基于光生物效应的办公空间采光研究初探

黄海静，吴 卒

(1.重庆大学建筑城规学院，重庆 400045;2.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045）

0 引言

办公室是人们日常工作的重要场所，办公空间光环境品质不仅关系到人们用眼健康，还对其心理感受和生理变化等生物性反应产生影响。光生物效应与光源中蓝绿色光成分含量有关，天然光富含蓝光成分，光生物效应作用明显。不同地域光气候、季节时段、采光口朝向的天然光光色不同。但现有的采光设计规范仅针对照度、照度均匀度等视觉效果进行规范，采光性能仅依据采光系数、房间深度和眩光指数进行评估，而未考虑光生物效应的作用，更缺乏针对光色变化的视觉功效研究，因而无法准确反映办公场所的实际采光效果和工作者的生理心理感受。

在光生物效应理论指导下，研究更适合办公空间的采光设计理念和措施，不仅有利于办公人员的身心健康，而且具有满足建筑照明节能的意义，从而达到绿色照明和健康照明的目的。

1 光生物效应与健康照明

20世纪的努力都限于眼睛的视觉研究，包括视觉过程和机理、视颜色和成因、视觉能力和功能、视觉功效、光度学和色度学、视觉的适应和感觉等等。这些都是通过光的视觉效应得来的。因此，直到上世纪末，人们还只知道眼睛的功能就是让我们看到外面的世界，了解情况，起着视觉作用。2002年美国布朗(Brown）大学的David Berson等学者在人眼视网膜上发现了第3种感光细胞——神经节细胞，它对不同波长的光的敏感度是不同的，峰值位于490 nm，该视觉效应被称为Citopic(管理光非视觉效应的视觉，或光生物效应视觉），简称光生物效应。与视觉知觉不同，光生物效应过程虽然同样由人眼开始，但是光信号最终传递到松果体，通过松果体控制褪黑激素的分泌量，调节人体活动机制，从而影响人的生理节律和生物钟功能。色温是光源的最重要的参数。已有研究指出，光源色温对人体中枢神经影响极大:高色温光源能提高大脑的兴奋度，集中注意、警觉和觉醒水平，使大脑处于活跃状态;而低色温光源则有利于褪黑激素的分泌，促使大脑进入睡眠状态。

由此可见，光源除了满足照明的要求外，还会直接影响人体的生理功能，与中枢神经系统功能和身体的自然平衡息息相关，基于光生物效应研究光源的生理和心理作用对保证人体健康十分必要。天然光是人们习惯的光源。太阳能辐射中最强烈的区段正是人眼感觉最灵敏的那部分光波范围。在天然光环境下，人们视物清晰，视觉功效好，且视觉作业时感到舒适、轻松，对工作学习效率和身心健康有积极的促进作用。因此，在室内光环境设计中最大限度地利用天然光，是实现健康照明的有效途径。

2 天然采光与能源节约

在全球日益增长的能源消耗中，无论发达国家还是发展中国家，建筑能耗都在总能耗中占据很大的比例。发达国家的建筑能耗一般占其全国总能耗的三分之一左右，我国2001年建筑能耗已经占到全国总能耗的27.5%，而且我国单位建筑能耗是发达国家的2～3倍，这对社会造成了沉重的能源负担和严重的环境污染。在我国，公共建筑数量较多，建设规模大，耗能问题非常突出，办公建筑是公共建筑中建造量最大的一种，据统计，在我国现代办公建筑中人工照明耗能高达30%。随着我国经济的发展，办公建筑也发展迅速，日益成为现代社会的主要建筑类型，所以针对办公建筑的节能研究极具代表性。

太阳能是巨大的洁净能源，充分利用日光和天空漫射光进行建筑天然采光以减少能源消耗，是低碳建筑和绿色照明的一项重要任务，具有巨大的社会效益和经济意义。建筑如何充分利用天然采光，已引起国际建筑和照明研究工作者的高度重视。自1983年以来，国际照明委员会(CIE）就多次召开了国际建筑采光学术会议，我国近年来也一直在探索天然采光设计的新方法，以及如何将天然光引入建筑等方面的问题，但对基于光生物效应的采光设计参数研究以及导光系统光色控制等应用研究却尚未涉及。在采用镀膜热反射玻璃、LOW－E玻璃等解决建筑节能问题时，也未能从天然光光色与视觉工作功效的关系角度研究节能窗玻璃颜色的适宜选择。办公室是人们从事大量、长时间视觉工作的地方，Danny H.W.Li等人通过对香港办公建筑的采光性能和能源使用情况的研究，指出有效的采光有助于办公建筑空间的使用和节约照明用电。可见，推进基于光生物效应的天然采光与节能研究是迫切而可行的。

