Pengesahan Simulasi Pencahayaan Buatan dalam CODYRUN: Aplikasi kepada Kes Ujian CIE

Kandungan

1. Pengenalan

Kertas kerja ini membentangkan kajian pengesahan keupayaan simulasi pencahayaan buatan dalam perisian CODYRUN, iaitu alat pengiraan untuk simulasi aerolik dan terma dalam bangunan yang dibangunkan oleh Makmal Fizik dan Sistem Bangunan (L.P.B.S). Kajian ini dimulakan untuk menilai kebolehpercayaan perisian dalam mensimulasikan fenomena fizikal khusus ini, bertujuan untuk mengenal pasti had dan potensi penambahbaikannya. Pengesahan ini memanfaatkan kes ujian (terutamanya senario 1 dan 3) yang dibangunkan oleh Task-3 TC-33 Suruhanjaya Pencahayaan Antarabangsa (CIE), yang menyediakan prosedur piawai untuk menilai perisian simulasi pencahayaan.

2. Model Ringkas Baharu untuk Mengira Pencahayaan Dalaman

Untuk menentukan pencahayaan dalaman secara kuantitatif, CODYRUN menggabungkan beberapa model gabungan yang mengambil kira komponen cahaya buatan langsung dan resap. Model ringkas yang baru diperkenalkan ini secara konsepnya serupa dengan yang digunakan dalam perisian reka bentuk pencahayaan yang mantap seperti DIALux dan CALCULUX.

2.1 Hipotesis Simulasi dalam CODYRUN

Model ini beroperasi di bawah beberapa andaian utama: serakan cahaya dianggap Lambertian (seragam dalam semua arah); armatur pencahayaan dicirikan oleh data fotometri yang disediakan oleh pengeluar dan dikurangkan kepada sumber titik di pusat gravitinya; dan tiada halangan antara sumber cahaya dan titik yang diterangi pada satah kerja.

2.2 Bahagian Pencahayaan Langsung (dari Sumber Cahaya Buatan)

Pencahayaan langsung pada satu titik di satah kerja dikira berdasarkan morfologi sumber dan sudut pepejal yang terbentuk pada titik yang diterangi berbanding sumber tersebut. Rajah 1 menggambarkan konsep ini, menunjukkan perambatan cahaya dari sumber yang dipasang di siling ke satu titik pada satah kerja.

2.3 Bahagian Pencahayaan Resap (dari Pantulan Dalaman)

Komponen resap terhasil daripada pantulan silang cahaya langsung dari permukaan dalaman bilik (dinding, siling, lantai). Komponen ini bergantung pada reflektiviti (warna) permukaan ini. Model CODYRUN mengira ini dengan memberikan pemberat kepada pencahayaan langsung menggunakan pekali pantulan purata dinding dalaman, seperti yang digambarkan dalam Rajah 2.

3. Inti Pati: Perspektif Penganalisis

Inti Pati: Kerja ini mewakili pendekatan pragmatik yang berfokuskan kejuruteraan terhadap pengesahan, mengutamakan kecekapan pengiraan dan integrasi ke dalam platform fizik pelbagai sedia ada (CODYRUN) berbanding mengejar ketepatan fizikal tertinggi yang mungkin. Pemilihan model ringkas, separa terperinci berbanding kaedah yang lebih ketat seperti Radiosity atau Ray Tracing adalah pertukaran strategik.

Aliran Logik: Logik kertas kerja ini adalah lurus dan boleh dipertahankan: 1) Kenal pasti jurang (kekurangan pencahayaan yang disahkan dalam simulator terma). 2) Guna/bangunkan model ringan dari segi pengiraan yang sesuai untuk integrasi. 3) Sahkannya menggunakan penanda aras piawai industri (kes ujian CIE). Ini adalah aliran kerja V&V (Pengesahan & Pengesahan) perisian klasik, serupa dengan metodologi yang dibincangkan dalam Piawaian ASHRAE 140 atau prosedur BESTEST untuk simulasi tenaga bangunan.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan utama adalah integrasi itu sendiri. Menggabungkan pencahayaan dengan simulasi terma dan aliran udara adalah penting untuk analisis prestasi bangunan holistik, yang memberi kesan kepada penggunaan tenaga untuk pencahayaan dan penyejukan. Penggunaan penanda aras CIE menambah kredibiliti. Kelemahan utama, yang diakui oleh penulis dengan memanggil model itu "ringkas," adalah penyederhanaan fizikal yang ketara. Mengurangkan armatur pencahayaan kompleks kepada sumber titik dan menggunakan kaedah purata berwajaran untuk pantulan silang (serupa dengan anggaran faktor bentuk kasar) pasti akan memperkenalkan ralat dalam ruang yang kompleks, tidak resap, atau terhalang. Ini berbeza ketara dengan teknik pemapar berasaskan fizikal berketepatan tinggi yang digunakan dalam penyelidikan grafik komputer, seperti yang dibina berdasarkan Persamaan Pemapar seminal oleh Kajiya.

