活力板-成功人士演讲

2007
年
6
月
第
18
卷　第
2< br>期
照明工程学报
ZHAOMINGGONGCHENGXUEBAO
Jun.< br>　
2007
Vol
1
18
　
No
1
2
李　卓　王爱英
(
天津大学建筑学院
,
天津　
30007 2
)
摘　要
:
太阳光是随处可以利用的可再生能源
,
天然采 光是建筑可持续发展的重要方面。本文回顾了近年来国际上
比较关注的天然采光方面的研究及主要成果< br>,
提出了近期的主要研究热点和需要解决的问题。
关键词
:CIE
标准 天空模型
;
天空亮度分布
;
太阳辐射
;
天然采光
;
热工采光一体化设计
DevelopmentofInternationalResearc hforArchitecturalDaylighting
LiZhuo
　
Wan gAiying
(
TheInstituteofArchitecture
,
TianjinUniversity
,
Tianjin
　
300072< br>)
Abstract
　
Solahtinghasbeenan
err eviewedtherecentadvancementof
nresearchsubjecta ndurgent
problemsinthisfieldarealsodiscussed.Keywords:CIEstandardskymodel;skyluminancedistrib ution;solarradiation;daylighting;integrated
day lightingandthermaldesign
前言
对于采光设计的研究自
19 90
年以来取得了举世
瞩目的发展
:
国际天然光观测计划
,
新的天空亮度
分布的经验模型
,CIE
一般天空标准
,
精确的建模< br>软件
,
先进的天然光传输装置
,
天然采光和人工照
明的节能一 体化以及一些给设计者的指导方针。目
前关于照明的研究相比初始阶段的课题有了明显的
改变< br>:
研究不再单纯是增加知识
,
而是趋于形成新
的概念框架。其中天空模 型、太阳辐射观测和建模、
热带地区天然采光和热工采光一体化这四个主题成
为众多研究者关注 的焦点
,
而天空模型的研究作为
一切天然采光研究的基础
,
更是成为 重中之重。
1
　天空模型
天然光一直以来在人们生活中起着举足轻重的
作用。 它关系到人体的健康和生活的舒适
,
可以说
它决定了建筑室内环境的质量。要正确完成 能量模
拟
,
就必须知道一年中的天然光条件。定义不同气
候
,
不同地区的天然光条件有很多种方法。所得照
3国家自然科学基金
(
No.5060 8053
)
项目资助。
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6
照明工程学报
[14]2007
年
6
月　
度的方法可以对照度变化
,
照度水平 和照度差又一
个比较直观的认识
(
Dumortier
等
,1994
)
。因为照度
是通过窗户立体角的天空亮度综合计算得来的
,
因此确定不同情况下的天空亮度分布非常重要。大部
分模拟软件中使用的是
CIE
全 阴天空和
CIE
晴天空
,
比如
,
程序
SUPERL ITE
就是利用了均匀天空
CIE
全
阴天空、有直射阳光的或者没有直射阳光 的
CIE
晴
天空来模拟亮度分布的
(
Baker
等
,1993
)
。这些天
空条件也同样被应用于
gensky
程序中< br>,
该程序是
RADIANCE
程序包的组成部分。通常在模拟软件中
只 包含
CIE
全阴天空和
CIE
晴天空。这些极端的天
空模型可以用于 窗户设计中
,
但是对于能量模拟
,
它并不能充分再现现实中出现的真实条件。 需要一
种标准方法来协调天然光设计和采光效果。
在研究天然光的过程中要得到可信赖的统计学
结论
,
要求知道关于总辐射
,
散射辐射
,
总照度< br>,
散射照度
,
天空亮度等参数一系列的长期观测结果。
世界上现有的大 部分天然光观测站都是依照世界照
明委员会
(
CIE
)
的建议设立并 依照成立于
1990
年
的国际天然光观测系统
(
IDMP
)
