительные устройства перераспределения светового потока, например, жалюзи, решетки, диафрагмы, которые при изменении своего положения по отношению к окну могут обеспечивать изменение проходящего в помещение светового потока от солнечного излучения. Жалюзи и другие подобные устройства с ручным или автоматическим управлением для защиты от солнечного света являются аналогами изобретения. Лучшими из перечисленных устройств регулирования светопропускания окна в зависимости от угла падения солнечных лучей являются горизонтальные подъемные пластинчатые жалюзи с автоматическим или ручным регулированием угла поворота ламелей.

В последние годы появились рулонные шторы-жалюзи типа «зебра» для вертикальных окон, состоящие из двух тканевых полотен с чередующимися горизонтальными прозрачными, полупрозрачными и непрозрачными полосами. Регулирование светопропускания осуществляется при передвижении полотен друг относительно друга по вертикали за счет относительного расположения полос различного типа на двух полотнах.

В патенте RU 2306397 C1 описаны способ получения и устройство солнцезащитного ограждения из полимерного материала. Устройство представляет собой горизонтальные жалюзи с неподвижными ламелями из непрозрачного материала, находящимися внутри ограждения из прозрачного полимерного материала. Такая конструкция является менее эффективной для углового регулирования светопропускания по сравнению с обычными жалюзи из-за невозможности поворота и передвижения ламелей.

В патенте US 3085474 A описан оптический элемент, состоящий из прозрачного листового материала с чередующимися пропускающими и не пропускающими параллельными полосами на обеих поверхностях. Такой элемент предлагается использовать в горизонтальных (крышных) или вертикальных окнах для углового регулирования их светопропускания. Пропускающие полосы могут быть окрашены. Не пропускающие полосы могут быть отражающими, поглощающими или рассеивающими.

В патенте US 6467935 B1 описана аналогичная конструкция не только для горизонтальных и вертикальных, но и наклонных окон, причем параллельные полосы предложено изготавливать из материалов с изменяющейся прозрачностью.

Однако в этих патентах US 3085474 A и US 6467935 B1 рассматриваются только случаи, когда источник света (солнце) перемещается в плоскости, перпендикулярной одновременно и к плоскости окна, и к параллельным полосам, расположенным на поверхностях оконного остекления. При изменении угла падения солнечных лучей на окно изменяется коэффициент светопропускания за счет относительного расположения пропускающих полос на двух поверхностях оконной конструкции. Такое расположение полос по отношению к падающим солнечным лучам подходит для углового регулирования светопропускания восточных и западных окон зданий, расположенных на экваторе и близко к нему, для южных окон зданий, расположенных в северном полушарии, и для северных окон зданий, расположенных в южном полушарии.

Для окон с перечисленными азимутами ориентации по сторонам света оптимальными являются также горизонтальные пластинчатые жалюзи, рулонные шторы-жалюзи «зебра» с горизонтальными полосами, солнцезащитные ограждения со встроенными горизонтальными жалюзи по патенту RU 2306397 C1. Однако применение всех рассмотренных выше аналогов предлагаемого изобретения в окнах с другими азимутами ориентации не обеспечивает оптимального углового регулирования светопропускания окон из-за сложной криволинейной траектории солнца, изменяющейся по времени года (календарным датам) и по времени светового дня.

Близкими аналогами изобретения являются патенты RU 2509324 С2 и RU 2677069 С2 по способу регулирования направленного светопропускания с помощью оптического фильтра, состоящего из двух поверхностных решеток с чередующимися направленно пропускающими и непропускающими (рассеивающими, отражающими или поглощающими) параллельными полосами с расчетом ширин всех полос и угла наклона полос по отношению к горизонтали для обеспечения предварительно заданной зависимости светопропускания окна от угла падения. Эти изобретения обеспечивают оптимизированное угловое регулирование светопропускания окна с адаптацией к траектории движения солнца относительно окна и с минимизацией светопропускания окна в выбранный день года и выбранное время дня. На основе данного способа регулирования в [Zakirullin R.S. Chromogenic materials in smart windows for angular-selective filtering of solar radiation // Mater. Today Energy. 2020. No. 17. 100476. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2020.100476] получена следующая формула для расчета теоретического коэффициента τ светопропускания смарт-окна с оптическим фильтром в зависимости от времени суток:

