基于天然采光的辦公建筑健康光環境研究

肖 輝，陳小雙，彭 玲，姚 夢

(同濟大學電子與信息工程學院，上海 201804)

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基于天然采光的辦公建筑健康光環境研究

肖 輝，陳小雙，彭 玲，姚 夢

(同濟大學電子與信息工程學院，上海 201804)

辦公室是人們日常生活工作的重要場所，辦公室的光環境不僅影響人們的用眼健康，更對其生理、心理產生影響。天然光作為一種綠色能源，在改善辦公建筑光環境方面有著不可替代的作用。以營造健康光環境為根本出發點，將矩陣分析與控制理論相結合，提出了天然采光與人工照明聯合控制模型。同時為論證模型有效性，本文運用Ecotect、DIALlux軟件對長9m、寬4m、高4m的標準辦公空間進行仿真，證明本文所提出的聯合控制模型可以很好的控制室內照度，營造舒適健康的室內光環境。

辦公室光環境；天然采光；聯合控制

引言

光是人類賴以生存的必備條件，是人們日常生活中不可缺少的因素之一。正是這種對光的依賴性，讓人們越來越重視光健康科學的發展。嚴格來說，光健康包括光對人體的短期作用效應和長期作用效應。短期作用效應是指8小時內的光輻射所產生的影響，例如眼睛和皮膚的光化學紫外傷害等；長期作用效應則主要包括閃爍、眩光及非視覺的生理節律影響等[1]。本文從光環境對健康的影響出發，分析天然采光的優缺點，得出結論，相比較人工光源，天然光構建的光環境對人的健康更為有利。但由于單純的天然光照明很難滿足室內照度要求，因而，本文提出一種天然采光與人工照明聯合控制策略來對室內光照環境進行改善。

1 光與健康

隨著光健康科學的研究與發展，人們發現光環境對人的生理和心理影響顯著。光主要通過神經系統影響人的生理功能，例如生理節律、免疫力等。生理節律，也稱為生理時鐘，是人體一天之內的各種生理參數的生理循環，體溫、激素水平、睡眠、認知表現等都遵循著這種規律性的波動[1]。早在2002年，美國布朗大學的David Berson教授等人發現了人眼視網膜上的第三類感光細胞——本征感光視網膜神經結細胞。研究表明，該種細胞含有黑視素，其功能為通過對進入人眼的可見光輻射產生一系列化學生物反應來調節控制人的生理節律。同時近幾年，光在臨床醫學領域也得到了廣泛的應用，例如LED光源用于促進傷口愈合等。

光對人的心理也有著深遠的影響。天津工業大學牛萍娟、方晶璐等人研究不同的LED照明環境(色溫為2700K，4500K，6700K；照度值為300lx,500lx，800lx)對受試者生物節律的影響[2]。通過實驗發現，在照度值一定時，色溫為4500K的光環境下，受試者的工作效率最高，舒適度最強。而在相關色溫一定時，學習效率與注意力集中程度和學習疲勞程度與照度成開口向上的拋物線關系，而視覺敏感度則隨著照度的升高而升高[2]。這是由于照度的變化可以影響血液中的褪黑色素量，當照度提高時，血液中褪黑色素便會減少，使得人體注意力集中程度提高，疲倦程度降低，從而可以提高工作效率。研究表明，辦公建筑中照度值為500lx、色溫為4500K最為合適，在該照明環境下，辦公人員的工作效率最高，疲勞程度最低。

種種研究表明，不論是自然光還是人工光，其所構造的光環境與人們的健康有著密不可分的關系。良好的光環境不僅可以提供更為舒適的視覺環境，更能給人們的健康帶來有利影響。因而良好的光環境是照明設計中最為基本的要求，針對辦公建筑光環境而言，照度值選為500lx,色溫選為4500K最為合適。

