參考天空分類方法研究綜述

何 滎，米若祎，吳 靜，張昕爍

(1.重慶大學建筑城規(guī)學院，重慶 400045；2.重慶大學山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室，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。從人類利用能源的角度講，太陽能是取之不盡，用之不竭的清潔能源。除太陽輻射熱外，太陽還為人類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行費用[1]；同時減少電光源的使用量，相應減少電力消耗和相關污染。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]。據統計，2015年中國建筑能耗占全國總能耗的19.93%[3]，而歐美國家建筑能耗占總能耗的比例更高達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，根據立體角投影定律，散射光照度可以通過立體角投影定律從天空亮度分布模型計算得到[6]：

(1)

式中γs為太陽高度角，γ為天空元高度角，χ為太陽與天空元的角距離，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室內某點所能看到的天空立體角，求得室內各點的照度值，從而使得采光計算更加準確。因此天空亮度分布規(guī)律就成為了天然光的主要研究對象。

天空亮度分布研究涉及到多學科運用，不僅涉及到大氣輻射、太陽能輻射及建筑采光的運用，而且涉及到室內照明能耗及空調能耗的計算。因此天空亮度分布研究是多個學科的綜合，并對各個學科的發(fā)展均有一定的貢獻。

由于真實天空千變萬化，為了便于采光設計與計算，需要采用盡量少的天空類型來代表變化眾多的真實天空，這種天空類型就叫參考天空。國際照明委員會(CIE)[6]推薦了全陰天空亮度模型標準，模擬了在厚的多層云下的天空亮度從天頂到水平線漸變減少到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準[7]，并于1996年被CIE和國際標準化組織(ISO)作為標準采納[8]；但是以上兩種推薦模型在實際天空類型中僅僅占很小的比例，為了研究真實天空亮度分布，自1963年以來，CIE專門的專業(yè)委員會(Expert Committee E 3-2)開始研究真實天空亮度分布，并且于1983年提出在各種不同氣候區(qū)收集采光數據的國際采光測量計劃(簡稱IDMP)，該計劃于1991年由CIE組織各成員在世界各地啟動。CIE還于1987年專門成立一個TC-3-15委員會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型的CIE新標準[9]。新標準通過CIE秘書處審查備案后于2004年出版發(fā)行，標準編號為ISO 15469/ CIES003[10]。該標準把典型氣候條件下的吸收函數和散射函數結合起來，提出了15種參考天空類型，其中5種陰天空、5種晴天空和5種過渡天空(中間天空)，并建立起相應的數學模型，該標準基本覆蓋了實際存在的天空類型。新標準頒布后，世界各地研究工作者利用光氣候觀測數據對天空分類方法進行研究，以尋找適合當地的天空亮度類型，結果發(fā)現不同地域氣候條件下天空類型存在極大的差異[11-16]。

由于CIE一般天空標準亮度分布模型在描述天空特征使用了較為模糊的語言[17]，且在世界上大多數地區(qū)，缺乏天空亮度觀測數據[18]，因此天空分類相對困難。這導致了目前大多數國家和地區(qū)依然采用全陰天作為采光設計的依據，這嚴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，其關鍵是要解決不同地域及氣候條件下參考天空分類問題。為此，研究人員利用天空亮度掃描測量數據和易獲得的氣象觀測數據作為權重因素來分類天空類型，并根據不同的情況采用了不同的光氣候或氣象參數作為評價標準[19-21]。

1 CIE一般天空標準模型

由于太陽光在大氣傳輸過程受到大氣散射和大氣吸收的影響，因此CIE一般天空標準[9]模型結合了大氣散射指標函數f和大氣吸收指標函數φ，其天空亮度分布模型為

(2)

亮度標準吸收指標函數φ與天空亮度元到天頂之間的角度相關聯：

(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是散射指標函數，與天空元素的相對亮度和從到太陽的角距離相聯系。

(5)

它的天頂值是

(6)

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

χ=arccos (cosZScosZ+sinZSsinZcosAZ)

(7)

其中AZ=|α-αS|。

CIE一般天空標準選擇了六組吸收函數的a、b值和六組散射函數的c、d和e值，根據實際情況，標準選擇了15種具有代表性的天空作為新一代天空標準的組成[10]。

15種天空類型分別對應不同的天空亮度分布，這些不同類型的天空亮度分布均有其相對應氣候變量及指標，因此也可通過氣候變量和指標來區(qū)分不同天空類型。常用的天空亮度分類參數有天空亮度測量數據(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)、可見光渾濁度因素(TV)和垂直天空組分(VSC)[22]。

