СПОСОБ СЕЗОННОЙ КАЛИБРОВКИ СВЕТОПРОПУСКАНИЯ СМАРТ-ОКНА С ДВУХРЕШЕТОЧНЫМ ОПТИЧЕСКИМ ФИЛЬТРОМ
METHOD FOR SEASONAL CALIBRATION OF LIGHT TRANSMISSION OF SMART WINDOW WITH DOUBLE LATTICE OPTICAL FILTER

Изобретение применимо в архитектуре и строительстве для углового селективного саморегулирования светопропускания окна с адаптацией к траектории солнца относительно него и с учетом сезонного изменения угла падения солнечных лучей на поверхность окна. Изобретение предназначено к использованию в окнах с двумя и более слоями остекления.
При угловом регулировании направленного светопропускания окна обеспечивается пропускание определенной части падающего направленного (прямого) солнечного света (а также солнечной энергии) при каждом угле падения солнечных лучей, остальная часть отражается, поглощается или рассеивается. Устройства, предназначенные для углового регулирования направленного светопропускания, принудительно ослабляют интенсивность падающего излучения в зависимости от угла падения лучей, т. е. являются нейтральными оптическими фильтрами (G02B 5/20 - Оптические элементы иные, чем линзы - фильтры). Принудительное регулирование светопропускания с помощью таких устройств осуществляется дополнительно к самопроизвольному изменению светопропускания остекленных конструкций вследствие угловой зависимости коэффициентов отражения и поглощения. Известно, что при увеличении угла падения коэффициенты отражения и поглощения возрастают, следовательно, коэффициент пропускания света уменьшается.
Для регулирования направленного светопропускания окна в зависимости от угла падения лучей применяют различные дополнительные устройства перераспределения светового потока, например, жалюзи, решетки, диафрагмы, которые при изменении своего положения по отношению к окну могут обеспечивать изменение проходящего в помещение светового потока от солнечного излучения. Подобные устройства с ручным или автоматическим управлением являются аналогами изобретения и относятся к рубрикам МПК: F21V 11/02 - Экраны, состоящие из параллельных пластин или полос, например типа подъемных жалюзи; E06B 9/24 - Экранирующие устройства и другие приспособления для защиты от света, в частности от солнечного; прочие устройства для защиты от заглядывания в окна.
Лучшими из перечисленных устройств регулирования светопропускания окна в зависимости от угла падения солнечных лучей являются горизонтальные подъемные пластинчатые жалюзи с автоматическим или ручным регулированием угла поворота ламелей.
В последние годы появились рулонные шторы-жалюзи типа «зебра» для вертикальных окон, состоящие из двух тканевых полотен с чередующимися горизонтальными прозрачными, полупрозрачными и непрозрачными полосами. Регулирование светопропускания осуществляется при передвижении полотен друг относительно друга по вертикали за счет относительного расположения полос различного типа на двух полотнах.
В патенте RU 2306397 C1 описаны способ получения и устройство солнцезащитного ограждения из полимерного материала. Устройство представляет собой горизонтальные жалюзи с неподвижными ламелями из непрозрачного материала, находящимися внутри ограждения из прозрачного полимерного материала. Такая конструкция является менее эффективной для углового регулирования светопропускания по сравнению с обычными жалюзи из-за невозможности поворота и передвижения ламелей.
В патенте US 3085474 A описан оптический элемент, состоящий из прозрачного листового материала с чередующимися пропускающими и не пропускающими параллельными полосами на обеих поверхностях. Такой элемент предлагается использовать в горизонтальных (крышных) или вертикальных окнах для углового регулирования их светопропускания. Пропускающие полосы могут быть окрашены. Не пропускающие полосы могут быть отражающими, поглощающими или рассеивающими.
В патенте US 6467935 B1 описана аналогичная конструкция не только для горизонтальных и вертикальных, но и наклонных окон, причем параллельные полосы предложено изготавливать из материалов с изменяющейся прозрачностью.
Однако в этих патентах US 3085474 A и US 6467935 B1 рассматриваются только случаи, когда источник света (солнце) перемещается в плоскости, перпендикулярной одновременно и к плоскости окна, и к параллельным полосам, расположенным на поверхностях оконного остекления. При изменении угла падения солнечных лучей на окно изменяется коэффициент светопропускания за счет относительного расположения пропускающих полос на двух поверхностях оконной конструкции. Такое расположение полос по отношению к падающим солнечным лучам подходит для углового регулирования светопропускания восточных и западных окон зданий, расположенных на экваторе и близко к нему, для южных окон зданий, расположенных в северном полушарии, и для северных окон зданий, расположенных в южном полушарии.
