السماء الاصطناعية هي جهاز محاكاة ضوء النهار الذي يحاكي الضوء القادم من قبة السماء. يتم وضع نموذج معماري مصغر أو طائرة كاملة الحجم 1:1 تحت سماء اصطناعية للتنبؤ باختراق ضوء النهار داخل المباني أو الطائرات التي تخضع لمواقف مختلفة أو هندسة معقدة أو نوافذ مسدودة بشدة. تم اشتقاق مفهوم السماء الاصطناعية بسبب محدودية هيليودون في توفير بيئة إضاءة مستقرة لتقييم مكون ضوء السماء المنتشر.

وصف
تُستخدم السماء الاصطناعية في المقام الأول في مجال الهندسة المعمارية لتحليل ضوء النهار في المباني والأماكن. يستخدم طلاب الهندسة المعمارية والمعماريون والباحثون ومصممو الإضاءة ومهندسو الإضاءة وهندسة السيارات والطيران جهاز المحاكاة لأغراض مختلفة. تُستخدم عدة إصدارات من الأداة في مختبرات المدارس المعمارية والممارسات لدراسات وأبحاث ضوء النهار. يستخدم مهندسو ومصممو الإضاءة السماء الاصطناعية لقياس مستويات الإضاءة. تُستخدم الأداة لفحص مدى رؤية الأدوات في قمرة القيادة في هندسة السيارات والطيران لتحسين سلامة الطيران.

منذ عام 1914، تم استخدام السماوات الاصطناعية من قبل المهندسين المعماريين ومهندسي الإضاءة لإيجاد طرق لتحفيز السماء التي يمكن من خلالها قياس النماذج المادية للمباني للإضاءة الطبيعية الداخلية.

بشكل عام، يتم تحليل الإضاءة الطبيعية الداخلية للمباني في مرحلة التصميم باستخدام النماذج الفيزيائية من خلال ملاحظة وتقييم النماذج الفيزيائية لمستويات الضوء تحت سماء حقيقية، ولكن الإضاءة تتغير باستمرار، ومن الصعب الحصول على نتائج منتظمة، وبالتالي تشكل السماء الاصطناعية الطريقة المثالية للتنبؤ باختراق ضوء النهار.

السماء الاصطناعية قادرة على محاكاة السماء القياسية والإحصائية ولا تخضع لظروف الطقس في السماء الطبيعية. وبشكل عام، تعمل السماء الاصطناعية برؤوس قياس الإضاءة، وأنظمة تسجيل البيانات، وكاميرات الصور الدقيقة، ويمكن أن تكون نظامًا يدويًا أو حاسوبيًا. ويتم محاكاة قبة السماء جزئيًا أو كليًا. وهناك ثلاث طرق لمحاكاة ضوء السماء وهي الإضاءة المباشرة، أو الانعكاس، أو الانتشار. ومن خلال الانعكاس، تضيء الأضواء الموجهة أسفل النموذج قبة بيضاء، وتضيء الانعكاسات على القبة النموذج. وإذا كانت السماء الحقيقية تصدر ضوءًا منتشرًا، فإن المبدأ الأكثر واقعية هو أن السماء تعمل بالانتشار. وعادة ما تكون السماء الاصطناعية ذات أشكال كروية. وتدمج الأنظمة الأكثر عملية السماء الاصطناعية مع الشمس الميكانيكية لإعادة إنتاج ضوء الشمس.

من خلال قياس وتقدير اختراق ضوء النهار باستخدام السماوات الاصطناعية، يمكن لمصممي ومهندسي المباني تقليل الطاقة عن طريق التحكم في الإضاءة، ويمكن للمحاكاة توفير تصميم ضوء النهار الذي يقلل من التأثير البيئي للمباني من خلال تقليل الحاجة إلى الإضاءة والتدفئة والتبريد. من خلال تحليل قضايا محاكاة الضوء المعماري، تقدم نماذج المحاكاة التي تستخدم السماوات الاصطناعية نصائح قيمة لتحقيق أفضل حل تصميمي للمباني والمساحات. تساعد دراسات ضوء النهار في تصميم المنازل السلبية والمباني الخالية من الطاقة وتصميم المباني البيئية.

