New technologies

APPLICATION OF "DIALUX-LG" SOFTWARE COMPLEX IN CALCULATIONS OF COMBINED LIGHTING DESIGN FOR RESIDENTIAL PREMISES OF SOKOLSKY PULP AND PAPER MILL JSC

УДК: 004:69:658.014.011.56(075.8)
DOI: 10.47055/1990-4126-2022-3(79)-12

Abstract

Введение

На современном этапе степень важности применения передовых информационных технологий в сферах архитектуры и строительства понимают даже учащиеся средней школы. В мире автоматизированные системы проектирования имеют широчайшее использование. Такие расчетные комплексы, как «Мономах», «ANSYS», «SCAD», «Лира-СОФТ», «Autodesk Robot Structural Analysis Professional», «APM Civi lEngineering», «ПК STARK ES», «Autodesk Architectural Desktop», «Autodesk Building Systems», «Autodesk Architectural Studio» и некоторые другие, существенно повышают качество проектных работ, снижают материальные затраты, сокращают сроки проектирования, увеличивают производительность труда инженерно-технических работников, а также дают возможность на основе новейших достижений фундаментальных наук совершенствовать методологию этого процесса, стимулировать развитие математической теории проектирования сложных систем и объектов.

Однако при проектировании новых жилых, административных и промышленных зданий инженеры не ограничиваются расчетом прочности и устойчивости строительных конструкций. Современное представление о комфорте в здании немыслимо без профессионального проектирования освещения. Причем, не учитывать такой гигиенический фактор, как инсоляцию, влияющую на самочувствие, настроение человека и его циркадные ритмы, абсолютно недопустимо! В России инсоляция жилых помещений регламентируется соответствующими нормативами. Расчеты наружного и внутреннего освещения искусственными источниками света специалисты производят с помощью общедоступной программы «DIALux», принадлежащей немецкой компании DIAL GmbH. Возможность интегрирования баз данных электрических светильников от многих мировых производителей в указанную программу делают ее очень функциональной.

Изучая исследования специалистов России и остального мира, связанные с расчетами освещенности помещений, мы убедились, что таких научных работ немного. В первую очередь, вызывает интерес исследование профессора А.К. Соловьева [1]. В своей работе он приводит методику расчета естественного внутреннего освещения с использованием полых трубчатых световодов, проводящих естественный свет с оболочки зданий в их помещения на нижних этажах и в подвалах. Здесь также дается оценка их энергетической эффективности. В статье [2] дается оценка новых предложений по расчетам КЕО помещений с системой верхнего естественного света с учетом определенного светотехнического влияния окружающей застройки. Данные о методике расчета систем естественного освещения с использованием световодов приведены в работе [3], а в статье [4] представлены данные о результатах замеров освещенности от световодов в офисах «Пассажирский порт Санкт-Петербург: морской фасад» и сравнения расчетных данных с результатами полевых измерений. Наши зарубежные коллеги также интенсивно работают по рассматриваемой тематике. В работе [5] рассматривается проект освещения здания типовой греческой школы (с нулевой энергией), в котором используются светодиодные светильники постоянного тока и системы сбора дневного света. Расчеты показали, что такой проект помог снизить годовое потребление первичной энергии с 90,5 кВт•ч/м² до 0,55 кВт•ч/м². В результате исследования [6] выявлена важность расчетных параметров дневного освещения и компетентность стандарта EN 15193-1: 2017 путем внедрения актуализированной методологии. Изучая статью [7], мы можем познакомиться с технико-экономическим анализом энергоэффективного проекта по модернизации освещения на заводе по производству бумажных и картонных коробок в Северном Израиле. Успешное проектирование энергосберегающего освещения с использованием систем транспортирования солнечного света позволило получить инвестиционную программу для этих целей и ожидаемую финансовую отдачу проекта. Дизайн-проект, предложенный в статье [8], позволил не только кардинально изменить внутреннюю атмосферу кафе одного из аэропортов России за счет использования естественного солнечного и рассеянного света, но и существенно сэкономить энергозатраты, связанные с непрерывным потреблением энергии искусственного освещения и кондиционирования воздуха летом, а также способствовал улучшению психологического комфорта людей и сохранению природной среды. В работе [9] мы имеем возможность познакомиться с разработкой методологии оценки систем естественного освещения помещений, которая основана на построении двух испытательных сред реального размера, которые будут подвергаться воздействию естественной световой системы. Данные, полученные в испытательной среде, изучены в свете значений солнечной радиации, полученных от цифровой метеорологической станции, что позволяет определить мощность освещения систем в разное время года.

