Расчёт инсоляции и КЕО | Журнал Софт Культуры

Рассказываем о программах для автоматизированного расчёта

Серго Попов

29.06.2022

Время чтения: 10 мин

Расчёт инсоляции и КЕО — это относительно простая, но рутинная задача. Найти нужную линейку, сделать измерения для каждого элемента и рассчитать итоговое время — звучит вроде бы не сложно, но хочется автоматизировать этот процесс. Мы собрали инструменты, которые помогут сделать расчёты этих нормативов чуточку проще.

Прежде чем переходить к инструментам, стоит вспомнить, что такое инсоляция и КЕО. Это российские нормативы, которые связаны с движением солнца и количеством / интенсивностью солнечного света. Инсоляция — количество времени, когда помещение облучается прямым солнечным светом. КЕО — коэффициент естественного освещения, который показывает, сколько ественного света попадает в помещение. Оба параметра регулируются российскими нормами и обязательны в составе проектной и предпроектной документации. Если здание не соответствует нормативам, его нужно существенно изменять ☹. 

Желательно делать расчёты ещё на этапе проектирования, чтобы не переделывать здание. Но большинство откладывают это занятие на потом, так как расчёты выполняются вручную и занимают много времени. Публикуем целый список палочек-выручалочек — программ, сервисов и плагинов, которые облегчают расчёты. Вот они: 

1. Sunreel
2. Скрипты Dynamo
3. Shadow Analysis
4. Солярис
5. DIALux Evo

Sunreel

dutch.architectural.studio/sunreel

Для кого:

Архитекторы и дизайнеры, которые ведут частную практику, студенты, небольшие архитектурные бюро.

Для каких расчётов:

Инсоляция.

Формат:

Инструмент для ArchiCAD.

Стоимость:

Бесплатно.

Пример настройки Sunreel
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       

Sunreel — разработка российского архитектурного бюро DUTCH. Это простой инструмент, который облегчает расчёты инсоляции в ArchiCAD. Sunreal добавляется как стандартный библиотечный элемент ArchiCAD (GSM-объект), поэтому его легко загрузить в разные версии программы. Он отображается в 3D.

У инструмента можно настроить дату, локацию, неучитываемые часы, север проекта и солнечное склонение1. Sunreel похож на веер, который нужно самостоятельно разместить в расчётной точке и отсечь затенённые сегменты в 3D. Инструмент автоматически рассчитывает только начало и конец инсоляции и её продолжительность. Продолжительность прерывистой инсоляции нужно делать отдельно. Если вы рассматриваете несколько периодов инсоляции, нужно ставить ещё одну линейку. 

Скрипты Dynamo

Для кого:

Архитекторы и дизайнеры, которые ведут частную практику, студенты, небольшие архитектурные бюро.

Для каких расчётов:

Инсоляция.

Формат:

Скрипт для Revit.

Стоимость:

Бесплатно / платно — зависит от разработчика скрипта.

Работа скрипта Dynamo
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       

Dynamo — встроенный в Revit инструмент визуального программирования, с помощью которого можно создавать свои инструменты. Этим воспользовались разные пользователи и разработчики — и сделали скрипты для работы с инсоляцией.

Все скрипты работают приблизительно одинаково и требуют предварительной подготовки: нужно указать расчётные точки и настроить локацию проекта, дату и север. Итоговые данные в виде продолжительности инсоляции можно найти в параметрах семейства. 

Пример работы бесплатного скрипта можно посмотреть здесь, а платного — здесь.

Shadow Analysis

deltacodes.eu

Для кого:

Архитекторы и дизайнеры, которые ведут частную практику, студенты, небольшие архитектурные бюро.

Для каких расчётов:

Инсоляция, затенённость.

Формат:

Плагин для SketchUp и отдельная Windows-программа, совместимая с моделями Revit, ArchiCAD, SketchUp и 3ds Max.

Стоимость:

150–699 € — единоразовый платёж за плагин и 150 € — годовая подписка на программу. Есть пробный период и скидки для студентов.