程序进行操作。然
而
,
这些观测站非常有限
,
因此
,
这个国际网络目
前还不完整。
建立天空亮度模型在很长时间以来一直是许多
[1]
研究者的目标。
CIE
曾经提出了晴天空以及在
Moon
和< br>Spencer
提出的模型基础上的全阴天空的亮
[2]
度分布标准。这些亮度 分布模型不适用于部分有
云天空
,
因此
,
人们一直在努力改进并提出 新模型。
[3]
Perraudeau
和
Chauvel
提出了一个 阴暗指数并建立
[4]
了五种天空亮度分布类型。
Perez
等人为所有的天
空类型提出了一个天顶亮度模型
,
它在美国的
10
个
地点和 英格兰中部的
3
个地点得到测试。结果发现
,
[5,6]
它随时间和 位置不同而有所不同。
Kittler
等人提
出了天顶亮度与水平散射照度的比率(
L
z
Π
D
v
)
,
发
光混浊 度
(
T
v
)
以及“相对等级函数”和“相对散
射指数函数” 的概念。这些部分经过合适的组
合
,
产生了
15
种现实的关于天空亮 度分布的天空类
[10]
型
(
标准
)
。
Trege nza
利用他们的方法
,
调查了天
[11,12]
然光条件对室内空 间的影响
,
而
Bartzokas
等人
估价了欧洲中部某地和地中海 东岸另一地方的天然
[13]
光。

和

等人研究了位于
英格兰中部的谢菲尔德
(
北纬
53
1
38,
西经
1
1
5
)
在
冬季室外的天然光条件。此外日本九州大学、京都
[7
～
9]
大学的一些教授也进行了相应研究
,
提出了“全
天空模型”
,
用来代表从晴天空到全云天空的一系列
天空亮度分布。这项研究工作的 目标是通过定义它
们的亮度分布来使所有的天空条件标准化。通过一
个数字化等式
,< br>可以估算出所有类型天空的亮度和
亮度分布。
1
1
1
　
CIE15
种标准天空模型
Kittler
等人在对伯克利
(
北纬
37
1
6
度
,
西经
122
1
4< br>度
)
1985
～
1986
年间扫描观测的亮度数据以及
1992
年在东京
(
北纬
35
1
8
度
,
东经
139
1
8
度
)
和悉
尼
(< br>南纬
33
1
9
度
,
东经
151
1< br>2
度
)
记录的扫描数据
进行了彻底分析的基础上提出了新的
1 5
种标准天
空。这
15
种标准天空采用已有的
CIE
标准全 阴天空
和
CIE
标准晴天空
,
包括了世界上天空类型的所有
可能性。标准天空模型从水平方向到天顶以及随着
与太阳的角距离的改变其亮度发生平稳的改变。而且
Kittler
等人提出了一个有趣的参数
L
z
Π
D
v
来对天
空进行分类并建立了一组
L
z
Π
D
v
曲线来定义提出的
15
种标准天空的特征。
1
1
11
1
　
CIE
一般天空公布后的相对亮度分布计算
太阳和任意天 空元的位置以及描述大气条件的
参数
a
,
b
,
c
,
d
,
e
是作为已知参量来计算的。任意天
空元的位置是由天顶角Z
,
天空元与太阳子午线之间
的方位角差
A
z
确定的< br>,
如图
1
所示
,
它与太阳之间的
角距离可以用等式< br>(
1
)
计算得来。
图
1
　定义太阳和天空元位置的角 距离
χ
=arccos
(
cos
Z
S
cos
Z
+sin
Z
S
sin
Z
cos
A
Z< br>)(
1
)
　　根据目前的
CIE
晴天空标准
,
任意天空元的亮
度
L
与天顶亮度
L
Z
的比值可以用一种函 数等式表示
出来
:
γα
)
φ
(
Z
)
Lf
(
χ
=
)
Lzf
(
Zs
)
φ
(
0
°
(
2
)
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第18
卷第
2
期李　卓等
:
国际上建筑天然采光研究的新动态2
7
　　亮度等级函数描述天空元亮度受天顶角的影响
:
φ
(< br>Z
)
=1+
a
exp
(
b
Π
(3
)
cos
Z
)
　　等式
(
2
)同样可以应用于天顶值
:
φ
(
0
°
)
=1+< br>a
exp
b
　　函数
f
是用于表示散射指数函数
,< br>描述天空元
