Смарт-окна в современной архитектуре и строительстве

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Инновации в современной архитектуре и строительстве тесно связаны с понятием «умный дом». Неотъемлемым элементом такого дома является смарт-окно, которое при изменении температуры окружающей среды, интенсивности солнечной радиации в том или ином спектральном диапазоне или при приложении слабого постоянного тока изменяет коэффициент светопропускания во всем оптическом диапазоне или в определенных спектральных диапазонах. Последние достижения науки в данной области необходимо внедрять в образовательный процесс при подготовке бакалавров и магистров архитектурных и строительных направлений. В работе представлен обзор современных смарт-окон, а также метод расчета оптического фильтра для смарт-окна нового типа.

Применение угловой селективной фильтрации солнечного излучения в последние годы постоянно расширяется. Optical filter based on angular selective photonic structure is used to increase the pathlength of radiation in a solar cell [1].Оптический фильтр, основанный на угловой селективной фотонной структуре, используется для увеличения длины пути прохождения излучения через солнечный элемент [1]. Different concepts to realize angular sele c tive thin-film filters are compared regarding their limits for efficiency and power output per unit area of the solar cellsРазличные концепции для реализации тонкопленочных фильтров с угловой селективностью пропускания сравниваются относительно пределов их эффективности и выходной мощности на единицу площади солнечных батарей [2]. [2].Potential benefit of adaptive spatial optical filter to secure key generation is quantified for various strengths of turbulence, sky radiances, and pointing angles [3]. In recent decades, smart glasses, which can be r e garded as optical filters are used in the windows for optimal daylighting and indoor insolation.В последние десятилетия различные типы смарт-стекла, которые могут быть рассмотрены в качестве оптических фильтров, используются в окнах для достижения оптимального естественного освещения и инсоляции.

Heat-saving smart glasses with low-emissivity spectrally selective thin film coatings [4, 5] transmit the visible spectrum and reflect the infrared radiation. Теплосберегающие смарт-стекла с низкоэмиссионными спектрально-селективными тонкопленочными покрытиями [3] передают видимый спектр и отражают инфракрасное излучение. Light transmission of photochromic glass [6] reversibly varies with the intensity of the i n cident shortwave ultraviolet or visible light.Светопропускание фотохромного стекла [4] обратимо изменяется в зависимости от интенсивности падающего ультрафиолетового или коротковолнового видимого света.Thermochromic smart windows are visibly transparent and can intelligently control the amount of solar heat in response to changes in ambient temperature [7]. Термохромные смарт-окна прозрачны для видимого света при относительно низких температурах и могут контролировать количество проходящей через окно солнечной радиации в ответ на увеличение температуры окружающей среды [5]. В термотропных системах наблюдается зависящее от температуры изменение свойств рассеяния света [6]. Electrochromic smart glass [9] can smoothly change its transparency and color on passing electric current through.Электрохромное смарт-стекло [7] может плавно изменять свою прозрачность и/или цвет при пропускании электрического тока.

Применение смарт-стекол не позволяет добиться селективного регулирования направленного светопропускания по диапазонам углов падения солнечных лучей и динамически адаптироваться к положению солнца. Such a regulation requires the use of daylight- redirecting devices .Такое регулирование требует использования дополнительных устройств перераспределения световых потоков (жалюзи и т.п.). Light transmission properties of the windows with Venetian blinds are characterized by ray-tracing calculations based on a bi-directional transmission distribution function [10]. Светопропускание окон с жалюзи характеризуется расчетами трассировки лучей, основанными на двунаправленной функции распределения светопропускания [8].Potential of the static angular selective shading systems with a micro-perforated screen, a tubular shading structure, and an expanded metal mesh is quantified to reduce energy use [11]. Потенциал статических угловых селективных систем затенения с микроперфорированным экраном, с трубчатой структурой затенения и с расширенной металлической сеткой определен количественно для сокращения потребления энергии [9]. The main cha l lenge is to block direct sunlight to avoid discomfort as well as temperature increase.Основной целью применения дополнительных устройств перераспределения является блокирование прямого солнечного света, чтобы избежать дискомфорта, а также повышения температуры. The direct normal irradiance [12] falling on the window permanently changes d e pending on the time of a day and a season.

