商業建筑光環境研究綜述

張曉倩，張九紅，呂坤潔

(1.沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168；2.東北大學，遼寧 沈陽 110169)

引言

隨著社會的不斷發展，我國商業建筑規模不斷加大，融入了各種新型業態及功能。商業建筑包含了多樣豐富的活動，除購物外，餐飲、觀演、社交、娛樂、休閑、體驗等功能成為商業建筑空間發展的新趨勢。美國著名城市規劃學家凱文·林奇[1]在消費者購物行為研究中提出，人們將購物視為一種消閑，在購物過程中時而坐、時而站，時而與人聊天、時而到各處游逛；或者看別人經過、看別人購物，看看噴泉、看看展覽，從尋找商品的一個階段到中間的休息，然后又繼續尋找，商業建筑包含的活動較多，其內部空間環境的品質提升較為重要。“商業建筑”是承載人們休閑和購物活動的載體，而“光環境”給予空間生命與活力，影響著商業建筑的氛圍感以及消費者的體驗感，因此商業空間光環境設計是體現人性化的重要因素。商業建筑內的零售店鋪為了獲得較多的展示面積，主要使用人工照明滿足照度要求；設有天窗的步行街一般采用自然采光與人工照明結合的形式滿足光環境要求?！吨袊ㄖ澞苣甓劝l展研究報告2014》[2]指出，大型商業建筑體量大、內區面積大，照明電器等密度較高，建筑能耗以用電為主，空調系統耗電量約為50%，照明系統的電耗可達40%，其余10%為電梯及其他。商業建筑照明能耗是在總能耗占比中僅次于空調能耗的第二大要素，因此對于商業建筑照明節能研究具有重要意義。商業建筑的光環境設計是一項較為復雜的任務，既涉及到視覺效果對消費者心理感受的影響，又涉及到自然光與人工光結合應用帶來的節能效果。本文對商業建筑內部光環境相關研究進行梳理，分析該領域的主要研究方法和技術手段，為未來商業建筑物理環境設計研究以及發展方向提供一定的參考依據。

1 商業建筑光環境特性及國內外各項指標要求

商業建筑的營業空間主要包括公共空間(門廳、中庭、過道等)和店鋪空間(內部專賣店、營業廳等)[3]。其公共空間光環境營造主要采取自然光和人工照明結合的形式，店鋪空間光環境主要為一般照明、局部重點照明和裝飾藝術照明的有機結合，在創造特殊的商業氣氛的同時塑造商品的立體感以及質感。目前我國對商業建筑照明標準值的規定如表1所示，其中一般商店的營業廳和商業街在其相應參考平面上的照度應分別達到300 lx和200 lx。標準要求商業建筑的照度均勻度(U0)不應低于0.6，統一眩光值(UGR)不宜超過22，照明光源顯色指數(Ra)不應小于80，商業建筑照明色溫建議在3300～5 300 K之間[4]。

表1 商店建筑照明標準值

表2對比了國內外商業建筑照度標準值要求，由表2可知，由于建筑等級和地域差異，各個國家的標準分類有所不同。我國商業建筑各個空間照度在300～500 lx，與CIE以及歐盟各國要求相似；美國地區照度標準均為300～400 lx；日本較高，重要區域照度達750～2 000 lx[5]，據此可見，我國商業建筑標準在制定的同時考慮了節能需求。

表2 商業建筑國內外照度標準值對比

我國標準提出應在滿足規定的照度和照明質量要求的前提下進行照明節能評價，照明節能應采用一般照明的照明功率密度值作為評價指標，商業建筑的照明功率密度限值如表3所示[4]。需要說明的是《建筑照明設計標準》(GB 50034—2013)給出了現行值與目標值[4]，但自2022年04月01日起，商業建筑照明功率密度值(LPD)按照《建筑節能與可再生能源利用通用規范》(GB 55015—2021)實施，要求各個空間的LPD達到原標準的“目標值”[6]。

