基于光生物效應(yīng)的辦公空間采光研究初探

黃海靜，吳 卒

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045;2.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045）

0 引言

辦公室是人們?nèi)粘９ぷ鞯闹匾獔?chǎng)所，辦公空間光環(huán)境品質(zhì)不僅關(guān)系到人們用眼健康，還對(duì)其心理感受和生理變化等生物性反應(yīng)產(chǎn)生影響。光生物效應(yīng)與光源中藍(lán)綠色光成分含量有關(guān)，天然光富含藍(lán)光成分，光生物效應(yīng)作用明顯。不同地域光氣候、季節(jié)時(shí)段、采光口朝向的天然光光色不同。但現(xiàn)有的采光設(shè)計(jì)規(guī)范僅針對(duì)照度、照度均勻度等視覺效果進(jìn)行規(guī)范，采光性能僅依據(jù)采光系數(shù)、房間深度和眩光指數(shù)進(jìn)行評(píng)估，而未考慮光生物效應(yīng)的作用，更缺乏針對(duì)光色變化的視覺功效研究，因而無法準(zhǔn)確反映辦公場(chǎng)所的實(shí)際采光效果和工作者的生理心理感受。

在光生物效應(yīng)理論指導(dǎo)下，研究更適合辦公空間的采光設(shè)計(jì)理念和措施，不僅有利于辦公人員的身心健康，而且具有滿足建筑照明節(jié)能的意義，從而達(dá)到綠色照明和健康照明的目的。

1 光生物效應(yīng)與健康照明

20世紀(jì)的努力都限于眼睛的視覺研究，包括視覺過程和機(jī)理、視顏色和成因、視覺能力和功能、視覺功效、光度學(xué)和色度學(xué)、視覺的適應(yīng)和感覺等等。這些都是通過光的視覺效應(yīng)得來的。因此，直到上世紀(jì)末，人們還只知道眼睛的功能就是讓我們看到外面的世界，了解情況，起著視覺作用。2002年美國布朗(Brown）大學(xué)的David Berson等學(xué)者在人眼視網(wǎng)膜上發(fā)現(xiàn)了第3種感光細(xì)胞——神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，它對(duì)不同波長的光的敏感度是不同的，峰值位于490 nm，該視覺效應(yīng)被稱為Citopic(管理光非視覺效應(yīng)的視覺，或光生物效應(yīng)視覺），簡稱光生物效應(yīng)。與視覺知覺不同，光生物效應(yīng)過程雖然同樣由人眼開始，但是光信號(hào)最終傳遞到松果體，通過松果體控制褪黑激素的分泌量，調(diào)節(jié)人體活動(dòng)機(jī)制，從而影響人的生理節(jié)律和生物鐘功能。色溫是光源的最重要的參數(shù)。已有研究指出，光源色溫對(duì)人體中樞神經(jīng)影響極大:高色溫光源能提高大腦的興奮度，集中注意、警覺和覺醒水平，使大腦處于活躍狀態(tài);而低色溫光源則有利于褪黑激素的分泌，促使大腦進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

由此可見，光源除了滿足照明的要求外，還會(huì)直接影響人體的生理功能，與中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能和身體的自然平衡息息相關(guān)，基于光生物效應(yīng)研究光源的生理和心理作用對(duì)保證人體健康十分必要。天然光是人們習(xí)慣的光源。太陽能輻射中最強(qiáng)烈的區(qū)段正是人眼感覺最靈敏的那部分光波范圍。在天然光環(huán)境下，人們視物清晰，視覺功效好，且視覺作業(yè)時(shí)感到舒適、輕松，對(duì)工作學(xué)習(xí)效率和身心健康有積極的促進(jìn)作用。因此，在室內(nèi)光環(huán)境設(shè)計(jì)中最大限度地利用天然光，是實(shí)現(xiàn)健康照明的有效途徑。

