基于天然采光的办公建筑健康光环境研究

肖 辉，陈小双，彭 玲，姚 梦

(同济大学电子与信息工程学院，上海 201804)



基于天然采光的办公建筑健康光环境研究

肖 辉，陈小双，彭 玲，姚 梦

(同济大学电子与信息工程学院，上海 201804)

办公室是人们日常生活工作的重要场所，办公室的光环境不仅影响人们的用眼健康，更对其生理、心理产生影响。天然光作为一种绿色能源，在改善办公建筑光环境方面有着不可替代的作用。以营造健康光环境为根本出发点，将矩阵分析与控制理论相结合，提出了天然采光与人工照明联合控制模型。同时为论证模型有效性，本文运用Ecotect、DIALlux软件对长9m、宽4m、高4m的标准办公空间进行仿真，证明本文所提出的联合控制模型可以很好的控制室内照度，营造舒适健康的室内光环境。

办公室光环境；天然采光；联合控制

引言

光是人类赖以生存的必备条件，是人们日常生活中不可缺少的因素之一。正是这种对光的依赖性，让人们越来越重视光健康科学的发展。严格来说，光健康包括光对人体的短期作用效应和长期作用效应。短期作用效应是指8小时内的光辐射所产生的影响，例如眼睛和皮肤的光化学紫外伤害等；长期作用效应则主要包括闪烁、眩光及非视觉的生理节律影响等[1]。本文从光环境对健康的影响出发，分析天然采光的优缺点，得出结论，相比较人工光源，天然光构建的光环境对人的健康更为有利。但由于单纯的天然光照明很难满足室内照度要求，因而，本文提出一种天然采光与人工照明联合控制策略来对室内光照环境进行改善。

1 光与健康

随着光健康科学的研究与发展，人们发现光环境对人的生理和心理影响显著。光主要通过神经系统影响人的生理功能，例如生理节律、免疫力等。生理节律，也称为生理时钟，是人体一天之内的各种生理参数的生理循环，体温、激素水平、睡眠、认知表现等都遵循着这种规律性的波动[1]。早在2002年，美国布朗大学的David Berson教授等人发现了人眼视网膜上的第三类感光细胞——本征感光视网膜神经结细胞。研究表明，该种细胞含有黑视素，其功能为通过对进入人眼的可见光辐射产生一系列化学生物反应来调节控制人的生理节律。同时近几年，光在临床医学领域也得到了广泛的应用，例如LED光源用于促进伤口愈合等。

光对人的心理也有着深远的影响。天津工业大学牛萍娟、方晶璐等人研究不同的LED照明环境(色温为2700K，4500K，6700K；照度值为300lx,500lx，800lx)对受试者生物节律的影响[2]。通过实验发现，在照度值一定时，色温为4500K的光环境下，受试者的工作效率最高，舒适度最强。而在相关色温一定时，学习效率与注意力集中程度和学习疲劳程度与照度成开口向上的抛物线关系，而视觉敏感度则随着照度的升高而升高[2]。这是由于照度的变化可以影响血液中的褪黑色素量，当照度提高时，血液中褪黑色素便会减少，使得人体注意力集中程度提高，疲倦程度降低，从而可以提高工作效率。研究表明，办公建筑中照度值为500lx、色温为4500K最为合适，在该照明环境下，办公人员的工作效率最高，疲劳程度最低。

种种研究表明，不论是自然光还是人工光，其所构造的光环境与人们的健康有着密不可分的关系。良好的光环境不仅可以提供更为舒适的视觉环境，更能给人们的健康带来有利影响。因而良好的光环境是照明设计中最为基本的要求，针对办公建筑光环境而言，照度值选为500lx,色温选为4500K最为合适。

2 天然采光的优缺点

在人类长期进化过程中，人眼早已形成了许多适应自然光的机制，再完美的人工光源也没办法代替天然光，并且天然光是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源，也是照明的主要来源。办公建筑照明采用天然光照明的优势主要体现在三个方面：

(1)采用天然光进行室内照明，更有利于健康光环境的构造。经国内外研究发现，在相同照度水平的情况下，人们在天然光环境下的视觉功效比在人工照明条件下的高5%～20%[4]。并且，人眼作为视觉器官，经过数万年的演变，最能适应的就是天然光，再完美的人工照明也无法代替天然光。

(2)采用天然光进行室内照明，更有利于节能减排。就照明而言，天然光是一种良好的绿色能源。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，减少相应的照明能耗，缓解能源危机。并且由于天然光是无污染的绿色能源，采用天然光照明有利于减少有害物质的排放。

