人造天空

人造天空（artificial sky）是一個模擬天穹頂光線的模擬裝置。一個建築比例模型或1：1的全尺寸飛機置於人造天空下，以預測日光滲透到不同情境、複雜幾何形狀或嚴重阻塞窗戶的建築物或飛機內。人造天空的概念源自於日照儀在評估漫射天光成分時提供穩定照明環境的限制。

## 描述

人造天空主要應用於建築領域，用以分析建築物與空間中的日光。建築學生、建築師、研究人員、照明設計師、照明工程師、汽車及航空太空（航空航天）工程人員會將模擬裝置用於各種用途。該儀器的多種版本被用於建築學校的實驗室及實務中，用於日照的學習與研究。照明工程師與設計師利用人造天空來測量照明的水準。該儀器用於檢視汽車與航空工程中駕駛艙內工具的可見性，以提升行車與飛行安全。

自1914年起，建築師與照明工程師使用人造天空來尋找模擬天空的方法，從而測量建築物的物理模型以實現室內照明。

一般而言，建築內部日照會在設計階段透過物理模型觀察與評估，來分析真實天空下的光線強度，但亮度持續變化，且難以獲得穩定結果，因此人造天空是預測日光穿透的理想方式。

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人造天空可以不受自然天空天氣條件的限制，複製標準與統計的天空。一般來說，人造天空可使用照度計、資料記錄系統、微型攝影相機，並可以是手動或電腦化系統。拱頂部分可以部分或完全複製天空的光照。複製天光有三種方式：直接光照、反射或擴散。透過反射，聚光燈照射到模型下方照亮白色圓頂，圓頂上的反射會照亮模型。如果真實天空發出漫射光，最現實的原理是天空透過擴散來運作。通常，人造天空呈現球體形狀。最實用的系統是將人造天空與機械化日照儀整合，以重現陽光。

透過利用人造天空測量與估算日光穿透，建築設計師與工程師可透過控制照明來降低能源，模擬能提供一種降低建築環境影響的日光設計，減少對照明、暖氣和冷卻的需求。透過分析建築照明模擬的問題，使用人造天空的模擬模型能提供寶貴的建議，以達成建築與空間的最佳設計方案。日光研究有助於設計被動式節能屋、零碳建築及生態建築設計。

為了解決汽車顯示器在環境光下因眩光和螢幕褪色所產生的可讀性問題，人造天空提供一個明亮環境，讓設計師與工程師能處理任何問題。

主要歸功於創新的設計形式，模擬的運用有助於避免建築立面產生的眩光與反射熱。由於強烈的陽光影響周遭城市環境，熱度與眩光也影響到附近街道和建築物內的人們。該模擬裝置將讓設計師避免在對講機和華特·迪士尼音樂廳因反射熱和眩光而造成損害。為避免戶外區域及建築物因反射陽光過熱，設計階段使用人造天空模擬此類建築形態，能避免高昂的後續裝修成本及損害。

人造天空類型包括鏡盒、全圓頂天空、虛擬圓頂及反射器。

## 人造天空的類型

### 鏡盒

鏡盒是一種人造天空，由明亮的天花板和鏡面牆壁組成，用來模擬均勻或陰天的天空。在鏡面盒中，透過鏡面牆反射的光線產生一致的亮度分布，並模擬CIE（國際照明委員會）標準的陰天天空估算。光源是白色漫射材料，由多盞燈從後方照射，藉由感測器將光線擴散到整個房間。房間四周的牆壁環繞著垂直排列的平面鏡，透過反射與相互反射，呈現出明亮天花板的影像

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典型的鏡盒是長方形或八角形的盒子，可安裝在任何實驗室中。鏡盒是一種簡單、緊湊且價格低廉的人造天空。但它只能模擬標準的陰天天空；因此，它適用於採光係數（Daylight factor，縮寫為「DF」）的分析。

鏡盒人工類型在大學中被使用，例如：

- 在環境規劃與技術中心（CEPT大學），在建築與能源先進研究中心（CARBSE）的實驗室安裝了一台鏡盒式人造天空，用於分析日光。在大學的淨零能耗大樓（NZEB）生活實驗室中，測試室設有一個鏡盒式人造天空，供學術研究與產業測試使用。
- 在西敏大學（University of Westminster）的客製化人造天空製作實驗室，設計了一個客製化的鏡面盒人造天空。在內部尺寸2.5mx2.5m的空間，該工具包含大型建築模型以測量採光係數。