где Δ – сдвиг между следами входной решетки фильтра на поверхности выходной решетки при характеристическом угле фильтра и произвольном угле падения в данный момент времени;

c₂ – ширина непропускающей полосы входной решетки;

c₃ – ширина пропускающей полосы выходной решетки;

c₁ – ширина пропускающей полосы входной решетки.

Характеристический угол фильтра показывает сдвиг двух решеток фильтра друг относительно друга вдоль поверхностей остекления по направлению перпендикуляра к полосам обеих решеток. По формуле (1) при неизменных ширинах полос теоретический коэффициент светопропускания зависит только от модуля величины сдвига Δ, и с его увеличением также увеличивается. Теоретический коэффициент светопропускания не учитывает отражения солнечного излучения от поверхностей стекол и поглощения материалом стекла. Его можно корректировать с учетом отражения по известным формулам Френеля и поглощения по закону Бугера-Ламберта [Zakirullin R.S. Chromogenic materials in smart windows for angular-selective filtering of solar radiation // Mater. Today Energy. 2020. No. 17. 100476. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2020.100476]. Скорректированный коэффициент всегда меньше теоретического. Из приведенных в этом же источнике формул следует, что величину сдвига Δ при двойном или тройном остеклении, когда решетки фильтра расположены на внутренних поверхностях стекол одной камеры, можно найти по формуле:

где s – расстояние между решетками (между стеклами камеры);

Θ_с – характеристический угол фильтра;

θ – проекция реального произвольного угла падения солнечных лучей на плоскость, перпендикулярную к полосам обеих решеток, в данный момент времени.

Из формулы (2) видно, что сдвиг Δ увеличивается при увеличении расстояния s, однако, при этом нелинейно уменьшается характеристический угол фильтра Θ_с.

На основе патентов RU 2509324 С2 и RU 2677069 С2 в статье [Закируллин Р.С. Оптический фильтр для смарт-окна с угловым селективным светопропусканием // Оптический журнал. 2019. Т. 86. Вып. 5. С. 23-29. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-05-23-29] разработана программа для расчета коэффициента светопропускания смарт-окна, которая помещена на сайте этого журнала по адресу: http://opticjourn.ru/vipuski/1848-opticheskij-zhurnal-tom-86-05-2019.html. В этой статье рассчитаны ежемесячные зависимости теоретического и скорректированного с учетом отражения и поглощения коэффициентов светопропускания смарт-окна со встроенным оптическим фильтром от времени дня. Эти характеристики показывают изменение в течение года светопропускания фильтра с углом наклона решеток, характеристическим углом и ширинами полос, рассчитанными для дня и времени максимальной солнечной радиации и являющиеся оптимальными только для расчетного времени. В другие месяцы коэффициенты светопропускания могут иметь нежелательные значения, что подтверждается приведенными в статье рисунками и таблицами.

Прототипом изобретения является патент RU 2759758 С1 по способу сезонной калибровки светопропускания смарт-окна с двухрешеточным оптическим фильтром, отличающийся от патентов RU 2509324 С2 и RU 2677069 С2 тем, что для окна с углом наклона решеток, характеристическим углом и ширинами полос, рассчитанными для минимизации светопропускания окна в выбранное время выбранного дня года, по формулам (1) и (2) рассчитывают временные характеристики светопропускания окна для выбранного расчетного дня года, а также для любых дней года с востребованностью защиты от солнца, при выбранном расстоянии между решетками и при других расстояниях для тех дней (месяцев), когда время минимума светопропускания сильно отличается от требуемого. Затем устанавливают, в какие дни (месяцы) и насколько необходимо изменить расстояние между решетками фильтра для получения удовлетворяющих временных характеристик светопропускания окна и производят соответствующую калибровку этого расстояния. Данный способ оптимизирует решение технической проблемы углового регулирования направленного светопропускания окна с минимизацией светопропускания в определенное время дня не только для одного месяца года, но и для других месяцев, за счет изменения расстояния между двумя решетками фильтра.

