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

先進的計算機模擬技術(shù)在天然采光設(shè)計上已經(jīng)發(fā)揮著越來越重要的作用。國外早在上世紀(jì)80年代就開始開發(fā)光模擬軟件，但早期的計算機天然采光模擬軟件在準(zhǔn)確度上有較大誤差。隨著80年代末期輻射度計算法(Radiosity)和光線追蹤算法(Ray Tracing)的引入，計算機光模擬技術(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始涌現(xiàn)，根據(jù)Christoph等人在2003年至2004年中對27個西方主要發(fā)達(dá)國家所做的計算機天然光模擬軟件的問卷調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)目前研究人員、設(shè)計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50%的天然光模擬軟件是基于Radiance平臺［1］。Radiance是美國勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL)在上世紀(jì)80年代開發(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計算模擬場景的光環(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天然光光模擬技術(shù)的綜述中，還列出目前國內(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。

然而真實的天然光隨著時間和氣候的變化而變化，天然光環(huán)境是一個動態(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的天然光環(huán)境。近十年來隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，天然光模擬軟件開始朝這四個方向發(fā)展:1)從靜態(tài)、單一的模擬向動態(tài)、全天候氣候模擬發(fā)展［6，7］;2)更加精確的眩光預(yù)測，已經(jīng)更精準(zhǔn)的天空模型及室內(nèi)采光計算法［8］;3)對工作人員或居住者行為模式進行模擬，如模擬工作人員操控人工照明及活動遮陽設(shè)備的行為［9］;4)對光熱一體化的節(jié)能模擬，特別是對有復(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，加拿大國家實驗室和德國弗勞恩霍夫研究所太陽能研究中心共同研發(fā)了全年動態(tài)天然光模擬軟件DAYSIM。

近幾年來，由于DAYSIM的強大功能，已經(jīng)在國際光學(xué)研究界引起了廣泛的注意，并開始有國外研究人員和建筑工程師引入到工程實踐中。但在我國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年的一項研究中，曾使用DAYSIM和DEST來對一棟辦公樓進行全年能耗模擬［11］，但該案例著重于研究建筑能耗，對于DAYSIM一個動態(tài)天然采光軟件并未做采光模擬，也沒有進一步的分析研究。本文主要針對DAYSIM的動態(tài)光學(xué)模擬特性，在介紹這款軟件同時，以南京一個真實的辦公建筑為例，對DAYSIM進行可行性和應(yīng)用性進行研究。

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)下運行的免費軟件［12］。該軟件可以根據(jù)氣候資料模擬全年動態(tài)光環(huán)境，包括評估傳統(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)的照明和遮陽系統(tǒng)，以及對一些自動光控系統(tǒng)進行節(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室內(nèi)天然采光的影響［13］。Perez天空模型由兩個獨立的部分組成:一是Perez亮度效能模型(The Perez luminous efficacy model)，另一個是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。因為Perez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)來計算室內(nèi)照度［16］。根據(jù)Tregenza的日光系數(shù)法，DAYSIM將整個天穹細(xì)分為148小塊，其中145小塊用來計算漫射光，另外3小塊用來計算地面反射光，而對直射光的計算則選擇了太陽全年軌跡中的65個典型位置進行計算，在計算直射光、漫射光及地面反射光后將其進行疊加［17］。相較于只能在全陰天空情況下，評估室內(nèi)采光的天然采光系數(shù)，日光系數(shù)法可以計算任意天空狀態(tài)下室內(nèi)照度。

使用DAYSIM進行天然采光模擬主要包括三個步驟［18］:第一步是建立場景的三維幾何模型和定義材質(zhì)。國內(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)庫中調(diào)用，操作方便;

第二步是導(dǎo)入氣象數(shù)據(jù)，因為DAYSIM計算的是全年的動態(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;國內(nèi)氣象數(shù)據(jù)可以通過以下方式獲得:1.使用Energy Plus的EPW數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，包含26個國內(nèi)城市數(shù)據(jù)。2.使用“中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，包含國內(nèi)270個氣象臺站的數(shù)據(jù)。國內(nèi)很多大城市氣象數(shù)據(jù)可以在美國能源部網(wǎng)站免費下載［19］，在ECOTECT的Weather Tool內(nèi)轉(zhuǎn)換。

第三步開始進行模擬計算。DAYSIM在模擬運算時，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)不僅僅影響著計算分析的速度，更重要的是對計算結(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)，大大簡化設(shè)定難度。

