日照儀

日照儀（HEE-leo-don）是一種可以調整平面與光束角度的裝置，以匹配特定緯度的水平面與太陽光束之間的角度。使用日照儀的主要族群是建築師和建築系的學生。透過將建築模型放置在日照儀的平面上，並調整光線與表面角度，使用者可以觀察建築物在不同日期和時間的太陽光束下呈現的三維樣貌。

## 歷史

二戰結束後不久的1950年代，人們普遍關注生產符合氣候的建築設計技術。在普林斯頓建築實驗室，奧爾吉亞（Olgyays）發明了熱日照儀，希望透過建築設計創造人類舒適的生理條件。熱日照儀是一個與外界隔絕的圓頂屋，可讓比例建築模型模擬特定氣候條件下的樣貌，測量的精確度很高。該裝置是一個覆蓋式模擬環境，可評估縮小的模型在不同溫度下的熱性能。然而，由於規模對熱性能的影響，要達成對太陽熱能的精確評估成為一大問題。雖然熱日照儀未能產生精確測量的環境，但該裝置促進了研究建築適應性與高效設計方向的進步，並奠定了生物氣候設計原則的基礎。

1950年代，英國主要機構的建築研究站（BRS，Building Research Station）設計了日照儀，作為熱帶建築與生物氣候建築的一部分。該機構旨在改善殖民地地區的住屋條件及地方資源建設開發。日照儀的設計目的是透過光點取代照射在建築比例模型上的太陽。該裝置可以移動和傾斜，以取得太陽在任何特定日期、時間或地點的精確位置。

1960年代，格爾雄·弗魯林（Gershon Fruhling）在以色列發明了日照儀，並被美國專利局記錄。這個日照儀由一個平台組成，用來放置將受評估之建築模型的隔離性。水平平台的軸心可旋轉，可在可旋轉的垂直軸上搖晃。旋轉允許時間與季節的調整，並可將單元幾乎擺動到底座。軸的傾斜使得緯度在尺度上能調整成各種地理位置。任何外部光源與太陽光線皆可利用，且光源的位置可在觀測過程中保持固定。這種日照儀是一種精確的儀器，能快速且簡單地調整；而且提供精確定位的光源並非必要條件。

1990年代，現代的日照儀被發明，模擬速度更快且精度更高。EPFL位於洛桑的太陽能與建築物理實驗室LESO-PB設計了一款模擬直射光的機械日照儀。這種日照儀與天空掃描模擬器（人造天空）結合，預測建築物全年的光線分布。該裝置可重現在地球上任何地點直射光。

2000年代之後，建築師、LEED AP及能源響應建築專家諾伯特·萊希納（Norbert Lechner）教授發明了手動的日照模擬器。他發明的日照儀，比起先前的模擬儀，這些模擬比之前的模擬儀更容易評估日光。太陽模擬儀 能精確展示所有太陽能響應設計原則與策略。雖然該裝置只能放置小型建築比例模型，但它是教授太陽幾何的絕佳工具。這款日照儀由高精度裝置公司製造，現在由betanit.com生產的Orchard日照儀作為替代裝置，並獲得該日照儀發明者批准。

自2004年起，義大利公司 betanit.com 開發由建築師朱利奧·M·波德斯塔設計的多款日照儀，用於大學及建築事務所的日照採光實驗室。建築師設計了Orchard日照儀，其特徵與諾伯特·萊希納開發的日照模擬器相似。為了更精確的模擬，設計了 Orange日照儀，一款易於使用且具固定光源的機械日照儀，於2007 年上市。此外，Orange 日照儀也曾在米蘭理工大學 BEST 建築設計實驗室使用。它使用電腦化且自動的日照儀來重現日影。此外，建築師設計了Tulip日照儀，一種固定光源的機器人日照儀，常與全圓頂人工天空結合，用於研究日照的協作設計與展示。

香港大學建築系教授兼研究員郭振鵬（Kwok Pun Cheung）開發了多種日照儀。他也開發了一款簡單的桌面多個光源的日照儀，供學校的建築系使用。此外，還開發了一款帶有移動光源的桌上日照儀，用於建築師辦公室。一種安裝於相機三腳架上，專利的便攜式陽光直射的日照儀，用於評估直射陽光對小型建築模型或建築構件的影響。

## 科學背景

地球是一個位於太空中的球體，不斷攔截來自太陽的平行能量射線圓柱（想像一個被風吹起的網球。）。地球任何位置與太陽光束的角度由以下方式決定

- 該地點的緯度，也就是它在地球曲線上，介於赤道與其中一個極點之間的位置。
- 該地點的一天中時間，以日出至日落期間繞地球自轉軸向東移動來衡量。
- 這個日期，將地球定位在每年繞太陽公轉的軌道上。

