Введение
Гелиодон (HEE leo don) – это устройство для регулирования угла между плоской поверхностью и лучом света, чтобы он соответствовал углу между горизонтальной плоскостью на определенной широте и солнечным лучом. Гелиодоны в основном используются архитекторами и студентами архитектурных специальностей. Размещая модель здания на плоской поверхности гелиодона и регулируя угол падения света, можно увидеть, как здание будет выглядеть под воздействием трехмерного солнечного света в разные даты и время суток.
История
Вскоре после Второй мировой войны, в 1950-х годах, возник широкий интерес к разработке методов проектирования зданий, учитывающих климатические условия. В Принстонской архитектурной лаборатории Ольгаи разработал Термогелиодон с целью создания физиологически комфортных условий для человека посредством архитектурного проектирования. Термогелиодон представлял собой куполообразную изолированную платформу для оценки масштабных архитектурных моделей в заданных климатических условиях, с высокой степенью точности расчетов. Учреждение стремилось улучшить жилищные условия и развивать использование местных строительных ресурсов в колониальных территориях. Этот гелиодон состоит из платформы для размещения модели здания, теплоизоляционные свойства которой необходимо оценить. Гелиодон комбинируется с симулятором сканирования неба (искусственным небом) для прогнозирования распределения света в здании в течение года. Он изобрел гелиодоны, которые значительно упрощали оценку симуляции дневного света по сравнению с предыдущими моделями. Архитектор спроектировал "Орчард Гелиодон" с характеристиками, аналогичными "Эмулятору Солнца" (разработанному Норбертом Лехнером). Для более точного моделирования в 2007 году был разработан и выпущен на рынок "Оранжевый Гелиодон" – простой в использовании роботизированный гелиодон с фиксированным источником света. Он использовал автоматизированный гелиодон для воспроизведения солнечных затенений. Кроме того, для архитектурных бюро был разработан настольный гелиодон с подвижным источником света. Был также разработан и запатентован портативный универсальный гелиодон для прямого солнечного света, устанавливаемый на штатив фотокамеры, для оценки влияния прямого солнечного света на небольшие архитектурные модели или строительные элементы.
Научная основа
Земля — это шар в космосе, непрерывно пересекаемый цилиндром параллельных лучей энергии от Солнца. (Представьте теннисный мяч, удерживаемый ветром.) Угол любого участка Земли по отношению к солнечному лучу определяется:
The site’s latitude, which gives its position on the curve of the Earth between the Equator and one of the Poles. The time of day at the site, measured by its progress eastward around the Earth’s axis from sunrise to sunset. The date, which locates the Earth on its annual orbit of the Sun. The change due to date is the most difficult to visualize. The Earth’s axis is steady but tilted: the plane that includes the Earth’s equator, which is perpendicular to the axis, is not parallel to the plane that includes the center of the Sun and the center of the Earth, called the ecliptic. Think of the Earth as a car on a Ferris wheel. The car’s axis always points “down”, which changes its relation to the center of the wheel. A light at the center of the wheel would touch the bottom of the car at the top of the orbit and the top of the car at the bottom of the orbit. As the Earth orbits, the location of the centerline of the solar cylinder changes, sliding from the Tropic of Cancer (in June) to the Tropic of Capricorn (in December) and back again. This changes sun angles all over Earth according to the date. See more at analemma.
Широтой участка, определяющей его положение на кривизне Земли между экватором и одним из полюсов. Временем суток в этом участке, измеряемым его продвижением на восток вокруг земной оси от восхода до заката. Датой, определяющей положение Земли на её годовой орбите вокруг Солнца. Изменение, связанное с датой, труднее всего представить. Ось Земли устойчива, но наклонена: плоскость, включающая земной экватор, перпендикулярный оси, не параллельна плоскости, включающей центр Солнца и центр Земли, называемой эклиптикой. Представьте Землю как вагончик на колесе обозрения. Ось вагончика всегда направлена «вниз», что меняет его положение относительно центра колеса. Источник света в центре колеса будет касаться нижней части вагончика в верхней точке орбиты и верхней части вагончика в нижней точке орбиты. По мере вращения Земли вокруг Солнца меняется положение центральной линии солнечного цилиндра, смещаясь от тропика Рака (в июне) к тропику Козерога (в декабре) и обратно. Это изменяет углы падения солнечных лучей по всей Земле в зависимости от даты. Подробнее смотрите в статье об аналемме.
The site’s latitude, which gives its position on the curve of the Earth between the Equator and one of the Poles. The time of day at the site, measured by its progress eastward around the Earth’s axis from sunrise to sunset. The date, which locates the Earth on its annual orbit of the Sun. The change due to date is the most difficult to visualize. The Earth’s axis is steady but tilted: the plane that includes the Earth’s equator, which is perpendicular to the axis, is not parallel to the plane that includes the center of the Sun and the center of the Earth, called the ecliptic. Think of the Earth as a car on a Ferris wheel. The car’s axis always points “down”, which changes its relation to the center of the wheel. A light at the center of the wheel would touch the bottom of the car at the top of the orbit and the top of the car at the bottom of the orbit. As the Earth orbits, the location of the centerline of the solar cylinder changes, sliding from the Tropic of Cancer (in June) to the Tropic of Capricorn (in December) and back again. This changes sun angles all over Earth according to the date. See more at analemma.
Утилита
Гелиодоны могут имитировать широту, время суток и дату. Они также должны показывать на своей поверхности четкое направление на север-юг для ориентации моделей. Некоторые гелиодоны очень сложны, используя направляющие на высоком потолке для перемещения источника света через большую студию. Другие же очень просты, используя солнечные часы в качестве ориентира для регулировки и дневное солнце как источник света. В целом, настройка даты представляет наибольшую сложность для разработчика гелиодона, а источник света создает больше всего проблем при эксплуатации. Параллельные лучи солнца нелегко воспроизвести искусственным светом в полезном масштабе, в то время как настоящее солнце не считается с дедлайнами или расписанием занятий. Всем гелиодонам будет полезно включение подвижного, наклоняемого устройства, которое можно настроить для соответствия любой поверхности модели и отображения угла падения. Устройство для определения угла падения указывает на относительную интенсивность прямого луча на поверхности. Устройство состоит из схемы концентрических колец вокруг указателя, отбрасывающего тень, перпендикулярного схеме. Каждое кольцо представляет собой процент прямого солнечного излучения, падающего на поверхность. Процент варьируется от 100% – луч идет прямо вниз по указателю, перпендикулярно схеме – до нуля – луч идет параллельно схеме и не попадает на поверхность. Косинус угла падения определяет процентное значение. Косинус 0,9, то есть 90%, например, соответствует углу падения в 26,84 градуса. Радиус кольца для данного угла равен его тангенсу, умноженному на высоту указателя, отбрасывающего тень. Угол падения в 45 градусов даст косинус около 0,7, то есть 70%, например. Поскольку тангенс 45 градусов равен 1, радиус кольца для 70% будет равен высоте стержня, отбрасывающего тень.