2 天然采光的優缺點

在人類長期進化過程中，人眼早已形成了許多適應自然光的機制，再完美的人工光源也沒辦法代替天然光，并且天然光是一種取之不盡、用之不竭的綠色能源，也是照明的主要來源。辦公建筑照明采用天然光照明的優勢主要體現在三個方面：

(1)采用天然光進行室內照明，更有利于健康光環境的構造。經國內外研究發現，在相同照度水平的情況下，人們在天然光環境下的視覺功效比在人工照明條件下的高5%～20%[4]。并且，人眼作為視覺器官，經過數萬年的演變，最能適應的就是天然光，再完美的人工照明也無法代替天然光。

(2)采用天然光進行室內照明，更有利于節能減排。就照明而言，天然光是一種良好的綠色能源。建筑物具有良好的天然采光可以最大限度地利用天然光代替人工照明，減少相應的照明能耗，緩解能源危機。并且由于天然光是無污染的綠色能源，采用天然光照明有利于減少有害物質的排放。

(3)天然光可以創造出人工照明無法創造出的室內光環境。自然光是自然界中動態變化的光線，可以使室內空間產生豐富的表現力，賦予人們開敞、凝縮、輕盈、含蓄等感覺[5]。

由此可見，在相同照度水平下，由天然光構成的光環境相比較由人工光源構成的光環境更加有利于人體健康。因而，辦公建筑照明應該在室內照明中大量引入天然光。然而天然光是不可控光，并且由于建筑存在一定的窗墻比使得天然光很難均勻、有效的照射到整個室內空間，因而，辦公空間健康光環境的建立還需要人工照明進行補光。

現代辦公建筑大多采用百葉系統控制天然光進入室內的角度及數量，以避免直射光。室內主要照明仍然采用人工照明，百葉系統與人工照明系統相互獨立，根據人們的自身感受對兩個系統進行人為控制。針對這種情況，本文提出了天然采光與人工照明相結合的聯合控制系統——不僅可以利用天然光均勻、光質好、照度高且節約能源等優點，而且利用人工照明彌補天然光隨晝夜、氣候和季節而變化的不穩定性，緩解照明角度和眩光等問題，從而營造出最為舒適健康的光環境。

3 天然采光與人工照明聯合控制方案

近幾年LED新型人工光源的光效不斷提升，智能照明控制系統飛速發展，進入到“以人為本，按需控光”的時代，這也為天然采光與人工照明的智能結合提供了強有力的技術理論支持。室內某點的照度包含兩部分：一部分為由天然采光引起的晝光照度，另一部分為人工照明引起的人工照度。因此，本文通過建立辦公空間晝光照明模型以及人工照明模型，來得到天然采光與人工照明的聯合控制模型。

根據前人研究，照度為500lx、色溫為4500K的辦公建筑光環境最為適宜，因而，在本文設計中選擇色溫為4500K的LED燈具，力求通過聯合控制模型將工作面照度控制在500lx，以構建舒適高效的室內光環境。

3.1 晝光照明模型

在天然采光照明中存在著一個重要的概念——天然采光系數。影響室內天然光采光系數的因素有很多，如窗地面積比、采光口的位置、窗總透射比、窗戶下沿離地板高度、遮陽措施以及室內進深長度等。針對某一特定的建筑物，其窗地面積比、采光口位置、以及窗總透射比、窗沿高度等參數均為確定值，因而其天然采光系數僅與遮陽措施以及室內進深長度有關。也就是說，在室內某一進深處，當遮陽措施選用百葉遮陽時，天然采光系數是百葉角度的函數。

本文引入天然采光系數函數矩陣，矩陣的每一元素均為天然采光系數——百葉角度函數，不同的矩陣元素代表室內不同進深處的天然采光系數函數，根據天然采光系數的概念，可以得到室內晝光照度式(1)：

(1)