的相对亮度受距离太阳的角距离的影响
:
表
1
Ty peGradationIndikatrix
)
=1+
c
(
exp
(
d
χ
)
-exp
(
d
π
f(
χ
Π
2
))
+
e
cos
χ
(
5
)
　　在天顶的数值用等式
(
4
)
表示
:
2
f
(
Zs
)
=1+
c
(
e xp
(
dZs
)
-exp
(
d
π
Π
2
))
+
e
cos
Zs
(
6
)
1
1
1
1
2
　标准参数
e
0
1
0 0
Descriptionofluminancedistribution
CIE
标准全云天空
,
亮度自天顶向下变化剧烈
,
沿方位角
a
4< br>1
0
b
-0
1
70
c
0
d
-1
1
01
Ⅰ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅲ
ⅢⅢ
Ⅳ
Ⅳ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅵ
1
方向亮 度均匀
全云天
,
亮度等级函数变化剧烈
,
随着与太阳距离的减小,
亮度有微小增大
全云天
,
亮度等级函数变化平缓
,
沿 方位角方向亮度均匀
全云天
,
亮度等级函数变化平缓
,
随着与太阳距 离的减小
,
亮度缓慢增大
均匀亮度天空
部分有云天空
,
自天 顶向下没有亮度衰减
,
随着与太阳距
离的减小
,
亮度缓慢增大
部分有云天空
,
自天顶向下没有亮度衰减
,
环太阳区域比
其他区域 亮度大
部分有云天空
,
自天顶向下没有亮度衰减
,
存在明显的太阳光环
部分有云
,
太阳比较模糊
部分有云
,
环太阳区域 比其他区域亮度大
白
-
兰天空
,
存在明显的太阳光环
CIE
标准晴天空
,
低亮度混浊
CIE
标准晴天空
,
被污 染的大气
无云混浊天空
,
太阳光环范围比较大
白
-
兰混浊天 空
,
太阳光环范围比较大
2
3
4
5
6
2< br>1
2
1
2
4
1
0
1
1
1< br>1
1
1
0
1
0
0
1
0
-0
1
70
-0
1
8
-0
1
8
-1< br>1
0
-1
1
0
2
0
2
0
2
-1
1
5
-1
1
0
-1
1
5-1
1
0
-1
1
5
0
1
15
0
1
00
0
1
15
0
1
00
0< br>1
15
730
1
0-1
1
05-2
1
50
1
30
8
9
10
11
12
1314
15
4
2
3
4
4
5
5
6
0
1
0
-1
1
0
-1
1
0
-1
1
0
-1
1
0
-1
1
0
- 1
1
0
-1
1
0
-1
1
0
-0< br>1
55
-0
1
55
-0
1
55
-0
1
32
-0
1
32
-0
1
15
- 0
1
15
10
2
5
10
10
16
16
24
-3
1
0
-1
1
5
-2
1
5
-3
1
0
-3
1
0
-3
1< br>0
-3
1
0
-2
1
8
0
1
45
0
1
15
0
1
30
0
1
45
0
1
45
0
1
30
0
1
300
1
15
　　如果用于窗户设计
,
眩光研究
,
能量分析
,
天
然光气候分类和其他用途
,
等式
(
3
)
～
(
6
)
中的
参数
a
到
e
可以从表
1
中选取。他列出了
15
种标准
相对亮度分布
,
其中包括用于等级函数的
6
组
a
,
b
值 和用于指数函数的
c
,
d
,
e
值
,
最后的 曲线图如图
2
和图
3
所示。
在实际应用中
,
并不是
6
种等级函数和
6
种指
数函数的所有组合
,
因为一 些组合出现频率非常低
,
而另外一些却相当频繁
,
比如
,
全 阴天空的等级函
数曲线特征是呈下降趋势
,
指数函数曲线则差不多
是平的,
而晴天空的等级函数和指数函数随着逐渐
靠近太阳都是呈上升趋势
(
K ittler
和
Darula2001
)
。
1
1
1
1
3
　相应研究成果
能耗模拟和最优化研究
,
也可以用于确 定他们对环
境和经济的影响。此外
,
现在出现的这些标准化天
空模型不仅可以 为模拟程序提供更接近现实的天然
采光和直射阳光的动态变化
,