Целью работы является обновление и расширение методов расчета угловой селективной характеристики направленного светопропускания и геометрических параметров решеточного оптического фильтра, приведенных в [10]. Такой фильтр [11-13] обеспечивает угловую селективную фильтрацию прямого солнечного излучения с адаптацией к положению солнца без использования дополнительных устройств перераспределения световых потоков.First, let us briefly describe the design of the filter and the method for calculation of its angular selective characteristic - the dependence of directional light transmittance on the incidence angle of solar beams [18]. Способ запатентован в Российской Федерации [14]. В статье описана конструкция фильтра, приведены методы его расчета для смарт-окон с одинарным и двойным остеклением, а также результаты расчета фильтра для заданных условий с экспериментальным подтверждением.

Фильтр состоит из тонкопленочных решеточных слоев на двух поверхностях окна с одинарным или двойным остеклением (рис. 1). The input and output gratings are formed by absor p tive, reflective, or scattering strips alternating with directionally transmissive strips.Входные и выходные решетки образованы поглощающими, отражающими или рассеивающими полосами, чередующимися с направленно пропускающими полосами. The «non-transmissive» strips can be made by any of the known methods of surface processing, including gluing a film with pre-deposited strips on it to the window pane surface. «Непропускающие» полосы могут быть изготовлены любым из известных способов обработки поверхности, в том числе путем приклеивания пленки с предварительно нанесенными полосами. The widths of the alternating strips on both gratings and their shift relative to each other provide the selective light transmission in the angular ranges.Выбор ширин чередующихся полос обеих решеток и их смещения друг относительно друга обеспечивает селективное пропускание света в угловых диапазонах. Относительный сдвиг входных и выходных решеток характеризуется углом падения луча (характеристический угол с фильтра), проходящего через центры их чередующихся полос. Figure 1 shows that as the incidence angle changes, the propo r tion of directionally passing radiation also changes.На рис. 1 показано, что при изменении угла падения доля направленно проходящего излучения также изменяется. By blocking the direct radiation partially or completely in a predetermined angular range, the filter transmits the di f fuse and reflected radiation and provides comfortable daylighting and insolation.Блокируя прямое излучение частично или полностью в заданном угловом диапазоне, фильтр пропускает рассеянное и отраженное излучение и обеспечивает комфортное естественное освещение и инсоляцию помещения.

Поглощающие, отражающие или рассеивающие полосы могут затруднять обзор через окно и могут быть применены в вертикальных окнах, не используемых для обзора наружной территории, в окнах с наклонными или криволинейными поверхностями на последних этажах зданий и в световых люках на крыше. To ensure sufficient visibility it is more preferable to create the non-transmissive strips by the photochromic, thermochromic, electr o chromic or other smart technologies.Для обеспечения достаточного обзора через окно непропускающие полосы предпочтительнее изготавливать из фотохромных, термохромных, электрохромных или других смарт-материалов.In this case, the grating filter having all the advantages of smart glass will display its properties depending on the change of the environmental parameters or due to the passing electric current . В этом случае решеточный фильтр, имея все преимущества смарт-стекла, будет изменять свои свойства в зависимости от изменения параметров окружающей среды или при пропускании электрического тока.

