基于健康照明的公共建筑光環(huán)境提升設(shè)計

胡國霞

(華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200011)

引言

建筑是人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)等離不開的主要場所，建筑環(huán)境的優(yōu)劣直接影響人們的身心健康?，F(xiàn)代意義上的健康光環(huán)境，不再僅僅滿足光照品質(zhì)及視看要求，還要滿足人體內(nèi)的光生物學(xué)要求[1]。健康的光環(huán)境是健康建筑的重要組成部分，光會對人們的生理和心理產(chǎn)生巨大的作用[2]。人對外界信息的獲得有80%以上來自視覺，所以影響照明健康的重要因素之一來源于視覺[3]，研究證明光環(huán)境不僅影響人們的視覺和心理的舒適度，還會引起非視覺效應(yīng)，從而影響人體生理節(jié)律，說明光環(huán)境和人的健康也有極為重要的關(guān)系。目前LED技術(shù)的發(fā)展使得LED光通量和色溫易于調(diào)控，實現(xiàn)了對光環(huán)境精細(xì)化的控制[4]。健康照明相關(guān)指標(biāo)的設(shè)計要點涉及多項，設(shè)計無從下手，因此有必要形成相應(yīng)的設(shè)計要點、技術(shù)索引表，以指導(dǎo)工程設(shè)計。

1 健康照明光環(huán)境涉及的指標(biāo)

1.1 健康建筑光環(huán)境重點關(guān)注內(nèi)容

光會對人們的生理和心理產(chǎn)生巨大的作用，是影響人體生理節(jié)律的重要因素，將直接影響到人類的健康，建筑光環(huán)境是人們從事工作及娛樂活動的基礎(chǔ)和必要條件，是健康建筑關(guān)注的一個重要內(nèi)容。當(dāng)前光環(huán)境評價體系主要是基于視覺安全、工效和舒適目標(biāo)，根據(jù)傳統(tǒng)照明技術(shù)特征而建立起來的，主要關(guān)注人眼視覺特征。隨著LED照明智能化和一體化發(fā)展，健康照明光環(huán)境越來越受到人們的關(guān)注。要創(chuàng)造健康照明光環(huán)境，首先就要利用新型的采光技術(shù)、智能控制技術(shù)與人工照明技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)采光照明一體化實施目標(biāo)[5]。傳統(tǒng)照明設(shè)計主要關(guān)注光對視覺的影響，而健康照明設(shè)計在關(guān)注視覺效果的基礎(chǔ)上，更加關(guān)注光的非視覺效應(yīng)。健康照明光環(huán)境與視覺、心理、生理關(guān)系如圖1所示。

圖1 健康光環(huán)境與視覺、心里、生理關(guān)系圖Fig.1 Relationship between healthy light environment and vision,heart and physiology

《健康建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》(T/ASC 02—2021)[6]提出了光生物安全性、閃變指數(shù)、頻閃效應(yīng)可視度、可自動調(diào)節(jié)照度、可自動調(diào)節(jié)色溫、生理等效照度、個性化控制、照明控制與遮陽裝置控制等要求。如對于公共建筑，人員長期工作的場所主要視線方向上1.2 m處的生理等效照度不低于150 lx(得3分)，生理等效照度不低于200 lx(得5分)。

1.2 LED健康照明關(guān)鍵指標(biāo)定義及要求

目前關(guān)注的LED健康照明設(shè)計需要考慮的要素有：亮度、眩光、照度均勻度、照度、顯色指數(shù)、色溫、發(fā)光強(qiáng)度、頻閃、生物節(jié)律和光生物安全等。亮度、眩光、照度均勻度、照度、顯色指數(shù)、色溫、發(fā)光強(qiáng)度、頻閃照明相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均有要求。下面重點對生物節(jié)律、光生物安全、生理等效照度等要求進(jìn)行闡述。

