肖 輝，陳小雙，彭 玲，姚 夢(mèng)

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

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基于天然采光的辦公建筑健康光環(huán)境研究

肖 輝，陳小雙，彭 玲，姚 夢(mèng)

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

辦公室是人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ鞯闹匾獔?chǎng)所，辦公室的光環(huán)境不僅影響人們的用眼健康，更對(duì)其生理、心理產(chǎn)生影響。天然光作為一種綠色能源，在改善辦公建筑光環(huán)境方面有著不可替代的作用。以營(yíng)造健康光環(huán)境為根本出發(fā)點(diǎn)，將矩陣分析與控制理論相結(jié)合，提出了天然采光與人工照明聯(lián)合控制模型。同時(shí)為論證模型有效性，本文運(yùn)用Ecotect、DIALlux軟件對(duì)長(zhǎng)9m、寬4m、高4m的標(biāo)準(zhǔn)辦公空間進(jìn)行仿真，證明本文所提出的聯(lián)合控制模型可以很好的控制室內(nèi)照度，營(yíng)造舒適健康的室內(nèi)光環(huán)境。

辦公室光環(huán)境；天然采光；聯(lián)合控制

引言

光是人類賴以生存的必備條件，是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊蛩刂弧Ｕ沁@種對(duì)光的依賴性，讓人們?cè)絹碓街匾暪饨】悼茖W(xué)的發(fā)展。嚴(yán)格來說，光健康包括光對(duì)人體的短期作用效應(yīng)和長(zhǎng)期作用效應(yīng)。短期作用效應(yīng)是指8小時(shí)內(nèi)的光輻射所產(chǎn)生的影響，例如眼睛和皮膚的光化學(xué)紫外傷害等；長(zhǎng)期作用效應(yīng)則主要包括閃爍、眩光及非視覺的生理節(jié)律影響等[1]。本文從光環(huán)境對(duì)健康的影響出發(fā)，分析天然采光的優(yōu)缺點(diǎn)，得出結(jié)論，相比較人工光源，天然光構(gòu)建的光環(huán)境對(duì)人的健康更為有利。但由于單純的天然光照明很難滿足室內(nèi)照度要求，因而，本文提出一種天然采光與人工照明聯(lián)合控制策略來對(duì)室內(nèi)光照環(huán)境進(jìn)行改善。

1 光與健康

隨著光健康科學(xué)的研究與發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)光環(huán)境對(duì)人的生理和心理影響顯著。光主要通過神經(jīng)系統(tǒng)影響人的生理功能，例如生理節(jié)律、免疫力等。生理節(jié)律，也稱為生理時(shí)鐘，是人體一天之內(nèi)的各種生理參數(shù)的生理循環(huán)，體溫、激素水平、睡眠、認(rèn)知表現(xiàn)等都遵循著這種規(guī)律性的波動(dòng)[1]。早在2002年，美國(guó)布朗大學(xué)的David Berson教授等人發(fā)現(xiàn)了人眼視網(wǎng)膜上的第三類感光細(xì)胞——本征感光視網(wǎng)膜神經(jīng)結(jié)細(xì)胞。研究表明，該種細(xì)胞含有黑視素，其功能為通過對(duì)進(jìn)入人眼的可見光輻射產(chǎn)生一系列化學(xué)生物反應(yīng)來調(diào)節(jié)控制人的生理節(jié)律。同時(shí)近幾年，光在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，例如LED光源用于促進(jìn)傷口愈合等。

光對(duì)人的心理也有著深遠(yuǎn)的影響。天津工業(yè)大學(xué)牛萍娟、方晶璐等人研究不同的LED照明環(huán)境(色溫為2700K，4500K，6700K；照度值為300lx,500lx，800lx)對(duì)受試者生物節(jié)律的影響[2]。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在照度值一定時(shí)，色溫為4500K的光環(huán)境下，受試者的工作效率最高，舒適度最強(qiáng)。而在相關(guān)色溫一定時(shí)，學(xué)習(xí)效率與注意力集中程度和學(xué)習(xí)疲勞程度與照度成開口向上的拋物線關(guān)系，而視覺敏感度則隨著照度的升高而升高[2]。這是由于照度的變化可以影響血液中的褪黑色素量，當(dāng)照度提高時(shí)，血液中褪黑色素便會(huì)減少，使得人體注意力集中程度提高，疲倦程度降低，從而可以提高工作效率。研究表明，辦公建筑中照度值為500lx、色溫為4500K最為合適，在該照明環(huán)境下，辦公人員的工作效率最高，疲勞程度最低。