同时这些模型还将能< br>预先决定主要天空模型的当地的直射阳光持续时间
,
混浊度或空气污染情况的极端情况和 绝对水平考虑
在内。
1
1
2
　标准天空亮度分布模型与观测数据的对 比研究
Tregenza
使用四个观测站的天空亮度分布研究
了这
15
种天空亮度模型
,
即代表了热带潮湿海洋性
气候的新加坡
(
北纬< br>1
1
5
度
,
东经
103
1
8
度
)
,
福冈
(
日本
)
,Garston
(
英国
,
北纬
51
1
7
度
,
西经
0
1
4
度
)
和
Sheffield
(英国
,
北纬
53
1
4
度
,
西经
1
1
5
度
)
。他
这一系列标准天空提供了一个现实的方法 来对
天然光进行建模
,
它不仅可以用于所有将来的建筑
报告说这一组标准为对 实际天空进行分类提供了一
个很好的全面的框架
,
而且其中的四个亮度模型就
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8
照明工程学报
2007
年
6
月　
顶亮度 值。这项研究基于
CIE
近期提出的一系列新
的天空模型。这些天空标准对应了
15
种理论图表
,
这个观察曲线表示关于不同太阳高度下天顶亮度与
水平散 射照度的比率。这些理论曲线在太阳高度大
于
35
度时汇聚于一点
,
并且在大部分情况下它们之
间是相交的。因为这个原因
,
只有当天顶亮度与水
平散射照度的比值位于描述特殊类别的理论曲线
2
1
5%
范围内
,< br>每个曲线被归类于
15
种天空标准中
的一种。如果某一观察曲线可以被归类于多 于一种
的天空标准
,
那就需要在相同的太阳高度角下
,
将
相 应的水平总照度与大气层外水平总照度的比值与
天空类型对应的平均比值做对比
,
然后 将该曲线归
为比值最接近的那种天空类型。
此外还研究出根据地面辐射观测数据来确定天
空条件分类的方法。从卫星拍摄的照片上识别云目
图
2
　标准等级函数
前是 一项常规的任务。然而
,
从地面观察云
,
仍然
需要掌握关于云的条件 的完整的描述。在所有的标
准气象变量中
,
太阳辐射受覆盖云量的影响最大。
西班牙的
JOSEPCALBO
提议了一种方法
,
使用太阳
总辐射数 据和散射辐射数据将天空条件划分为不同
的类别。利用了正统的最大值可能性方法来给数据
分类 。这个方法应用在西班牙加泰罗尼亚某地点四
年的太阳辐射数据和人工云量观测。利用这些数据
,
当要辨别
9
种天空条件分类时
,
太阳辐射方法的精
确度与 人工观测相比为
45%,
而且当仅划分为
5
种
不同的天空分类时,
精确度则增长到接近
60%
。大
部分的错误是由于数据库的局限性造成 的
;
因此
,
正在进行下一步的工作
,
以得到一个更合适的数 据
库。
1
1
3
　新的天空亮度分布模型带来的新研究
传统的 采光系数
(
DF
)
计算方法是在单一的全
阴天空条件下应用的
,
然而它已经不能满足在非全
阴天空条件下由于太阳位置变化而引起的天然光亮
度和 照度的动态变化。目前
,
香港城市大学的

等人提出了一种数字化计算方法,
在这个方法中考虑了天空元的亮度变化
,
可以预测
在
CIE1 5
种标准天空条件下室内的天然光照度。这
个方法中利用了一个典型房间
,
面 朝北
,
带有一扇
大的垂直玻璃窗。这个房间在每个月平均每小时不
同的太阳位 置时根据
DF
可以获得的天然光以及照
度水平确定之后
,
与电脑程序
(
即
RADIANCE
)
的
计算结果作对比。当在窗户正面 形成非常明确的阴
图
3
　标准散射指数函数
可以充分描述出现在四个观测站的 天空情况。
香港城市大学的

[15]
等人用位于
亚热带的香港所观测 的天空亮度数据对由
Kittler,
Perez
和
Darula
所 建立的一组
15
种标准天空进行了
研究。对结果的统计分析显示这一组标准天空能够< br>充分涵括多样的天空条件。将这个组缩减到
5
种天
空对于建立亮度分布模型也是 足够的。
Bartzokas
等人研究了欧洲中部一个城市
(
布拉
迪 斯拉发
)
和地中海东岸一个城市
(
雅典
)
的照度
水 平
,
并定义了它们在冬季和夏季占主导地位的天
空亮度分布。所使用的数据是这两个城 市
