特許 5724102 室内照度シミュレーション方法およびシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5724102

(24)【登録日】2015年4月10日

(45)【発行日】2015年5月27日

(54)【発明の名称】室内照度シミュレーション方法およびシステム

(51)【国際特許分類】

   G06F 17/50 20060101AFI20150507BHJP

【ＦＩ】

   G06F17/50 612A

   G06F17/50 634C

【請求項の数】7

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2010-198731(P2010-198731)

(22)【出願日】2010年9月6日

(65)【公開番号】特開2012-58813(P2012-58813A)

(43)【公開日】2012年3月22日

【審査請求日】2013年8月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】590002389

【氏名又は名称】静岡県

(73)【特許権者】

【識別番号】596134091

【氏名又は名称】株式会社スカイプランニング

(74)【代理人】

【識別番号】100098936

【弁理士】

【氏名又は名称】吉川 晃司

(74)【代理人】

【識別番号】100098888

【弁理士】

【氏名又は名称】吉川 明子

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 敬明

(72)【発明者】

【氏名】加藤 俊文

(72)【発明者】

【氏名】小野 巳吉

(72)【発明者】

【氏名】外山 勸

(72)【発明者】

【氏名】古賀 靖子

【審査官】 田中 幸雄

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２７２８４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０６Ｆ １７／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

天空光輝度分布を利用して、天窓を構成する光学部材の実測値に基づく光学的な物理モデルを作成する作成手段と、その光学的な物理モデルを用いて、昼光がその天窓から導入されるときに、その天窓を光源と擬した配光データを算出する算出手段と、その配光データを利用してその天窓を施工したときの室内照度を計算する計算手段を備えた室内照度シミュレーションシステムにおける室内照度シミュレーション方法において、
前記作成手段が、天空光輝度分布を利用して、天窓を構成する光学部材の光学的な物理モデルを作成し、
前記算出手段が、その光学的な物理モデルを用いて、昼光がその天窓から導入されるときに、その天窓を光源と擬した配光データを算出し、
前記計算手段が、その配光データを利用してその天窓を施工したときの室内照度を計算することを特徴とする室内照度シミュレーション方法。

【請求項2】

請求項１に記載した室内照度シミュレーション方法において、
光学的な物理モデルについては、板状光学部材毎に実測値に基づく固有の光学特性関数を設定し、その光学部材を複数枚組み合わせて構成した天窓について、その天窓を構成する各光学部材の固有の光学特性関数と構成態様に基づいて作成することを特徴とする室内照度シミュレーション方法。

【請求項3】

請求項２に記載した室内照度シミュレーション方法において、
板状光学部材毎に実測値に基づく固有の光学特性関数として双方向透過率関数と双方向反射率関数を設定することを特徴とする室内照度シミュレーション方法。

【請求項4】

請求項３に記載した室内照度シミュレーション方法において、
実測値は分光透過率と分光反射率であり、室内照度を計算すると共に、天窓からの昼光の分光特性に関する情報を算出することを特徴とする室内照度シミュレーション方法。

【請求項5】

請求項１から４のいずれかに記載した室内照度シミュレーション方法において、
昼光を複数の点光源で疑似的に再現した半球上の仮想天空下で天窓を配置した三次元光学シミュレーションモデルを作成し、それを解くことで配光データを算出することを特徴とする室内照度シミュレーション方法。

【請求項6】

請求項１から５のいずれかに記載した室内照度シミュレーション方法の実施により作成され、施工が想定される天窓を分割してなる天窓モジュールについての天窓の種類に対応付けられた天窓配光データが複数記録してなる天窓配光データベースを利用した室内照度シミュレーションシステムであって、天窓の種類と天窓モジュールの個数と施工場所とを設計パラメータとして、それに対応する天窓配光データを前記天窓配光データベースから抽出して、室内照度を計算することを特徴とするシステム。

【請求項7】

請求項６に記載した室内照度シミュレーションシステムにおいて、
さらに、天窓の配光データが太陽高度、太陽方位および天候に対応付けられたことを特徴とするシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、天窓により導入された昼光による室内照度のシミュレーション方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

