给太阳定价的方法
A Method to‘Price’the Sun
2015年5月1日
国家千人计划专家张晓东博士是世界上第一个提出将太阳光作为非纯能源属性资源进行研究的人。张博士于2008年回国后，开始对山东国家级光资源研究中心和光资源工程应用研究所进行筹建，并在世界上首次提出对太阳光资源进行定价的想法和若干具体方法。本文介绍张博士作为第一个试图给太阳定价(Price the Sun)的人，所建议的一种量化定价方法，供建筑同行借鉴、批评与研讨，更愿意诚征合作者共同构建人类光资源研究大厦之基础。
1、定义：暗空间内太阳光的价格。
2、暗空间的定义：如果一个空间与自然环境相连通路的直径小于8厘米，或虽大于8厘米但其自然光亮度小于100lux。
3、计量单位：个太阳/暗立方。
4、举例说明：目前我定的价格约为100元/个太阳/暗立方（可遵循线性或非线性的类似摩尔定律）。
5、暗立方的定义是：暗空间内需要享受阳光的面积X暗空间与自然环境相连通路的长度/暗空间与自然环境相连通路的直径。
6、比如，一个距离地面1米的地下室，如果其需要照明的面积是10平方米，而且地下室和地面之间的光导管直径只有0.05米。那么这个地下室的暗立方是：10X1/0.05=200暗立方。
7、按照上述例子，200暗立方X100元/个太阳/暗立方=2万元。相当于5套光擎系统的成本（可遵循线性或非线性的类似摩尔定律）。
8、上述例子中，价值2万元的5套光擎系统能让身处于上述暗空间里的人感受到相当于实时的户外一个太阳的亮度。所谓实时，指当户外晴空万里阳光灿烂时，室内也会很亮，让人感受到晴空万里阳光灿烂的照度；然而当户外有云层，阳光不是非常强烈时，那么室内的人也会感到相应减弱的阳光亮度。
9、在上述例子中，如果用户愿意再多花2万元（即总共4万元，10套光擎），则可以在室内造成近似实时两个太阳的效果。
克服暗立方的太阳定价方法研究：一种用于衡量密闭无窗的黑暗空间内导入阳光效率的装置和方法
基于在光导方面接近20年的工作经验，作者发现当前存在如下三个基本事实：
一、如果想向密闭的黑暗空间内提供自然光，唯一手段是光导，即将自然的日光以波导的形式，从室外传导到黑暗空间内。
二、光导的方法中，定日镜反射、光导管、光纤是三类主流技术。
三、目前在世界范围内没有对上述三类主流技术施工完成后进行效率验收的统一的专门工具和方法。就是说，光导系统的传输日光的效率目前仅仅能在实验室中对具备特定长度、规格、材料的某一个样品进行勘定。而实际光导工程安装完成的系统，其长度、规格、材料与实验室内被测样品可能完全不同，其传导日光的效率则无法测量。即使整体拆除移至实验室进行检测，也因为此过程中涉及拆除、运输、重装而降低了数据可靠性，令检测结果变得不可用。
因此，迫切需要一种能实地测量光导系统将阳光导入某密闭空间的能力的装置和方法。然而，这十分困难。这是因为：在实际安装完毕的工程环境中，在室内很难建造一个足够大的积分球将导入的阳光收入其中进行积分求和。这在空间、造价、效率方面都是不实际的。其他的办法包括在室内密布照度计，但是这也是在经济性、科学性方面不可行的办法。
下面详细解释“太阳定价的‘暗立方’法”
首先导光系统的效率的定义为：系统在室外接收到的可用于传输的日光辐射量和其在密闭空间内提供的日光辐射量之比的倒数，以百分比形式表达，称为T。鉴于光导系统无法生成能量，而且无法产生负能量，所以T大于等于0且小于等于100%。