Для окон с перечисленными азимутами ориентации по сторонам света оптимальными являются также горизонтальные пластинчатые жалюзи, рулонные шторы-жалюзи «зебра» с горизонтальными полосами, солнцезащитные ограждения со встроенными горизонтальными жалюзи по патенту RU 2306397 C1. Однако применение всех рассмотренных выше аналогов предлагаемого изобретения в окнах с другими азимутами ориентации не обеспечивает оптимального углового регулирования светопропускания окон из-за сложной криволинейной траектории солнца, изменяющейся по времени года (календарным датам) и по времени светового дня.
Прототипом изобретения являются патенты RU 2509324 С2 и RU 2677069 С2 по способу регулирования направленного светопропускания с помощью оптического фильтра, состоящего из двух поверхностных решеток с чередующимися направленно пропускающими и непропускающими (рассеивающими, отражающими или поглощающими) параллельными полосами с расчетом ширин всех полос и угла наклона полос по отношению к горизонтали для обеспечения предварительно заданной зависимости светопропускания окна от угла падения. Эти изобретения обеспечивают оптимизированное угловое регулирование светопропускания окна с адаптацией к траектории движения солнца относительно окна и с минимизацией светопропускания окна в выбранный день года и выбранное время дня. На основе данного способа регулирования в [Zakirullin R.S. Chromogenic materials in smart windows for angular-selective filtering of solar radiation // Mater. Today Energy. - 2020. - No. 17. - 100476. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2020.100476] получена следующая формула для расчета теоретического коэффициента τ светопропускания смарт-окна с оптическим фильтром в зависимости от времени суток:
c
c
c
2
3
1
где Δ - сдвиг между следами входной решетки фильтра на поверхности выходной решетки при характеристическом угле фильтра и произвольном угле падения в данный момент времени;  - ширина непропускающей полосы входной решетки; - ширина пропускающей полосы выходной решетки; - ширина пропускающей полосы входной решетки.
Характеристический угол фильтра показывает сдвиг двух решеток фильтра друг относительно друга вдоль поверхностей остекления по направлению перпендикуляра к полосам обеих решеток. По формуле (1) при неизменных ширинах полос теоретический коэффициент светопропускания зависит только от модуля величины сдвига Δ, и с его увеличением также увеличивается. Теоретический коэффициент светопропускания не учитывает отражения солнечного излучения от поверхностей стекол и поглощения материалом стекла. Его можно корректировать с учетом отражения по известным формулам Френеля и поглощения по закону Бугера-Ламберта [Zakirullin R.S. Chromogenic materials in smart windows for angular-selective filtering of solar radiation // Mater. Today Energy. - 2020. - No. 17. - 100476. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2020.100476]. Скорректированный коэффициент всегда меньше теоретического. Из приведенных в этом же источнике формул следует, что величину сдвига Δ при двойном или тройном остеклении, когда решетки фильтра расположены на внутренних поверхностях стекол одной камеры, можно найти по формуле:
s
s
с
с
где  - расстояние между решетками (между стеклами камеры); Θ - характеристический угол фильтра; θ - проекция реального произвольного угла падения солнечных лучей на плоскость, перпендикулярную к полосам обеих решеток, в данный момент времени. Из формулы (2) видно, что сдвиг Δ увеличивается при увеличении расстояния, однако, при этом нелинейно уменьшается характеристический угол фильтра Θ.
На основе патентов RU 2509324 С2 и RU 2677069 С2 в статье [Закируллин Р.С. Оптический фильтр для смарт-окна с угловым селективным светопропусканием // Оптический журнал. - 2019. - Т. 86. - Вып. 5. - С. 23-29. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-05-23-29] разработана программа для расчета коэффициента светопропускания смарт-окна, которая помещена на сайте этого журнала по адресу: http://opticjourn.ru/vipuski/1848-opticheskij-zhurnal-tom-86-05-2019.html. В этой статье рассчитаны ежемесячные зависимости теоретического и скорректированного с учетом отражения и поглощения коэффициентов светопропускания смарт-окна со встроенным оптическим фильтром от времени дня. Эти характеристики показывают изменение в течение года светопропускания фильтра с углом наклона решеток, характеристическим углом и ширинами полос, рассчитанными для дня и времени максимальной солнечной радиации и являющиеся оптимальными только для расчетного времени. В другие месяцы коэффициенты светопропускания могут иметь нежелательные значения, что подтверждается приведенными в статье рисунками и таблицами.