根據不同的氣象參數及亮度測試數據，存在不同的分類方法[23-25]，常用的分類方法主要有利用天空亮度測量數據分類、利用天頂亮度及光氣候數據分類和利用垂直天空組分(VSC)分類等方法。

2 利用天空亮度分布數據分類

2.1 天空亮度分布數據獲取

天空亮度分布可直接用于確定天空亮度分類，但是由于具備天空亮度掃描測試設備的站點數量少，站點維護成本高，因此該測試數據通常僅存特定且有限的時期內。此外，傳統天空亮度測試方法為通過亮度探頭對天空進行掃描，每次掃描需要對天空中145個點進行測試，要耗費數分鐘，但由于天空亮度是持續(xù)且動態(tài)變化的，這會導致不同點天空亮度數據由于延時性原因而產生較大的誤差[26]；為了解決測試延遲性的問題，研究工作者還采用多測頭亮度掃描儀，單軸亮度掃描儀等方法[27]來減少測試時間。此外，由于天空測試點僅為145個，這也使得相鄰點之間數據不連續(xù)，誤差較大。盡管存在諸多問題，但天空亮度觀測數據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與基礎。

為了解決天空亮度測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眼鏡頭的相機對天空拍照的方式來測試天空亮度，根據天空亮度值不同，在光圈及曝光時間確定的情況下，將會在膠片上形式不同的灰度值，根據膠片曝光性能，可計算出天空不同亮度點的亮度值，該方法較好的解決了測試實時性及測試點偏少的問題[28]。隨著數碼相機的普及，研究工作者利用數碼相機研究天空亮度[29]，尤其是近年來HDR技術的發(fā)展，使得天空亮度測試更加簡便[30]。

2.2 參考天空分類方法

天空亮度分布測試數據是最適合天空標準分類的數據。為了確定天空標準分類，利用式(2)～式(4)模型化每一類標準天空，并與掃描測試天空亮度值進行比較。對天空亮度測試值與預測值進行對比，計算其RMSE值，見式(10)，RMSE值最小的天空分類即為相對應的天空分類。但在一些太陽高度角比較大的地區(qū)，首先應采用亮度標準化率對天空亮度分布標準化[31，32]，亮度標準化率(NR)為

(8)

Lp為天空元掃描測試亮度(cd/m2)，Ls,p為天空元預測亮度(無量綱)，γ為高度角(弧度)，α為方位角(弧度)。

其次將相對理論亮度乘以天頂亮度值和亮度標準化率(NR)，計算出預測的天空亮度值，如下：

Lpredp,sc=Ls,pNR

(9)

將亮度標準化后，根據最低的RMSE值，從15種CIE標準天空的天空類型中選擇最適合的天空類型作為真實天空所代表的參考天空。

(10)

N為天空亮度測試點數量。

3 利用天頂亮度及光氣候數據分類

3.1 光氣候參數與天空分類的關系

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之一，圖1表示LZ/DV與太陽高度角之間的關系，可知當太陽高度角小于35°時，LZ/DV能較好的對應相應的天空亮度標準分類[33]，由于陰天及晴天氣候條件下LZ/DV相對穩(wěn)定，因此適合用于陰天及晴天的分類，而中間天空天空亮度變化很復雜，導致在中間天空情況下LZ/DV值變化很大，使得天空類別的判定存在一定困難。當太陽高度角超過35°后，各類天空LZ/DV出現交叉，導致無法判別其類型[34]。盡管如此，LZ/DV值也是被廣泛認可的天空類型判別的重要參數之一[35]。

圖1 LZ/DV與太陽高度角之間的關系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GV中散射光占的比例大。因此可用GV/EV值來分類不同的天空類型。當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，這會使得GV/EV值變小，反之，在陰天情況下，陰天空正好在太陽位置有一個孔洞，使得太陽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)

考慮整個天空狀況下，DV是一個能反映天空狀況的日光變量。大多數情況下水平漫射光照度與地外照度之比(DV/EV)受到太陽高度角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，因此可用其來劃分部分有云天空及晴天和全陰天空。同時，也可在三類天空分類后，利用DV/EV并結合其他氣象參數進一步分類陰天空和晴天空[36]。

3.1.4 混濁度因素(TV)

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

Pv=Ev0exp(-avmTv)sinγs

(11)

當平面垂直于太陽光束時，β，此時

Pvn=Ev0exp(-avmTv)

(12)

