全年动态天然采光模拟软件DAYSIM

吴 蔚 刘坤鹏

(南京大学建筑与城市规划学院，江苏南京210093)

1 引言

先进的计算机模拟技术在天然采光设计上已经发挥着越来越重要的作用。国外早在上世纪80年代就开始开发光模拟软件，但早期的计算机天然采光模拟软件在准确度上有较大误差。随着80年代末期辐射度计算法(Radiosity)和光线追踪算法(Ray Tracing)的引入，计算机光模拟技术在准确度上大大提高。从上世纪90年代到现在，大量天然光模拟软件开始涌现，根据Christoph等人在2003年至2004年中对27个西方主要发达国家所做的计算机天然光模拟软件的问卷调查中，发现目前研究人员、设计人员以及工程师所使用的模拟软件有42种之多，但其中超过50%的天然光模拟软件是基于Radiance平台［1］。Radiance是美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL)在上世纪80年代开发的一款的天然光模拟软件系统，采用蒙地卡罗反向光线跟踪算法来计算模拟场景的光环境，能够较为准确客观的模拟天然采光［2］。经过近几十年的发展，Radiance已在世界范围内得到广泛的应用和认同［2，3，4］。除Radiance外，罗涛等研究人员在对天然光光模拟技术的综述中，还列出目前国内外几种较常用的采光软件，包括Lumen Micro、Lightscape、Relux、Inspirer等软件［5］。整体而言，目前这些天然光软件都可以就室内静态天然光环境做出相当精确的模拟。

然而真实的天然光随着时间和气候的变化而变化，天然光环境是一个动态的光环境，单一的室内光环境模拟很难反映出真实的天然光环境。近十年来随着计算机技术的高速发展，天然光模拟软件开始朝这四个方向发展:1)从静态、单一的模拟向动态、全天候气候模拟发展［6，7］;2)更加精确的眩光预测，已经更精准的天空模型及室内采光计算法［8］;3)对工作人员或居住者行为模式进行模拟，如模拟工作人员操控人工照明及活动遮阳设备的行为［9］;4)对光热一体化的节能模拟，特别是对有复杂采光系统、如反射光管等的室内采光寄节能一体化模拟［10］。顺应这些发展趋势，加拿大国家实验室和德国弗劳恩霍夫研究所太阳能研究中心共同研发了全年动态天然光模拟软件DAYSIM。

近几年来，由于DAYSIM的强大功能，已经在国际光学研究界引起了广泛的注意，并开始有国外研究人员和建筑工程师引入到工程实践中。但在我国只有很少人了解和使用这一软件，目前可查询到的只有华南理工大学建筑节能研究中心的吴基、孟庆林等研究人员在2009年的一项研究中，曾使用DAYSIM和DEST来对一栋办公楼进行全年能耗模拟［11］，但该案例着重于研究建筑能耗，对于DAYSIM一个动态天然采光软件并未做采光模拟，也没有进一步的分析研究。本文主要针对DAYSIM的动态光学模拟特性，在介绍这款软件同时，以南京一个真实的办公建筑为例，对DAYSIM进行可行性和应用性进行研究。

2 DAYSIM软件性能分析

DAYSIM是一款以RADIANCE的蒙特卡罗反向光线跟踪算法为基础的天然采光分析工具，可以在Windows和Linux两种操作系统下运行的免费软件［12］。该软件可以根据气候资料模拟全年动态光环境，包括评估传统的天然采光系数，以及一些新的采光参数，如天然光自主参数(Daylight autonomy)和有效天然采光照度(Useful daylight illuminance)。此外，DAYSIM还在尝试做一些采光照明“质”的评估，包括根据以往行为研究成果，模拟室内工作者如何控制办公室内的照明和遮阳系统，以及对一些自动光控系统进行节能模拟。DAYSIM本身并不提供建立模型的功能，但它提供了接口以支持其他CAD软件，包括Rhinoceros，Autodesk-ECOTECT和Google Sketch Up。

DAYSIM软件采用的是Perez全天候天空亮度模型(The Perez all weather sky luminance model)，它能够综合计算全年阴天、晴天和多云天空等各种天空条件下直射光、漫射光及地面反射光对室内天然采光的影响［13］。Perez天空模型由两个独立的部分组成:一是Perez亮度效能模型(The Perez luminous efficacy model)，另一个是Perez天空亮度分布模型(The Perez sky luminous distribution model)［14］。相较于CIE全阴天天空模型，Perez天空更具优越性。因为Perez的全阴天天空模型有了明暗了区分，在天空亮度分布上提供了更多的详细信息［15］。

DAYSIM采用Tregenza提出的日光系数法(Daylight Coefficient method)来计算室内照度［16］。根据Tregenza的日光系数法，DAYSIM将整个天穹细分为148小块，其中145小块用来计算漫射光，另外3小块用来计算地面反射光，而对直射光的计算则选择了太阳全年轨迹中的65个典型位置进行计算，在计算直射光、漫射光及地面反射光后将其进行叠加［17］。相较于只能在全阴天空情况下，评估室内采光的天然采光系数，日光系数法可以计算任意天空状态下室内照度。

