吳 蔚 劉坤鵬

(南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇南京210093)

1 引言

先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在天然采光設(shè)計(jì)上已經(jīng)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。國(guó)外早在上世紀(jì)80年代就開(kāi)始開(kāi)發(fā)光模擬軟件，但早期的計(jì)算機(jī)天然采光模擬軟件在準(zhǔn)確度上有較大誤差。隨著80年代末期輻射度計(jì)算法(Radiosity)和光線追蹤算法(Ray Tracing)的引入，計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)在準(zhǔn)確度上大大提高。從上世紀(jì)90年代到現(xiàn)在，大量天然光模擬軟件開(kāi)始涌現(xiàn)，根據(jù)Christoph等人在2003年至2004年中對(duì)27個(gè)西方主要發(fā)達(dá)國(guó)家所做的計(jì)算機(jī)天然光模擬軟件的問(wèn)卷調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)目前研究人員、設(shè)計(jì)人員以及工程師所使用的模擬軟件有42種之多，但其中超過(guò)50%的天然光模擬軟件是基于Radiance平臺(tái)［1］。Radiance是美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL)在上世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的一款的天然光模擬軟件系統(tǒng)，采用蒙地卡羅反向光線跟蹤算法來(lái)計(jì)算模擬場(chǎng)景的光環(huán)境，能夠較為準(zhǔn)確客觀的模擬天然采光［2］。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，Radiance已在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用和認(rèn)同［2，3，4］。除Radiance外，羅濤等研究人員在對(duì)天然光光模擬技術(shù)的綜述中，還列出目前國(guó)內(nèi)外幾種較常用的采光軟件，包括Lumen Micro、Lightscape、Relux、Inspirer等軟件［5］。整體而言，目前這些天然光軟件都可以就室內(nèi)靜態(tài)天然光環(huán)境做出相當(dāng)精確的模擬。

然而真實(shí)的天然光隨著時(shí)間和氣候的變化而變化，天然光環(huán)境是一個(gè)動(dòng)態(tài)的光環(huán)境，單一的室內(nèi)光環(huán)境模擬很難反映出真實(shí)的天然光環(huán)境。近十年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，天然光模擬軟件開(kāi)始朝這四個(gè)方向發(fā)展:1)從靜態(tài)、單一的模擬向動(dòng)態(tài)、全天候氣候模擬發(fā)展［6，7］;2)更加精確的眩光預(yù)測(cè)，已經(jīng)更精準(zhǔn)的天空模型及室內(nèi)采光計(jì)算法［8］;3)對(duì)工作人員或居住者行為模式進(jìn)行模擬，如模擬工作人員操控人工照明及活動(dòng)遮陽(yáng)設(shè)備的行為［9］;4)對(duì)光熱一體化的節(jié)能模擬，特別是對(duì)有復(fù)雜采光系統(tǒng)、如反射光管等的室內(nèi)采光寄節(jié)能一體化模擬［10］。順應(yīng)這些發(fā)展趨勢(shì)，加拿大國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和德國(guó)弗勞恩霍夫研究所太陽(yáng)能研究中心共同研發(fā)了全年動(dòng)態(tài)天然光模擬軟件DAYSIM。

近幾年來(lái)，由于DAYSIM的強(qiáng)大功能，已經(jīng)在國(guó)際光學(xué)研究界引起了廣泛的注意，并開(kāi)始有國(guó)外研究人員和建筑工程師引入到工程實(shí)踐中。但在我國(guó)只有很少人了解和使用這一軟件，目前可查詢到的只有華南理工大學(xué)建筑節(jié)能研究中心的吳基、孟慶林等研究人員在2009年的一項(xiàng)研究中，曾使用DAYSIM和DEST來(lái)對(duì)一棟辦公樓進(jìn)行全年能耗模擬［11］，但該案例著重于研究建筑能耗，對(duì)于DAYSIM一個(gè)動(dòng)態(tài)天然采光軟件并未做采光模擬，也沒(méi)有進(jìn)一步的分析研究。本文主要針對(duì)DAYSIM的動(dòng)態(tài)光學(xué)模擬特性，在介紹這款軟件同時(shí)，以南京一個(gè)真實(shí)的辦公建筑為例，對(duì)DAYSIM進(jìn)行可行性和應(yīng)用性進(jìn)行研究。