В отличие от прототипов, предлагаемое изобретение оптимизирует решение технической проблемы углового регулирования направленного светопропускания окна с минимизацией светопропускания в определенное время дня не только для одного месяца года, но и для других месяцев, за счет изменения расстояния между двумя решетками фильтра. Обеспечиваемый изобретением технический результат - оптимизированное угловое регулирование светопропускания окна с адаптацией к траектории движения солнца относительно окна и с минимизацией светопропускания окна в выбранное время дня в разные месяцы года, - может быть достигнут в оконных конструкциях с применением оптических фильтров, описанных в патентах RU 2509324 С2, RU 2677069 С2, US 3085474 A и US 6467935 B1.
Сущность изобретения состоит в совокупности следующих существенных признаков, достаточной для оптимизации решения технической проблемы углового регулирования светопропускания окна и обеспечения технического результата - оптимизированного углового регулирования светопропускания окна с адаптацией к траектории движения солнца относительно него и с минимизацией светопропускания в выбранное время дня в разные месяцы года, за счет сезонной калибровки расстояния между двумя стеклами остекления с поверхностными решетками фильтра с целью сезонного изменения временных характеристик светопропускания окна:
h
А
А
А
= А
о
о
1) по заданным географическим координатам здания, для выбранного с учетом местного климата дня года с максимальными солнцезащитными требованиями (например, для дня с максимальной интенсивностью солнечной радиации в году или середины самого жаркого периода года), с помощью онлайн-калькулятора рассчитывают значения высот стояния  и азимутов  солнца через определенные периоды времени светового дня (например, через каждые полчаса) относительно выбранного момента времени, например, когда азимут солнца равняется азимуту ориентации окна (), т.е. солнечные лучи падают на окно в плоскости, перпендикулярной плоскости окна;
h
А
А
о
2) с учетом азимута ориентации окна и полученных значений высот стояния и азимутов солнца по частному случаю первой теоремы косинусов для трехгранного угла (этот угол образуется вертикальной плоскостью окна, горизонтальной плоскостью, проходящей через точку падения солнечного луча на окно, и плоскостью падения солнечного луча на окно), когда двугранный угол напротив искомого плоского угла равен 90°°, рассчитывают углы падения Θ солнечных лучей на окно: cos Θ = cos cos ( -);
3) с учетом полученных значений высот стояния и азимутов солнца и углов падения лучей по правилам начертательной геометрии строят траекторию движения солнца относительно вертикальной плоскости окна в диапазоне углов падения солнечных лучей от 0° до 60° (при больших углах нет необходимости углового регулирования светопропускания из-за высоких коэффициентов отражения);
4) проводят прямую линию, являющуюся результатом линейной аппроксимации построенной траектории, или проводят касательную к траектории в точке, соответствующей времени максимальной интенсивности солнечного излучения в течение светового дня (если в такой момент времени угол падения солнечных лучей на окно находится в пределах от 0° до 60°);
5) искомый угол наклона параллельных пластин или полос экранирующих устройств и других приспособлений для защиты от солнечного света на северных и южных широтах от 10° до 60° находится между горизонтальной осью плоскости окна и аппроксимирующей или касательной линией и изменяется в пределах от 0° до 90°;
6) располагают параллельные пластины или полосы экранирующих устройств и других приспособлений для защиты от солнечного света наклонно, по отношению к горизонтальной оси плоскости окна, под углом с найденным значением;
7) с помощью предварительного расчета подбирают ширины полос и их взаимное расположение для оптических фильтров по патентам RU 2509324 С2, RU 2677069 С2, US 3085474 A и US 6467935 B1 для обеспечения минимального (или нулевого) светопропускания окна в выбранный к расчетам день года с максимальными солнцезащитными требованиями и выбранный промежуток времени (или конкретное время) светового дня, в остальное время светопропускание окна будет больше;
8) по вышеуказанной программе для расчета коэффициента светопропускания смарт-окна и по формулам (1) и (2) рассчитывают временные характеристики светопропускания окна в выбранный расчетный день года, а также в другие месяцы года с востребованностью защиты от солнца, через определенное время (например, через месяц), при выбранном расстоянии между решетками и при других расстояниях для тех месяцев, когда время минимума светопропускания сильно отличается от требуемого;
9) устанавливают, в какие месяцы и насколько необходимо изменить расстояние между решетками фильтра для получения удовлетворяющих временных характеристик светопропускания окна и производят соответствующую калибровку этого расстояния.
Признаки 1-7 изобретения аналогичны признакам прототипа по патенту RU 2677069 С2. Признаки 8 и 9 отличительны от обоих прототипов.