لمعالجة مشكلات القراءة التي تنشأ بسبب الوهج والشاشات الباهتة في ظروف الإضاءة المحيطة في شاشات السيارات، توفر السماوات الاصطناعية بيئة مضيئة تسمح للمصممين والمهندسين بالتعامل مع أي مجالات مثيرة للقلق.

يساعد استخدام المحاكاة في تجنب الوهج والحرارة المنعكسة من واجهات المباني بشكل أساسي بسبب أشكال التصميم المبتكرة. نظرًا لأن أشعة الشمس الشديدة تؤثر على البيئة الحضرية المحيطة، فإن الحرارة والوهج يؤثران على الأشخاص في الشوارع والمباني القريبة. سيسمح جهاز المحاكاة للمصممين بتجنب الأحداث غير المتوقعة التي حدثت في الأسطح المقعرة لناطحة السحاب Walkie Talkie وقاعة Walt Disney للحفلات الموسيقية حيث تسببت في أضرار بسبب الحرارة المنعكسة والوهج. لتجنب ارتفاع درجة الحرارة في المناطق الخارجية والمباني من أشعة الشمس المنعكسة، فإن المحاكاة باستخدام السماء الاصطناعية لمثل هذه الأنواع من أشكال البناء أثناء مراحل التصميم تسمح للمهندسين المعماريين بتجنب التكلفة العالية للتحديث والأضرار.

تشمل أنواع السماء الاصطناعية صناديق المرآة، والسماء ذات القبة الكاملة، والقبة الافتراضية، والعاكسات.

أنواع السماء الاصطناعية

صندوق المرآة
صندوق المرآة هو سماء اصطناعية تتكون من سقف مضيء وجدران ذات مرايا، تستخدم لمحاكاة سماء موحدة أو ملبدة بالغيوم. في صندوق المرآة، يتم إنشاء توزيع إضاءة ثابت من انعكاسات الضوء من الجدران ذات المرايا ويتم محاكاة تقدير مناسب للسماء الملبدة بالغيوم وفقًا لمعايير CIE. مصدر الضوء هو المادة البيضاء المشتتة التي تضيئها عدة مصابيح من الخلف لنشر الضوء في جميع أنحاء الغرفة بمساعدة أجهزة استشعار. تحيط بجدران الغرفة مرايا مستوية منظمة رأسيًا على جميع الجوانب، مما ينتج صورة للسقف المضيء عن طريق الانعكاس والانعكاس المتبادل.

صندوق المرآة النموذجي عبارة عن صندوق مستطيل أو مثمن الشكل يمكن تركيبه في أي مختبر. صندوق المرآة عبارة عن سماء اصطناعية بسيطة ومضغوطة وغير مكلفة. لكنه لا يستطيع إلا محاكاة السماء الملبدة بالغيوم القياسية؛ وبالتالي فهو مناسب لتحليل عامل ضوء النهار (DF).

يتم استخدام صندوق المرآة من النوع الاصطناعي في الجامعات مثل:
في جامعة CEPT، تم تركيب سماء اصطناعية على شكل صندوق مرآة في مختبرات مركز الأبحاث المتقدمة في المباني والطاقة (CARBSE) لتحليل ضوء النهار. في مختبر الجامعة الحي للمباني ذات الطاقة الصفرية الصافية (NZEB)، تتضمن غرفة الاختبار سماء اصطناعية على شكل صندوق مرآة لكل من البحث العلمي والاختبار الصناعي.
في جامعة وستمنستر (سماء اصطناعية مخصصة)، صمم مختبر التصنيع سماء اصطناعية مخصصة على شكل صندوق مرآة. ضمن أبعاد داخلية تبلغ 2.5م × 2.5م، يمكن للأداة أن تحتوي على نماذج معمارية كبيرة الحجم لقياس عامل ضوء النهار.

