国际上建筑天然采光研究的新动态

2007年6月

第18卷　第2期照明工程学报

ZH AOMI NG G ONG CHE NG X UE BAO Jun.　2007

V ol 118　N o 12

李　卓　王爱英

(天津大学建筑学院,天津　300072)

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,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

Development of I nternational R esearch for Architectural Daylighting

Li Zhuo Wang Aiying

(The Institute o f Architecture ,Tianjin Univer sity ,Tianjin 300072)

Abstract

S olar radiation and daylight are renewable energy which can be used every where.Daylighting has been an im portant part of the Architectural sustainable development.The paper reviewed the recent advancement of internationally concerned daylighting research and the primary results.The main research subject and urgent problems in this field are als o discussed.

K ey w ords :CIE standard sky m odel ;sky luminance distribution ;s olar radiation ;daylighting ;integrated daylighting and thermal design

3国家自然科学基金(N o.50608053)项目资助。

前言

对于采光设计的研究自1990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: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

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(Dum ortier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S UPER LITE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,该程序是RADI ANCE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,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(I DMP)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研究者的目标。CIE曾经提出了晴天空[1]以及在M oon和S pencer提出的模型基础上的全阴天空的亮度分布标准[2]。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。Perraudeau和Chauvel[3]提出了一个阴暗指数并建立了五种天空亮度分布类型。Perez等人[4]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,它随时间和位置不同而有所不同。K ittler等人[5,6]提出了天顶亮度与水平散射照度的比率(L

zΠD 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[7～9]。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型(标准)。Tregenza[10]利用他们的方法,调查了天然光条件对室内空间的影响,而Bartzokas等人[11,12]估价了欧洲中部某地和地中海东岸另一地方的天然光。M.T.Markou和T.Muneer[13]等人研究了位于英格兰中部的谢菲尔德(北纬53138,西经115)在冬季室外的天然光条件。此外日本九州大学、京都大学的一些教授[14]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,可以估算出所有类型天空的亮度和亮度分布。

111　CIE15种标准天空模型

K ittler等人在对伯克利(北纬3716度,西经12214度)1985～1986年间扫描观测的亮度数据以及1992年在东京(北纬3518度,东经13918度)和悉尼(南纬3319度,东经15112度)记录的扫描数据进行了彻底分析的基础上提出了新的15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K ittler等人提出了一个有趣的参数L

zΠD v

来对天

空进行分类并建立了一组L

zΠD v曲线来定义提出的15种标准天空的特征。

11111　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,如图1所示,它与太阳之间的角距离可以用等式(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)(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:

Lγα

Lz

=f

(χ)φ(Z)

f(Zs)φ(0°)

(2)

6照明工程学报2007年6月