Heliodon

Heliodon z Analemas

Animacja Heliodon

Heliodon (HEE-leo-don) to urządzenie służące do regulacji kąta między płaską powierzchnią a wiązką światła w celu dopasowania kąta między płaszczyzną poziomą na określonej szerokości geograficznej a wiązką słoneczną. Heliodony używane są przede wszystkim przez architektów i studentów architektury. Umieszczając model budynku na płaskiej powierzchni heliodonu i dostosowując kąt padania światła/powierzchni, badacz może zobaczyć, jak budynek wyglądałby w trójwymiarowej wiązce słonecznej w różnych dniach i porach dnia.

Historia

Tuż po II wojnie światowej , w latach pięćdziesiątych XX wieku, pojawiło się szerokie zainteresowanie tworzeniem technik projektowania budynków odpowiadających klimatowi. W Princeton Architectural Laboratory, Thermoheliodon został wynaleziony przez Olgyaysa w nadziei na stworzenie fizjologicznych warunków ludzkiego komfortu poprzez projekt architektoniczny . Thermoheliodon był kopułowym izolowanym łóżkiem ewaluacyjnym do skalowanych modeli architektonicznych w określonych warunkach klimatycznych mierzone z wysokim poziomem obliczeń i dokładnością. Urządzenie było zadaszonym środowiskiem symulacyjnym, w którym można było ocenić wydajność termiczną modelu w różnych temperaturach. Jednak osiągnięcie dokładnej oceny było problemem w przypadku Thermoheliodion ze względu na wpływ skali na wydajność cieplną. Chociaż w ramach projektu Thermoheliodon nie udało się wytworzyć dokładnie zmierzonego środowiska, urządzenie doprowadziło do dalszych badań nad adaptacyjną i wydajną orientacją projektową budynków oraz stworzyło podstawy zasad projektowania bioklimatycznego .

W latach pięćdziesiątych The Building Research Station (BRS), kluczowa instytucja w Wielkiej Brytanii , zaprojektowała Heliodon w ramach architektury tropikalnej i architektury bioklimatycznej. Instytucja miała na celu poprawę warunków mieszkaniowych i rozwój lokalnych zasobów dla budownictwa na terenach kolonialnych. Heliodon został zaprojektowany do replikacji słońca na modelach architektonicznych poprzez punkt świetlny. Urządzenie może przesuwać się i pochylać, aby uzyskać dokładną pozycję słońca w dowolnym dniu, godzinie lub miejscu.

W latach 60. heliodon został wynaleziony przez Gershona Fruhlinga w Izraelu , co zostało zarejestrowane przez Urząd Patentowy Stanów Zjednoczonych. Ten heliodon składa się z platformy stworzonej do przechowywania modelu budynku, którego izolację należy ocenić. Pozioma platforma może kołysać się na obrotowym pionowym wale, który może obracać się wokół własnej osi. Obrót umożliwia regulację godzinną i sezonową oraz obraca urządzenie prawie do podstawy. Nachylenie szybu umożliwia dopasowanie do różnych lokalizacji geograficznych na skali szerokości geograficznej. Można wykorzystać dowolne zewnętrzne źródło światła wraz ze słońcem, a umieszczenie tego źródła światła może być nieruchome podczas obserwacji. Ten heliodon jest dokładnym instrumentem, który może dokonywać szybkich i prostych regulacji. A wymóg zapewnienia precyzyjnie zlokalizowanego źródła światła nie jest konieczny.

W latach 90. wynaleziono nowoczesne heliodony z szybszymi symulacjami i większym poziomem dokładności. Laboratorium Energii Słonecznej i Fizyki Budowli EPFL LESO-PB w Lozannie zaprojektowało zrobotyzowany heliodon do symulacji światła bezpośredniego. Ten heliodon jest połączony z symulatorem skanowania nieba ( sztucznym niebem ), aby przewidzieć rozkład światła w budynku w ciągu całego roku. Urządzenie może odtwarzać bezpośrednie światło w dowolnym miejscu na ziemi.

