參考天空分類(lèi)方法研究綜述

何 滎，米若祎，吳 靜，張昕爍

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045；2.重慶大學(xué)山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

引言

在能源日趨緊張的今天，充分利用可再生能源，追求生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的意義。從人類(lèi)利用能源的角度講，太陽(yáng)能是取之不盡，用之不竭的清潔能源。除太陽(yáng)輻射熱外，太陽(yáng)還為人類(lèi)提供了巨大的天然光能，而在建筑中充分利用天然光，能夠非常顯著地減少能耗和運(yùn)行費(fèi)用[1]；同時(shí)減少電光源的使用量，相應(yīng)減少電力消耗和相關(guān)污染。再者,研究表明天然光比人工光更能滿足人體的需求，并能營(yíng)造更為健康和興奮的工作環(huán)境，可顯著提高工作效率[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年中國(guó)建筑能耗占全國(guó)總能耗的19.93%[3]，而歐美國(guó)家建筑能耗占總能耗的比例更高達(dá)40%左右[4，5]。

天空亮度分布是建筑物利用天然采光的最重要的因素之一，根據(jù)立體角投影定律，散射光照度可以通過(guò)立體角投影定律從天空亮度分布模型計(jì)算得到[6]：

(1)

式中γs為太陽(yáng)高度角，γ為天空元高度角，χ為太陽(yáng)與天空元的角距離，Ω為立體角。這樣只要知道了天空亮度分布，就可以方便地算得室外地面照度或根據(jù)室內(nèi)某點(diǎn)所能看到的天空立體角，求得室內(nèi)各點(diǎn)的照度值，從而使得采光計(jì)算更加準(zhǔn)確。因此天空亮度分布規(guī)律就成為了天然光的主要研究對(duì)象。

天空亮度分布研究涉及到多學(xué)科運(yùn)用，不僅涉及到大氣輻射、太陽(yáng)能輻射及建筑采光的運(yùn)用，而且涉及到室內(nèi)照明能耗及空調(diào)能耗的計(jì)算。因此天空亮度分布研究是多個(gè)學(xué)科的綜合，并對(duì)各個(gè)學(xué)科的發(fā)展均有一定的貢獻(xiàn)。

由于真實(shí)天空千變?nèi)f化，為了便于采光設(shè)計(jì)與計(jì)算，需要采用盡量少的天空類(lèi)型來(lái)代表變化眾多的真實(shí)天空，這種天空類(lèi)型就叫參考天空。國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)[6]推薦了全陰天空亮度模型標(biāo)準(zhǔn)，模擬了在厚的多層云下的天空亮度從天頂?shù)剿骄€漸變減少到1/3的天空亮度分布狀況；1972年，CIE推薦了全晴天天空亮度模型標(biāo)準(zhǔn)[7]，并于1996年被CIE和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)作為標(biāo)準(zhǔn)采納[8]；但是以上兩種推薦模型在實(shí)際天空類(lèi)型中僅僅占很小的比例，為了研究真實(shí)天空亮度分布，自1963年以來(lái)，CIE專(zhuān)門(mén)的專(zhuān)業(yè)委員會(huì)(Expert Committee E 3-2)開(kāi)始研究真實(shí)天空亮度分布，并且于1983年提出在各種不同氣候區(qū)收集采光數(shù)據(jù)的國(guó)際采光測(cè)量計(jì)劃(簡(jiǎn)稱IDMP)，該計(jì)劃于1991年由CIE組織各成員在世界各地啟動(dòng)。CIE還于1987年專(zhuān)門(mén)成立一個(gè)TC-3-15委員會(huì)研究晴天空與陰天空之間的中間天空亮度分布，并于2003年2月推出涵蓋各種天空類(lèi)型的CIE新標(biāo)準(zhǔn)[9]。新標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)CIE秘書(shū)處審查備案后于2004年出版發(fā)行，標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為ISO 15469/ CIES003[10]。該標(biāo)準(zhǔn)把典型氣候條件下的吸收函數(shù)和散射函數(shù)結(jié)合起來(lái)，提出了15種參考天空類(lèi)型，其中5種陰天空、5種晴天空和5種過(guò)渡天空(中間天空)，并建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，該標(biāo)準(zhǔn)基本覆蓋了實(shí)際存在的天空類(lèi)型。新標(biāo)準(zhǔn)頒布后，世界各地研究工作者利用光氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)天空分類(lèi)方法進(jìn)行研究，以尋找適合當(dāng)?shù)氐奶炜樟炼阮?lèi)型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同地域氣候條件下天空類(lèi)型存在極大的差異[11-16]。