(3)天然光可以创造出人工照明无法创造出的室内光环境。自然光是自然界中动态变化的光线，可以使室内空间产生丰富的表现力，赋予人们开敞、凝缩、轻盈、含蓄等感觉[5]。

由此可见，在相同照度水平下，由天然光构成的光环境相比较由人工光源构成的光环境更加有利于人体健康。因而，办公建筑照明应该在室内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墙比使得天然光很难均匀、有效的照射到整个室内空间，因而，办公空间健康光环境的建立还需要人工照明进行补光。

现代办公建筑大多采用百叶系统控制天然光进入室内的角度及数量，以避免直射光。室内主要照明仍然采用人工照明，百叶系统与人工照明系统相互独立，根据人们的自身感受对两个系统进行人为控制。针对这种情况，本文提出了天然采光与人工照明相结合的联合控制系统——不仅可以利用天然光均匀、光质好、照度高且节约能源等优点，而且利用人工照明弥补天然光随昼夜、气候和季节而变化的不稳定性，缓解照明角度和眩光等问题，从而营造出最为舒适健康的光环境。

3 天然采光与人工照明联合控制方案

近几年LED新型人工光源的光效不断提升，智能照明控制系统飞速发展，进入到“以人为本，按需控光”的时代，这也为天然采光与人工照明的智能结合提供了强有力的技术理论支持。室内某点的照度包含两部分：一部分为由天然采光引起的昼光照度，另一部分为人工照明引起的人工照度。因此，本文通过建立办公空间昼光照明模型以及人工照明模型，来得到天然采光与人工照明的联合控制模型。

根据前人研究，照度为500lx、色温为4500K的办公建筑光环境最为适宜，因而，在本文设计中选择色温为4500K的LED灯具，力求通过联合控制模型将工作面照度控制在500lx，以构建舒适高效的室内光环境。

3.1 昼光照明模型

在天然采光照明中存在着一个重要的概念——天然采光系数。影响室内天然光采光系数的因素有很多，如窗地面积比、采光口的位置、窗总透射比、窗户下沿离地板高度、遮阳措施以及室内进深长度等。针对某一特定的建筑物，其窗地面积比、采光口位置、以及窗总透射比、窗沿高度等参数均为确定值，因而其天然采光系数仅与遮阳措施以及室内进深长度有关。也就是说，在室内某一进深处，当遮阳措施选用百叶遮阳时，天然采光系数是百叶角度的函数。

本文引入天然采光系数函数矩阵，矩阵的每一元素均为天然采光系数——百叶角度函数，不同的矩阵元素代表室内不同进深处的天然采光系数函数，根据天然采光系数的概念，可以得到室内昼光照度式(1)：

(1)

其中，n为房间进深；Gn(w)为进深为n处的天然采光系数函数；Ew昼为室内昼光照度矩阵；E昼为室外天然光照度。

根据式(1)得到的昼光照度矩阵，提出照度特征值的概念——室内昼光照度矩阵中照度值满足300lx～700lx的矩阵元素数量，即当前天空条件以及百叶角度下，不加人工照明，室内满足照度要求的进深长度值。

3.2 人工照明模型

根据光通传递理论可以得到室内照度点的人工照度矩阵如式(2)所示。

(2)

其中g为光通传递函数矩阵，光通传递函数矩阵的元素gij为光源j对点i的光出射比(或光通传递函数)。在光源位置确定的情况下，gij是不变化的，不随光源输出光通量的变化而变化。

根据式(2)，当光通传递函数矩阵g确定后，便可根据矩阵论的知识求得式(2)的最小二乘解，为：

φ=(gTg)-1gTEw

(3)

综上，当知道照度Ew时，便可求出相对应的光源光通输出值，也即知道每个灯具的理论光通输出，按照得到的光通输出调节相对应的灯具即可得到期望的Ew，也即实现了按需调光。

3.3 天然采光与人工照明联合控制

3.3.1 室内照度模型

室内工作面上某一点的照度由两部分组成，一部分为由于室外天然光引起的昼光照度，另一部分则为室内人工照明产生的人工照度。结合3.1节所介绍的昼光照明模型以及3.2节所提到的人工照明模型，可以得到，室内照度计算点的照度公式为E=Ew+Ew昼，即：

(4)

