1. 簡介
本文介紹咗對CODYRUN軟件內人工照明模擬功能嘅驗證研究。CODYRUN係由建築物理與系統實驗室（L.P.B.S）開發嘅建築氣流與熱力模擬計算工具。呢項研究旨在評估該軟件模擬呢種特定物理現象嘅可靠性，以確定其限制同改進潛力。驗證採用咗國際照明委員會（CIE）第TC-33工作組第3項任務制定嘅測試案例（具體為場景1同3），該委員會提供咗評估照明模擬軟件嘅標準化程序。
2. 室內照明計算新簡化模型
為咗定量確定室內照明，CODYRUN整合咗幾個組合模型，用於計算直接同漫射人工光線分量。新引入嘅簡化模型喺概念上同DIALux同CALCULUX等成熟照明設計軟件所用嘅模型相似。
2.1 CODYRUN中模擬嘅假設
該模型基於幾個關鍵假設運作：光散射被視為朗伯散射（各向均勻）；燈具由製造商提供嘅光度數據表徵，並簡化為其重心處嘅點光源；光源同工作平面上被照點之間冇遮擋物。
2.2 照明嘅直接部分（來自人工光源）
工作平面上一點嘅直接照度係根據光源嘅形態以及被照點相對於光源所張嘅立體角來計算。圖1展示咗呢個概念，顯示光線從天花板上嘅光源傳播到工作平面上嘅一點。
2.3 照明嘅漫射部分（來自室內相互反射）
漫射分量係由直接光線喺房間內表面（牆壁、天花板、地板）上相互反射產生。呢個分量取決於呢啲表面嘅反射率（顏色）。CODYRUN嘅模型通過用內牆嘅平均反射係數對直接照度進行加權來計算呢個分量，如圖2所示。
3. 核心洞察：分析師視角
核心洞察：呢項工作代表咗一種務實、以工程為重點嘅驗證方法，優先考慮計算效率同整合到現有多物理場平台（CODYRUN），而非追求最高可能嘅物理精度。選擇簡化、半詳細模型而非輻射度或光線追蹤等更嚴格方法，係一種策略性權衡。
邏輯流程：本文嘅邏輯直接且站得住腳：1）識別差距（熱力模擬器中缺乏經過驗證嘅照明模擬）。2）採用/開發適合整合嘅計算量輕嘅模型。3）根據行業標準基準（CIE測試案例）進行驗證。呢個係經典嘅軟件驗證與確認（V&V）工作流程，類似於ASHRAE標準140或建築能源模擬BESTEST程序中討論嘅方法。
優點與缺點：主要優點係整合本身。將照明同熱力及氣流模擬結合，對於整體建築性能分析至關重要，影響照明同製冷嘅能源使用。使用CIE基準增加咗可信度。主要缺點，作者亦承認並稱模型為「簡化」，係對物理過程嘅顯著簡化。將複雜燈具簡化為點光源，以及使用加權平均方法處理相互反射（類似於粗糙嘅形狀因子近似），必然會喺複雜、非漫射或有遮擋嘅空間中引入誤差。呢點同電腦圖形學研究中使用嘅高保真、基於物理嘅渲染技術（例如基於Kajiya嘅開創性渲染方程嘅技術）形成鮮明對比。
可行建議：對於從業者嚟講，呢個工具對於早期、比較性設計研究（速度係關鍵）非常有價值。然而，對於最終照明設計合規性或詳細視覺舒適度分析，專用照明軟件（例如基於Radiance嘅工具）仍然必不可少。未來路徑清晰：該模型係一個良好基礎。下一步應該係採用分層方法——使用簡單模型進行快速迭代，並針對關鍵視點或最終驗證觸發更精確嘅輻射度或光子映射計算（例如開源Radiance套件中嘅計算），創建一個混合多保真度模擬環境。
4. 技術細節與數學公式
如本文所暗示，核心計算涉及直接同漫射分量嘅求和。一點嘅直接照度 $E_{direct}$ 受平方反比定律同入射角餘弦嘅支配，源自光源光度文件給出嘅光強 $I(\theta)$：
$E_{direct} = \frac{I(\theta) \cdot \cos(\alpha)}{d^2}$
其中 $d$ 係從源點到被照點嘅距離，$\alpha$ 係光線方向同表面法線之間嘅夾角。
漫射照度 $E_{diffuse}$ 被近似為直接分量同房間表面反射率嘅函數。一種常見嘅簡化方法（由「加權」暗示）係使用平均反射率 $\rho_{avg}$ 同一個相互反射因子，通常源自「流明法」或簡單形狀因子近似：