1)生物節(jié)律。生物節(jié)律，亦稱“生物鐘”，是指有機(jī)體內(nèi)發(fā)生的周期性變化過程。生物鐘現(xiàn)象使人在一天的不同時刻工作效率不一，使得人有高潮期和低潮期。高潮期人的思維敏捷、情緒高漲、體力充沛，可以充分發(fā)揮自己的潛能。節(jié)律照明模式，既要與室外天然光的變化規(guī)律相一致，又考慮不同天氣狀況，有利于改善人的情緒，提高工作效率。

2)光生物安全。光生物安全是指各種燈和燈系統(tǒng)(包括各種發(fā)光器具)所發(fā)出的光不能對生物(主要是人體)產(chǎn)生有害的輻射影響。從輻射危害的角度出發(fā)，燈具被劃分為四類：無危險類、1類危險(低危害)、2類危險(中度危害)、3類危險(高危害)

3)生理等效照度。生理等效照度是根據(jù)輻照度對于人的非視覺系統(tǒng)的作用而導(dǎo)出的光度量，它采用視覺照度與相關(guān)比例系數(shù)相乘的方式得出，該比例系數(shù)是與光源光譜功率分布相關(guān)的量值。

2 應(yīng)用范圍

2.1 辦公建筑

1)大廳、會議室：要考慮視覺空間適當(dāng)?shù)恼斩?、均勻度，眩光須控制在恰?dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)；選擇的燈具應(yīng)具備合適的顯色指數(shù)、色溫范圍，同時燈具的頻閃、光生物安全指標(biāo)須符合設(shè)計要求。

2)辦公室：要考慮視覺空間適當(dāng)?shù)恼斩取⒕鶆蚨龋９忭毧刂圃谇‘?dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)；選擇的燈具應(yīng)具備合適的顯色指數(shù)、色溫范圍，同時燈具的頻閃、光生物安全指標(biāo)須符合設(shè)計要求；建議考慮節(jié)律健康照明的應(yīng)用。

2.2 酒店建筑

1)大堂：要考慮視覺空間適當(dāng)?shù)恼斩?、均勻度；選擇的燈具應(yīng)具備合適的顯色指數(shù)、色溫范圍，同時燈具的頻閃、光生物安全指標(biāo)須符合設(shè)計要求。

2)客房：要考慮視覺空間適當(dāng)?shù)恼斩?；選擇的燈具應(yīng)具備合適的顯色指數(shù)、色溫范圍，同時燈具的頻閃、光生物安全指標(biāo)須符合設(shè)計要求；建議考慮節(jié)律健康照明的應(yīng)用。

3)餐廳：要考慮視覺空間適當(dāng)?shù)恼斩取⒕鶆蚨?，中餐廳的眩光須控制在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)；選擇的燈具應(yīng)具備合適的顯色指數(shù)、色溫范圍，同時燈具的頻閃、光生物安全指標(biāo)須符合設(shè)計要求。

2.3 醫(yī)院建筑

1)大廳：要考慮視覺空間適當(dāng)?shù)恼斩?、均勻度，眩光須控制在恰?dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)；選擇的燈具應(yīng)具備合適的顯色指數(shù)、色溫范圍，同時燈具的頻閃、光生物安全指標(biāo)須符合設(shè)計要求。

2)病房、診療室：要考慮視覺空間適當(dāng)?shù)恼斩?、均勻度，眩光須控制在恰?dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)；選擇的燈具應(yīng)具備合適的顯色指數(shù)、色溫范圍，同時燈具的頻閃、光生物安全指標(biāo)須符合設(shè)計要求；建議考慮節(jié)律健康照明的應(yīng)用。

2.4 商業(yè)建筑中的超市

要考慮視覺空間適當(dāng)?shù)恼斩取⒕鶆蚨?，眩光須控制在恰?dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)；選擇的燈具應(yīng)具備合適的顯色指數(shù)、色溫范圍，同時燈具的頻閃、光生物安全指標(biāo)須符合設(shè)計要求；建議考慮節(jié)律健康照明的應(yīng)用。