Использование хромогенных материалов увеличивает стоимость изготовления фильтра, однако общая площадь непропускающих полос двух решеток фильтра всегда меньше, чем площадь полностью покрытой активным слоем одной поверхности обычного смарт-окна [12].Lower consum p tion of the expensive chromogenic materials can compensate for higher complexity of fabrication of a window with grating optical filter than a smart window, so their cost will be comparable. Меньший расход дорогих хромогенных материалов может компенсировать более высокую стоимость изготовления окна с решеточным оптическим фильтром, чем обычного смарт-окна, так что их общая стоимость будет сравнима. The smart window does not provide the angular selective light transmittance (without additional devices) and attenuates not only direct, but also di f fuse and reflected radiation.Смарт-окна известных типов [10, 12] не обеспечивают угловую селективность пропускания света (без дополнительных устройств) и ослабляют не только прямое, но и рассеянное и отраженное излучение. With approximately the same cost the window with grating filter has more advanced functions.При примерно одинаковой стоимости окна с решеточным фильтром будут иметь большую функциональность.In addition, the filter does not require manual or automatic control and the costs for electricity, is easy to use in inclined and curved windows, in panoramic glazing, and creates the possibility of dividing the window area into zones with diffe rent characteristics of light transmittance. Кроме того, фильтр не требует ручного или автоматического управления и затрат на электроэнергию, прост в использовании в наклонных и криволинейных окнах, в панорамном остеклении, и создает возможность деления площади окна на зоны с разными характеристиками светопропускания.

смарт окно оптический решеточный

Рисунок 1. Схемы решеточного оптического фильтра для окон с одинарным (а) и двойным (б) остеклением: t1 и t3 - ширины пропускающих полос; t2 и t4 - ширины непропускающих полос; s - расстояние между входной и выходной решетками; s1 и s2 - толщины наружных и внутренних стекол, с - характеристический угол фильтра, - угол падения, lc и l -соответствующие смещения лучей

The angular characteristic of the light transmittance = f ( ) is calculated by a graphic-analytical method confirmed experimentally for the various transmittances in the angular range 0 -90 [18].Угловая характеристика светопропускания = f (?) вычисляется с помощью графоаналитического метода, подтвержденного экспериментально для различных коэффициентов пропускания в диапазоне углов падения 0-90 [12]. The calculation is based on a beam offset function l = f ( ) obtained for the single and double glazed windows by trigonometric analysis Fig.Расчет основан на функции смещения луча l = f (), полученной для окон с одинарным и двойным остеклением при тригонометрическом анализе рис.1 and Snell's law: 1 с учетом закона Снелла:

l = s sin / (n 2 - sin 2 ) 1/2l = s sin / (n2 - sin2)1/2;(1)

l = s tg,(2)

w here s is the distance between input and output grating s, is the incidence a n gle, n is the refractive index of glass.где s - расстояние между входной и выходной решетками, - угол падения, n - показатель преломления стекла. The theoretical angular characteristic of the filter consists of consecutive areas with the increasing, constant maximum, decrea s ing, an d constant minimum directional light transmittance calculated by, respectively 3-6:Теоретическая угловая характеристика фильтра состоит из последовательных областей с увеличивающимся, постоянным максимальным, уменьшающимся и постоянным минимальным направленным светопропусканием , вычисляемым соответственно по формулам (3)-(6):

= (0.5t 1 - 0.5t 4 - l c + l) / (t 1 + t 2 ) = (0.5t1 - 0.5t4 - lc + l) / (t1 + t2); (3)

= t3 / (t1 + t2); (4)

= (0.5t1 - 0.5t4 + lc - l) / (t1 + t2); (5)

= (t1 - t4) / (t1 + t2), (6)

где ti - ширины полос, lc и l - смещения лучей при характеристическом угле с и угле падения (рис. 1).The theoretical transmittance should be corrected taking into account the reflection by using the Fresnel equations, as well as the absorption according to the Bouguer-Lambert law. Теоретический коэффициент пропускания должен быть скорректирован с учетом отражения по формулам Френеля, а также поглощения в соответствии с законом Бугера-Ламберта.The transmittance of pure (raw) glass raw in the single and double glazed windows calculated by, r e spectively:

Пропускание чистого стекла raw через окна с одинарным и двойным остеклением равно:

raw = (1 - )4 exp2 {- s [1 + sin2 / (n2 - sin2 ]1/2}; (7)

traw = (1 - r)4 exp{- a1 s1 [1 + sin2 --/ (n12 - sin2 --]1/2} exp {- a2s2 [1 + sin2 --/ (n22 - sin2 --]1/2}, (8)

where is the natural absorptance of the glass, is the reflectance of the glass surfaces, s is the thickness o f single glazing, 1, s 1, n 1, 2, s 2 and n 2 are the param e ters of the external and internal panes of double glazing. где - натуральный коэффициент поглощения стекла, - коэффициент отражения поверхностей стекла, s - толщина одинарного остекления, 1, s1, n1, 2, s2 и n2 - параметры наружной и внутренней слоев двойного остекления.