種種研究表明，不論是自然光還是人工光，其所構(gòu)造的光環(huán)境與人們的健康有著密不可分的關(guān)系。良好的光環(huán)境不僅可以提供更為舒適的視覺環(huán)境，更能給人們的健康帶來有利影響。因而良好的光環(huán)境是照明設(shè)計(jì)中最為基本的要求，針對(duì)辦公建筑光環(huán)境而言，照度值選為500lx,色溫選為4500K最為合適。

2 天然采光的優(yōu)缺點(diǎn)

在人類長(zhǎng)期進(jìn)化過程中，人眼早已形成了許多適應(yīng)自然光的機(jī)制，再完美的人工光源也沒辦法代替天然光，并且天然光是一種取之不盡、用之不竭的綠色能源，也是照明的主要來源。辦公建筑照明采用天然光照明的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

(1)采用天然光進(jìn)行室內(nèi)照明，更有利于健康光環(huán)境的構(gòu)造。經(jīng)國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，在相同照度水平的情況下，人們?cè)谔烊还猸h(huán)境下的視覺功效比在人工照明條件下的高5%～20%[4]。并且，人眼作為視覺器官，經(jīng)過數(shù)萬年的演變，最能適應(yīng)的就是天然光，再完美的人工照明也無法代替天然光。

(2)采用天然光進(jìn)行室內(nèi)照明，更有利于節(jié)能減排。就照明而言，天然光是一種良好的綠色能源。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，減少相應(yīng)的照明能耗，緩解能源危機(jī)。并且由于天然光是無污染的綠色能源，采用天然光照明有利于減少有害物質(zhì)的排放。

(3)天然光可以創(chuàng)造出人工照明無法創(chuàng)造出的室內(nèi)光環(huán)境。自然光是自然界中動(dòng)態(tài)變化的光線，可以使室內(nèi)空間產(chǎn)生豐富的表現(xiàn)力，賦予人們開敞、凝縮、輕盈、含蓄等感覺[5]。

由此可見，在相同照度水平下，由天然光構(gòu)成的光環(huán)境相比較由人工光源構(gòu)成的光環(huán)境更加有利于人體健康。因而，辦公建筑照明應(yīng)該在室內(nèi)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墻比使得天然光很難均勻、有效的照射到整個(gè)室內(nèi)空間，因而，辦公空間健康光環(huán)境的建立還需要人工照明進(jìn)行補(bǔ)光。

現(xiàn)代辦公建筑大多采用百葉系統(tǒng)控制天然光進(jìn)入室內(nèi)的角度及數(shù)量，以避免直射光。室內(nèi)主要照明仍然采用人工照明，百葉系統(tǒng)與人工照明系統(tǒng)相互獨(dú)立，根據(jù)人們的自身感受對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行人為控制。針對(duì)這種情況，本文提出了天然采光與人工照明相結(jié)合的聯(lián)合控制系統(tǒng)——不僅可以利用天然光均勻、光質(zhì)好、照度高且節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，而且利用人工照明彌補(bǔ)天然光隨晝夜、氣候和季節(jié)而變化的不穩(wěn)定性，緩解照明角度和眩光等問題，從而營(yíng)造出最為舒適健康的光環(huán)境。

3 天然采光與人工照明聯(lián)合控制方案

近幾年LED新型人工光源的光效不斷提升，智能照明控制系統(tǒng)飛速發(fā)展，進(jìn)入到“以人為本，按需控光”的時(shí)代，這也為天然采光與人工照明的智能結(jié)合提供了強(qiáng)有力的技術(shù)理論支持。室內(nèi)某點(diǎn)的照度包含兩部分：一部分為由天然采光引起的晝光照度，另一部分為人工照明引起的人工照度。因此，本文通過建立辦公空間晝光照明模型以及人工照明模型，來得到天然采光與人工照明的聯(lián)合控制模型。

根據(jù)前人研究，照度為500lx、色溫為4500K的辦公建筑光環(huán)境最為適宜，因而，在本文設(shè)計(jì)中選擇色溫為4500K的LED燈具，力求通過聯(lián)合控制模型將工作面照度控制在500lx，以構(gòu)建舒適高效的室內(nèi)光環(huán)境。

3.1 晝光照明模型

在天然采光照明中存在著一個(gè)重要的概念——天然采光系數(shù)。影響室內(nèi)天然光采光系數(shù)的因素有很多，如窗地面積比、采光口的位置、窗總透射比、窗戶下沿離地板高度、遮陽措施以及室內(nèi)進(jìn)深長(zhǎng)度等。針對(duì)某一特定的建筑物，其窗地面積比、采光口位置、以及窗總透射比、窗沿高度等參數(shù)均為確定值，因而其天然采光系數(shù)僅與遮陽措施以及室內(nèi)進(jìn)深長(zhǎng)度有關(guān)。也就是說，在室內(nèi)某一進(jìn)深處，當(dāng)遮陽措施選用百葉遮陽時(shí)，天然采光系數(shù)是百葉角度的函數(shù)。