3 設(shè)計要點

3.1 眩光控制

在照明設(shè)計過程中，可以在照明燈具選擇和照明燈具布置這兩個方面采取措施，以實現(xiàn)控制眩光的目的。

(1)照明燈具選擇。

1)選用合適的燈具：在長期工作或停留的房間或場所，選用的直接型燈具的遮光角不應(yīng)小于表1中數(shù)據(jù)[7]。

表1 直接型燈具的遮光角Table 1 Shading angle of direct lamps

2)設(shè)計需要有防止或減少光幕反射和反射眩光措施，可采用的措施主要有：將燈具安裝在不易形成眩光的區(qū)域內(nèi)、采用低光澤度的表面裝飾材料、限制燈具出口表面發(fā)光亮度、控制地面和墻面的平均照度等。

3)在視覺顯示終端的工作場所，應(yīng)控制燈具平均亮度限值。在與燈具中垂線成65°～90°范圍內(nèi)燈具平均亮度限值應(yīng)符合表2要求[7]。

表2 燈具平均亮度限值Table 2 Average brightness limit of lamps

(2)照明燈具布置。

1)限制干擾區(qū)。為避免產(chǎn)生光幕反射，需要合理處理眼睛、反射面和光源這三者的位置關(guān)系，如圖2所示。光線可以通過反射面、以鏡面反射的方式射入人眼，形成眩光，從而影響閱讀，傷害眼睛。在照明設(shè)計中，燈具不應(yīng)布置在干擾區(qū)內(nèi)，可采用在視覺工作區(qū)域上方兩側(cè)布置燈具。如圖3所示，燈具設(shè)置在兩側(cè)是比較合理的，同時減少直接眩光的影響，且燈具邊長應(yīng)與閱讀者主視線方向平行，一般多與外側(cè)窗平行方式布置。在辦公室的照明設(shè)計中，光源既有照明燈具也有正午高亮度的窗戶，反射面既有水平電子屏幕也有計算機(jī)顯示屏，一般采用雙管或多管嵌入式熒光燈帶或塊形布燈方案，限制干擾區(qū)。

圖2 干擾區(qū)示意Fig.2 Schematic diagram of interference area

圖3 優(yōu)選方案示意Fig.3 Schematic diagram of preferred scheme

2)重視視覺目標(biāo)的背景亮度，減小光源表面亮度和背景亮度比，避免產(chǎn)生眩光危害。在室內(nèi)照明設(shè)計中，要保證墻面和頂棚有相當(dāng)?shù)恼斩葮?biāo)準(zhǔn)，如室內(nèi)空間較高，在選擇燈具時，可選擇半間接照明燈具；如室內(nèi)空間有吊頂，一般采用嵌入式或吸頂式燈具。

3.2 照度調(diào)節(jié)

為保證人眼的視覺工作，在視覺目標(biāo)上須達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的照度指標(biāo)要求。當(dāng)照度發(fā)生偏離時，就需要通過調(diào)節(jié)措施將照度控制合適范圍內(nèi)。照明控制主要有手動控制和自動控制，手動控制主要通過人員操作安裝在現(xiàn)場的照明翹板壁開關(guān)，控制LED燈具按照規(guī)劃的控制回路打開或者關(guān)閉；自動控制主要采用感光控制、時間控制、人體感應(yīng)控制等，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用有線或無線技術(shù)來實現(xiàn)。

1)辦公室、閱覽室等單功能場所，在設(shè)計LED燈具時，考慮燈具功能衰減，適當(dāng)提高燈具的光通量，同時根據(jù)房間污染程度、光源光衰程度以及燈具擦拭次數(shù)等因素合理選擇維護(hù)系數(shù)值，作為該場所的照度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)自然光超強(qiáng)時，可以通過控制窗簾的開度，限制自然光光通量進(jìn)入照明空間，控制視覺目標(biāo)的照度不超過合適的范圍值。在確定LED燈具控制回路時，要兼顧自然光的因素，可以參照距離窗戶的遠(yuǎn)近來規(guī)劃照明控制回路。

2)會議室、大廳等多功能場所，須參照空間的各功能需求、照度標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)多場景目標(biāo)。采用調(diào)節(jié)措施，根據(jù)功能切換，選擇確定的照度標(biāo)準(zhǔn)，操作LED燈具按照規(guī)劃的控制回路和執(zhí)行步驟，控制整個照明空間的LED燈具投入數(shù)量或每個LED燈具所要輸出的光通量，確保合適的照度水平。