式中，E为室内参考点的照度矩阵；En为参考工作点的照度；Ew为室内人工照度矩阵；Ew昼为室内昼光照度矩阵；E昼为室外天然光照度，通过室外照度传感器测得。

3.3.2 联合控制策略及流程图

联合控制策略定为：室内照明以天然光作为主要光源，人工照明作为补充，也就是说，在满足室内照度标准的情况下，最大限度地使用天然采光进行照明，在天然采光不足以满足照度标准的情况下，采用人工照明进行按需补光。最优百叶角度选为使得昼光照度矩阵照度特征值最大的百叶角度，当百叶角度确定后，室内昼光照度矩阵Ew昼即为定值，通过期望照度矩阵与昼光照度矩阵的差值，可以得到人工照度矩阵值Ew，再根据式(3)，求出相对应的光源光通输出值，按照得到的光通输出调节相对应的灯具即可得到期望的Ew，也即实现了按需调光。

整个联合控制系统的流程框图如图1所示：

图1 联合控制系统流程图Fig.1 The flow chart of the combined control system

4 模型仿真与实现

本文将办公空间简化为长9m、宽4m、顶棚高4m的独立空间模型，选择活动百叶外遮阳，由南向窗口单侧采光，采光口面积为4m×4m。照度计算点选择为从距离窗口0.4m开始，每隔0.5m进行测量，也就是说分别测量室内进深为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处的天然采光系数，同一进深处则取8个计算点。

模拟空间灯具采用均匀分布的布置方式，灯具间的横向间距为1.00m，纵向间距为1.80m；将悬挂高度定为4m吸顶式布置。光源序号为第一排从左至右为1～5号灯具，第二排从左至右为6～10号灯具，具体位置如图2所示：

图2 灯具布置图Fig.2 Lighting layout

灯具选择为飞利浦公司生产的LED光源，所选灯具参数及配光曲线如图3所示。

图3 选用LED灯具参数及配光曲线图Fig.3 The lamp parameters and candela distribution curve

以室外照度为5500lx为例，所求得的最优百叶角度为49°，得到的昼光照度矩阵Ew昼为 [1031 877 701 566 466 394 357 314 280 271 248 238 232 233 225 220 210 208]T，相对应得到的人工需要补光的照度矩阵为[0 0 0 0 34 106 143 186 220 229 252 262 268 267 275 280 290 292]T。根据式(3)求得，人工光源光输出矩阵φ为：[0 0 2949 705 2912 0 0 2959 0 3863]T。也就是说，只需要开编号为3、4、5、8、10这五盏灯，并将其电压分别调至其额定电压值的72.8%、17.4%、71.9%、73.1%、95.4%，即可满足室内照度需要。

理论值求得后，利用Ecotect软件以及DIALux软件进行效果测试。当室外照度为5500lx以及百叶角度为49°时，得到的室内照度分布如表1所示。

表1 联合控制系统仿真效果值Table 1 The simulation value of the combined control system

由表1可以观察到，采用联合控制系统后，除了窗口处照度为1000lx左右，室内照度均在500lx附近，照度均匀度为0.69，符合标准要求，利用本文的控制方法达到很好的效果。

5 结论与展望

本文介绍了光环境与健康的关系以及天然采光的优缺点，然后以营造健康光环境为根本出发点，将矩阵分析与控制理论相结合，分别提出了昼光照度模型以及人工照度模型，并将这两个模型联合起来，提出联合控制模型，给出联合控制策略。并将得到的联合控制模型运用到一个长9m，宽4m，顶棚高4m的模拟空间模型中，进行效果分析，得出结论：联合控制模型可以很好的运用天然采光，并能将室内照度恒定在500lx左右。经研究表明，500lx为办公空间中最为舒适、最有利于提高工作效率的照度。

本文将更可能多的天然光引进室内，以人工照明作为补偿。但是就室内照明而言，评价其好坏有很多指标，例如：照度、亮度、照度均匀度、眩光等，因而后续研究还需要结合其他因素，来对模型进行完善。

[1] 罗勇军，牟同升，温晓芳.光健康与国际标准化的进展[J].照明工程学报，2013，24(增刊)：14-18.

[2] 牛萍娟，方晶璐，田会娟，等.基于光生物效应的LED办公照明环境研究[J].照明工程学报，2014，25(4):23-28.

[3] 方景，邴赫亮，肖辉.照明控制技术的进展[J].照明工程学报，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] 曾礼强.昼间人工照明特性及其控制策略研究[D].重庆：重庆大学，2007.

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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