（电气工程专业论文）昼间人工照明特性及其控制策略研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 本论文的研究工作是以重庆市科技计划项目：大进深办公昼间人工照明控制机 理及试验研究为背景展开的。 长期以来，与自然光相结合的人工照明在国内一直被忽略，大多数建筑物仍然 沿用传统的照明控制方式。此外，随着人们生活水准的不断提高，我国电力供应日 趋紧张，其中照明用电量就达社会总用电量的2 0 。因此，本文利用微型电动百叶 窗户“引入”昼光，研究昼间人工照明的控制策略，以获得健康、节能、灵活的工作 照明环境，不仅可以提高工作效率、减少视疲劳、益于身心健康，而且节约能源、 绿色环保。于是怎样能够有效利用天然采光和如何确定人工光源的输出光通量就成 为本课题研究的主要问题。具体阐述如下： 研究建筑日照特性，建立等效太阳高度角的概念，统一不同太阳高度角和太 阳方位角下微型百叶窗户等效透射率的计算。 研究昼光照明特性，初步确定微型百叶角度调节规则以优化室内昼光照度分 布。规则为：全晴天空状况下，以限制太阳直射光直射进入室内且等效透射率最大 化为原则；全阴天空状况，以使等效透射率最大化为原则。 研究人工照明特性，提出基于光通传递函数矩阵的照度计算方法，在此基础 上，建立了室内照度比例模型。其中，基于光通传递函数矩阵的照度计算方法同时 考虑直射照度和室内各个面相互反射的间接照度；室内照度比例模型以基于光通传 递函数矩阵的照度计算方法为基础。揭示室内各点照度闻的内在关系。 优化昼光照明和人工照明的匹配。以昼光作为室内昼间照明的主光源，人工 照明作为室内昼光照明的补偿，在昼光照明无法满足光环境质量的情况下，启用人 工照明并调光。应用最t 1 、- - 乘法估计光通传递函数矩阵各元素，根据进入室内的昼 光光通量优化人工光源输出光通量。 通过仿真实验验证，采用昼目人工照明控制能够改善室内光环境质量，并且在 i e c 标准全阴天空状况下能够大大减小室内照明的运行能耗，并能提高室内光环境 质量。 关键词：照明，昼间人工照明，微型百叶窗户，光通传递函数 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h i st h e s i si sc a r r i e do u to nt h eb a s i so ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h o n g q i n g ： t h er e s e a r c ho nm e c h a n i s ma n de x p e r i m e n to ft h ec o n t r o lo ft h ep e r m a n e n t s u p p l e m e n t a r ya r t i f i c i a ll i g h t i n gi ni n g 。r i o r s t h o u g hd a y l i g h t i n gh a sb e e nn e g l e c t e da l l 也et i m ei ni n t e r i o rl i g l 】血i g ，t r a d i t i o n a l l i g h t i n gc o n t r o lm e t h o di s s t i uu s e di nm o s tb u n d i n g s i na d d i t i o n , w i t ht h ec o n s t a n t i m p r o v e m mo fp e o p l e sl i v i n g , t h ep r e s s u l eo ft h es u p p l yo fe l e c t r i cp o w e ro fo u r c o u n t r y i s b e c o m i n gm o 把a n dm o r es 丽o ，a m o n gw h i c ht h e1 i g h t i l l gp o w e r c o n s u m p t i o nr e a c h e s2 0 o f t h es o c i a lt o t a lp o w e rc o n s u m p t i o n s o ，t h i st h e s i sp r o p o s e s t h ec o n t r o ls t r a t e g yo f ”i n t r o d u c i n g ”1 h ed a y l i g h t i n gw i t he l e c t r o m o t i v em i c r o - b l a d ea n d s t u d n g t h ep e r m a n e n ts u p p l e m e n t a r ya r t i f i c i a l l i g h t i n g t o g e t t h e h e a l t h y , e n e r g