吳 蔚

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

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國(guó)際上天然采光研究熱點(diǎn)分析

吳 蔚

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

天然采光對(duì)綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展有著重要影響,隨著健康和環(huán)境問題的凸顯，它吸引越來(lái)越多的科研人員、設(shè)計(jì)師和工程實(shí)踐者的關(guān)注。本文回顧了近十幾年來(lái)國(guó)際上天然采光研究中三大主要熱點(diǎn)問題：“非視覺效應(yīng)”的采光照明、采光質(zhì)化評(píng)估研究、計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)，提出了天然采光的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和一些需要解決的研究空白。

天然采光； 文獻(xiàn)回顧；非視覺效應(yīng)；質(zhì)化研究；計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)

引言

隨著人們對(duì)環(huán)境問題和建筑節(jié)能的日益重視，天然采光的研究、開發(fā)和利用已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外可持續(xù)發(fā)展的一種趨勢(shì)。過去，天然采光僅被看作建筑師的一個(gè)重要設(shè)計(jì)策略，但在近幾十年里，其他專業(yè)人員都開始與建筑設(shè)計(jì)人員共同協(xié)作，嘗試為使用者提供環(huán)保、節(jié)能、良好穩(wěn)定的天然光環(huán)境。

天然采光是一個(gè)既古老而又永恒的話題，人們對(duì)天然采光的重視程度是隨著時(shí)間變化而變化。直到20世紀(jì)初，天然光作為唯一的主要光源，是影響建筑室內(nèi)光環(huán)境的重要因素之一。20世紀(jì)50年代后期，當(dāng)價(jià)廉物美的熒光燈在歐美廣泛使用后，“永久使用人工輔助光源”(Permanent Supplementary Artificial lighting of Interior)的概念被引入了建筑設(shè)計(jì)之中[1]；然而，20世紀(jì)70年代末期的石油危機(jī)使人們對(duì)于天然采光重新燃起了熱情。但這種關(guān)注程度在其后的幾十年中，隨著人們對(duì)節(jié)能的關(guān)注程度不同而起伏不定。當(dāng)前，人們發(fā)現(xiàn)天然采光不僅僅是一種節(jié)能減排的策略，還有利于身心健康，甚至可以提高生產(chǎn)力和學(xué)習(xí)成績(jī)[2-3]。

國(guó)際上對(duì)于建筑的天然采光研究，在20世紀(jì)90年代主要集中在天然光氣候研究，主要包括國(guó)際天然光觀測(cè)計(jì)劃、天空亮度分布經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难邪l(fā)等。天津大學(xué)的李卓、王愛英從天空模型、太陽(yáng)輻射觀測(cè)和建模、熱帶地區(qū)天然采光和熱工采光一體化四個(gè)方面回顧總結(jié)了相關(guān)研究[4]?？梢哉f，在近幾十年各國(guó)科研人員的共同努力下，天然光氣候研究得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。此外，另一個(gè)發(fā)展較快的領(lǐng)域是計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)。羅濤等對(duì)國(guó)際上近幾十年計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)的發(fā)展做了較詳細(xì)的介紹和總結(jié)[5]。筆者也對(duì)國(guó)際最新的全年動(dòng)態(tài)天然模擬軟件DAYSIM做了介紹[6],以及衍生的一些天然采光評(píng)價(jià)參數(shù)[7]。

目前國(guó)際上對(duì)于天然采光研究熱點(diǎn)主要集中在三個(gè)方面：一是采光與健康之間關(guān)系，特別是剛剛起步的“非視覺效應(yīng)”的采光照明；二是天然采光的主觀評(píng)估研究，即是天然光質(zhì)化研究；三是計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)以及相關(guān)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。本文回顧國(guó)際近十幾年來(lái)這三方面的最新研究及其結(jié)果，總結(jié)目前一些急需填補(bǔ)的研究空白，并嘗試指出今后的發(fā)展趨勢(shì)。

1 “非視覺效應(yīng)”的采光照明

一直以來(lái)，采光照明的主要目的是為了提供良好的視看環(huán)境，但在20世紀(jì)80年代末美國(guó)精神病學(xué)家就注意到天然光與一種“季節(jié)性情緒失調(diào)癥”(Seasonal Affective Disorder，SAD)的精神疾病有很大關(guān)系[8-9]。SAD即“冬季憂郁癥”，是一種感情的、或者情緒的失調(diào)。大多數(shù)的SAD患者在一年的大部分時(shí)間都有良好的健康狀態(tài)，但冬季會(huì)明顯有憂郁的癥狀，特別是在北緯30°以北或者南緯30°以南地區(qū)，SAD病人顯著存在[10]。這種憂郁癥可以通過戶外活動(dòng)，尤其在陽(yáng)光充足的日子里，來(lái)減輕或者消除。也可以采用光療法治療，即用比普通室內(nèi)照明度亮數(shù)倍的人工光線來(lái)延長(zhǎng)白晝時(shí)間，可使患者在數(shù)日內(nèi)感到心境顯著改善[11]。2004年，研究人員在對(duì)比治療SAD實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)藍(lán)光LED燈(468 nm)治療效果要紅光LED燈的效果要好[12]。

