Гелиодон

Гелиодон (HEE-leo-don) — это устройство для регулировки угла между плоской поверхностью и лучом света, чтобы соответствовать углу между горизонтальной плоскостью на определенной широте и солнечным лучом. Гелиодоны используются в основном архитекторами и студентами архитектуры. Размещая модель здания на плоской поверхности гелиодона и внося изменения в угол свет/поверхность, исследователь может увидеть, как здание будет выглядеть в трехмерном солнечном луче в разные даты и время суток.

Вскоре после Второй мировой войны , в 1950-х годах, возник широкий интерес к созданию методов проектирования зданий, соответствующих климату. ^[1] В Архитектурной лаборатории Принстона Олгиайс изобрел Термогелиодон в надежде создать физиологические условия человеческого комфорта посредством архитектурного дизайна . Термогелиодон представлял собой куполообразную изолированную оценочную кровать для масштабированных архитектурных моделей в определенных климатических условиях, измеренных с высоким уровнем расчетов и точности. ^[1] Устройство представляло собой закрытую имитационную среду, в которой тепловые характеристики масштабированной модели могли оцениваться при различных температурах. ^[1] Однако достижение точной оценки было проблемой с Термогелиодионом из-за влияния масштаба на тепловые характеристики. Хотя Термогелиодон не смог создать точно измеренную среду, устройство привело к дальнейшим исследованиям по адаптивной и эффективной проектной ориентации зданий и разработало основу принципов биоклиматического проектирования.

В 1950-х годах Исследовательская станция по строительству (BRS), ключевое учреждение в Великобритании, спроектировала Гелиодон как часть Тропической архитектуры и Биоклиматической архитектуры. ^[2] Целью учреждения было улучшение жилищных условий и развитие местных ресурсов для строительства на колониальных территориях. ^[2] Гелиодон был разработан для воспроизведения солнца на архитектурных масштабных моделях с помощью точки света. ^[2] Устройство можно сдвигать и наклонять, чтобы получить точное положение солнца в любой день, время или место. ^[2]

В 1960-х годах Гершон Фрулинг изобрел гелиодон в Израиле , что было зарегистрировано Патентным ведомством США. ^[3] Этот гелиодон состоит из платформы, созданной для удержания модели здания, изоляция которого должна быть оценена. ^[3] Горизонтальная платформа может качаться на вращающемся вертикальном валу, который может вращаться вокруг своей оси. Вращение позволяет выполнять горизонтальные и сезонные корректировки и поворачивать устройство почти до его основания. ^[3] Наклон вала позволяет выполнять корректировку в различных географических точках по шкале широты. ^[3] Можно использовать любой внешний источник света вместе с солнцем, и размещение этого источника света может оставаться неподвижным на протяжении всех наблюдений. ^[3] Этот гелиодон является точным инструментом, который может выполнять быстрые и простые корректировки. И требование предоставления точно расположенного источника света не является обязательным. ^[3]

В 1990-х годах были изобретены современные гелиодоны с более быстрым моделированием и более высоким уровнем точности. Лаборатория солнечной энергии и строительной физики EPFL LESO-PB в Лозанне разработала роботизированный гелиодон для имитации прямого света. ^[4] Этот гелиодон объединен с имитатором сканирования неба ( искусственное небо ) для прогнозирования распределения света в здании в течение всего года. ^[4] Устройство может воспроизводить прямой свет в любой точке Земли. ^[4]

После 2000-х годов профессор Норберт Лехнер, архитектор, LEED AP и эксперт в области архитектуры с учетом энергопотребления, изобрел ручной эмулятор солнца Heliodon. ^[5] Он изобрел гелиодоны, которые было намного проще оценить симуляцию дневного света , чем предыдущие модели. ^[5] Эмулятор солнца Heliodon может точно продемонстрировать все принципы и стратегии проектирования, учитывающие солнечную энергию. ^[5] Хотя устройство может вмещать только небольшие архитектурные масштабные модели, оно является прекрасным инструментом для обучения геометрии солнца. Этот гелиодон был изготовлен компанией High Precision Devices, а теперь альтернативным устройством является Orchard Heliodon, произведенный betanit.com с одобрения изобретателя эмулятора солнца Heliodon.