最近では、改正省エネ法施行などによって、企業側にエネルギー管理が求められており、ＣＯ_２削減や代替エネルギーへの転換が早急の課題となっている。
ところで、従来から、住宅において天窓を設けて、窓がない部屋であっても外の明かりを取り入れられるようにしたり、人工照明を用いずに部屋の中を明るくさせたりすることが盛んに行われている。
而して、工場などの屋内作業場の施設では、天窓の活用はさほど進んでいない。ＪＩＳに屋内作業場の照度や均斉度と言った照度分布に関する照明基準があり、これまで、天窓を含む昼光照明の設計においては、直射日光による過度の対比を抑制するために、直射日光を遮蔽する装置を取り付け、天空光を導入する設計を行うことが通常行われていた。
しかしながら、直射日光の光量は、天空光の光量に比べて非常に大きいため、省資源、省エネルギーの観点から、直射日光の導入方法を工夫して光量を有効利用することが最近では求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１１−２５８０３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

そこで、天窓に拡散板を取り付けることで直射日光による過度の対比を抑制し、ＪＩＳで定められた照明基準を満足させたものにすることが考えられている。
しかしながら、拡散板の光学特性や、その設置場所や季節、時間による太陽の位置によって、その天窓を通して得られる昼光の光度やその分布と言った配光特性が大きく変わるため、事前設計は難しい。
特許文献１の建物内昼光計算方法では、天窓毎に配光特性を実測することが提案されている。しかしながら、天窓を構成する光学部材として、現在の時点でも膨大な種類のものが提案されていることから、この方法による天窓の事前設計は可能ではあるが負担が大きい。また、特許文献１で提案されている実測に利用する装置も特殊なものであり、販売されていない。以上の点から、特許文献１で提案されている方法を実際に採用するのは難しい。

【0005】

本発明は、上記従来の問題点に着目してなされたものであり、天窓の事前設計を容易にする、新規且つ有用な室内照度シミュレーション方法を提供することを、その目的とする。
また、本発明は、上記した室内照度シミュレーション方法を容易に実施するための天窓配光データやそれらが複数記録してなる天窓配光データベースや、そのデータベースを利用した室内照度シミュレーションシステムを提供することを、その目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項１の発明は、天空光輝度分布を利用して、天窓を構成する光学部材の実測値に基づく光学的な物理モデルを作成する作成手段と、その光学的な物理モデルを用いて、昼光がその天窓から導入されるときに、その天窓を光源と擬した配光データを算出する算出手段と、その配光データを利用してその天窓を施工したときの室内照度を計算する計算手段を備えた室内照度シミュレーションシステムにおける室内照度シミュレーション方法において、前記作成手段が、天空光輝度分布を利用して、天窓を構成する光学部材の光学的な物理モデルを作成し、前記算出手段が、その光学的な物理モデルを用いて、昼光がその天窓から導入されるときに、その天窓を光源と擬した配光データを算出し、前記計算手段が、その配光データを利用してその天窓を施工したときの室内照度を計算することを特徴とする室内照度シミュレーション方法である。

【0007】

請求項２の発明は、請求項１に記載した室内照度シミュレーション方法において、光学的な物理モデルについては、板状光学部材毎に実測値に基づく固有の光学特性関数を設定し、その光学部材を複数枚組み合わせて構成した天窓について、その天窓を構成する各光学部材の固有の光学特性関数と構成態様に基づいて作成することを特徴とする室内照度シミュレーション方法である。

【0008】

請求項３の発明は、請求項２に記載した室内照度シミュレーション方法において、板状光学部材毎に実測値に基づく固有の光学特性関数として双方向透過率関数と双方向反射率関数を設定することを特徴とする室内照度シミュレーション方法である。

【0009】

請求項４の発明は、請求項３に記載した室内照度シミュレーション方法において、実測値は分光透過率と分光反射率であり、室内照度を計算すると共に、天窓からの昼光の分光特性に関する情報を算出することを特徴とする室内照度シミュレーション方法である。

【0010】

請求項５の発明は、請求項１から４のいずれかに記載した室内照度シミュレーション方法において、昼光を複数の点光源で疑似的に再現した半球上の仮想天空下で天窓を配置した三次元光学シミュレーションモデルを作成し、それを解くことで配光データを算出することを特徴とする室内照度シミュレーション方法である。

【0015】

請求項６の発明は、請求項１から５のいずれかに記載した室内照度シミュレーション方法の実施により作成され、施工が想定される天窓を分割してなる天窓モジュールについての天窓の種類に対応付けられた天窓配光データが複数記録してなる天窓配光データベースを利用した室内照度シミュレーションシステムであって、天窓の種類と天窓モジュールの個数と施工場所とを設計パラメータとして、それに対応する天窓配光データを前記天窓配光データベースから抽出して、室内照度を計算することを特徴とするシステムである。
請求項７の発明は、請求項６に記載した室内照度シミュレーションシステムにおいて、さらに、天窓の配光データが太陽高度、太陽方位および天候に対応付けられたことを特徴とするシステムである。

