nsojoutСтроительство: наука и образованиеConstruction: Science and Education2305-5502ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/2305-5502.2024.3.70-88nsojout-199Research ArticleИнженерные системы. Эксплуатация зданий. Проблемы ЖКК. Энергоэффективность и энергосбережение. Безопасность зданий и сооружений. ЭкологияEngineering systems. Exploitation of buildings. Problems of Housing and Communal Complex. Energy efficiency and energy saving. Safety of buildings and structures. EcologyМоделирование естественного освещения в помещении с решеточным смарт-окномModelling natural light in a room with a lattice smart windowhttps://orcid.org/0000-0002-9954-3480ЗакируллинР. С.ZakirullinR. S.

Рустам Сабирович Закируллин — доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой теплогазоснабжения, вентиляции и гидромеханики; главный научный сотрудник

460018, г. Оренбург, пр-т Победы, д. 13; 127238, г. Москва, Локомотивный пр-д, д. 21

РИНЦ AuthorID: 149818, Scopus: 55419487000, ResearcherID: B-5570-2015

Rustam S. Zakirullin — Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Heat and Gas Supply, Ventilation and Hydromechanic; chief researcher

13 prospect Pobedy, Orenburg, 460018;21 Locomotive passage, Moscow, 127238

RSCI AuthorID: 149818, Scopus: 55419487000, ResearcherID: B-5570-2015

rustam.zakirullin@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9284-2162ОденбахИ. А.OdenbaкhI. A.

Ирина Александровна Оденбах — кандидат педагогических наук, доцент кафедры теплогазоснабжения, вентиляции и гидромеханики; старший научный сотрудник

460018, г. Оренбург, пр-т Победы, д. 13; 127238, г. Москва, Локомотивный пр-д, д. 21

РИНЦ AuthorID: 631027, Scopus: 57211785954, ResearcherID: AAH-4132-2020

Irina A. Odenbaкh — Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor of the Department of Heat and Gas Supply, Ventilation and Hydromechanic; senior research

13 prospect Pobedy, Orenburg, 460018; 21 Locomotive passage, Moscow, 127238

RSCI AuthorID: 631027, Scopus: 57211785954, ResearcherID: AAH-4132-2020

irina.odenbakh23@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-1323-9235ГиринВ. А.GirinV. A.

Владимир Александрович Гирин — старший преподаватель кафедры теплогазоснабжения, вентиляции и гидромеханики; ведущий инженер

460018, г. Оренбург, пр-т Победы, д. 13; 127238, г. Москва, Локомотивный пр-д, д. 21

ResearcherID: GZG-4218-2022

Vladimir A. Girin — senior lecturer of the Department of Heat and Gas Supply, Ventilation and Hydromechanic; lead engineer

13 prospect Pobedy, Orenburg, 460018; 21 Locomotive passage, Moscow, 127238

ResearcherID: GZG-4218-2022

vladimirgirin@gmail.comПикаловаЕ. В.PikalovaE. V.

Евгения Васильевна Пикалова — преподаватель кафедры теплогазоснабжения, вентиляции и гидромеханики

460018, г. Оренбург, пр-т Победы, д. 13

РИНЦ AuthorID: 1169672

Evgeniya V. Pikalova — lecturer of the Department of Heat and Gas Supply, Ventilation and Hydromechanic

13 prospect Pobedy, Orenburg, 460018

RSCI AuthorID: 1169672

slyotina.evgenia@yandex.ruОренбургский государственный университет (ОГУ); Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН)РоссияOrenburg State University; Scientific Research Institute of Building Physics of the Russian Academy of Architecture and Building SciencesRussian FederationОренбургский государственный университет (ОГУ)РоссияOrenburg State UniversityRussian Federation2024300920241437088Copyright © Закируллин Р.С., Оденбах И.А., Гирин В.А., Пикалова Е.В., 20242024Закируллин Р.С., Оденбах И.А., Гирин В.А., Пикалова Е.В.Zakirullin R.S., Odenbaкh I.A., Girin V.A., Pikalova E.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nso-journal.ru/jour/article/view/199Введение