表3 商店建筑照明功率密度限值

2 商業建筑光環境主觀評價研究

當商業建筑中的視覺信息能持續引起人們興趣、使人身心舒暢的時候；當人們能參與其中、體驗到空間無限樂趣的時候，商業建筑的活力就實現了。光環境的人性化設計是未來商業建筑光環境設計的必然趨勢和最終歸宿，因此有必要從人體的感知或評價角度分析商業建筑內部光環境。商業建筑光環境主觀評價研究涉及建筑學、光學、環境心理學和社會統計學等學科知識。El-Adly等[7]對商業建筑環境、顧客感知價值、滿意度以及忠誠度進行調研，研究結果認為商場的購物環境是顧客感知價值以及顧客滿意度的前提，且顧客的感知價值對滿意度以及忠誠度都有顯著的正向影響，各項因素之間的關系如圖1所示。

圖1 商業建筑環境與顧客感知價值、顧客滿意度、顧客忠誠度之間的關系示意

許多專家學者提出天窗設計對于商業建筑的重要性，Mahone等[8]對108家商業建筑進行調研，利用多元回歸分析可能影響銷售額的因素，發現在其他條件相同的情況下，天窗與銷售額呈顯著正相關，這與Romm[9]提出的“在商業建筑中引入天然光有助于商業建筑銷售額的提升”研究結果具有一致性。Chate等[10]在購物環境中利用里克特五級量表對20～25歲的消費者進行問卷調查，結果顯示明亮的購物環境可以通過提高訪問次數和停留時間影響人們的購買行為。劉小妹[11]采用問卷調查的方法，對中、英、德三個國家大型商業建筑的中庭自然采光進行主觀評價研究，借助 spss對調研結果進行分析，評估并且驗證了消費者對商業建筑中庭空間及其帶來的自然采光的重視程度，提出了中庭空間光環境的各項因素對使用者主觀滿意度的影響。Quartier等[12]研究了商業建筑照明對消費者的環境感知、情緒以及行為的影響，搭建了三種照明工況下的購物環境，并對95名參與者進行問卷調查,結果顯示不同的照明工況對購物行為無顯著的影響，但會對消費者在購物空間中的情緒有影響。蔡宙燊等[13]分析了消費者對于店鋪照明的“視覺滿意度”評價與照明功率的關系，提出商業建筑店鋪照明具有較大節能空間，認為開場空間水平照度差異性與地域差異具有相關性，提出商業建筑照明設計應做到因地制宜。Jin 等[14]對多家商業建筑的照明環境以及行人的視覺舒適度、滿意度進行調研分析，研究發現不同年齡、性別、教育程度的行人的主觀評價結果差異性較小，并且提出商業建筑在自然采光和人工照明混合時的最佳平均亮度為1 000 cd/m2，推薦單一人工光環境平均亮度值為 75 cd/m2。Ampenberger等[15]在1∶10 比例的購物空間模型中設置不同的照明環境，分析30名參與者對場景明亮程度感知的評價，結果顯示區域照明可在降低約30%的照度值的同時達到與均勻照明相同的感知明亮程度。Mayhoub[16]通過分析從552個購物中心中的顧客收集的數據，提出了較新的研究結果，即采光對改善用戶情緒比節約能源更重要；另外，該研究認為，提高客戶滿意度的是照明質量，而不是光源種類(自然光或人工光)，該研究可以引導建筑師以及照明工程師在設計中從功能性轉向采光的情感作用，提出更有效的光環境設計方案。王琛等[17]調研了京津冀地區公共建筑的光環境以及使用者評價，通過分析發現光舒適度的主觀影響因素權重為照度水平、亮度水平 > 眩光 > 照度分布、亮度分布，為公共建筑中庭光環境的優化提供有效變量及其優先級參照。

3 商業建筑不同空間的光環境研究

商業建筑的營業空間主要包括公共空間和店鋪空間，公共空間光環境營造主要為自然光與人工照明結合的形式，店鋪空間光環境主要采取人工照明。下文將對這兩種不同空間的光環境相關研究分別進行論述。