由于CIE一般天空標(biāo)準(zhǔn)亮度分布模型在描述天空特征使用了較為模糊的語(yǔ)言[17]，且在世界上大多數(shù)地區(qū)，缺乏天空亮度觀測(cè)數(shù)據(jù)[18]，因此天空分類(lèi)相對(duì)困難。這導(dǎo)致了目前大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)依然采用全陰天作為采光設(shè)計(jì)的依據(jù)，這嚴(yán)重影響了天然光的利用，也不利于節(jié)能與環(huán)保。而要充分利用天然光，其關(guān)鍵是要解決不同地域及氣候條件下參考天空分類(lèi)問(wèn)題。為此，研究人員利用天空亮度掃描測(cè)量數(shù)據(jù)和易獲得的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)作為權(quán)重因素來(lái)分類(lèi)天空類(lèi)型，并根據(jù)不同的情況采用了不同的光氣候或氣象參數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19-21]。

1 CIE一般天空標(biāo)準(zhǔn)模型

由于太陽(yáng)光在大氣傳輸過(guò)程受到大氣散射和大氣吸收的影響，因此CIE一般天空標(biāo)準(zhǔn)[9]模型結(jié)合了大氣散射指標(biāo)函數(shù)f和大氣吸收指標(biāo)函數(shù)φ，其天空亮度分布模型為

(2)

亮度標(biāo)準(zhǔn)吸收指標(biāo)函數(shù)φ與天空亮度元到天頂之間的角度相關(guān)聯(lián)：

(3)

其中 0≤Z≤π/2,式(3)也適用于天頂值，即并且在地平線φ(π/2)=1。

φ(0)=1+aexpb

(4)

f是散射指標(biāo)函數(shù)，與天空元素的相對(duì)亮度和從到太陽(yáng)的角距離相聯(lián)系。

(5)

它的天頂值是

(6)

太陽(yáng)和任意天空元素的位置即描述大氣條件的參數(shù)a、b、c、d和e，作為計(jì)算值被輸入。任意天空元素位置被天頂角Z和不同方位角AZ(天空元和太陽(yáng)子午線之間夾角)通過(guò)式(7)來(lái)定義。

χ=arccos (cosZScosZ+sinZSsinZcosAZ)

(7)

其中AZ=|α-αS|。

CIE一般天空標(biāo)準(zhǔn)選擇了六組吸收函數(shù)的a、b值和六組散射函數(shù)的c、d和e值，根據(jù)實(shí)際情況，標(biāo)準(zhǔn)選擇了15種具有代表性的天空作為新一代天空標(biāo)準(zhǔn)的組成[10]。

15種天空類(lèi)型分別對(duì)應(yīng)不同的天空亮度分布，這些不同類(lèi)型的天空亮度分布均有其相對(duì)應(yīng)氣候變量及指標(biāo)，因此也可通過(guò)氣候變量和指標(biāo)來(lái)區(qū)分不同天空類(lèi)型。常用的天空亮度分類(lèi)參數(shù)有天空亮度測(cè)量數(shù)據(jù)(L)、天頂亮度與水平漫射光照度之比(LZ/DV)、水平總照度與地外照度之比(GV/EV)、水平漫射光照度與地外照度之比(DV/EV)、可見(jiàn)光渾濁度因素(TV)和垂直天空組分(VSC)[22]。

根據(jù)不同的氣象參數(shù)及亮度測(cè)試數(shù)據(jù)，存在不同的分類(lèi)方法[23-25]，常用的分類(lèi)方法主要有利用天空亮度測(cè)量數(shù)據(jù)分類(lèi)、利用天頂亮度及光氣候數(shù)據(jù)分類(lèi)和利用垂直天空組分(VSC)分類(lèi)等方法。

2 利用天空亮度分布數(shù)據(jù)分類(lèi)

2.1 天空亮度分布數(shù)據(jù)獲取

天空亮度分布可直接用于確定天空亮度分類(lèi)，但是由于具備天空亮度掃描測(cè)試設(shè)備的站點(diǎn)數(shù)量少，站點(diǎn)維護(hù)成本高，因此該測(cè)試數(shù)據(jù)通常僅存特定且有限的時(shí)期內(nèi)。此外，傳統(tǒng)天空亮度測(cè)試方法為通過(guò)亮度探頭對(duì)天空進(jìn)行掃描，每次掃描需要對(duì)天空中145個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，要耗費(fèi)數(shù)分鐘，但由于天空亮度是持續(xù)且動(dòng)態(tài)變化的，這會(huì)導(dǎo)致不同點(diǎn)天空亮度數(shù)據(jù)由于延時(shí)性原因而產(chǎn)生較大的誤差[26]；為了解決測(cè)試延遲性的問(wèn)題，研究工作者還采用多測(cè)頭亮度掃描儀，單軸亮度掃描儀等方法[27]來(lái)減少測(cè)試時(shí)間。此外，由于天空測(cè)試點(diǎn)僅為145個(gè)，這也使得相鄰點(diǎn)之間數(shù)據(jù)不連續(xù)，誤差較大。盡管存在諸多問(wèn)題，但天空亮度觀測(cè)數(shù)據(jù)依然是天空亮度研究的寶貴資料，并為光氣候的研究提供依據(jù)與基礎(chǔ)。