IDMP
站
5
年内每隔
5
分钟观测得到的水平总辐射值< br>,
水平散
射辐射值
,
水平总照度值
,
水平散射照度值 以及天
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第
18
卷第
2
期李　卓等
:国际上建筑天然采光研究的新动态
9
影时
,
改变地板的反射率。结论表明
,
用所提出的
方法估算出的结果与
RADIANCE
的计算结果非常 吻
合。同样利用刚提出的方法和传统的
DF
方法也可
以确定出室内的天然光和 照明能耗。研究结果证明
在采光设计中应用已有的
CIE
全阴天空会在很大程
度上低估室内所获得天然光以及人工照明的能耗
,
尤其是在设计室内照明灯具时。
该地 点的长期太阳辐射数据。一个典型的数据库包
括太阳总辐射
,
直射太阳辐射
,
散射太阳辐射
,
日
照持续时间以及一些像覆盖云量
,
大气浑 浊度
,
湿
度
,
温度等等这样的补充数据。然而
,
大 部分观测
站所提供的数据不完整
,
主要是由于观测仪器引起
的资金和维护费用 导致无法获得一些有关的太阳数
据。比如
,
总辐射是最常被测得的参数
,而它的分
量
,
即散射辐射和直接辐射往往没有观测数据。
英国纳皮尔大学 工程学院的
Muneer
等人对气象
辐射模型
MAM
进行了改进,
通过将日照信息合并
进入模型
,
成为一个建立在天气信息基础上的简单
[19]
的宽带辐射估测模型。
Muneer
使用基于直射阳光
部分 的衰减将原始模型作了改进
,
以提高水平散射
辐射估算的精确度
,
从 而提高总水平辐射估算的精
确度。对模型的改进结果大大减小了估算数据与实
测数据之间的误差 。改进后的气象辐射模型
,
IMRM,
比先前的计算更加精确
,
其精 确度在某些情
况下高达
70%
。这个模型利用下面数据得到了证
实
:
从世界上
10
个地点收集到的数据和
3
个统计指
标
(
计算得出的总辐射数据与实测所得总辐射数据
之间的确定系数
,
平均误差< br>,
计算所得总辐射的平
均平方根误差
)
。通过与原始模型对比
,
新模型相比
之下更贴近实际。新的衰退系数无论对于精确数据
库还是粗糙数据库在估 算水平总辐射方面都更加精
确。因为附近的观测站没有观测直射阳光
,
大气压
和温度
,
因此没有记录数据
,
这时就可以应用建立
在覆盖云量基础上 的辐射估算模型
CRM
。经过将
3
种
CRM
与新提出的模型 作对比发现
,
带有与本地相
适合的系数的模型对于太阳辐射的估算比只是运用
一般系数的
CRM
模型的精确度高很多。这种新模型
比旧一代的模型更贴近实际。2
　太阳辐射的观测和建模
太阳辐射和天然光是地球上万物赖以生存的首
要因素。 天然光通过光合作用为人类提供食物
,
并
随其日变化和季节变化来影响人类的生活习惯 。在
光和辐射的测量领域美国总体居世界领先地位
,
德
国、日本、英国、法国 紧随其后
,
民营高技术企业
的迅速发展
,
使中国近年来在此领域迅速 崛起
,
在
传统的光和辐射测量仪器领域
,
中国与世界先进的
差距越来越小
,
但中国在光和辐射测量领域确实还
有许多尖端技术、最新技术尚未开展 深入的研究工
作。
建筑师和土木工程师在设计合适的建筑物洞口
过程中
,为了节能
,
需要准确地了解室外的天然光
照度。采光设计以及它对于建筑耗能的含 义相当复
杂。目前有一些电脑模拟软件
(
例如
ADELINE[16]
和
DOE
2
2[17]
)
可以用来对有采光设计装置的建筑
进行每小时的热量和能耗计算。要进行这些每小时
的能量模拟就需要相关的气候参数来确认合适的天< br>空亮度模型。
如今
,
用于描述阳光条件、天窗条件以及它们
与太阳辐射 气候之间联系的参数有很多种。散射照
度水平是一个将天空亮度模型与其对应的天窗条件
联系起 来的复杂的概念
,
它往往与直射阳光照度一
起用来准确定义一些可能出现的真实情况< br>,
它可以
是观测得到的结果
,
也可以是用一些相关参数预测
得 来的。对于
IDMP
(
国际天然光观测系统
)
站观测
收集的 数据的估价对于他们研究所必须的参数和一
般等式的预测以及相互的对比来说同样是问题。
R.