عاكسات
تم تصميم محاكي قبة السماء العاكسة بسطح قبة معتم عاكس لإعادة إنتاج سماء موحدة وغير موحدة. تم تصميم نظام الإضاءة على الجزء الداخلي من القبة لتحفيز توزيعات السماء التي تختلف عن السماء الملبدة بالغيوم القياسية. تستخدم القبة الاصطناعية سطحًا عاكسًا لإضاءة توزيعات السماء وتقييم ضوء النهار على نماذج مصغرة موضوعة على سطح طاولة دوارة. كما يمكن دمجها مع الشمس الاصطناعية لمحاكاة ضوء الشمس. بالمقارنة مع صناديق المرآة، فإن سماء القبة العاكسة أكثر قابلية للتعديل في الاستخدام ومتغيراتها متوفرة على نطاق واسع في السوق.

تتوفر السماء الاصطناعية العاكسة في الجامعات ومختبرات الأبحاث مثل:
قامت الأكاديمية السلوفاكية للعلوم في براتيسلافا، سلوفاكيا، ببناء قبة عاكسة مرنة في معهد البناء والعمارة عام 1973. السماء الاصطناعية نصف الكروية التي يبلغ قطرها 8 أمتار قابلة للتعديل بالكامل لتتناسب مع سماء ملبدة بالغيوم وغير ملبدة بالغيوم باستخدام شمس اصطناعية، وهي عبارة عن مرآة مكافئة يبلغ قطرها 1.2 متر. السماء الاصطناعية عبارة عن بناء أنبوبي يتكون من جص الجبس على شبكة معدنية ومصمم على أنبوب دائري “أفقي” معلق من سقف المختبر مثل الثريا البيضاء الكبيرة. قام مختبر لورانس بيركلي في كاليفورنيا بالولايات المتحدة الأمريكية ببناء قبة عاكسة يبلغ قطرها 7.32 مترًا في عام 1981 والتي تم تصميمها لمحاكاة سماء موحدة وسماء ملبدة بالغيوم وتوزيعات إضاءة مختلفة للسماء الصافية. يتم استخدام محاكي الشمس بقطر 1.5 متر. تم الاحتفاظ بالقبة المعدنية على ارتفاع جدار أسطواني من الخشب الرقائقي بارتفاع سبعة أقدام مما يتيح نقل النماذج الكبيرة للداخل والخارج من خلال الأبواب الكبيرة. يمكن تحقيق معدل انعكاس يصل إلى 80% بفضل الطلاء الأبيض عالي الانعكاس الذي يتم رشه على الأجزاء الداخلية. يوفر نظام الإضاءة المكون من مصابيح الفلورسنت عالية الإنتاجية والمصابيح الصابورة مستوى إضاءة يبلغ حوالي 5000 لوكس لسماء موحدة، و3500 لوكس للسماء الملبدة بالغيوم وأكثر من 6000 لوكس لسماء صافية منتظمة. يمكن استيعاب نماذج معمارية كبيرة الحجم يصل عرضها إلى 6 أقدام مع قدرة المنصة بأكملها على الدوران.
يقوم المعهد المركزي لأبحاث المباني الصناعية، بيروفو، موسكو، روسيا، بتقييم مشاريع بحثية تحت السماء الاصطناعية وإضاءة المرافق الهندسية للمختبر الجديد التابع للمعهد المركزي لأبحاث فيزياء البناء، موسكو. قبة سماوية قطرها 9 أمتار مع 16 مصباحًا من سطوع موحد مصحوبة بجهاز محاكاة للشمس قطره 0.9 متر مع مرآة مكافئة خارج السماء.
جامعة ميشيغان، آن أربور، ميشيغان، الولايات المتحدة الأمريكية، تستخدم الجامعة سماء اصطناعية قطرها 9.2 متر، لقياس وتقييم ظروف السماء الملبدة بالغيوم والموحدة والصافية باستخدام محاكي للشمس بقرص مكافئ قطره 1.5 متر.

