給太陽定價的方法
A Method to‘Price’the Sun
2015年5月1日
國家千人計劃專家張曉東博士是世界上第一個提出將太陽光作為非純能源屬性資源進行研究的人。張博士于2008年回國后，開始對山東國家級光資源研究中心和光資源工程應(yīng)用研究所進行籌建，并在世界上首次提出對太陽光資源進行定價的想法和若干具體方法。本文介紹張博士作為第一個試圖給太陽定價(Price the Sun)的人，所建議的一種量化定價方法，供建筑同行借鑒、批評與研討，更愿意誠征合作者共同構(gòu)建人類光資源研究大廈之基礎(chǔ)。
1、定義：暗空間內(nèi)太陽光的價格。
2、暗空間的定義：如果一個空間與自然環(huán)境相連通路的直徑小于8厘米，或雖大于8厘米但其自然光亮度小于100lux。
3、計量單位：個太陽/暗立方。
4、舉例說明：目前我定的價格約為100元/個太陽/暗立方（可遵循線性或非線性的類似摩爾定律）。
5、暗立方的定義是：暗空間內(nèi)需要享受陽光的面積X暗空間與自然環(huán)境相連通路的長度/暗空間與自然環(huán)境相連通路的直徑。
6、比如，一個距離地面1米的地下室，如果其需要照明的面積是10平方米，而且地下室和地面之間的光導(dǎo)管直徑只有0.05米。那么這個地下室的暗立方是：10X1/0.05=200暗立方。
7、按照上述例子，200暗立方X100元/個太陽/暗立方=2萬元。相當(dāng)于5套光擎系統(tǒng)的成本（可遵循線性或非線性的類似摩爾定律）。
8、上述例子中，價值2萬元的5套光擎系統(tǒng)能讓身處于上述暗空間里的人感受到相當(dāng)于實時的戶外一個太陽的亮度。所謂實時，指當(dāng)戶外晴空萬里陽光燦爛時，室內(nèi)也會很亮，讓人感受到晴空萬里陽光燦爛的照度；然而當(dāng)戶外有云層，陽光不是非常強烈時，那么室內(nèi)的人也會感到相應(yīng)減弱的陽光亮度。
9、在上述例子中，如果用戶愿意再多花2萬元（即總共4萬元，10套光擎），則可以在室內(nèi)造成近似實時兩個太陽的效果。
克服暗立方的太陽定價方法研究：一種用于衡量密閉無窗的黑暗空間內(nèi)導(dǎo)入陽光效率的裝置和方法
基于在光導(dǎo)方面接近20年的工作經(jīng)驗，作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)前存在如下三個基本事實：
一、如果想向密閉的黑暗空間內(nèi)提供自然光，唯一手段是光導(dǎo)，即將自然的日光以波導(dǎo)的形式，從室外傳導(dǎo)到黑暗空間內(nèi)。
二、光導(dǎo)的方法中，定日鏡反射、光導(dǎo)管、光纖是三類主流技術(shù)。
三、目前在世界范圍內(nèi)沒有對上述三類主流技術(shù)施工完成后進行效率驗收的統(tǒng)一的專門工具和方法。就是說，光導(dǎo)系統(tǒng)的傳輸日光的效率目前僅僅能在實驗室中對具備特定長度、規(guī)格、材料的某一個樣品進行勘定。而實際光導(dǎo)工程安裝完成的系統(tǒng)，其長度、規(guī)格、材料與實驗室內(nèi)被測樣品可能完全不同，其傳導(dǎo)日光的效率則無法測量。即使整體拆除移至實驗室進行檢測，也因為此過程中涉及拆除、運輸、重裝而降低了數(shù)據(jù)可靠性，令檢測結(jié)果變得不可用。
因此，迫切需要一種能實地測量光導(dǎo)系統(tǒng)將陽光導(dǎo)入某密閉空間的能力的裝置和方法。然而，這十分困難。這是因為：在實際安裝完畢的工程環(huán)境中，在室內(nèi)很難建造一個足夠大的積分球?qū)?dǎo)入的陽光收入其中進行積分求和。這在空間、造價、效率方面都是不實際的。其他的辦法包括在室內(nèi)密布照度計，但是這也是在經(jīng)濟性、科學(xué)性方面不可行的辦法。
下面詳細解釋“太陽定價的‘暗立方’法”
首先導(dǎo)光系統(tǒng)的效率的定義為：系統(tǒng)在室外接收到的可用于傳輸?shù)娜展廨椛淞亢推湓诿荛]空間內(nèi)提供的日光輻射量之比的倒數(shù)，以百分比形式表達，稱為T。鑒于光導(dǎo)系統(tǒng)無法生成能量，而且無法產(chǎn)生負能量，所以T大于等于0且小于等于100%。
基于導(dǎo)光系統(tǒng)的效率T，在特殊情況下（T恒定）可以延展出另外一個有用的概念，即密閉空間與室外自然日照輻射總量之“日光滲透率”，P。P的定義是某密閉空間內(nèi)任何時候的日光輻射功率和室外日光輻射功率之間的固定比值關(guān)系，以百分比形式表達。需要特別指出的是，當(dāng)且僅當(dāng)T是恒定的時候，P才存在。張曉東博士在2003年在英國愛丁堡針對光導(dǎo)系統(tǒng)提出了DPF，即Daylight Penetration Factor概念，用以取代應(yīng)用接近百年的DF，即Daylight Factor日光系數(shù)概念。
