CODYRUNにおける人工照明シミュレーションの検証：CIEテストケースへの適用

1. 序論

本論文は、建築物理・システム研究所（L.P.B.S）によって開発された建築物の空気・熱シミュレーション用計算ツールであるCODYRUNソフトウェア内の人工照明シミュレーション機能に関する検証研究を提示する。本研究は、この特定の物理現象のシミュレーションにおけるソフトウェアの信頼性を評価し、その限界と改善の可能性を特定するために開始された。検証には、照明シミュレーションソフトウェアを評価するための標準化された手順を提供する国際照明委員会（CIE）のTask-3 TC-33によって開発されたテストケース（具体的にはシナリオ1および3）が活用されている。

2. 室内照明計算のための新規簡易モデル

室内照明を定量的に決定するため、CODYRUNは直接および拡散人工光成分の両方を考慮する複数の結合モデルを統合している。新たに導入された簡易モデルは、DIALuxやCALCULUXなどの確立された照明設計ソフトウェアで使用されているものと概念的には類似している。

2.1 CODYRUNにおけるシミュレーションの仮定

このモデルは、いくつかの重要な仮定の下で動作する：光の散乱はランバート反射（全方向に均一）とみなされる；照明器具はメーカー提供の測光データで特徴付けられ、その重心における点光源に還元される；光源と作業面上の被照点との間に遮蔽物はない。

2.2 照明の直接成分（人工光源から）

作業面上の点における直接照度は、光源の形態と、被照点から見た光源に対する立体角に基づいて計算される。図1はこの概念を示しており、天井設置型光源から作業面上の点への光の伝播を示している。

2.3 照明の拡散成分（室内相互反射から）

拡散成分は、直接光が室内表面（壁、天井、床）で相互反射した結果生じる。この成分はこれらの表面の反射率（色）に依存する。CODYRUNのモデルは、図2に示すように、直接照度を内壁の平均反射係数で重み付けすることによってこれを計算する。

3. 核心的洞察：アナリストの視点

核心的洞察： この研究は、最高の物理的精度の追求よりも、計算効率と既存のマルチフィジックスプラットフォーム（CODYRUN）への統合を優先する、実用的でエンジニアリングに焦点を当てた検証アプローチを表している。ラジオシティ法やレイトレーシング法などのより厳密な手法よりも、簡略化された半詳細モデルを選択したことは戦略的なトレードオフである。

論理的流れ： 本論文の論理は直接的で正当化可能である：1) ギャップの特定（熱シミュレータにおける検証済み照明機能の欠如）。2) 統合に適した計算負荷の軽いモデルを採用/開発。3) 業界標準のベンチマーク（CIEテストケース）に対して検証する。これは、建築エネルギーシミュレーションにおけるASHRAE Standard 140やBESTEST手順で議論される方法論と同様の、古典的なソフトウェアV&V（検証と妥当性確認）ワークフローである。

長所と欠点： 主な長所は統合そのものである。照明を熱・気流シミュレーションと組み合わせることは、照明と冷却のエネルギー使用に影響を与える、総合的な建築性能分析にとって極めて重要である。CIEベンチマークの使用は信頼性を高める。著者らがモデルを「簡易」と呼ぶことで認めている主要な欠点は、物理の大幅な単純化である。複雑な照明器具を点光源に還元し、相互反射に加重平均法（粗いフォームファクター近似に類似）を使用することは、複雑で非拡散的、または遮蔽された空間では必然的に誤差を導入する。これは、Kajiyaによる画期的なレンダリング方程式に基づくコンピュータグラフィックス研究で使用される高忠実度の物理ベースレンダリング技術とは対照的である。

実践的洞察： 実務家にとって、このツールは速度が鍵となる初期段階の比較設計研究に価値がある。しかし、最終的な照明設計の適合性確認や詳細な視覚的快適性分析のためには、専用の照明ソフトウェア（例：Radianceベースのツール）が依然として不可欠である。将来の道筋は明確である：このモデルは良好な基盤として機能する。次のステップは、階層化されたアプローチをとることである——簡易モデルを迅速な反復に使用し、重要な視点や最終検証のためにより正確なラジオシティ法やフォトンマッピング計算（オープンソースのRadianceスイートのような）を自動的に起動し、ハイブリッドなマルチ忠実度シミュレーション環境を構築する。

4. 技術的詳細と数式

本論文が示唆するように、中核となる計算は直接成分と拡散成分の合計を含む。点における直接照度 $E_{direct}$ は、測光ファイルによって与えられる光源の光度 $I(\theta)$ から導かれる逆二乗則と入射角の余弦によって支配される：

$E_{direct} = \frac{I(\theta) \cdot \cos(\alpha)}{d^2}$

ここで、$d$ は光源点から被照点までの距離、$\alpha$ は光の方向と表面法線との間の角度である。

拡散照度 $E_{diffuse}$ は、直接成分と室内表面の反射率の関数として近似される。「重み付け」によって示唆される一般的な簡易法は、平均反射率 $\rho_{avg}$ と相互反射係数を使用するものであり、これはしばしば「ルーメン法」または単純なフォームファクター近似から導かれる：

