日照仪

日照仪（HEE-leo-don）是一种可以调整平面与光束角度的装置，以匹配特定纬度的水平面与太阳光束之间的角度。使用日照仪的主要族群是建筑师和建筑系的学生。透过将建筑模型放置在日照仪的平面上，并调整光线与表面角度，使用者可以观察建筑物在不同日期和时间的太阳光束下呈现的三维样貌。

## 历史

二战结束后不久的1950年代，人们普遍关注生产符合气候的建筑设计技术。在普林斯顿建筑实验室，奥尔吉亚（Olgyays）发明了热日照仪，希望透过建筑设计创造人类舒适的生理条件。热日照仪是一个与外界隔绝的圆顶屋，可让比例建筑模型模拟特定气候条件下的样貌，测量的精确度很高。该装置是一个覆盖式模拟环境，可评估缩小的模型在不同温度下的热性能。然而，由于规模对热性能的影响，要达成对太阳热能的精确评估成为一大问题。虽然热日照仪未能产生精确测量的环境，但该装置促进了研究建筑适应性与高效设计方向的进步，并奠定了生物气候设计原则的基础。

1950年代，英国主要机构的建筑研究站（BRS，Building Research Station）设计了日照仪，作为热带建筑与生物气候建筑的一部分。该机构旨在改善殖民地地区的住屋条件及地方资源建设开发。日照仪的设计目的是透过光点取代照射在建筑比例模型上的太阳。该装置可以移动和倾斜，以取得太阳在任何特定日期、时间或地点的精确位置。

1960年代，格尔雄·弗鲁林（Gershon Fruhling）在以色列发明了日照仪，并被美国专利局记录。这个日照仪由一个平台组成，用来放置将受评估之建筑模型的隔离性。水平平台的轴心可旋转，可在可旋转的垂直轴上摇晃。旋转允许时间与季节的调整，并可将单元几乎摆动到底座。轴的倾斜使得纬度在尺度上能调整成各种地理位置。任何外部光源与太阳光线皆可利用，且光源的位置可在观测过程中保持固定。这种日照仪是一种精确的仪器，能快速且简单地调整；而且提供精确定位的光源并非必要条件。

1990年代，现代的日照仪被发明，模拟速度更快且精度更高。EPFL位于洛桑的太阳能与建筑物理实验室LESO-PB设计了一款模拟直射光的机械日照仪。这种日照仪与天空扫描模拟器（人造天空）结合，预测建筑物全年的光线分布。该装置可重现在地球上任何地点直射光。

2000年代之后，建筑师、LEED AP及能源响应建筑专家诺伯特·莱希纳（Norbert Lechner）教授发明了手动的日照模拟器。他发明的日照仪，比起先前的模拟仪，这些模拟比之前的模拟仪更容易评估日光。太阳模拟仪 能精确展示所有太阳能响应设计原则与策略。虽然该装置只能放置小型建筑比例模型，但它是教授太阳几何的绝佳工具。这款日照仪由高精度装置公司制造，现在由betanit.com生产的Orchard日照仪作为替代装置，并获得该日照仪发明者批准。

自2004年起，意大利公司 betanit.com 开发由建筑师朱利奥·M·波德斯塔设计的多款日照仪，用于大学及建筑事务所的日照采光实验室。建筑师设计了Orchard日照仪，其特征与诺伯特·莱希纳开发的日照模拟器相似。为了更精确的模拟，设计了 Orange日照仪，一款易于使用且具固定光源的机械日照仪，于2007 年上市。此外，Orange 日照仪也曾在米兰理工大学 BEST 建筑设计实验室使用。它使用电脑化且自动的日照仪来重现日影。此外，建筑师设计了Tulip日照仪，一种固定光源的机器人日照仪，常与全圆顶人工天空结合，用于研究日照的协作设计与展示。

香港大学建筑系教授兼研究员郭振鹏（Kwok Pun Cheung）开发了多种日照仪。他也开发了一款简单的桌面多个光源的日照仪，供学校的建筑系使用。此外，还开发了一款带有移动光源的桌上日照仪，用于建筑师办公室。一种安装于相机三脚架上，专利的便携式阳光直射的日照仪，用于评估直射阳光对小型建筑模型或建筑构件的影响。

## 科学背景

地球是一个位于太空中的球体，不断拦截来自太阳的平行能量射线圆柱（想像一个被风吹起的网球。）。地球任何位置与太阳光束的角度由以下方式决定

- 该地点的纬度，也就是它在地球曲线上，介于赤道与其中一个极点之间的位置。
- 该地点的一天中时间，以日出至日落期间绕地球自转轴向东移动来衡量。
- 这个日期，将地球定位在每年绕太阳公转的轨道上。