Po roku 2000 prof. Norbert Lechner, architekt LEED AP i ekspert w dziedzinie architektury responsywnej energetycznie wynalazł ręczny emulator słońca Heliodon. Wynalazł heliodony, które były znacznie łatwiejsze do oceny światła dziennego symulację niż poprzednie modele. Sun Emulator Heliodon może precyzyjnie pokazać wszystkie zasady i strategie projektowania reagujące na energię słoneczną. Chociaż urządzenie może pomieścić tylko małe modele architektoniczne, jest doskonałym narzędziem do nauczania geometrii słonecznej. Ten heliodon został wyprodukowany przez High Precision Devices, a teraz alternatywnym urządzeniem jest Orchard Heliodon wyprodukowany przez betanit.com, za zgodą wynalazcy Sun Emulator Heliodon.

Od 2004 roku włoska firma betanit.com opracowuje różne heliodony zaprojektowane przez architekta Giulio M. Podestę do użytku w laboratoriach światła dziennego uniwersytetów i firm architektonicznych. Architekt zaprojektował Orchard Heliodon o cechach podobnych do heliodonu Sun Emulator (opracowanego przez Norberta Lechnera). W celu uzyskania dokładniejszych symulacji zaprojektowano i wprowadzono na rynek w 2007 r. Orange Heliodon, łatwy w obsłudze automatyczny heliodon ze stałym źródłem światła. Ponadto Orange Heliodon był używany na Politechnice w Mediolanie w laboratorium projektowania architektonicznego działu BEST . Wykorzystał skomputeryzowany i automatyczny heliodon do odtworzenia osłony przeciwsłonecznej. Ponadto architekt zaprojektował Tulip Heliodon, zrobotyzowany heliodon ze stałym źródłem światła, często łączony ze sztucznym niebem z pełną kopułą w celu wspólnego projektowania i prezentacji studia dzienne .

Kwok Pun Cheung, profesor i badacz na Wydziale Architektury Uniwersytetu w Hongkongu opracował różne heliodony. Cheung opracował prosty heliodon stołowy i heliodon z wieloma lampami do użytku w szkołach architektonicznych. architektonicznych opracowano heliodon stołowy z ruchomym źródłem światła . Opatentowany przenośny, lekki, uniwersalny heliodon do bezpośredniego działania światła słonecznego, ustawiony na statywie do aparatu, został opracowany do oceny wpływu bezpośredniego światła słonecznego na małe modele architektoniczne lub elementy budynków.

Tło naukowe

Ziemia jest kulą w przestrzeni, która nieustannie przechwytuje cylinder równoległych promieni energii ze Słońca. (Pomyśl o piłce tenisowej trzymanej na wietrze). Kąt dowolnego miejsca na Ziemi względem promienia słonecznego jest określony przez

• Szerokość geograficzna miejsca, która określa jego położenie na krzywej Ziemi między równikiem a jednym z biegunów.
• Pora dnia w miejscu, mierzona jego postępem na wschód wokół osi Ziemi od wschodu do zachodu słońca.
• Data, która umieszcza Ziemię na jej rocznej orbicie słonecznej.

Zmiana wynikająca z daty jest najtrudniejsza do wizualizacji. Oś Ziemi jest stała, ale nachylona : płaszczyzna obejmująca równik Ziemi , która jest prostopadła do osi, nie jest równoległa do płaszczyzny obejmującej środek Słońca i środek Ziemi, zwanej ekliptyką . Pomyśl o Ziemi jak o samochodzie na diabelskim młynie. Oś samochodu zawsze skierowana jest „w dół”, co zmienia jej stosunek do środka koła. Światło na środku koła dotykałoby dolnej części samochodu na górze orbity i górnej części samochodu na dole orbity. Gdy Ziemia krąży po orbicie, położenie linii środkowej cylindra słonecznego zmienia się, przesuwając się od Zwrotnik Raka (w czerwcu) do Zwrotnika Koziorożca (w grudniu) iz powrotem. Zmienia to kąty słońca na całej Ziemi zgodnie z datą. Zobacz więcej na analemmie .