Несмотря на то, что патентом RU 2759758 С1 предусмотрена сезонная калибровка светопропускания окна за счет изменения расстояния между двумя решетками фильтра и возможность минимизации светопропускания не только для одного дня года, но и для других дней разных месяцев с востребованностью защиты от солнца, существует необходимость оптимизации светопропускания (не только минимизации) в любые дни в зависимости от времен года, например, обеспечение максимального доступа солнечного света в зимнее время. Также, изменение расстояния между двумя решетками фильтра, то есть между стеклами камеры, может привести к дополнительным проблемам, например, снижению тепло- и звукоизоляции, так как расстояние между стеклами влияет на условия конвективного теплообмена и на поглощение звуковых волн определенных частот.

Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность оптимизации светопропускания в любые выбранные дни года без изменения расстояния между двумя решетками фильтра, то есть без снижения тепло- и звукоизоляции. Из формулы (2) видно, что при неизменном расстоянии s, сдвиг Δ увеличивается при увеличении характеристического угла фильтра Θ_с. Увеличивать или уменьшать этот угол можно путем передвижения одного из стекол окна с решеткой по вертикали.

В отличие от прототипа, предлагаемое изобретение оптимизирует решение технической проблемы углового регулирования направленного светопропускания окна в определенное время дня для любого выбранного расчетного дня года за счет передвижения одного из стекол смарт-окна с решеткой по вертикали. Обеспечиваемый изобретением технический результат может быть достигнут в оконных конструкциях, описанных в патентах RU 2509324 С2, RU 2677069 С2, US 3085474 A и US 6467935 B1.

Сущность изобретения состоит в совокупности следующих существенных признаков, достаточной для оптимизации решения технической проблемы углового регулирования светопропускания окна и обеспечения технического результата – оптимизированного углового регулирования светопропускания смарт-окна с адаптацией к траектории движения солнца относительно него в разные дни года, за счет передвижения одного из стекол смарт-окна с решеткой по вертикали с целью сезонного изменения временных характеристик светопропускания окна:

1) по заданным географическим координатам здания, для выбранного с учетом местного климата дня года с максимальными солнцезащитными требованиями (например, для дня с максимальной интенсивностью солнечной радиации или середины самого жаркого периода года), с помощью онлайн-калькулятора рассчитывают значения высот стояния h и азимутов А солнца через определенные периоды времени светового дня (например, через каждые полчаса) относительно выбранного момента времени, например, когда азимут солнца равняется азимуту ориентации окна А_о (А= А_о), т.е. солнечные лучи падают на окно в плоскости, перпендикулярной плоскости окна;

2) с учетом азимута ориентации окна и полученных значений высот стояния и азимутов солнца по частному случаю первой теоремы косинусов для трехгранного угла (этот угол образуется вертикальной плоскостью окна, горизонтальной плоскостью, проходящей через точку падения солнечного луча на окно, и плоскостью падения солнечного луча на окно), когда двугранный угол напротив искомого плоского угла равен 90°, рассчитывают углы падения Θ солнечных лучей на окно: cos Θ = cos h cos (А – А_о);

3) с учетом полученных значений высот стояния и азимутов солнца и углов падения лучей по правилам начертательной геометрии строят траекторию движения солнца относительно вертикальной плоскости окна в диапазоне углов падения солнечных лучей от 0° до 60° (при больших углах нет необходимости углового регулирования светопропускания из-за высоких коэффициентов отражения);