Ширины полос обеих решеток и характеристический угол фильтра для удовлетворения заданной угловой характеристике светопропускания окна определяются по следующему алгоритму (первоначальная версия [10] обновляется и расширяется для окна с двойным остеклением).

1) The preset angular characteristic pre = f is corrected to exclude the effect of reflection and absorption. 1) Заданная угловая характеристика tpre = f (Q) корректируется, чтобы исключить влияние отражения и поглощения. The corrected characteristic is calculated by: cor = pre / raw, where raw calculated for the single and double glazed windows by Eqs.Скорректированна

Скорректированная характеристика вычисляется по формуле:

cor = pre / raw,

где raw вычисляется для окон с одинарным и двойным остеклением по формулам (7) and (8), respectively. (7) и (8), соответственно.

2) The correc ted line cor is replaced by a polygonal line app as a result of piecewise linear approximation because the areas of the theoretical angular characte r istic calculated by Eqs. 2) Скорректированная линия cor заменяется ломаной линией app, полученной в результате кусочно-линейной аппроксимации, т.к. участки теоретических угловых характеристик, вычисленных по формулам (3)-(6) с учетом соотношений (1) and (2) are close to the polygonal lines [18]. (1) и (2), близки к ломаным линиям [12].

3) The value of the filter characteristic angle c is determined graphically on the vertical axis of symmetry between the increasing and decreasing areas of the polyg o nal line app. 3) Значение характеристического угла фильтра c определяется графически по вертикальной оси симметрии между увеличивающимся и уменьшающимся участками ломаной линии app. This symmetry of the values of light transmittance is the result of reve rsing the signs before the summands in Eqs.Эта симметрия значений коэффициента светопропускания является результатом реверсивной замены знаков перед слагаемыми в формулах(3) and (5). (3) и (5).

4) The values of the widths of the strips t 1, t 2, t 3 and t 4 are determined by solving a system of four equations, one of which is: t 1 + t 2 = t 3 + t 4 . 4) Значения ширин полос t1, t2, t3 и t4 определяются путем решения системы четырех уравнений, одно из которых (рис. 1): t1 + t2 = t3 + t4. Other three equations are based on Eqs. Другие три уравнения основаны на формулах (3-6) for areas of the approximated angular characteristic app .(3)-(6) для участков аппроксимированной угловой характеристики app. To compile the three equations is necessary to take arbitrarily three points in the different areas of this line and determine graphically the values of their transmittances i and incidence angles i .Для составления трех уравнения необходимо взять произвольно три точки на различных участках этой линии и определить графически значения их коэффициентов пропускания i и углов падения i.

5) Graphic-analytical calculation by Eqs. 5) Для фильтра с определенными геометрическими параметрами t1, t2, t3, t4 and c осуществляется графоаналитический расчет по формулам (1-6) is carried out for a filter with the determined geometric parameters t 1, t 2, t 3, t 4 and c .(1)-(6). The calculated characteristic cal = f ( ) is plotted which may differ from the line app if values of the geometric p a rameters determined by solving the system of four equations are rounded.

Рассчитывается характеристика cal = f, которая может отличаться от аппроксимированной линии app, если значения геометрических параметров, определенных путем решения системы четырех уравнений, округлены.

6) The final (actual) angular characteristic of the filter fin with the accepted g e ometric parameters is obtained by the correction taking into account the angular dependence of the reflectance and absorptance by: fin = cal 6) Действительная (фактическая) угловая характеристика фильтра fin с принятыми параметрами получается путем коррекции с учетом угловой зависимости коэффициентов отражения и поглощения по формуле: fin = cal raw.

