商业建筑光环境研究综述

张晓倩，张九红，吕坤洁

(1.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168；2.东北大学，辽宁 沈阳 110169)

引言

随着社会的不断发展，我国商业建筑规模不断加大，融入了各种新型业态及功能。商业建筑包含了多样丰富的活动，除购物外，餐饮、观演、社交、娱乐、休闲、体验等功能成为商业建筑空间发展的新趋势。美国著名城市规划学家凯文·林奇[1]在消费者购物行为研究中提出，人们将购物视为一种消闲，在购物过程中时而坐、时而站，时而与人聊天、时而到各处游逛；或者看别人经过、看别人购物，看看喷泉、看看展览，从寻找商品的一个阶段到中间的休息，然后又继续寻找，商业建筑包含的活动较多，其内部空间环境的品质提升较为重要。“商业建筑”是承载人们休闲和购物活动的载体，而“光环境”给予空间生命与活力，影响着商业建筑的氛围感以及消费者的体验感，因此商业空间光环境设计是体现人性化的重要因素。商业建筑内的零售店铺为了获得较多的展示面积，主要使用人工照明满足照度要求；设有天窗的步行街一般采用自然采光与人工照明结合的形式满足光环境要求。《中国建筑节能年度发展研究报告2014》[2]指出，大型商业建筑体量大、内区面积大，照明电器等密度较高，建筑能耗以用电为主，空调系统耗电量约为50%，照明系统的电耗可达40%，其余10%为电梯及其他。商业建筑照明能耗是在总能耗占比中仅次于空调能耗的第二大要素，因此对于商业建筑照明节能研究具有重要意义。商业建筑的光环境设计是一项较为复杂的任务，既涉及到视觉效果对消费者心理感受的影响，又涉及到自然光与人工光结合应用带来的节能效果。本文对商业建筑内部光环境相关研究进行梳理，分析该领域的主要研究方法和技术手段，为未来商业建筑物理环境设计研究以及发展方向提供一定的参考依据。

1 商业建筑光环境特性及国内外各项指标要求

商业建筑的营业空间主要包括公共空间(门厅、中庭、过道等)和店铺空间(内部专卖店、营业厅等)[3]。其公共空间光环境营造主要采取自然光和人工照明结合的形式，店铺空间光环境主要为一般照明、局部重点照明和装饰艺术照明的有机结合，在创造特殊的商业气氛的同时塑造商品的立体感以及质感。目前我国对商业建筑照明标准值的规定如表1所示，其中一般商店的营业厅和商业街在其相应参考平面上的照度应分别达到300 lx和200 lx。标准要求商业建筑的照度均匀度(U0)不应低于0.6，统一眩光值(UGR)不宜超过22，照明光源显色指数(Ra)不应小于80，商业建筑照明色温建议在3300～5 300 K之间[4]。

表1 商店建筑照明标准值

表2对比了国内外商业建筑照度标准值要求，由表2可知，由于建筑等级和地域差异，各个国家的标准分类有所不同。我国商业建筑各个空间照度在300～500 lx，与CIE以及欧盟各国要求相似；美国地区照度标准均为300～400 lx；日本较高，重要区域照度达750～2 000 lx[5]，据此可见，我国商业建筑标准在制定的同时考虑了节能需求。

表2 商业建筑国内外照度标准值对比

我国标准提出应在满足规定的照度和照明质量要求的前提下进行照明节能评价，照明节能应采用一般照明的照明功率密度值作为评价指标，商业建筑的照明功率密度限值如表3所示[4]。需要说明的是《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)给出了现行值与目标值[4]，但自2022年04月01日起，商业建筑照明功率密度值(LPD)按照《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB 55015—2021)实施，要求各个空间的LPD达到原标准的“目标值”[6]。