К описанию изобретения относятся следующие фигуры:
- фиг. 1 - разрез смарт-окна с двойным остеклением по плоскости, перпендикулярной полосам решеток фильтра, с указанием двух положений одного из стекол, передвигаемого для изменения расстояния между решетками;
- фиг. 2 - временные характеристики светопропускания для 15 числа пяти наиболее жарких месяцев года (апрель-август) для смарт-окна с параметрами фильтра, рассчитанными для 15 июня;
- фиг. 3 - временные характеристики светопропускания для 15 апреля при разных расстояниях между решетками фильтра для смарт-окна с параметрами фильтра, рассчитанными для 15 июня;
- фиг. 4 - временные характеристики светопропускания для 15 августа при разных расстояниях между решетками фильтра для смарт-окна с параметрами фильтра, рассчитанными для 15 июня.
При осуществлении изобретения последовательно выполняют операции, указанные в 9 его признаках. Рассмотрим порядок осуществления изобретения для окна с азимутом ориентации 120° в г. Оренбурге (51°46' N, 55°06' E, UTC +05:00) при расстоянии между решетками 16 мм. Расчет высот стояния и азимутов солнца выполнен с помощью онлайн-калькулятора (http://planetcalc.ru/320/) для 15 июня 2018 г. (дня максимальной интенсивности солнечной радиации в году в г. Оренбурге) через каждые полчаса относительно 10 ч. 49 мин. (азимут солнца в г. Оренбурге равен 120°, т.е. азимуту ориентации окна). Поскольку признаки 1-7 изобретения аналогичны признакам прототипа по патенту RU 2677069 С2, здесь приведем только результаты расчета оптимального угла наклона решеток фильтра - для принятых расчетных условий он составляет 42°.
с
с
с
с
1
2
3
4
16
На фиг. 1 приведен разрез смарт-окна с двойным остеклением по плоскости, перпендикулярной полосам решеток фильтра. Изначально принятое для расчетов расстояние между решетками составляет 16 мм. Ширины всех полос решеток одинаковы: === = 10 мм. Для обеспечения минимума светопропускания окна в выбранное время 10 ч. 49 мин. расчетного дня 15 июня характеристический угол по расчетам равен 40,89°. На фиг. 1 показаны также проекция θ некоторого произвольного угла падения на плоскость, перпендикулярную полосам решеток фильтра, и сдвиг Δ между следом входной решетки фильтра на поверхности выходной решетки при характеристическом угле и этом произвольном угле падения.
В соответствии с признаком 8, для окна с принятыми расчетными параметрами рассчитаны временные характеристики светопропускания окна в расчетный день года - 15 июня, а также для 15 числа каждого месяца с апреля по август, которые приведены на фиг. 2. Характеристика светопропускания для 15 июня имеет минимум в выбранное время 10 ч. 49 мин. Однако в другие месяцы время минимума пропускания сдвинуто, особенно сильно в апреле и августе. Рассмотрим, как повлияет увеличение расстояния между решетками фильтра для этих двух месяцев на 2 мм (до 18, 20 и 22 мм).
На фиг. 3 и 4 соответственно показаны временные характеристики светопропускания для 15 апреля и 15 августа при этих расстояниях между решетками для смарт-окна с параметрами фильтра, рассчитанными для 15 июня. Как видно, при последовательном увеличении расстояния между решетками, минимум пропускания для 15 апреля и 15 августа последовательно приближается к требуемому времени 10 ч. 49 мин.
22
В соответствии с признаком 9, в рассматриваемом случае можно принять, что изначальное расстояние между решетками фильтра 16 мм допустимо для периода с 15 мая по 15 июля, а с 15 августа по 15 апреля лучше подходит расстояние 22 мм (в остальные месяцы с сентября по март защита от солнца не востребована для широты г. Оренбурга и смарт-окно не должно переключаться в активный режим). Т.е. в данном случае можно изменять расстояние два раза в год, например, 1 мая и 31 июля - решение принимается в каждом случае с учетом местных климатических условий и требуемых условий солнцезащиты. Конечно, можно рассчитать оптимальные расстояния для каждого месяца, однако при этом придется слишком часто прибегать к калибровке расстояния, что принесет неудобства при эксплуатации смарт-окна. На фиг. 1 показано второе положение передвижного стекла остекления при принятом увеличении расстояния между решетками до 22 мм. При передвижении стекла характеристический угол фильтра уменьшается до 32,2°. При том же произвольном угле падения, для которого показана проекция θ, сдвиг между следом входной решетки фильтра на поверхности выходной решетки при характеристическом угле и этом произвольном угле падения увеличивается до Δ. Уменьшение характеристического угла и увеличение сдвига в соответствии с формулами (1) и (2) приводят к изменению коэффициента светопропускания при одном и том же угле падения солнечных лучей на окно.