基于导光系统的效率T，在特殊情况下（T恒定）可以延展出另外一个有用的概念，即密闭空间与室外自然日照辐射总量之“日光渗透率”，P。P的定义是某密闭空间内任何时候的日光辐射功率和室外日光辐射功率之间的固定比值关系，以百分比形式表达。需要特别指出的是，当且仅当T是恒定的时候，P才存在。张晓东博士在2003年在英国爱丁堡针对光导系统提出了DPF，即Daylight Penetration Factor概念，用以取代应用接近百年的DF，即Daylight Factor日光系数概念。
日照渗透率P的意义重大。这是因为用P可以方便地计算出密闭空间内的日光照度的累计频率分布（CFD‐accumulative frequency distribution），即只需用P作为乘数叠加到某室外光照度的累计频率分布上即可。这相当于计算出任何密闭空间内的日光可用性（daylight availalbility）。这样，密闭空间内的日光照射程度可以和室外的日光照射程度进行直接的简单比较，这对衡量某密闭空间的生态宜居性意义重大。比如，对于茶树而言，最适宜其生长地区的日照亮度分布曲线CFD1是已知的，那么如果可以通过构建一个具备特定P的地下密闭空间，使该空间的CFD2与CFD1吻合，那么就可以在该空间内种植茶树。
又比如，在北欧等高纬度发达国家地区，每年有很多患抑郁症的病人需要到阳光充分的地区（具备日照亮度分布曲线CFD3）进行日光治疗。但是，这种治疗的效果是有限的。一旦离开阳光充分的地区而回到其原著地区，由于日照强度的衰减，病人的病情又会不同程度地复发。但是，如果将病人所在的居住和工作环境当作一个密闭的空间进行处理，并配置上具备恒定T的光导系统，那么这些环境就具备了P常数，并可以根据该P常熟计算出一个室内的年度、月度或任何周期内日光照度的累计频率分布曲线（CFD4）。这样，通过调整和配置光导系统的数量，就可以方便地调整P，进而方便地形成一个合适的室内日照环境，使其CFD4与CFD3符合（比如CFD3中亮度大于6万lux的频率大于30%，而CFD4的频率达到32%时），起到刺激人眼内部感光细胞的等效作用，达到治疗的目的。值得指出的是，对人类而言，一个周期合理的明亮到黑暗再到明亮的生物钟循环对于维持神经健康和内分泌协调非常重要。因此，重要的不仅仅是照射人眼的总亮度有多强，而是这种正确的阳光与黑暗交替刺激周期的存在性。
总之，P常数指某个密闭空间里任何时候的日光辐射量和室外日光辐射量之间的固定比值关系。由于其固定不变的特性，P常数可以用来定义一个空间里太阳光的绝对当量值（A‐SunValue）。比如，当某密闭空间内在某光导系统作用下达到P=0.1时，则可以认为在绝对数额上，该空间内有0.1当量的太阳光。之所以说是“绝对当量值”，是因为这种当量值是从科学仪器对辐射量计量的绝对值角度来衡量室内照度的。
与太阳光“绝对当量值”概念相对应的另外一个概念是“相对当量值”（R‐SunValue）。相对当量值是从人体对进入视觉神经体系的日照辐射值角度来衡量室内照度的，具备主观性和人因性（人体工学性）。一个典型的例子是，人眼的瞳孔在亮度很高的室外（10万LUX）环境里会自动收缩，这使得瞳孔在强光下允许进入眼球的日光辐射比例仅为当其身处于室内适宜亮度（例如500LUX）环境时的八分之一。所以，在室外，由于人体工学的原因，人眼并非感受到了10万LUX的亮度，而是接近1万LUX。因此，如果在室内让人眼感受到了接近1万LUX的亮度，其人因效果是否可以相当于暴露于室外10万LUX环境下的效果，即R‐SunValue和D‐SunValue之间的线性或非线性关系，就可以利用P值进行确定。其实施方法是：在一个具备某P值的密闭空间里先令其达到某绝对当量值（A‐SunValue），再通过人体工学实验获得人因感受，对相对当量值（R‐SunValue）进行测定；测定的方法包括从物理上测量进入瞳孔的光通量、主观问卷和人体生命特征参数测定。