日照滲透率P的意義重大。這是因為用P可以方便地計算出密閉空間內(nèi)的日光照度的累計頻率分布（CFD‐accumulative frequency distribution），即只需用P作為乘數(shù)疊加到某室外光照度的累計頻率分布上即可。這相當(dāng)于計算出任何密閉空間內(nèi)的日光可用性（daylight availalbility）。這樣，密閉空間內(nèi)的日光照射程度可以和室外的日光照射程度進行直接的簡單比較，這對衡量某密閉空間的生態(tài)宜居性意義重大。比如，對于茶樹而言，最適宜其生長地區(qū)的日照亮度分布曲線CFD1是已知的，那么如果可以通過構(gòu)建一個具備特定P的地下密閉空間，使該空間的CFD2與CFD1吻合，那么就可以在該空間內(nèi)種植茶樹。
又比如，在北歐等高緯度發(fā)達國家地區(qū)，每年有很多患抑郁癥的病人需要到陽光充分的地區(qū)（具備日照亮度分布曲線CFD3）進行日光治療。但是，這種治療的效果是有限的。一旦離開陽光充分的地區(qū)而回到其原著地區(qū)，由于日照強度的衰減，病人的病情又會不同程度地復(fù)發(fā)。但是，如果將病人所在的居住和工作環(huán)境當(dāng)作一個密閉的空間進行處理，并配置上具備恒定T的光導(dǎo)系統(tǒng)，那么這些環(huán)境就具備了P常數(shù)，并可以根據(jù)該P常熟計算出一個室內(nèi)的年度、月度或任何周期內(nèi)日光照度的累計頻率分布曲線（CFD4）。這樣，通過調(diào)整和配置光導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)量，就可以方便地調(diào)整P，進而方便地形成一個合適的室內(nèi)日照環(huán)境，使其CFD4與CFD3符合（比如CFD3中亮度大于6萬lux的頻率大于30%，而CFD4的頻率達到32%時），起到刺激人眼內(nèi)部感光細胞的等效作用，達到治療的目的。值得指出的是，對人類而言，一個周期合理的明亮到黑暗再到明亮的生物鐘循環(huán)對于維持神經(jīng)健康和內(nèi)分泌協(xié)調(diào)非常重要。因此，重要的不僅僅是照射人眼的總亮度有多強，而是這種正確的陽光與黑暗交替刺激周期的存在性。
總之，P常數(shù)指某個密閉空間里任何時候的日光輻射量和室外日光輻射量之間的固定比值關(guān)系。由于其固定不變的特性，P常數(shù)可以用來定義一個空間里太陽光的絕對當(dāng)量值（A‐SunValue）。比如，當(dāng)某密閉空間內(nèi)在某光導(dǎo)系統(tǒng)作用下達到P=0.1時，則可以認為在絕對數(shù)額上，該空間內(nèi)有0.1當(dāng)量的太陽光。之所以說是“絕對當(dāng)量值”，是因為這種當(dāng)量值是從科學(xué)儀器對輻射量計量的絕對值角度來衡量室內(nèi)照度的。
與太陽光“絕對當(dāng)量值”概念相對應(yīng)的另外一個概念是“相對當(dāng)量值”（R‐SunValue）。相對當(dāng)量值是從人體對進入視覺神經(jīng)體系的日照輻射值角度來衡量室內(nèi)照度的，具備主觀性和人因性（人體工學(xué)性）。一個典型的例子是，人眼的瞳孔在亮度很高的室外（10萬LUX）環(huán)境里會自動收縮，這使得瞳孔在強光下允許進入眼球的日光輻射比例僅為當(dāng)其身處于室內(nèi)適宜亮度（例如500LUX）環(huán)境時的八分之一。所以，在室外，由于人體工學(xué)的原因，人眼并非感受到了10萬LUX的亮度，而是接近1萬LUX。因此，如果在室內(nèi)讓人眼感受到了接近1萬LUX的亮度，其人因效果是否可以相當(dāng)于暴露于室外10萬LUX環(huán)境下的效果，即R‐SunValue和D‐SunValue之間的線性或非線性關(guān)系，就可以利用P值進行確定。其實施方法是：在一個具備某P值的密閉空間里先令其達到某絕對當(dāng)量值（A‐SunValue），再通過人體工學(xué)實驗獲得人因感受，對相對當(dāng)量值（R‐SunValue）進行測定；測定的方法包括從物理上測量進入瞳孔的光通量、主觀問卷和人體生命特征參數(shù)測定。