為了解決天空亮度測(cè)試中存在的同步性差和誤差大的缺陷，部分研究工作者嘗試采用帶魚(yú)眼鏡頭的相機(jī)對(duì)天空拍照的方式來(lái)測(cè)試天空亮度，根據(jù)天空亮度值不同，在光圈及曝光時(shí)間確定的情況下，將會(huì)在膠片上形式不同的灰度值，根據(jù)膠片曝光性能，可計(jì)算出天空不同亮度點(diǎn)的亮度值，該方法較好的解決了測(cè)試實(shí)時(shí)性及測(cè)試點(diǎn)偏少的問(wèn)題[28]。隨著數(shù)碼相機(jī)的普及，研究工作者利用數(shù)碼相機(jī)研究天空亮度[29]，尤其是近年來(lái)HDR技術(shù)的發(fā)展，使得天空亮度測(cè)試更加簡(jiǎn)便[30]。

2.2 參考天空分類(lèi)方法

天空亮度分布測(cè)試數(shù)據(jù)是最適合天空標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)的數(shù)據(jù)。為了確定天空標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)，利用式(2)～式(4)模型化每一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)天空，并與掃描測(cè)試天空亮度值進(jìn)行比較。對(duì)天空亮度測(cè)試值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算其RMSE值，見(jiàn)式(10)，RMSE值最小的天空分類(lèi)即為相對(duì)應(yīng)的天空分類(lèi)。但在一些太陽(yáng)高度角比較大的地區(qū)，首先應(yīng)采用亮度標(biāo)準(zhǔn)化率對(duì)天空亮度分布標(biāo)準(zhǔn)化[31，32]，亮度標(biāo)準(zhǔn)化率(NR)為

(8)

Lp為天空元掃描測(cè)試亮度(cd/m2)，Ls,p為天空元預(yù)測(cè)亮度(無(wú)量綱)，γ為高度角(弧度)，α為方位角(弧度)。

其次將相對(duì)理論亮度乘以天頂亮度值和亮度標(biāo)準(zhǔn)化率(NR)，計(jì)算出預(yù)測(cè)的天空亮度值，如下：

Lpredp,sc=Ls,pNR

(9)

將亮度標(biāo)準(zhǔn)化后，根據(jù)最低的RMSE值，從15種CIE標(biāo)準(zhǔn)天空的天空類(lèi)型中選擇最適合的天空類(lèi)型作為真實(shí)天空所代表的參考天空。

(10)

N為天空亮度測(cè)試點(diǎn)數(shù)量。

3 利用天頂亮度及光氣候數(shù)據(jù)分類(lèi)

3.1 光氣候參數(shù)與天空分類(lèi)的關(guān)系

3.1.1 天頂亮度與水平漫射光照度之比(LZ/DV)

天頂亮度與水平漫射光照度之比(LZ/DV)是光氣候研究中最重要的參數(shù)之一，圖1表示LZ/DV與太陽(yáng)高度角之間的關(guān)系，可知當(dāng)太陽(yáng)高度角小于35°時(shí)，LZ/DV能較好的對(duì)應(yīng)相應(yīng)的天空亮度標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)[33]，由于陰天及晴天氣候條件下LZ/DV相對(duì)穩(wěn)定，因此適合用于陰天及晴天的分類(lèi)，而中間天空天空亮度變化很復(fù)雜，導(dǎo)致在中間天空情況下LZ/DV值變化很大，使得天空類(lèi)別的判定存在一定困難。當(dāng)太陽(yáng)高度角超過(guò)35°后，各類(lèi)天空LZ/DV出現(xiàn)交叉，導(dǎo)致無(wú)法判別其類(lèi)型[34]。盡管如此，LZ/DV值也是被廣泛認(rèn)可的天空類(lèi)型判別的重要參數(shù)之一[35]。

圖1 LZ/DV與太陽(yáng)高度角之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between LZ/DV and solar eleyation

3.1.2 水平總照度與地外照度之比(GV/EV)