Pożytek

Heliodony mogą naśladować szerokość geograficzną , porę dnia i datę. Muszą również pokazywać wyraźny kierunek północ-południe na swojej powierzchni, aby zorientować modele. Niektóre heliodony są bardzo skomplikowane i wykorzystują ścieżki w wysokim suficie do przenoszenia światła przez duże studio. Inne są bardzo proste, używając zegara słonecznego jako przewodnika po regulacjach i słońca w ciągu dnia jako źródła światła. Ogólnie rzecz biorąc, ustawienie daty sprawia projektantowi heliodonów najwięcej trudności, podczas gdy źródło światła sprawia najwięcej problemów w użytkowaniu. Równoległe promienie słońca nie są łatwe do powielenia za pomocą sztucznego światła w użytecznej skali, podczas gdy prawdziwe słońce nie ma względu na terminy ani godziny zajęć.

Wszystkie heliodony mogą skorzystać z ruchomego, przechylnego urządzenia, które można ustawić tak, aby pasowało do dowolnej powierzchni modelu, aby pokazać kąt padania. Urządzenie kąta padania wskazuje względną intensywność wiązki bezpośredniej na powierzchnię. Urządzenie składa się z diagramu koncentrycznych pierścieni wokół rzucającego cień wskaźnika prostopadłego do diagramu. Każdy pierścień reprezentuje procent bezpośredniej wiązki słonecznej padającej na powierzchnię. Procent waha się od 100% — promień biegnie prosto w dół wskaźnika prostopadle do diagramu — do zera — promień biegnie równolegle do diagramu i nie trafia w powierzchnię. Cosinus kąta padania daje procent. Na przykład cosinus 0,9, 90% odpowiada kątowi padania 26,84 stopnia. Promień pierścienia dla kąta jest równy jego tangensowi pomnożonemu przez wysokość wskaźnika rzucającego cień. Kąt padania 45 stopni generowałby na przykład cosinus około 0,7, 70%. Ponieważ tangens kąta 45 stopni wynosi 1, promień pierścienia 70% byłby równy wysokości pręta rzucającego cień.

Rodzaje Heliodona

Ręczny Heliodon stołowy

Ręczne heliodony stołowe służą do analizy nasłonecznienia na dowolnej szerokości geograficznej iw dowolnym czasie. Platforma podtrzymująca model jest montowana na konwencjonalnym stole lub biurku. Może obracać i przechylać skalowany model architektoniczny . Te heliodony są obsługiwane ręcznie bez użycia komputerów i zapewniają dobrą dokładność. Stojak na model, zamontowany na stole, jest przechylany pod kątem szerokości geograficznej i obracany, aby uzyskać porę dnia. W celu odtworzenia pory roku pojedyncze źródło światła wykorzystuje wstęgę oznaczoną miesiącami w roku i przymocowaną do krawędzi drzwi. Urządzenie może być używane w pomieszczeniach z lampami i na zewnątrz z bezpośrednim nasłonecznieniem dla lepszej dokładności. Podczas użytkowania na zewnątrz zegar słoneczny kontroluje pochylenie i obrót stojaka na model. Główną zaletą jest przystępna cena i niewielkie rozmiary. Heliodon jest dokładny, gdy jest używany przez osoby, które są już świadome geometrii Słońca. Ale nie nadaje się do nauki geometrii słonecznej i podstawowych zasad projektowania reagującego na słońce.

• Wydział Architektury Uniwersytetu w Hongkongu wykorzystuje heliodon stołowy do projektowania słonecznego modeli architektonicznych . Heliodon jest używany głównie do celów dydaktycznych i projektowych.