Введение. Предложен метод моделирования естественного освещения в помещениях с новым типом смарт-окон с решеточным оптическим фильтром. Многочисленные компьютерные программы BPS не имеют соответствующих функций для моделирования в помещениях с решеточными смарт-окнами в силу их отличительных особенностей и новизны. Модифицирован метод расчета автономности непрерывного естественного света (cDA) и на его основе проведено численное моделирование.

Материалы и методы

Материалы и методы. Представлены методы расчета геометрических параметров решеточного фильтра и временных характеристик светопропускания смарт-окна, разработан метод расчета показателя cDA в помещении со смарт-окном с решетками, расположенными под оптимальным углом, приспособленным к траектории движения Солнца относительно окна.

Результаты

Результаты. Получены результаты численного моделирования по разработанному методу для окна с тройным остеклением с применением термохромного материала с температурой переключения 25 °С в помещении здания в г. Оренбурге. Для наиболее жаркого периода — в июне, июле и августе показатель cDA рассчитан в окрашенном состоянии термохромного материала фильтра, для остальных месяцев взято его обесцвеченное состояние. Показано преимущество решеточных смарт-окон перед традиционными в виде увеличения освещенности как в окрашенном, так и обесцвеченном состояниях термохромного материала. За счет пропускания большего количества рассеянного света при блокировке прямого света в заранее заданное время решеточные окна обеспечивают более равномерное круглогодичное распределение освещенности по глубине помещения.

Выводы

Выводы. Решеточные смарт-окна рекомендуется применять на восточных, южных и западных фасадах зданий с режимом работы в дневное время для достижения более комфортных условий естественного освещения на рабочих местах и минимизации энергопотребления и затрат на отопление, вентиляцию, кондиционирование.

Introduction

Introduction. A method for modelling natural lighting in rooms with a new type of smart windows with lattice optical filter is proposed. Numerous BPS computer programmes do not have appropriate functions for modelling in rooms with grating smart windows due to their distinctive features and novelty. The method for calculating the Continuous Daylight Autonomy (cDA) was modified and numerical modelling was carried out on its basis.

Materials and methods

Materials and methods. Methods for calculating the geometric parameters of the grating filter and the temporal characteristics of the light transmission of a smart window are presented, and a method for calculating the cDA index in a room with a grating smart window located at an optimal angle adapted to the trajectory of the Sun relative to the window is developed.

Results

Results. The results of numerical modelling according to the developed method for a triple-glazed window with thermochromic material with a switching temperature of 25 °C in a building in Orenburg were obtained. For the hottest period in June, July and August, the cDA index is calculated in the coloured state of the thermochromic filter material, for other months its uncoloured state is taken. The advantage of lattice smart windows over traditional ones is shown in the form of increased illumination both in the colored and uncoloured states of the thermochromic material. By letting in more diffuse light while blocking direct light at a predetermined time, grating windows provide a more uniform year-round distribution of illumination throughout the depth of the room.

Conclusions

Conclusions. Lattice smart windows are recommended for the eastern, southern and western facades of buildings with daytime operation mode to achieve more comfortable daylight conditions at workplaces and minimize energy consumption and costs for heating, ventilation, air conditioning.