y - t o n g a n df l e x i b l ew o r k i n g l i g h t i n gl u m i n o u se n v i r o n m e n t t h e nh o w t ou s e d a y l i g h t i n gm a x i m a l l ya n dh o w t oc o n t r o lo u t p u tl u m i n o u sf l u xo fl i g h ts o u r c e sb e c o m e t h em a i nc 0 1 1 c e r no f t h i st h e s i s t h es u n s h i n ec h m a c t e f i s t i c so ft h eb u i l d i n ga l es t u d i e da n dt h ec o n c e p to f e q u i v a l e n ts o l a ra l t i t u d ei ss e tu pt o 瑚啼t h ec a l c u l a t i o no fe q u i v a l e n tt r a n s m i t t a n c eo f t h ew i n d o wu n d e rv a r i o _ 塔s o l a ra l t i t u d e sa n dv a r i o u ss o l a ra z i m u t ha n g l e s t h ed a y l i g h t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r cs t u d i e dt oc o n f i 珊sa d j u s t i n gr u l e so f t h eb l a d e a n g l et oo p t i m i z et h ed a y l i g h t i n gi l l u m i n a a c ed i s t r i b u t i o n t h er u l e sa r cm 鼬融l l i l l gt h e d i r e c tr a d i a t i o ne n t e l i n gr o o ma n dm a x i m i z a t i o no f t h ee q u i v a l e n tt r a n s m i s s i o nw h e ni n c l e a rs k y , a n dm a k i n gt h ee q u i v a l e n tt r a n s m i s s i o nm a x i m a lw h e ni no v e r c a s ts k y t h ea r t i f i c i a li l l u m i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca 阳s t u d i e d , c o n s i d e r i n gb o t hd i r e c t i l l u m i n a t i o na n di n d i r e c tm u m i n a t i o n , t h ei l l u m i n a t i o nc a l c u l a t i n gm e t h o do nt h eb a s i so f l u m i n a n c ew a n s f e rf u n c t i o nm a t r i xi sp u tf o r w a r d , a n dt h ep o i 玎ti l l u m i n a t i o np r o p o r t i o n m o d e li sb u i l t t h ep o i mi l l u m i n a t i o np r o p o r t i o nm o d e lr e v e a l st h ei n h e r e n tr e l a t i o n b e t w e e nt h ep o i n t si l l u m i n a n c ei nt h er o o n l t h ep r i n c i p l et h a ta r t i f i c i a li l l u m i n a t i o ni sr e g a r d e da st h ec o m p e n s a t i o no f d a y i i g h 吐i l gi l l u m i n a t i o ni nt h er o o mi sp u tf o r w a r d , a n dt h ec o o r d i n a t i o no fd a y l i g h t i n g a n da r t i f i c i a li l l u m i n a t i o ni so p t i