Wawasan Boleh Tindak: Bagi pengamal, alat ini berharga untuk kajian reka bentuk perbandingan peringkat awal di mana kelajuan adalah kunci. Walau bagaimanapun, untuk pematuhan reka bentuk pencahayaan akhir atau analisis keselesaan visual terperinci, perisian pencahayaan khusus (cth., alat berasaskan Radiance) masih penting. Hala tuju masa depan adalah jelas: model ini berfungsi sebagai asas yang baik. Langkah seterusnya sepatutnya pendekatan berperingkat—menggunakan model ringkas untuk lelaran pantas dan mencetuskan pengiraan Radiosity atau pemetaan foton yang lebih tepat (seperti dalam suite Radiance sumber terbuka) untuk pandangan kritikal atau pengesahan akhir, mewujudkan persekitaran simulasi pelbagai ketepatan hibrid.

4. Butiran Teknikal dan Rumusan Matematik

Pengiraan teras, seperti yang dimaksudkan oleh kertas kerja, melibatkan penjumlahan komponen langsung dan resap. Pencahayaan langsung $E_{direct}$ pada satu titik dikawal oleh hukum kuasa dua songsang dan kosinus sudut tuju, yang diperoleh daripada keamatan bercahaya sumber $I(\theta)$ yang diberikan oleh fail fotometrinya:

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

di mana $d$ ialah jarak dari titik sumber ke titik yang diterangi, dan $\alpha$ ialah sudut antara arah cahaya dan normal permukaan.

Pencahayaan resap $E_{diffuse}$ dianggarkan sebagai fungsi komponen langsung dan reflektans permukaan bilik. Kaedah ringkas biasa (yang diisyaratkan oleh "pemberat") ialah menggunakan reflektans purata $\rho_{avg}$ dan faktor pantulan silang, selalunya diperoleh daripada "kaedah lumen" atau anggaran faktor bentuk ringkas:

$E_{diffuse} \approx E_{direct} \cdot \frac{\rho_{avg}}{1 - \rho_{avg}}$ (atau rumusan serupa yang mengambil kira geometri bilik).

Jumlah pencahayaan $E_{total}$ kemudiannya ialah: $E_{total} = E_{direct} + E_{diffuse}$.

5. Keputusan Eksperimen dan Penerangan Carta

Kertas kerja ini menggunakan kes ujian CIE (Senario 1 & 3 dari TC-3-33) pada CODYRUN. Walaupun keputusan berangka khusus tidak diperincikan dalam petikan yang diberikan, tujuan kes ujian sedemikian biasanya untuk membandingkan nilai pencahayaan yang dikira oleh perisian pada titik grid yang ditentukan berbanding nilai rujukan atau keputusan dari perisian lain yang telah disahkan.

Rajah 1: Sumber Cahaya Langsung – Skema ini menggambarkan keratan rentas bilik yang dipermudahkan. Sumber cahaya titik ditunjukkan pada siling. Garis lurus (sinar) menghubungkan sumber ini ke titik tertentu pada satah kerja mendatar (cth., meja). Sudut tuju ditunjukkan. Rajah ini secara visual mentakrifkan pembolehubah (jarak, sudut) yang digunakan dalam pengiraan pencahayaan langsung.

Rajah 2: Cahaya Resap – Gambar rajah ini menggambarkan konsep pantulan silang. Ia mungkin menunjukkan bilik yang sama, tetapi kini dengan beberapa anak panah melantun antara dinding, siling, dan lantai sebelum akhirnya sampai ke titik satah kerja. Ini mewakili komponen resap yang tidak datang terus dari sumber tetapi dari pantulan, menekankan kebergantungannya pada warna permukaan (reflektiviti).