水平總照度與地外照度之比(GV/EV)用來(lái)展示大氣清潔度。通常在清潔大氣中只有比例非常少的光線被散射，這時(shí)GV中直射光占的比例大。在陰天，很大比例的直射光被散射，這時(shí)GV中散射光占的比例大。因此可用GV/EV值來(lái)分類(lèi)不同的天空類(lèi)型。當(dāng)然也有一些極端情況發(fā)生，如晴天情況下，一塊烏云遮擋太陽(yáng)，這會(huì)使得GV/EV值變小，反之，在陰天情況下，陰天空正好在太陽(yáng)位置有一個(gè)孔洞，使得太陽(yáng)光直接照射大地使得GV/EV值變大。

3.1.3 漫射光照度與地外照度之比(DV/EV)

考慮整個(gè)天空狀況下，DV是一個(gè)能反映天空狀況的日光變量。大多數(shù)情況下水平漫射光照度與地外照度之比(DV/EV)受到太陽(yáng)高度角τ和TV值的影響。通常多云天空狀況下DV/EV值較高，而晴天及全陰天情況下DV/EV較低，因此可用其來(lái)劃分部分有云天空及晴天和全陰天空。同時(shí)，也可在三類(lèi)天空分類(lèi)后，利用DV/EV并結(jié)合其他氣象參數(shù)進(jìn)一步分類(lèi)陰天空和晴天空[36]。

3.1.4 混濁度因素(TV)

TV[37,38]為在可見(jiàn)光部分的混濁度因素；i為太陽(yáng)光束與被輻射面或被照度面的法線所夾的入射角。對(duì)水平面而言，cosi=sinγs，因此直射照度

Pv=Ev0exp(-avmTv)sinγs

(11)

當(dāng)平面垂直于太陽(yáng)光束時(shí)，β，此時(shí)

Pvn=Ev0exp(-avmTv)

(12)

當(dāng)測(cè)量Pvn后，這些等式通常用來(lái)計(jì)算混濁度因素，也就是

(13)

其中av為可見(jiàn)光譜亮度消光系數(shù)[39]，m為大氣光學(xué)質(zhì)量[40]。

當(dāng)僅僅測(cè)試了總照度GV與總漫射照度DV，那么可以相當(dāng)方便地利用等式計(jì)算出直射照度PV，因而可計(jì)算出TV。

研究表明，大多數(shù)情況下的DV/EV比值依靠太陽(yáng)高度角γs和TV值，當(dāng)Tv<8時(shí)，一個(gè)晴天空經(jīng)驗(yàn)公式為

DV/EV=0.043TV(sinγs)0.1147Tv-0.82

(14)

可知，當(dāng)TV值過(guò)高后，DV/EV比值就與太陽(yáng)高度角無(wú)關(guān)了，在低TV時(shí)，隨太陽(yáng)高度角的變化，DV/EV值相應(yīng)地變化。由于EV值通常僅跟太陽(yáng)高度角和橢圓修正有關(guān)，因此大氣混濁度TV對(duì)光氣候的影響可以被漫射光照度DV值所體現(xiàn)。這也表示了天空狀況隨大氣渾濁度的變化，而太陽(yáng)由清晰可見(jiàn)到模糊不可見(jiàn)的變化過(guò)程，這也解釋了在全陰天太陽(yáng)不可見(jiàn)時(shí)整個(gè)天空亮度不受太陽(yáng)高度角的影響，而在晴天及中間天空情況下卻隨太陽(yáng)高度角的變化而發(fā)生較大變化。因此TV值能較好的區(qū)分清潔晴天空與污染晴天空。通常大氣渾濁度TV<5時(shí)為晴天空，520時(shí)為霧天及陰天空[35]。

3.2 參考天空分類(lèi)方法

15種天空亮度模式分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為L(zhǎng)Z/DV，其可以用于表征瞬時(shí)天空亮度。然而，LZ/DV理論曲線不是平行的，當(dāng)太陽(yáng)高度角αs大于35°時(shí)各類(lèi)天空類(lèi)型曲線出現(xiàn)交叉。因此通常還引入天然光總照度值GV來(lái)對(duì)CIE一般天空進(jìn)行分類(lèi)，獲取天然光總照度值GV后，結(jié)合漫射光照度值DV就可獲得直接光照度值PV，利用這四種光氣候數(shù)據(jù)可對(duì)15種CIE一般天空進(jìn)行有效的分類(lèi)。除此之外，Kittler[19]還提出了利用LZ/DV與GV/EV光氣候參數(shù)來(lái)劃分陰天、多云天及晴天這三種典型天空類(lèi)型，但這種方法無(wú)法細(xì)分到每一類(lèi)天空類(lèi)型。