n l i z 4 x 1 t h el e a s ts q u a r em e t h o di sa d o p t e dt oe s t i m a t et h e e l e m e n t so f l u m i n a n c et r a n s f e rf u n c t i o nm a t r i xa n dt oo p t i m i z et h e1 1 1 r u i n o u sf l u xo u t p u t a c c o r d m gt od a y l i g h t i n gl u m i n o u sf l u xi nt h er o o m ； 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 m a l l a ba n dd i a l u xs o f t w a r ea 糟a a o p t e at os i m u l a t ea n da n a l y z et h es y s t e m t h e c o n c l u s i o ns h o w st h a tt h ec o n l x o ls y s t e mc a l ln o to n l yr e d u c eo p e r a t i o ne n e r g y c o n s u m p t i o no fr o o ml i g h 矗n gg r e a t l yu n d e rt h ei e co v e r c a s ts k y ，b u ta l s oi m p r o v e w o r k i n ge f f i c i e n c ya n d r e d u c ev i s u a lf a t i g u e k e y w o r d s ：l i g h 6 n gp e r m a n e n ts u p p l e m e n t a r ya r t i f i c i a ll i g h t i n g ，v i s i o nc o n t r o l , l u m i n a n c et r a n s f e rf u n c t i o nm a l r i x m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：漕缸箍 签字日期：- u , 。7 年f 月扣日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重废太堂 有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ，( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：漕刍l 琵导师签名： 签字日期： 硼年j 月；。日 签字日期：一7 年r 月；。日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 节约能源，保护环境，是我国长期的重大方针，也是全世界所关注的重要课题， 中央十分重视这项工作，致力于改变资源和能耗高、浪费大、环境污染严重等粗放 型经济增长方针。2 0 0 5 年7 月初国务院发出关于做好建设节约型社会近期重点工 作的通知，特别指出“要坚持资源开发与节约并重，把节约放在首位的方针”，“以 提高资源利用效率为核心，以节电、节水、节材、节地、资源综合利用为重点， 强化节约意见，促进经济社会可持续发展”。通知强调要落实节能中长期专项 规划提出的十大重点节能工程，2 0 0 5 年启动的七项工程，就包括绿色照明和建筑 节能两项。足见照明节能在当今的重要意义。 1 9 9 1 年1 月美国环境保护署( e p a ) 提出了“绿色照明”( g r e e n l i g h t s ) 的概念， 目的在于节约照明用电，减少大气污染；自1 9 9 2 年联合国“环境与发展会议”以来， 为实现人类的“可持续发展”( s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ) ，建筑领域展开了对“绿色建 筑技术”的研究。其中，建筑照明技术作为建筑技术的重要组成部分，也引起了人们 广泛的关注；同年，国际上正式提出推广绿色照明”以节约用电，保护环境。目前， 美国、英国、日本、法国、瑞典、丹麦等发达国家都相继制定了推广“绿色照明”的 计划【l 】。 据中国新能源与可再生能源1 9 9 9 白皮书介绍，全球能源消耗平均每年以 3 的速度增长，由此带来的后果十分严重。能源存在着潜在的危机，从当时算起全 球的化石燃料( 石油、煤、天然气等) 耗尽的时间平均不足1 0 0 年，对我国而言， 能源潜在危机尤其明显。