Подводя итог обзору научной литературы, мы констатируем, что в рассмотренных и других научных исследованиях, кроме работы [8], программные комплексы для расчетов естественного освещения жилых, производственных и административных помещений не применялись. В связи с чем мы представляем свой проект комбинированного освещения бытовых помещений целлюлозного цеха Сокольского ЦБК (Вологодская область, Россия), в расчетах которого был применен усовершенствованный нами программный комплекс, не имеющий аналогов в мире.

1. Техническое обоснование применения разработанной принципиальной схемы совмещенного освещения

Усовершенствованный программный комплекс мы назвали «DIALux-lg», поскольку он имеет в своей основе расчетную платформу «DIALux» немецкой компании «DIAL GmbH». Приставка «lg» в названии от англ. «lightguide – световод». В программу DIALux была интегрирована соответствующая информация, позволившая производить расчеты освещенности любой сложности от энергоэффективных светотехнических систем на основе зеркализованных полых трубчатых световодов, расположенных в зданиях не только вертикально, но и горизонтально, что было доказано в проекте [10]. При расчетах освещенности наша программа учитывает цвет и текстуру поверхности стен, потолков и пола помещения, интерьер и его геометрические параметры. Расчетный комплекс прекрасно иллюстрирует выполненные расчеты с помощью полноценного общего 3D-вида освещенного помещения и графического изображения распределения световой энергии по заданной поверхности, что мы и покажем в данной работе.

1.1. Исходные данные. Техническое задание на проектирование

Заказчиком Акционерное общество «Сокольский целлюлозно-бумажный комбинат» (далее АО «Сокольский ЦБК») было предложено спроектировать систему комбинированного освещения трех бытовых помещений (рис. 1) для рабочего персонала целлюлозного цеха:
– комната для переодевания «мужская», на схеме позиция 407;
– комната для переодевания «женская», на схеме позиция 402;
– помещение для приема пищи, на схеме позиция 411.

Разрез здания целлюлозного цеха показан на рис. 2.

1.2. Основные технические решения проекта и их обоснование

С целью повышения физического и психологического комфорта сотрудников целлюлозного цеха, постоянно находящихся в здании в течение рабочей смены (круглосуточный цикл), а также с целью ежедневной экономии электроэнергии мы предложили к применению в бытовых помещениях целлюлозного цеха, не имеющих прямого доступа естественного дневного света, светотехнические системы на основе зеркализованных полых трубчатых световодов итальянской компании «Solarspot International S.R.l.». Системы укомплектованы датчиками освещенности (интенсивности света), позволяющие не контролировать включение и выключение светодиодной подсветки, входящей в состав системы, при наступлении темноты или светлого времени суток.

Для равномерной освещенности поверхности пола, скамеек, мебели и стен бытовых помещений мы предложили следующую структуру и цветовую палитру внутренних поверхностей бытовых помещений:
– отражающую способность для потолка – 50% (могут быть использованы, например, цвета «светлое дерево» (фактор отражения 52%), «шафрановый желтый» (RAL 1017¹, 51%) и др.);
– 30% – для стен, например, цвет «желтой охры» (33%);
– 10% – для пола, например, «зеленая трава» (15%).

«Фактор использования» (UF) найдем из таблицы официального отчета CIE 173:2006 Технического комитета ТС3.38 «Трубчатые световодные системы» Международной комиссии по освещению, учитывая при этом значение индекса помещения (R.I.) и отражающую способность внутренних поверхностей; он будет равен 0,80. Расчеты естественного освещения в городе Сокол Вологодской области (59°27′46.27″ с.ш. и 40°7′10.8″ в.д.) мы производили для светового климата населенного пункта Михалицы, по которому имеются сведения европейской базы данных естественного и солнечного света «SATEL-LIGHT» [11], наиболее близко расположенному к Вологодской области. При этом будем учитывать облачность в районе города Вологды (табл. 2), число ясных, облачных и пасмурных дней (табл. 1).