Widths of the strips of the filter's gratings and characteristic angle of the filter for a window with the azimuth 120 providing the preset direct light transmittance are determined in Figs. Ширины полос решеток и характеристический угол фильтра для окна с азимутом 120, обеспечивающие заданный коэффициент направленного светопропускания, определяются по рис. 2-410-12.2. Fig.На рис. 2 показана схема определения характеристического угла фильтра с учетом оптимального угла наклона его решеток 15, рассчитанного по методу, приведенному в [10], для широты г. Оренбурга при азимуте окна 120. The positions of the points 0 and 0 1 are taken from Fig. Позиции точек 0 и 01 взяты для 11 ч. 30 min.30 мин. (момент времени с максимумом солнечной радиации в Оренбурге) and 15th of June.для 15 июня (день с максимумом солнечной радиации в Оренбурге). The point 0 4 is the projection of the point 0 1 on a plane perpendicular to the window surface.Точка 04 является проекцией точки 01 на плоскость, перпендикулярную к поверхности стекла. The characteristic angle is calculated through the distance between the points 0 and 0 4 : c = arctg |00 4 | Характеристический угол рассчитывается по расстоянию между точками 0 и 04: ?c = arctg |004| / s. At the distance between the panes of 16 mm the characteristic angle is equal: c = 40.245 . При расстоянии между стеклами 16 мм характеристический угол равен: c = 40,245.

Рисунок 2. Определение характеристического угла фильтра. Fig.0 - точка падения на входную решетку, 01 - ее след на выходной решетке, 02, 03 и 04 - проекции точки 01

Заданная угловая зависимость светопропускания фильтра с ?c = 40,245 представлена на рис. 11 by line pre .3 линией ?pre. According to the above described alg o rithm, the corrected characteristic is calculated by: cor = pre / raw, taking into account Eq.В соответствии с описанным выше алгоритмом, скорректированная характеристика вычисляется по формуле: ?cor = ?pre / ?raw с учетом формулы (8). (8). It is repl aced by a polygonal line app, the increasing and decreasing areas of which are symmetrical relative to a vertical axis of the characteristic angle.Она заменена ломаной линией ?app, возрастающие и убывающие участки которой расположены симметрично относительно вертикальной оси характеристического угла. To calculate the widths of the alternating strips a system of equations is composed:Для расчета ширин чередующихся полос оставлена система уравнений:

t1 + t2 = t3 + t4;

1 = (0.5 t1 - 0.5 t4 + s tg c - s tg 1) / (t1 + t2);

2 = t3 / (t1 + t2);

3 = (t1 - t4) / (t1 + t2), (9)

где 1, 2, 3 и 1 взяты из рис. 11 for areas of the approximated characteristic app .3 для участков аппроксимированной характеристики app. After solving this system, the values of the w idths of the strips are: t 1 = 16.1408 mm, t 2 = 7.3538 mm, t 3 = 16.0468 mm, and t 4 = 7.4478 mm. После решения этой системы получены значения ширин полос: t1 = 16,1408 мм, t2 = 7,3538 мм, t3 = 16,0468 мм, и t4 = 7,4478 мм. Результаты расчета угловой характеристики фильтра с округленными значениями его геометрических параметров t1 = 16 мм, t2 = 7,5 мм, t3 = 16 мм, t4 = 7,5 мм и c = 40 показаны на рис. 11 by line cal .33 линией cal.where 1, 2, 3 and 1 are taken from Fig.

Рисунок 3. Угловые характеристики фильтра. Fig.pre, cor, app, cal ? fin - заданная, скорректированная, аппроксимированная, расчетная и действительная характеристики, соответственно

The final (actual) angul ar characteristic of the filter fin is obtained after the correction of the calculated characteristic cal taking into account the angular dependence of the reflectance and absorptance by: fin = cal.