2 DAYSIM軟件性能分析

DAYSIM是一款以RADIANCE的蒙特卡羅反向光線跟蹤算法為基礎(chǔ)的天然采光分析工具，可以在Windows和Linux兩種操作系統(tǒng)下運(yùn)行的免費(fèi)軟件［12］。該軟件可以根據(jù)氣候資料模擬全年動(dòng)態(tài)光環(huán)境，包括評(píng)估傳統(tǒng)的天然采光系數(shù)，以及一些新的采光參數(shù)，如天然光自主參數(shù)(Daylight autonomy)和有效天然采光照度(Useful daylight illuminance)。此外，DAYSIM還在嘗試做一些采光照明“質(zhì)”的評(píng)估，包括根據(jù)以往行為研究成果，模擬室內(nèi)工作者如何控制辦公室內(nèi)的照明和遮陽(yáng)系統(tǒng)，以及對(duì)一些自動(dòng)光控系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能模擬。DAYSIM本身并不提供建立模型的功能，但它提供了接口以支持其他CAD軟件，包括Rhinoceros，Autodesk-ECOTECT和Google Sketch Up。

DAYSIM軟件采用的是Perez全天候天空亮度模型(The Perez all weather sky luminance model)，它能夠綜合計(jì)算全年陰天、晴天和多云天空等各種天空條件下直射光、漫射光及地面反射光對(duì)室內(nèi)天然采光的影響［13］。Perez天空模型由兩個(gè)獨(dú)立的部分組成:一是Perez亮度效能模型(The Perez luminous efficacy model)，另一個(gè)是Perez天空亮度分布模型(The Perez sky luminous distribution model)［14］。相較于CIE全陰天天空模型，Perez天空更具優(yōu)越性。因?yàn)镻erez的全陰天天空模型有了明暗了區(qū)分，在天空亮度分布上提供了更多的詳細(xì)信息［15］。

DAYSIM采用Tregenza提出的日光系數(shù)法(Daylight Coefficient method)來(lái)計(jì)算室內(nèi)照度［16］。根據(jù)Tregenza的日光系數(shù)法，DAYSIM將整個(gè)天穹細(xì)分為148小塊，其中145小塊用來(lái)計(jì)算漫射光，另外3小塊用來(lái)計(jì)算地面反射光，而對(duì)直射光的計(jì)算則選擇了太陽(yáng)全年軌跡中的65個(gè)典型位置進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算直射光、漫射光及地面反射光后將其進(jìn)行疊加［17］。相較于只能在全陰天空情況下，評(píng)估室內(nèi)采光的天然采光系數(shù)，日光系數(shù)法可以計(jì)算任意天空狀態(tài)下室內(nèi)照度。

使用DAYSIM進(jìn)行天然采光模擬主要包括三個(gè)步驟［18］:第一步是建立場(chǎng)景的三維幾何模型和定義材質(zhì)。國(guó)內(nèi)比較流行的CAD軟件如Sketch Up或Ecotect都可以比較方便的建立三維模型;賦予材質(zhì)就是定義材質(zhì)的物理特性，例如墻面反射率，玻璃透射率等，如ECOTECT本身提供了大量的材質(zhì)，如不夠還可以導(dǎo)入和編輯所需的材質(zhì)，使用者可以從材質(zhì)庫(kù)中調(diào)用，操作方便;

第二步是導(dǎo)入氣象數(shù)據(jù)，因?yàn)镈AYSIM計(jì)算的是全年的動(dòng)態(tài)天然采光情況，所以需要建筑所在地區(qū)全年的氣候數(shù)據(jù)做支持;國(guó)內(nèi)氣象數(shù)據(jù)可以通過(guò)以下方式獲得:1.使用Energy Plus的EPW數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，包含26個(gè)國(guó)內(nèi)城市數(shù)據(jù)。2.使用“中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，包含國(guó)內(nèi)270個(gè)氣象臺(tái)站的數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)很多大城市氣象數(shù)據(jù)可以在美國(guó)能源部網(wǎng)站免費(fèi)下載［19］，在ECOTECT的Weather Tool內(nèi)轉(zhuǎn)換。