我国能源剩余资源探明储量及可开采年限如表1 1 所示 2 1 表1 1 我国能源剩余资源储量及可开采年限 t a b l 1e n e r g ys u r p l u sd e p o s i ta n de x p l o r ea g ei nc h i i l a 资源种类煤炭石油天然气水力( 装机) 探明可开采储量1 1 4 5 x lo | 吨3 2 7 3 6 x1 0 * 吨1 1 7 0 4 x 1 0 8 吨3 5 3 x 1 0 。吨 可开采年限 5 4 8 1 燕1 5 2 0 年2 8 5 8 生3 8 1 0 4 矩 可开采到 2 0 5 0 2 0 7 7 焦2 0 1 1 2 0 1 6 矩2 0 2 4 2 0 5 4 矩2 0 3 4 2 1 0 0 焦 注：根据中国新能源与可再生能源1 9 9 9 白皮书计算 目前，建筑能耗与环境保护已经成为建筑行业所面临的重要课题，随着经济发 展以及人们生活水平的提高，能耗也在迅速地增加。过去，人工照明主要采用白炽 灯，其光效很低，只有6 5 1 9 1 m w ；现在多使用荧光灯，其光效有了一定的提高， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 但也不过2 5 8 0 1 m w 。据国际照明委员会统计，全世界的照明用电量约占总发电 量的9 2 0 ，我国约为7 8 5 ( 一年内照明耗电约2 4 7 2 亿度) ，而电能转 化为光能的平均效率只有1 0 ，其余9 0 被浪费了。2 0 0 4 年我国总发电量为2 1 8 7 0 亿千瓦小时，年照明耗电达3 2 8 0 5 亿度，相当于三峡水利发电工程年发电量( 8 4 0 亿度) 的四倍左右。在我国，电力生产远没有满足人们对电能日益增长的需要，假 如能够节约l o 的照明用电，按热当量换算，就相当于节约1 5 2 万桶石油，在能源 越来越紧缺的情况下，这是一个相当可观的数字【3 1 。 此外，我国电力主要是来自燃煤，照明节电就意味着减少c 0 2 、s 0 2 、n 0 2 等 有害气体的排放，可以减少对大气环境的污染1 4 。美国作过这样的计算，少用l k w 的 照明用电，可以减少7 1 2 1 5 9 c 0 2 、5 1 8 9 s 0 2 和2 1 5 9 n 0 2 ：每生产1 0 0 亿k w 电，需 耗煤5 0 0 0 k t ，按除尘率9 4 计算，还要向大气排放烟尘5 4 k t , s 0 2 7 8 k t 。这将产生 严重的酸雨。 太阳能、地热能、风能、海洋能、核能以及生物能等存在于自然界中的能源被 称作“可再生能源”，由于这些能源对环境危害较少因此又叫做绿色能源”。开发绿 色能源是解决能源危机的重要途径。 近年来，面对能源危机，许多国家都在下大力气研究和开发利用“绿色能源”的 新技术新工艺，并且取得了相当可观的成就。目前“绿色能源在全球能源结构中的 比重已达到1 5 2 0 ，今后由石油、煤炭和天然气“老三样”能源唱主角的局面将得 到改善。目前世界上聍绿色能源”开发比较重视，拥有先进技术并已取得良好效益 的国家主要集中在欧美。1 9 8 9 年到1 9 9 2 年，美国8 0 0 多家再生能源公司年收入就 每年递增1 6 ，达到2 2 亿美元。 在能源紧缺的现在，我们一方面要节约现有能源，另一方面要开发新型能源。 就照明而言，天然光就是一种较好的新型能源。采用天然光照明除节能、环保外， 还有其独特的优势。 从生理角度看，天然光能够提供适宜的光环境，调节人体的生理周期系统。现 代医学研究表明，视觉系统不仅传递给大脑光的信号，而且把外界光环境的明暗信 息传递给大脑的松果体。松果体位于颅内丘脑后上方，是一个仅有米粒大小的灰红 色腺体。松果体产生褪黑色素进入血液、尿液、脑脊液、细胞内外液中，调节人体 内的生物钟和生理周期，从而控制人的睡眠水平嘲。褪黑色素在人体内的含量呈昼 夜性的节律改变，夜间褪黑素分泌量比白天多5 1 0 倍，清晨2 ：0 0 到3 ：0 0 达到峰值 7 1 。光线的变化是外界环境中对褪黑索合成产生印象的最主要因素。r e a 等人的研 究证明嗍，像自然光这样的强光能够在瞬间抑制松果体腺内褪黑素合成，而弱光则 需要相当长的时间对其产生抑制作用。所以，天然光照度强度、持续时间的变化都 可能引起身体不适和情绪波动，如“季节性情感紊乱( s e a s o n a la f f e c t i v e 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 d i s o r d e r ) - 9 1 1 1 0 】，都是由于黑色素滞后所引起的。 从美学的角度看，天然光能够创造出人工照明无法创造的室内光环境，自然光 是自然界中动态变化的光线，可以使室内空间产生丰富的表现力，赋予人们开敞、 凝缩、轻盈、含蓄等感觉。古罗马万神庙穹顶泻入的天光，哥特教堂透过彩色玻璃进 入的神秘光线，朗香教堂变幻莫测的光束，都是建筑师们为创造神圣脱俗的建筑空阀 而对自然光之特性的充分运用【l l 】。 人眼作为视觉器官，经过数千万年的演变，最能适应的是天然光，再完美的人 工光源也无法替代天然光。将天然光与人工光源的光谱组成进行比较，会发现现有 的光源无论哪一种都不具备天然光那样的连续光谱，而且各种波长的光组成比例也 相差甚远。