當測量Pvn后，這些等式通常用來計算混濁度因素，也就是

(13)

其中av為可見光譜亮度消光系數[39]，m為大氣光學質量[40]。

當僅僅測試了總照度GV與總漫射照度DV，那么可以相當方便地利用等式計算出直射照度PV，因而可計算出TV。

研究表明，大多數情況下的DV/EV比值依靠太陽高度角γs和TV值，當Tv<8時，一個晴天空經驗公式為

DV/EV=0.043TV(sinγs)0.1147Tv-0.82

(14)

可知，當TV值過高后，DV/EV比值就與太陽高度角無關了，在低TV時，隨太陽高度角的變化，DV/EV值相應地變化。由于EV值通常僅跟太陽高度角和橢圓修正有關，因此大氣混濁度TV對光氣候的影響可以被漫射光照度DV值所體現。這也表示了天空狀況隨大氣渾濁度的變化，而太陽由清晰可見到模糊不可見的變化過程，這也解釋了在全陰天太陽不可見時整個天空亮度不受太陽高度角的影響，而在晴天及中間天空情況下卻隨太陽高度角的變化而發(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時為晴天空，520時為霧天及陰天空[35]。

3.2 參考天空分類方法

15種天空亮度模式分類標準為LZ/DV，其可以用于表征瞬時天空亮度。然而，LZ/DV理論曲線不是平行的，當太陽高度角αs大于35°時各類天空類型曲線出現交叉。因此通常還引入天然光總照度值GV來對CIE一般天空進行分類，獲取天然光總照度值GV后，結合漫射光照度值DV就可獲得直接光照度值PV，利用這四種光氣候數據可對15種CIE一般天空進行有效的分類。除此之外，Kittler[19]還提出了利用LZ/DV與GV/EV光氣候參數來劃分陰天、多云天及晴天這三種典型天空類型，但這種方法無法細分到每一類天空類型。

4 利用垂直天空組分(VSC)分類

4.1 垂直天空組分(VSC)

垂直天空組分(VSC)是通過測量垂直面上入射的天然光數值來評價采光潛力的一個重要指標。VSC的定義是一個點(通常是窗口的中心)的垂直漫射光照度(EV)與水平面上同一點的無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CIE標準一般天空下，面向給定太陽位置特定方向的VSC會反映天空亮度分布特點，并對應有相對的數值。

具有對稱亮度分布的全陰天(即CIE一般標準天空1、3、5)下，亮度分布關于天頂對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于所有方向都是相同的。對于非陰天，特別無云的天空,太陽附近會出現非常大的天空亮度，并隨著與太陽的角距離的增加而迅速下降。因此面向太陽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類天空中，除了1、3、5類天空外，其他類型天空因為太陽位置處亮度比較高而在不同的散射角χ位置處產生不同的VSC值，為此可利用VSC值對CIE一般天空進行分類[22,41]。

4.2 垂直天空照度值分類法

對于天空分類，確定面向四個基本方向(即N、E、S和W)的測量垂直照度的VCR(Vfs/Vos比)，并將其分為六個指標組之一。每個指標組僅包含1～4種天空類型。六個指標組中，除了指標組5之外，其他指標組內的天空類型的VSC對于所有χ都是平行的。這意味著可以通過使用VSC進一步識別天空類型。而對于指標組5(天空13和14)，僅使用具有最小χ(通常小于45°)的VSC進行天空分類[22]。

5 結論

長期系統地對天空亮度分布進行觀測，并獲得準確可靠的亮度觀測數據是對CIE一般天空標準分類進行研究與評估最準確的方法。但是由于傳統亮度觀測成本高、難度大，因此難以獲取長期且廣泛的亮度觀測數據，為此應結合近年來亮度觀測系統的技術進步建立并開發(fā)低成本、高精度的天空亮度觀測系統，為天空亮度觀測提供充足準確的基礎數據，進而為各地參考天空分類提供堅實的基礎。

結合CIE一般天空亮度標準，利用不同的氣候變量和指標來區(qū)分不同天空類型是有意義的，也是在天空亮度數據不足的情況下的現實選擇。由于中國光氣候環(huán)境復雜，很多地方缺乏參考天空分類所需要的光氣候基礎資料，導致無法確定不同區(qū)域主要天空類型，這對天然光的利用帶來了困難，也不利于天然光的利用。為此，應加強中國一般天空標準分類研究，尋找更合適的天空標準分類方法及分類參數；同時加強天然光資源的調查觀測，積累光氣候資料，為建筑天然光利用提供基礎資料與數據。