南京市中學(xué)教室天然光非視覺效應(yīng)研究

聶柏慧 吳 蔚

(南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇 南京 210093)

1 概述

天然采光除了視覺上的功效外，還會通過非視覺通道影響生物的生理節(jié)律[1]。研究顯示[2]光的非視覺效應(yīng)能夠影響人體的生物鐘相位移動、激素的分泌與抑制、內(nèi)核體溫變化以及其他生理參數(shù)。對于在校學(xué)生來說，這一效應(yīng)不僅關(guān)系到用眼健康，還會對心理感受和生理變化產(chǎn)生重要作用，并會進(jìn)一步影響到學(xué)習(xí)效率[3]，因此是教室整體環(huán)境舒適性的一個重要影響因素。國外針對教室光環(huán)境非視覺效應(yīng)已經(jīng)展開了眾多研究，在天然采光領(lǐng)域發(fā)展出了一系列非視覺效應(yīng)的評估模型[4，5]。然而目前我國學(xué)校教室天然采光的相關(guān)研究[6]及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[7]主要是根據(jù)視覺需求展開的，照度、照度均勻度、采光系數(shù)是主要的評價指標(biāo)，在非視覺效應(yīng)方面的相關(guān)評估及改進(jìn)研究仍較為缺乏。

基于現(xiàn)有背景，本文將先對天然光非視覺效應(yīng)的相關(guān)評價方法和指標(biāo)進(jìn)行介紹，然后通過計算機(jī)模擬技術(shù)嘗試將其運(yùn)用至學(xué)校教室中，探討所選非視覺效應(yīng)評價模型的適用性，以期為今后教育建筑相關(guān)的非視覺研究提供方法借鑒和數(shù)據(jù)支持。

2 非視覺效應(yīng)評價模型及相關(guān)指標(biāo)

目前國際上天然光非視覺效應(yīng)評價主要有節(jié)律影響因子法、光劑量法、生物照度閾值法(加權(quán)DA值法)和有效晝夜節(jié)律區(qū)域CEA法[8,9]。本文主要應(yīng)用基于生物照度閾值的評價模型。該模型在光生物學(xué)的研究基礎(chǔ)上，通過計算機(jī)模擬技術(shù)，可對全年動態(tài)光環(huán)境非視覺效應(yīng)進(jìn)行評價，且分析結(jié)果能夠較好地圖示化表達(dá)。

Pechacek等[10]于2008年提出滿足非視覺效應(yīng)下CIE標(biāo)準(zhǔn)光源D55,D65,D75的生物照度閾值下限分別是210 lx,190 lx和180 lx，并將南、北、東西方位的天空分別與D65,D75和D55相對應(yīng)，初步完成了光譜特性向非視覺效應(yīng)的轉(zhuǎn)化。之后其用等效DA圖譜(Equivalent Daylight Autonomy Maps)和時間圖譜(Temporal Maps)分析了病房空間的非視覺效應(yīng)。等效DA圖譜可以通過天然光動態(tài)模擬軟件Daysim得出，表示建筑空間中滿足最低生物照度閾值的時間占全年時間的百分比。時間圖譜可通過用Matlab編寫Daysim計算結(jié)果中的全年照度文件(ILL)得到，表示空間中某一點在全年范圍內(nèi)的非視覺效率百分比分布。

Andersen等于2012年提出了生物照度閾值的上限[11]，D65,D75和D55分別對應(yīng)870 lx,830 lx和960 lx，并將非視覺效應(yīng)與照度的關(guān)系簡化為線性的分段函數(shù)，以D55為例如式(1)所示，其中,NVE是非視覺效率值；ED55是D55等效照明體的照度值。

(1)

(2)