第三步開(kāi)始進(jìn)行模擬計(jì)算。DAYSIM在模擬運(yùn)算時(shí)，需要確定大量的精度參數(shù)，這些參數(shù)分別定義了光線的反射次數(shù)以及光分辨率等。精度參數(shù)不僅僅影響著計(jì)算分析的速度，更重要的是對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響。最新版DAYSIM不僅可以在Window 7上運(yùn)行，并且給出從粗略到精確模擬的幾組默認(rèn)參數(shù)，大大簡(jiǎn)化設(shè)定難度。

DAYSIM在遮陽(yáng)模擬上，提供了三種可供選擇的遮陽(yáng)方式，分別是:Static shading devices(固定遮陽(yáng))、Dynamic shading device model(simple)(簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)遮陽(yáng))、Dynamic shading device model(advanced)(高級(jí)動(dòng)態(tài)遮陽(yáng))。在固定遮陽(yáng)情況下，DAYSIM會(huì)假設(shè)遮陽(yáng)裝置包含在建筑模型當(dāng)中的，或者該建筑無(wú)遮陽(yáng)設(shè)備。在簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)遮陽(yáng)狀態(tài)，DAYSIM假設(shè)遮陽(yáng)設(shè)備會(huì)在一年當(dāng)遮擋到所有直射光，并且只能有25%的散射光可以通過(guò)遮陽(yáng)設(shè)施，這種方法是比較節(jié)省計(jì)算時(shí)間的，比較適合在方案前期使用。復(fù)雜動(dòng)態(tài)遮陽(yáng)狀態(tài)下，DAYSIM使用了一種復(fù)雜的方法來(lái)計(jì)算室內(nèi)天然采光，這種情況需要遮陽(yáng)設(shè)施打開(kāi)和遮陽(yáng)設(shè)施關(guān)閉這兩組模型，但該設(shè)定一般需要雙倍的模擬時(shí)間。

在模擬最后的采光分析部分，允許模擬者設(shè)定建筑物的被占用時(shí)間，最低采光照明的照度，以及照明和遮陽(yáng)設(shè)備的控制是人工還是自動(dòng)。DAYSIM的計(jì)算結(jié)果是輸出一份報(bào)告，包括主要模擬結(jié)果的小結(jié)，如天然采光系數(shù)是多少，是否達(dá)到美國(guó)綠色評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)LEED，以及一些新的采光參數(shù)，如有效天然采光照度UDI和天然光自主參數(shù)DA等。此外，DAYSIM也提供每個(gè)設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，雖然不能輸出比較直觀的圖像文件，但DAYSIM允許數(shù)據(jù)導(dǎo)入ECOTECT和EXCEL，ECOTECT能夠?qū)AYSIM的模擬結(jié)果轉(zhuǎn)化為為偽色彩圖像，Excel能夠?qū)AYSIM的模擬結(jié)果轉(zhuǎn)化為曲線走勢(shì)圖，以便更直觀的觀察和研究。

盡管DAYSIM在理論上可以模擬非常復(fù)雜的場(chǎng)景，然而在實(shí)際當(dāng)中有一個(gè)不可忽略的因素，那就是數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)間和模型的幾何復(fù)雜度成線性增長(zhǎng)，受制于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算性能，模型不可能無(wú)限制的復(fù)雜化，如何使模擬模型有一定的精確度的同時(shí)也保證合理的模擬時(shí)間，是使用者在使用過(guò)程需要掌握的技能之一。

3 DAYSIM模擬案例研究

為研究DAYSIM在我國(guó)使用的可行性，本文選擇南京大學(xué)的一座高層核心筒辦公樓作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)天然采光模擬。選擇的蒙民偉樓位于南京市鼓樓區(qū)漢口路22號(hào)南京大學(xué)北園東側(cè)，建造于本世紀(jì)90年代，共24層，其多層部分受周圍環(huán)境影響較大，高層部分受影響較小，建筑四個(gè)方向開(kāi)窗都為條窗。選擇蒙民偉的主要原因是該建筑空間相對(duì)較為簡(jiǎn)單，采光方式也相對(duì)單一的側(cè)采光形式，以此作為驗(yàn)證模擬對(duì)象可以減少不必要的干擾因素。