Ręczny emulator słońca Heliodon

Ręczny emulator słońca Heliodon

Ręczny heliodon składa się z płaskiego stołu z przeskalowanym modelem na górze, podczas gdy stół leży nieruchomo, a poruszają się tylko lampy słoneczne. Heliodon składa się z poziomej platformy i siedmiu pierścieni, które reprezentują ścieżkę słońca dla 21 dnia każdego miesiąca, które można obracać, aby odtworzyć porę dnia. Działa jako narzędzie dydaktyczne dla architektów, planistów i programistów. Heliodon może być używany do nauczania geometrii słonecznej i zasad projektowania reagujących na słońce w muzeach nauki. Bez polegania na zewnętrznych warunkach nieba łatwo jest ocenić analizę zacienienia na dowolnej szerokości geograficznej. Ten typ heliodonu jest bardzo intuicyjny w regulacji i obsłudze. Ten heliodon wymaga jedynie ograniczonego przeszkolenia, ponieważ jest łatwy do zrozumienia i obsługi.

Biorąc pod uwagę właściwości, ręczny emulator słońca doskonale nadaje się również do wyjaśniania dzieciom dynamiki słonecznej i punktów kardynalnych w funkcjonalny, naukowy i zabawny sposób demonstracji.

Ręczny emulator słońca heliodon jest używany na różnych uczelniach takich jak:

• Auburn University , Alabama — Uniwersytet używa heliodonowego emulatora słońca pokrytego Formica o średnicy 48 cali (1,2 m), znanego jako HPD Model 126 Heliodon.
• Texas Christian University , Teksas — studenci uniwersytetu używają emulatora słońca heliodon do badań światła dziennego w projektach oświetlenia.
• Southeastern Louisiana University , Luizjana - Uniwersytet wykorzystuje heliodon jako interaktywne narzędzie do celów dydaktycznych w projektowaniu architektury świadomej energii słonecznej .
• Durham School of Engineering and Construction, Nebraska – prof. Norbert Lechner używa emulatora słońca heliodon do wyjaśnienia analizy zacienienia modelu w zmniejszonej skali.
• Centrum CERES na Ball State University w stanie Indiana
• Judson College w Alabamie

Zrobotyzowany Heliodon ze stałym źródłem światła

Ten rodzaj zrobotyzowanych heliodonów jest najdokładniejszym symulatorem słońca. Służy do oceny modeli redukcyjnych w zwartej przestrzeni ze stałym źródłem światła przy wsparciu zrobotyzowanej platformy. Jest to automatycznie sterowany heliodon, w którym model fizyczny jest dokładnie pozycjonowany za pomocą komputerów wokół dwóch osi. Zrobotyzowany heliodon może przeprowadzać częste testy i oceny na większych i cięższych modelach niż modele ręczne, aby uzyskać precyzyjne wyniki eksperymentów. Są one wykorzystywane do badań światła dziennego na uniwersytetach, w ośrodkach badawczych i laboratoriach rozwojowych w zakresie zrównoważonych projektów budowlanych.

Niektóre zrobotyzowane heliodony wykorzystują lustro do zaginania ścieżki światła i umożliwiają instalację w małym pomieszczeniu. Pokój jest zwykle ciemny bez okien, a ściany, sufity i podłogi są zwykle czarne.

Robotic Heliodon jest używany w szkołach architektonicznych, laboratoriach badawczych i dużych firmach inżynierskich, takich jak:

• Laboratorium Energii Słonecznej i Fizyki Budowli EPFL LESO-PB w Lozannie (heliodon wykonany w laboratorium) wykorzystuje zrobotyzowany heliodon do symulacji światła bezpośredniego. Ten heliodon jest połączony z symulatorem skanowania nieba ( sztuczne niebo ) do przewidywania rozkładu światła w budynku w ciągu całego roku. Narzędzie może replikować bezpośrednie światło słoneczne w dowolnym miejscu na ziemi. Ten heliodon to laboratoryjne narzędzie, które umożliwia symulacje światła dziennego produkowane wewnątrz modeli w zmniejszonej skali do różnych celów badawczych i projektowych. Laboratorium światła dziennego wyprodukowało to narzędzie, aby ograniczyć oszczędność energii i zwiększyć komfort użytkowników poprzez lepsze wykorzystanie światła dziennego w budynkach. Instrument pozwala architektom, projektantom i planistom zrozumieć wpływ ich koncepcji architektonicznych. Oprócz ograniczania zużycia energii, laboratorium koncentruje się na poprawie zdrowia mieszkańców budynku i produktywności poprzez efektywne wykorzystanie światła dziennego. Ponadto zrobotyzowany heliodon pomoże osiągnąć cel laboratorium efektywność energetyczna i energia odnawialna w budynkach i miastach .
  