Таблица 1
Количество ясных, облачных и пасмурных дней в Вологодской области [12]

В качестве нормативной для бытовых помещений принимаем освещенность в 200 лк в соответствии с данными табл.7 национального стандарта РФ [13]. В связи с ограничениями по объему публикуемого научного материала мы представим расчеты, выполненные в расчетном комплексе «DIALux-lg», только для помещения для приема пищи сотрудников целлюлозного цеха.

Рис. 1. Общая схема бытовых помещений для рабочего персонала целлюлозного цеха АО «Сокольский ЦБК».
Схема выполнена заказчиком проекта

Рис. 2. Разрез здания целлюлозного цеха АО «Сокольский ЦБК».
Бытовые помещения, в которых необходимо спроектировать комбинированное освещение,
выделены желтым маркером. Схема выполнена заказчиком проекта

Таблица 2
Оценка облачности (в баллах) в Вологодской области [12]

Помещение для приема пищи сотрудниками целлюлозного цеха имеет следующие размеры: длина 9 м, ширина 6 м, высота подвесных потолков 3 м. Полученные результаты проиллюстрированы на рис. 3, 4, 5 и в табл. 3, 4, 5.

Нормативное требование для столовых в соответствии с документом [13] 200 лк. Исходя из этого нами рассчитано светотехническое оборудование с учетом местных климатических условий (освещенность смоделирована на 25–30% выше нормативной, как и для гардеробных).

Рис. 3. План расположения световодов диаметром 530 мм (на схеме обозначены позицией 1)
и щелевого световода (на схеме обозначен позицией 2) в помещении для приема пищи.
Масштаб 1:65. Схема смоделирована в программе DIALux-lg

Рис. 4. График значений освещенности в помещении для приема пищи, лк. Масштаб 1:78
Расчеты выполнены в программе DIALux-lg

Таблица 3
Светотехнические результаты расчетов освещенности комнаты для приема пищи, лк

Таблица 4
Светотехнические результаты расчетов освещенности комнаты для приема пищи, лк 

Таблица 5
Светотехнические результаты расчетов освещенности комнаты для приема пищи, лк

Примечание. Высота помещения 3,00 м; монтажная высота 3,00 м; коэффициент эксплуатации 0,80.

Рис. 5. Общая 3D-визуализация освещения комнаты для приема пищи целлюлозного цеха
учетом монтажа щелевого световода над хозяйственной зоной.
Схема смоделирована в программе DIALux-lg

1.3. Техническое описание «щелевого световода», устанавливаемого в помещении для приема пищи и над зеркалами в женской гардеробной

«Щелевой световод» представляет собой комбинированную систему, состоящую из следующих составных частей (рис. 6).

Рис. 6. Схема расположения «щелевого световода» в женской гардеробной
(аналогичная конструкция устанавливается в комнате для приема пищи над «хозяйственной зоной»).
Схема смоделирована авторами
Условные обозначения:
1 – светозахватывающее устройство световода (коллектор);
2 – пространство между крышей и подвесным потолком;
3 – труба («щелевой световод»), длиной 1,5 м, диаметром от 200
(в этом случае между угловым адаптером световода и пластиковой трубой ставится переходник-конфузор)
до 350 мм из полупрозрачного АБС-пластика (MABS)², подробное описание на рис. 7;
4 – электронный блок, состоящий из пяти светодиодных светильников, по 15 Вт каждый
(включается в работу при естественном освещении, ниже нормативного уровня, а также в вечерне-ночной период суток).

Желтые сектора показывают распространение солнечного света в пространстве под «щелевым световодом».

