目錄
1. 簡介
本文針對 CODYRUN 軟體中的人工照明模擬功能進行驗證研究。CODYRUN 是由建築物理與系統實驗室開發的建築氣流與熱模擬計算工具。本研究旨在評估該軟體模擬此特定物理現象的可靠性，以釐清其限制與改進潛力。驗證採用了國際照明委員會第 33 技術委員會第 3 工作小組所開發的測試案例（特別是場景 1 和 3），該委員會為評估照明模擬軟體提供了標準化程序。
2. 室內照明計算之新簡化模型
為了定量確定室內照明，CODYRUN 整合了多個組合模型，同時考量人工光的直接與漫射分量。新引入的簡化模型在概念上類似於 DIALux 和 CALCULUX 等成熟照明設計軟體所使用的模型。
2.1 CODYRUN 模擬假設
該模型基於以下幾個關鍵假設運作：光散射被視為朗伯散射（各方向均勻）；燈具特性由製造商提供的光度數據描述，並簡化為其重心處的點光源；光源與工作面受照點之間無障礙物阻擋。
2.2 照明直接分量（來自人工光源）
工作面上某點的直射照度是根據光源的形態以及受照點相對於光源所張的立體角來計算。圖 1 說明了此概念，展示了光從天花板安裝的光源傳播到工作面上某點的過程。
2.3 照明漫射分量（來自室內相互反射）
漫射分量源自直射光在室內表面（牆壁、天花板、地板）的相互反射。此分量取決於這些表面的反射率（顏色）。CODYRUN 的模型透過以內牆的平均反射係數對直射照度進行加權來計算此分量，如圖 2 所示。
3. 核心洞察：分析師觀點
核心洞察： 這項工作代表了一種務實、以工程為導向的驗證方法，優先考慮計算效率以及與現有多物理場平台（CODYRUN）的整合，而非追求最高的物理精確度。選擇簡化、半詳細的模型而非如輻射度或光線追蹤等更嚴謹的方法，是一種策略性的權衡。
邏輯流程： 本文的邏輯直接且具說服力：1) 識別缺口（熱模擬器中缺乏經過驗證的照明模組）。2) 採用/開發適合整合的計算輕量模型。3) 以業界標準基準（CIE 測試案例）進行驗證。這是一個經典的軟體驗證與確認工作流程，類似於 ASHRAE 標準 140 或建築能源模擬的 BESTEST 程序中所討論的方法。
優勢與缺陷： 主要優勢在於整合本身。將照明與熱及氣流模擬結合，對於整體建築性能分析至關重要，影響照明與冷卻的能源使用。使用 CIE 基準增加了可信度。主要缺陷，作者也透過稱模型為「簡化」而承認，是對物理現象的顯著簡化。將複雜燈具簡化為點光源，並使用加權平均法處理相互反射（類似於粗糙的形狀因子近似），在複雜、非漫射或有障礙的空間中，將不可避免地引入誤差。這與電腦圖學研究中使用的基於物理的高保真渲染技術（例如基於 Kajiya 的開創性渲染方程所建構的技術）形成鮮明對比。
可行建議： 對於實務工作者而言，此工具在早期、比較性的設計研究中非常有價值，此時速度是關鍵。然而，對於最終的照明設計合規性或詳細的視覺舒適度分析，專用的照明軟體（例如基於 Radiance 的工具）仍然是必要的。未來路徑很明確：該模型是一個良好的基礎。下一步應採用分層方法——使用簡單模型進行快速迭代，並針對關鍵視點或最終驗證，觸發更精確的輻射度或光子映射計算（例如開源 Radiance 套件中的計算），從而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，核心計算涉及直接與漫射分量的總和。某點的直射照度 $E_{direct}$ 由平方反比定律和入射角的餘弦值決定，源自其光度檔案給出的光源發光強度 $I(\theta)$：
$E_{direct} = \frac{I(\theta) \cdot \cos(\alpha)}{d^2}$
其中 $d$ 是從光源點到受照點的距離，$\alpha$ 是光線方向與表面法線之間的夾角。