С 2004 года итальянская компания betanit.com разрабатывает различные гелиодоны, спроектированные архитектором Джулио М. Подестой для использования в лабораториях дневного освещения университетов и архитектурных фирм. ^[6] Архитектор спроектировал Orchard Heliodon с функциями, аналогичными гелиодону Sun Emulator (разработанному Норбертом Лехнером). Для более точного моделирования был разработан Orange Heliodon, простой в использовании роботизированный гелиодон с фиксированным источником света, который был выпущен на рынок в 2007 году. ^[6] Кроме того, Orange Heliodon использовался в Миланском политехническом университете в архитектурной проектной лаборатории кафедры BEST. ^[7] Он использовал компьютеризированный и автоматический гелиодон для воспроизведения солнцезащитного козырька. ^[7] Кроме того, архитектор спроектировал Tulip Heliodon, роботизированный гелиодон с фиксированным источником света, который часто объединяется с искусственным небом полного купола для совместного проектирования и презентации, используемого для изучения дневного света . ^[6]  

Квок Пун Чунг, профессор и исследователь кафедры архитектуры Гонконгского университета, разработал различные гелиодоны. Чунг разработал простой настольный гелиодон и многоламповый гелиодон для использования в архитектурных школах. ^[8] Кроме того, настольный гелиодон с подвижным источником света был разработан для офисов архитекторов . Запатентованный портативный легкий универсальный гелиодон с прямым солнечным светом, установленный на штативе камеры, был разработан для оценки воздействия прямого солнечного света на небольшие архитектурные модели или строительные компоненты.

Земля — это шар в космосе, постоянно перехватывающий цилиндр параллельных энергетических лучей от Солнца. (Представьте себе теннисный мяч, удерживаемый на ветру.) Угол наклона любой точки Земли к солнечному лучу определяется по формуле

• Широта места, указывающая его положение на земной поверхности между экватором и одним из полюсов.
• Время суток в этом месте, измеряемое путем перемещения Солнца на восток вокруг земной оси от восхода до захода Солнца.
• Дата, в которую Земля находится на своей годовой орбите вокруг Солнца.

Изменение, вызванное датой, сложнее всего визуализировать. Ось Земли устойчива, но наклонена : плоскость, включающая экватор Земли , которая перпендикулярна оси, не параллельна плоскости, включающей центр Солнца и центр Земли, называемой эклиптикой . Представьте себе Землю как машину на колесе обозрения. Ось машины всегда направлена ​​«вниз», что меняет ее отношение к центру колеса. Свет в центре колеса коснется нижней части машины в верхней части орбиты и верхней части машины в нижней части орбиты. По мере того, как Земля вращается по орбите, местоположение центральной линии солнечного цилиндра меняется, скользя от тропика Рака (в июне) к тропику Козерога (в декабре) и обратно. Это меняет углы солнца по всей Земле в соответствии с датой. Смотрите больше на analemma .

Гелиодоны могут имитировать широту , время суток и дату. Они также должны показывать четкое направление север-юг на своей поверхности, чтобы ориентировать модели. Некоторые гелиодоны очень сложны, используют дорожки на высоком потолке, чтобы переносить свет через большую студию. Другие очень просты, используют солнечные часы в качестве руководства для настройки и солнце дня в качестве источника света. В целом, настройка даты вызывает наибольшую сложность для дизайнера гелиодона, в то время как источник света представляет наибольшую проблему в использовании. Параллельные лучи солнца нелегко воспроизвести с помощью искусственного света в полезном масштабе, в то время как настоящее солнце не уважает сроки или часы занятий.