القبة الافتراضية
تحاكي القبة الافتراضية قبة السماء بعملية مسح لأي وقت وأي مكان على الأرض. هذا النوع من السماء الاصطناعية مرن بسبب قدرته على محاكاة أي نوع من السماء. للحد من التكلفة والمساحة، تستخدم القبة الافتراضية أنظمة روبوتية ثقيلة وأنظمة تحكم دقيقة. يتم قياس نتائج المحاكاة فقط من خلال شاشة الكمبيوتر بعد عملية من مجموعات من عمليات المحاكاة المتعددة. إنها توفر محاكاة لضوء النهار على نماذج مصغرة على منصة دوارة باستخدام سماء اصطناعية ومحاكي للشمس. تم العثور على القبة الاصطناعية في أوائل التسعينيات، وبالتالي فهي أحدث نوع من السماء الاصطناعية.

على الرغم من أنها الأداة الأكثر دقة، إلا أنه من غير الممكن تحقيق تصورات مباشرة للمحاكاة. ونظرًا لأن التصور المباشر غير ممكن في القبة الافتراضية، فإن الأداة تُستخدم على نطاق واسع من قبل العلماء وليست مصممة للمصممين.

تتوفر القبة السماوية الاصطناعية الافتراضية في الجامعات ومختبرات الأبحاث مثل:
مختبر الطاقة الشمسية وفيزياء البناء التابع للمعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان LESO-PB، فود (سماء اصطناعية من صنع المختبر)، طور مختبر الأبحاث جهاز محاكاة مسح السماء كأساس لمحاكيات السماء الأخرى التي تمكن من تكرار توزيع سطوع جميع أنواع السماء بدقة. تستخدم الأداة عملية مسح لإعادة بناء نصف الكرة السماوية بالكامل، بدءًا من سدس نصف الكرة. يتم إعادة بناء نصف الكرة الأرضية بالكامل، الذي تم إنشاؤه على نموذج تريجينزا المكون من 145 منطقة ضوئية، من خلال مسح من ست خطوات. يتم استكمال البيانات الكمية للإضاءة والبيانات النوعية للصور الرقمية بالفيديو في نهاية الإجراء. إنها أداة دقيقة للحصول على قياسات الضوء المنتشر ضمن نماذج مقياس فيزيائية لأي وقت وموقع لتقييم الحلول المعمارية المبتكرة وأنظمة الإضاءة الطبيعية. قام المختبر ببناء الأداة لتقليل توفير الطاقة وتعزيز راحة المستخدم من خلال الاستخدام الفعال للإضاءة الطبيعية.
مختبر الإضاءة الطبيعية التابع لجامعة بوليتكنيكو دي تورينو (إيطاليا)، تورينو (سماء اصطناعية من صنع المختبر)، قام المختبر ببناء سماء مسح اصطناعية بالإضافة إلى الشمس الاصطناعية. يتميز جهاز محاكاة مسح السماء على نماذج التقسيم الفرعية لنصف الكرة السماوية. تنقسم القبة إلى 145 منطقة دائرية، كل منها معروف بإضاءة موحدة. يتم تكرار المناطق باستخدام مصابيح دائرية مثبتة على سطح نصف كروي. يتكون الهيكل من 25 مصباحًا، تتوافق مع سدس نصف الكرة الأرضية بالكامل بقطر 7 أمتار. يتم تكرار ظروف السماء المختلفة من الغائم والصافي والمتوسطة المقابلة لكل من النماذج القياسية وقيم الإضاءة الحقيقية. يتيح جهاز محاكاة مسح السماء وجهاز محاكاة الشمس محاكاة الإضاءة الطبيعية المنتجة داخل نماذج مصغرة تستخدم لنتائج البحث والتصميم. البيانات الضوئية والصور الرقمية للمساحة المضيئة هي النتائج التي تم تحقيقها. تم بناء القبة للمهندسين المعماريين والمهندسين ومصممي الإضاءة والباحثين.
يستخدم مختبر تحالف بيركلي التعليمي للأبحاث في سنغافورة (BEARS)، الذي يركز على الحلول المستدامة ومنخفضة الكربون، قبة افتراضية متاحة تجاريًا من إنتاج Betanit.com. يقوم الجهاز بتقييم الأداء البصري والإضاءة للمباني التي تم تكرارها باستخدام نماذج مصغرة للمباني في مساحة معملية محدودة. يمكن للسماء الاصطناعية محاكاة أي توزيعات للسماء باستخدام تقسيم تريجينزا باستخدام 145 رقعة.
جامعة CEPT، أحمد آباد (سماء صناعية تجارية)، تستخدم الجامعة مكونات قبة افتراضية متاحة تُعرف باسم Kiwi Artificial Sky التي تصنعها Betanit.com في مختبر أبحاث CARBSE الخاص بها. تم تطوير مصدر الضوء بواسطة فريق CARBSE. يتم تقييم نماذج مقياس المبنى الموضوعة على منصة القرص الدوار لدراسات الإضاءة الطبيعية. لإجراء التحليل، يمكن للقرص الدوار تدوير النموذج في محورين مختلفين تقريبًا وتوفير القياس لدراسات الإضاءة الطبيعية المستخدمة للأغراض الأكاديمية والبحثية.