由於日期造成的變化是最難以想像的。地球軸心穩定但「傾斜」：包含地球赤道的平面，垂直於該軸線，但並不與包含太陽中心與地球中心的平面（稱為黃道）平行。把地球想像成摩天輪上的一輛車。車輛軸心始終指向「下方」，這會改變其與車輪中心的關係。輪子中央的燈會照到軌道頂端的車底，以及軌道底部的車頂。隨著地球繞行，太陽光柱的中心線位置會改變，從北回歸線（6月）滑動到南回歸線（12月），再滑回來。這會根據日期改變地球上的太陽角度。「更多內容請參見日行跡。」

## 實用性

日照儀能模擬緯度、時間和日期。它們也必須在表面上明確的顯示南北方向，以便建築模型定位。有些日照儀非常複雜，利用高天花板上的軌道將燈光帶過大型攝影棚。有些則非常簡單，利用日晷作為調整的指引，並以白天的太陽作為光源。一般來說，日期調整對日照儀的設計者來說是最困難的，而光源則在使用時帶來最多問題。太陽的平行光線不易用人工光線在使用的尺度上複製，而真實太陽則不拘泥截止日期或時間類別。

所有日照儀都能透過加入可移動、可傾斜的裝置，設定為模型上任何表面以顯示入射角而受益。入射角裝置顯示直接光束在表面的相對強度。該裝置由一個同心圓環組成，環繞著一個垂直於圖的投射指針。每個環代表直接射入地表太陽光的百分比。這個百分比從100%：光線垂直於圖的指標直線延伸到0%：光線平行於圖面且未擊中表面。入射角的餘弦值即為百分比；例如，0.9，即90%，對應的入射角為26.84度。角度下的環半徑等於其切線乘以投射陰影指標的高度。例如，45度的入射角會產生約0.7，也就是70%的餘弦值。由於45度的切線為1，70%環的半徑將等於投影棒的高度。

## 日照儀的種類

### 手動桌上型日照儀

手動桌上型日照儀可用於任何緯度和時間日影分析。模型支撐平台安裝於傳統的桌子或書桌上，它可以旋轉並傾斜照射縮小的建築模型。這些日照儀是手動操作，無需電腦，且精度良好。模型支架安裝在桌上，傾斜以示緯度並旋轉以判斷時間。為了模擬一年中的季節，單一光源使用一條標有月份的軌道，並掛在門邊。該裝置可用於室內有燈具的空間，以及戶外有直射陽光的空間，以提升精確度。在戶外使用時，輔以日晷控制模型架的傾斜與旋轉。主要優點是價格實惠且體積小巧。太陽齒輪在已經熟悉太陽幾何學的人使用時是準確的。但對於學習太陽幾何和太陽響應設計的基本原理來說並不實用。

- 香港大學建築系使用桌上型日照儀來設計建築比例模型。日照儀主要用於教學和設計用途。

### 手動日照儀

手動日照儀由一張平坦的桌子組成，桌面上放著縮小模型，而桌子則靜止不動，僅有太陽燈在移動。日照儀由一個水平平台和七個環組成，代表每月第21天的太陽軌跡，並可旋轉以模擬一天中的任何時間。它可作為建築師、規劃師和開發者的教學工具。日照儀可用於科學博物館教授太陽幾何與太陽響應設計原則。不依賴外部天空條件，評估任何緯度的日影分析都很簡單。這種日照儀的調整和操作非常直覺。因為它容易理解和操作，這種日照儀只需有限的訓練。

考慮到特性，手動日照儀也很適合以功能性、科學且有趣的方式向兒童解釋太陽動力學和方位。

手動日照儀被多所大學使用，例如：

- 阿拉巴馬州的奧本大學：該校使用直徑48吋（1.2公尺）的Formica包裹太陽模擬器，稱為HPD Model 126 日照儀。
- 德克薩斯州的德州基督教大學：大學的學生在照明設計專案中使用日照儀進行日光研究。
- 路易斯安那州的東南路易斯安那大學：大學將日照儀作為互動工具，用於了解建築設計與太陽的教學目的。
- 內布拉斯加州的杜倫工程與建設學校：Norbert Lechner教授使用日照儀解釋比例模型的日影分析。
- 位於印第安納州鮑爾州立大學的CERES中心。
- 阿拉巴馬賈德森學院。

### 固定光源的機械日照儀

這種機械日照儀星是最精確的日照儀。它用於在固定光源，並輔以機器人平台，在緊湊空間中評估比例模型。它是一種自動操作的日照儀，透過電腦的協助，將物理模型精確定位於兩個軸上。這種機械日照儀能在比手動模型更大更重的模型上頻繁進行測試與評估，以產生精確的實驗結果。它們被用於大學、研究設施及永續建築設計，開發實驗室的採光研究。