然后，通过调整该密闭空间的T值来改变P，从而在新的P值上测定一组新的R‐SunValue和A‐SunValue的对应关系。周而复始，测算出与P值在0‐1区间内对应的R‐SunValue和A‐SunValue之间的数据对照组，然后通过数学拟合的办法形成R‐SunValue和A‐SunValue两者之间的对应关系，从而达到通过T计算P，通过P计算A‐SunValue，再通过A‐SunValue计算出R‐SunValue，即基于人因的太阳光“相对当量值”的办法。
简单地讲，对于一个密闭的黑暗空间而言，通过光导照明的方法令其太阳光“相对当量值”得以确定并实现这件事，可以理解成通过人工方法实现了自然太阳光照射并加以量化。量化的形式非常简单，即实现了R‐SunValue个太阳。比如，当某定日镜系统传输阳光的T是个固定的50%时，且该定日镜系统的室外接收面积（S1）是1平方米，则对于一个长2米、宽2米、高2米的密闭空间而言，其内部需要照明的总地面面积（S2）为4平方米（其余立面及顶面均为反射率接近100%的散射镜面）且光导进入的阳光均直接照射到地面上，则P为0.125，即1/8。计算方法是：P=T/(S2/S1)=0.5/(4/1)=0.125。则A‐SunValue=P=1/8，即从绝对值角度讲，这个密闭空间内在物理意义上享受接近八分之一个室外太阳的照射量。进一步地，可以通过前述确定R‐SunValue的办法，最终确定该空间里从人因角度出发衡量其所具备的“太阳的个数”XZ。
应该指出的是，“太阳的个数”XZ是通过对R‐SunValue和A‐SunValue之间人因“数据对”（pair）进行采样和数学拟合而获得的；而这些人因“数据对”（pair）是在基于导光系统的效率T和日光渗透率P的计算方法所构架的实验环境下所获得的；因此XZ仅对某特定参与构建数据对的人适用，而并非仅仅取决于T或P。这是人因照明
的特性。也说明了健康照明个性化的时代趋势。
进一步地，假设在上述的那个由一套效率T=50%的导光系统和日光渗透率P=0.125的计算方法所构架的身处英国北部苏格兰地区爱丁堡市的一个密闭空间实验环境下，基于受试者马克先生所给出的R‐SunValue和A‐SunValue的数据对数据库，经过线性拟合得出函数R‐SunValue=4*A‐SunValue，且R2‐value是0.99，那么可以说明，对于身处于该密闭空间里的马克先生而言，在99%的时间里，它得到的由光导系统传送的基于他本身人因感知因素的“太阳的个数”XZ=4*A‐SunValue=4/8=1/2，即0.5个当地室外的太阳（爱丁堡）。进一步假设马克先生是个轻度抑郁症患者，通过每三个月旅行到中国北京地区一次来有效治疗抑郁症；那么经过对比北京地区的累计日光照射频数分布曲线（CFD）和爱丁堡地区的同一曲线发现，北京地区的6万lux频度是爱丁堡地区的1.5倍，则可以得出一个恰当的结论，即马克所处的密闭空间里的“太阳的个数”XZ需要提升3倍（=1.5/0.5），才能提供相当于北京地区的日照治疗效果。因此，对于马克先生而言，只需要把光导系统的数量由当前的1套提升到3套，就可以提供足够的日照水平，在室内对其抑郁症进行治疗，而免除了每三个月必须进行一次的旅行之苦。假设一套光导系统的价格是1万元，3套系统则需要3万元，所提供的“太阳的个数”XZ为3，那么可以认为每个太阳的价格是1万元（=3万元/3个太阳）。这相当于针对马克的情况给他需要的“太阳”定了价格。显然对于马克先生而言，进行上述购买“太阳”的投资是具备良好经济性的，因为仅每次往来于爱丁堡和北京之间的机票价格已经超过1万元，更不用谈诸多其他费用。
提供者
Provider
Sean Zhang
Seno(UK) Research Lab
London