引起SAD的原因一直不明，直到2002年美國(guó)Brown 大學(xué)Berson發(fā)現(xiàn)了第三類感光細(xì)胞—本征感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞或視網(wǎng)膜特化感光神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(Intrinsically Photosensitive Retinal Ganglion Cell, ipRGC)，我國(guó)較為通俗的譯法為司辰細(xì)胞[13]。司辰細(xì)胞與視交叉上核(Suprachiasmatic Nucleus，SCN)有著直接聯(lián)系。視交叉上核是哺乳動(dòng)物晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)系統(tǒng)的中樞結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生和調(diào)節(jié)睡眠—覺醒、激素、代謝和生殖等眾多生物節(jié)律。眼睛仍然是光線進(jìn)入身體的主要門戶，但 “視覺效應(yīng)”和“非視覺效應(yīng)”的光信號(hào)則是通過不同路徑傳送[14]。“非視覺效應(yīng)”光信號(hào)主要通過司辰細(xì)胞傳送到SCN、再鏈接到松果體[15]。松果體(又叫做松果腺、腦上體或第三只眼)是一個(gè)位于脊椎動(dòng)物腦中的小內(nèi)分泌腺體。它負(fù)責(zé)制造褪黑素，一種會(huì)對(duì)“睡眠—覺醒”模式與(季節(jié)性)晝夜節(jié)律(Circadian rhythm)功能的調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響的激素[16]。司晨細(xì)胞和人體非視覺通道的發(fā)現(xiàn), 以及其對(duì)人體生理節(jié)律及生物效應(yīng)的影響,使得人們重新審視和思考采光照明質(zhì)量的定義，即不僅要滿足光照品質(zhì)及視看要求，還需滿足人體健康需求[17-18]。以前采光照明的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即由原來(lái)單一的視覺效果評(píng)價(jià)，也將會(huì)過渡到“視覺效應(yīng)”和“非視覺效應(yīng)”的雙重評(píng)價(jià),前者注重視覺功能性,后者則與人體生理健康密切相關(guān)。

盡管“非視覺效應(yīng)”的采光照明研究目前還處在一個(gè)起步階段，主要既有研究還集中在醫(yī)藥、健康學(xué)領(lǐng)域，但已經(jīng)成為一個(gè)引人注目的研究方向?！赌茉磁c建筑》(Energy and Building)2006年第38期發(fā)行了以 “建筑天然采光(Daylighting Buildings)”為題的特別專刊，匯總了當(dāng)時(shí)國(guó)際上天然光研究的最新結(jié)果。其中第一篇特約文章是由英國(guó)學(xué)者Webb回顧總結(jié)了當(dāng)時(shí)“非視覺效應(yīng)”的研究成果[19]。文中提到G.C. Brainard等通過對(duì)人和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)“非視覺效應(yīng)”對(duì)波長(zhǎng)分布在446～488 nm的光波(短波)最為敏感，其敏感峰值是波長(zhǎng)為464 nm的藍(lán)光。從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推斷出目前為滿足視覺效果的大多數(shù)人工照明(其光譜分布主要約555 nm左右)，不一定滿足人們對(duì)“非視覺效應(yīng)”的需求[14,20-21]。Webb在最終結(jié)論中建議，由于天然光富含短波光，既可以滿足視覺要求，也能滿足非視覺方面的需求，有利于人們的生理和心理健康，因此“非視覺效應(yīng)”方面的天然采光將有很大的研究?jī)r(jià)值。

采光照明的“非視覺效應(yīng)”主要涉及到五個(gè)關(guān)鍵因素：光照強(qiáng)度、光照時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、光譜分布和感光史[22-23]。除對(duì)短波光敏感外，與天然光相關(guān)較大的非視覺影響就是光照時(shí)間和光照長(zhǎng)度[24]。研究表明在清晨和傍晚時(shí)刻受到光照刺激，會(huì)使人體晝夜節(jié)律的相位移動(dòng)有明顯提前或滯后現(xiàn)象，而在正午時(shí)段則影響相對(duì)較小。但在白天增加光照刺激，會(huì)刺激夜晚的褪黑激素的分泌，從而提高夜晚的睡眠質(zhì)量[18]。