国外现在甚至兴起了全光谱人工光源的研究，目的是使人工光源具有天 然光的光谱组成，但这项研究至今没有取得令人满意的成果【1 2 】。 根据照明研究中心h 3 j 最近提出的生理学原理假说，采用天然光照明能够改善室 内光环境，能够提高工作效率。在很长的时间里，光线对人的影响往往被片面的归 结为只是照度的高低，很多人错误地认为照度越高视觉环境也就越好。这种错误的 观念，甚至导致了美国6 0 年代提出工作效率最高的光环境是无窗的，仅仅是使用人 工照明的工作环蝌。人们依靠不同的感觉器官从外界获得各种信息，其中约8 0 0 , 4 来自视觉器官。良好的光环境是保证人们进行正常工作、学习和生活的必要条件， 它对劳动生产率和视力健康都有直接影响，故在建筑相关设计中应对采光和照明问 题予以重视。 重庆市是商业活动发达的城市，随着经济的高速发展，现代化的写字楼越建越 多。根据参观与调查，这些写字楼几乎都忽视了太阳光照明的利用，造成的原因有 人的节能意识和管理水平方面，也有建筑物的采光设计和采光材料的改进与选择等 因素。事实上，绝大多数工作人员是白天在办公大楼内工作的，这也是用电高峰期， 如能在白天充分利用自然采光，可以减少人工光源照明时间和白天照明用电负荷。 另一方面，现代办公室大多是大开间大进深的开敞式办公室，多用低矮的毛玻璃或 塑料板材分隔而成，上部分仍是空敞的，这也为自然光的利用提供了条件。 本文将以办公室照明为对象，实现具有人性化的、技术先进的、高效的、绿色 的( 可持续性) 照明控制，探索办公照明的新方法，为改善光环境质量和节约能源 提供新的思路，具有很好的市场前景和良好的应用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 目前，国外关于天然采光的研究比较多，涉及的面也比较广。d a n n y 和j o s e p h 对一个全空调系统的走廊进行了照度测试f 堋，系统分析了影响天然光设计的人工照 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 明负荷、荧光灯亮度、天然光照度水平和房间参数。研究表明，采用人工光源控制 系统可节约照明用电7 0 左右。a i c a t h i e n i t i s 和a t z e m p e l 0 s 提出了一种 天然光数字模拟模型，它可以模拟先进的窗户系统，计算室内照度，减少照明用电 【1 6 】。这种特殊的窗户系统采用的是一种电致变色玻璃窗，玻璃的颜色可以通过外加 电压调节，从而调节窗户透射率，整个系统的运行操作都实现计算机自动控制。结 果表明，在阴天采用这种控制系统可节约照明用电7 5 ，在晴天可节约9 0 。另外 对窗户透射率进行控制可以减少太阳直射的热和眩光。在时阴时睛的天气，室外的 传感器感应天气参数，自控系统决定天空类型，从而进一步控制窗户透射率和室内 天然光照度。f r a n c i sm i g u e t , d o m i n i q u eg r o l e a u 介绍了一种天然采光模拟软件 s o l e n e 的新进展m l 。这种软件在模拟计算墙面、地面或假想工作面照度时同时考 虑了太阳直射和天空散射，它可以计算一些传统的参数如工作面的照度和照度系数。 研究了光线的物理特性模型以及处理多重透明度的方法，对于模拟计算一些过渡地 带如中庭、画廊、走廊，多层窗或者半透明屏风提供了具体的措施。为了使得天然 采光系统控制和运行更加灵活和稳定，a s c h o i , m k s t m 研制开发了一套新的由计 算机模拟程序控制的系统，利用选定的控制运算法则计算被控光源的输出值，或者 在软件中人工控制【l ”。 另外，文献1 1 9 - 2 1 回顾了天然采光的相关问题，包括建筑结构配置、太阳直射 光控制和著名的设计范例。文献 2 2 、2 3 讨论了建筑天然采光的美学问题和营造戏 剧舞台环境问题。文献 2 4 、2 5 研究了天然采光时，室内照度计算和光环境评价技 术。b o y c e 和r c a 2 6 1 系统地研究了光环境对生产力和工作效率的影响。文献【2 7 3 3 】 研究了人对天然光的反应，文献 3 4 ，3 5 研究了人对照明控制的反应，而文献 1 3 、 3 6 1 5 1 着重讨论了光对人的光生物学特性的影响。文献 3 0 、3 7 3 9 介绍了如何把天然 光传送至建筑内部区域，文献 4 0 、4 1 介绍了天然采光控制技术的新进展，文献 4 2 、 4 3 1 研究了光传感器的性能。 1 2 2 国内研究现状 国内关于天然采光的研究较少。天津大学的沈天行教授在这方面做了大量工 作。1 9 9 2 年，沈教授在文献 4 4 、4 5 】中全面地分析了天然采光的优缺点，系统介绍 了天然采光的发展。就天然采光的方式、采光时间和空间的突破、提高光的稳定性、 采光测试技术、采光计算方法以及光资源的掌握与研究等方面作了详细的分析。在 文献【蛔中，通过采光实测，分析了住宅小区中室外建筑遮挡对住宅天然采光的重 要影响。对建筑遮挡系数及朝向系数提出新的观点，指出在不同楼层上室外建筑可 以起挡光也可以起加强光的作用，而且对北向房间往往起加强作用。