表3 商店建筑照明功率密度限值

2 商业建筑光环境主观评价研究

当商业建筑中的视觉信息能持续引起人们兴趣、使人身心舒畅的时候；当人们能参与其中、体验到空间无限乐趣的时候，商业建筑的活力就实现了。光环境的人性化设计是未来商业建筑光环境设计的必然趋势和最终归宿，因此有必要从人体的感知或评价角度分析商业建筑内部光环境。商业建筑光环境主观评价研究涉及建筑学、光学、环境心理学和社会统计学等学科知识。El-Adly等[7]对商业建筑环境、顾客感知价值、满意度以及忠诚度进行调研，研究结果认为商场的购物环境是顾客感知价值以及顾客满意度的前提，且顾客的感知价值对满意度以及忠诚度都有显著的正向影响，各项因素之间的关系如图1所示。

图1 商业建筑环境与顾客感知价值、顾客满意度、顾客忠诚度之间的关系示意

许多专家学者提出天窗设计对于商业建筑的重要性，Mahone等[8]对108家商业建筑进行调研，利用多元回归分析可能影响销售额的因素，发现在其他条件相同的情况下，天窗与销售额呈显著正相关，这与Romm[9]提出的“在商业建筑中引入天然光有助于商业建筑销售额的提升”研究结果具有一致性。Chate等[10]在购物环境中利用里克特五级量表对20～25岁的消费者进行问卷调查，结果显示明亮的购物环境可以通过提高访问次数和停留时间影响人们的购买行为。刘小妹[11]采用问卷调查的方法，对中、英、德三个国家大型商业建筑的中庭自然采光进行主观评价研究，借助 spss对调研结果进行分析，评估并且验证了消费者对商业建筑中庭空间及其带来的自然采光的重视程度，提出了中庭空间光环境的各项因素对使用者主观满意度的影响。Quartier等[12]研究了商业建筑照明对消费者的环境感知、情绪以及行为的影响，搭建了三种照明工况下的购物环境，并对95名参与者进行问卷调查,结果显示不同的照明工况对购物行为无显著的影响，但会对消费者在购物空间中的情绪有影响。蔡宙燊等[13]分析了消费者对于店铺照明的“视觉满意度”评价与照明功率的关系，提出商业建筑店铺照明具有较大节能空间，认为开场空间水平照度差异性与地域差异具有相关性，提出商业建筑照明设计应做到因地制宜。Jin 等[14]对多家商业建筑的照明环境以及行人的视觉舒适度、满意度进行调研分析，研究发现不同年龄、性别、教育程度的行人的主观评价结果差异性较小，并且提出商业建筑在自然采光和人工照明混合时的最佳平均亮度为1 000 cd/m2，推荐单一人工光环境平均亮度值为 75 cd/m2。Ampenberger等[15]在1∶10 比例的购物空间模型中设置不同的照明环境，分析30名参与者对场景明亮程度感知的评价，结果显示区域照明可在降低约30%的照度值的同时达到与均匀照明相同的感知明亮程度。Mayhoub[16]通过分析从552个购物中心中的顾客收集的数据，提出了较新的研究结果，即采光对改善用户情绪比节约能源更重要；另外，该研究认为，提高客户满意度的是照明质量，而不是光源种类(自然光或人工光)，该研究可以引导建筑师以及照明工程师在设计中从功能性转向采光的情感作用，提出更有效的光环境设计方案。王琛等[17]调研了京津冀地区公共建筑的光环境以及使用者评价，通过分析发现光舒适度的主观影响因素权重为照度水平、亮度水平 > 眩光 > 照度分布、亮度分布，为公共建筑中庭光环境的优化提供有效变量及其优先级参照。

3 商业建筑不同空间的光环境研究

商业建筑的营业空间主要包括公共空间和店铺空间，公共空间光环境营造主要为自然光与人工照明结合的形式，店铺空间光环境主要采取人工照明。下文将对这两种不同空间的光环境相关研究分别进行论述。