Интерфейс Shadow Analysis
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       

Shadow Analysis — плагин для SketchUp и отдельная программа, которые считают инсоляцию графическим методом. В отличие от других похожих плагинов и программ, Shadow Analysis показывает не просто движение солнца, а конкретное время инсоляции в разных точках фасада, а также имеет специальный пресет для работы с российскими нормами.

Работая с программой или плагином, необходимо отметить все окна, для которых нужен расчёт, указать дату и локацию или выбрать готовый пресет. Расчёт происходит в 3D, и инструмент выдаёт схему инсоляции здания с легендой, в которой показывается количество времени. 

К сожалению, это только ознакомительная информация: Shadow Analysis выдаёт лишь картинку с градиентами. Но такие данные могут пригодиться на этапе концептуальной разработки здания.

Солярис

sitis.ru

Для кого:

Архитектурные бюро и строительные компании.

Для каких расчётов:

Инсоляция и КЕО.

Формат:

Плагин для Revit и семейство самостоятельных Windows-программ.

Стоимость:

3 000 ₽ — годовая подписка на плагин и 50 000–60 000 ₽ — годовая подписка на программу. Есть урезанные бесплатные версии плагинов и бесплатная версия программы для студентов. 

Интерфейс Соляриc
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       

«Солярис» — российское семейство программ и плагинов, давно существующих на рынке, которые считаются одним из главных инструментов для расчёта инсоляции и КЕО, соответствующих российским нормам. 

В «Солярис» загрузить модель напрямую можно только через плагин из Revit. Также можно построить модель здания по подложке в самой программе, а затем назначить ему световые проёмы, построить модель в программе «Солярис-Редактор» или подгрузить модель в формате IFC. Для расчёта нужно включить необходимые окна и настроить местоположение объекта, остальные данные программа сама подтянет из нормативной базы СП.

В результате будет доступен краткий отчёт с указанием времени инсоляции или КЕО для выбранных окон и помещений. Отдельно будут подсвечиваться проёмы и помещения, показатели которых не проходят нормы инсоляции или КЕО.

DIALux Evo

dialux.com

Для кого:

Архитекторы и дизайнеры, которые ведут частную практику, архитектурные и дизайнерские бюро.

Для каких расчётов:

КЕО.

Формат:

Программа для Windows.

Стоимость:

Бесплатно.

Интерфейс DIALux Evo
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       

DIALux Evo — программа для планирования и проектирования освещения. Этот инструмент используют дизайнеры интерьера и светодизайнеры для расчёта освещённости разных помещений. В основном DIALux Evo используют для светотехнических расчётов, то есть считают освещенность от разных источников: споты, бра, люстры. Однако в программе также можно посчитать и КЕО.  

В DIALux Evo можно загрузить DWG-план или IFC-модель помещения — эти форматы поддерживают все архитектурные программы для моделирования. Также можно сделать модель помещения в самой программе. Настраиваемые параметры для расчёта КЕО — дата, время, локация, отступы и расчётная поверхность. Программа построит изолинии естественного освещения, но КЕО для геометрического центра помещения придётся делать самостоятельно: эти данные есть, но их нужно извлечь в сторонней программе — например, можно экспортировать DWG-файл из DIALux Evo в AutoCAD и там найти КЕО.

Расчёт КЕО и инсоляции — сколько стоит в Москве проектирование раздела

В проектировании обязательно учитываются архитектурные и конструктивные решения, которые влияют на естественную освещённость здания (инсоляцию). Она важна для комфорта и здоровья постоянно пребывающих на территории объекта людей, а также для энергетической эффективности.

Под уровнем инсоляции понимают количество солнечного света, проникающего в помещения объекта. Этот показатель может рассчитываться и для прилегающей территории. Обычно это требуется при организации детских и спортивных площадок, садово-парковых комплексов и зон отдыха.