3.1 商業建筑公共空間光環境研究

商業建筑公共空間主要包括商場門廳、中庭及各層的室內商業街等[3]。國內外相關學者研究發現了中庭建筑構件(幾何形狀、材料特性、開窗系統、中庭屋頂)與建筑內部采光條件之間的關系。Aizlewood[18]、Littledfair[19]、Calcagni[20]等認為影響中庭光環境因素主要有中庭平面形狀、光井指數、屋面開窗系統、界面材料的反射性質、中庭相鄰空間等，并分別進行研究。Calcagni等[20]利用軟件模擬研究了中庭采光系數與光井指數之間的關系，研究結果表明，采光系數與光井指數之間呈指數關系，采光系數隨著光井指數的增加而降低。Sharples等[21]梳理了建筑中庭光環境的研究成果，以L、W、H分別表示中庭的長度、寬度和高度，指出中庭的幾何形狀可以用多種方式表示，包括室形指數(Room Index，RI)、光井指數(Well Index，WI)、剖面高寬比(Section Aspect Ratio，SAR)以及平面寬長比(Plan Aspect Ratio，PAR)，計算方式如表4 所示。

表4 中庭空間幾何參數和計算方法

Aislewwod[18]、Littlefair[19]和Szerman[22]等在研究中討論了中庭基本設計參數和相鄰空間內平均采光系數之間關系的研究結果。Cole[23]利用比例模型進行實驗研究，提出材料反射率和開窗面積是影響中庭以及相鄰空間采光系數的重要參數。Mga等[24]利用IES-Radiance軟件模擬四面中庭的尺度對相鄰空間平均采光系數的影響，研究結果提出為了在中庭相鄰空間提供足夠水平的自然采光，可接受的最小天窗高度(h)與中庭高度(H)之比為3∶8。在中庭剖面相關研究中，Alraddadi[25]和Freewan[26]等分別采用物理模型以及軟件模擬大研究方法，認為階梯式的中庭剖面形式在改善采光均勻度、減少眩光等方面優于傳統中庭。楊倩苗等[27]探討了影響中庭相鄰空間采光的四大因素，包括頂部透光、空間比例、墻壁反射以及窗戶位置及尺寸，介紹了英國劍橋大學馬丁研究中心的研究成果，認為中庭高寬比控制在3∶1之內能提供較好的光環境。王卓佳[28]使用Radiance 軟件模擬了夏熱冬冷地區中庭空間形態對采光的影響，提出A形的剖面的小型核心式中庭能夠帶來較好的采光效果，且中庭的高寬比不宜大于4。劉哲等[29]借助 Ecotect 模擬軟件分析上海地區商場中庭的高寬比對采光效果的影響，提出在使用頂部自然采光設計的三層商場中，中庭最佳高寬比約為1.5∶1。呂晨歌等[30]以眩光不舒適概率SFVD<10%作為評價指標，利用對公共建筑中庭空間天窗采光的眩光問題進行研究，得出天窗面積比不宜高于0.4的研究結果。嚴永紅[31]對商業中庭采光以及照明經濟性進行了研究，研究結果顯示靠增加天窗面積來減少照明總投資是較為不經濟的，增加天窗面積所帶來的照明節能占比很小，而由此增加的建筑投資較大，僅增加的天窗造價一項就遠遠超過了照明節能費用，如果再將增加的空調能耗考慮進去，則更不經濟。

在室內商業街研究方面，日本屬于地下商業街空間利用的先驅。日本由于國土面積有限，大部分城市均利用地下空間設立寬闊的地下商業街，并引入光線柔和且富于變化的自然光，其對于環境的重視是成功發展地下商業的一個較為重要的原因[32]。羅寅[33]基于人體舒適度對重慶地區地下商業街空間光環境進行研究，對地下商業街的照度、色溫提出建議值。提出在商業街通道上方可采用4 000～8 000 K的光源，而在通道上方靠近店鋪門面的位置采用 2 000～3 000 K偏暖色的光源，可以烘托商業氛圍。李新欣[34]從視覺舒適性的角度，對17個項目室內購物街光環境現狀的現場調查，提出與主觀滿意度評價關系最為密切的量化指標為場景平均亮度，并利用回歸分析建立了兩者之間的影響關系，為購物街環境優化設計提供參考。