3.1 商业建筑公共空间光环境研究

商业建筑公共空间主要包括商场门厅、中庭及各层的室内商业街等[3]。国内外相关学者研究发现了中庭建筑构件(几何形状、材料特性、开窗系统、中庭屋顶)与建筑内部采光条件之间的关系。Aizlewood[18]、Littledfair[19]、Calcagni[20]等认为影响中庭光环境因素主要有中庭平面形状、光井指数、屋面开窗系统、界面材料的反射性质、中庭相邻空间等，并分别进行研究。Calcagni等[20]利用软件模拟研究了中庭采光系数与光井指数之间的关系，研究结果表明，采光系数与光井指数之间呈指数关系，采光系数随着光井指数的增加而降低。Sharples等[21]梳理了建筑中庭光环境的研究成果，以L、W、H分别表示中庭的长度、宽度和高度，指出中庭的几何形状可以用多种方式表示，包括室形指数(Room Index，RI)、光井指数(Well Index，WI)、剖面高宽比(Section Aspect Ratio，SAR)以及平面宽长比(Plan Aspect Ratio，PAR)，计算方式如表4 所示。

表4 中庭空间几何参数和计算方法

Aislewwod[18]、Littlefair[19]和Szerman[22]等在研究中讨论了中庭基本设计参数和相邻空间内平均采光系数之间关系的研究结果。Cole[23]利用比例模型进行实验研究，提出材料反射率和开窗面积是影响中庭以及相邻空间采光系数的重要参数。Mga等[24]利用IES-Radiance软件模拟四面中庭的尺度对相邻空间平均采光系数的影响，研究结果提出为了在中庭相邻空间提供足够水平的自然采光，可接受的最小天窗高度(h)与中庭高度(H)之比为3∶8。在中庭剖面相关研究中，Alraddadi[25]和Freewan[26]等分别采用物理模型以及软件模拟大研究方法，认为阶梯式的中庭剖面形式在改善采光均匀度、减少眩光等方面优于传统中庭。杨倩苗等[27]探讨了影响中庭相邻空间采光的四大因素，包括顶部透光、空间比例、墙壁反射以及窗户位置及尺寸，介绍了英国剑桥大学马丁研究中心的研究成果，认为中庭高宽比控制在3∶1之内能提供较好的光环境。王卓佳[28]使用Radiance 软件模拟了夏热冬冷地区中庭空间形态对采光的影响，提出A形的剖面的小型核心式中庭能够带来较好的采光效果，且中庭的高宽比不宜大于4。刘哲等[29]借助 Ecotect 模拟软件分析上海地区商场中庭的高宽比对采光效果的影响，提出在使用顶部自然采光设计的三层商场中，中庭最佳高宽比约为1.5∶1。吕晨歌等[30]以眩光不舒适概率SFVD<10%作为评价指标，利用对公共建筑中庭空间天窗采光的眩光问题进行研究，得出天窗面积比不宜高于0.4的研究结果。严永红[31]对商业中庭采光以及照明经济性进行了研究，研究结果显示靠增加天窗面积来减少照明总投资是较为不经济的，增加天窗面积所带来的照明节能占比很小，而由此增加的建筑投资较大，仅增加的天窗造价一项就远远超过了照明节能费用，如果再将增加的空调能耗考虑进去，则更不经济。

在室内商业街研究方面，日本属于地下商业街空间利用的先驱。日本由于国土面积有限，大部分城市均利用地下空间设立宽阔的地下商业街，并引入光线柔和且富于变化的自然光，其对于环境的重视是成功发展地下商业的一个较为重要的原因[32]。罗寅[33]基于人体舒适度对重庆地区地下商业街空间光环境进行研究，对地下商业街的照度、色温提出建议值。提出在商业街通道上方可采用4 000～8 000 K的光源，而在通道上方靠近店铺门面的位置采用 2 000～3 000 K偏暖色的光源，可以烘托商业氛围。李新欣[34]从视觉舒适性的角度，对17个项目室内购物街光环境现状的现场调查，提出与主观满意度评价关系最为密切的量化指标为场景平均亮度，并利用回归分析建立了两者之间的影响关系，为购物街环境优化设计提供参考。