在文献【4 5 】中， 介绍了天然采光的新技术，如导光管、光导纤维、采光搁板、反射高窗、棱镜窗等， 以及天然采光的新材料如热敏玻璃、光敏玻璃、光触媒技术等，为最大限度地利用 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 天然光提供了可能。华中科技大学的李保峰，为了在建筑中增加天然采光和降低其 采暖、制冷能耗，提出了一种“双层皮”幕墙，对“双层皮”幕墙系统进行了分类比较， 论述了其工作原理，分析了其优缺点，并对其应用范围及发展前景做出阐述m j 。在 建筑的天然光环境方面，北京建筑工程学院的高履泰教授【嚣】做了大量的研究工作， 论述了天然光如何与室内装饰装修材料综合创造室内光环境，以及创造室内天然光 环境的技法。对天然光环境设计和幕墙设计提出了一些建议。 从目前国内外内研究现状可知，当前关于昼问照明的研究多分为两个独立的方 向：建筑采光和人工光源调节。在建筑采光和人工光源的协调控制上研究尚不足， 如何优化建筑采光策略，并根据其优化人工光源输出光通量成为当前室内昼光照明 和人工照明协调控制的研究主题之一。 1 3 课题来源和论文所完成的主要工作 本课题以“重庆市科技计划项目大进深办公室昼间人工照明控制机理及试 验研究”为背景。笔者以完成硕士学位论文为目的参与了该课题的研究工作。本论文 通过研究昼光照明和人工照明特性及其匹配创造有效、节能、绿色的照明光环境。 在论文中，以办公室昼问人工照明为对象迸行研究，笔者主要完成了一下几个方面 的工作和创新。 研究建筑日照特性和昼光照明特性，建立等效太阳高度角的概念，统一不同 太阳高度角和太阳方位角下微型百叶窗户等效透射率的研究；初步确定微型百叶角 度调节规则以优化室内昼光照度分布。 研究人工照明特性，提出基于光通传递函数矩阵的照度计算方法，在此基础 上，建立了室内照度比例模型。其中，基于光通传递函数矩阵的照度计算方法同时 考虑直射照度和室内各个面相互反射的间接照度；室内照度比例模型基于光通传递 函数矩阵的照度计算方法为基础。揭示室内各点照度间的内在关系。 优化昼光照明和人工照明的匹配。以昼光作为室内昼间照明的主光源，人工 照明作为室内昼光照明的补偿，在昼光照明无法满足光环境质量的情况下，启用人 工照明并调光。应用最小二乘法估计光通传递函数矩阵各元素，根据进入室内的昼 光光通量优化人工光源输出光通量。 利用m a r l 西软件和d i a l u x 软件，对所建立的昼间人工照明系统效果进行 仿真和分析。 重庆大学硕士学位论文 2 昼光照明特性研究 2 昼光照明特性研究 2 1 引言 在绿色照明工程中，需要特别强调指出的是，太阳不仅是一个非常理想的天然 光源，还是能量最强的清洁能源，取之不尽、用之不竭。天然采光本身并不能节约 能源，只是在天然采光时，通过关闭或调节照明器，以节约照明用电。根据m o n c e f l i f h 9 1 、f r a n c i sr u 虹蠼e 0 卿等的研究，在照明设计中合理地利用天然光照明能够 减少约5 0 人工照明能耗。 2 2 天然采光 昼光光源是利用天然光来采光的光源。它大致分为两类：太阳直射光和太阳散 射光。这两者在光源的大小、移动性、光强、颜色方面均不相同。 2 2 1 全晴天空 由于地球与太阳相距很远，故可认为太阳光是平行地投射到地球上。太阳光穿 过大气层时，一部分透过大气层授射到地面，称为太阳直射光，它形成的照度大， 并具有一定的方向，在被照物体背后形成明显的阴影；另一部分碰到大气层中的空 气分子、灰尘、水蒸气等微粒，产生多次反射，形成天空散射光；太阳直射光和天 空散射光射到地球表面上后产生反射光，并在地球表面和天空之间产生多次反射， 使地球表面和天空的亮度有所增加。 全晴天空是指天空无云或很少云( 云量为0 - - 3 级) ，这时，地面照度是由太阳 直射光和天空散射光两部分组成。其照度值都是随太阳的升高而增大，只是散射光 在太阳高度角较小时( 日出、日落前后) 变化快，到太阳高度角较大时变化小。而 太阳直射光照度在总照度中所占比例随太阳高度角的增加而较快变大( 图2 1 ) 1 5 “。 为了在采光设计中应用标准化的光气候数据，国际照明委员会( c m ) 根据世 界各地对天空观测的结果，提出了c i e 标准晴天空亮度分布的数学模型，c i e 标准 晴天空任意点，的相对亮度按下式描述【5 2 】： 瓦：丛2 = 塑厶 ( 2 1 ) 9 厂( z o ) 妒( o 。) 式中。z 。太阳到天顶的角距离 z o - - 9 0 。- h h 太阳高度角，r a d ； k 天空某点亮度，c d m 2 ； 厶天顶亮度，c d m 2 ； 6 重庆大学硕士学位论文2 昼光照明特性研究 善天顶某点距天项的角距离，r o d ； ，天顶某点距太阳的球面角距离，r o d ； ，( 力天空k 点到太阳的角距离，的函数； 八，) = 0 9 1 + 1 0 e 哪+ 0 4 5 c o s 2 ， 烈d 习空k 点到天顶的角距离善的函数； 烈国= 1 一e - o 弛“f ，( 磊) 天空k 点到天顶的角距离z o 的函数； ，( z j ) = 0 9 1 + 1 0 ( - 0 3 舀+ o 4 5 c o s 2z o 烈o 。) 