### 反射器

反射圓頂天空模擬器採用反射不透明圓頂表面，以重現均勻與非均勻的天空。圓頂內部的照明系統設計用以產生與標準陰天不同的天空分布。人工圓頂利用反射面照射天空分布，並在放置在可旋轉桌面上的比例模型上評估日光效果。此外，它也能與人造太陽整合，以模擬陽光。與鏡面盒相比，反射圓頂天空的使用更為可調整，且其變體在市場上廣泛販售。

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人造天空反射技術可在大學及研究實驗室中取得，例如：

- 斯洛伐克布拉提斯拉瓦的斯洛伐克科學院：該學院於1973年在建築與建築研究所建造了一座柔性反射圓頂。直徑8公尺的半球形人造天空，並搭配直徑1.2公尺的拋物面鏡太陽，能完全調整均勻與非均勻的陰天。人造天空是一個管狀結構，由石膏灰泥覆蓋金屬網，設計於一個圓形的「水平」管上，懸掛於實驗室天花板上，宛如大型白色吊燈。美國加州的勞倫斯柏克萊國家實驗室於1981年建造了直徑7.32公尺的反射圓頂，設計用以模擬均勻天空、陰天天空及各種晴空的亮度分布。使用直徑1.5公尺的太陽模擬器。金屬圓頂維持在一面七英尺高的圓柱形夾板牆上，使大型模型能透過大型門進出。由於內部噴塗高反射率的白色油漆，反射率可達80%。高輸出螢光燈與壓艙物的照明系統，在均勻天空下可提供約5000 lx的照明水平，在陰天時為3500 lx，在一般晴朗天空下超過6000 lx。可容納寬度達6英尺的大型建築模型，並可讓整個平台旋轉。
- 俄羅斯莫斯科佩羅沃區的中央工業建築研究所：在中央建築物理研究所新實驗室的人造天空與照明工程設施下，評估研究項目。一座直徑9公尺、配備16盞均勻亮度燈泡的天穹頂，並在天空外設有拋物面鏡邊，還有直徑0.9公尺的太陽模擬器。
- 美國密西根州安娜堡的密西根大學：使用直徑9.2公尺的人造天空，利用直徑1.5公尺的拋物面圓盤太陽模擬器，測量與評估陰天、均勻且晴朗的天空條件。

### 虛擬穹頂

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虛擬穹頂透過掃描流程複製天空拱頂，用於模擬地球上任何時間、地點的精確天空亮度分佈。因為它能模擬任何類型的天空，因此這種人造天空具有彈性。為了降低成本與空間，虛擬穹頂採用重型機器人及精細控制系統。模擬結果僅透過電腦螢幕，經過多次模擬組合的過程來測量。它利用人造天空和太陽模擬器，在旋轉平台上提供比例模型的日光模擬。人造穹頂於90年代初被發明，因此是最新型的人造天空。

雖然它是最精確的工具，但無法直接感知模擬結果。由於虛擬穹頂無法直接感知，此工具主要由科學家使用，而非為設計師設計。

虛擬穹頂人造天空可在大學及研究實驗室使用，例如：

- EPFL太陽能與建築物理實驗室LESO-PB，沃州（實驗室製造的人造天空），該研究實驗室開發了掃描天空模擬器，能夠精確複製各類天空的亮度分布，作為其它天空模擬器的基礎。該工具利用掃描程序，從半球的六分之一開始，重建整個天空半球。整體半球基於特雷根扎的145個光區模型，透過六步掃描重建。照度的定量資料與數位影像的質性資料會被補充至程序結束時。它是一種精確的工具，適用於任何時間與地點，能在物理比例模型中取得漫射光測量，以評估創新建築解決方案與採光系統。實驗室打造此儀器旨在透過高效利用降低採光來節能並提升使用者舒適度。
- 除了人工太陽外，杜林理工大學杜林理工學院（Politecnico di Torino）（IT）、的杜林（Turin）日光實驗室製造了人工掃描天空。天空掃描模擬器是在天空半球的細分模型上進行描述。穹頂細分為145個圓形區域，每個區域均具均勻亮度。這些區域是利用設置在半球形表面上的圓形燈具來複製的。該結構由25座燈具組成，佔整個直徑7公尺半球的六分之一。模擬的各種天空條件，包括陰天、晴天和介於兩者之間的天空，對應標準模型和真實亮度值。天空掃描模擬器與太陽模擬器使得在研究與設計成果中所用的比例模型產生模擬的日光成為可能。所獲得的成果包括光度測量數據與發光空間的數位影像。穹頂是為建築師、工程師、照明設計師及研究人員建造的。
- 新加坡柏克萊教育研究聯盟（BEARS）、新加坡（商業人造天空）專注於永續與低碳解決方案的實驗室，採用 Betanit.com 製造的商業虛擬穹頂。該裝置評估可在有限實驗室空間內，透過建築比例模型複製的建築的視覺與照明表現。人造天空可利用145個區塊模擬任何天空分布。
- 艾哈邁達巴德CEPT大學（商業人造天空）使用由 Betanit.com 在其CARBSE研究實驗室製造的虛擬穹頂Kiwi造天空的組件，其光源由CARBSE團隊開發。這些建築比例模型置於轉盤平台上，進行採光

