南京市中学教室天然光非视觉效应研究

聂柏慧 吴 蔚

(南京大学建筑与城市规划学院，江苏 南京 210093)

1 概述

天然采光除了视觉上的功效外，还会通过非视觉通道影响生物的生理节律[1]。研究显示[2]光的非视觉效应能够影响人体的生物钟相位移动、激素的分泌与抑制、内核体温变化以及其他生理参数。对于在校学生来说，这一效应不仅关系到用眼健康，还会对心理感受和生理变化产生重要作用，并会进一步影响到学习效率[3]，因此是教室整体环境舒适性的一个重要影响因素。国外针对教室光环境非视觉效应已经展开了众多研究，在天然采光领域发展出了一系列非视觉效应的评估模型[4，5]。然而目前我国学校教室天然采光的相关研究[6]及设计标准[7]主要是根据视觉需求展开的，照度、照度均匀度、采光系数是主要的评价指标，在非视觉效应方面的相关评估及改进研究仍较为缺乏。

基于现有背景，本文将先对天然光非视觉效应的相关评价方法和指标进行介绍，然后通过计算机模拟技术尝试将其运用至学校教室中，探讨所选非视觉效应评价模型的适用性，以期为今后教育建筑相关的非视觉研究提供方法借鉴和数据支持。

2 非视觉效应评价模型及相关指标

目前国际上天然光非视觉效应评价主要有节律影响因子法、光剂量法、生物照度阈值法(加权DA值法)和有效昼夜节律区域CEA法[8,9]。本文主要应用基于生物照度阈值的评价模型。该模型在光生物学的研究基础上，通过计算机模拟技术，可对全年动态光环境非视觉效应进行评价，且分析结果能够较好地图示化表达。

Pechacek等[10]于2008年提出满足非视觉效应下CIE标准光源D55,D65,D75的生物照度阈值下限分别是210 lx,190 lx和180 lx，并将南、北、东西方位的天空分别与D65,D75和D55相对应，初步完成了光谱特性向非视觉效应的转化。之后其用等效DA图谱(Equivalent Daylight Autonomy Maps)和时间图谱(Temporal Maps)分析了病房空间的非视觉效应。等效DA图谱可以通过天然光动态模拟软件Daysim得出，表示建筑空间中满足最低生物照度阈值的时间占全年时间的百分比。时间图谱可通过用Matlab编写Daysim计算结果中的全年照度文件(ILL)得到，表示空间中某一点在全年范围内的非视觉效率百分比分布。

Andersen等于2012年提出了生物照度阈值的上限[11]，D65,D75和D55分别对应870 lx,830 lx和960 lx，并将非视觉效应与照度的关系简化为线性的分段函数，以D55为例如式(1)所示，其中,NVE是非视觉效率值；ED55是D55等效照明体的照度值。

(1)

(2)

3 教室天然光非视觉效应模拟与评价

本次研究的对象位于南京市某高级中学主教学楼二楼，教室的长宽高分别为9.3 m,7.8 m,3.5 m，窗地比为0.29，符合相关规范[13]的要求。室内材料的反射率和透射率如表1所示。根据实测建筑信息在Ecotect中搭建三维模型，布置六个测点如图1所示，并设置两个垂直于窗口所在平面的竖直计算网格v1，v2。v1通过测点1，2，3所在直线,v2通过测点4，5，6所在直线。v1网格和v2网格的方向向量均为(1,0,0)，朝向黑板。将设置好的模型导入Daysim中进行全年动态光环境模拟，单日时间根据学生上课的情况设定为7:30～17:30，得到等效DA图谱，再结合Matlab对Daysim输出的ILL文件进行处理得到全年时间图谱。

表1 教室室内各材质参数

反射率透射率墙面天花板黑板面地面南窗北窗0.830.830.120.240.780.78

3.1 等效DA图谱分析

等效DA图谱用于描述空间中各点达到生物照度下限的时间分布百分比，图2虚线表示学生坐下时眼睛所在高度，离地1 100 mm。

v1网格面的等效DA均值为66.49%，但明显分布不均，北半边的座位全年有超过2/3的时间都能达到非视觉效应响应的目标照度值，相比之下，南半边的座位大部分只有50%左右的时间达到目标照度值，非视觉潜能一般。v2网格面的等效DA均值为69.83%，北半边的座位基本处于70%以上，南半边座位基本处于64%左右。总体而言学生眼睛高度处全年有超过2/3的时间能够达到非视觉响应的目标照度值，比v1网格处效果要好。

3.2 时间图谱及累积非视觉效率值分析

教室主要朝向为北向，因此选取D75照明体作为天然光环境的等效照明体，根据第2节的转换方法可以得到D75照明体的生物照度阈值函数:

(3)

表2 各测点不同时段全年累积非视觉效率值 %

通过时间图谱可以看出，整体上非视觉效率最低的是测点3，最高的是测点6。前排测点1～测点3的非视觉效率明显呈递减状况，测点1白天大部分时间能达到80%，而测点3大部分时间都处于50%左右。后排测点6～测点4虽然也是呈递减状况，但是差别不大，而且基本处于80%以上。

从全年累积非视觉效率值来看，在总时间段内，非视觉累计效率均值为57.82%，且后排座位的累积效率均值为前排座位的1.36倍。在10:00～17:00时间段内，除测点2和测点3外，其他测点都能达到70%的非视觉效率值，说明该段时间内具有较好的非视觉潜能。然而在7:30～10:00时间段内，除测点6外的所有测点都未能达到50%的非视觉效率值，测点2和测点3甚至都未能达到20%，说明该段时间非视觉潜能较低，天然光刺激不足，需要适当的人工补光。

4 研究展望

生物照度阈值法能在一定程度上量化评估建筑空间的天然光非视觉效应。本文运用该方法进行了中学教室的非视觉效应模拟评价，希望为今后相关方面的研究提供一定的方法借鉴。随着非视觉效应相关理论的进一步发展，未来在评价精度上将会进一步完善，并可进行采光设计因素如朝向、窗地比、遮阳对非视觉效应的影响研究，以便更好地将非视觉效应的相关成果融入具体的建筑设计中，促进健康光环境的发展。