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1. 引言
本文介绍了对CODYRUN软件中人工照明模拟功能的验证研究。CODYRUN是由建筑物理与系统实验室（L.P.B.S）开发的建筑通风与热工模拟计算工具。本研究旨在评估该软件在模拟这一特定物理现象时的可靠性，以确定其局限性和改进潜力。验证工作利用了国际照明委员会（CIE）第33技术委员会第3任务组（Task-3 TC-33）开发的测试案例（具体为场景1和3），该案例为评估照明模拟软件提供了标准化流程。
2. 室内照明计算的新简化模型
为了定量确定室内照明，CODYRUN集成了多个组合模型，以同时考虑人工光的直接和漫射分量。新引入的简化模型在概念上与DIALux和CALCULUX等成熟照明设计软件中使用的模型相似。
2.1 CODYRUN中的模拟假设
该模型基于几个关键假设运行：光散射被认为是朗伯型的（各向均匀）；灯具由制造商提供的光度数据表征，并被简化为其重心处的点光源；并且光源与工作面被照点之间不存在遮挡物。
2.2 照明的直接分量（来自人工光源）
工作面上某点的直接照度是根据光源的形态以及被照点相对于光源所张的立体角来计算的。图1阐释了这一概念，展示了光线从天花板安装的光源传播到工作面上某一点的过程。
2.3 照明的漫射分量（来自室内相互反射）
漫射分量源于直接光在室内表面（墙壁、天花板、地板）之间的相互反射。该分量取决于这些表面的反射率（颜色）。CODYRUN的模型通过用内墙的平均反射系数对直接照度进行加权来计算此分量，如图2所示。
3. 核心见解：分析师视角
核心见解：这项工作代表了一种务实的、以工程为中心的验证方法，优先考虑计算效率以及与现有多物理场平台（CODYRUN）的集成，而非追求最高的物理精度。选择简化的半详细模型而非辐射度或光线追踪等更严谨的方法，是一种战略性的权衡。
逻辑脉络：本文的逻辑清晰且站得住脚：1）识别差距（热工模拟器中缺乏经过验证的照明模块）。2）采用/开发适合集成的计算轻量级模型。3）依据行业标准基准（CIE测试案例）进行验证。这是一个经典的软件验证与确认（V&V）工作流程，类似于ASHRAE Standard 140或建筑能耗模拟的BESTEST程序中讨论的方法论。
优势与不足：主要优势在于集成本身。将照明与热工及气流模拟相结合对于整体建筑性能分析至关重要，影响着照明和制冷的能耗。使用CIE基准增加了可信度。主要不足（作者通过称该模型为“简化”模型而承认）是对物理过程的显著简化。将复杂灯具简化为点光源，并使用加权平均法处理相互反射（类似于粗糙的形状因子近似），在复杂的、非漫射的或有遮挡的空间中不可避免地会引入误差。这与计算机图形学研究中使用的基于物理的高保真渲染技术（例如基于Kajiya开创性渲染方程的技术）形成鲜明对比。
可操作的见解：对于从业者而言，该工具对于早期、以速度为核心的比较性设计研究很有价值。然而，对于最终的照明设计合规性或详细的视觉舒适度分析，专用的照明软件（例如基于Radiance的工具）仍然必不可少。未来的路径很清晰：该模型是一个良好的基础。下一步应采用分层方法——使用简单模型进行快速迭代，并为关键视角或最终验证触发更精确的辐射度或光子映射计算（如开源Radiance套件中的计算），从而创建一个混合的多保真度模拟环境。
4. 技术细节与数学公式
如本文所暗示，核心计算涉及直接分量和漫射分量的求和。某点的直接照度 $E_{direct}$ 遵循平方反比定律和入射角的余弦值，源自其光度文件给出的光源发光强度 $I(\theta)$：
$E_{direct} = \frac{I(\theta) \cdot \cos(\alpha)}{d^2}$
其中 $d$ 是从光源点到被照点的距离，$\alpha$ 是光线方向与表面法线之间的夹角。
漫射照度 $E_{diffuse}$ 近似为直接分量和房间表面反射率的函数。一种常见的简化方法（由“加权”一词暗示）是使用平均反射率 $\rho_{avg}$ 和一个相互反射因子，该因子通常源自“流明法”或简单的形状因子近似：