3.3 色溫調(diào)節(jié)

在照明設(shè)計過程中，色溫是一個非常重要的指標(biāo)，色溫對人體的情緒、健康都有很大的影響。LED燈具的色溫調(diào)節(jié)方法是采用LED燈具驅(qū)動兩種色溫(偏暖色和偏冷色)白光的LED陣列，通過調(diào)節(jié)這兩種色溫的LED燈具驅(qū)動電流比例來調(diào)節(jié)暖白LED陣列和冷白LED陣列的亮度比例，兩種色溫的LED陣列密集交替排列，使得兩種色溫光源充分混光，實現(xiàn)了燈具的整體色溫調(diào)節(jié)。

3.4 頻閃控制

IEC TR 61547-1:2017提出光源和燈具的可見閃爍可采用閃變指數(shù)PstLM進(jìn)行評價，其數(shù)值等于1表示50%的實驗者剛好感覺到閃爍。CIE TN006∶2016提出了頻閃效應(yīng)可視度，即SVM指標(biāo)，SVM等于1.0是理論上可以感覺到的極限?；谏鲜鰳?biāo)準(zhǔn)要求，各場所選用光源和燈具的閃變指數(shù)PstLM不應(yīng)大于1，兒童及青少年長時間學(xué)習(xí)或活動的場所選用光源和燈具的閃變效應(yīng)可視度SVM不應(yīng)大于1.0。

照明設(shè)計一定要控制頻閃的影響，原則上波動深度越低越好。對于LED光源，減輕頻閃影響的關(guān)鍵因素是電光源、驅(qū)動等技術(shù)。在辦公、醫(yī)療、酒店、商業(yè)等有視覺作業(yè)要求的場所，選擇“低風(fēng)險”甚至“無影響”標(biāo)準(zhǔn)的光源，特別是在例如醫(yī)療檢驗等有運動部件的、對視覺高要求的用房，須選擇 “無影響”標(biāo)準(zhǔn)的光源，避免由于頻閃問題影響到操作人員的視覺而引起判斷結(jié)果的偏離甚至錯誤。光源選擇時，檢查復(fù)核LED光源的波動深度指標(biāo)。

3.5 節(jié)律健康照明

將“遵循人的節(jié)律健康”作為節(jié)律照明的目標(biāo)，實現(xiàn)高效率節(jié)律健康照明，主要有以下兩種方法：

1)白天時段的照明設(shè)計須重視眼睛部位的垂直照度。在照明設(shè)計過程中，重視視覺空間中的吊頂、墻面、底板、桌面、柜體表面等用材的光線反射率，須選擇反射率高的材料；從燈具常規(guī)布置的位置來看，視覺空間中的吊頂和墻面材料，是設(shè)計師必須重點關(guān)注的要素。

2)夜晚時段的照明設(shè)計須選擇滿足節(jié)律要求且光效高的光源。在照明設(shè)計過程中，須仔細(xì)對比不同燈具的節(jié)律效應(yīng)與視覺效率。在滿足節(jié)律效應(yīng)指標(biāo)的前提下，選擇視覺效率高的產(chǎn)品。

照明設(shè)計一定要重視照明系統(tǒng)對人體節(jié)律的影響。在辦公、醫(yī)療、酒店、商業(yè)等有視覺作業(yè)要求的場所，特別是地下室、醫(yī)院治療病房等有特殊節(jié)律需求的空間，須按照白天和夜晚不同的節(jié)律要求，來設(shè)計照明系統(tǒng)。

3.6 均勻度

照明設(shè)計一定要控制好照度均勻度，原則上，均勻度越高越好。在辦公、醫(yī)療、商業(yè)等有視覺作業(yè)要求的場所，須要求照明設(shè)計中的照度均勻度不低于相關(guān)場所對應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)限定指標(biāo)，同時可以采取以下措施提高照度均勻度：