Все гелиодоны могут выиграть, включив подвижное, наклоняемое устройство, которое можно настроить на соответствие любой поверхности на модели, чтобы показать угол падения. Устройство угла падения указывает относительную интенсивность прямого луча на поверхности. Устройство состоит из диаграммы концентрических колец вокруг отбрасывающего тень указателя, перпендикулярного диаграмме. Каждое кольцо представляет собой процент прямого солнечного луча, падающего на поверхность. Процент варьируется от 100% — луч идет прямо вниз по указателю перпендикулярно диаграмме — до нуля — луч идет параллельно диаграмме и не попадает на поверхность. Косинус угла падения дает процент. Например, косинус 0,9, 90%, соответствует углу падения 26,84 градуса. Радиус кольца для угла равен его тангенсу, умноженному на высоту отбрасывающего тень указателя. Например, угол падения 45 градусов даст косинус около 0,7, 70%. Поскольку тангенс 45 градусов равен 1, радиус 70%-ного кольца будет равен высоте стержня, отбрасывающего тень.

Ручные настольные гелиодоны используются для анализа затенения от солнца на любой заданной широте и в любое время. Модельная платформа устанавливается на обычный стол или парту. Она может вращать и наклонять масштабированную архитектурную модель . ^[9] Эти гелиодоны управляются вручную без использования компьютеров и обеспечивают хорошую точность. Модельная стойка, установленная на столе, наклоняется для широты и поворачивается, чтобы получить время дня. ^[9] Для воспроизведения времени года один источник света использует ленту, отмеченную месяцами года и прикрепленную к краю двери. ^[9] Устройство можно использовать во внутренних помещениях с лампами и внешних помещениях с прямым солнечным светом для большей точности. При использовании на открытом воздухе солнечные часы контролируют наклон и вращение модельной стойки. Главным преимуществом является его доступность и небольшой размер. ^[9] Гелиодон точен, когда его используют люди, которые уже знакомы с солнечной геометрией. Но не подходит для изучения солнечной геометрии и основных принципов дизайна, чувствительного к солнцу. ^[9]

• Факультет архитектуры в Университете Гонконга использует настольный гелиодон для солнечного проектирования архитектурных масштабных моделей . Гелиодон в основном используется в учебных и проектных целях. ^[8]

Ручной гелиодон состоит из плоского стола с масштабной моделью наверху, тогда как стол лежит неподвижно, и только солнечные лампы находятся в движении. Гелиодон состоит из горизонтальной платформы и семи колец, которые представляют путь солнца на 21-й день каждого месяца, которые можно вращать, чтобы воспроизвести время дня. Он действует как учебный инструмент для архитекторов, планировщиков и разработчиков. ^[5] Гелиодон может использоваться для обучения солнечной геометрии и принципам дизайна, учитывающим солнечную энергию, в научных музеях. ^[5] Не полагаясь на внешние условия неба, легко оценить анализ затенения солнца на любой широте. Этот тип гелиодона очень интуитивно понятен для настройки и эксплуатации. ^[10] Этот гелиодон требует лишь ограниченного обучения, поскольку его легко понять и использовать.

Учитывая характеристики, ручной эмулятор солнца также отлично подходит для объяснения детям солнечной динамики и сторон света в функциональной, научной и увлекательной форме демонстрации.

Ручной эмулятор солнца гелиодон используется в различных университетах, таких как:

• Университет Оберн , Алабама . Университет использует эмулятор солнца гелиодон диаметром 48 дюймов (1,2 м), покрытый пластиком Formica, известный как гелиодон HPD Model 126. ^[10]
• Техасский христианский университет , Техас – Студенты университета используют эмулятор солнца гелиодон для изучения дневного света в проектах по дизайну освещения. ^[11]
• Университет Юго-Восточной Луизианы , Луизиана – Университет использует гелиодон в качестве интерактивного инструмента для обучения проектированию архитектуры с учетом солнечной энергии . ^[12]
• Школа инженерии и строительства Дарема, Небраска – профессор Норберт Лехнер использует эмулятор солнца гелиодон для объяснения анализа затенения солнца на масштабной модели. ^[13]
• Центр CERES в Университете Болл Стейт , штат Индиана ^[10]
• Колледж Джадсона , Алабама ^[10]

Этот тип роботизированных гелиодонов является наиболее точным имитатором солнца. Он используется для оценки масштабных моделей в компактном пространстве с фиксированным источником света при поддержке роботизированной платформы. Это автоматически управляемый гелиодон, в котором физическая модель точно позиционируется с помощью компьютеров вокруг двух осей. Роботизированный гелиодон может обрабатывать частые тесты и оценки на более крупных и тяжелых моделях, чем ручные, для получения точных результатов для экспериментов. Они используются для исследований дневного освещения в университетах, научно-исследовательских учреждениях и исследовательских лабораториях для проектирования устойчивых зданий.