由于日期造成的变化是最难以想像的。地球轴心稳定但“倾斜”：包含地球赤道的平面，垂直于该轴线，但并不与包含太阳中心与地球中心的平面（称为黄道）平行。把地球想像成摩天轮上的一辆车。车辆轴心始终指向“下方”，这会改变其与车轮中心的关系。轮子中央的灯会照到轨道顶端的车底，以及轨道底部的车顶。随着地球绕行，太阳光柱的中心线位置会改变，从北回归线（6月）滑动到南回归线（12月），再滑回来。这会根据日期改变地球上的太阳角度。“更多内容请参见日行迹。”

## 实用性

日照仪能模拟纬度、时间和日期。它们也必须在表面上明确的显示南北方向，以便建筑模型定位。有些日照仪非常复杂，利用高天花板上的轨道将灯光带过大型摄影棚。有些则非常简单，利用日晷作为调整的指引，并以白天的太阳作为光源。一般来说，日期调整对日照仪的设计者来说是最困难的，而光源则在使用时带来最多问题。太阳的平行光线不易用人工光线在使用的尺度上复制，而真实太阳则不拘泥截止日期或时间类别。

所有日照仪都能透过加入可移动、可倾斜的装置，设定为模型上任何表面以显示入射角而受益。入射角装置显示直接光束在表面的相对强度。该装置由一个同心圆环组成，环绕着一个垂直于图的投射指针。每个环代表直接射入地表太阳光的百分比。这个百分比从100%：光线垂直于图的指标直线延伸到0%：光线平行于图面且未击中表面。入射角的余弦值即为百分比；例如，0.9，即90%，对应的入射角为26.84度。角度下的环半径等于其切线乘以投射阴影指标的高度。例如，45度的入射角会产生约0.7，也就是70%的余弦值。由于45度的切线为1，70%环的半径将等于投影棒的高度。

## 日照仪的种类

### 手动桌上型日照仪

手动桌上型日照仪可用于任何纬度和时间日影分析。模型支撑平台安装于传统的桌子或书桌上，它可以旋转并倾斜照射缩小的建筑模型。这些日照仪是手动操作，无需电脑，且精度良好。模型支架安装在桌上，倾斜以示纬度并旋转以判断时间。为了模拟一年中的季节，单一光源使用一条标有月份的轨道，并挂在门边。该装置可用于室内有灯具的空间，以及户外有直射阳光的空间，以提升精确度。在户外使用时，辅以日晷控制模型架的倾斜与旋转。主要优点是价格实惠且体积小巧。太阳齿轮在已经熟悉太阳几何学的人使用时是准确的。但对于学习太阳几何和太阳响应设计的基本原理来说并不实用。

- 香港大学建筑系使用桌上型日照仪来设计建筑比例模型。日照仪主要用于教学和设计用途。

### 手动日照仪

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手动日照仪由一张平坦的桌子组成，桌面上放着缩小模型，而桌子则静止不动，仅有太阳灯在移动。日照仪由一个水平平台和七个环组成，代表每月第21天的太阳轨迹，并可旋转以模拟一天中的任何时间。它可作为建筑师、规划师和开发者的教学工具。日照仪可用于科学博物馆教授太阳几何与太阳响应设计原则。不依赖外部天空条件，评估任何纬度的日影分析都很简单。这种日照仪的调整和操作非常直觉。因为它容易理解和操作，这种日照仪只需有限的训练。

考虑到特性，手动日照仪也很适合以功能性、科学且有趣的方式向儿童解释太阳动力学和方位。

手动日照仪被多所大学使用，例如：

- 阿拉巴马州的奥本大学：该校使用直径48吋（1.2米）的Formica包裹太阳模拟器，称为HPD Model 126 日照仪。
- 德克萨斯州的德州基督教大学：大学的学生在照明设计专案中使用日照仪进行日光研究。
- 路易斯安那州的东南路易斯安那大学：大学将日照仪作为互动工具，用于了解建筑设计与太阳的教学目的。
- 内布拉斯加州的杜伦工程与建设学校：Norbert Lechner教授使用日照仪解释比例模型的日影分析。
- 位于印第安纳州鲍尔州立大学的CERES中心。
- 阿拉巴马贾德森学院。

### 固定光源的机械日照仪

这种机械日照仪星是最精确的日照仪。它用于在固定光源，并辅以机器人平台，在紧凑空间中评估比例模型。它是一种自动操作的日照仪，透过电脑的协助，将物理模型精确定位于两个轴上。这种机械日照仪能在比手动模型更大更重的模型上频繁进行测试与评估，以产生精确的实验结果。它们被用于大学、研究设施及永续建筑设计，开发实验室的采光研究。