其中，n為房間進深；Gn(w)為進深為n處的天然采光系數函數；Ew晝為室內晝光照度矩陣；E晝為室外天然光照度。

根據式(1)得到的晝光照度矩陣，提出照度特征值的概念——室內晝光照度矩陣中照度值滿足300lx～700lx的矩陣元素數量，即當前天空條件以及百葉角度下，不加人工照明，室內滿足照度要求的進深長度值。

3.2 人工照明模型

根據光通傳遞理論可以得到室內照度點的人工照度矩陣如式(2)所示。

(2)

其中g為光通傳遞函數矩陣，光通傳遞函數矩陣的元素gij為光源j對點i的光出射比(或光通傳遞函數)。在光源位置確定的情況下，gij是不變化的，不隨光源輸出光通量的變化而變化。

根據式(2)，當光通傳遞函數矩陣g確定后，便可根據矩陣論的知識求得式(2)的最小二乘解，為：

φ=(gTg)-1gTEw

(3)

綜上，當知道照度Ew時，便可求出相對應的光源光通輸出值，也即知道每個燈具的理論光通輸出，按照得到的光通輸出調節相對應的燈具即可得到期望的Ew，也即實現了按需調光。

3.3 天然采光與人工照明聯合控制

3.3.1 室內照度模型

室內工作面上某一點的照度由兩部分組成，一部分為由于室外天然光引起的晝光照度，另一部分則為室內人工照明產生的人工照度。結合3.1節所介紹的晝光照明模型以及3.2節所提到的人工照明模型，可以得到，室內照度計算點的照度公式為E=Ew+Ew晝，即：

(4)

式中，E為室內參考點的照度矩陣；En為參考工作點的照度；Ew為室內人工照度矩陣；Ew晝為室內晝光照度矩陣；E晝為室外天然光照度，通過室外照度傳感器測得。

3.3.2 聯合控制策略及流程圖

聯合控制策略定為：室內照明以天然光作為主要光源，人工照明作為補充，也就是說，在滿足室內照度標準的情況下，最大限度地使用天然采光進行照明，在天然采光不足以滿足照度標準的情況下，采用人工照明進行按需補光。最優百葉角度選為使得晝光照度矩陣照度特征值最大的百葉角度，當百葉角度確定后，室內晝光照度矩陣Ew晝即為定值，通過期望照度矩陣與晝光照度矩陣的差值，可以得到人工照度矩陣值Ew，再根據式(3)，求出相對應的光源光通輸出值，按照得到的光通輸出調節相對應的燈具即可得到期望的Ew，也即實現了按需調光。

整個聯合控制系統的流程框圖如圖1所示：

圖1 聯合控制系統流程圖Fig.1 The flow chart of the combined control system

4 模型仿真與實現

本文將辦公空間簡化為長9m、寬4m、頂棚高4m的獨立空間模型，選擇活動百葉外遮陽，由南向窗口單側采光，采光口面積為4m×4m。照度計算點選擇為從距離窗口0.4m開始，每隔0.5m進行測量，也就是說分別測量室內進深為0.4m,0.9m,1.4m,1.9m,2.4m,2.9m,3.4m,3.9m,4.4m,4.9m,5.4m,5.9m,6.4m,6.9m,7.4m,7.9m,8.4m,8.9m處的天然采光系數，同一進深處則取8個計算點。

模擬空間燈具采用均勻分布的布置方式，燈具間的橫向間距為1.00m，縱向間距為1.80m；將懸掛高度定為4m吸頂式布置。光源序號為第一排從左至右為1～5號燈具，第二排從左至右為6～10號燈具，具體位置如圖2所示：