$E_{diffuse} \approx E_{direct} \cdot \frac{\rho_{avg}}{1 - \rho_{avg}}$（または室内形状を考慮した同様の定式化）。

総合照度 $E_{total}$ は次の通り： $E_{total} = E_{direct} + E_{diffuse}$。

5. 実験結果と図表の説明

本論文はCIEテストケース（TC-3-33のシナリオ1および3）をCODYRUNに適用する。提供された抜粋では具体的な数値結果は詳細に述べられていないが、このようなテストケースの目的は、通常、指定されたグリッド点におけるソフトウェア計算照度値を、参照値または他の検証済みソフトウェアの結果と比較することである。

図1：直接光源 – この概略図は簡略化された室内断面を示している。天井に点光源が描かれている。直線（光線）がこの光源を水平作業面（例：机）上の特定の点に接続している。入射角が示されている。この図は、直接照度計算で使用される変数（距離、角度）を視覚的に定義している。

図2：拡散光 – この図は相互反射の概念を示している。おそらく同じ部屋を示しているが、今回は複数の矢印が壁、天井、床の間で跳ね返り、最終的に作業面上の点に到達している。これは、光源から直接ではなく反射から来る拡散成分を表しており、その表面色（反射率）への依存性を強調している。

6. 分析フレームワーク：事例ケース

シナリオ： 標準的な5m x 5m x 3mのオフィス室において、蛍光灯埋込器具からLEDパネルへの切り替えによる照明性能と関連する冷房負荷への影響を評価する。

CODYRUNモデルを用いたフレームワークの適用：

入力定義： CODYRUN内で2つのモデルバリアントを作成する。バリアントA：既存の蛍光灯照明器具の測光データ（IES/LDTファイル）を使用。バリアントB：提案するLEDパネルの測光データを使用。同じ作業面高さ（0.75m）と計算点グリッドを定義する。
シミュレーション実行： 両バリアントの照明シミュレーションを実行する。簡易モデルは各グリッド点で $E_{total}$ を計算する。同時に、CODYRUNの熱エンジンは照明システムからの発熱（ワット数と放射分率に基づく）を計算する。
分析：
- 照明指標： 平均照度、均斉度（最小/平均）、EN 12464-1などの規格への適合性を比較する。
- エネルギー影響： 照明電力密度（LPD）を比較する。
- 熱的影響： 照明発熱の変化による顕熱冷房負荷の差を分析する。
検証チェック： 重要な点（例：窓の下、隅）について、DIALuxまたは手動計算式を用いた簡易計算に対して照度値をスポットチェックし、単純化によって導入された誤差を評価する。

この統合分析は、近似的ではあるが、設計変更の複数領域にわたる影響について、迅速で連成シミュレーションによる評価を提供する。

7. 応用展望と将来の方向性

CODYRUNのような建築全体性能ツールへの照明シミュレーションの統合は、いくつかの将来の方向性を開く：

昼光と人工照明のハイブリッド制御： 次の論理的ステップは、検証済みの昼光モデル（例：Perez天空モデルに基づく）を統合することである。これにより、利用可能な昼光に基づく電気照明の動的制御戦略のシミュレーションが可能となり、実世界の省エネルギー予測に不可欠となる。
視覚的快適性と非視覚的効果： 単純な照度を超えて、Daylight Glare Probability（DGP）、Unified Glare Rating（UGR）、概日刺激などの指標を予測すること。これは、WELL建築基準に見られるように、建築物における健康とウェルビーイングへの関心の高まりと一致する。
モデル忠実度のスケーリング： 照明モデルの詳細レベルが分析フェーズに応じて調整される適応型シミュレーションフレームワークの開発——パラメトリック探索には簡易モデル、最終設計検証には高忠実度Radianceシミュレーションの自動起動。
BIMおよびリアルタイム制御との統合： シミュレーションコアを活用して、リアルタイムのビル管理システム（BMS）に情報を提供したり、予測照明制御のための機械学習モデルを訓練するデータを生成したりする。

8. 参考文献

CODYRUNソフトウェア。建築物理・システム研究所（L.P.B.S）。
CIE. （年）。 照明ソフトウェア評価のためのテストケース。 国際照明委員会、技術委員会TC-3-33。
Reinhart, C. F. (2014). Daylighting Handbook I & II. Building Technology Press.
Kajiya, J. T. (1986). The Rendering Equation. ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 20(4), 143–150.
DIALux. DIAL GmbH.
CALCULUX. Philips Lighting (Signify).
ASHRAE. (2019). Standard 140-2017, Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs.
Ward, G. J. (1994). The RADIANCE lighting simulation and rendering system. Proceedings of the 21st Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques (SIGGRAPH '94), 459–472.

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