смарт-окнорешеточный оптический фильтрсветопропусканиеестественное освещениемоделирование характеристик зданиякомфортность освещенияпоказатели естественного освещенияsmart windowgrating optical filterlight transmissionnatural lightbuilding performance modellinglighting comfortdaylight indexReferencesMahdavi A. In the matter of simulation and buildings: some critical reflections // Journal of Building Performance Simulation. 2019. Vol. 13. Issue 1. Рр. 26–33. DOI: 10.1080/19401493.2019.1685598Mahdavi A. In the matter of simulation and buildings: some critical reflections. Journal of Building Performance Simulation. 2019; 13(1):26-33. DOI: 10.1080/19401493.2019.1685598Kim Y.S., Shin H.S., Park C.S. Model predictive lighting control for a factory building using a deep deterministic policy gradient // Journal of Building Performance Simulation. 2022. Vol. 15. Issue 2. Рр. 174–193. DOI: 10.1080/19401493.2021.2019310Kim Y.S., Shin H.S., Park C.S. Model predictive lighting control for a factory building using a deep deterministic policy gradient. Journal of Building Performance Simulation. 2022; 15(2):174-193. DOI: 10.1080/19401493.2021.2019310Da Silva P.C., Leal V., Andersen M. Occupants’ behaviour in energy simulation tools: lessons from a field monitoring campaign regarding lighting and shading control // Journal of Building Performance Simulation. 2015. Vol. 8. Issue 5. Рр. 338–358. DOI: 10.1080/19401493.2014.953583Da Silva P.C., Leal V., Andersen M. Occupants’ behaviour in energy simulation tools: lessons from a field monitoring campaign regarding lighting and shading control. Journal of Building Performance Simulation. 2015; 8(5):338-358. DOI: 10.1080/19401493.2014.953583Табунщиков Ю.А. Окно как интеллектуальный элемент конструкции здания // Энергосбережение. 2008. № 2. С. 16–21. EDN IJPYSZ.Tabunshchikov Yu.A. Window as an intellectual element of the building structure. Energosberezhenie. 2008; 2:16-21. EDN IJPYSZ. (rus.).Casini M. Smart buildings: advanced materials and nanotechnology to improve energy-efficiency and environmental performance. Woodhead Publishing, 2016.Casini M. Smart Buildings: Advanced Materials and Nanotechnology to Improve Energy-Efficiency and Environmental Performance. Woodhead Publishing, 2016.Rezaei S.D., Shannigrahi S., Ramakrishna S. A review of conventional, advanced, and smart glazing technologies and materials for improving indoor environment // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2017. Vol. 159. Рр. 26–51. DOI: 10.1016/j.solmat.2016.08.026Rezaei S.D., Shannigrahi S., Ramakrishna S. A review of conventional, advanced, and smart glazing technologies and materials for improving indoor environment. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2017; 159:26-51. DOI: 10.1016/j.solmat.2016.08.026Desideri U., Asdrubali F. Handbook of energy efficiency in buildings. 1 Ed. Butterworth-Heinemann, 2018. 858 р.Desideri U., Asdrubali F. Handbook of Energy Efficiency in Buildings. 1 Ed. Butterworth-Heinemann, 2018; 858.Casini M. Active dynamic windows for buildings : a review // Renewable Energy. 2018. Vol. 119. Рр. 923–934. DOI: 10.1016/j.renene.2017.12.049Casini M. Active dynamic windows for buildings : a review. Renewable Energy. 2018; 119:923-934. DOI: 10.1016/j.renene.2017.12.049Kheiri F. A multistage recursive approach in time- and frequency-domain for thermal analysis of thermochromic glazing and thermostatic control systems in buildings // Solar Energy. 