  Zrobotyzowany Heliodon ze stałym źródłem światła używany w Arup i National Laboratory for Housing and Sustainable Communities
• National Laboratory for Housing and Sustainable Communities w Sonora w Meksyku używa heliodonu Orange produkowanego przez Betanit. Zrobotyzowany heliodon służy do oceny ścieżek słonecznych i ich interakcji z wcześniej istniejącymi lub nowymi konstrukcjami. Wykorzystanie fizycznego modelu w skali pod zrobotyzowanym heliodonem pomaga projektowi zmierzyć komfort i efektywność energetyczną budynku. Heliodon jest wydajny, ponieważ projekt uwzględnia warunki klimatyczne i integrację źródeł energii. Ponieważ budynek znajduje się w gorącym i suchym klimacie, automatyczny heliodon pomógł w opracowaniu rozwiązań projektowych zapewniających pośrednie oświetlenie naturalne i wentylacji przy jednoczesnym unikaniu bezpośredniego światła słonecznego wpadającego do wnętrza budynku. Ze względu na dokładność zrobotyzowanego heliodonu wykorzystano kilka badań ze zdjęciami w celu porównania zbudowanego domu z modelem symulowanym energią słoneczną. Wyniki wykazały skuteczność zastosowania odpowiednich cech konstrukcyjnych w budynku, które wyprowadzono z automatycznego heliodonu.
• Arup (Londyn), firma inżynierska, używa pomarańczowego heliodonu produkowanego przez Betanit w swoim laboratorium oświetleniowym, aby pomóc w symulacji słońca w swoich eksperymentach i budynkach. Symulacja oświetlenia z heliodonu pomaga w szybkiej identyfikacji światła dziennego do budynków. Arup wykorzystuje zrobotyzowany heliodon do projektowania zrównoważonych, energooszczędnych i wielokrotnie nagradzanych koncepcji oświetlenia. Inżynierowie i eksperci analizują światło dzienne budynków, replikując słońce w swoich innowacyjnych projektach. Ponadto w ramach pracy dyplomowej, której kierownikiem był dr Francesco Anselmo, wykorzystano heliodon do celów eksperymentalnych. Heliodon jest również używany do badań krzywizny i corocznego współczynnika odbicia „Liścia” w Arup we współpracy z Betanit.

Zrobotyzowany Heliodon ze stałym modelem

Ten zrobotyzowany heliodon jest w pełni zautomatyzowany z komputerem i ma światła, które oświetlają model w stałej skali umieszczony poziomo na stole. Ten rodzaj zrobotyzowanego heliodonu jest używany oddzielnie lub zintegrowany ze sztucznym niebem kopułowym do prezentacji, oświetlenia i celów badawczych. Podczas pracy ze sztucznym niebem, połączone narzędzie może replikować zarówno słońce, jak i niebo z dużą dokładnością i uzyskiwać wyniki światła dziennego badanie. Model w stałej skali może być większym i cięższym modelem niż inne typy, co pozwala źródłu na obejście modelu w celu uzyskania wyników oceny, przeprowadzenia prezentacji i obserwacji. Zrobotyzowany heliodon umożliwia ludziom łatwe poruszanie się po nim i wewnątrz niego w celu prowadzenia przy świetle dziennym .