3.2 商业建筑店铺空间光环境研究

Tantanatewin等[35]认为在商业建筑店铺空间中，色彩和光线是较为重要的设计因素，对泰国144名研究参与者使用语义差异方法评估了六个计算机生成的具有不同的颜色色调、照明布置和相关的色温场景，并对调研结果进行单因素方差分析。结果表明，不同的颜色和照明条件显著影响参与者对购物空间的印象。另外，具有暖色调和彩色光线的空间，获得了较高的的得分。崔宇茉等[36]调研了24个商业建筑店铺照明指标参数和主观视觉满意度，提出照明建筑一体化设计策略，得出采用隐藏于展架下方的低位装饰且选用大面积、低亮度、显色指数较高的中低色温 LED 光源能够显著提升店铺空间的照明环境的结论。杨菲[37]以视觉心理学为基础，研究消费者对服饰类店铺光环境的视觉心理需求，建立了用户模型，结合照明设计技术原理建立了一套以目标用户群体的综合心理结构为指南的服饰类商店照明系统设计原则。梅剑平[38]对家具店铺光环境氛围感知进行调查研究，提出了家具店光环境“氛围量化”的评价设计方法并进行实验，对被试者知觉特征因素进行因子分析，提出家具店的空间亮度水平以及局部亮度对比度是对被试者满意度贡献率最大的因子，总贡献率约为 50%，其次为地面亮度因子，最后是顶面照明与光色。黄香琳[39]对多家商场服装店铺进行实地调研，基于光谱角度研究光源对服装色彩的影响，通过对光源类型、色温、亮度等多个因素的控制，对不同照明条件下人眼观测效果进行分析并提出相应建议，为不同商场店铺的光环境设计与优化提供了技术支持。

4 商业建筑光环境节能策略研究

早在20世纪80年代，商业建筑的能耗问题就已经引起了国内外相关学者的关注，英国自1976年提出NDBS(non-domestic building stock of England and Wales)项目，对其国内商业、办公等公共建筑能耗情况进行统计[40]。日本能源数据与模型中心(EDMC)每年对公共建筑的用能情况进行调查与分析，建立了相应的能耗数据库系统[41]。近年来，我国逐渐开展公共建筑的能耗监测工作，虽然未建立公开信息库，但由清华大学节能研究中心编著的《中国建筑节能年度研究报告2010》对我国商业建筑的能耗情况、节能潜力等方面做了较为全面的分析[42]。随着我国商业建筑的快速发展以及能源问题的日益凸显，商业建筑节能策略研究越来越受到重视。薛志峰等[43]对北京10所商业建筑能耗数据进行调研分析，发现该地区商业建筑单位建筑面积年耗电量在 210～370 kWh/m2之间，其中空调系统耗电量最高，其次为照明用电；这与美国学者Luis Pérez-Lombard[44]的调研结果“空调能耗和照明能耗在总能耗中所占比重较大”较为一致。许旺发等[45]提出商业建筑照明具有较大节能潜力，得出我国商场实现照明节能的4个途径：光源的合理选择、自然光的合理利用、空间照度的合理设计以及照明系统的合理控制与管理。

在天然光的合理应用方面，French 等[46]对加利福尼亚地区73座商场进行调研分析，利用DOE-2和Skycalc软件模拟分析自然采光商业建筑的节能潜力，结果认为与全功率打开的电灯相比，商业建筑天窗和光控操作节省的照明能耗往往在20%～30%之间，同时发现采光系统的改进会导致销售额逐步增加的现象，这与Mahone[8]以及Romm[9]的研究结论具有一致性。在照明能耗控制方面，党睿等[47]对北京地区大型商业建筑照明情况进行调研，认为照度过高和标准不统一是我国商业建筑照明能耗过高的主要因素，且消费者的舒适度与照度以及色温等指标均有关联。Lowry[48]对近年来有关商业建筑照明能耗研究进行了整理分析，提出照明控制系统是建筑性能的重要决定因素，提出利用自动照明控制系统代替手动控制，可以提高照明节能的潜力。吴夏冰等[49]对全国各地32个购物中心照明能耗实测数据进行归纳，分析影响购物中心照明能耗的主要因素，研究结果提出在商业建筑中，内部步行街具有最大的节能空间。严永红[50]对重庆地区18所商业建筑常用光源能耗以及全寿命周期环境影响进行了研究，提出陶瓷金卤灯的光色、显色指数可以满足商场照明的需要, 且具有良好的节能效果和环境效益。