部分機械日照儀會利用鏡子折疊光路，讓它們能在小房間內安裝。這些房間通常保持黑暗，沒有窗戶，牆壁、天花板和地板通常是黑色。

機械日照儀被用於建築學校、研究實驗室及大型工程公司，例如：

- 洛桑的EPFL太陽能與建築物理實驗室LESO-PB（該實驗室製造日照儀）使用機械日照儀模擬直射光。這種日照儀與天空掃描模擬器（人造天空）結合，預測建築物全年的光線分布。此工具能在地球上任何地點複製直射的陽光。這種日照儀是實驗室製造的工具，能在比例模型內產生模擬的日光，用於各種研究與設計目的。日光實驗室製造此工具，旨在限制節能並透過更好利用建築中的日光，提升使用者舒適度。此工具讓建築師、設計師與規劃師能理解其建築概念的影響。除了限制能源消耗外，實驗室還致力於透過有效利用日光，提升建築使用者的健康與生產力。此外，機械日照儀能協助實驗室實現建築物及城市的節能與可再生能源。
- 墨西哥索諾拉州的國家住房與永續社區實驗室使用由貝塔尼特（Betanit）生產的橘色日照儀。機械日照儀用於評估太陽路徑及其與既有或新建建築的互動。透過在機械日照儀下使用比例物理模型，有助於專案測量建築的舒適度與能源效率。日照儀在考慮氣候條件及能源整合時有高效率。由於建築位於炎熱乾燥氣候，自動的日照儀協助設計方案，提供間接的建築學自然採光與通風，同時避免陽光直接進入建築內部空間。由於機械日照儀的精確度，多項帶有照片的研究被用來比較建成房屋與太陽模擬比例模型。結果揭示了建築中採用適當設計特徵的效率，該設計源自自動日照儀。
- 倫敦的阿魯（Arup）：一家工程公司在他們的照明實驗室使用貝塔尼特生產的橙色日照儀，幫助模擬太陽，用於實驗和建築。日光儀的照明模擬有助於快速辨識建築物的日光穿透情況。阿魯利用機器人日照儀設計永續、節能且屢獲殊榮的照明概念。工程師與專家透過模擬太陽來分析建築的日照效果，進行創新專案。此外，由弗朗切斯科·安塞爾莫（Francesco Anselmo）博士指導的論文計畫也利用日照儀進行實驗。日照儀也被阿魯用於對「葉」的曲率及年度反射率研究，並與Betanit配合。

### 固定模型的機器人日照儀

這台機器人日照儀全自動，配備電腦，並配有燈光環繞著水平放置於桌上的固定比例模型。這種機器人日照儀可單獨使用，或與穹頂人造天空整合，用於展示、照明設計及研究用途。在使用人造天空時，結合工具能高精度複製太陽與天空，並獲得採光研究結果。固定比例模型可以比其它類型更大更重，讓來源能繞模型取得評估結果、進行簡報與觀察。機器人日照儀讓人們能輕鬆在周圍和內部移動，進行採光的研究。

自動化的機器人日照儀燈具有固定模型，廣泛應用於研究機構、照明公司及大學實驗室，例如：

- 堪薩斯大學：美國勞倫斯的照明研究實驗室使用日照儀模擬器進行採光研究與宗旨。該裝置由蔡鴻義博士開發，並由中國泉州華天測量設備有限責任公司訂製。該模擬工具能以 0.1o精度將建築物的比例模型繞過固定點進行3D角度移動。日照儀安裝於暗房中，用於教學、研究及採光研究。
- 斯圖加特應用科技大學：斯圖加特的斯圖加特應用科技大學，在其採光規劃實驗室使用機器人日照儀。實驗室在採光模擬器中使用兩種元素：人造天空和人造太陽。人造太陽模擬器由一個帶有拋物面反射器的鹵素燈泡組成，以模擬平行陽光。日照儀整合了一個配備30盞螢光燈，直徑4.20公尺的人造天空。控制面板允許複製在全球任何地點、任何一天的太陽軌道。這種整合有助於高度精確地重現天空亮度與太陽周圍輻射。建築與設計系用於教學、採光研究、影子研究等研究。
- 巴滕巴赫（Bartenbach，蒂羅爾（Tyrol）：這家照明公司使用置於直徑6.5公尺人造天空內的日照儀，搭配許多小型燈泡，並結合可視化模型與計算，進行採光設計。該照明公司在複雜建築結構的研究開發中使用日照儀模擬採光。該公司使用該工具用於建築照明設計，用於綠色建築認證系統的綠色建築認證、報告及諮詢。
- 阿拉伯聯合大公國大學（UAEU）利用一台由 betanit.com 在全穹頂人造天空內製造的強大機器人日照儀，以高精度評估比例模型的採光效果。日照儀由一盞 1200W的HMI燈供電，並配備客製化光學系統，能在支撐比例模型的桌面上重現200,000至600,000 lx 的範圍內的照明。帶有人造天空的機器人日照儀被用於永續建築設計與技術的研究目的。

## 日照儀的照明手冊

照明工程學會（Illuminating Engineering Society，縮寫為IES）出版了一本照明手冊，將日照儀作為評估採光設計的工具之一。該手冊是全球知名的參考書，也是指引，幫助照明專業人士與實務者了解光線對人體健康的影響，並透過高效的照明研究與設計促進永續發展。在手冊中，日照儀被介紹為一種照明軟體工具，用於研究實體比例模型的採光性能。它通常由建築師和工程師使用。