目前“非視覺效應(yīng)”在采光照明方面的研究主要有以下幾個(gè)方向：

1)司辰視覺對(duì)人的光生物效應(yīng)的進(jìn)一步研究。在天然采光方面，目前需開展的研究光照強(qiáng)度、光照時(shí)間與光譜能量分布對(duì)人的生理節(jié)律、心理行為等的影響[25]。特別是對(duì)于三班倒的工人、環(huán)球旅行中需要倒時(shí)差的旅客等, 目前研究發(fā)現(xiàn)利用天然光和人工輔助照明的影響，能夠改變?cè)瓉?lái)的不適應(yīng)狀態(tài),使身體更快地調(diào)節(jié)和適應(yīng)過來(lái)[26]。

2)治療作用。光療技術(shù)在治療睡眠紊亂、季節(jié)性憂郁癥、老年癡呆癥等領(lǐng)域已有初步的研究成果[19，27]。對(duì)于光療方面的研究，人工照明特別是LED照明走在天然采光研究的前面。但無(wú)可否認(rèn)的是，千百萬(wàn)年的進(jìn)化使人們更適應(yīng)和喜愛天然光，新的研究顯示好的天然采光甚至對(duì)于提高夜晚的工作效率和睡眠都有益處[28]，因此利用天然光治療技術(shù)將是一個(gè)值得研究的領(lǐng)域。

3)健康采光照明環(huán)境的研究。2011年的第27屆國(guó)際照明委員會(huì)(CIE) 大會(huì)中，光與健康以及光的非視覺生物效應(yīng)成為關(guān)注的熱點(diǎn)話題，但有關(guān)天然光非視覺效應(yīng)方面的研究還是寥寥無(wú)幾[29]。2008年，一組來(lái)自建筑、光學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家以光生物學(xué)研究的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主體，嘗試建構(gòu)一個(gè)以天然采光的“非視覺效應(yīng)”為主體的框架模型，該框架模型將一些天然采光設(shè)計(jì)要素如朝向、開窗大小等，與影響“生理節(jié)律潛能”(Circadian potential)或稱之為“生理節(jié)律效率”(Circadian efficacy)因素相聯(lián)系[30]。目前最新的研究是將地理與氣候因素帶入到框架模型中，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，嘗試模擬不同的天然采光設(shè)計(jì)因素對(duì)人體的生理節(jié)律影響[31]。建立該框架模型的目的是天然采光設(shè)計(jì)不僅僅應(yīng)滿足視看效果，也應(yīng)滿足與人體健康密切相關(guān)的“非視覺效應(yīng)”。天然光對(duì)于人體生理節(jié)律和光生物影響的研究還處在起步階段，模擬結(jié)果還較為粗略，有待于進(jìn)一步深入研究和完善。

“非視覺效應(yīng)”的采光照明研究因與人的身體健康密切相關(guān)，已成為受人關(guān)注的重要研究方向，且由于剛剛起步，尚有大量的研究空白需要填補(bǔ)。但需要指出的是，由于該方向的研究往往涉及到醫(yī)學(xué)、工程、建筑等多個(gè)領(lǐng)域，跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的緊密配合與協(xié)作將必不可少。

2 采光照明的主觀評(píng)估研究

采光照明的主觀評(píng)估研究，也就是質(zhì)化研究*20世紀(jì)80年代，一般會(huì)將質(zhì)化研究稱為“Subjective Measurements”(主觀評(píng)估)，這是相對(duì)于“Objective Measurements”(客觀評(píng)估)而言。直到20世紀(jì)80年代后期到90年代末期，很多研究人員認(rèn)為“Subjective Measurements”(主觀評(píng)估)還不能完全表征 整體概念，因此重新定義Lighting Quality的概念，筆者在這里翻譯為“質(zhì)化研究”。開始于20世紀(jì)70年代石油危機(jī)之后，人們擔(dān)心過分的節(jié)能措施可能造成采光照明質(zhì)量下降[32-33]。1984年，由北美照明學(xué)會(huì)(Illuminating Engineering Society of North America，IESNA)贊助召開的圓桌會(huì)議[34]，號(hào)召不僅要開展采光照明的客觀評(píng)估(物理測(cè)量)研究，更要注重室內(nèi)光環(huán)境主觀評(píng)估研究，即人對(duì)環(huán)境的感觀，自此以后一系列相關(guān)的質(zhì)化研究紛紛展開[35-37]。其中最為突出的是加拿大國(guó)家研究院建筑研究所(Institute for Research in Construction, National Research Council Canada)室內(nèi)環(huán)境研究項(xiàng)目組，以Veitch和Newshan為首的研究團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域做了大量研究[38-41]。1998年在加拿大渥太華召開了有關(guān)采光照明質(zhì)化研究的CIE專題研討會(huì)[42-43]，該專題研討會(huì)強(qiáng)調(diào)了采光照明質(zhì)化研究的重要性，并鼓勵(lì)各國(guó)科研人員積極開展相關(guān)研究。

