一种用于办公建筑实时采光计算的紧凑型嵌入式光度测量设备的设计与验证

摘要： 研究表明，自然采光能为建筑使用者带来显著的视觉与非视觉效益。为在维持舒适视觉环境的同时优化自然采光供给，建筑设计与学术研究领域已对采光控制系统进行了多年探索。然而，建筑自然采光的实时调控需要高精度的瞬态采光模拟——而现有采光模拟效果极大程度上受制于所采用的天空亮度分布模型：这些模型因过度简化和有限的亮度采样输入，仅能粗略再现真实天空特征。 本文提出一种嵌入式光度测量装置，通过低成本图像传感器与现场可编程门阵列（FPGA）微处理器，将基于高动态范围（HDR）成像的高分辨率天空亮度监测与准实时机载采光计算相结合。我们制定了针对整个成像系统的专项校准流程（包括光谱响应[光谱校正误差f'1=8.89%]、渐晕效应及信号响应），并通过实验验证其有效性。该装置可同步测量宽幅亮度范围（150dB），涵盖直射日光盘面、天空穹顶及景观区域。 最后分别在不同晴朗与阴天主导条件下开展实验，从定性与定量两方面评估其采光模拟性能。实验结果表明：该装置在太阳追踪方面表现优异，且能将采光模拟误差降至常规Perez全天气天空模型（用于办公楼工作面照度计算）常见实践误差的三分之一。