Некоторые роботизированные гелиодоны используют зеркало, чтобы сложить световой путь и сделать возможной установку в небольшой комнате. Комната обычно темная, без окон, а стены, потолки и полы обычно черные.

Роботизированный Гелиодон используется в архитектурных школах, исследовательских лабораториях и крупных инжиниринговых фирмах, таких как:

• Лаборатория солнечной энергии и строительной физики EPFL LESO-PB в Лозанне (лабораторный гелиодон) использует роботизированный гелиодон для моделирования прямого света. ^[4] Этот гелиодон объединен с имитатором сканирования неба ( искусственное небо ) для прогнозирования распределения света в здании в течение всего года. Инструмент может воспроизводить прямой солнечный свет в любой точке Земли. ^[4] Этот гелиодон — лабораторный инструмент, позволяющий производить моделирование дневного освещения внутри масштабных моделей для различных исследовательских и проектных целей. ^[4] Лаборатория дневного освещения изготовила этот инструмент для ограничения экономии энергии и повышения комфорта пользователей за счет лучшего использования дневного освещения в зданиях. ^[4] Инструмент позволяет архитекторам, дизайнерам и планировщикам понимать влияние их архитектурных концепций. Помимо ограничения потребления энергии, лаборатория фокусируется на улучшении здоровья жильцов зданий и производительности за счет эффективного использования дневного освещения. Более того, роботизированный гелиодон поможет лаборатории в достижении цели по достижению энергоэффективности и возобновляемой энергии в зданиях и городах .

  

• Национальная лаборатория жилищного строительства и устойчивого развития в Соноре, Мексика, использует гелиодон Orange, произведенный Betanit. ^[14] Роботизированный гелиодон используется для оценки солнечных путей и их взаимодействия с уже существующими или новыми конструкциями. ^[14] Используя масштабную физическую модель под роботизированным гелиодоном, он помогает проекту измерить комфорт и энергоэффективность здания. ^[14] Гелиодон эффективен, поскольку проект учитывает климатические условия и интеграцию источников энергии. ^[14] Поскольку здание расположено в жарком сухом климате, автоматический гелиодон помог в предоставлении проектных решений для обеспечения непрямого естественного освещения и вентиляции, избегая при этом попадания прямых солнечных лучей во внутренние помещения здания. ^[14] Благодаря точности роботизированного гелиодона было использовано несколько исследований с фотографиями для сравнения построенного дома с масштабной моделью, имитирующей солнечную энергию. Результаты показали эффективность использования соответствующих конструктивных особенностей в здании, которая была получена с помощью автоматического гелиодона. ^[14]
• Arup (Лондон), инжиниринговая фирма, использует оранжевый гелиодон, произведенный Betanit, в своей лаборатории освещения для имитации солнца для своих экспериментов и зданий. ^{[15] [16]} Моделирование освещения с помощью гелиодона помогает быстро определить проникновение дневного света в здания. Arup использует роботизированный гелиодон для разработки устойчивых, энергоэффективных и отмеченных наградами концепций в освещении. ^[16] Инженеры и эксперты анализируют дневное освещение зданий, воспроизводя солнце для своих инновационных проектов. Кроме того, дипломный проект под руководством доктора Франческо Ансельмо также использовал гелиодон в экспериментальных целях. Гелиодон также используется для исследований кривизны и ежегодной отражательной способности «Листа» в Arup в сотрудничестве с Betanit. ^[17]

Этот роботизированный гелиодон полностью автоматизирован с помощью компьютера и имеет огни, которые движутся вокруг фиксированной масштабной модели, размещенной горизонтально на столе. Этот тип роботизированного гелиодона используется отдельно или интегрируется с купольным искусственным небом для презентаций, проектирования освещения и исследовательских целей. При использовании с искусственным небом комбинированный инструмент может воспроизводить как Солнце, так и небо с большой точностью и получать результаты исследования дневного света . Фиксированная масштабная модель может быть больше и тяжелее моделей других типов, что позволяет источнику ходить вокруг модели для получения результатов оценки, проведения презентаций и наблюдений. Роботизированный гелиодон позволяет людям легко перемещаться вокруг него и внутри него для исследований дневного света .