人們對(duì)天然光環(huán)境的感觀往往受生活習(xí)慣、心理因素等的影響，因此在不同的地域、季節(jié)、時(shí)間、建筑物類型下，對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的需求和調(diào)控光的行為也有所不同。因此室內(nèi)光環(huán)境的主觀評(píng)估研究，即光環(huán)境的質(zhì)化研究可以幫助了解人們對(duì)光環(huán)境的主觀需求，從而能夠以人為本，更好地設(shè)計(jì)、控制天然光[44]。2002年美國(guó)能源部國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)的Edwards和 Torcellini兩位研究人員，回顧了近百篇有關(guān)天然光對(duì)于使用者影響的文獻(xiàn)，撰寫一份總結(jié)報(bào)告[3]。該報(bào)告首先總結(jié)了天然光對(duì)人的視覺、身體健康的影響，并根據(jù)辦公、教育、商業(yè)、工業(yè)、醫(yī)院與健康康復(fù)這五大類建筑類型，分門別類的梳理了不同類型建筑物內(nèi)的天然采光對(duì)其使用者的生理和心理影響。在報(bào)告中，作者特別指出好的天然光不僅有益于使用者的身心健康，還可以提高工作效率、學(xué)習(xí)成績(jī)、減少醫(yī)院病人的康復(fù)時(shí)間和提高康復(fù)率，甚至對(duì)提高營(yíng)業(yè)額也有一定幫助。但文獻(xiàn)回顧也提及由于不正確的天然采光設(shè)計(jì)，造成如眩光、視覺疲勞、夏季過熱等問題，從而對(duì)建筑物中的使用者產(chǎn)生一系列負(fù)面影響。

2006年，加拿大國(guó)家研究院建筑研究所Galasiu等研究人員收集整理了從1965年到2004年的60多篇文獻(xiàn)，從辦公建筑光環(huán)境主觀評(píng)估和控光、遮陽(yáng)設(shè)備使用調(diào)查這兩個(gè)方面做了一個(gè)詳細(xì)的文獻(xiàn)綜述[45]。從總結(jié)辦公室內(nèi)光環(huán)境的主觀評(píng)估研究可以看出：①幾乎所有被調(diào)查的辦公人員都更喜歡室內(nèi)有天然光，并認(rèn)為天然光對(duì)人體健康有利。②當(dāng)人工照明和天然采光同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，辦公人員往往錯(cuò)估天然光所占的比重，而且隨著離窗口的距離越遠(yuǎn)，其錯(cuò)估程度越嚴(yán)重。③辦公人員對(duì)窗口大小的喜好，會(huì)因窗口形式的不同而不同，但都會(huì)傾向于較大的窗口。被調(diào)查的辦公人員傾向于窗高在1.8～2.4 m之間，窗寬應(yīng)大于窗高，從而加大橫向可視景觀。④當(dāng)辦公室里有手動(dòng)操作的遮陽(yáng)設(shè)備如百葉窗簾時(shí)，人們往往將它們一次設(shè)定好后就不再改動(dòng)。⑤在天然光環(huán)境中，辦公人員對(duì)其室內(nèi)照度的要求因人而異。此外，隨著所座座位離窗口位置的遠(yuǎn)近、工作性質(zhì)的不同，辦公人員對(duì)人工照明的需求也相對(duì)不同。⑥一般而言，由窗口引起的不舒適眩光往往比天然眩光指數(shù)所計(jì)算出來(lái)的少，而且因人而異。人們對(duì)眩光的不適程度很大程度會(huì)被室外景觀的質(zhì)量、距離窗口的距離以及工作性質(zhì)所影響。

從對(duì)如何使用控光、遮陽(yáng)設(shè)備的研究回顧中[45]，Galasiu等總結(jié)到所有調(diào)研都發(fā)現(xiàn)無(wú)論是辦公人員還是物業(yè)管理人員，都對(duì)全自動(dòng)化的設(shè)備，包括控光、遮陽(yáng)、人工照明與采光控制一體化設(shè)備等較為反感。只有當(dāng)這些全自動(dòng)設(shè)備能夠進(jìn)行人工修改和調(diào)整時(shí)，人們才認(rèn)為這些設(shè)備是“可以接受”的。此外，對(duì)于過于復(fù)雜地高科技設(shè)備，人們不僅會(huì)抱怨其難懂難用，在實(shí)際操作中也很少使用。對(duì)于物業(yè)管理人員而言，全自動(dòng)設(shè)備則會(huì)提高維護(hù)管理的難度和費(fèi)用。由此可見，人們更傾向于能夠掌控自己的光環(huán)境。對(duì)控光、遮陽(yáng)設(shè)備的要求是不僅自己可以調(diào)控，還要求在操作上簡(jiǎn)單易用。然而，目前已知的研究也注意到完全依賴辦公人員自己來(lái)調(diào)控室內(nèi)光環(huán)境，從而達(dá)到減少人工照明的使用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。相對(duì)自動(dòng)的控光和遮陽(yáng)設(shè)備必不可少，但究竟什么樣的控光、遮陽(yáng)設(shè)備才可以做到這一點(diǎn)，還有待于進(jìn)一步研究。