Коллектор соединен со светопрозрачной трубой (щелевым световодом) отрезком алюминиевого трубопровода, толщиной 0,5 мм, покрытого внутри многослойной диэлектрической микропризматической пленкой VEGALUX™, состоящей из полимерных оптических стеков, зеркальный коэффициент отражения которых равен 99,85% (этот материал используется в качестве внутреннего покрытия трубопроводов световодов «SolarspotInternational S.R.L.»). Тонкопленочное покрытие формирует резонансный интерференционный стек и обеспечивает высокий коэффициент отражения для проникающих в коллектор солнечных лучей.

Рис. 7. Схема «щелевого световода» (в поперечном сечении). Схема смоделирована авторами
Условные обозначения:
1 – сектор из светоотражающей пластины, толщиной 0,5 мм (зеркальный коэффициент отражения 98,5%;
изготавливается путем изгиба светоотражающей пластиныVEGALUX™ под необходимый диаметр);
2 – сектор из полупрозрачного АБС-пластика (MABS), через который многократно отраженные световые лучи попадают в помещение;
изготавливается либо путем отливки по необходимому диаметру, либо путем удаления (фрезой) сектора готовой трубы;
3 – место стыковки светоотражающей пластины и светопроводящего пластика; стыковка производится с помощью заклепок

На «дно» щелевого световода, за светодиодными светильниками (позиция 4 на рис. 6) крепится диск диаметром от 200 до350 мм из указанного светоотражающего материала; он также будет отражать световые лучи, перенаправлять их обратно в полость «щелевого световода», усиливая создаваемую естественную освещенность. Предлагаемая конструкция позволяет до 75–80% световой энергии перенаправить в помещение.

2. Краткое экономическое обоснование применения разработанной принципиальной схемы совмещенного освещения в сравнении с альтернативными схемами освещения

Для проведения сравнительного экономического анализа нами был выполнен проект освещения рассмотренных помещений традиционными источниками искусственного света. В качестве базового рассматривался светильник люминесцентный «ЛПО 4х18-CSVT/OPAL-R», накладной, опаловый, ЭПРА со стоимостью по состоянию на 16 июня 2022 г. 3127 руб., с гарантированной нормальной эксплуатацией в течение 1 года.

При производстве расчетов были учтены:
– относительно высокая начальная стоимость светотехнических систем на основе полых трубчатых световодов, крайне низкие затраты на их эксплуатацию, длительный (40–50 лет) срок службы без проведения ремонтов и замен отдельных блоков;
– устойчивая тенденция удорожания энергетических ресурсов в Российской Федерации и во всем мире;
– инфляционные процессы в экономике России;
– нестабильный курс национальной российской валюты.

В результате был определен срок окупаемости смоделированных систем освещения с использованием светотехнических систем на основе полых трубчатых световодов. Он составляет примерно 5–6 лет.

3. Декларация о конкурирующих интересах

Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на сведения, представленные в этой статье.

4. Выводы по результатам проектирования комбинированной системы освещения

1. Разработанный программный комплекс «DIALux-lg» позволяет оперативно производить расчеты освещенности любых внутренних помещений с минимальной коррекцией (0,5–1,5%) от действительных результатов измерений, где в качестве источников света используются светотехнические системы на основе зеркализованных полых трубчатых световодов. Программа также детально иллюстрирует все смоделированные технические решения.

2. Долгосрочные инвестиции в энергоэффективное строительство (освещение помещений с помощью инновационных технологий) рентабельны в условиях российской экономики и климата.

3. Разработанные комплексные архитектурно-конструктивные решения с применением светотехнических систем компании«SolarspotInternationalS.R.l.» обеспечивают требуемые российскими нормативными документами параметры микроклимата внутренней среды, и, как следствие, комфортность условий работы сотрудникам АО «Сокольский ЦБК».

4. По светотехническим параметрам представленный проект не уступает альтернативным проектам, не содержащим в своем составе зеркализованные полые трубчатые световоды, и существенно превосходит их в энергосбережении, в спектральном воздействии на циркадные ритмы человека, в степени создания комфорта и уюта в помещениях с постоянным присутствием людей.

 Примечания

¹ RAL – международная система (стандарт разработан в 1927 г.) соответствия цветов, востребованная практически во всех отраслях. Стандарт имеет доминирующее положение в промышленности, торговле, архитектуре и дизайне.