天空上t 。点到天顶的角距离为0 6 的函数； “旷) = l e - o 堑= 0 2 7 3 8 5 式中，由下式确定，c o s y = c o sz o c o s f + s i n z 0 砌f 删五。角度定义如图2 2 1 0 8 三 龟e i 1 t 曼 善2 0 ，k l u i i i 计卜心 ， 一 d i r e c tii l u m i o 蚰c e 、。 ， lil 、。 1 j ， li| 。 ， d i f f u s ei l l a m i n c a “ 么 ， )s _ 1 1 1 一 567891 0 1 l 1 2 1 31 41 51 6 t i l e 6 瑚r ) 图2 1 晴天室外照度变化情况 f i g 2 it h ei l l u m i n a n c ev a r i a t i o no l l $ 1 a l l yd a y z 图2 2 角度定义示意图 f i g , 2 2t h ed e l i n e a t i o no f t h ea n g l ed e f i n i t i o n ， 重庆大学硕士学位论文2 昼光照明特性研究 2 2 2 全阴天空 全阴天空是指天空全部为云所遮挡，看不见太阳，因此室外天然光全部为漫射 光。地面照度取决于太阳高度角、云状、地面反射能力，大气透明度等，这四个因 数都影响室外照度，而它们本身在一天中也是变化的。至于全阴天的天空亮度，则 是相对稳定的，它不受太阳位置的影响，近似按下式变化【5 i 】 k 。l + 2 s i n gl 。 ( 2 2 ) 式中 厶仰角为占方向的天空亮度，c d m 2 ； 厶天顶亮度，e d m 2 ； 口计算天空亮度处的高度角( 仰角) ，r a d 。 除了全晴天空和全阴天空这两种极端状况外，还有多云天。多云天时，云的数 量和在天空中的位置瞬问交化，太阳时隐时现，因此照度值和天空亮度分布极不稳 定，大大超过上述两种情况。在本文中，仅在i e c 标准全晴和全阴天空状况下进行 研究。 2 3 建筑日照 2 3 1 太阳赤纬角 所谓太阳赤纬角，就是太阳光线与地球赤道面所夹的圆心角，以j 表示。地球 绕太阳公转在一年的行程中，不同季节有不同的太阳赤纬角莎，如图2 3 。太阳赤纬 角j 由下式确定嗍： 春分 6 司 图2 3 地球绕太阳运行轨迹 f i g 2 3m 喇删o f 缸锄o r b i t t h e 锄 墨 5 重庆大学硕士学位论文2 昼光照明特性研究 艿= 0 3 7 2 3 + 2 3 2 5 6 7 s i n 0 + 0 1 1 4 9 s i n 2 0 0 1 7 1 2 s i n 3 0 0 7 5 8 c o s 0 + 0 3 6 5 6 c o s 2 0 + 0 0 2 0 1 c o s 3 0( 2 3 ) 式中：口日角，r a d 口； 兰型 3 6 5 2 4 2 2 t = n - 0 积日，即日期在年内的顺序号。 例如，1 月1 日其积日为1 ，平年1 2 月3 1 日的积日为3 6 5 ，闰 年则为3 6 6 ，等等。 o ；7 9 6 7 6 4 + o 2 4 2 2 ( 年份一1 9 8 5 ) 一玳t ( 兰e 堑! ；堕) 2 3 2 地方时角 日照设计所用的时间，均为地方太阳时，它与日常钟表所指示的标准时之间， 往往有一差值，故需加以换算。所谓标准时间，是各个国家按所处地理位置的某一 范围，划定所有地区的时间以某一中心子午线的时问为标准时。就我国而言，以东 经1 2 0 。为依据作为北京时间的标准。 根据天文学公式，精确的地方时与标准时之间的转换关系为5 2 】 写= 瓦+ 4 ( 厶一三) + 毛 ( 2 4 a ) 式中， 瓦地方太阳时( 时：分) ； 瓦地方平均太阳时( 时：分) ； 厶标准时间子午圈所处经度( 度) ； k 地方时间子午圈所处经度( 度) ； 最均时差( 分) ； 4 ( 上口一上m ) 时差( 分) 。 ， e 。是基于下述原因的一个修正系数。地球绕太阳公转的轨道不是一个圆，而是 一个椭圆，而且地轴是倾斜于黄道面运行，致使一年中太阳时的量值不断变化，故 需加以修正。考虑到日照设计中所用的时间不需要那样精确，为简化起见，修正值 e 。一般可忽略不计，而近似地按下列关系式换算地方时与标准时【5 2 l 瓦= 瓦+ 毪 ( 2 铀) 地方时角是以角度来反映时间的参数， 口= 1 5 x t , 式中，口地方时角 该参数以真太阳时为基础，即圈 ( 2 5 ) 9 重庆大学硕士学位论文 2 昼光照明特性研究 2 3 3 太阳高度角和方位角 影响太阳高度角也和方位角4 的因素有三：赤纬万，它表明季节的变化；时角 口，它表明时间的变化；地理纬度9 ，它反映观察点所在地的差异p 。 嚏= s i n 一( s i n 妒s i n 8 + c o s q 口c o s 8 c o s g z ) ( 2 6 ) = s i n - 1 q 7 ) 其中，鬼太阳高度角，t a d ； 妒地理纬度，r a d ； 莎赤纬，t a d ； 口时角。