4 利用垂直天空組分(VSC)分類(lèi)

4.1 垂直天空組分(VSC)

垂直天空組分(VSC)是通過(guò)測(cè)量垂直面上入射的天然光數(shù)值來(lái)評(píng)價(jià)采光潛力的一個(gè)重要指標(biāo)。VSC的定義是一個(gè)點(diǎn)(通常是窗口的中心)的垂直漫射光照度(EV)與水平面上同一點(diǎn)的無(wú)遮擋水平漫反射照度(Eh)之比。由于水平漫射照度不受天空亮度方位位置的影響。在單個(gè)CIE標(biāo)準(zhǔn)一般天空下，面向給定太陽(yáng)位置特定方向的VSC會(huì)反映天空亮度分布特點(diǎn)，并對(duì)應(yīng)有相對(duì)的數(shù)值。

具有對(duì)稱亮度分布的全陰天(即CIE一般標(biāo)準(zhǔn)天空1、3、5)下，亮度分布關(guān)于天頂對(duì)稱并且隨著地平線上方的高度而變化，這意味著垂直室外照度對(duì)于所有方向都是相同的。對(duì)于非陰天，特別無(wú)云的天空,太陽(yáng)附近會(huì)出現(xiàn)非常大的天空亮度，并隨著與太陽(yáng)的角距離的增加而迅速下降。因此面向太陽(yáng)的垂直面上的天空照度與面向相反方向的天空照度VCR(Vfs/Vos)的比率會(huì)有不同，例如面向南的垂直分量與面向北的垂直分量之間的比率在不同天空類(lèi)型情況下可顯示出明顯的區(qū)別。因此CIE一般天空下的15類(lèi)天空中，除了1、3、5類(lèi)天空外，其他類(lèi)型天空因?yàn)樘?yáng)位置處亮度比較高而在不同的散射角χ位置處產(chǎn)生不同的VSC值，為此可利用VSC值對(duì)CIE一般天空進(jìn)行分類(lèi)[22,41]。

4.2 垂直天空照度值分類(lèi)法

對(duì)于天空分類(lèi)，確定面向四個(gè)基本方向(即N、E、S和W)的測(cè)量垂直照度的VCR(Vfs/Vos比)，并將其分為六個(gè)指標(biāo)組之一。每個(gè)指標(biāo)組僅包含1～4種天空類(lèi)型。六個(gè)指標(biāo)組中，除了指標(biāo)組5之外，其他指標(biāo)組內(nèi)的天空類(lèi)型的VSC對(duì)于所有χ都是平行的。這意味著可以通過(guò)使用VSC進(jìn)一步識(shí)別天空類(lèi)型。而對(duì)于指標(biāo)組5(天空13和14)，僅使用具有最小χ(通常小于45°)的VSC進(jìn)行天空分類(lèi)[22]。

5 結(jié)論

長(zhǎng)期系統(tǒng)地對(duì)天空亮度分布進(jìn)行觀測(cè)，并獲得準(zhǔn)確可靠的亮度觀測(cè)數(shù)據(jù)是對(duì)CIE一般天空標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)進(jìn)行研究與評(píng)估最準(zhǔn)確的方法。但是由于傳統(tǒng)亮度觀測(cè)成本高、難度大，因此難以獲取長(zhǎng)期且廣泛的亮度觀測(cè)數(shù)據(jù)，為此應(yīng)結(jié)合近年來(lái)亮度觀測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步建立并開(kāi)發(fā)低成本、高精度的天空亮度觀測(cè)系統(tǒng)，為天空亮度觀測(cè)提供充足準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)而為各地參考天空分類(lèi)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

結(jié)合CIE一般天空亮度標(biāo)準(zhǔn)，利用不同的氣候變量和指標(biāo)來(lái)區(qū)分不同天空類(lèi)型是有意義的，也是在天空亮度數(shù)據(jù)不足的情況下的現(xiàn)實(shí)選擇。由于中國(guó)光氣候環(huán)境復(fù)雜，很多地方缺乏參考天空分類(lèi)所需要的光氣候基礎(chǔ)資料，導(dǎo)致無(wú)法確定不同區(qū)域主要天空類(lèi)型，這對(duì)天然光的利用帶來(lái)了困難，也不利于天然光的利用。為此，應(yīng)加強(qiáng)中國(guó)一般天空標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)研究，尋找更合適的天空標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)方法及分類(lèi)參數(shù)；同時(shí)加強(qiáng)天然光資源的調(diào)查觀測(cè)，積累光氣候資料，為建筑天然光利用提供基礎(chǔ)資料與數(shù)據(jù)。