1)燈具具備合適的配光曲線，在辦公、閱讀、會議、操作臺等水平工作面的場所，選擇蝙蝠翼式寬型配光曲線的燈具，如圖4所示。

圖4 蝙蝠翼式寬型配光曲線Fig.4 Bat wing wide light distribution curve

2)合理布置燈具，在照度不超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的前提下，采取增加燈具數(shù)量、將整個空間的頂部設(shè)計成發(fā)光頂棚等措施，提高照度均勻。

3.7 顯色指數(shù)

顯色指數(shù)是評價光源還原被照物體真實顏色能力的指標(biāo)，是照明質(zhì)量的一個重要的內(nèi)容。光源的光譜越接近日光的光譜,其顯色指數(shù)就越高;顯色指數(shù)越高，還原能力越強(qiáng)，畫面越接近事實特征。照明設(shè)計一定要把握好光源的顯色指數(shù)，原則上顯色指數(shù)越高越好。在辦公、醫(yī)療、酒店、商業(yè)等有視覺作業(yè)要求的場所，照明設(shè)計中須要求顯色指數(shù)不低于相關(guān)場所對應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)所限定的指標(biāo)。提高顯色指數(shù)，須在設(shè)計過程中，對光源的選擇原則中，明確顯色指數(shù)這個指標(biāo)的數(shù)值。

3.8 光生物安全

人在光源和燈具附近會受到各類輻射，包括皮膚和眼睛的光化學(xué)紫外危害、眼睛的近紫外危害、視網(wǎng)膜藍(lán)光危害、視網(wǎng)膜熱危害、眼睛的紅外輻射危害、皮膚的熱危害等。依據(jù)《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》(GB/T 20145—2006)的要求，這些輻射危害不能超過規(guī)定的相應(yīng)曝輻限值。從輻射危害的角度出發(fā)，燈具被劃分為四類：無危險類、1類危險(低危害)、2類危險(中度危害)和3類危險(高危害)。在建設(shè)工程中，照明設(shè)計一定要限制好燈具的輻射危害。原則上輻射危害越小越好。在辦公、醫(yī)療、酒店、商業(yè)等有視覺作業(yè)要求的場所，照明設(shè)計中須要求選擇輻射危害指標(biāo)低的燈具。在人員長時間工作的場所和涉及嬰幼兒的場所，應(yīng)選擇無危險類燈具。限制輻射危害，須在設(shè)計過程中對燈具的各類輻射危害的指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行檢查，選擇滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制值、低危害的燈具產(chǎn)品。

4 設(shè)計流程及設(shè)計指標(biāo)索引

4.1 設(shè)計流程

健康照明設(shè)計貫穿設(shè)計全過程，方案階段、擴(kuò)初階段及施工圖階段設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 設(shè)計流程Fig.5 Design process

4.2 技術(shù)建議

健康照明設(shè)計的因素比較多，針對幾種典型建筑空間功能，其照度、均勻度、統(tǒng)一眩光值、顯色指數(shù)、色溫、頻閃、生物安全性、節(jié)律健康照明設(shè)計技術(shù)索引詳見表3。

表3 技術(shù)索引表Table 3 Technical index table

5 結(jié)語

光環(huán)境是人居環(huán)境的重要要素之一，與健康息息相關(guān)。建筑光環(huán)境是健康建筑關(guān)注的一個重要內(nèi)容，建筑光環(huán)境是人們從事工作及娛樂活動的基礎(chǔ)和必要條件，健康的光環(huán)境是健康建筑的重要組成部分，光會對人們的生理和心理產(chǎn)生巨大的作用，是影響人體生理節(jié)律的重要因素，將直接影響到人類的健康。本文通過分析健康建筑相關(guān)設(shè)計指標(biāo)，總結(jié)相應(yīng)的設(shè)計要點、設(shè)計流程供設(shè)計參考。同時為便于設(shè)計參考和查閱，總結(jié)形成辦公、醫(yī)療、酒店、商業(yè)公共建筑典型功能空間技術(shù)索引表，供設(shè)計查詢。