• Проектная документация, разрабатываемая ООО «Спецраздел» выполняется в полном и строгом соответствии с 87м постановлением в объеме достаточном для прохождения Главгосэкспертизы, Мосгосэкспертизы, Мособлэкспертизы и также коммерческих экспертиз.
• Перед подготовкой договора мы разрабатываем частные технические задания к разделу Инсоляция и КЕО.
• В частных технических заданиях описываются: нормативная документация, исходные данные, которые потребуются для разработки раздела, состав работ и согласующие мероприятия.
• В независимости от того, вы заказали несколько разделов или только раздел инсоляции и КЕО, вам будет выделен главный инженер проекта.
  В его обязанности входит: коммуникации с заказчиком на предмет сбора исходных данных, ведение еженедельных протоколов о состоянии процесса разработки и процесса согласования. Это организовано для того, чтобы сделать максимально прозрачным процесс проектирования для заказчика.
• Все работы выполняются исключительно штатными сотрудниками ООО «Спецраздел».

Коэффициент естественной освещённости (КЕО)

Этот показатель отображает эффективность принятых в проектировании решений с точки зрения инсоляции объекта. Для его расчёта используется отношение фактического количества солнечного света, попадающего в конкретную точку к теоретической максимальной величине, которая была бы достигнута в условиях открытого неба.

Расчёт

КЕО в обязательном порядке рассчитывается при создании проекта строительства или перепланировки здания. Его определение подтверждает достаточность естественного освещения для поддержания комфортной и безопасной жизнедеятельности человека.

Необходимость обеспечения достаточного уровня инсоляции устанавливается СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03. Его требования распространяются на эксплуатируемые, вновь возводимые и реконструируемые объекты, а также на здания, в которых выполняется капитальный ремонт. Их соблюдение обязательно для любой организации, занимающейся проектированием и выполнением сопутствующих работ.

Оценка уровня освещённости выполняется для подтверждения соответствия объекта актуальным санитарным правилам. Именно поэтому расчёт КЕО сделан неотъемлемым элементом проектной и предпроектной документации. Контроль за соблюдением указанных правил возложен на государственную санитарно-эпидемиологическую службу РФ.

Важность инсоляции

Проникая во внутренние помещения, солнечный свет уничтожает многие вредоносные микроорганизмы, способствуя естественной дезинфекции. Он также повышает тонус организма человека и запускает важные биологические процессы — например, выработку витамина D.

Время инсоляции

Под этим определением понимают продолжительность периода, в течение которого солнечные лучи проникают внутрь помещений объекта. Для него также установлены нормы, которые оказывают непосредственное влияние на плотность застройки. При возведении новых зданий и комплексной реконструкции существующих нужно обязательно подтверждать возможность получения внутренними помещениями достаточного количества света.

Основные нормативные документы в этой области — СниП 2.08.01-89 и 2.07.01-89, Свод Правил 30-102-99, а также СанПиН 2.2.1/2.1.1/1076-01. Поскольку они были разработаны в разные периоды времени, их ключевые показатели могут отличаться. Для обеспечения достаточного уровня инсоляции следует ориентироваться именно на санитарные нормы.

С целью устранения этих противоречий в настоящее время ведутся работы по совершенствованию документации. Они также призваны решать и другие проблемы — например, возможность существования точек без инсоляции, условия предельных вертикальных и горизонтальных углов и другие. Это поможет облегчить процесс проектирования, а также оптимизировать плотную городскую застройку или возведение зданий в сложных условиях.

В настоящее время существует и понятие прерывистой инсоляции, которое предполагает освещение помещений в течение нескольких раздельных периодов на протяжении дня. Для него применяются другие нормативные величины — в том числе учитывающие продолжительность перерывов.

Расчет солнечной инсоляции

Доля

Доля

Доля

Доля

Что такое солнечная инсоляция?

Солнечная инсоляция – это количество солнечной радиации или электромагнитной энергии, получаемой в определенной точке на поверхности земли. Такие переменные, как угол солнечного склонения, зенитный угол, часовой угол и облачность, необходимо учитывать при расчете солнечной инсоляции. Количество солнечных инсоляторов обычно  9.0015 кВтч/м2/день — представляет собой ежедневное количество солнечной энергии в киловатт-часах, падающих на квадратный метр поверхности земли.

