天然光光照度典型年数据的研究与应用[1]

　　1 研究背景

　　近年来，随着人们对环境和节能问题的日益关注，天然采光作为一项重要的节能策略，在建筑设计中越来越受到重视。合理利用天然光，可以有效减少照明能耗; 通过有效控制进入室内的太阳辐射，还可降低空调负荷。

　　然而，天然采光的设计计算是一项复杂的任务，一方面，天然光随时间和地域的不同有很大的差异，同时受到环境条件和室内布局的影响; 另一方面，采光的设计需要与照明系统和遮阳系统等设备系统相结合和协调。因此，仅凭经验或者习惯是难以科学准确的完成采光设计任务的，为了准确把握光环境的效果，需要进行定量的采光分析和计算。

　　对于不同的应用目的，采光计算分析的方法和侧重点不同，对于光气候数据的要求也有所不同。比如，若要对不同地区的光气候状况进行对比，评价其昼光可利用性，只需要了解年平均总照度或者散射照度即可; 又如需要确定某地区的采光策略，了解全年不同时段的光气候状况，那只需要月平均照度的资料等等。

　　随着计算机技术的发展，以及对室内光环境要求的提高，传统的以单一采光系数为基础的采光计算和评价方法已不能适应工程实践的需要。国外学者提出全年动态采光评价的指标，通过动态模拟和预测室内光环境随时间的变化情况，可以更为全面的评价室内光环境。另一方面，随着社会对节能问题的重视，照明能耗的预测日益受到重视，然而确定不同时刻照明系统的状态和控制策略，则首先需要精确计算不同时刻的室内采光水平。此时，仅有代表性的全年或者月平均的光照度数据已不能满足模拟分析的需要。

　　因此，要进行全年动态的光环境模拟，就需要全年逐日甚至逐时的光照度数据。然而，到目前为止，我国还没有建立一套完整的可用于全年动态光环境模拟的光气候数据，这极大地制约了采光分析方法的发展和应用，从而不能适应日益复杂的采光设计的需要。

　　本文的研究内容，是通过研究获取光照度典型年数据的取值方法，建立一套能够反映我国光气候特点和规律，可用于全年动态光环境模拟的光气候数据，从而为光环境的全年模拟分析提供依据。

　　2 典型年数据

　　2. 1 概念的提出

　　通常我们用光气候来表征室外天然光的自然状况，包括当地天然光的组成及其照度变化、天空亮度及其在天空中的分布状况等。其中，光照度是最基础也是最容易获取的数据，是采光设计计算和研究的前提。

　　然而，作为气象参数，光照度有很大的不确定性，即使在同一地区，室外光照度也是随时间不断变化的。以北京地区为例，我们选择1983 年、1984年、1991 年和2009 年的总光照度和散射照度数据进行对比，可看到明显的差异( 见图1、图2) 。

　　显然，使用不同的室外光照度数据来进行采光分析，其结果是不同的。因此，需要从多年的气象数据中挑选出具有代表性的全年逐时数据，从而建立起典型的年气象数据作为光环境模拟的计算条件。

　　2. 2 典型年数据的取值方法

　　在具备长期逐时实测数据的条件下，获得动态模拟用的逐时气象数据的最直接的办法，是从历史上观测的气象数据中选择一部分能够反映气象规律的有代表性的数据。然而，由于光照度数据不是我国气象部门的常规观测项目，国内只有少数一些站点对其进行观测，因而天然光照度数据的资料非常缺乏，利用直接观测获得的光照度数据建立典型年数据的条件尚不成熟。

　　另一种方法是利用已有的辐照度数据，以及辐射光当量模型，得到光照度数据。由于辐照度数据是气象部门的常规观测项目，具有丰富的资料，而辐照度和光照度的关系可用下式表示:

　　其中: E ———光照度，G 为辐照度;

　      　Gλ ———太阳辐射光谱分布;

　　      Vλ ———光谱光视效率;

　　        λ ———波长;

　　Km = 683lm /W，为明视觉条件下的常数。

　　K 称为辐射光当量，用于表征辐照度和光照度的关系，随着气象条件的变化而变化。

　　式( 1) 表明， 只要有辐照度数据以及辐射光当量模型，就可以得到光照度数据。因此，获取光照度典型年数据的关键，在于选取何种辐照度数据，以及采用何种辐射光当量模型。

　　2. 3 辐照度典型年数据

　　在建筑模拟领域，已广泛采用以小时为时间步长的计算模拟，国内外的一些建筑能耗模拟软件如EnergyPlus就提供了逐时的典型气象年数据，其中也包括了太阳辐照度等参数。Christoph 等开发的用于全年采光模拟的Daysim 软件， 就可利用EnergyPlus 提供的气象数据作为计算参数。然而，国际上提供的我国气象数据由于不能保证源数据的可靠性与准确性，气象要素也不全面，因此不适宜作为我国建筑模拟分析用的标准气象数据。

　　我国自主研发的建筑热环境模拟分析软件

　　DeST提供了一整套用于建筑环境模拟的逐时典型年数据，这些数据的基础是中国气象局气象信息中心气象资料室提供的全国270 个地面气象台站1971 ～2003 年的气象观测数据，数据来源可靠并且能切实反映中国气象的特点和规律。这些气象数据也包括辐照度以及建立辐射光当量模型的其他气象要素。因此，这里我们选择这套典型年气象数据作为基础资料，并利用辐射光当量法得到光照度典型年数据。