6. Kerangka Analisis: Contoh Kes

Senario: Menilai prestasi pencahayaan dan kesan beban penyejukan yang berkaitan dengan menukar dari trofer pendarfluor kepada panel LED dalam bilik pejabat standard 5m x 5m x 3m.

Aplikasi Kerangka menggunakan Model CODYRUN:

Takrifan Input: Cipta dua varian model dalam CODYRUN. Varian A: Gunakan data fotometri (fail IES/LDT) untuk armatur pendarfluor sedia ada. Varian B: Gunakan data fotometri untuk panel LED yang dicadangkan. Takrifkan ketinggian satah kerja yang sama (0.75m) dan grid titik pengiraan.
Pelaksanaan Simulasi: Jalankan simulasi pencahayaan untuk kedua-dua varian. Model ringkas akan mengira $E_{total}$ pada setiap titik grid. Serentak, enjin terma CODYRUN akan mengira perolehan haba dari sistem pencahayaan (berdasarkan watt dan pecahan sinaran).
Analisis:
- Metrik Pencahayaan: Bandingkan pencahayaan purata, nisbah keseragaman (min/purata), dan pematuhan dengan piawaian seperti EN 12464-1.
- Kesan Tenaga: Bandingkan ketumpatan kuasa pencahayaan (LPD).
- Kesan Terma: Analisis perbezaan dalam beban penyejukan deria disebabkan oleh perubahan perolehan haba pencahayaan.
Semakan Pengesahan: Untuk titik kritikal (cth., di bawah tingkap, di penjuru), semak nilai pencahayaan secara spot berbanding pengiraan pantas menggunakan DIALux atau formula manual untuk mengukur ralat yang diperkenalkan oleh penyederhanaan.

Analisis bersepadu ini, walaupun anggaran, menyediakan penilaian simulasi bersama yang pantas tentang kesan pelbagai domain perubahan reka bentuk.

7. Prospek Aplikasi dan Hala Tuju Masa Depan

Integrasi simulasi pencahayaan ke dalam alat prestasi bangunan keseluruhan seperti CODYRUN membuka beberapa laluan masa depan:

Kawalan Hibrid Pencahayaan Siang dan Buatan: Langkah logik seterusnya ialah mengintegrasikan model pencahayaan siang yang disahkan (cth., berdasarkan model langit Perez). Ini akan membolehkan simulasi strategi kawalan dinamik untuk lampu elektrik berdasarkan cahaya siang yang tersedia, penting untuk meramalkan penjimatan tenaga dunia sebenar.
Keselesaan Visual dan Kesan Bukan Visual: Melangkaui pencahayaan ringkas untuk meramalkan metrik seperti Kebarangkalian Silau Pencahayaan Siang (DGP), Penarafan Silau Bersepadu (UGR), dan rangsangan sirkadian. Ini selari dengan tumpuan yang semakin meningkat terhadap kesihatan dan kesejahteraan dalam bangunan, seperti yang dilihat dalam Piawaian Bangunan WELL.
Penskalaan Ketepatan Model: Membangunkan kerangka simulasi adaptif di mana tahap perincian dalam model pencahayaan menyesuaikan berdasarkan fasa analisis—model ringkas untuk penerokaan parametrik, dan pencetus automatik simulasi Radiance berketepatan tinggi untuk pengesahan reka bentuk akhir.
Integrasi dengan BIM dan Kawalan Masa Nyata: Menggunakan teras simulasi untuk memaklumkan sistem pengurusan bangunan (BMS) masa nyata atau untuk menjana data untuk melatih model pembelajaran mesin untuk kawalan pencahayaan ramalan.

8. Rujukan

Perisian CODYRUN. Makmal Fizik dan Sistem Bangunan (L.P.B.S).
CIE. (Tahun). Kes Ujian untuk Penilaian Perisian Pencahayaan. Suruhanjaya Pencahayaan Antarabangsa, Jawatankuasa Teknikal TC-3-33.
Reinhart, C. F. (2014). Buku Panduan Pencahayaan Siang 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.