天然采光主觀評(píng)估研究往往需要因地、因時(shí)、因人制宜，且耗時(shí)、耗力、費(fèi)用高昂。因此，雖然近些年來(lái)國(guó)際光學(xué)研究界一直呼吁加強(qiáng)這方面的研究，Boyce、Galasiu、Veitch等專家仍指出有相當(dāng)多的研究空白需要填補(bǔ)[42，45-46]：

1)擴(kuò)大天然光質(zhì)化研究的范圍。目前既有研究主要集中在北美或北歐等發(fā)達(dá)國(guó)家，而且主要針對(duì)辦公建筑，因此需要在不同地域、文脈、氣候條件下，針對(duì)不同類型的建筑和開窗條件，通過大量的現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)地調(diào)研來(lái)了解人對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的不同需求。此外，天然光的量化物理測(cè)量范圍也有待于擴(kuò)大，除了水平面的照度值，需要增加包括垂直面上的照度值、亮度比等的測(cè)量。

2)能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和評(píng)估由天然光引起的不舒適眩光。避免眩光是創(chuàng)造良好室內(nèi)天然光環(huán)境的基本條件之一，但既往研究表明由天然光所引起的不舒適眩光程度，與室外景觀、對(duì)整體天然光環(huán)境的滿意度、以及使用者工作是否使用VDT、能否控制控光或遮陽(yáng)設(shè)備等一系列因素有很大關(guān)系[45,47]。目前既有的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)測(cè)工具，還都不能很好地避免天然光所引起的眩光。最新的天然光眩光預(yù)測(cè)模型是由Wienoldh和Christoffersen在主觀評(píng)估基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的“天然光眩光概率指數(shù)”(Daylight Glare Probability，DGP)[48]，與其他眩光模擬指數(shù)不同，DGP不僅考慮了進(jìn)入人眼中的水平照度值，也考慮了垂直照度值。此外，DGP也采用了CIE眩光指數(shù)的一部分，用來(lái)描述眩光源。計(jì)算DGP的主要方法是利用CCD相機(jī)*CCD相機(jī)，CCD英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合元件，可以稱為CCD圖像傳感器。撲捉高動(dòng)態(tài)范圍成像*動(dòng)態(tài)范圍成像(英語(yǔ)：High Dynamic Range Imaging，簡(jiǎn)稱HDRI或HDR)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)比普通數(shù)位圖像技術(shù)更大曝光動(dòng)態(tài)范圍(即更大的明暗差別)的一組技術(shù)。高動(dòng)態(tài)范圍成像的目的就是要正確地表示真實(shí)世界中從太陽(yáng)光直射到最暗的陰影這樣大的范圍亮度。(High Dynamic Range Imaging，HDRI或HDR)，再利用以Radiance為基礎(chǔ)的“Evalglare”軟件進(jìn)行計(jì)算。DGP無(wú)疑可以較方便快捷的預(yù)測(cè)和評(píng)估由天然光引發(fā)的眩光，但Suk和Schiler利用DGP同其他四種眩光指數(shù) DGI (Daylight Glare Index) 、UGR (Unified Glare Rating), VCP (Visual Comfort Probability)和 CGI (CIE Glare Index)進(jìn)行實(shí)地比較研究時(shí)，注意這幾種預(yù)測(cè)模型計(jì)算出的眩光指數(shù)相差較大。盡管作為評(píng)估天然光眩光的參數(shù)DGI，是否適合于評(píng)價(jià)人工照明眩光的參數(shù)UGR/VCP和CGI相比較，還值得商榷，但有關(guān)DGP的有效性研究還需要進(jìn)一步開展[49]。