[18]
Kittler
和

尝试指出了将太阳辐射和光气
候 规格与
CIE
为标准化所提出的一系列新的天空模
型联系起来的过程中所出现的多种问 题以及相应的
解决方法。
任何一种有关能量的应用都需要有容易获得的
3
　热 带地区天然采光
赤道附近热带地区的天然采光是许多研究者都
在探索的课题。它在理论和实践中 的重要意义都远
远超出了其在温和气候国家的应用。比如
,
寻求全
球适用的天 空亮度分布模型本质上就是这项研究的
极端情况
;
天然采光带来的建筑上的进步和热带 地
区的通风建筑已经成为通用的原型
;
亚洲、非洲和
南美洲大规模的城市化带 来了全球效应并需要全世
界做出反应
,2002
年
1
月在新加坡国立 大学举行了
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:

10
照明工程学报
2007
年
6
月　
热带地区采光会议。而对于热带地区的采光
,
其中
有几个方面的问题对于 更多的研究要取得进展是至
关重要的。
3
1
1
　热带天空的发光度和 多变性对天然采光带来的
挑战
从泰国亚洲科技机构的天然光观测站得到的天
空亮度和照 度观测数据显示
,
在一年中每天的工作
时间内都有可以利用的天然光。然而
,
天然光的多
变性为尝试定义天空特征以及发展天然光模型提出
了挑战。计算室内所获天 然光和得热以及人工照明
与天然采光的综合同样是一个挑战。如果不留意计
算
,
在空调建筑中眩光和得热的弊端会大大超过天
然采光的益处。这些问题是伴随晴天空和中间天空
出现的
,
并且它们的出现频率占所有天空的
60%
。
从
2 0
世纪
60
年代起
,
人们就已经认识到在热
带地区发展天然 采光的潜力。曾有结论指出单使用
天窗
(
天空漫射光
,
不包括直射光
)
就可以节省人
工照明耗能高达
50%
。在泰国
,
虽然通过需求方管
理计划和在发扬节能法案下执行的计划来大力提倡
高效照明
,
但幕墙和大面积玻璃依然是当前建筑设
计潮流中的流行元素。因为所有的商业和公共建筑
内都 设有空调装置
,
这些大面积窗导致室内得热过
多和其他热问题。
为了受益于天 然采光
,
窗户系统中的洞口尺寸
需要足够大从而使天然光可以入射建筑内部更深的地方。然而
,
天然光过多会产生视觉问题和热问题
,
同时天然光和直射光 固有的多变性更是增加了该问
题的复杂性。关键是要得到一个合理的洞口尺寸
,
从而在 合适的天然光水平和其不利影响之间取得平
衡。热带地区空调建筑的天然采光
,
受视觉 舒适度
,
热舒适
,
节能和天然光多变性的制约
,
给我们提出
了一个严峻的课题
,
目前还没有一个圆满的解决方
法。
3
1
2
　热带地区天然采光的视觉标准
事实上
,
所有经实践检验的标准或 法规在给予
天然采光设计标准时都是依据能量
:
它们暗示最终
呈现在视网膜上 的照度是多少
;
或者天然光对于人
类身体的价值
;
或者
,< br>可以节省的人工照明的能耗。
这些因素很重要
,
但是更深层次的是人们的满意度
及采光性能
:
天然光线是如何在室内分布的
,
它是
如何随着 位置和时间的改变而改变的
,
对于这些的
研究都是很有意义的。
希腊公立大学 的
KParpairi
教授对此做了相应研
究
,
旨在调查采光质量是 如何影响图书馆内部的使
用者的。它讨论了亮度在视觉感知质量领域的重要
性并介绍了一种新的 指标
,
即亮度差异
(
LD
)
,
用
来代表亮 度变化。这个指标可以成功的用于判定使
用者对采光质量的主观感觉
,
可以被用于预测 使用
者在天然光空间内的偏好。
然而
,
有关视觉感知的一个基本概念是我们能
感知到什么取决于我们下意识所持有的假设