Расчет солнечной инсоляции

Часовой угол (H) рассчитывается по формуле: H = 15 градусов x (время — 12). Время равно часу дня с полуночи Зенитный угол (Z) рассчитывается по формуле: Z = cos-1 (sinXsinY + cosXcosYcosH). Зенитный угол — это угол от точки, находящейся прямо над головой, до точки, в которой солнце находится на небе. Где X: широта Y: угол солнечного склонения H: часовой угол Угол солнечного склонения — это угол между плоскостью, перпендикулярной падающему солнечному излучению, и осью вращения Земли. Угол солнечного склонения изменяется от +23,5° в день летнего солнцестояния до -23,5° в день зимнего солнцестояния и 0° в дни весеннего и осеннего равноденствия. Солнечную инсоляцию (I) можно рассчитать по следующей формуле: I = S cosZ . Где находится S: солнечная постоянная — около 1000 Вт/м2 Z: зенитный угол из приведенного выше уравнения Максимальное количество солнечной инсоляции на поверхности под определенным углом наклона можно рассчитать, зная широту и день года, на основе уравнения положение солнца на небе в течение года. Эти расчеты также имеют решающее значение для использования экспериментальных данных с регистраторов солнечного сияния.  

Использование солнечных часов

Ежедневная инсоляция численно равна количеству солнечных часов в сутках. Предполагается, что модуль обращен к экватору так, что он направлен на юг в северном полушарии, а на север в южном полушарии. При изменении широты через ноль, проходящий через экватор, модуль смотрит в противоположном направлении. Количество часов, в течение которых солнце светит каждый день, — это количество часов между восходом и заходом солнца в этот день. Для частей года на широтах выше 67 градусов солнце светит 24 часа. Удивительно, но при усреднении в течение года солнце светит в среднем 12 часов в день во всем мире. В широтах севернее средняя интенсивность ниже, чем в широтах южнее. Количество солнечных часов — это просто время между восходом солнца, которое рассчитывается как: Восход солнца = 12− (115 ⁰ cos ⁻¹ (−sinφ sinδ /cosφ cosδ) , и закатом солнца, которое рассчитывается как: Закат. = 12+( 1/15 ⁰ cos ^{− 1} (−sinφ sinδ /cosφ cosδ) Масса воздуха используется для определения прямой составляющей солнечной радиации: Формула массы воздуха используется для определения массы воздуха: AM=1/cosθ

Как рассчитывается солнечное излучение—Справка

Доступно с лицензией Spatial Analyst.

• Уравнения солнечного излучения
• Ссылки

Инструменты анализа солнечной радиации рассчитывают инсоляцию на ландшафте или в определенных местах на основе методов полусферического алгоритма обзора, разработанного Rich et al. (богатые 1990, Рич и др. 1994) и далее развиты Фу и Ричем (2000, 2002).

Общее количество радиации, рассчитанное для определенного места или области, дается как глобальное излучение. Расчеты прямой, диффузной и общей инсоляции повторяются для каждого местоположения объекта или каждого местоположения на топографической поверхности, создавая карты инсоляции для всей географической области.

Уравнения солнечного излучения

Расчет глобального излучения

Глобальное излучение (Global _tot ) рассчитывается как сумма прямого (Dir _tot ) и рассеянного (Dif _tot ) излучения всех секторов карты солнца и карты неба соответственно.

 Global  tot  = Dir  tot  + Dif  tot  

Прямое солнечное излучение ) из всех секторов карты солнца:

 Dir  to  = Σ Dir  θ,α  (1) 

Прямая инсоляция от сектора солнечной карты (Dir _θ,α ) с центроидом под зенитным углом (θ) и азимутальным углом (α) рассчитывается по следующему уравнению:

 Dir  θ,α  = S  Const  * β  m(θ)  * SunDur  θ,α  * SunGap  θ,α  * cos(AngIn  θ,α  ) (2)
 