本文引入天然采光系數(shù)函數(shù)矩陣，矩陣的每一元素均為天然采光系數(shù)——百葉角度函數(shù)，不同的矩陣元素代表室內(nèi)不同進(jìn)深處的天然采光系數(shù)函數(shù)，根據(jù)天然采光系數(shù)的概念，可以得到室內(nèi)晝光照度式(1)：

(1)

其中，n為房間進(jìn)深；Gn(w)為進(jìn)深為n處的天然采光系數(shù)函數(shù)；Ew晝?yōu)槭覂?nèi)晝光照度矩陣；E晝?yōu)槭彝馓烊还庹斩取?/p>

根據(jù)式(1)得到的晝光照度矩陣，提出照度特征值的概念——室內(nèi)晝光照度矩陣中照度值滿足300lx～700lx的矩陣元素?cái)?shù)量，即當(dāng)前天空條件以及百葉角度下，不加人工照明，室內(nèi)滿足照度要求的進(jìn)深長(zhǎng)度值。

3.2 人工照明模型

根據(jù)光通傳遞理論可以得到室內(nèi)照度點(diǎn)的人工照度矩陣如式(2)所示。

(2)

其中g(shù)為光通傳遞函數(shù)矩陣，光通傳遞函數(shù)矩陣的元素gij為光源j對(duì)點(diǎn)i的光出射比(或光通傳遞函數(shù))。在光源位置確定的情況下，gij是不變化的，不隨光源輸出光通量的變化而變化。

根據(jù)式(2)，當(dāng)光通傳遞函數(shù)矩陣g確定后，便可根據(jù)矩陣論的知識(shí)求得式(2)的最小二乘解，為：

φ=(gTg)-1gTEw

(3)

綜上，當(dāng)知道照度Ew時(shí)，便可求出相對(duì)應(yīng)的光源光通輸出值，也即知道每個(gè)燈具的理論光通輸出，按照得到的光通輸出調(diào)節(jié)相對(duì)應(yīng)的燈具即可得到期望的Ew，也即實(shí)現(xiàn)了按需調(diào)光。

3.3 天然采光與人工照明聯(lián)合控制

3.3.1 室內(nèi)照度模型

室內(nèi)工作面上某一點(diǎn)的照度由兩部分組成，一部分為由于室外天然光引起的晝光照度，另一部分則為室內(nèi)人工照明產(chǎn)生的人工照度。結(jié)合3.1節(jié)所介紹的晝光照明模型以及3.2節(jié)所提到的人工照明模型，可以得到，室內(nèi)照度計(jì)算點(diǎn)的照度公式為E=Ew+Ew晝，即：

(4)

式中，E為室內(nèi)參考點(diǎn)的照度矩陣；En為參考工作點(diǎn)的照度；Ew為室內(nèi)人工照度矩陣；Ew晝?yōu)槭覂?nèi)晝光照度矩陣；E晝?yōu)槭彝馓烊还庹斩龋ㄟ^室外照度傳感器測(cè)得。

3.3.2 聯(lián)合控制策略及流程圖

聯(lián)合控制策略定為：室內(nèi)照明以天然光作為主要光源，人工照明作為補(bǔ)充，也就是說，在滿足室內(nèi)照度標(biāo)準(zhǔn)的情況下，最大限度地使用天然采光進(jìn)行照明，在天然采光不足以滿足照度標(biāo)準(zhǔn)的情況下，采用人工照明進(jìn)行按需補(bǔ)光。最優(yōu)百葉角度選為使得晝光照度矩陣照度特征值最大的百葉角度，當(dāng)百葉角度確定后，室內(nèi)晝光照度矩陣Ew晝即為定值，通過期望照度矩陣與晝光照度矩陣的差值，可以得到人工照度矩陣值Ew，再根據(jù)式(3)，求出相對(duì)應(yīng)的光源光通輸出值，按照得到的光通輸出調(diào)節(jié)相對(duì)應(yīng)的燈具即可得到期望的Ew，也即實(shí)現(xiàn)了按需調(diào)光。

整個(gè)聯(lián)合控制系統(tǒng)的流程框圖如圖1所示：

圖1 聯(lián)合控制系統(tǒng)流程圖Fig.1 The flow chart of the combined control system

4 模型仿真與實(shí)現(xiàn)