² MABS – светопрозрачный материал, имеющий большую прочность (твердость по Роквеллу, шкала М (ASTM D785) – 100-115), жесткость и химическую стойкость (температура размягчения под нагрузкой 85-90ºС (ASTM D256); ударная вязкость по Изоду 10-20 кг/см² (ASTM D256)) и прекрасное светопропускание (88% (ASTM D1003)).

References

1. Soloviev, A.K. (2011). Hollow tubular light guides and their use for natural lighting of buildings and energy saving. Lighting Engineering, No. 5, р. 41-47. (in Russian)

2. Stetsky, S.V., Larionova, K.O. (2015). Calculation of natural illumination of premises with an upper natural light system taking into account the lighting and technical influence of the surrounding buildings. MGSU Bulletin. [Online], Volume 12, pp. 21-23. Available from: https://cyberleninka.ru/article/n/raschet-estestvennoy-osveschennosti-pomescheniy-s-sistemoy-verhnego-estestvennogo-osvescheniya-s-uchetom-svetotehnicheskogo/viewer  [Accessed of 4 July 2022]. (in Russian)

3. Kaleev, A.V. (2020). Use of hollow tubular light guides for natural lighting of buildings in Russia. In: Collection of selected articles based on the materials of scientific conferences of the National Research Institute "National Development." Proceedings of international scientific conferences. Publishing house: Private scientific and educational institution of additional professional education Humanitarian National Research Institute "National Development" (St. Petersburg). Conference: Technical and Natural Sciences. Security: information, technology, management. St. Petersburg, pp. 87-89. (in Russian)

4. Stolyarov, M. (2012). Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym. [online]. Use of hollow tubular light guides for natural lighting of buildings in Russia. Available at: https://studylib.ru/doc/2735228/primenenie-polyh-trubchatyh-svetovodov-dlya-estestvennogo?ysclid=l59im8v2dw331789176  [аccessed of 6 July 2022]. (in Russian)

5. Doulos, L.T., Kontadakis, A., Madias, E.N., Sinou, M., Tsangrassoulis, A. (2019). Minimizing energy consumption for artificial lighting in a typical classroom of a Hellenic public school aiming for near Zero Energy Building using LED DC luminaires and daylight harvesting systems. Energy and Buildings, [Оnline], volume 194, pages 201 – 217. Available at: https://ezproxy.urfu.ru:2074/record/display.uri?eid=2-s2.0-85064506956&origin=recordpage&featureToggles=FEATURE_NEW_DOC_DETAILS_EXPORT:1  [Accessed of 7 July 2022].

6. Kilic, Zehra Aybike; Harputluoglu, Elif Raner; Yener, Alpin Koknel. (2021). Effect of Daylight Related Parameters on Lighting Energy Performance According to en 15193-1:2017. 6th Junior Conference on Lighting, Lighting 2021 – Proceedings 2021, Gabrovo. 23 September 2021 - 25 September 2021. [Оnline]. Available at: https://ezproxy.urfu.ru:2074/record/display.uri?origin=recordpage&zone=relatedDocuments&eid=2-s2.0-85123282195&noHighlight=false&relpos=1&featureToggles=FEATURE_NEW_DOC_DETAILS_EXPORT:1  (Accessed 07.07.2022).

7. Roitman, M., Leschenko, R., Iskhakov, M. (2018). Energy Efficiency in a Cardboard Manufacturing Plant - Technical and Economic Analysis. 2018 IEEE Conference on Technologies for Sustainability, SusTech 2018 Long Beach. [Оnline]. 2018 IEEE Conference on Technologies for Sustainability, SusTech 2018 Long Beach, 11-13 November 2018. Available at: https://ezproxy.urfu.ru:2074/record/display.uri?eid=2-s2.0-85063947864&origin=resultslist&sort=r-f&src=s&mltEid=2-s2.0-85056500192&mltType=key&imp=t&sid=9cb7434daaee43d2b612d7f053bd6bd1&sot=mlt&sdt=mlt&sl=112&s=TITLE-ABS-KEY%28%28%22Energy+conservation%22%29+OR+%28%22Energy+efficiency%22%29+OR+%28%22Lighting%22%29%29+AND+NOT+EID+%282-s2.0-85056500192%29&relpos=2&citeCnt=0&searchTerm=&featureToggles=FEATURE_NEW_DOC_DETAILS_EXPORT:1  [Accessed of 7 July 7 2022].