使用DAYSIM进行天然采光模拟主要包括三个步骤［18］:第一步是建立场景的三维几何模型和定义材质。国内比较流行的CAD软件如Sketch Up或Ecotect都可以比较方便的建立三维模型;赋予材质就是定义材质的物理特性，例如墙面反射率，玻璃透射率等，如ECOTECT本身提供了大量的材质，如不够还可以导入和编辑所需的材质，使用者可以从材质库中调用，操作方便;

第二步是导入气象数据，因为DAYSIM计算的是全年的动态天然采光情况，所以需要建筑所在地区全年的气候数据做支持;国内气象数据可以通过以下方式获得:1.使用Energy Plus的EPW数据转换，包含26个国内城市数据。2.使用“中国建筑热环境分析专用气象数据集”数据转换，包含国内270个气象台站的数据。国内很多大城市气象数据可以在美国能源部网站免费下载［19］，在ECOTECT的Weather Tool内转换。

第三步开始进行模拟计算。DAYSIM在模拟运算时，需要确定大量的精度参数，这些参数分别定义了光线的反射次数以及光分辨率等。精度参数不仅仅影响着计算分析的速度，更重要的是对计算结果的准确性有很大影响。最新版DAYSIM不仅可以在Window 7上运行，并且给出从粗略到精确模拟的几组默认参数，大大简化设定难度。

DAYSIM在遮阳模拟上，提供了三种可供选择的遮阳方式，分别是:Static shading devices(固定遮阳)、Dynamic shading device model(simple)(简单动态遮阳)、Dynamic shading device model(advanced)(高级动态遮阳)。在固定遮阳情况下，DAYSIM会假设遮阳装置包含在建筑模型当中的，或者该建筑无遮阳设备。在简单动态遮阳状态，DAYSIM假设遮阳设备会在一年当遮挡到所有直射光，并且只能有25%的散射光可以通过遮阳设施，这种方法是比较节省计算时间的，比较适合在方案前期使用。复杂动态遮阳状态下，DAYSIM使用了一种复杂的方法来计算室内天然采光，这种情况需要遮阳设施打开和遮阳设施关闭这两组模型，但该设定一般需要双倍的模拟时间。

在模拟最后的采光分析部分，允许模拟者设定建筑物的被占用时间，最低采光照明的照度，以及照明和遮阳设备的控制是人工还是自动。DAYSIM的计算结果是输出一份报告，包括主要模拟结果的小结，如天然采光系数是多少，是否达到美国绿色评价标准LEED，以及一些新的采光参数，如有效天然采光照度UDI和天然光自主参数DA等。此外，DAYSIM也提供每个设定坐标点的详细数据，虽然不能输出比较直观的图像文件，但DAYSIM允许数据导入ECOTECT和EXCEL，ECOTECT能够将DAYSIM的模拟结果转化为为伪色彩图像，Excel能够将DAYSIM的模拟结果转化为曲线走势图，以便更直观的观察和研究。

尽管DAYSIM在理论上可以模拟非常复杂的场景，然而在实际当中有一个不可忽略的因素，那就是数据运算时间和模型的几何复杂度成线性增长，受制于计算机的运算性能，模型不可能无限制的复杂化，如何使模拟模型有一定的精确度的同时也保证合理的模拟时间，是使用者在使用过程需要掌握的技能之一。

3 DAYSIM模拟案例研究

为研究DAYSIM在我国使用的可行性，本文选择南京大学的一座高层核心筒办公楼作为研究对象，对其进行全年动态天然采光模拟。选择的蒙民伟楼位于南京市鼓楼区汉口路22号南京大学北园东侧，建造于本世纪90年代，共24层，其多层部分受周围环境影响较大，高层部分受影响较小，建筑四个方向开窗都为条窗。选择蒙民伟的主要原因是该建筑空间相对较为简单，采光方式也相对单一的侧采光形式，以此作为验证模拟对象可以减少不必要的干扰因素。

本研究选择10楼的一间建筑学系学生的设计研究室作为模拟对象，这样可以减少室外遮挡物的影响，该房间尺寸见图1，层高为3.3米，正南向。经实测，房间室内天花反射比为0.27，深灰色涂料粉刷，建筑外墙内侧为白色涂料粉刷，反射比为0.90，橙色隔墙的反射比为0.63，地面材料为灰色水磨石，反射比为0.50。窗台高为0.9米，窗洞为1.8米×1米的长条窗，玻璃为普通白玻璃，透射比为0.7。

