摘要
光照不仅产生视觉效应，还可通过非视觉通道影响人体昼夜节律系统。充足的日间光照刺激是维持人体昼夜节律系统正常的重要因素之一，不充足的日间光照或过量的夜间光照刺激会造成昼夜节律紊乱，进而对人体健康产生负面影响，因此适宜的眼部光照刺激对于维持节律健康有着至关重要的作用。科技的进步和人们工作方式的转变，使室内工作面从伏案写作、手工劳作的水平方向逐步扩展至自发光屏幕的垂直方向。眼部照度或视线高度的垂直照度，不仅与空间表现力、空间中视线交流相关联，同时也与空间居住者的节律健康密不可分。近年来，随着人体身心健康日益受到重视，针对节律健康探讨光环境设计方法及潜在应用已成为研究热点。传统的光环境设计标准注重于保障视觉作业,例如满足视觉作业需求、控制眩光及阴影的影响、提高空间表现力等，未考虑光环境对使用者节律健康的影响。因此目前基于节律健康的光环境设计缺乏科学的理论依据及指导思想，并未有相关量化指标作为参照。 本文从具有广泛应用前景的节律健康光环境设计出发，采用眼部照度值Ecor及节律刺激值CS作为量化指标，针对人工光照明和天然采光下的节律健康光设计方法展开研究，深入探讨了节律健康光环境设计的要素和方法，并进一步从应用的角度探讨该设计方法的实际价值。 本文研究内容主要分为四个部分： 第一部分从理论层面提出了以间接光眼部照度Ecor,avg(i)为设计目标的节律健康光环境设计指导公式：(1)人工光照明条件下，Ecor,avg(i)=(Φ/C1)·ρ/(1?ρ’)，其中Ecor,avg(i)代表人眼视线高度处的间接光眼部照度平均值，Φ为光源初始光通量，ρ为空间内光线发生第一次反射时的表面反射率，ρ’为空间内表面反射率的加权平均值，C1为与房间总表面积相关联的常数；(2)自然采光条件下，Ecor,avg(i)=C2·WWR·ρ/(1?ρ’)，其中窗墙面积比WWR为房间开窗面积与该窗户所在开间外墙面积的比值，C2为受窗外日光条件、窗口朝向、房间总表面积影响的常数。 第二部分使用计算机软件对本文提出的公式进行模拟验证。人工光照明模拟分析选取Radiance为模拟计算引擎，利用3D软件Rhinoceros及其插件Grasshopper进行模型搭建及结果可视化，结合环境模拟分析插件Ladybug和Honeybee搭载Radiance进行光环境模拟分析。天然采光模拟分析通过基于Radiance平台的全年动态天然光模拟分析软件DAYSIM实现。通过组合室内表面反射率、光源初始光通量、窗墙面积比、地理位置，形成多种人工光照明及天然采光室内光环境，利用软件对各种光环境中的间接光眼部照度进行计算。模拟数据的线性回归分析结果表明，空间中间接光对眼部照度的贡献与室内表面反射率的关系满足前期提出的指导公式。因此，该公式对于计算空间中间接光眼部照度具有较高的准确性。研究表明，室内表面反射率是影响间接光眼部照度的重要因素。 第三部分利用实验室模拟真实光环境，通过测量实验对该公式进行验证。通过组合3种表面反射率(0.17、0.48、0.87)及3种窗墙面积比(30%、60%、90%)的模型板，形成1:6尺寸(1米×0.8米×0.53米)的15种模型空间。测量实验以模拟CIE标准全阴天的人工光环境实验间作为场地，使用照度计测量空间中的眼部照度值。测量数据的线性回归分析结果显示，实际光环境空间中的间接光眼部照度与表面反射率、窗墙面积比存在预期的Ecor,avg(i)=C2·WWR·ρ/(1?ρ’)关系，前期提出的节律健康光环境设计指导公式对实际天然采光空间的眼部照度计算具有适用性及准确性。实验结果还表明，实际空间中间接光眼部照度与视线方向几乎不相关，其值仅受室内表面反射率及窗墙面积比的影响，其中表面反射率的影响最为显著。 第四部分探讨节律健康光环境设计方法的实际应用价值。本文以空间中节律刺激阈时长百分比CircadianStimulus(CS)Autonomy为研究对象，分析了典型教室空间在高、低两种室内表面反射率组合条件下：(1)处于不同地理位置(上海、重庆、赫尔辛基)的教室空间中CSAutonomy分布情况；(2)远窗口位置处节律刺激值CS时序变化及CSAutonomy逐月变化。研究结果表明，通过提高室内表面反射率，可有效改善自然采光的节律刺激，尤其对远离窗口的房间深处影响最为明显。对于日光资源不充足地区的冬季时段(如12月、1月)，仅仅提高室内表面反射率并不能达到节律健康照明阈值，仍需要使用人工光照明进行补偿，以达到光照的节律刺激目标。 综上所述，以节律健康为目标的光环境设计，应重点关注空间内的眼部照度值，尤其是间接光部分。本论文提出的基于眼部照度的节律健康光环境设计指导公式，对各种天然采光、人工光照明的光环境空间中眼部照度值计算均能提供较为准确的结果，可指导设计师进行节律健康光环境设计实践，帮助提供科学的理论指导和及时快速的反馈。通过提高室内表面反射率改善空间光照节律刺激的设计方法，对各类空间均具有适用性，不仅效率高、可操作性强，同时避免了提高光源光通量(人工光空间)、改变窗口面积(天然采光空间)等方法产生的眩光、能耗及施工问题，具有较高的实际应用价值。本文研究结果有望为实际空间的节律健康光环境营造提供设计理论依据和指导方法，对改善室内光照节律刺激不足现象具有很强的应用前景及现实意义。
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