2020. Vol. 208. Pр. 814–829. DOI: 10.1016/j.solener.2020.08.019Kheiri F. A multistage recursive approach in time- and frequency-domain for thermal analysis of thermochromic glazing and thermostatic control systems in buildings. Solar Energy. 2020; 208:814-829. DOI: 10.1016/j.solener.2020.08.019Zhao X., Mofid S.A., Jelle B.P., Tan G., Yin X., Yang R. Optically-switchable thermally-insulating VO2-aerogel hybrid film for window retrofits // Applied Energy. 2020. Vol. 278. P. 115663. DOI: 10.1016/j.apenergy.2020.115663Zhao X., Mofid S.A., Jelle B.P., Tan G., Yin X., Yang R. Optically-switchable thermally-insulating VO2-aerogel hybrid film for window retrofits. Applied Energy. 2020; 278:115663. DOI: 10.1016/j.apenergy.2020.115663Kong M., Egbo K., Liu C.P., Hossain M.K., Tso C.Y., Chao C.Y.H. et al. Rapid thermal annealing assisted facile solution method for tungsten-doped vanadium dioxide thin films on glass substrate // Journal of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 833. P. 155053. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.155053Kong M., Egbo K., Liu C.P., Hossain M.K., Tso C.Y., Chao C.Y.H. et al. Rapid thermal annealing assisted facile solution method for tungsten-doped vanadium dioxide thin films on glass substrate. Journal of Alloys and Compounds. 2020; 833:155053. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.155053Seeboth A., Ruhmann R., Mühling O. Thermotropic and thermochromic polymer based materials for adaptive solar control // Materials. 2010. Vol. 3. Issue 12. Pр. 5143–5168. DOI: 10.3390/ma3125143Seeboth A., Ruhmann R., Mühling O. Thermotropic and Thermochromic Polymer Based Materials for Adaptive Solar Control. Materials. 2010; 3(12):5143-5168. DOI: 10.3390/ma3125143Ogawa S., Ono Y., Takahashi I. Glass transition behavior of perpendicularly aligned thermotropic liquid crystalline phases consisting of long-chain trehalose lipids // Journal of Molecular Liquids. 2020. Vol. 298. P. 111954. DOI: 10.1016/j.molliq.2019.111954Ogawa S., Ono Y., Takahashi I. Glass transition behavior of perpendicularly aligned thermotropic liquid crystalline phases consisting of long-chain trehalose lipids. Journal of Molecular Liquids. 2020; 298:111954. DOI: 10.1016/j.molliq.2019.111954Szukalski A., Korbut A., Ortyl E. Structural and light driven molecular engineering in photochromic polymers // Polymer. 2020. Vol. 192. P. 122311. DOI: 10.1016/j.polymer.2020.122311Szukalski A., Korbut A., Ortyl E. Structural and light driven molecular engineering in photochromic polymers. Polymer. 2020; 192:122311. DOI: 10.1016/j.polymer.2020.122311Colombi G., Cornelius S., Longo A., Dam B. Structure model for anion-disordered photochromic Gadolinium Oxyhydride thin films // The Journal of Physical Chemistry C. 2020. Vol. 124. Issue 25. Рр. 13541–13549. DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c02410Colombi G., Cornelius S., Longo A., Dam B. Structure model for anion-disordered photochromic Gadolinium Oxyhydride thin films. The Journal of Physical Chemistry C. 2020; 124(25):13541-13549. DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c02410Liu J., Lu Y., Li J., Lu W. UV and X-ray dual photochromic properties of three CP. based on a new viologen ligand // Dyes and Pigments. 2020. Vol. 177. P. 108276. DOI: 10.1016/j.dyepig.2020.108276Liu J., Lu Y., Li J., Lu W. UV and X-ray dual photochromic properties of three CP. based on a new viologen ligand. Dyes and Pigments. 2020; 177:108276. DOI: 10.1016/j.dyepig.2020.108276Chen P.W., Chang C.T., Ko T.F., Hsu S.C., Li K.D., Wu J.Y. Fast response of complementary electrochromic device based on WO3/NiO electrodes // Scientific Reports. 