3)進(jìn)一步開展遮陽(yáng)和控光設(shè)備的主、客觀方向的研究。主要包括：①在室內(nèi)天然光環(huán)境下實(shí)地調(diào)研人們?nèi)绾问褂萌斯ふ彰鳌⒄{(diào)光設(shè)備和遮陽(yáng)設(shè)備，在行為學(xué)研究的基礎(chǔ)上建立行為量化計(jì)算模型，并將量化的行為模型代入到計(jì)算機(jī)模擬軟件里，進(jìn)行采光照明或能耗模擬。如Bourgeois, Reinhart和Macdonald就將Reinhart的行為模擬模型Lightswitch 2002年代入到計(jì)算機(jī)能耗模擬軟件ESP-r中。以模擬一個(gè)側(cè)窗采光的辦公室為例，通過選擇不同的行為模式，其室內(nèi)能耗變化有可能達(dá)到40%的不同[50-51]。 ②在天然光環(huán)境下，進(jìn)一步開展全自動(dòng)、半自動(dòng)、全手動(dòng)遮陽(yáng)和控光設(shè)備的行為模式比較研究。建立半自動(dòng)、甚至是全手動(dòng)遮陽(yáng)和控光設(shè)備的行為量化模型，并能夠確認(rèn)不同情況下的增量效益。③很多既往研究表明，辦公室人員會(huì)隨著不同的辦公環(huán)境、所處位置、室外景色、工作任務(wù)性質(zhì)等(如有較長(zhǎng)工作時(shí)間都需要面對(duì)計(jì)算機(jī)屏幕情況下)，對(duì)其遮陽(yáng)和控光設(shè)備的操控也不一樣[52]。特別是較亮的計(jì)算機(jī)屏幕能使工作人員忽視室內(nèi)較高的天然光照度[53]，因此有必要實(shí)地調(diào)研相關(guān)的行為模式，建立相應(yīng)的量化模型。④遮陽(yáng)和控光設(shè)備的使用界面和所處位置都對(duì)使用者的使用行為有一定影響，因此有必要開展相關(guān)研究。如同天然光環(huán)境的質(zhì)化研究，遮陽(yáng)和控光設(shè)備的相關(guān)研究也都需要在不同的地理、氣候、文化背景下，進(jìn)行廣泛的實(shí)地和社會(huì)調(diào)研。

3 計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)

計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)在近幾十年來(lái)發(fā)展極為迅速，其兩大研究方向包括：軟件本身的開發(fā)和發(fā)展，以及軟件的有效性驗(yàn)證和可行性應(yīng)用。

首先是計(jì)算機(jī)天然光模擬軟件的開發(fā)。根據(jù)Reinhart和Fitz從2003年12月2日到2004年1月19日所做的天然光軟件使用情況的問卷調(diào)查，當(dāng)時(shí)各種計(jì)算機(jī)天然光模擬軟件已經(jīng)高達(dá)42種[54]，這其中有超過50%的天然光模擬軟件都基于Radiance平臺(tái)。近十年來(lái)又有許多新的天然采光模擬軟件涌現(xiàn)，如能夠模擬全年動(dòng)態(tài)采光的軟件DAYSIM[6],專攻簡(jiǎn)便易用方向的 VELUX Daylight Visualizer[55]，由巴黎高等洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(實(shí)驗(yàn)室LAURE，合作開發(fā)laure.epfl.ch)開發(fā)的、主要針對(duì)歐洲市場(chǎng)DAIL+[56]，還有針對(duì)設(shè)計(jì)初期階段所開發(fā)的Lightslove[57]。美國(guó)能源部節(jié)能與可再生能源辦公室(Energy Efficiency & Renewable Energy, US Department of Energy)將目前較常見的光模擬軟件、及其使用范圍、相關(guān)網(wǎng)站給出了一個(gè)列表[58]。筆者則根據(jù)自己的使用經(jīng)驗(yàn)也總結(jié)出了幾款常見的天然光模擬軟件(見表1)，并從使用界面、準(zhǔn)確性、功能、出圖質(zhì)量、主要弊病等方面給予評(píng)估。