4) проводят прямую линию, являющуюся результатом линейной аппроксимации построенной траектории, или проводят касательную к траектории в точке, соответствующей времени максимальной интенсивности солнечного излучения в течение светового дня (если в такой момент времени угол падения солнечных лучей на окно находится в пределах от 0° до 60°);

5) искомый угол наклона параллельных пластин или полос экранирующих устройств и других приспособлений для защиты от солнечного света на северных и южных широтах от 10° до 60° находится между горизонтальной осью плоскости окна и аппроксимирующей или касательной линией и изменяется в пределах от 0° до 90°;

6) располагают параллельные пластины или полосы экранирующих устройств и других приспособлений для защиты от солнечного света наклонно, по отношению к горизонтальной оси плоскости окна, под углом с найденным значением;

7) с помощью предварительного расчета подбирают ширины полос и их взаимное расположение для оптических фильтров по патентам RU 2509324 С2, RU 2677069 С2, US 3085474 A и US 6467935 B1 для обеспечения минимального (или нулевого) светопропускания окна в выбранный к расчетам день года с максимальными солнцезащитными требованиями и выбранный промежуток времени (или конкретное время) светового дня, в остальное время светопропускание окна будет больше;

8) по вышеуказанной программе для расчета коэффициента светопропускания смарт-окна и по формулам (1) и (2) рассчитывают временные характеристики светопропускания окна в выбранный расчетный день года, а также в другие месяцы года с востребованностью защиты от солнца или, наоборот, с потребностью максимального светопропускания в холодное время года, при характеристическом угле фильтра (то есть взаимном расположении двух решеток относительно вертикали), полученном для выбранного расчетного дня года, а также при других характеристических углах фильтра (при предполагаемом смещении одной из решеток относительно вертикали);

9) устанавливают, в какие месяцы и насколько необходимо изменить характеристический угол фильтра, то есть на какое расстояние передвинуть одну из решеток относительно вертикали, для получения удовлетворяющих временных характеристик светопропускания окна и производят соответствующую калибровку этого расстояния.

Признаки 1-7 изобретения аналогичны признакам прототипа по патенту RU 2759758 С1. Признаки 8 и 9 отличительны от прототипа.

К описанию изобретения относятся следующие фигуры:

- фиг. 1 – разрез смарт-окна с двойным остеклением по плоскости, перпендикулярной полосам решеток фильтра, в положении, рассчитанном для минимизации светопропускания для 15 июня и с указанием двух расстояний для передвижения одного из стекол по вертикали для оптимизации светопропускания для 15 сентября и 15 декабря;

- фиг. 2 – временные характеристики светопропускания для 15 числа июня, сентября и декабря для смарт-окна с параметрами фильтра, рассчитанными для 15 июня;

- фиг. 3 – временные характеристики светопропускания для 15 сентября при разных характеристических углах фильтра с параметрами, рассчитанными для 15 июня;

- фиг. 4 – временные характеристики светопропускания для 15 декабря при разных характеристических углах фильтра с параметрами, рассчитанными для 15 июня.

При осуществлении изобретения последовательно выполняют операции, указанные в 9 его признаках. Рассмотрим порядок осуществления изобретения для окна с азимутом ориентации 120° в г. Оренбурге (51°46' N, 55°06' E, UTC +05:00) при расстоянии между решетками 16 мм. Расчет высот стояния и азимутов солнца выполнен с помощью онлайн-калькулятора (http://planetcalc.ru/320/) для 15 июня 2021 г. (дня максимальной интенсивности солнечной радиации в году в г. Оренбурге) через каждые полчаса с 5:30 до 13:00 и для 10:49 (в это время азимут солнца в г. Оренбурге равен 120°, т.е. азимуту ориентации окна). Поскольку признаки 1-7 изобретения аналогичны признакам патентов RU 2677069 С2 и RU 2759758 С1, здесь приведем только результаты расчета оптимального угла наклона решеток фильтра – для принятых расчетных условий он составляет 40º по результатам линейной аппроксимации траектории Солнца относительно окна с 6:30 до 13:00 в указанный расчетный день.