近年来，国内外各专家学者提出商业建筑中庭空间的光热耦合研究，对商业建筑光环境节能发展也具有一定的推动性。Prakash等[51]利用eQUEST模拟了商业建筑的光环境、热环境以及各部分耗电量，研究认为H型和L型平面的商业建筑的光热综合耗电量较少。Galasiu等[52]利用ADELINE软件计算了建筑照明的热增益，在加拿大渥太华一个典型寒冷地区模拟商业建筑中庭开窗面积、中庭几何形状、尺寸对建筑物年制冷、制热所耗能量的影响。李岳等[53]以北京某商业广场内步行街为例，对采光天窗的光热性能进行整体评价，对无遮阳、内遮阳、外遮阳这3 种情况进行光热环境模拟计算并分析，最后提出该地区商业广场天窗采用可控外遮阳设计可达到良好节能效果。董海荣等[54]对于夏热冬冷地区中庭光热环境进行数值模拟分析，研究结果提出采光系数随着中庭高宽比的增加逐渐降低；为满足采光系数要求，采光中庭的高宽比应小于3∶1；当建筑占地面积较大时，分散式建筑中庭的设计可以达到良好的光热效果。Gillette等[55]对建筑中庭空间进行了详细的热传输和采光分析；结果证明了屋顶玻璃在降低照明能源需求方面的优势。Laouadi等[56]对中庭开窗玻璃类型、开窗表面积、天窗形状、中庭类型以及中庭与其相邻空间的相互作用进行软件模拟分析，结果显示中庭天窗形状对全年制冷和制热能量的影响可能是正的，也可能是负的，这取决于玻璃的U值和SHGC比以及中庭的类型。与封闭的中庭空间相比，向相邻空间开放的中庭能够减少高达76%的年供冷量；然而，开放的中庭空间增加了高达19%的年供暖能耗。

5 结论与展望

本文对国内外商业建筑光环境设计标准、商业建筑光环境主观评价研究、商业建筑不同空间的光环境研究以及商业建筑光环境节能策略研究等方面进行了综述与分析，总结了以下几点：

首先，在商业建筑光环境设计标准方面，目前商业建筑主要依据现有规范进行光环境设计，然而许多学者在调查研究过程中发现我国商场具有照度过高、照明能耗较大的问题。通过与国外标准对比可以发现，我国在照明标准建立过程中对节能进行了考虑，但仍需设立规范上限，完善商业建筑的照明标准。

其次，光环境主观评价研究涉及建筑学、光学、环境心理学和社会统计学等学科知识。研究发现商业建筑光环境的各项指标(照度、色温、眩光、亮度分布等)通过视觉通道影响着消费者的舒适度、满意度等，但目前影响机制尚不明确。未来应深入研究商业建筑中人们的舒适度、满意度与光环境各项指标之间的复杂关系，通过科学的方法构建商业建筑光环境指标评价体系。

在商业建筑不同空间的光环境研究中，对中庭空间自然采光研究的关注度较高，研究成果在提升光环境品质的同时也能有效指导建筑设计。随着传统照明模拟软件功能的扩展，天然光与人工光结合的动态模拟研究将成为商业建筑公共空间光环境研究趋势。

在商业建筑光环境节能策略研究中，光热性能耦合因素逐渐受到重视，一味地增加天窗来优化空间光环境可能会让建筑总能耗付出更大的代价。目前相关学者已经开展了采光分析与热传输之间的权衡研究，这也将成为今后研究的热点。随着社会和经济的发展，低能耗设计不再是以降低能耗为目标，而是在保证建筑高性能的前提下实现低能耗。因此，从人体舒适以及建筑节能角度，来探索建筑空间的光环境性能优化方法是未来建筑室内物理环境研究的必然发展趋势。