基于光生物效應的辦公空間采光研究初探

黃海靜，吳 卒

(1.重慶大學建筑城規(guī)學院，重慶 400045;2.山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045）

0 引言

辦公室是人們?nèi)粘９ぷ鞯闹匾獔鏊k公空間光環(huán)境品質(zhì)不僅關系到人們用眼健康，還對其心理感受和生理變化等生物性反應產(chǎn)生影響。光生物效應與光源中藍綠色光成分含量有關，天然光富含藍光成分，光生物效應作用明顯。不同地域光氣候、季節(jié)時段、采光口朝向的天然光光色不同。但現(xiàn)有的采光設計規(guī)范僅針對照度、照度均勻度等視覺效果進行規(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)進行評估，而未考慮光生物效應的作用，更缺乏針對光色變化的視覺功效研究，因而無法準確反映辦公場所的實際采光效果和工作者的生理心理感受。

在光生物效應理論指導下，研究更適合辦公空間的采光設計理念和措施，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，從而達到綠色照明和健康照明的目的。

1 光生物效應與健康照明

20世紀的努力都限于眼睛的視覺研究，包括視覺過程和機理、視顏色和成因、視覺能力和功能、視覺功效、光度學和色度學、視覺的適應和感覺等等。這些都是通過光的視覺效應得來的。因此，直到上世紀末，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）大學的David Berson等學者在人眼視網(wǎng)膜上發(fā)現(xiàn)了第3種感光細胞——神經(jīng)節(jié)細胞，它對不同波長的光的敏感度是不同的，峰值位于490 nm，該視覺效應被稱為Citopic(管理光非視覺效應的視覺，或光生物效應視覺），簡稱光生物效應。與視覺知覺不同，光生物效應過程雖然同樣由人眼開始，但是光信號最終傳遞到松果體，通過松果體控制褪黑激素的分泌量，調(diào)節(jié)人體活動機制，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，促使大腦進入睡眠狀態(tài)。

由此可見，光源除了滿足照明的要求外，還會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，基于光生物效應研究光源的生理和心理作用對保證人體健康十分必要。天然光是人們習慣的光源。太陽能輻射中最強烈的區(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)時感到舒適、輕松，對工作學習效率和身心健康有積極的促進作用。因此，在室內(nèi)光環(huán)境設計中最大限度地利用天然光，是實現(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)達國家的2～3倍，這對社會造成了沉重的能源負擔和嚴重的環(huán)境污染。在我國，公共建筑數(shù)量較多，建設規(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，在我國現(xiàn)代辦公建筑中人工照明耗能高達30%。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，辦公建筑也發(fā)展迅速，日益成為現(xiàn)代社會的主要建筑類型，所以針對辦公建筑的節(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重要任務，具有巨大的社會效益和經(jīng)濟意義。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(CIE）就多次召開了國際建筑采光學術會議，我國近年來也一直在探索天然采光設計的新方法，以及如何將天然光引入建筑等方面的問題，但對基于光生物效應的采光設計參數(shù)研究以及導光系統(tǒng)光色控制等應用研究卻尚未涉及。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，也未能從天然光光色與視覺工作功效的關系角度研究節(jié)能窗玻璃顏色的適宜選擇。辦公室是人們從事大量、長時間視覺工作的地方，Danny H.W.Li等人通過對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。可見，推進基于光生物效應的天然采光與節(jié)能研究是迫切而可行的。

3 基于光生物效應的辦公空間采光研究

3.1 研究意義

辦公空間采光設計旨在為辦公人員創(chuàng)造良好的視覺環(huán)境，提高工作效率，保護辦公人員身心健康。目前，我國辦公室采光設計時采用的是2001年《建筑采光設計標準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《標準》頒布時光生物效應尚未發(fā)現(xiàn)，故并未考慮光生物效應的影響和人體24 h生物周期節(jié)律的變化，以及視覺心理對采光的要求。因此，研究在光生物效應下辦公空間天然采光問題具有重要意義。

據(jù)視覺科學的研究表明，人們的視覺功效不但與目標亮度大小有關，而且還取決于定時、預測、對比、人眼適應、生理反應及心理感受等因素。可見，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。統(tǒng)籌采光條件、視覺功效與光生物性作用，才能設計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

辦公室天然采光設計的重點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，人的工作學習效率與人眼瞳孔大小變化相關。由于人眼是一個很敏感、復雜的“光學儀器”，因而高質(zhì)量的光環(huán)境涉及到的因素也比較復雜，研究時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。

基于光生物效應的辦公空間采光研究目標是:通過基于光生物效應的辦公室采光實驗，測試、分析在不同光氣候、季節(jié)時段、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，研究在光生物效應作用下，天然光的光色(光譜分布）、光照強度(亮度）與人的視覺心理生理變化之間的關系，整理不同光色下瞳孔變化與亮度水平函數(shù)關系式，研究有利于人們視覺和身心健康的采光設計參數(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計理念和策略。

3.3 研究內(nèi)容

通過瞳孔變化及生理心理測試系統(tǒng)試驗，分析在不同光氣候、季節(jié)時段、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規(guī)律，確定合理的瞳孔大小與亮度之間的擬合表達式，定量表示在辦公室亮度水平條件下光生物效應的總視覺效果，并得出一系列相關數(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計的原理和方法。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驗，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指標變化實驗，研究不同采光條件對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—舒適度的變化關系，進行視覺功效研究，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)量評價指標體系。

4 小結(jié)

“光生物效應”是當今光學學科的前沿研究。將天然采光與光生物效應相結(jié)合，通過分析在不同時段、色溫、顏色的光源下，辦公人員的瞳孔大小變化情況、反應時間變化規(guī)律和行為心理變化規(guī)律，研究在光生物效應作用下，光源光色、光強度與人的視覺環(huán)境心理、生理節(jié)律、工作效率之間的關系，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計參數(shù)和策略，對辦公空間采光環(huán)境設計起到指導作用。

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