漫射照度 $E_{diffuse}$ 被近似為直接分量與房間表面反射率的函數。一種常見的簡化方法（由「加權」一詞提示）是使用平均反射率 $\rho_{avg}$ 和一個相互反射因子，該因子通常源自「流明法」或簡單的形狀因子近似：
$E_{diffuse} \approx E_{direct} \cdot \frac{\rho_{avg}}{1 - \rho_{avg}}$（或考慮房間幾何形狀的類似公式）。
總照度 $E_{total}$ 則為：$E_{total} = E_{direct} + E_{diffuse}$。
5. 實驗結果與圖表說明
本文將 CIE 測試案例（來自 TC-3-33 的場景 1 和 3）應用於 CODYRUN。雖然提供的摘要未詳細說明具體數值結果，但此類測試案例的目的通常是將軟體在指定網格點計算的照度值與參考值或其他經過驗證的軟體結果進行比較。
圖 1：直射光源 – 此示意圖描繪了一個簡化的房間剖面。天花板上顯示了一個點光源。一條直線（光線）連接此光源與水平工作面（例如書桌）上的特定點。圖中標示了入射角。此圖以視覺方式定義了直射照度計算中使用的變數（距離、角度）。
圖 2：漫射光 – 此圖說明了相互反射的概念。它可能顯示了同一個房間，但現在有多個箭頭在牆壁、天花板和地板之間反彈，最終到達工作面點。這代表了非直接來自光源而是來自反射的漫射分量，強調了其對表面顏色（反射率）的依賴性。
6. 分析框架：範例案例
場景： 評估在一個標準 5m x 5m x 3m 辦公室中，將螢光燈格柵燈具更換為 LED 面板的照明性能及相關冷卻負載影響。
使用 CODYRUN 模型的框架應用：
- 輸入定義： 在 CODYRUN 中創建兩個模型變體。變體 A：使用現有螢光燈具的光度數據（IES/LDT 檔案）。變體 B：使用擬議 LED 面板的光度數據。定義相同的工作面高度（0.75m）和計算點網格。
- 模擬執行： 對兩個變體執行照明模擬。簡化模型將計算每個網格點的 $E_{total}$。同時，CODYRUN 的熱引擎將計算來自照明系統的熱增益（基於其功率和輻射分數）。
- 分析：
- 照明指標： 比較平均照度、均勻度比（最小/平均），以及是否符合 EN 12464-1 等標準。
- 能源影響： 比較照明功率密度。
- 熱影響： 分析由於照明熱增益變化而導致的顯熱冷卻負載差異。
- 驗證檢查： 針對關鍵點（例如窗戶下方、角落），使用 DIALux 或手動公式進行快速計算，以點檢照度值，評估簡化引入的誤差。
7. 應用展望與未來方向
將照明模擬整合到如 CODYRUN 這樣的整體建築性能工具中，開啟了幾個未來方向：
- 日光與人工照明混合控制： 下一步合乎邏輯的發展是整合一個經過驗證的日光模型（例如基於 Perez 天空模型）。這將能夠模擬基於可用日光的電燈動態控制策略，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： 超越簡單的照度，預測如日光眩光機率、統一眩光評級和晝夜節律刺激等指標。這與建築中日益關注的健康與福祉趨勢相符，如 WELL 建築標準所示。
- 模型保真度分級： 開發一個自適應模擬框架，其中照明模型的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 及即時控制整合： 利用模擬核心為即時建築管理系統提供資訊，或用於生成數據以訓練機器學習模型，實現預測性照明控制。
8. 參考文獻
- CODYRUN 軟體。建築物理與系統實驗室。
- 國際照明委員會。（年份）。照明軟體評估測試案例。 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, 建築能源分析電腦程式評估標準測試方法。
- Ward, G. J. (1994). RADIANCE 照明模擬與渲染系統。第 21 屆電腦圖學與互動技術年度會議論文集 (SIGGRAPH '94), 459–472。