2020. Vol. 10. Issue 1. DOI: 10.1038/s41598-020-65191-xChen P.W., Chang C.T., Ko T.F., Hsu S.C., Li K.D., Wu J.Y. Fast response of complementary electrochromic device based on WO3/NiO electrodes. Scientific Reports. 2020; 10(1). DOI: 10.1038/s41598-020-65191-xLi W., Zhang X., Chen X., Zhao Y., Wang L., Chen M. et al. Lithiation of WO3 films by evaporation method for all-solid-state electrochromic devices // Electrochimica Acta. 2020. Vol. 355. P. 136817. DOI: 10.1016/j.electacta.2020.136817Li W., Zhang X., Chen X., Zhao Y., Wang L., Chen M./ et al. Lithiation of WO3 films by evaporation method for all-solid-state electrochromic devices. Electrochimica Acta. 2020; 355:136817. DOI: 10.1016/j.electacta.2020.136817Zhang W., Chen X., Wang X., Zhu S., Wang S., Wang Q. Pulsed electrodeposition of nanostructured polythiothene film for high-performance electrochromic devices // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2021. Vol. 219. P. 110775. DOI: 10.1016/j.solmat.2020.110775Zhang W., Chen X., Wang X., Zhu S., Wang S., Wang Q. Pulsed electrodeposition of nanostructured polythiothene film for high-performance electrochromic devices. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2021; 219:110775. DOI: 10.1016/j.solmat.2020.110775Ismail A.H., Yahya N.A.M., Mahdi M.A., Yaacob M.H., Sulaiman Y. Gasochromic response of optical sensing platform integrated with polyaniline and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) exposed to NH3 gas // Polymer. 2020. Vol. 192. P. 122313. DOI: 10.1016/j.polymer.2020.122313Ismail A.H., Yahya N.A.M., Mahdi M.A., Yaacob M.H., Sulaiman Y. Gasochromic response of optical sensing platform integrated with polyaniline and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) exposed to NH3 gas. Polymer. 2020; 192:122313. DOI: 10.1016/j.polymer.2020.122313Hu C.-W., Nishizawa K., Okada M., Yamada Y., Watanabe H., Tajima K. Roll-to-roll production of Prussian blue/P. nanocomposite films for flexible gasochromic applications // Inorganica Chimica Acta. 2020. Vol. 505. P. 119466. DOI: 10.1016/j.ica.2020.119466Hu C.-W., Nishizawa K., Okada M., Yamada Y., Watanabe H., Tajima K. Roll-to-roll production of Prussian blue/P. nanocomposite films for flexible gasochromic applications. Inorganica Chimica Acta. 2020; 505:119466. DOI: 10.1016/j.ica.2020.119466Соловьёв А.К. Современные подходы к нормированию естественного освещения жилых зданий. Результаты исследований // Светотехника. 2020. № 4. С. 5–10. EDN RWIEAU.Solovyov A.K. Modern approaches to normalizing natural lighting of residential buildings. Research results. Light and Engineering. 2020; 4:5-10. EDN RWIEAU. (rus.).Патент RU № 2509324. Способ регулирования направленного светопропускания / Р.С. Закируллин; заявл. № 2012130148/28 от 05.11.2010; опубл. 03.10.2014. Бюл. № 7. 3 с.Patent RU No. 2509324. Method for regulating directional light transmission / R.S. Zakirullin; appl. No. 2012130148/28 05.11.2010; publ. 03.10.2014. Bull. 7; 3. (rus.).Патент RU № 2677069. Способ углового регулирования направленного светопропускания окна / Р.С. Закируллин; заявл. № 2017144699 от 12.07.2017; опубл. 15.01.2019. Бюл. № 2. 2 с.Patent RU No. 2677069. Method for angular regulation of directional light transmission of a window / R.S. Zakirullin; appl. No. 2017144699 12.07.2017; public. 