$E_{diffuse} \approx E_{direct} \cdot \frac{\rho_{avg}}{1 - \rho_{avg}}$（或考虑房间几何形状的类似公式）。
总照度 $E_{total}$ 则为：$E_{total} = E_{direct} + E_{diffuse}$。
5. 实验结果与图表说明
本文将CIE测试案例（来自TC-3-33的场景1和3）应用于CODYRUN。虽然提供的摘要未详述具体数值结果，但此类测试案例的目的通常是，将软件在指定网格点计算出的照度值与参考值或其他已验证软件的结果进行比较。
图1：直接光源 – 此示意图描绘了一个简化的房间横截面。天花板上显示了一个点光源。一条直线（光线）连接该光源与水平工作面（例如书桌）上的特定点。图中标明了入射角。此图直观地定义了直接照度计算中使用的变量（距离、角度）。
图2：漫射光 – 此图阐释了相互反射的概念。它可能显示了同一个房间，但现在有多条箭头在墙壁、天花板和地板之间反弹，最终到达工作面点。这代表了并非直接来自光源而是来自反射的漫射分量，强调了其对表面颜色（反射率）的依赖性。
6. 分析框架：示例案例
场景： 评估在一个标准的5米 x 5米 x 3米办公室内，将荧光格栅灯更换为LED面板的照明性能及相关冷负荷影响。
使用CODYRUN模型的应用框架：
- 输入定义： 在CODYRUN中创建两个模型变体。变体A：使用现有荧光灯具的光度数据（IES/LDT文件）。变体B：使用拟议LED面板的光度数据。定义相同的工作面高度（0.75米）和计算点网格。
- 模拟执行： 对两个变体运行照明模拟。简化模型将计算每个网格点的 $E_{total}$。同时，CODYRUN的热工引擎将计算来自照明系统的得热量（基于其功率和辐射比例）。
- 分析：
- 照明指标： 比较平均照度、均匀度比（最小/平均）以及是否符合EN 12464-1等标准。
- 能耗影响： 比较照明功率密度（LPD）。
- 热工影响： 分析由于照明得热量变化导致的显热冷负荷差异。
- 验证检查： 对于关键点（例如窗户下、角落），使用DIALux或手动公式进行快速计算，以点检照度值，评估简化引入的误差。
7. 应用前景与未来方向
将照明模拟集成到CODYRUN等整体建筑性能工具中，开辟了若干未来方向：
- 日光与人工照明混合控制： 下一步合乎逻辑的工作是集成一个经过验证的日光模型（例如基于Perez天空模型）。这将能够模拟基于可用日光的电灯动态控制策略，对于预测实际节能效果至关重要。
- 视觉舒适度与非视觉效应： 超越简单的照度，预测诸如日光眩光概率（DGP）、统一眩光值（UGR）和昼夜节律刺激等指标。这与建筑领域日益增长的对健康和福祉的关注相一致，正如WELL建筑标准所体现的。
- 模型保真度分级： 开发自适应模拟框架，其中照明模型的详细程度根据分析阶段进行调整——简单模型用于参数化探索，并自动触发高保真Radiance模拟用于最终设计验证。
- 与BIM和实时控制集成： 利用模拟核心为实时建筑管理系统（BMS）提供信息，或生成数据以训练用于预测性照明控制的机器学习模型。
8. 参考文献
- CODYRUN软件。建筑物理与系统实验室（L.P.B.S）。
- CIE。（年份）。《照明软件评估测试案例》。国际照明委员会，技术委员会TC-3-33。
- Reinhart, C. F. (2014). 《日光手册 I & II》。建筑技术出版社。
- Kajiya, J. T. (1986). 渲染方程。《ACM SIGGRAPH计算机图形学，20》（4），143–150。
- DIALux。DIAL GmbH。
- CALCULUX。飞利浦照明（昕诺飞）。
- ASHRAE. (2019). 《标准140-2017，建筑能耗分析计算机程序评估标准测试方法》。
- Ward, G. J. (1994). RADIANCE照明模拟与渲染系统。《第21届计算机图形与交互技术年会论文集（SIGGRAPH '94）》，459–472。