本模拟采用的是美国能源部网站提供的南京典型气象年数据(CSWD)来进行试验。被模拟房间模拟网管布点的距离为0.3米×0.6米，距地1米。模拟精度采用的是DAYSIM所推荐的设置，最主要的几个参数设置如下:ambient bounces设为5，ambient divisions设为1000，ambient accuracy设为0.1，direct sampling设为0.2，direct relays设为2。

3.1 DAYSIM可行性研究

由于DAYSIM是对建筑进行全年动态天然采光模拟，如果要对其进行实测验证则需要被模拟房间的全年采光实测数据，由于场地、设备、经费、时间等限制原因，较难执行。因此本文仅将DAYSIM所模拟出来的天然采光系数与3天全阴天实测结果相比较，并与Radiance模拟结果进行横向比较。因为建筑内部距离窗户较远的区域采光系数的变化相对较小，而距离窗较近的区域采光系数变化又过于剧烈，因此本文选取距离窗1.6米处，共选取8个测点，除1、8测点距侧墙1米，其余各测点相隔1.8米(见图2)。

图1 蒙民伟楼十楼平面图及被模拟房间实景

图2 被测房间测点位置

实测选择在2011年4月22日、27日、30日3个全阴天。实测时间是从上午9时至下午4时，每半小时一次，测点实测数据加权平均后分别与DAYSIM和Radiance模拟相比较。图3是实测平均值与DAYSIM和Radiance相比较的结果。可以看出实测结果和DAYSIM的模拟结果更为接近，Radiance的模拟结果有一定偏差，尤其是2、4、5、7、8这几个点相差较大。可以看出模拟结果普遍高于实测值，这与以前的研究结果相似［4］。DAYSIM与实测平均值之间的相对误差为0.13。而Radiance与实测平均值的相对误差为0.32。

3.2 全年照明耗电量分析

目前大部分天然采光模拟软件只能模拟一种光气候下单天某个时刻的室内采光情况，这种静态模拟结果只能对室内天然采光情况进行评估，无法与能耗联系在一起。在目前节能减排的大潮流下，如何在提高室内光环境舒适度的同时减少建筑能耗，则是一个重要的研究方向。DAYSIM在对室内天然采光情况进行评估的同时，也尝试提供年室内照明耗电量的分析结果。设计、工程人员可以较好的采光设计，以减少人工照明的能耗，这对于建筑节能有着重要的意义。

图3 被模拟房间的实测值与DAYSIM和Radiance值之间的比较

本文选取静态的遮阳百叶设置，加以反射系数0.5，间距和深度值为400mm和450mm百叶遮阳，当百叶设定为固定时，其倾斜角度为60度。显示被模拟房间的单位面积的年室内照明耗电量为3.4千瓦，该房间共94平方米，由此计算出该被模拟房间的年照明耗电量为319.6千瓦。然而实际中被模拟房间内安装的是半透明遮阳卷帘，由于靠近窗口附近有直射阳光和眩光，学生不得不将室内所有遮阳卷帘24小时全部拉上，室内全部采用人工照明，该设计研究室共有16盏日光灯，每盏灯的功率为36千瓦，以DAYSIM中的时间设定来算，即从星期一到星期五的早上八点到下午十七点，除掉中间使用者离开房间的休息时间上午30分钟、中午一个小时、下午30分钟，全年使用人工照明的时间为1569小时，年室内照明耗电量为36*16*1569/1000=903.7千瓦，由此可见由于使用不恰当的遮阳设备，使实际的年人工照明耗电量要远远大于DAYSIM模拟的年人工照明耗电量。由于DAYSIM可以计算年人工照明总能耗和年逐时照明耗电量动态模拟数据，可以方便设计人员和工程师了解如何在改善不同的采光设计后的能耗情况。

4 结语

近些年来，计算机光模拟技术已成为采光照明设计中的重要手段。本文回顾了国际上光模拟软件的发展趋势，介绍了一款全年动态天然采光模拟软件DAYSIM。并以南京大学蒙民伟楼一个设计研究室为例，对DAYSIM进行可行性验证，初步的研究结果表明DAYSIM具有较高的准确性。在利用DAYSIM研究被模拟房间的年照明能耗上，可以看出好的遮阳设计可以大大地减少照明能耗。DAYSIM这一功能对于减少室内照明能耗具有积极的作用。

由于时间和经费有限，本文只是对DAYSIM做了简单的初步验证研究，如有可能，希望可以对DAYSIM做更进一步的可行性的验证研究。此外，对于DAYSIM在照明能耗模拟的计算精度上，还有待进一步的考据。

总体而言，全年动态光模拟软件DAYSIM能较好地帮助设计人员进行天然采光设计和能耗分析。在今后的工作中，笔者希望结合我国的实际情况，积极开展DAYSIM的推广工作，为设计、研究人员提供有益的指导。

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［19］美国能源部Energy Plus Weather(EPW)．气象数据下载下载地址为:http://apps1．eere．energy．gov/buildings/energyplus/cfm/weather data3．cfm/region=2 asia wmo region 2/country=CHN/cname=China．