給太陽定價(jià)的方法
A Method to‘Price’the Sun
2015年5月1日
國家千人計(jì)劃專家張曉東博士是世界上第一個(gè)提出將太陽光作為非純能源屬性資源進(jìn)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(jìn)行籌建，并在世界上首次提出對太陽光資源進(jìn)行定價(jià)的想法和若干具體方法。本文介紹張博士作為第一個(gè)試圖給太陽定價(jià)(Price the Sun)的人，所建議的一種量化定價(jià)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(jià)格。
2、暗空間的定義：如果一個(gè)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(jì)量單位：個(gè)太陽/暗立方。
4、舉例說明：目前我定的價(jià)格約為100元/個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(jià)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(shí)時(shí)的戶外一個(gè)太陽的亮度。所謂實(shí)時(shí)，指當(dāng)戶外晴空萬里陽光燦爛時(shí)，室內(nèi)也會(huì)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(qiáng)烈時(shí)，那么室內(nèi)的人也會(huì)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(shí)時(shí)兩個(gè)太陽的效果。
克服暗立方的太陽定價(jià)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(yàn)，作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)前存在如下三個(gè)基本事實(shí)：
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(jìn)行效率驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室中對具備特定長度、規(guī)格、材料的某一個(gè)樣品進(jìn)行勘定。而實(shí)際光導(dǎo)工程安裝完成的系統(tǒng)，其長度、規(guī)格、材料與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測，也因?yàn)榇诉^程中涉及拆除、運(yùn)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(shí)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?yàn)椋涸趯?shí)際安裝完畢的工程環(huán)境中，在室內(nèi)很難建造一個(gè)足夠大的積分球?qū)?dǎo)入的陽光收入其中進(jìn)行積分求和。這在空間、造價(jià)、效率方面都是不實(shí)際的。其他的辦法包括在室內(nèi)密布照度計(jì)，但是這也是在經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性方面不可行的辦法。
下面詳細(xì)解釋“太陽定價(jià)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(dá)，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(fù)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(gè)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(shí)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(dá)。需要特別指出的是，當(dāng)且僅當(dāng)T是恒定的時(shí)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?yàn)橛肞可以方便地計(jì)算出密閉空間內(nèi)的日光照度的累計(jì)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(jì)頻率分布上即可。這相當(dāng)于計(jì)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(jìn)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(gè)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(dá)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(jìn)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(qiáng)度的衰減，病人的病情又會(huì)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(gè)密閉的空間進(jìn)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(yáng)常熟計(jì)算出一個(gè)室內(nèi)的年度、月度或任何周期內(nèi)日光照度的累計(jì)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(jìn)而方便地形成一個(gè)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(dá)到32%時(shí)），起到刺激人眼內(nèi)部感光細(xì)胞的等效作用，達(dá)到治療的目的。值得指出的是，對人類而言，一個(gè)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(qiáng)，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(gè)密閉空間里任何時(shí)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(gè)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(dá)到P=0.1時(shí)，則可以認(rèn)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?yàn)檫@種當(dāng)量值是從科學(xué)儀器對輻射量計(jì)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(gè)概念是“相對當(dāng)量值”（R‐SunValue）。相對當(dāng)量值是從人體對進(jìn)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(gè)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(huì)自動(dòng)收縮，這使得瞳孔在強(qiáng)光下允許進(jìn)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(shí)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(jìn)行確定。其實(shí)施方法是：在一個(gè)具備某P值的密閉空間里先令其達(dá)到某絕對當(dāng)量值（A‐SunValue），再通過人體工學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得人因感受，對相對當(dāng)量值（R‐SunValue）進(jìn)行測定；測定的方法包括從物理上測量進(jìn)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(dá)到通過T計(jì)算P，通過P計(jì)算A‐SunValue，再通過A‐SunValue計(jì)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(gè)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(shí)現(xiàn)這件事，可以理解成通過人工方法實(shí)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(shí)現(xiàn)了R‐SunValue個(gè)太陽。比如，當(dāng)某定日鏡系統(tǒng)傳輸陽光的T是個(gè)固定的50%時(shí)，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(gè)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(jìn)入的陽光均直接照射到地面上，則P為0.125，即1/8。計(jì)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(gè)密閉空間內(nèi)在物理意義上享受接近八分之一個(gè)室外太陽的照射量。進(jìn)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(gè)數(shù)”XZ。
應(yīng)該指出的是，“太陽的個(gè)數(shù)”XZ是通過對R‐SunValue和A‐SunValue之間人因“數(shù)據(jù)對”（pair）進(jìn)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(jì)算方法所構(gòu)架的實(shí)驗(yàn)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(gè)性化的時(shí)代趨勢。
進(jìn)一步地，假設(shè)在上述的那個(gè)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(jì)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(gè)密閉空間實(shí)驗(yàn)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(shí)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(gè)數(shù)”XZ=4*A‐SunValue=4/8=1/2，即0.5個(gè)當(dāng)?shù)厥彝獾奶枺◥鄱”ぃ?。進(jìn)一步假設(shè)馬克先生是個(gè)輕度抑郁癥患者，通過每三個(gè)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(jì)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(gè)恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)論，即馬克所處的密閉空間里的“太陽的個(gè)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(jìn)行治療，而免除了每三個(gè)月必須進(jìn)行一次的旅行之苦。假設(shè)一套光導(dǎo)系統(tǒng)的價(jià)格是1萬元，3套系統(tǒng)則需要3萬元，所提供的“太陽的個(gè)數(shù)”XZ為3，那么可以認(rèn)為每個(gè)太陽的價(jià)格是1萬元（=3萬元/3個(gè)太陽）。這相當(dāng)于針對馬克的情況給他需要的“太陽”定了價(jià)格。顯然對于馬克先生而言，進(jìn)行上述購買“太陽”的投資是具備良好經(jīng)濟(jì)性的，因?yàn)閮H每次往來于愛丁堡和北京之間的機(jī)票價(jià)格已經(jīng)超過1萬元，更不用談諸多其他費(fèi)用。
提供者
Provider
Sean Zhang
Seno(UK) Research Lab
London