$E_{diffuse} \approx E_{direct} \cdot \frac{\rho_{avg}}{1 - \rho_{avg}}$（或考慮房間幾何形狀嘅類似公式）。
總照度 $E_{total}$ 為：$E_{total} = E_{direct} + E_{diffuse}$。
5. 實驗結果與圖表描述
本文將CIE測試案例（來自TC-3-33嘅場景1同3）應用於CODYRUN。雖然提供嘅摘錄中冇詳細說明具體數值結果，但呢類測試案例嘅目的通常係將軟件計算嘅指定網格點照度值與參考值或其他經過驗證嘅軟件結果進行比較。
圖1：直接光源 – 此示意圖描繪咗一個簡化嘅房間橫截面。天花板上顯示咗一個點光源。一條直線（光線）連接呢個光源到水平工作平面（例如書枱）上嘅特定點。標示咗入射角。此圖視覺化定義咗直接照度計算中使用嘅變量（距離、角度）。
圖2：漫射光 – 此圖說明咗相互反射嘅概念。佢可能顯示同一個房間，但而家有幾條箭頭喺牆壁、天花板同地板之間反彈，最終到達工作平面點。呢個代表唔係直接來自光源，而係來自反射嘅漫射分量，強調咗其對表面顏色（反射率）嘅依賴。
6. 分析框架：示例案例
場景：評估喺一個標準5米 x 5米 x 3米辦公室中，從螢光燈槽轉換為LED面板對照明性能及相關冷卻負荷影響。
使用CODYRUN模型嘅框架應用：
- 輸入定義：喺CODYRUN中創建兩個模型變體。變體A：使用現有螢光燈具嘅光度數據（IES/LDT文件）。變體B：使用擬議LED面板嘅光度數據。定義相同嘅工作平面高度（0.75米）同計算點網格。
- 模擬執行：為兩個變體運行照明模擬。簡化模型將計算每個網格點嘅 $E_{total}$。同時，CODYRUN嘅熱力引擎將計算來自照明系統嘅熱增益（基於其功率同輻射分數）。
- 分析：
- 照明指標：比較平均照度、均勻度比率（最小值/平均值）以及是否符合EN 12464-1等標準。
- 能源影響：比較照明功率密度（LPD）。
- 熱力影響：分析由於照明熱增益變化導致嘅顯熱冷卻負荷差異。
- 驗證檢查：對於關鍵點（例如窗戶下、角落），使用DIALux或手動公式快速計算照度值進行抽查，以評估簡化引入嘅誤差。
7. 應用前景與未來方向
將照明模擬整合到CODYRUN等整體建築性能工具中，開闢咗幾個未來方向：
- 日光與人工照明混合控制：下一步合乎邏輯嘅係整合經過驗證嘅日光模型（例如基於Perez天空模型）。咁樣將能夠模擬基於可用日光嘅電燈動態控制策略，對於預測實際節能效果至關重要。
- 視覺舒適度與非視覺效應：超越簡單照度，預測日光眩光概率（DGP）、統一眩光評級（UGR）同晝夜節律刺激等指標。呢點符合建築中對健康同福祉日益增長嘅關注，正如WELL建築標準所見。
- 模型保真度分級：開發自適應模擬框架，其中照明模型嘅詳細程度根據分析階段進行調整——簡單模型用於參數化探索，並自動觸發高保真Radiance模擬用於最終設計驗證。
- 與BIM同實時控制整合：使用模擬核心為實時建築管理系統（BMS）提供信息，或用於生成數據以訓練用於預測性照明控制嘅機器學習模型。
8. 參考文獻
- CODYRUN軟件。建築物理與系統實驗室（L.P.B.S）。
- CIE。（年份）。照明軟件評估測試案例。國際照明委員會，技術委員會TC-3-33。
- Reinhart, C. F. (2014). 日光手冊 I & II。 Building Technology Press。
- Kajiya, J. T. (1986). 渲染方程。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). RADIANCE照明模擬與渲染系統。Proceedings of the 21st Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques (SIGGRAPH '94), 459–472。