【発明の効果】

【0016】

本発明の室内照度シミュレーション方法によれば、天窓の事前設計を容易にできる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】天窓の構成態様の一例である。

【図2】光学部材の光学的特性の測定方法の説明図である。

【図3】測定結果図の一例である。

【図4】光学シミュレーションモデルの一例である。

【図5】計算した配光結果の一例である。

【図6】天窓を施工したときの室内照度分布である。

【図7】実際の事前設計仕様の提供例である。

【図8】室内照度シミュレーションシステムの一例である。

【図9】室内照度シミュレーションシステムの別例である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明の実施の形態に係る室内照度シミュレーション方法を、図面にしたがって説明する。
〈光学シミュレーションモデルの作成〉
Ａ．（仮想天空の作成）
半球状の仮想天空上に、直射日光として点光源を設定すると共に、天空光として多数の点光源若しくはそれに対応した平行光線光源を設定する。

【0019】

直射日光の輝度を、地表における直射日光法線照度Ｅｎにより算出する。以下の式により、設置場所（緯度、経度）と日時を入力パラメータとして、太陽高度と太陽方位を算出した上で、法線照度Ｅｎを最終的に算出する。

【0020】

【数1】

【0021】

天空光輝度分布には、様々なモデル式（ＣＩＥ標準晴天空、ＣＩＥ標準曇天空、中村らの中間天空、ＣＩＥ標準一般天空、All Sky Modelなど）が提案されており、これらの中から、天候に対応して適宜選択することになる。
例えば、以下は一例のモデル式となっている。

【0022】

【数2】

【0023】

そして、設置する天窓の形状や拡散板の光学的面内異方性の軸方向の方位に応じてその天窓上に半球状の天空を仮想し、その仮想天空を立体角が等しくなるような細かい要素に分割し、それぞれの要素に上記式で算出された直射日光輝度と天空輝度分布を当てはめて、仮想天空を完成させる。

【0024】

Ｂ．（天窓の光学的物理モデルの作成）
（１）板状光学部材の光学特性の測定
板状光学部材は天窓を構成する部材のことである。図１に示す天窓１は一例であるが、この天窓１によれば板ガラス３と中空層を持つ拡散板５が空気層７を介して構成されている。この天窓１にあっては、板ガラス３と中空層を持つ拡散板５がそれぞれ独立して板状光学部材を構成していることになる。

【0025】

上記のものを含む、使用が想定されている板状光学部材全てについて、図２に示すように、変角分光透過率と変角分光反射率（ＪＩＳ８７２２で規定されている立体角分光透過率・反射率）を測定する。光学部材として色が付いた熱反射ガラスのようなものを用いる場合にも天窓からの光の演色性を評価できるよう、光を分光測定しており、一例として分光波長は可視範囲である３９０〜７３０ｎｍの範囲で１０ｎｍ間隔としている。
測定角度の条件は、表１に示すように設定される。中空層を持つ拡散板５は面内異方性を示す可能性があるので、試料平面の軸方向は入射角が変化する平面に対し複数の方向で測定している。
なお、測定角度の条件は等間隔で設定されているわけではなく、正方向近傍では光が多く出て変化度も大きいので細かく設定されている。

【0026】

【表1】

【0027】

図３は、上記測定による測定結果図の一例であり、方向角が入射角と同じ場合の複数の入射角に対する所定の平面上における透過光（可視光）の広がり度合いと透過率を示している。
板ガラス３では透過光の広がりは総じて狭く、中空層を持つ拡散板５（この場合には白色半透明）では透過光の広がりは総じて広がっている。

【0028】

（２）双方向透過率・反射率分布関数の作成
次に、上記測定で得た光学特性の測定データに基づき、光学部材毎に定法により確率分布関数として双方向透過率関数と双方向反射率関数を作成する。
（３）天窓の光学的物理モデルの作成
そして、上記した各光学部材についての固有の２種類の関数と、それらの構成態様、例えば図１の天窓１の場合には、２つの光学部材である板ガラス３と中空層を持つ拡散板５の上下関係と、それらの板厚方向中心面間の間隔に基づいて、天窓の光学的物理モデル（変角分光透過・反射率と光学部材の幾何学配置）を作成する。