圖2 燈具布置圖Fig.2 Lighting layout

燈具選擇為飛利浦公司生產的LED光源，所選燈具參數及配光曲線如圖3所示。

圖3 選用LED燈具參數及配光曲線圖Fig.3 The lamp parameters and candela distribution curve

以室外照度為5500lx為例，所求得的最優百葉角度為49°，得到的晝光照度矩陣Ew晝為 [1031 877 701 566 466 394 357 314 280 271 248 238 232 233 225 220 210 208]T，相對應得到的人工需要補光的照度矩陣為[0 0 0 0 34 106 143 186 220 229 252 262 268 267 275 280 290 292]T。根據式(3)求得，人工光源光輸出矩陣φ為：[0 0 2949 705 2912 0 0 2959 0 3863]T。也就是說，只需要開編號為3、4、5、8、10這五盞燈，并將其電壓分別調至其額定電壓值的72.8%、17.4%、71.9%、73.1%、95.4%，即可滿足室內照度需要。

理論值求得后，利用Ecotect軟件以及DIALux軟件進行效果測試。當室外照度為5500lx以及百葉角度為49°時，得到的室內照度分布如表1所示。

表1 聯合控制系統仿真效果值Table 1 The simulation value of the combined control system

由表1可以觀察到，采用聯合控制系統后，除了窗口處照度為1000lx左右，室內照度均在500lx附近，照度均勻度為0.69，符合標準要求，利用本文的控制方法達到很好的效果。

5 結論與展望

本文介紹了光環境與健康的關系以及天然采光的優缺點，然后以營造健康光環境為根本出發點，將矩陣分析與控制理論相結合，分別提出了晝光照度模型以及人工照度模型，并將這兩個模型聯合起來，提出聯合控制模型，給出聯合控制策略。并將得到的聯合控制模型運用到一個長9m，寬4m，頂棚高4m的模擬空間模型中，進行效果分析，得出結論：聯合控制模型可以很好的運用天然采光，并能將室內照度恒定在500lx左右。經研究表明，500lx為辦公空間中最為舒適、最有利于提高工作效率的照度。

本文將更可能多的天然光引進室內，以人工照明作為補償。但是就室內照明而言，評價其好壞有很多指標，例如：照度、亮度、照度均勻度、眩光等，因而后續研究還需要結合其他因素，來對模型進行完善。

[1] 羅勇軍，牟同升，溫曉芳.光健康與國際標準化的進展[J].照明工程學報，2013，24(增刊)：14-18.

[2] 牛萍娟，方晶璐，田會娟，等.基于光生物效應的LED辦公照明環境研究[J].照明工程學報，2014，25(4):23-28.

[3] 方景，邴赫亮，肖輝.照明控制技術的進展[J].照明工程學報，2014，25(2):10-14.

[4] William A Gosling. To Go or Not to Go? Library as Place[J].American Libraries, 2000, 31(11):44.

[5] 曾禮強.晝間人工照明特性及其控制策略研究[D].重慶：重慶大學，2007.

謹防上當受騙，《照明工程學報》雜志社聲明

近日發現有不法人員在“期刊導航網”(http://zmgcxb.qikann.com/)、“中國學術發展中心”(http://www.zgxsfzzx.com/)等上冒名《照明工程學報》雜志社，進行《照明工程學報》的征稿，在此聲明：

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Research on Healthy Light Environment of Office Building Based on Natural Lighting

Xiao Hui, Chen Xiaoshuang, Peng Ling, Yao Meng

(CollegeofElectronicsandInformationEngineeringofTongjiUniversity,Shanghai201804，China)

The office building is an important and necessary place for people to work in the daily life. The light environment of the office not only affects the eye health of people, but also has an impact on physiology and psychology. As a kind of green energy, natural light plays an irreplaceable role in improving the light environment of office building. In this paper, a combined control strategy of natural lighting and artificial lighting based on matrix analysis and control theory is proposed to create a healthy light environment which is the fundamental starting point. At the same time, in order to prove the validity of this model, the combined control strategy is used to simulate standard office space whose length is 9m, width is 4m and height is 4m basing on Ecotect and DIALux software. According to the simulation, the combined control strategy proposed in this paper can effectively control the indoor illuminance and create a comfortable and healthy light environment of office building.

light environment of office building; natural lighting; combined control strategy

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.002