除去光模擬軟件的獨(dú)立開發(fā)，另一種發(fā)展趨勢(shì)是依托某個(gè)較成熟的繪圖或能耗模擬軟件，開發(fā)專做光模擬的軟件插件。如 DIVA for Rhino[59]，Rhino又叫犀牛，是一款小巧強(qiáng)大的三維建模工具，一直廣受三維圖形制作和設(shè)計(jì)人員喜愛。DIVA for Rhion就是在犀牛軟件基礎(chǔ)上開發(fā)的一個(gè)采光和能耗模擬插件，在采光方面可以用于全年動(dòng)態(tài)采光分析和即時(shí)眩光分析等。該插件最初由哈佛大學(xué)設(shè)計(jì)研究生院開發(fā)，現(xiàn)已轉(zhuǎn)為商業(yè)軟件，由Solemma公司負(fù)責(zé)繼續(xù)開發(fā)和使用。此外，一些成熟的繪圖或能耗模擬軟件為擴(kuò)展其功能，則致力于開發(fā)能與專業(yè)光模擬軟件進(jìn)行銜接使用的導(dǎo)出和導(dǎo)入接口。如能耗模擬軟件Ecotect，因操作容易、簡(jiǎn)便，能耗模擬的功能全面且結(jié)果表達(dá)直觀，很受廣大的建筑設(shè)計(jì)人員的喜愛。Ecotect本身雖帶有天然光模擬的功能，但有很多弊病，如自帶的天空模型不全，用于光模擬的材質(zhì)較少，無(wú)法準(zhǔn)確模擬內(nèi)窗等。為此，Ecotect在開發(fā)的最初階段，就致力于開發(fā)各種專業(yè)模擬軟件的轉(zhuǎn)接接口，專業(yè)天然光模擬軟件的接口有Radiance和DAYSIM兩種。在Ecotect里所建的數(shù)字模型及所賦予的材質(zhì)可以較好的導(dǎo)出到這兩款專業(yè)光模擬軟件中，模擬結(jié)果也能導(dǎo)回到Ecotect里，創(chuàng)建直觀的可視化分析視圖。甚至可以利用Ecotect為中介軟件，將分析數(shù)據(jù)導(dǎo)出到專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件中。相應(yīng)的，一些新的專業(yè)采光模擬軟件也在積極開發(fā)可適用于成熟三維繪圖和能耗模擬軟件的轉(zhuǎn)接插口，如DAYSIM除了在能耗模擬軟件Ecotect有轉(zhuǎn)接口外，近幾年來(lái)還在三維繪圖軟件犀牛Rhino和SketchUp上開發(fā)了轉(zhuǎn)接插口軟件。

此外，還有一批學(xué)者致力于提高既有光模擬軟件的精確性，以及擴(kuò)展軟件的可模擬范圍。提高軟件的模擬精確度主要從三個(gè)方面：①繼續(xù)提高天空模型的精確度。天空光氣候研究在近20年有了長(zhǎng)足發(fā)展，李卓等對(duì)國(guó)際上的最新研究做了較詳細(xì)的回顧與總結(jié)[4]。2003年，CIE接受了關(guān)于Kittle等關(guān)于15種天空亮點(diǎn)分布類型的建議[60-61]，2014年CIE發(fā)布的最新技術(shù)報(bào)告中對(duì)這15種天空的應(yīng)用做了解釋、并做了一定程度的簡(jiǎn)化[62]。此外，IDMP(International Daylight Measure Programme 國(guó)際天光測(cè)量)項(xiàng)目繼續(xù)深化，如在更多地區(qū)建立天光測(cè)量站，通過實(shí)地測(cè)量和收集的大量實(shí)地、實(shí)時(shí)太陽(yáng)輻射和天光分布的數(shù)據(jù)，建立更準(zhǔn)確的天空模型[4，63]，除此之外，現(xiàn)在另一趨勢(shì)則是利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)建立更準(zhǔn)確的天空模型[64-66]。②采用當(dāng)?shù)厝陝?dòng)態(tài)氣象數(shù)據(jù)、地理環(huán)境信息和更精確地室內(nèi)采光計(jì)算法，來(lái)提高天然光模擬的精確度[67-69]。③將天然光質(zhì)化研究結(jié)果代入到天然光模擬軟件中。例如上述以“天然光眩光概率指數(shù)DGP”為基礎(chǔ)所開發(fā)的軟件EVALGLARE[49,70]，以使用者行為模式為基礎(chǔ)的量化行為模型軟件Lightswitch 2002[50-51]。實(shí)地調(diào)查使用者的行為模式，從而建立和開發(fā)可代入計(jì)算機(jī)模擬軟件的量化行為數(shù)據(jù)庫(kù)，無(wú)疑可以大大提高建筑物能耗模擬的精確度[71]。

擴(kuò)大可模擬的范圍主要是指模擬不同的開口形式、透光和光折射材料。多年的有效性研究表面作為大多數(shù)采光模擬軟件的基礎(chǔ)平臺(tái)軟件Radiance，因?yàn)榛诿傻乜_反向光線跟蹤算法，能夠較準(zhǔn)確地模擬各種玻璃、漫反射百葉窗和光柵(Light-Shelves)等。然而，對(duì)于更為復(fù)雜的采光口，如含有定性折光性質(zhì)的玻璃窗、復(fù)雜的格柵窗、鏡面反射材質(zhì)的百葉窗等，則有一定的難度。近幾年來(lái)一些學(xué)者開始利用“雙向透射分布函數(shù)”和“雙向反射分布函數(shù)”[72](Bidirectional Transmittance/Reflectance Distribution Function，BTDF/BRDF)來(lái)描述入射光通過復(fù)雜的采光口時(shí)的相互作用，并嘗試開發(fā)計(jì)算機(jī)光模擬軟件能夠應(yīng)用的BTDF數(shù)據(jù)庫(kù)[73-75]。目前有相當(dāng)多的有效性和可行性研究，都在嘗試?yán)眠@個(gè)方法來(lái)模擬復(fù)雜采光口[76-78]。