3 基于光生物效应的办公空间采光研究

3.1 研究意义

办公空间采光设计旨在为办公人员创造良好的视觉环境，提高工作效率，保护办公人员身心健康。目前，我国办公室采光设计时采用的是2001年《建筑采光设计标准GB/T 50033—2001》，规定普通办公室采光系数最低值为2%，室内天然临界照度为100 lx，侧面采光窗地面积比为1/5。此《标准》颁布时光生物效应尚未发现，故并未考虑光生物效应的影响和人体24 h生物周期节律的变化，以及视觉心理对采光的要求。因此，研究在光生物效应下办公空间天然采光问题具有重要意义。

据视觉科学的研究表明，人们的视觉功效不但与目标亮度大小有关，而且还取决于定时、预测、对比、人眼适应、生理反应及心理感受等因素。可见，办公室天然光环境质量与人的视觉功效、舒适度、生理健康、工作效率以及节能等都息息相关。统筹采光条件、视觉功效与光生物性作用，才能设计出满足人们高效率工作、身心健康和安全节能要求的办公室光环境。

3.2 研究目标

办公室天然采光设计的重点是从工作人员生理和心理的需要出发，创造明亮舒适的光环境，以提高工作人员的工作积极性，提高工作效率。已有研究表明，人的工作学习效率与人眼瞳孔大小变化相关。由于人眼是一个很敏感、复杂的“光学仪器”，因而高质量的光环境涉及到的因素也比较复杂，研究时还必须综合考虑视觉功效、节能和提高视觉工作效率等各方面的要求。

基于光生物效应的办公空间采光研究目标是:通过基于光生物效应的办公室采光实验，测试、分析在不同光气候、季节时段、采光口朝向、亮度水平的天然采光条件下，人眼瞳孔大小、主观感受等变化规律，研究在光生物效应作用下，天然光的光色(光谱分布）、光照强度(亮度）与人的视觉心理生理变化之间的关系，整理不同光色下瞳孔变化与亮度水平函数关系式，研究有利于人们视觉和身心健康的采光设计参数，从而提出有利于人们视觉舒适和身心健康，提高工作效率的办公室天然采光设计理念和策略。

3.3 研究内容

通过瞳孔变化及生理心理测试系统试验，分析在不同光气候、季节时段、采光口朝向的天然光光色及亮度的采光条件下，人眼瞳孔大小变化规律性及视觉心理生理反应规律，确定合理的瞳孔大小与亮度之间的拟合表达式，定量表示在办公室亮度水平条件下光生物效应的总视觉效果，并得出一系列相关数据和图表。然后通过各影响因子的综合能效分析，提出适宜办公室天然采光设计的原理和方法。具体研究内容包括:

1）不同光气候、季节时段、采光口朝向的办公室天然采光现状调研分析、光谱分布及采光条件研究;

2）通过办公室天然采光环境下瞳孔大小变化实验，研究不同采光条件下瞳孔大小随背景亮度变化的规律;

3）不同办公室天然采光条件下，人的主观心理感受和生理反应指标变化实验，研究不同采光条件对人视觉心理和生理的影响;

4）不同光气候的天然光条件下，从光色—亮度—舒适度的变化关系，进行视觉功效研究，提出综合视觉功效、工作效率、健康、节能要求的办公室视觉环境质量评价指标体系。

4 小结

“光生物效应”是当今光学学科的前沿研究。将天然采光与光生物效应相结合，通过分析在不同时段、色温、颜色的光源下，办公人员的瞳孔大小变化情况、反应时间变化规律和行为心理变化规律，研究在光生物效应作用下，光源光色、光强度与人的视觉环境心理、生理节律、工作效率之间的关系，以期能提出利于人们视觉舒适、身心健康、安全节能，提高工作效率的办公室天然采光设计参数和策略，对办公空间采光环境设计起到指导作用。

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