本文將辦公空間簡(jiǎn)化為長(zhǎng)9m、寬4m、頂棚高4m的獨(dú)立空間模型，選擇活動(dòng)百葉外遮陽，由南向窗口單側(cè)采光，采光口面積為4m×4m。照度計(jì)算點(diǎn)選擇為從距離窗口0.4m開始，每隔0.5m進(jìn)行測(cè)量，也就是說分別測(cè)量室內(nèi)進(jìn)深為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處的天然采光系數(shù)，同一進(jìn)深處則取8個(gè)計(jì)算點(diǎn)。

模擬空間燈具采用均勻分布的布置方式，燈具間的橫向間距為1.00m，縱向間距為1.80m；將懸掛高度定為4m吸頂式布置。光源序號(hào)為第一排從左至右為1～5號(hào)燈具，第二排從左至右為6～10號(hào)燈具，具體位置如圖2所示：

圖2 燈具布置圖Fig.2 Lighting layout

燈具選擇為飛利浦公司生產(chǎn)的LED光源，所選燈具參數(shù)及配光曲線如圖3所示。

圖3 選用LED燈具參數(shù)及配光曲線圖Fig.3 The lamp parameters and candela distribution curve

以室外照度為5500lx為例，所求得的最優(yōu)百葉角度為49°，得到的晝光照度矩陣Ew晝?yōu)?[1031 877 701 566 466 394 357 314 280 271 248 238 232 233 225 220 210 208]T，相對(duì)應(yīng)得到的人工需要補(bǔ)光的照度矩陣為[0 0 0 0 34 106 143 186 220 229 252 262 268 267 275 280 290 292]T。根據(jù)式(3)求得，人工光源光輸出矩陣φ為：[0 0 2949 705 2912 0 0 2959 0 3863]T。也就是說，只需要開編號(hào)為3、4、5、8、10這五盞燈，并將其電壓分別調(diào)至其額定電壓值的72.8%、17.4%、71.9%、73.1%、95.4%，即可滿足室內(nèi)照度需要。

理論值求得后，利用Ecotect軟件以及DIALux軟件進(jìn)行效果測(cè)試。當(dāng)室外照度為5500lx以及百葉角度為49°時(shí)，得到的室內(nèi)照度分布如表1所示。

表1 聯(lián)合控制系統(tǒng)仿真效果值Table 1 The simulation value of the combined control system

由表1可以觀察到，采用聯(lián)合控制系統(tǒng)后，除了窗口處照度為1000lx左右，室內(nèi)照度均在500lx附近，照度均勻度為0.69，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，利用本文的控制方法達(dá)到很好的效果。

5 結(jié)論與展望

本文介紹了光環(huán)境與健康的關(guān)系以及天然采光的優(yōu)缺點(diǎn)，然后以營(yíng)造健康光環(huán)境為根本出發(fā)點(diǎn)，將矩陣分析與控制理論相結(jié)合，分別提出了晝光照度模型以及人工照度模型，并將這兩個(gè)模型聯(lián)合起來，提出聯(lián)合控制模型，給出聯(lián)合控制策略。并將得到的聯(lián)合控制模型運(yùn)用到一個(gè)長(zhǎng)9m，寬4m，頂棚高4m的模擬空間模型中，進(jìn)行效果分析，得出結(jié)論：聯(lián)合控制模型可以很好的運(yùn)用天然采光，并能將室內(nèi)照度恒定在500lx左右。經(jīng)研究表明，500lx為辦公空間中最為舒適、最有利于提高工作效率的照度。

本文將更可能多的天然光引進(jìn)室內(nèi)，以人工照明作為補(bǔ)償。但是就室內(nèi)照明而言，評(píng)價(jià)其好壞有很多指標(biāo)，例如：照度、亮度、照度均勻度、眩光等，因而后續(xù)研究還需要結(jié)合其他因素，來對(duì)模型進(jìn)行完善。

[1] 羅勇軍，牟同升，溫曉芳.光健康與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)展[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013，24(增刊)：14-18.

[2] 牛萍娟，方晶璐，田會(huì)娟，等.基于光生物效應(yīng)的LED辦公照明環(huán)境研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2014，25(4):23-28.

[3] 方景，邴赫亮，肖輝.照明控制技術(shù)的進(jìn)展[J].照明工程學(xué)報(bào)，2014，25(2):10-14.

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[5] 曾禮強(qiáng).晝間人工照明特性及其控制策略研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.

謹(jǐn)防上當(dāng)受騙，《照明工程學(xué)報(bào)》雜志社聲明

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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