قبة كاملة
القبة الكاملة هي نوع من السماء الاصطناعية التي يمكنها تكرار أي نوع من توزيع السماء باستخدام مصابيح قابلة للتعتيم. يتم إجراء المحاكاة والحصول على مقاييس الإضاءة الطبيعية من خلال أجهزة الكمبيوتر. عند دمجها مع هيليودون، يمكن للجهاز تكرار ضوء الشمس المباشر في أي مكان في العالم. القبة الكاملة هي النوع الأكثر تقدمًا من السماء الاصطناعية المتاحة. إنها أسرع وأقوى وأكثر أجهزة المحاكاة تكلفة. يستخدمها الطلاب والباحثون لتحسين دراسات الإضاءة الطبيعية في المساحات المعمارية.

تتوفر قبة السماء الاصطناعية الكاملة في الجامعة ومختبرات الأبحاث وشركات الإضاءة الكبيرة مثل:
جامعة كارديف، ويلز (سماء اصطناعية مخصصة) – تستخدم مدرسة ويلز للهندسة المعمارية سماء اصطناعية قطرها 8 أمتار مع 640 مصباحًا فلورسنتًا. يتم التحكم في المصابيح في أقسام تحاكي توزيعات السماء لدراسات ضوء النهار ومسار الشمس على نماذج مصغرة للمباني على طاولة دوارة.
بارتنباخ، تيرول (سماء اصطناعية مخصصة) – تستخدم شركة الإضاءة سماء اصطناعية قطرها 6.5 متر مع 393 مصباحًا لتصميم الإضاءة الطبيعية مع نماذج تصور وحسابات.
جامعة الإمارات العربية المتحدة، العين (سماء اصطناعية تجارية) – قامت الجامعة بتركيب قبة كاملة من السماء الاصطناعية مدمجة مع روبوت هيليودون في مختبر محاكاة ضوء النهار، والذي صممته وصنعته شركة betanit.com. تحاكي القبة نصف الدائرية التي يبلغ قطرها 4.5 متر مجموعة واسعة من ظروف السماء باستخدام التحكم الحاسوبي. يبلغ مستوى إضاءة السماء الملبدة بالغيوم 20000 لوكس ويتجاوز 60000 لوكس للسماء الصافية. ترجع دقة ومرونة السماء الاصطناعية إلى بقع الضوء التي تتم مراقبتها حرارياً والتي يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر لتسهيل إعادة إنتاج أي سماء لأي مكان في أي وقت من اليوم بتدرج ثابت ومستقر للتوزيع الضوئي. تُستخدم السماء الاصطناعية لأغراض التدريس في دورات مثل تصميم الإضاءة والضوء الطبيعي وغيرها من مجالات البحث في تصميم المباني المستدامة والتكنولوجيا في الجامعة.