部分机械日照仪会利用镜子折叠光路，让它们能在小房间内安装。这些房间通常保持黑暗，没有窗户，墙壁、天花板和地板通常是黑色。

机械日照仪被用于建筑学校、研究实验室及大型工程公司，例如：

- 洛桑的EPFL太阳能与建筑物理实验室LESO-PB（该实验室制造日照仪）使用机械日照仪模拟直射光。这种日照仪与天空扫描模拟器（人造天空）结合，预测建筑物全年的光线分布。此工具能在地球上任何地点复制直射的阳光。这种日照仪是实验室制造的工具，能在比例模型内产生模拟的日光，用于各种研究与设计目的。日光实验室制造此工具，旨在限制节能并透过更好利用建筑中的日光，提升使用者舒适度。此工具让建筑师、设计师与规划师能理解其建筑概念的影响。除了限制能源消耗外，实验室还致力于透过有效利用日光，提升建筑使用者的健康与生产力。此外，机械日照仪能协助实验室实现建筑物及城市的节能与可再生能源。

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- 墨西哥索诺拉州的国家住房与永续社区实验室使用由贝塔尼特（Betanit）生产的橘色日照仪。机械日照仪用于评估太阳路径及其与既有或新建建筑的互动。透过在机械日照仪下使用比例物理模型，有助于专案测量建筑的舒适度与能源效率。日照仪在考虑气候条件及能源整合时有高效率。由于建筑位于炎热干燥气候，自动的日照仪协助设计方案，提供间接的建筑学自然采光与通风，同时避免阳光直接进入建筑内部空间。由于机械日照仪的精确度，多项带有照片的研究被用来比较建成房屋与太阳模拟比例模型。结果揭示了建筑中采用适当设计特征的效率，该设计源自自动日照仪。
- 伦敦的阿鲁（Arup）：一家工程公司在他们的照明实验室使用贝塔尼特生产的橙色日照仪，帮助模拟太阳，用于实验和建筑。日光仪的照明模拟有助于快速辨识建筑物的日光穿透情况。阿鲁利用机器人日照仪设计永续、节能且屡获殊荣的照明概念。工程师与专家透过模拟太阳来分析建筑的日照效果，进行创新专案。此外，由弗朗切斯科·安塞尔莫（Francesco Anselmo）博士指导的论文计划也利用日照仪进行实验。日照仪也被阿鲁用于对“叶”的曲率及年度反射率研究，并与Betanit配合。

### 固定模型的机器人日照仪

这台机器人日照仪全自动，配备电脑，并配有灯光环绕着水平放置于桌上的固定比例模型。这种机器人日照仪可单独使用，或与穹顶人造天空整合，用于展示、照明设计及研究用途。在使用人造天空时，结合工具能高精度复制太阳与天空，并获得采光研究结果。固定比例模型可以比其它类型更大更重，让来源能绕模型取得评估结果、进行简报与观察。机器人日照仪让人们能轻松在周围和内部移动，进行采光的研究。

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自动化的机器人日照仪灯具有固定模型，广泛应用于研究机构、照明公司及大学实验室，例如：

- 堪萨斯大学：美国劳伦斯的照明研究实验室使用日照仪模拟器进行采光研究与宗旨。该装置由蔡鸿义博士开发，并由中国泉州华天测量设备有限责任公司订制。该模拟工具能以 0.1o精度将建筑物的比例模型绕过固定点进行3D角度移动。日照仪安装于暗房中，用于教学、研究及采光研究。
- 斯图加特应用科技大学：斯图加特的斯图加特应用科技大学，在其采光规划实验室使用机器人日照仪。实验室在采光模拟器中使用两种元素：人造天空和人造太阳。人造太阳模拟器由一个带有抛物面反射器的卤素灯泡组成，以模拟平行阳光。日照仪整合了一个配备30盏萤光灯，直径4.20米的人造天空。控制面板允许复制在全球任何地点、任何一天的太阳轨道。这种整合有助于高度精确地重现天空亮度与太阳周围辐射。建筑与设计系用于教学、采光研究、影子研究等研究。
- 巴滕巴赫（Bartenbach，蒂罗尔（Tyrol）：这家照明公司使用置于直径6.5米人造天空内的日照仪，搭配许多小型灯泡，并结合可视化模型与计算，进行采光设计。该照明公司在复杂建筑结构的研究开发中使用日照仪模拟采光。该公司使用该工具用于建筑照明设计，用于绿色建筑认证系统的绿色建筑认证、报告及咨询。
- 阿拉伯联合酋长国大学（UAEU）利用一台由 betanit.com 在全穹顶人造天空内制造的强大机器人日照仪，以高精度评估比例模型的采光效果。日照仪由一盏 1200W的HMI灯供电，并配备客制化光学系统，能在支撑比例模型的桌面上重现200,000至600,000 lx 的范围内的照明。带有人造天空的机器人日照仪被用于永续建筑设计与技术的研究目的。

## 日照仪的照明手册

照明工程学会（Illuminating Engineering Society，缩写为IES）出版了一本照明手册，将日照仪作为评估采光设计的工具之一。该手册是全球知名的参考书，也是指引，帮助照明专业人士与实务者了解光线对人体健康的影响，并透过高效的照明研究与设计促进永续发展。在手册中，日照仪被介绍为一种照明软件工具，用于研究实体比例模型的采光性能。它通常由建筑师和工程师使用。