8. Pleshkov, S., Bracale, G., Ibragimov, I., Vedishcheva, I. (2020). Solving Air Conditioning Problems in a Design Project Using Energy-Efficient Daylighting Systems Based on Hollow Tubular Light Guides. International Science and Technology Conference on FarEastCon-2019. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. [Оnline]. Vladivostok: volume 753, release 55. March 2020. Available at: https://ezproxy.urfu.ru:2074/record/display.uri?eid=2-s2.0-85082136097&origin=resultslist&sort=plf-f&src=s&st1=calculation+of+hollow+tubular+light+guides&sid=1b88f55c704ab68fe801ef1f1457388e&sot=b&sdt=b&sl=57&s=TITLE-ABS-KEY%28calculation+of+hollow+tubular+light+guides%29&relpos=0&citeCnt=1&searchTerm=&featureToggles=FEATURE_NEW_DOC_DETAILS_EXPORT:1  [Accessed of 7 July 2022].

9. Spacek, A.D., Neto, J.M., Biléssimo, L.D., Ando, O.H., De Freitas Neto, G.P., Giansella, R.D.S., De Santana, M.V.F., Malfatti, Celia De Fraga. (2017). Proposal for an experimental methodology for evaluation of natural lighting systems applied in buildings. Energies. [Оnline], volume 10, release 7. Available at: https://ezproxy.urfu.ru:2074/record/display.uri?origin=recordpage&zone=relatedDocuments&eid=2-s2.0-85044321964&citeCnt=1&noHighlight=false&sort=plf-f&src=s&st1=calculation+of+hollow+tubular+light+guides&sid=1b88f55c704ab68fe801ef1f1457388e&sot=b&sdt=b&sl=57&s=TITLE-ABS-KEY%28calculation+of+hollow+tubular+light+guides%29&relpos=2&featureToggles=FEATURE_NEW_DOC_DETAILS_EXPORT:1  [Accessed of 7 July 2022].

10. Pleshkov, S.Yu., Bracale, G., Kuznetsov, A.L. (2022). Design project of combined lighting of the co-working area of the youth center in Milan using mirrored hollow tubular light guides. Lighting Engineering, Vol. 3, рр. 51-58. Available at: https://l-e-journal.com/journals/zhurnal-svetotekhnika-3-2022/zhurnal-svetotekhnika-3-2022-pechatnaya-versiya/?ysclid=l5at34ue1i588634345  [Accessed of 7 July 2022]. (in Russian)

11. University of Bergen. Meteorology. [Online]. Available at: URL https://www.uib.no/en/rg/meten/54530/satel-light  [Accessed of 14 June 2022].

12. Climate tables. Data for Vologda. [Online]. Available at: URL http://www.pogodaiklimat.ru/climate/27037.htm?  [Accessed of 14 June 2022]. (in Russian)

13. Electronic fund of legal and regulatory technical documents. Lighting of workplaces inside buildings. Measurement standards and methods. National Standard of the Russian Federation. Table 7: Recreation Facilities, Sanitary Facilities, Health Centers. [Online]. Available at: URL https://docs.cntd.ru/document/1200105707?ysclid=l7g2tnkly578487944  [Accessed of 17 June 2022]. (in Russian)

Citation link

Pleshkov, S.Yu., Bracale, G. APPLICATION OF "DIALUX-LG" SOFTWARE COMPLEX IN CALCULATIONS OF COMBINED LIGHTING DESIGN FOR RESIDENTIAL PREMISES OF SOKOLSKY PULP AND PAPER MILL JSC [Online] //Architecton: Proceedings of Higher Education. – 2022. – №3(79). – URL: http://archvuz.ru/en/2022_3/12/  – doi: 10.47055/1990-4126-2022-3(79)-12

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons "Attrubution-ShareALike" ("Атрибуция - на тех же условиях"). 4.0 Всемирная