جامعة بارتليت، كلية لندن الجامعية (UCL)، لندن (سماء اصطناعية مصممة حسب الطلب) – يستخدم طلاب هندسة البيئة المبنية بكلية بارتليت قبة نصف كروية جيوديسية قطرها 5.2 متر لمحاكاة العديد من ظروف السماء على نماذج بمقياس مفهومي. تم تصنيع الجهاز خصيصًا بواسطة بيتر راينهام من كلية لندن الجامعية ومساعد البحث. يمكن لوحدات LED التي يتم التحكم فيها بشكل فردي والتي يبلغ عددها 810 وحدة وعاكس مكافئ بعرض 850 مم في داخل مقوس تكرار مسار الشمس. يوفر النظام دراسة تفاعلية أكثر من النماذج ثلاثية الأبعاد في CAD.
جامعة مالطا، مالطا (السماء الاصطناعية التجارية)، تستخدم الجامعة السماء الاصطناعية مع الهليودون الذي تصنعه شركة betanit.com لدراسات ضوء النهار، بشكل أساسي لأغراض التدريس والبحث والتصميم.
جامعة مارا للتكنولوجيا (UiTM)، كوالالمبور (سماء صناعية تجارية الصنع)، قامت الجامعة بدمج سماء دوريان الصناعية المصنعة من betanit.com، وهي نوع من القبة الكاملة للسماء الصناعية لمختبر الإضاءة الطبيعية في كوالالمبور. تم استخدام قبة السماء الصناعية دوريان لمعايير التصميم الخاصة بدرجة الحرارة وكثافة الضوء واتجاه المبنى وموقعه والمناطق المضيئة لمبنى مناخ استوائي في السياق الماليزي. إنها تقدم نمذجة مشتركة لسياق الموقع من خلال محاكاة حضرية وتحدد بيانات كثافة السماء لمواقع مختلفة من الموقع. تساعد المحاكاة في تكوين وحدة التصميم لتشتيت الضوء مما يمنح الموقع كثافة الضوء. علاوة على ذلك، تساعد المحاكاة في تحقيق كفاءة الطاقة للمباني الواقعة في مناخ استوائي.
يستخدم معهد أبحاث فيزياء البناء (NIISF)، موسكو، سيلفر باينز، روسيا، جهاز محاكاة للسماء نصف كروية يبلغ قطرها 16.8 مترًا مع 2000 وحدة ضوء وخمسة عاكسات شمسية مستقرة مكافئة ذات ارتفاعات ثابتة.
يستخدم مختبر تخطيط ضوء النهار التابع لجامعة شتوتغارت للعلوم التطبيقية، نصف كرة شفاف يبلغ قطره 4.20 متر مع 30 مصباحًا فلورسنتًا ومحاكيًا للشمس الاصطناعي من مصباح هالوجين مع عاكس مكافئ. يمكن للجهاز توفير تكرار دقيق لسطوع السماء والإشعاع المحيط بالشمس. يمكنه إعادة إنتاج توزيعات السماء المشمسة أو الملبدة بالغيوم أو الغائمة.
استخدمت جامعة ولاية أوكلاهوما (OSU) سماء اصطناعية مضاءة تم بناؤها في عام 2007 وتتكون من قبة جيوديسية من البلاستيك الشفاف المنتشر “Lexan” في ألواح ذاتية الدعم ذات حواف.