【0029】

Ｃ．（光学シミュレーションモデルの作成）
上記Ａ、Ｂに基づいて三次元の光学シミュレーションモデルを作成する。
この光学シミュレーションモデルでは、図４に示すように、半球状の仮想天空下に天窓１が配置されている。

【0030】

Ｄ．（配光データの構築）
上記した光学シミュレーションモデルを光線追跡法等を利用して解いて配光データを得る。
例えば、三次元光学シミュレーション用ソフトウエアＳＰＥＣＴＥＲ（インテグラ社製）を用いて、双方向モンテカルロ光線追跡法によって、天窓を透過する昼光の配光データとなる光度と方向を計算する。
配光の水平角φは、平面中心の法線軸を中心に真西方向を０度、真南方向を９０度とし、配光は、一例として、φ＝０〜３６０度の範囲を５度間隔、垂直角θ＝０〜９０度の範囲を５度間隔とする。

【0031】

図５は、計算した配光の一例である。北緯３６度、東緯１４０度の場所における秋分日（午前９時、正午、午後３時）の配光を示す。図５（ｂ）は、上記した天窓１（板ガラス３＋中空層を持つ拡散板５（白色半透明））に相当するものであり、図５（ａ）はシボ付きクリア板を、図５（ｃ）は白色板をそれぞれ、中空層を持つ拡散板５として用いた天窓である。
図５（ａ：シボ付きクリア）では、拡散度が小さく、非常に鋭い配光を示し、図５（ｂ：白色半透明）、（ｃ：白色）では、似たような拡散度を示すが、図５（ｃ：白色）の光度値は図５（ｂ：白色半透明）の光度値の１／４程度まで低下していた。このように、天窓の種類により配光データが異なる。

【0032】

Ｅ．（室内照度シミュレーション）
上記Ｄで計算した配光データの形式をIES配光データ形式（IESNA：CM-63-1995）に変換し、汎用の照明環境設定ソフトウエアDIALux（DIAL GmbH製）を用いて屋内の昼光照度を計算する。
図６では、上記した図５（ｂ：白色半透明）の天窓を、図７で示す室内（施工高さ：８．０００ｍ、作業面高さ：０．８５０ｍ）に設置した場合の室内照度分布（秋分日午後０時）を示す。
したがって、図７に示す天窓の設置に対応する室内照度分布を、図６に示すように事前設計した上で施工依頼者に提供できる。

【0033】

上記の方法の実施は、キーボード、マウスなどの入力部、ディスプレイ、プリンターなどの出力部、及びコンピュータプログラムとデータを格納する記憶媒体を備えたコンピュータで構成し、このコンピュータプログラムを実行することによってシミュレーションするシステムを用いて実施できる。
図８、図９はそれぞれシステムの構成例を示す。

【0034】

入力パラメータの「地理・自然条件」は仮想天空を作成するのに用いられ、「天窓の光学的条件」は光学部材の光学的物理モデルを作成するのに用いられ、これらにより配光データが計算される。
「施工条件」は、その配光データを利用して室内照度分布を算出するのに用いられる。このうち「建物の形状」は、天窓の設置される建物の形状や天窓を取り付ける天井の高さと、天井から照度を知りたい面、例えば作業面までの距離を定義するためのものである。
室内照度のシミュレーションは、計算された室内照度分布が目標とする値を満足すれば終了するが、満足しない場合には入力パラメータのうち設計パラメータを変更することになる。
その際の設計パラメータは、通常、（天窓を構成する）天窓の光学部材（の種類）、（光学部材の）構成（態様）、天窓の大きさ、天窓の個数、天窓の間隔、天窓の施工場所である。

【0035】

図８では、天窓の大きさを考慮して、光学シミュレーションモデルを作成しているので、データベース化は光学シミュレーションモデルに留まり、設計パラメータである天窓の大きさを変えた場合には、その都度配光データを作成することになる。
一方、図９では、施工が想定される天窓のサイズを一定数で分割してモジュール化し、そのモジュール面積に対する配光データを計算して予めデータベース化してある。そして、照度分布を計算する際には、そのモジュール化した天窓を複数配置したと想定して計算でき、計算の負担が少なくなる。

【0036】

以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的構成は、この実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更などがあっても発明に含まれる。

【産業上の利用可能性】

【0037】

本発明は、天窓の開発、設計、施工に利用できる。

【符号の説明】

【0038】

１…天窓
３…板ガラス ５…中空層を持つ拡散板 ７…空気層

【図1】

【図4】

【図5】

【図6】

【図8】

【図9】

【図2】

【図3】

【図7】