研究評估。為了進行分析，轉盤可將模型至兩個不同的軸向上旋轉，並提供用於學術及研究目的的採光研究測量。

### 全穹頂

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全穹頂是一種人造天空，能利用可調光燈具模擬任何形式的天空分布。模擬與採光量的取得皆透過電腦進行。當與日照儀整合時，該裝置能在全球的 任意位置複製直接的陽光。全穹頂是目前最先進的人造天空類型。它們是最快速、最強大且價格最高的模擬器。學生與研究人員利用此方法優化建築空間中的採光研究。

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全穹頂人造天空可在大學、研究實驗室及大型照明公司使用，例如：

- 威爾斯的卡迪夫大學（客製化人造天空）：威爾斯建築學院使用配備640盞螢光燈，直徑8公尺的人造天空。這些燈泡被分段控制，模擬陽光和太陽路徑，研究放置在旋轉桌上的比例模型。
- 巴滕巴赫，提洛邦（客製化人造天空）：該照明公司使用直徑6.5公尺、配備393盞燈泡的人造天空，進行採光設計，並結合可視化模型與計算。
- 艾因的阿聯大學（商業人造天空）：大學在其由 betanit.com 設計製造的採光模擬實驗室中安裝了整合機器人日照儀的全穹頂人造天空。直徑4.5公尺的半圓頂利用電腦控制模擬多種天空條件。陰天天空的照度為20000 lx，晴空時超過60000 lx。人造工天空的精確與彈性來自於熱監測的光斑，這些光斑由電腦控制，能以穩固且穩定的光分布層次重現在任何地點、任何時間與天空。人造天空被用於教學，如照明與採光設計，以及大學在永續建築設計與技術的其它研究領域。
- 倫敦巴特利特的倫敦大學學院（UCL）（訂製人造天空）：巴特利特建築環境學院、建築學生利用直徑5.2公尺的測地半球圓頂，在概念比例模型上模擬多種天空條件。該裝置由倫敦大學學院的彼得·雷納姆（lengx|en|Peter Raynham）及研究助理訂製。810個獨立控制的LED模組與850mm寬的拋物面反射器置於拱形內部，可模擬太陽的軌跡。該系統提供比CAD 3D模型更互動的學習體驗。
- 馬爾他大學（商業人造天空）：該大學利用 betanit.com 製造的日照儀人造天空進行採光研究，主要用於教學、研究及設計目的。
- 吉隆坡瑪拉工藝大學（UiTM），（商業製造的人造天空）：該大學在吉隆坡的採光實驗室引入了betanit.com的杜里恩人造天空製成的全穹頂人造天空。杜里恩人造天空穹頂被用於設計溫度、光強、建築朝向與位置，以及馬來西亞環境中熱帶氣候建築的照明區域。它透過都市模擬提供場地情境的通用建模，並判定場地各位置的天空強度資料。模擬有助於設計模組的配置，使其分散，從而決定場地的光強度。此外，模擬有助於實現位於熱帶氣候建築的能源效率

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- NIISF：俄羅斯銀松莫斯科的建築物理研究所：使用直徑16.8公尺的半球體天空模擬器，配備2,000個光模組及五個固定高度的拋物面穩定太陽反射器。
- 斯圖加特的斯圖加特應用科學大學的採光規劃實驗室使用直徑4.20公尺的半透明半球體，配備30盞螢光燈，以及帶有拋物面反射器的鹵素燈泡人造太陽模擬器。該裝置能精確複製天空亮度及環太陽輻射。它能重現晴天、陰天或多雲天空的分布。
- 奧克拉荷馬州立大學（Oklahoma State University，縮寫為 OSU）：使用了建於2007年，包含一個透地測地圓頂的透光人造天空，該穹頂由半透明擴散的「萊克珊」（Lexan）塑膠組成，並置於法蘭式自承板中。