绿色建筑中导光管采光质量研究

周幸, 欧阳金龙, 王春苑, 高庆龙

(四川大学建筑与环境学院, 成都 610065)

绿色建筑强调健康舒适的生活环境[1],这离不开室内绿色光环境的构建,引进无污染、光色好的自然光作为光源是绿色光环境的一部分。相较于人工光源,自然光照明能减少能耗[2],其优越的显色性能,为人们提供良好的室内工作光环境。此外,自然光的非视觉效应可以调节人体节律,有利于人们的健康[3-4]。在绿色建筑中安装导光管采光系统,是引入自然光的便捷方式。经过近几十年的发展,导光管采光系统技术已经日渐成熟,在中外的应用十分普遍[5-7]。为了创造舒适健康的室内光环境,应全面评估导光管的采光质量。

在已有的导光管研究文献中,关于导光管的显色性和非视觉效应的研究寥寥无几。Swift等[8]以内壁分别镀银和镀铝的两种导光管为研究对象,通过对比它们的入射光与透射光的光谱能量分布,发现不同波长的光能衰减程度不同,反射率高的波长能量被吸收较少,导致透射光的颜色向该波长的颜色偏移,却没有进一步定量分析透射光的显色性。Nilsson等[9]使用XY色度坐标和CIEL*a*b*颜色空间,评估了导光管透射光的显色性,并证明了对于高反射介电薄膜,光谱在不同波长的能量轻微变化不会显著影响透射光的颜色。值得注意的是,这种薄膜的光谱反射率的平均值接近于1,且分布曲线非常均匀平缓。然而,这样的光谱反射率是市场上大部分常用导光管镜面反射材料难以企及的高度。

关于导光管非视觉效应的研究,Malet-Damour等[10]测试了一栋安装了导光管采光系统的实验楼的室内光环境,收集了晴天、全阴天时导光管出射口的透射光光谱,对比市面上常见的灯管光谱,验证了导光管对人类生物节律良好的调节作用。不足的是,该研究所选取的研究对象是特定建筑内安装的单一导光管,没有研究导光管自身尺寸、材料对非视觉效应的影响,不具有普遍性。

因此,将以两种不同光谱反射率的长径比为2～10的导光管为例,对比市面上常见的T8灯管,系统地研究绿色建筑中导光管内壁的光谱反射率、长径比对透射光显色性、非视觉效应的影响,以及导光管相对人工光源的优越性。先测定两种导光管的光谱反射率;再利用TracePro计算不同长径比的导光管的透射光相对光谱,同时通过SPIC-300光谱照度计测试两种T8灯管的相对光谱;根据相对光谱数据计算透射光和灯管的一般显色指数(Ra);最后通过Ra数值及相对光谱功率峰值波长位置,评价不同状况下导光管和灯管的显色性和非视觉效应。

1 获取导光管透射光及灯管光谱

1.1 计算导光管透射光的相对光谱

两种不同的导光管分别命名为S1和S2,利用PerkinElmer Lambda分光光度计测得导光管光谱反射率(图1)。如图1所示,S1导光管的光谱反射率波动幅度较大,平均值在0.9左右,S2导光管的光谱反射率分布曲线平缓,除了短波紫光部分的反射率较低外,其他波长光的反射率均接近于1。整体而言,S2导光管光谱反射率的均匀性和平均值均优于S1导光管。

图1 两种导光管的光谱反射率Fig.1 Spectral reflectance of two light pipes

TracePro光学模拟软件采用蒙特卡罗统计采样计算法,近年来被中外学者广泛运用于各类光源采光质量的模拟分析中[6,9,11]。考虑到实际测量中天然光的不稳定性,故采用TracePro软件模拟计算导光管透射光光谱,同时选择D65标准照明体模拟自然光作为导光管的入射光源,其相对光谱分布曲线如图2所示。

图2 D65标准照明体的相对光谱Fig.2 Relative spectral of the D65 standard illuminator

根据D65标准照明体的相对光谱分布,在TracePro中设置光源中各波长光通量权重,同时将光源类型设定为单束直射光线。由于《Tubular Daylight Guidance Systems》(CIE 173—2006)[12]中验证了导光管传输性能与尺寸无关,仅与长径比有关。故以直径为350 mm的导光管为例,设置长径比(L/D)分别为2、4、6、8、10,并根据导光管的光谱反射率在软件中输入内壁反射率。设定完成后,逐次改变管长,对2组不同光谱反射率的导光管,分别在5种不同长径比的情况下进行光线追迹,通过光通量报告计算获得透射光相对光谱,如图3所示。