本研究選擇10樓的一間建筑學(xué)系學(xué)生的設(shè)計(jì)研究室作為模擬對(duì)象，這樣可以減少室外遮擋物的影響，該房間尺寸見(jiàn)圖1，層高為3.3米，正南向。經(jīng)實(shí)測(cè)，房間室內(nèi)天花反射比為0.27，深灰色涂料粉刷，建筑外墻內(nèi)側(cè)為白色涂料粉刷，反射比為0.90，橙色隔墻的反射比為0.63，地面材料為灰色水磨石，反射比為0.50。窗臺(tái)高為0.9米，窗洞為1.8米×1米的長(zhǎng)條窗，玻璃為普通白玻璃，透射比為0.7。

本模擬采用的是美國(guó)能源部網(wǎng)站提供的南京典型氣象年數(shù)據(jù)(CSWD)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。被模擬房間模擬網(wǎng)管布點(diǎn)的距離為0.3米×0.6米，距地1米。模擬精度采用的是DAYSIM所推薦的設(shè)置，最主要的幾個(gè)參數(shù)設(shè)置如下:ambient bounces設(shè)為5，ambient divisions設(shè)為1000，ambient accuracy設(shè)為0.1，direct sampling設(shè)為0.2，direct relays設(shè)為2。

3.1 DAYSIM可行性研究

由于DAYSIM是對(duì)建筑進(jìn)行全年動(dòng)態(tài)天然采光模擬，如果要對(duì)其進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證則需要被模擬房間的全年采光實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，由于場(chǎng)地、設(shè)備、經(jīng)費(fèi)、時(shí)間等限制原因，較難執(zhí)行。因此本文僅將DAYSIM所模擬出來(lái)的天然采光系數(shù)與3天全陰天實(shí)測(cè)結(jié)果相比較，并與Radiance模擬結(jié)果進(jìn)行橫向比較。因?yàn)榻ㄖ?nèi)部距離窗戶較遠(yuǎn)的區(qū)域采光系數(shù)的變化相對(duì)較小，而距離窗較近的區(qū)域采光系數(shù)變化又過(guò)于劇烈，因此本文選取距離窗1.6米處，共選取8個(gè)測(cè)點(diǎn)，除1、8測(cè)點(diǎn)距側(cè)墻1米，其余各測(cè)點(diǎn)相隔1.8米(見(jiàn)圖2)。

圖1 蒙民偉樓十樓平面圖及被模擬房間實(shí)景

圖2 被測(cè)房間測(cè)點(diǎn)位置

實(shí)測(cè)選擇在2011年4月22日、27日、30日3個(gè)全陰天。實(shí)測(cè)時(shí)間是從上午9時(shí)至下午4時(shí)，每半小時(shí)一次，測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加權(quán)平均后分別與DAYSIM和Radiance模擬相比較。圖3是實(shí)測(cè)平均值與DAYSIM和Radiance相比較的結(jié)果?？梢钥闯鰧?shí)測(cè)結(jié)果和DAYSIM的模擬結(jié)果更為接近，Radiance的模擬結(jié)果有一定偏差，尤其是2、4、5、7、8這幾個(gè)點(diǎn)相差較大。可以看出模擬結(jié)果普遍高于實(shí)測(cè)值，這與以前的研究結(jié)果相似［4］。DAYSIM與實(shí)測(cè)平均值之間的相對(duì)誤差為0.13。而Radiance與實(shí)測(cè)平均值的相對(duì)誤差為0.32。