然后，通過調(diào)整該密閉空間的T值來改變P，從而在新的P值上測定一組新的R‐SunValue和A‐SunValue的對應(yīng)關(guān)系。周而復(fù)始，測算出與P值在0‐1區(qū)間內(nèi)對應(yīng)的R‐SunValue和A‐SunValue之間的數(shù)據(jù)對照組，然后通過數(shù)學(xué)擬合的辦法形成R‐SunValue和A‐SunValue兩者之間的對應(yīng)關(guān)系，從而達到通過T計算P，通過P計算A‐SunValue，再通過A‐SunValue計算出R‐SunValue，即基于人因的太陽光“相對當(dāng)量值”的辦法。
簡單地講，對于一個密閉的黑暗空間而言，通過光導(dǎo)照明的方法令其太陽光“相對當(dāng)量值”得以確定并實現(xiàn)這件事，可以理解成通過人工方法實現(xiàn)了自然太陽光照射并加以量化。量化的形式非常簡單，即實現(xiàn)了R‐SunValue個太陽。比如，當(dāng)某定日鏡系統(tǒng)傳輸陽光的T是個固定的50%時，且該定日鏡系統(tǒng)的室外接收面積（S1）是1平方米，則對于一個長2米、寬2米、高2米的密閉空間而言，其內(nèi)部需要照明的總地面面積（S2）為4平方米（其余立面及頂面均為反射率接近100%的散射鏡面）且光導(dǎo)進入的陽光均直接照射到地面上，則P為0.125，即1/8。計算方法是：P=T/(S2/S1)=0.5/(4/1)=0.125。則A‐SunValue=P=1/8，即從絕對值角度講，這個密閉空間內(nèi)在物理意義上享受接近八分之一個室外太陽的照射量。進一步地，可以通過前述確定R‐SunValue的辦法，最終確定該空間里從人因角度出發(fā)衡量其所具備的“太陽的個數(shù)”XZ。
應(yīng)該指出的是，“太陽的個數(shù)”XZ是通過對R‐SunValue和A‐SunValue之間人因“數(shù)據(jù)對”（pair）進行采樣和數(shù)學(xué)擬合而獲得的；而這些人因“數(shù)據(jù)對”（pair）是在基于導(dǎo)光系統(tǒng)的效率T和日光滲透率P的計算方法所構(gòu)架的實驗環(huán)境下所獲得的；因此XZ僅對某特定參與構(gòu)建數(shù)據(jù)對的人適用，而并非僅僅取決于T或P。這是人因照明
的特性。也說明了健康照明個性化的時代趨勢。
進一步地，假設(shè)在上述的那個由一套效率T=50%的導(dǎo)光系統(tǒng)和日光滲透率P=0.125的計算方法所構(gòu)架的身處英國北部蘇格蘭地區(qū)愛丁堡市的一個密閉空間實驗環(huán)境下，基于受試者馬克先生所給出的R‐SunValue和A‐SunValue的數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過線性擬合得出函數(shù)R‐SunValue=4*A‐SunValue，且R2‐value是0.99，那么可以說明，對于身處于該密閉空間里的馬克先生而言，在99%的時間里，它得到的由光導(dǎo)系統(tǒng)傳送的基于他本身人因感知因素的“太陽的個數(shù)”XZ=4*A‐SunValue=4/8=1/2，即0.5個當(dāng)?shù)厥彝獾奶枺◥鄱”ぃ?。進一步假設(shè)馬克先生是個輕度抑郁癥患者，通過每三個月旅行到中國北京地區(qū)一次來有效治療抑郁癥；那么經(jīng)過對比北京地區(qū)的累計日光照射頻數(shù)分布曲線（CFD）和愛丁堡地區(qū)的同一曲線發(fā)現(xiàn)，北京地區(qū)的6萬lux頻度是愛丁堡地區(qū)的1.5倍，則可以得出一個恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)論，即馬克所處的密閉空間里的“太陽的個數(shù)”XZ需要提升3倍（=1.5/0.5），才能提供相當(dāng)于北京地區(qū)的日照治療效果。因此，對于馬克先生而言，只需要把光導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)量由當(dāng)前的1套提升到3套，就可以提供足夠的日照水平，在室內(nèi)對其抑郁癥進行治療，而免除了每三個月必須進行一次的旅行之苦。假設(shè)一套光導(dǎo)系統(tǒng)的價格是1萬元，3套系統(tǒng)則需要3萬元，所提供的“太陽的個數(shù)”XZ為3，那么可以認為每個太陽的價格是1萬元（=3萬元/3個太陽）。這相當(dāng)于針對馬克的情況給他需要的“太陽”定了價格。顯然對于馬克先生而言，進行上述購買“太陽”的投資是具備良好經(jīng)濟性的，因為僅每次往來于愛丁堡和北京之間的機票價格已經(jīng)超過1萬元，更不用談諸多其他費用。
提供者
Provider
Sean Zhang
Seno(UK) Research Lab
London