t a d ； 4 - 太阳方位角，t a d 2 3 4 等效太阳高度角 考虑到太阳方位角和窗户方位角在不相同时，太阳光所在铅垂面和窗户面不垂 直，在本文中，笔者引入等效太阳高度角的概念，使各个太阳方位角下的昼光研究 得以统一。所谓等效太阳高度角是指太阳光线在窗户铅锤面上的投影的高度角，如 图2 4 所示。 图2 4 太阳角 f i 9 2 4s o l a f a n d e s z d o c = 吃，l b o s = 4 、l c o s = 4 、z a o b 2 d ，l i f i l = 其中，吃太阳高度角，r a d ； 丸窗户方位角，r a d ； 4 太阳方位角，r a d ； d 等效太阳高度角，r a d ； 口百叶相对于水平面旋转的角度，t a d 。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 昼光照明特性研究 由几何关系可知： d = t a n - t ( t a n h r c 0 $ h 一厶) ) ( 2 8 ) 利用等效太阳高度角，就能将具有来自不同太阳高度角和不同天空亮度元的光 线的研究进行统一，入射到窗户面的所有光线都等效变换为从窗户正垂面投射而来 的光线。 2 4 太阳直射光等效透射率 文献【1 6 】中，a k a t h i e n i t i s 和a t z e m p e l i k o s 采用现场实验的方法，建 立了微型百叶等效透射率与百叶角度的关系，然而，微型百叶窗户等效透射率还与 窗户方位角、太阳方位角和太阳高度角等因素相关。该方法仅能够反映某一时刻窗 户透射率与百叶角度的关系，由于不同时刻太阳度角和太阳方位角均不相同，如果 要通过实验反映透射率和这些量的关系，就需要长时问的实验研究：并且太阳高度 角和太阳方位角和地理位置还有关，该方法就无法反映窗户等效透射率和地理位置 的关系。 考虑到现场实验方法的局限性，本文假设微型百叶叶片满足镜面反射，根据几 何光学，研究微型百叶等效透射率和地理位置( 经度、纬度) 、建筑物朝向( 窗户方 位角) 、太阳高度角和太阳方位角的关系。 投射到窗户面上的太阳直射光，一部分通过百叶闻空隙直射进入室内，一部分 通过叶片的反射进入室内 2 4 1 直射入室内的太阳直射光 如图2 5 所示，设砖为直射进入室内的太阳直射光光通量和投射到窗户上的整 个太阳直射光光通量之比。 砖= 半班了w 警 ( 2 9 ) 若+ d 2 0 ，取“- 竹，太阳光投射到百叶的上表面f a c e l 上； 若声+ d 0 ，表示有太阳直射光进入室内：砖0 ，表示没有太阳直射光进入室内。 直射入室内的太阳直射光等效透射率为： r b = 寸 ( 2 1 0 ) 式中，f 0 玻璃窗户透射率 重庆大学硕士学位论文 2 昼光照明特性研究 图2 5 直射进入室内太阳直射光 f i g 2 5t h ed i r e c tr a d i a t i o nd i r ti n t ot h el o o m 2 4 2 太阳直射光在百叶上的照射宽度 如图2 5 所示，太阳直射光在百叶面上的照射宽度由下式确定： f v = w 碚o 1 1 ，= s 丽c o s d 扣 q j d 式中，1 ，百叶宽度，小； j 百叶问间距，历； 口微型百叶的临界角度，r a d ； d 等效太阳高度角，t a d 。 若f l + d 0 ，取“+ ”，太阳光投射到百叶的上表面f a c e i 上； 着f l + d 0 ，取- ”，太阳光投射到百叶的下表面f a c e 2 上。 2 4 3 反射入室内的太阳直射光 根据百叶表面的材质和光滑度，百叶表面的反射可以分为漫反射、镜面反射及 其组合。在本文中，为了便于分析，假设光线在百叶面上产生镜面反射。根据等效 太阳高度角和百叶角度的关系，分四种情况加以讨论 c a s e l ：f l + d o 。直射太阳光直接投射到百叶的下表面f a c e 2 上，如图2 6 0 ) 所示，投射到f a c e 2 面上距端点距离为工的某一光线，第一次反射后每次反射在百 重庆大学硕士学位论文 2 昼光照明特性研究 叶面上前进的距离分别为d w 。 d w = s c o s f f c t a n 够+ d ) ( 1 ) 口+ d 0 1 j2 f l + d 9 0 。 ( 3 ) 0 9 0 。 图2 6 镜面反射进入室内太阳直射光 f i g 2 6t h ed i r e rr a d i a t i o ns p e c u l a rr e f l e c ti n t om cl o o m c a s e 2 = p + d 0 且2 f l + d 9 0 。直射太阳光直接投射到百叶的上表面f a c e l 上，且投射到f a c e l 上的光线都能在百叶反射下进入室内。如图2 6 ( 2 ) 所示，投射 至uf a c e l 面上距端点距离为x 的某一光线，第一次反射后每次反射在百叶面上前进 的距离分别为a w 。 d w =