Laboratorium planowania światła dziennego - Stuttgart Technology University of Applied Sciences (HFT Stuttgart)

Zautomatyzowany zrobotyzowany heliodon ze stałym modelem znajduje zastosowanie w placówkach badawczych, firmach oświetleniowych oraz laboratoriach uniwersyteckich takich jak:

• University of Kansas Lighting Research Lab, Lawrence, Stany Zjednoczone używa symulatora światła słonecznego heliodonu do badań światła dziennego i celów badawczych. Urządzenie zostało opracowane przez dr Hongyi Cai i wykonane na zamówienie w Chinach przez Quanzhou HuaTian Measurement Equipment LLC. Narzędzie symulacyjne ma możliwość wykonywania ruchów kątowych 3D modelu budynków wokół stałego punktu modelu z dokładnością do 0,1 ^o . Heliodon jest instalowany w ciemni do celów dydaktycznych, badawczych i badań przy świetle dziennym.
• HFT , Stuttgart University of Applied Sciences, Stuttgart używa zrobotyzowanego heliodona w swoim laboratorium planowania światła dziennego. Laboratorium wykorzystuje dwa elementy w swoim symulatorze światła dziennego – sztuczne niebo i sztuczne słońce. Symulator sztucznego słońca składa się z żarówki halogenowej z parabolicznym odbłyśnikiem do odwzorowywania równoległego światła słonecznego. Heliodon zintegrował sztuczne niebo o średnicy 4,20 m z 30 świetlówkami. Panel sterowania umożliwia replikację dowolnej orbity słonecznej w dowolnym dniu i dowolnej lokalizacji na świecie. Ta integracja ułatwia odwzorowanie jasności nieba i promieniowania okołosłonecznego z dużą dokładnością. Dział architektury i projektowania wykorzystuje urządzenie do celów dydaktycznych, badania światła dziennego, badania cienia i badań.
• Bartenbach, Tyrol — firma oświetleniowa wykorzystuje heliodon (wewnątrz sztucznego nieba o średnicy 6,5 m) z wieloma małymi lampami do projektowania oświetlenia dziennego z modelami wizualizacji i obliczeniami. Firma oświetleniowa wykorzystuje heliodon do symulacji światła dziennego w badaniach i rozwoju złożonych konstrukcji budowlanych. Firma korzysta z narzędzia do projektowania oświetlenia architektonicznego wykorzystywanego do certyfikacji budynków zielonych , raportów i konsultacji.
• Uniwersytet Zjednoczonych Emiratów Arabskich (UAEU) używa potężnego zrobotyzowanego heliodonu wykonanego przez betanit.com wewnątrz sztucznego nieba z pełną kopułą, aby z dużą dokładnością oceniać światło dzienne modeli w zmniejszonej skali. Heliodon jest zasilany przez lampę HMI o mocy 1200 W z specjalnie zaprojektowaną konfiguracją optyczną zdolną do odtworzenia zakresu od 200 000 lx do 600 000 lx na stole podtrzymującym model w zmniejszonej skali. Zrobotyzowany heliodon ze sztucznym niebem jest wykorzystywany do celów badawczych w zakresie zrównoważonego projektowania budynków i technologii.

Heliodon w podręczniku oświetlenia

Illuminating Engineering Society (IES) publikuje podręcznik oświetlenia, w którym heliodon jest jednym z narzędzi używanych do oceny projektu oświetlenia dziennego . Podręcznik jest znanym na całym świecie źródłem informacji i przewodnikiem, który pozwala profesjonalistom i praktykom zajmującym się oświetleniem zrozumieć wpływ światła na ludzkie zdrowie i promować zrównoważony rozwój poprzez wydajne badania i projektowanie oświetlenia. Heliodon jest przedstawiony w podręczniku jako narzędzie oprogramowania oświetleniowego, które jest używane do badania wydajności światła dziennego dla fizycznych modeli w skali. Jest powszechnie używany przez architektów i inżynierów .

Linki zewnętrzne

• Heliodon de Analemas zarchiwizowane 17.07.2010 w Wayback Machine