3.2 全年照明耗電量分析

目前大部分天然采光模擬軟件只能模擬一種光氣候下單天某個(gè)時(shí)刻的室內(nèi)采光情況，這種靜態(tài)模擬結(jié)果只能對(duì)室內(nèi)天然采光情況進(jìn)行評(píng)估，無(wú)法與能耗聯(lián)系在一起。在目前節(jié)能減排的大潮流下，如何在提高室內(nèi)光環(huán)境舒適度的同時(shí)減少建筑能耗，則是一個(gè)重要的研究方向。DAYSIM在對(duì)室內(nèi)天然采光情況進(jìn)行評(píng)估的同時(shí)，也嘗試提供年室內(nèi)照明耗電量的分析結(jié)果。設(shè)計(jì)、工程人員可以較好的采光設(shè)計(jì)，以減少人工照明的能耗，這對(duì)于建筑節(jié)能有著重要的意義。

圖3 被模擬房間的實(shí)測(cè)值與DAYSIM和Radiance值之間的比較

本文選取靜態(tài)的遮陽(yáng)百葉設(shè)置，加以反射系數(shù)0.5，間距和深度值為400mm和450mm百葉遮陽(yáng)，當(dāng)百葉設(shè)定為固定時(shí)，其傾斜角度為60度。顯示被模擬房間的單位面積的年室內(nèi)照明耗電量為3.4千瓦，該房間共94平方米，由此計(jì)算出該被模擬房間的年照明耗電量為319.6千瓦。然而實(shí)際中被模擬房間內(nèi)安裝的是半透明遮陽(yáng)卷簾，由于靠近窗口附近有直射陽(yáng)光和眩光，學(xué)生不得不將室內(nèi)所有遮陽(yáng)卷簾24小時(shí)全部拉上，室內(nèi)全部采用人工照明，該設(shè)計(jì)研究室共有16盞日光燈，每盞燈的功率為36千瓦，以DAYSIM中的時(shí)間設(shè)定來(lái)算，即從星期一到星期五的早上八點(diǎn)到下午十七點(diǎn)，除掉中間使用者離開(kāi)房間的休息時(shí)間上午30分鐘、中午一個(gè)小時(shí)、下午30分鐘，全年使用人工照明的時(shí)間為1569小時(shí)，年室內(nèi)照明耗電量為36*16*1569/1000=903.7千瓦，由此可見(jiàn)由于使用不恰當(dāng)?shù)恼陉?yáng)設(shè)備，使實(shí)際的年人工照明耗電量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于DAYSIM模擬的年人工照明耗電量。由于DAYSIM可以計(jì)算年人工照明總能耗和年逐時(shí)照明耗電量動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)，可以方便設(shè)計(jì)人員和工程師了解如何在改善不同的采光設(shè)計(jì)后的能耗情況。

4 結(jié)語(yǔ)

近些年來(lái)，計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)已成為采光照明設(shè)計(jì)中的重要手段。本文回顧了國(guó)際上光模擬軟件的發(fā)展趨勢(shì)，介紹了一款全年動(dòng)態(tài)天然采光模擬軟件DAYSIM。并以南京大學(xué)蒙民偉樓一個(gè)設(shè)計(jì)研究室為例，對(duì)DAYSIM進(jìn)行可行性驗(yàn)證，初步的研究結(jié)果表明DAYSIM具有較高的準(zhǔn)確性。在利用DAYSIM研究被模擬房間的年照明能耗上，可以看出好的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)可以大大地減少照明能耗。DAYSIM這一功能對(duì)于減少室內(nèi)照明能耗具有積極的作用。

由于時(shí)間和經(jīng)費(fèi)有限，本文只是對(duì)DAYSIM做了簡(jiǎn)單的初步驗(yàn)證研究，如有可能，希望可以對(duì)DAYSIM做更進(jìn)一步的可行性的驗(yàn)證研究。此外，對(duì)于DAYSIM在照明能耗模擬的計(jì)算精度上，還有待進(jìn)一步的考據(jù)。

總體而言，全年動(dòng)態(tài)光模擬軟件DAYSIM能較好地幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行天然采光設(shè)計(jì)和能耗分析。在今后的工作中，筆者希望結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，積極開(kāi)展DAYSIM的推廣工作，為設(shè)計(jì)、研究人員提供有益的指導(dǎo)。

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