• где:
  • S _Const — Поток солнечной энергии за пределы атмосферы на среднем расстоянии от Земли до Солнца, известный как солнечная постоянная. Солнечная постоянная, использованная в анализе, составляет 1367 Вт/м 9 .0060 2 . Это согласуется с солнечной постоянной Всемирного радиационного центра (WRC).
  • β — коэффициент пропускания атмосферы (усредненный по всем длинам волн) для кратчайшего пути (в направлении зенита).
  • м(θ) — Относительная длина оптического пути, измеренная как пропорция относительно длины пути в зените (см. уравнение 3 ниже).
  • SunDur _θ,α — Продолжительность времени, представленная сектором неба. Для большинства секторов он равен дневному интервалу (например, месяцу), умноженному на часовой интервал (например, полчаса). Для частичных секторов (вблизи горизонта) продолжительность рассчитывается с использованием сферической геометрии.
  • SunGap _θ,α — Доля зазора для сектора карты солнца.
  • AngIn _θ,α — Угол падения между центром тяжести сектора неба и осью нормали к поверхности (см. уравнение 4 ниже).

Относительная оптическая длина, м(θ), определяется зенитным углом Солнца и высотой над уровнем моря. Для зенитных углов менее 80° его можно рассчитать по следующей формуле:

 м(θ) = EXP(-0,000118 * Высота - 1,638*10  -9  * Elev  2  ) / cos(θ) (3) 

• где:
  • θ — зенитный угол Солнца.
  • Высота — Высота над уровнем моря в метрах.

Влияние ориентации поверхности учитывается путем умножения на косинус угла падения. Угол падения (AngInSky _θ,α ) между поглощающей поверхностью и заданным сектором неба с центром тяжести в зенитном и азимутальном углах рассчитывается с использованием следующего уравнения: 9(4)

Расчет диффузного излучения

Для каждого сектора неба диффузное излучение в его центре тяжести (Dif) рассчитывается, интегрируется по временному интервалу и корректируется на долю зазора и угол падения с использованием следующего уравнения:

 Dif  θ ,α  = R  glb  * P  диф  * Dur * SkyGap  θ,α  * Вес  θ,α  * cos(AngIn  θ,α  ) (5) 

• где:
  • R _glb — глобальное нормальное излучение (см. уравнение 6 ниже).
  • P _dif — Доля рассеянного глобального нормального потока излучения. Обычно он составляет приблизительно 0,2 для очень ясного неба и 0,7 для очень облачного неба.
  • Длит — временной интервал для анализа.
  • SkyGap _θ,α — Доля зазора (доля видимого неба) для сектора неба.
  • Вес _θ,α — Доля рассеянного излучения, исходящего из данного сектора неба, по отношению ко всем секторам (см. уравнения 7 и 8 ниже).
  • AngIn _θ,α — Угол падения между центром тяжести сектора неба и пересекающей поверхностью.

Общее нормальное излучение (R _glb ) может быть рассчитано путем суммирования прямого излучения от каждого сектора (включая закрытые сектора) без поправки на угол падения, а затем поправки на пропорцию прямого излучения, которая равна 1- стр. _dif :

 R  glb  = (S  Const  Σ(β  m(θ)  )) / (1 - P  dif  ) (6) 

θ, α рассчитывается следующим образом:

 Вес  θ, α  = (COSθ  2  - COSθ  1 ) / DIV  AZI  (7) 

• , где:
  • 4 θ 93 1
    • , где:
      • 4 θ 9493 1
        • , где:
          • 4
            • . ₂ — Граничные зенитные углы сектора неба.
            • Div _azi — Количество азимутальных делений на карте неба.

          For the standard overcast sky model, Weight _θ,α is calculated as follows:

            Weight  θ,α   = (2cosθ  2   + cos2θ  2   - 2cosθ  1   - cos2θ  1  ) / 4 * Div  азимут  (8) 

          Общее рассеянное солнечное излучение для данной местности (Dif _tot ) рассчитывается как сумма рассеянного солнечного излучения (Dif) от всех секторов карты неба:

           Dif  to  = Σ Dif  θ,α  (9) 

          Ссылки

          Fu, P. 2000. Геометрическая модель солнечного излучения с приложениями в ландшафтной экологии. Кандидат наук. Диссертация, факультет географии, Канзасский университет, Лоуренс, Канзас, США.

          Фу П. и П. М. Рич. 2000. Руководство по солнечному аналитику 1.0. Институт моделирования окружающей среды Helios (HEMI), США.