15.01.2019. Bull. 2; 2. (rus.).Zakirullin R.S. Optimized angular selective filtering of direct solar radiation // Journal of the Optical Society of America A. 2018. Vol. 35. Issue 9. P. 1592. DOI: 10.1364/JOSAA.35.001592Zakirullin R.S. Optimized angular selective filtering of direct solar radiation. Journal of the Optical Society of America A. 2018; 35(9):1592. DOI: 10.1364/JOSAA.35.001592Zakirullin R.S. A smart window for angular selective filtering of direct solar radiation // Journal of Solar Energy Engineering. 2020. Vol. 142. Issue 1. DOI: 10.1115/1.4044059Zakirullin R.S. A smart window for angular selective filtering of direct solar radiation. Journal of Solar Energy Engineering. 2020; 142(1). DOI: 10.1115/1.4044059Zakirullin R.S. Chromogenic materials in smart windows for angular-selective filtering of solar radiation // Materials Today Energy. 2020. Vol. 17. P. 100476. DOI: 10.1016/j.mtener.2020.100476Zakirullin R.S. Chromogenic materials in smart windows for angular-selective filtering of solar radiation. Materials Today Energy. 2020; 17:100476. DOI: 10.1016/j.mtener.2020.100476Закируллин Р.С., Оденбах И.А. Динамический контроль естественного освещения с помощью смарт-окна с решеточным оптическим фильтром // Светотехника. 2021. № 3. С. 47–51. EDN SLEWEW.Zakirullin R.S., Odenbakh I.A. Daylighting dynamic control by smart window with grating optical filter. Light and Engineering. 2021; 3:47-51. EDN SLEWEW. (rus.).Закируллин Р.С., Оденбах И.А. Оптимизация естественного освещения и инсоляции зданий с криволинейными фасадами // Academia. Архитектура и строительство. 2021. № 2. С. 111–116. DOI: 10.22337/2077-9038-2021-2-111-116. EDN KFAAUZ.Zakirullin R.S., Odenbakh I.A. Optimization of natural lighting and insolation in buildings with curved facades. Academia. Architecture and Construction. 2021; 2:111-116. DOI: 10.22337/2077-9038-2021-2-111-116. EDN KFAAUZ. (rus.).Zakirullin R.S. Typology of buildings with grating smart windows with azimuthally optimized light transmission // Journal of Architectural Engineering. 2022. Vol. 28. Issue 4. DOI: 10.1061/(ASCE)AE.1943-5568.0000566Zakirullin R.S. Typology of Buildings with Grating Smart Windows with Azimuthally Optimized Light Transmission. Journal of Architectural Engineering. 2022; 28(4). DOI: 10.1061/(ASCE)AE.1943-5568.0000566Reinhart C.F., Mardaljevic J., Rogers Z. Dyna-mic Daylight Performance Metrics for Sustainable Buil-ding Design // LEUKOS. 2006. Vol. 3. Issue 1. Рр. 7–31. DOI: 10.1582/LEUKOS.2006.03.01.001Reinhart C.F., Mardaljevic J., Rogers Z. Dynamic Daylight Performance Metrics for Sustainable Building Design. LEUKOS. 2006; 3(1):7-31. DOI: 10.1582/LEUKOS.2006.03.01.001Hopkinson R.G., Longmore J., Petherbridge P. An Empirical formula for the computation of the indirect component of daylight factor // Transactions of the Illu-minating Engineering Society. 1954. Vol. 19. Issue 7. Рр. 201–219. DOI: 10.1177/147715355401900701Hopkinson R.G., Longmore J., Petherbridge P. An Empirical Formula for the Computation of the Indirect Component of Daylight Factor. Transactions of the Illuminating Engineering Society. 1954; 19(7):201-219. DOI: 10.1177/147715355401900701Michael P.R., Johnston D.E., Moreno W. A conversion guide: solar irradiance and lux illuminance // Journal of Measurements in Engineering. 2020. Vol. 8. Issue 4. Рр. 153–166. DOI: 10.21595/jme.2020.21667Michael P.R., Johnston D.E., Moreno W. A conversion guide: solar irradiance and lux illuminance. Journal of Measurements in Engineering. 2020; 8(4):153-166. DOI: 10.21595/jme.2020.21667

The authors declare that there are no conflicts of interest present.