2 天然采光與能源節(jié)約

在全球日益增長的能源消耗中，無論發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家，建筑能耗都在總能耗中占據(jù)很大的比例。發(fā)達(dá)國家的建筑能耗一般占其全國總能耗的三分之一左右，我國2001年建筑能耗已經(jīng)占到全國總能耗的27.5%，而且我國單位建筑能耗是發(fā)達(dá)國家的2～3倍，這對(duì)社會(huì)造成了沉重的能源負(fù)擔(dān)和嚴(yán)重的環(huán)境污染。在我國，公共建筑數(shù)量較多，建設(shè)規(guī)模大，耗能問題非常突出，辦公建筑是公共建筑中建造量最大的一種，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國現(xiàn)代辦公建筑中人工照明耗能高達(dá)30%。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，辦公建筑也發(fā)展迅速，日益成為現(xiàn)代社會(huì)的主要建筑類型，所以針對(duì)辦公建筑的節(jié)能研究極具代表性。

太陽能是巨大的潔凈能源，充分利用日光和天空漫射光進(jìn)行建筑天然采光以減少能源消耗，是低碳建筑和綠色照明的一項(xiàng)重要任務(wù)，具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)意義。建筑如何充分利用天然采光，已引起國際建筑和照明研究工作者的高度重視。自1983年以來，國際照明委員會(huì)(CIE）就多次召開了國際建筑采光學(xué)術(shù)會(huì)議，我國近年來也一直在探索天然采光設(shè)計(jì)的新方法，以及如何將天然光引入建筑等方面的問題，但對(duì)基于光生物效應(yīng)的采光設(shè)計(jì)參數(shù)研究以及導(dǎo)光系統(tǒng)光色控制等應(yīng)用研究卻尚未涉及。在采用鍍膜熱反射玻璃、LOW－E玻璃等解決建筑節(jié)能問題時(shí)，也未能從天然光光色與視覺工作功效的關(guān)系角度研究節(jié)能窗玻璃顏色的適宜選擇。辦公室是人們從事大量、長時(shí)間視覺工作的地方，Danny H.W.Li等人通過對(duì)香港辦公建筑的采光性能和能源使用情況的研究，指出有效的采光有助于辦公建筑空間的使用和節(jié)約照明用電?？梢?，推進(jìn)基于光生物效應(yīng)的天然采光與節(jié)能研究是迫切而可行的。

3 基于光生物效應(yīng)的辦公空間采光研究

3.1 研究意義

辦公空間采光設(shè)計(jì)旨在為辦公人員創(chuàng)造良好的視覺環(huán)境，提高工作效率，保護(hù)辦公人員身心健康。目前，我國辦公室采光設(shè)計(jì)時(shí)采用的是2001年《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50033—2001》，規(guī)定普通辦公室采光系數(shù)最低值為2%，室內(nèi)天然臨界照度為100 lx，側(cè)面采光窗地面積比為1/5。此《標(biāo)準(zhǔn)》頒布時(shí)光生物效應(yīng)尚未發(fā)現(xiàn)，故并未考慮光生物效應(yīng)的影響和人體24 h生物周期節(jié)律的變化，以及視覺心理對(duì)采光的要求。因此，研究在光生物效應(yīng)下辦公空間天然采光問題具有重要意義。

據(jù)視覺科學(xué)的研究表明，人們的視覺功效不但與目標(biāo)亮度大小有關(guān)，而且還取決于定時(shí)、預(yù)測(cè)、對(duì)比、人眼適應(yīng)、生理反應(yīng)及心理感受等因素?？梢?，辦公室天然光環(huán)境質(zhì)量與人的視覺功效、舒適度、生理健康、工作效率以及節(jié)能等都息息相關(guān)。統(tǒng)籌采光條件、視覺功效與光生物性作用，才能設(shè)計(jì)出滿足人們高效率工作、身心健康和安全節(jié)能要求的辦公室光環(huán)境。

3.2 研究目標(biāo)

辦公室天然采光設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是從工作人員生理和心理的需要出發(fā)，創(chuàng)造明亮舒適的光環(huán)境，以提高工作人員的工作積極性，提高工作效率。已有研究表明，人的工作學(xué)習(xí)效率與人眼瞳孔大小變化相關(guān)。由于人眼是一個(gè)很敏感、復(fù)雜的“光學(xué)儀器”，因而高質(zhì)量的光環(huán)境涉及到的因素也比較復(fù)雜，研究時(shí)還必須綜合考慮視覺功效、節(jié)能和提高視覺工作效率等各方面的要求。