3.2 商業建筑店鋪空間光環境研究

Tantanatewin等[35]認為在商業建筑店鋪空間中，色彩和光線是較為重要的設計因素，對泰國144名研究參與者使用語義差異方法評估了六個計算機生成的具有不同的顏色色調、照明布置和相關的色溫場景，并對調研結果進行單因素方差分析。結果表明，不同的顏色和照明條件顯著影響參與者對購物空間的印象。另外，具有暖色調和彩色光線的空間，獲得了較高的的得分。崔宇茉等[36]調研了24個商業建筑店鋪照明指標參數和主觀視覺滿意度，提出照明建筑一體化設計策略，得出采用隱藏于展架下方的低位裝飾且選用大面積、低亮度、顯色指數較高的中低色溫 LED 光源能夠顯著提升店鋪空間的照明環境的結論。楊菲[37]以視覺心理學為基礎，研究消費者對服飾類店鋪光環境的視覺心理需求，建立了用戶模型，結合照明設計技術原理建立了一套以目標用戶群體的綜合心理結構為指南的服飾類商店照明系統設計原則。梅劍平[38]對家具店鋪光環境氛圍感知進行調查研究，提出了家具店光環境“氛圍量化”的評價設計方法并進行實驗，對被試者知覺特征因素進行因子分析，提出家具店的空間亮度水平以及局部亮度對比度是對被試者滿意度貢獻率最大的因子，總貢獻率約為 50%，其次為地面亮度因子，最后是頂面照明與光色。黃香琳[39]對多家商場服裝店鋪進行實地調研，基于光譜角度研究光源對服裝色彩的影響，通過對光源類型、色溫、亮度等多個因素的控制，對不同照明條件下人眼觀測效果進行分析并提出相應建議，為不同商場店鋪的光環境設計與優化提供了技術支持。

4 商業建筑光環境節能策略研究

早在20世紀80年代，商業建筑的能耗問題就已經引起了國內外相關學者的關注，英國自1976年提出NDBS(non-domestic building stock of England and Wales)項目，對其國內商業、辦公等公共建筑能耗情況進行統計[40]。日本能源數據與模型中心(EDMC)每年對公共建筑的用能情況進行調查與分析，建立了相應的能耗數據庫系統[41]。近年來，我國逐漸開展公共建筑的能耗監測工作，雖然未建立公開信息庫，但由清華大學節能研究中心編著的《中國建筑節能年度研究報告2010》對我國商業建筑的能耗情況、節能潛力等方面做了較為全面的分析[42]。隨著我國商業建筑的快速發展以及能源問題的日益凸顯，商業建筑節能策略研究越來越受到重視。薛志峰等[43]對北京10所商業建筑能耗數據進行調研分析，發現該地區商業建筑單位建筑面積年耗電量在 210～370 kWh/m2之間，其中空調系統耗電量最高，其次為照明用電；這與美國學者Luis Pérez-Lombard[44]的調研結果“空調能耗和照明能耗在總能耗中所占比重較大”較為一致。許旺發等[45]提出商業建筑照明具有較大節能潛力，得出我國商場實現照明節能的4個途徑：光源的合理選擇、自然光的合理利用、空間照度的合理設計以及照明系統的合理控制與管理。

在天然光的合理應用方面，French 等[46]對加利福尼亞地區73座商場進行調研分析，利用DOE-2和Skycalc軟件模擬分析自然采光商業建筑的節能潛力，結果認為與全功率打開的電燈相比，商業建筑天窗和光控操作節省的照明能耗往往在20%～30%之間，同時發現采光系統的改進會導致銷售額逐步增加的現象，這與Mahone[8]以及Romm[9]的研究結論具有一致性。在照明能耗控制方面，黨睿等[47]對北京地區大型商業建筑照明情況進行調研，認為照度過高和標準不統一是我國商業建筑照明能耗過高的主要因素，且消費者的舒適度與照度以及色溫等指標均有關聯。Lowry[48]對近年來有關商業建筑照明能耗研究進行了整理分析，提出照明控制系統是建筑性能的重要決定因素，提出利用自動照明控制系統代替手動控制，可以提高照明節能的潛力。吳夏冰等[49]對全國各地32個購物中心照明能耗實測數據進行歸納，分析影響購物中心照明能耗的主要因素，研究結果提出在商業建筑中，內部步行街具有最大的節能空間。嚴永紅[50]對重慶地區18所商業建筑常用光源能耗以及全壽命周期環境影響進行了研究，提出陶瓷金鹵燈的光色、顯色指數可以滿足商場照明的需要, 且具有良好的節能效果和環境效益。