:
我们
所看到的不是一个照相的表 现或者一个亮度分布
———它依赖于我们先前的经历
,
我们的文化记忆
,观念和语言的基本结构。因此我们得出
:
假设这里
存在唯一的好的照明标准的理想 组合是不可能的
,
即在柏林或者北京偏好的照明不一定是用于加尔各
答。
3< br>1
3
　地域性光气候
IDMP
的主要成果就是
CIE
标准一般天空。它定
义了一系列天空亮度分布
,
都是以一对等式的形式
来表达 的。正如现在的
CIE
晴天空和全云天空
,
它
们的分布是均匀的连续 的
,
它们定义的是相对亮度
值
,
而非绝对值。在建立有
ID MP
观测站的地方可
以得到真实的亮度数据
,
但是这些数据不能通用
,
并且在赤道附近区域观测站非常稀少。关于云量和
云状信息
,
可得直射阳光 和一些与热舒适相联系的
天气特征
,
低纬度地区有明显的不同
,
但是 并不是
仅仅需要增加一些观测
,
而是需要知道亮度数值和
一般概念以及使他们 与其他气象现象相联系的概念
之间的关系。需要进行更多关于热带地区照明的研
究
,< br>从而意识到
IDMP
了解全球可得天然光的潜力。
研究不同地区人们的需求与喜 好的主观理论是同样
重要的
,
先前有研究者研究过气候分区。
在建筑中尽量多 的使用天然光有两个经常提出
的原因
:
人们更喜欢天然光
,
节能。第 二个理由正
确与否依赖于经济背景以及建筑结构
,
维护和能量
的终生消耗。多 数研究发现
,
对于在温和气候环境
下的建筑
,
比如学校和办公楼,
当在白天设计为天
然采光和电光源同时使用
,
并按规定操作时
,
终生
消耗最少
(
无论是能量还是资金
)
。这一点对于其他
气候区域和其他建筑类型也许也成立
,
不过这是经
验之谈
,
还需要经过验证。然而
,
更复杂更有趣的
是照明的本质与人们的期望和满意之间的联系
,
我
们对此知之甚少
,
尤其是在热带环境中。
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第
18
卷第
2
期李　卓等
:
国际上建筑天 然采光研究的新动态
11
总之
,
需要一个可实施的设计指南。世界各地
数以万计的新建建筑在实际中遭遇这样那样的危机
,
或者无法对气候差异区别对待
,
或者没能满足不同
使用者的要求
,
或者没能利用天然能源取代不可再
生能源。这些活生生的建筑给了我们强有力的证据
:
这个课题将继续成为研究者关注的焦点。< br>件
,
比如棱镜板和光线转向系统
,
太阳传输管
,
an idolic
天顶洞口
,
全息光学元件等等。因为同样的
原因也研究了高级玻 璃产品比如电致变色玻璃
,
热
致变色玻璃
,
气致变色玻璃
,
热敏玻璃。评价这些
高级开窗Π遮阳系统性能的主要因素就是确定它们的
光学特性和热 工特性。这些通常不是由生产商提供
的
,
而且估量这些装置的透过性没有标准步骤作为
参考。可以使用多样的实验技术
(
Aleo
等人
,1994;
Collins
等人
,2001;Rosenfeld
等人
,2001)
或者复杂
的理论模型
(
Rheault
和
Bilgc n1989;Pfrommer
等人
,
1996;Molina
等人
,2000
)
或者借助于高级软件
(
Reinhart
和
W alkenhorst2001
)
来评估这些性能。
遮阳提供应作为开窗系统设计中的 一个整体来
考虑
,
尤其是在建筑南立面上。遮阳设施有多重功
能
:< br>在需要制冷的季节阻挡直射阳光和得热
,
在采
暖期使进入室内的阳光
(
得热
)
最大化
;
在晴天控
制直射阳光转化为漫射光进入室内 空间
,
而不产生