Автоматизированный роботизированный гелиодон с фиксированной моделью используется в научно-исследовательских учреждениях, светотехнических компаниях и университетских лабораториях, таких как:

• Исследовательская лаборатория освещения Университета Канзаса , Лоуренс, США, использует имитатор солнечного света гелиодона для изучения дневного света и исследовательских целей. ^[18] Устройство было разработано доктором Хонги Каем и изготовлено по индивидуальному заказу в Китае компанией Quanzhou HuaTian Measurement Equipment LLC. ^[18] Инструмент моделирования имеет возможность 3D угловых перемещений масштабной модели зданий вокруг фиксированной точки модели с точностью 0,1 ^o . Гелиодон установлен в темной комнате для учебных целей, исследований и изучения дневного света. ^[18]
• HFT , Штутгартский университет прикладных наук, Штутгарт, использует роботизированный гелиодон в своей лаборатории планирования дневного света. ^[19] Лаборатория использует два элемента в своем симуляторе дневного света — искусственное небо и искусственное солнце. ^[19] Искусственный симулятор солнца состоит из галогенной лампы с параболическим отражателем для воспроизведения параллельного солнечного света. Гелиодон интегрировал искусственное небо диаметром 4,20 м с 30 люминесцентными лампами. ^[19] Панель управления позволяет воспроизводить любую солнечную орбиту в любой день и в любом месте мира. ^[19] Эта интеграция облегчает воспроизведение яркости неба и околосолнечной радиации с большой точностью. ^[19] Кафедра архитектуры и дизайна использует устройство в учебных целях, для изучения дневного света, изучения теней и для исследований.
• Бартенбах, Тироль — светотехническая фирма использует гелиодон (внутри искусственного неба диаметром 6,5 м) со множеством маленьких ламп для проектирования дневного освещения с использованием моделей визуализации и расчетов. ^{[20] [21]} Светотехническая фирма использует гелиодон для моделирования дневного освещения в исследованиях и разработках для сложных строительных конструкций. ^[20] Фирма использует инструмент для проектирования архитектурного освещения, используемый для сертификации экологически чистых зданий , отчетов и консультаций.
• Университет Объединенных Арабских Эмиратов (UAEU) использует мощный роботизированный гелиодон, созданный betanit.com, внутри полнокупольного искусственного неба для оценки дневного освещения масштабных моделей с большой точностью. ^[22] Гелиодон питается от лампы HMI мощностью 1200 Вт с индивидуально разработанной оптической установкой, способной воспроизводить диапазон от 200 000 лк до 600 000 лк на столе, поддерживающем масштабную модель. ^[22] Роботизированный гелиодон с искусственным небом используется в исследовательских целях в области проектирования и технологии устойчивого строительства .

Общество инженеров-светильников (IES) публикует справочник по освещению, в котором гелиодон представлен как один из инструментов, используемых для оценки дизайна естественного освещения . ^[23] Справочник является всемирно известным справочником и руководством, позволяющим специалистам и практикам в области освещения понять влияние света на здоровье человека и содействовать устойчивому развитию посредством эффективного изучения и проектирования освещения. ^[23] Гелиодон представлен в справочнике как программный инструмент освещения, который используется для изучения характеристик естественного освещения для физических масштабных моделей. ^[23] Он обычно используется архитекторами и инженерами .

• Гелиодон де Аналемас Архивировано 2010-07-17 на Wayback Machine

На Викискладе есть медиафайлы по теме Гелиодоны .