近年來，國內外各專家學者提出商業建筑中庭空間的光熱耦合研究，對商業建筑光環境節能發展也具有一定的推動性。Prakash等[51]利用eQUEST模擬了商業建筑的光環境、熱環境以及各部分耗電量，研究認為H型和L型平面的商業建筑的光熱綜合耗電量較少。Galasiu等[52]利用ADELINE軟件計算了建筑照明的熱增益，在加拿大渥太華一個典型寒冷地區模擬商業建筑中庭開窗面積、中庭幾何形狀、尺寸對建筑物年制冷、制熱所耗能量的影響。李岳等[53]以北京某商業廣場內步行街為例，對采光天窗的光熱性能進行整體評價，對無遮陽、內遮陽、外遮陽這3 種情況進行光熱環境模擬計算并分析，最后提出該地區商業廣場天窗采用可控外遮陽設計可達到良好節能效果。董海榮等[54]對于夏熱冬冷地區中庭光熱環境進行數值模擬分析，研究結果提出采光系數隨著中庭高寬比的增加逐漸降低；為滿足采光系數要求，采光中庭的高寬比應小于3∶1；當建筑占地面積較大時，分散式建筑中庭的設計可以達到良好的光熱效果。Gillette等[55]對建筑中庭空間進行了詳細的熱傳輸和采光分析；結果證明了屋頂玻璃在降低照明能源需求方面的優勢。Laouadi等[56]對中庭開窗玻璃類型、開窗表面積、天窗形狀、中庭類型以及中庭與其相鄰空間的相互作用進行軟件模擬分析，結果顯示中庭天窗形狀對全年制冷和制熱能量的影響可能是正的，也可能是負的，這取決于玻璃的U值和SHGC比以及中庭的類型。與封閉的中庭空間相比，向相鄰空間開放的中庭能夠減少高達76%的年供冷量；然而，開放的中庭空間增加了高達19%的年供暖能耗。

5 結論與展望

本文對國內外商業建筑光環境設計標準、商業建筑光環境主觀評價研究、商業建筑不同空間的光環境研究以及商業建筑光環境節能策略研究等方面進行了綜述與分析，總結了以下幾點：

首先，在商業建筑光環境設計標準方面，目前商業建筑主要依據現有規范進行光環境設計，然而許多學者在調查研究過程中發現我國商場具有照度過高、照明能耗較大的問題。通過與國外標準對比可以發現，我國在照明標準建立過程中對節能進行了考慮，但仍需設立規范上限，完善商業建筑的照明標準。

其次，光環境主觀評價研究涉及建筑學、光學、環境心理學和社會統計學等學科知識。研究發現商業建筑光環境的各項指標(照度、色溫、眩光、亮度分布等)通過視覺通道影響著消費者的舒適度、滿意度等，但目前影響機制尚不明確。未來應深入研究商業建筑中人們的舒適度、滿意度與光環境各項指標之間的復雜關系，通過科學的方法構建商業建筑光環境指標評價體系。

在商業建筑不同空間的光環境研究中，對中庭空間自然采光研究的關注度較高，研究成果在提升光環境品質的同時也能有效指導建筑設計。隨著傳統照明模擬軟件功能的擴展，天然光與人工光結合的動態模擬研究將成為商業建筑公共空間光環境研究趨勢。

在商業建筑光環境節能策略研究中，光熱性能耦合因素逐漸受到重視，一味地增加天窗來優化空間光環境可能會讓建筑總能耗付出更大的代價。目前相關學者已經開展了采光分析與熱傳輸之間的權衡研究，這也將成為今后研究的熱點。隨著社會和經濟的發展，低能耗設計不再是以降低能耗為目標，而是在保證建筑高性能的前提下實現低能耗。因此，從人體舒適以及建筑節能角度，來探索建筑空間的光環境性能優化方法是未來建筑室內物理環境研究的必然發展趨勢。