眩光
,
同时
,
在全云天情况下,
使尽可能多的天然
光进入室内
(
ikos
和
Athi enitis,2002
)
。尽管外部条
件持续变化
,
电动遮阳设施 的动态控制
,
开窗系统
,
电光源照明和
HVAC
系统组件会 在保持室内良好的
热舒适和视觉舒适的前提下
,
使照明、采暖和制冷
的能耗最 小化
(
Lee
等人
,1998;Athienitis
和
T zempelikos,2003
)
。
Andreas
・
k
提出了一个用于在初
级阶段的开窗和遮阳设计分析和最优化的综合解决
方案。首先
,< br>根据综合性能指标确定最优化窗户尺
寸
(
用窗墙比来定义
)
。 可得日光比
,
热负荷峰值以
及用于采暖和制冷的耗能的减少是基本判断依据。
不同遮阳形式对室内视觉舒适和热舒适性能的影响
以及整个办公建筑周边空间的节能性能可以通过模拟的方式验证
,
并讨论控制策略的重要性
,
最后提
出了用于判断 的主要参数和最优化设计方法。
4
　热工采光一体化
加拿大蒙特利尔肯考迪娅大学的< br>AndreasK.
做
了办公建筑设计中的热工采光一体化分析
,
它是 商
业建筑立面在早期最优化设计研究项目的一部分。
遮阳设施用于控制所获阳光
,同时为室内提供适宜
的天然光。提出了一个方法用来评价该遮阳形式对
室内采光条件的效果 以及它在整个建筑节能方面的
效果。通过对瞬时的热工和采光模拟之间的连续交
互作用
,
得到了综合性能指标。通风和遮阳系统不
仅对周边空间的视觉效果和热舒适有最主要影响,
而且还影响到能耗
,
峰值负荷
,
还可能影响到
HVA C
系统的尺寸。此外
,
自动控制的遮阳设施连
同可调节的人工照明系统和HVAC
系统元件一起可
以使用于照明
,
采暖和制冷的能耗最小化。在设 计
和控制开窗和遮阳系统应一体化考虑以获得最优化
解决方案。
建筑设计是一个复杂的 过程
,
在考虑与建筑相
关的不同系统时
,
需要在设计初级阶段就赶快 做出
决定。不稳定的持续变化的外部气候条件对室内环
境的影响大小取决于建筑维护结构。而建 筑周边空
间的采光和热工性能则受窗户设计的影响。随着建
筑对采光的需求不断提高
,
商业建筑中的窗户面积
也日益增大。在建筑中利用天然采光
,
可以在大大节省人工照明能耗的同时创造出更高质量的室内环
境
(
Leeetal.1998
)
,
倘若装有自动光电池控制的人
工照明。由于工人生产效率高
,< br>旷工次数减少带来
的利益很可能会超过节能的能量
(
Heschong2002
)
。
然而很多设计者没有意识到需要平衡照明与采
暖和制冷之间的能耗。开窗 面积大常常导致得热过
多以及整年中的变化剧烈的热负荷
,
尤其是在热量
不适 宜时。另外
,
办公建筑的南立面在晴天空下
,
剧烈的阳光会产生眩光问题。为 了控制太阳得热
,
创建一个高质量的室内环境
,
在过去十年间发明和
使用了创新性的采光Π遮阳系统和动态的建筑维护构
5
　结语
在建筑光环境研究领域中
,
天然光的研究一直
是重点。充分利用天然光不仅可减少建筑运行的能
源耗费
,
而且还可满足人类健康的需求。本文综述
了国内外近年对于天然光研究的新发展,
提出了一
些观点和看法
,
希望能带给广大建筑光学工作者一
点 启示。
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12
照明工程学报
2007
年
6
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Solar
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