隨著計(jì)算機(jī)光模擬軟件的發(fā)展，很多專家學(xué)者都注意到一些既往的天然光設(shè)計(jì)和評(píng)估參數(shù)，如最常采用的天然采光系數(shù)，不僅無(wú)法描述天然光的氣候性和多變性[79]，也無(wú)法表征建筑的朝向和建筑使用情況等[80-81]，因此國(guó)際光學(xué)研究界提出了一些新的天然采光參數(shù)，其中以Daylight autonomy (DA) 和 Useful daylight illuminance (UDI) 得到較為廣泛的認(rèn)可和采用[82]，筆者曾對(duì)這兩個(gè)參數(shù)做了詳盡的介紹[7]。相較于傳統(tǒng)的采光系數(shù)，新參數(shù)都是根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驍?shù)據(jù)，模擬全年動(dòng)態(tài)采光,因此可以較準(zhǔn)確地描述天然光在時(shí)間和空間上的變化，特別是UDI 將過高照度值所引起的視覺不舒適性考慮進(jìn)來(lái)，相較于傳統(tǒng)單一值的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，表征一定范圍照度值的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)顯然更能準(zhǔn)確描述室內(nèi)采光質(zhì)量。此外，還有上面提到的“天然光眩光概率指數(shù)DGP”，也較以往的眩光模擬更為精確[83]?？梢灶A(yù)見，隨著一些天然采光基礎(chǔ)研究的深入，以及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，還會(huì)有更多地天然采光設(shè)計(jì)和評(píng)估參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)。

計(jì)算機(jī)天然采光模擬技術(shù)近十年來(lái)總的發(fā)展趨勢(shì)是從靜態(tài)、單一的模擬向動(dòng)態(tài)、全天候氣候化發(fā)展；從開發(fā)單一的光模擬軟件向集三維建模和各種能耗模擬為一體的大型綜合軟件發(fā)展。更精確的光氣候模型和室內(nèi)采光計(jì)算法、復(fù)雜的采光口系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立以及使用者行為模型的代入，使今天的光模擬軟件在模擬精度上和應(yīng)用范圍上都大大地提高；各種新的天然采光設(shè)計(jì)與評(píng)估參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)，可以使設(shè)計(jì)人員更好地設(shè)計(jì)和利用天然光，減少能耗使用。

表1 總結(jié)和評(píng)估幾種常見的天然光模擬軟件Table 1 A Summary of Common Daylighting Simulation Softwares

注：★、☆數(shù)量越多表示軟件性能越好；且“★”表示的軟件性能優(yōu)于“☆”表示的軟件性能。

4 結(jié)論

綜上所述，目前國(guó)際上天然采光的研究趨勢(shì)向著以人為本、健康節(jié)能的方向發(fā)展。天然采光在工程實(shí)踐上總的發(fā)展趨勢(shì)是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)光模擬手段，低廉可靠的遮陽(yáng)、控光技術(shù)，在提供健康舒適的室內(nèi)光環(huán)境的同時(shí)，更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。未來(lái)國(guó)際上天然采光研究還將集中在“非視覺效應(yīng)”的采光照明、采光質(zhì)化評(píng)估研究、計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)這三大方向。由于“非視覺效應(yīng)”采光照明的研究剛剛起步，尚有大量研究空白需要填補(bǔ)；天然采光的質(zhì)化研究將會(huì)針對(duì)不同地域、氣候、建筑類型等的特點(diǎn)展開；計(jì)算機(jī)光模擬技術(shù)的研究和利用還會(huì)持續(xù)發(fā)展，并將越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到實(shí)際工程中。

致謝：感謝南京大學(xué)圖書館，幫助筆者收集了很多國(guó)外前沿的學(xué)術(shù)期刊和研究資料。

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The Key Research Points of International Daylighting

WU Wei

(SchoolofArchitectureandUrbanPlanning,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)

Since daylighting is a declared feature of most sustainable green buildings, it is today a topic of growing interest to researchers, designers and practitioners.This paper presents a review of daylighting research in recently years, offering an international overview of many current developments in the field.Three major developments are contributing to this recent surge in interest: recent discoveries of non-visible effects of day light, a wide research interesting on how daylighting influences or can be used to influence the occupants of an environment, and a renewed interest in better daylight simulation tools and performance metrics.Also, the paper identifies gaps in current knowledge and points out main directions of future research.

daylighting; literature review; non-visible effect; occupants p

; lighting simulation

TU13.5

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.018