На фиг. 1 приведен разрез смарт-окна с двойным остеклением по плоскости, перпендикулярной полосам решеток фильтра. Расстояние между решетками составляет 16 мм. Ширины всех полос решеток одинаковы: с₁= с₂= с₃= с₄= 10 мм. Для обеспечения минимума светопропускания окна в выбранное время 10:49 расчетного дня 15 июня характеристический угол по расчетам равен 41,78°.

В соответствии с признаком 8, для окна с принятыми расчетными параметрами рассчитаны временные характеристики светопропускания окна в расчетный день года – 15 июня, а также для 15 сентября и 15 декабря, которые приведены на фиг. 2. Эти дни выбраны через каждые три месяца, чтобы оптимизировать светопропускание смарт-окна в разное время года (расчеты на 15 марта не приводятся, поскольку они очень близки к 15 сентября из-за закономерностей годовой солнечной траектории). Характеристика светопропускания для 15 июня имеет минимум в выбранное расчетное время 10:49. Рассмотрим, как повлияет изменение характеристического угла фильтра смарт-окна на характеристики светопропускания для 15 сентября и 15 декабря при значениях характеристического угла 28,78°; 37,78°; 41,78°; 43,78°; 51,78° и 56,64°/15,05°. Расчет, проведенный для характеристического угла 56,64°, предполагает передвижение решетки по вертикали на слишком большое расстояние, однако с учетом периода решеток в 20 мм, решетку можно передвинуть на расстояние, меньшее расчетного на 20 мм, тогда в конечном счете у двух решеток будет точно такое же взаимное расположение, но соответствующее характеристическому углу 15,05°.

На фиг. 3 и 4 соответственно показаны временные характеристики светопропускания для 15 сентября и 15 декабря при разных характеристических углах для смарт-окна со всеми остальными параметрами фильтра, рассчитанными для 15 июня. Как видно, при последовательном увеличении характеристического угла фильтра минимум пропускания для 15 сентября и 15 декабря последовательно сдвигается к более позднему времени дня.

В соответствии с признаком 9, путем анализа всех полученных характеристик светопропускания в рассматриваемом случае можно принять следующие значения характеристических углов.