DAYSIM在遮陽模擬上，提供了三種可供選擇的遮陽方式，分別是:Static shading devices(固定遮陽)、Dynamic shading device model(simple)(簡單動態(tài)遮陽)、Dynamic shading device model(advanced)(高級動態(tài)遮陽)。在固定遮陽情況下，DAYSIM會假設(shè)遮陽裝置包含在建筑模型當(dāng)中的，或者該建筑無遮陽設(shè)備。在簡單動態(tài)遮陽狀態(tài)，DAYSIM假設(shè)遮陽設(shè)備會在一年當(dāng)遮擋到所有直射光，并且只能有25%的散射光可以通過遮陽設(shè)施，這種方法是比較節(jié)省計算時間的，比較適合在方案前期使用。復(fù)雜動態(tài)遮陽狀態(tài)下，DAYSIM使用了一種復(fù)雜的方法來計算室內(nèi)天然采光，這種情況需要遮陽設(shè)施打開和遮陽設(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間，最低采光照明的照度，以及照明和遮陽設(shè)備的控制是人工還是自動。DAYSIM的計算結(jié)果是輸出一份報告，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)到美國綠色評價標(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也提供每個設(shè)定坐標(biāo)點的詳細(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)雜的場景，然而在實際當(dāng)中有一個不可忽略的因素，那就是數(shù)據(jù)運算時間和模型的幾何復(fù)雜度成線性增長，受制于計算機的運算性能，模型不可能無限制的復(fù)雜化，如何使模擬模型有一定的精確度的同時也保證合理的模擬時間，是使用者在使用過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象，對其進行全年動態(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，建筑四個方向開窗都為條窗。選擇蒙民偉的主要原因是該建筑空間相對較為簡單，采光方式也相對單一的側(cè)采光形式，以此作為驗證模擬對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)計研究室作為模擬對象，這樣可以減少室外遮擋物的影響，該房間尺寸見圖1，層高為3.3米，正南向。經(jīng)實測，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。窗臺高為0.9米，窗洞為1.8米×1米的長條窗，玻璃為普通白玻璃，透射比為0.7。

本模擬采用的是美國能源部網(wǎng)站提供的南京典型氣象年數(shù)據(jù)(CSWD)來進行試驗。被模擬房間模擬網(wǎng)管布點的距離為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是對建筑進行全年動態(tài)天然采光模擬，如果要對其進行實測驗證則需要被模擬房間的全年采光實測數(shù)據(jù)，由于場地、設(shè)備、經(jīng)費、時間等限制原因，較難執(zhí)行。因此本文僅將DAYSIM所模擬出來的天然采光系數(shù)與3天全陰天實測結(jié)果相比較，并與Radiance模擬結(jié)果進行橫向比較。因為建筑內(nèi)部距離窗戶較遠(yuǎn)的區(qū)域采光系數(shù)的變化相對較小，而距離窗較近的區(qū)域采光系數(shù)變化又過于劇烈，因此本文選取距離窗1.6米處，共選取8個測點，除1、8測點距側(cè)墻1米，其余各測點相隔1.8米(見圖2)。

圖1 蒙民偉樓十樓平面圖及被模擬房間實景

圖2 被測房間測點位置

實測選擇在2011年4月22日、27日、30日3個全陰天。實測時間是從上午9時至下午4時，每半小時一次，測點實測數(shù)據(jù)加權(quán)平均后分別與DAYSIM和Radiance模擬相比較。圖3是實測平均值與DAYSIM和Radiance相比較的結(jié)果。可以看出實測結(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這幾個點相差較大?？梢钥闯瞿M結(jié)果普遍高于實測值，這與以前的研究結(jié)果相似［4］。DAYSIM與實測平均值之間的相對誤差為0.13。而Radiance與實測平均值的相對誤差為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時刻的室內(nèi)采光情況，這種靜態(tài)模擬結(jié)果只能對室內(nèi)天然采光情況進行評估，無法與能耗聯(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)境舒適度的同時減少建筑能耗，則是一個重要的研究方向。DAYSIM在對室內(nèi)天然采光情況進行評估的同時，也嘗試提供年室內(nèi)照明耗電量的分析結(jié)果。設(shè)計、工程人員可以較好的采光設(shè)計，以減少人工照明的能耗，這對于建筑節(jié)能有著重要的意義。

圖3 被模擬房間的實測值與DAYSIM和Radiance值之間的比較

本文選取靜態(tài)的遮陽百葉設(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，當(dāng)百葉設(shè)定為固定時，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，由此計算出該被模擬房間的年照明耗電量為319.6千瓦。然而實際中被模擬房間內(nèi)安裝的是半透明遮陽卷簾，由于靠近窗口附近有直射陽光和眩光，學(xué)生不得不將室內(nèi)所有遮陽卷簾24小時全部拉上，室內(nèi)全部采用人工照明，該設(shè)計研究室共有16盞日光燈，每盞燈的功率為36千瓦，以DAYSIM中的時間設(shè)定來算，即從星期一到星期五的早上八點到下午十七點，除掉中間使用者離開房間的休息時間上午30分鐘、中午一個小時、下午30分鐘，全年使用人工照明的時間為1569小時，年室內(nèi)照明耗電量為36*16*1569/1000=903.7千瓦，由此可見由于使用不恰當(dāng)?shù)恼陉栐O(shè)備，使實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可以計算年人工照明總能耗和年逐時照明耗電量動態(tài)模擬數(shù)據(jù)，可以方便設(shè)計人員和工程師了解如何在改善不同的采光設(shè)計后的能耗情況。

4 結(jié)語

近些年來，計算機光模擬技術(shù)已成為采光照明設(shè)計中的重要手段。本文回顧了國際上光模擬軟件的發(fā)展趨勢，介紹了一款全年動態(tài)天然采光模擬軟件DAYSIM。并以南京大學(xué)蒙民偉樓一個設(shè)計研究室為例，對DAYSIM進行可行性驗證，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，可以看出好的遮陽設(shè)計可以大大地減少照明能耗。DAYSIM這一功能對于減少室內(nèi)照明能耗具有積極的作用。

由于時間和經(jīng)費有限，本文只是對DAYSIM做了簡單的初步驗證研究，如有可能，希望可以對DAYSIM做更進一步的可行性的驗證研究。此外，對于DAYSIM在照明能耗模擬的計算精度上，還有待進一步的考據(jù)。

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

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