Действительная характеристика фильтра fin получается после коррекции расчетной характеристики cal с учетом угловой зависимости коэффициентов отражения и поглощения по формуле: fin = cal raw с учетом формулы (8). These characteristics differ signifi cantly from each other at the large incidence angles at which the direct solar radiation passes into the room only to the area near the window. Эти характеристики отличаются друг от друга достаточно сильно при больших углах падения, при которых прямое солнечное излучение проходит в комнату только в приоконное пространство.

A method of optimization of angular selective filtering the solar radiation has been presented.Смарт-окна с оптическими фильтрами, представленными в статье, обеспечивают комфортные условия для достижения гигиенических требований к естественному и искусственному освещению и инсоляции, приведенных в санитарно-эпидемиологических правилах и нормативах СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях».

Список литературы

1. Peters, M., Goldschmidt, J.C., Loeper, P., Blдsi, B., Willeke, G. Lighttrapping with angular selective filters. - Proceedings of the 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. - Valencia, Spain. - 1-5 September 2008.

2. Hцhn, O., Kraus, T., Bauhuis, G., Schwarz, U.T., Blдsi, B. Maximal power output by solar cells with angular confinement. - Opt. Express. - 22 (S3). - A721. - 2014.

3. Berning, P.H. Principles of design of architectural coatings. - Appl. Opt. - 22. - P. 4127-4141. - 1983.

4. Nikonorov, N.V., Sidorov, A.I., Tsekhomski, V.A., Vinogradova, O.P. Low-threshold nonlinear-optical response of photochromic glasses with copper chloride nanocrystals. - J. Opt. Technol. - 75. - P. 809-812. - 2008.

5. Gao, Y., Luo, H., Zhang, Z., Kang, L., Chen, Z., Du, J., Kanehira, M., Cao, C. Nanoceramic VO2 thermochromic smart glass: A review on progress in solution processing. - Nano Energy. - 1 (2). - P. 221-246. - 2012.

6. Seeboth, A., Ruhmann, R., Mьhling, O. Thermotropic and Thermochromic Polymer Based Materials for Adaptive Solar Control. - Materials. - 3. - P. 5143-5168. - 2010.

7. Niklasson, G.A., Granqvist, C.G. Electrochromics for smart windows: thin films of tungsten oxide and nickel oxide, and devices based on these. J. Mater. Chem. - 17. - P. 127-156. - 2007.

8. Andersen, M., Rubin, M., Powles, R., Scartezzini, J.-L. Bi-directional transmission properties of Venetian blinds: experimental assessment compared to ray-tracing calculations. - Solar Energy. - 78 (2). - P. 187-198. - 2005.

9. Fernandes, L.L., Lee, E.S., McNeil, A., Jonsson, J.C., Nouidui, T., Pang, X., Hoffmann, S. Angular selective window systems: Assessment of technical potential for energy savings. - Energy and Buildings. - 90. - P. 188-206. - 2015.

10. Zakirullin, R.S., Letuta, S.N. A smart window for angular selective filtering solar radiation. - Solar Energy. - 120. - P. 585-592. - 2015.

11. Zakirullin, R.S. Сreating optical filters with angular-selective light transmission. - Appl. Opt. - 54, No. 21. - P. 6416-6419. - 2015.

12. Закируллин, Р.С. Оптические фильтры с поверхностными решетками для углового селективного регулирования направленного светопропускания : автореф. дис. … д-ра техн. наук : 01.04.05 : защищена 16.11.16 : утв. 28.04.17. - Москва, 2016. - 38 с.

13. Zakirullin R.S. An optical filter with angular selectivity of the light transmission. - Proc. SPIE. - Vol. 9579. - 95790Q. - 9 p. - 2015.

14. Пат. 2509324 Российская Федерация. Способ регулирования направленного светопропускания / Закируллин Р.С. - № 2012130148/28; заявл. 17.07.12; опубл. 10.03.14, Бюл. № 7. - 3 с.

Размещено на Allbest.ru