Для 15 сентября из всех приведенных на фиг. 3 характеристик светопропускания наиболее приемлемой является характеристика при характеристическом угле 51,78°, обеспечивающая по расчетам среднее значение коэффициента светопропускания 0,253. При реальных углах падения 15 сентября окно с параметрами, рассчитанными для 15 июня, имеет среднее значение коэффициента светопропускания 0,292 при характеристическом угле 41,78°. При других характеристических углах среднее значение коэффициента светопропускания составляет 0,2 при 28,78°; 0,25 при 37,78°; 0,31 при 43,78° и 0,18 при 56,64°. Анализируя все рассчитанные варианты и с учетом того, что в сентябре в Оренбурге по результатам многолетних наблюдений температура держится достаточно высокой (средний максимум 20,9° и абсолютный максимум 38°), в данном случае целесообразно уменьшить среднее значение коэффициента светопропускания до 0,253 по сравнению с 0,292. На фиг. 3 также видно, что время минимума светопропускания при этом сдвинется с 12:00 до 12:30, что также является более оптимальным фактором, так как восход солнца в сентябре сдвинут на более позднее время, чем в июне. Кроме этого, угол падения солнечных лучей увеличивается по расчетам до 57,54° в 12:30 по сравнению с 50,74° в 12:00, то есть большая часть падающих лучей отражается. Это способствует тому, что при уменьшении общего минимума среднего значения коэффициента светопропускания можно избежать слишком низкого реального пропускания в момент времени с минимальным пропусканием. Расстояние, на которое необходимо сдвинуть одну решетку относительно другой, определяем по формуле (2): 16 tan51,78° – 16 tan41,78° = 6,02 мм (как показано на фиг. 1, необходимо опустить внутреннее стекло окна вниз). Однако это по направлению, перпендикулярному полосам решеток фильтра. Расстояние, на которое это стекло окна необходимо опустить по вертикали с учетом наклона решеток фильтра в 40°, пересчитываем по формуле: 6,02 / cos 40° = 7,86 мм. Для 15 декабря из всех приведенных на фиг. 4 характеристик светопропускания наиболее приемлемой является характеристика при характеристическом угле 37,78°, обеспечивающая по расчетам среднее значение коэффициента светопропускания 0,294. При реальных углах падения 15 декабря окно с параметрами, рассчитанными для 15 июня, имеет среднее значение коэффициента светопропускания 0,288 при характеристическом угле 41,78°. При других характеристических углах среднее значение коэффициента светопропускания составляет 0,26 при 28,78°; 0,28 при 43,78° и 0,23 при 51,78°; 0,21 при 56,64°. Анализируя все рассчитанные варианты и с учетом того, что в декабре необходима не защита от солнца, а наоборот, максимальное пропускание, в данном случае целесообразно выбрать характеристический угол 37,78° со средним значением коэффициента светопропускания 0,294, то есть наибольшим среди полученных. Расстояние, на которое необходимо сдвинуть одну решетку относительно другой, определяем по формуле (2): 16 tan37,78° – 16 tan41,78° = –1,9 мм (как показано на фиг. 1, необходимо поднять внутреннее стекло окна вверх). Расстояние, на которое это стекло окна необходимо поднять по вертикали с учетом наклона решеток фильтра в 40°, пересчитываем по формуле: –1,9 / cos 40° = –2,48 мм.

Таким образом, при осуществлении изобретения сезонная калибровка светопропускания смарт-окна в рассмотренном случае состоит в том, чтобы внутреннее стекло окна с двойным остеклением необходимо опустить по вертикали на 7,86 мм 15 сентября (а также 15 марта с учетом солнечной траектории в этот день, близкой к 15 сентября), и поднять на 2,48 мм 15 декабря. Всего в течение года передвигать внутреннее стекло окна рекомендуется четыре раза, то есть 15 числа марта, июня, сентября и декабря. Решение о количестве калибровок принимается в каждом случае с учетом местных климатических условий и требуемых условий солнцезащиты. Конечно, можно рассчитать оптимальные расстояния для каждого месяца, однако при этом придется слишком часто прибегать к калибровке расстояния, что принесет неудобства при эксплуатации смарт-окна.

Реферат

Изобретение применимо в архитектуре и строительстве для углового селективного саморегулирования светопропускания окна с адаптацией к траектории солнца относительно него и с учетом сезонного изменения угла падения солнечных лучей на поверхность окна. Сущность изобретения: с учетом траектории движения солнца относительно окна в выбранный расчетный день года с максимальными требованиями к защите от солнца рассчитывают ширины полос смарт-окна с двухрешеточным оптическим фильтром и их расположение на обеих решетках, а также наклон полос решеток по отношению к горизонтальной оси плоскости окна под углом в пределах от 0 до 90° для обеспечения минимума светопропускания окна в выбранное время расчетного дня. Дополнительно рассчитывают временные характеристики светопропускания окна для любых других дней года при разном расположении двух решеток друг относительно друга по вертикали для обеспечения оптимального светопропускания окна в эти дни. Определяют наиболее подходящее расположение двух решеток друг относительно друга по вертикали для получения удовлетворяющих временных характеристик светопропускания и передвигают одно из стекол смарт-окна с решеткой по вертикали. Технический результат: возможность оптимизированного углового регулирования светопропускания окна с адаптацией к траектории движения солнца относительно него, с минимизацией светопропускания в выбранное время выбранного дня и с оптимизацией светопропускания в другие выбранные дни разных месяцев года. 4 ил.

Формула