3 教室天然光非視覺效應(yīng)模擬與評價

本次研究的對象位于南京市某高級中學(xué)主教學(xué)樓二樓，教室的長寬高分別為9.3 m,7.8 m,3.5 m，窗地比為0.29，符合相關(guān)規(guī)范[13]的要求。室內(nèi)材料的反射率和透射率如表1所示。根據(jù)實測建筑信息在Ecotect中搭建三維模型，布置六個測點如圖1所示，并設(shè)置兩個垂直于窗口所在平面的豎直計算網(wǎng)格v1，v2。v1通過測點1，2，3所在直線,v2通過測點4，5，6所在直線。v1網(wǎng)格和v2網(wǎng)格的方向向量均為(1,0,0)，朝向黑板。將設(shè)置好的模型導(dǎo)入Daysim中進(jìn)行全年動態(tài)光環(huán)境模擬，單日時間根據(jù)學(xué)生上課的情況設(shè)定為7:30～17:30，得到等效DA圖譜，再結(jié)合Matlab對Daysim輸出的ILL文件進(jìn)行處理得到全年時間圖譜。

表1 教室室內(nèi)各材質(zhì)參數(shù)

反射率透射率墻面天花板黑板面地面南窗北窗0.830.830.120.240.780.78

3.1 等效DA圖譜分析

等效DA圖譜用于描述空間中各點達(dá)到生物照度下限的時間分布百分比，圖2虛線表示學(xué)生坐下時眼睛所在高度，離地1 100 mm。

v1網(wǎng)格面的等效DA均值為66.49%，但明顯分布不均，北半邊的座位全年有超過2/3的時間都能達(dá)到非視覺效應(yīng)響應(yīng)的目標(biāo)照度值，相比之下，南半邊的座位大部分只有50%左右的時間達(dá)到目標(biāo)照度值，非視覺潛能一般。v2網(wǎng)格面的等效DA均值為69.83%，北半邊的座位基本處于70%以上，南半邊座位基本處于64%左右?？傮w而言學(xué)生眼睛高度處全年有超過2/3的時間能夠達(dá)到非視覺響應(yīng)的目標(biāo)照度值，比v1網(wǎng)格處效果要好。

3.2 時間圖譜及累積非視覺效率值分析

教室主要朝向為北向，因此選取D75照明體作為天然光環(huán)境的等效照明體，根據(jù)第2節(jié)的轉(zhuǎn)換方法可以得到D75照明體的生物照度閾值函數(shù):

(3)

表2 各測點不同時段全年累積非視覺效率值 %

通過時間圖譜可以看出，整體上非視覺效率最低的是測點3，最高的是測點6。前排測點1～測點3的非視覺效率明顯呈遞減狀況，測點1白天大部分時間能達(dá)到80%，而測點3大部分時間都處于50%左右。后排測點6～測點4雖然也是呈遞減狀況，但是差別不大，而且基本處于80%以上。

從全年累積非視覺效率值來看，在總時間段內(nèi)，非視覺累計效率均值為57.82%，且后排座位的累積效率均值為前排座位的1.36倍。在10:00～17:00時間段內(nèi)，除測點2和測點3外，其他測點都能達(dá)到70%的非視覺效率值，說明該段時間內(nèi)具有較好的非視覺潛能。然而在7:30～10:00時間段內(nèi)，除測點6外的所有測點都未能達(dá)到50%的非視覺效率值，測點2和測點3甚至都未能達(dá)到20%，說明該段時間非視覺潛能較低，天然光刺激不足，需要適當(dāng)?shù)娜斯ぱa(bǔ)光。

4 研究展望

生物照度閾值法能在一定程度上量化評估建筑空間的天然光非視覺效應(yīng)。本文運(yùn)用該方法進(jìn)行了中學(xué)教室的非視覺效應(yīng)模擬評價，希望為今后相關(guān)方面的研究提供一定的方法借鑒。隨著非視覺效應(yīng)相關(guān)理論的進(jìn)一步發(fā)展，未來在評價精度上將會進(jìn)一步完善，并可進(jìn)行采光設(shè)計因素如朝向、窗地比、遮陽對非視覺效應(yīng)的影響研究，以便更好地將非視覺效應(yīng)的相關(guān)成果融入具體的建筑設(shè)計中，促進(jìn)健康光環(huán)境的發(fā)展。