基于光生物效應(yīng)的辦公空間采光研究目標(biāo)是:通過基于光生物效應(yīng)的辦公室采光實(shí)驗(yàn)，測(cè)試、分析在不同光氣候、季節(jié)時(shí)段、采光口朝向、亮度水平的天然采光條件下，人眼瞳孔大小、主觀感受等變化規(guī)律，研究在光生物效應(yīng)作用下，天然光的光色(光譜分布）、光照強(qiáng)度(亮度）與人的視覺心理生理變化之間的關(guān)系，整理不同光色下瞳孔變化與亮度水平函數(shù)關(guān)系式，研究有利于人們視覺和身心健康的采光設(shè)計(jì)參數(shù)，從而提出有利于人們視覺舒適和身心健康，提高工作效率的辦公室天然采光設(shè)計(jì)理念和策略。

3.3 研究內(nèi)容

通過瞳孔變化及生理心理測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)，分析在不同光氣候、季節(jié)時(shí)段、采光口朝向的天然光光色及亮度的采光條件下，人眼瞳孔大小變化規(guī)律性及視覺心理生理反應(yīng)規(guī)律，確定合理的瞳孔大小與亮度之間的擬合表達(dá)式，定量表示在辦公室亮度水平條件下光生物效應(yīng)的總視覺效果，并得出一系列相關(guān)數(shù)據(jù)和圖表。然后通過各影響因子的綜合能效分析，提出適宜辦公室天然采光設(shè)計(jì)的原理和方法。具體研究內(nèi)容包括:

1）不同光氣候、季節(jié)時(shí)段、采光口朝向的辦公室天然采光現(xiàn)狀調(diào)研分析、光譜分布及采光條件研究;

2）通過辦公室天然采光環(huán)境下瞳孔大小變化實(shí)驗(yàn)，研究不同采光條件下瞳孔大小隨背景亮度變化的規(guī)律;

3）不同辦公室天然采光條件下，人的主觀心理感受和生理反應(yīng)指標(biāo)變化實(shí)驗(yàn)，研究不同采光條件對(duì)人視覺心理和生理的影響;

4）不同光氣候的天然光條件下，從光色—亮度—舒適度的變化關(guān)系，進(jìn)行視覺功效研究，提出綜合視覺功效、工作效率、健康、節(jié)能要求的辦公室視覺環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

4 小結(jié)

“光生物效應(yīng)”是當(dāng)今光學(xué)學(xué)科的前沿研究。將天然采光與光生物效應(yīng)相結(jié)合，通過分析在不同時(shí)段、色溫、顏色的光源下，辦公人員的瞳孔大小變化情況、反應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律和行為心理變化規(guī)律，研究在光生物效應(yīng)作用下，光源光色、光強(qiáng)度與人的視覺環(huán)境心理、生理節(jié)律、工作效率之間的關(guān)系，以期能提出利于人們視覺舒適、身心健康、安全節(jié)能，提高工作效率的辦公室天然采光設(shè)計(jì)參數(shù)和策略，對(duì)辦公空間采光環(huán)境設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

［1］章海驄.照明科學(xué)新發(fā)展——眼睛的非視覺效應(yīng)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2006

［2］黃海靜.大學(xué)教室照明中的光生物效應(yīng)研究［D］.重慶:重慶大學(xué)博士論文，2010

［3］GB－T 50033－2001.建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001

［4］牛盛楠，梁浩，楊現(xiàn)國.人工照明中光生物效應(yīng)的應(yīng)用［J］.光源與照明，2009

［5］翁季，陳仲林，劉英嬰，等.光生物效應(yīng)研究綜述［J］.燈與照明，2007

［6］袁樵.辦公室照明方式與視覺功效［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2006

［7］陳紅兵，李德英，邵宗義，等.辦公建筑的天然采光實(shí)驗(yàn)研究［J］.建筑科學(xué)，2006

［8］何滎.用信息法研究天空亮度分布［D］.重慶:重慶大學(xué)博士論文，2008