图3 导光管透射光相对谱分布Fig.3 Relative spectral of transmitted light from light pipes

1.2 测试灯管相对光谱

测试灯管为广泛应用在建筑照明中的T8LED灯管和T8荧光灯管。采用SPIC-300彩色照度计测试两种灯管的相对光谱[13],测试结果如图4所示。

图4 两种灯管的相对光谱Fig.4 Relative spectral of the two lamps

2 导光管及灯管显色性评价

2.1 评价方法

《导光管采光系统技术规程》(JGJ/T 374—2015)[14]和《绿色照明检测及评价标准》(GB/T 51268—2017)[15]均采用颜色透射指数作为导光管显色性的评价指标,并要求达到90以上。其中,颜色透射指数即为导光管透射光的一般显色指数(Ra),通过计算导光管透射光的Ra即可评价导光管显色性。对于人工光源,一般也根据Ra分级评价显色性[16]。故研究采用一般显色指数(Ra)作为导光管和灯管的显色性评价指标。

2.2 计算导光管透射光及灯管的Ra

在获得导光管透射光和灯管的相对光谱后,其Ra值即可按《光源显色性评价方法》(GB/T 5702—2019)[17]计算,计算结果如表1所示。

表1 导光管透射光和灯管的一般显色指数(Ra)Table 1 General color rendering index (Ra) of transmitted light and lamps

2.3 结果分析

综合分析导光管光谱反射率(图1)、导光管透射光和灯管的一般显色指数(Ra)的计算结果(表1),得出如下结果。

(1)对于S1导光管,随着长径比的增大,透射光的Ra逐渐减小,显色性呈下降趋势。当长径比大于2时,Ra<90,不再满足《导光管采光系统技术规程》要求,在绿色建筑中选用此类导光管应控制长径比在2以内。这主要是因为不同波长光线呈现不同颜色,透射光的相对光谱分布直接决定了光线的颜色,而S1导光管的光谱反射率均匀性差,各个波长之间的反射率存在较大差别,使得光线在S1导光管内的每次镜面反射中,各波长光线的能量衰减值也随之相差较大,这种差别随着长径比的增大(反射次数增大)逐渐增大,进而导致经过多次反射之后输出的透射光的相对光谱与入射光谱相比差别更大,显色性也就越来越差。

(2)对于S2导光管,虽然随着长径比的增大,显色性也呈下降趋势,但是在长径比为10时Ra仍大于95,始终满足《导光管采光系统技术规程》的要求,显色性十分优良,在绿色建筑中宜优先选择此类导光管。究其原因,S2导光管的光谱反射率均匀性极好,光线在S2的每次镜面反射中,各波长光线的能量衰减值几乎相等,并不会导致某一波长的能量相对其他波长大幅增大或减小,从而保证了更优越的显色性。

(3)对于两种人工光源,两种T8灯管的显色性接近,Ra均达到了80以上,达到了《绿色照明检测及评价标准》中对普通光源的显色性要求。与两种导光管相比,两种T8灯管的显色性优于长径比大于6的S1导光管,但远差于S2导光管。就显色性而言,两种人工光源均可用于绿色建筑中缺乏自然光的空间。

本文认为，公民数据权是一项新兴的公民基本权利，它与传统的公民的政治权利、经济权利和社会文化权利既有区别又有联系，其不是一项单项性的权利，而是具有综合性特征的权利;它与传统的公法上的权利和私法上的权利既有区别又有联系，其既受宪法、行政法和刑法等公法的保护，也受民法、经济法和社会法的保护。因此，研究公民数据权，必须首先厘清该项权利的基本属性和内容，才能从学理、制度和实践三个面向证成其正当性、合法性和必要性。为此，本文就公民数据权的概念内涵、学理依据以及在实践中运用法治化手段保护等问题作初步的梳理，以期对公民数据权的理论与实务研究有所裨益。

基于以上分析,考虑显色性要求,绿色建筑在选择照明系统时,宜优先选择光谱反射率分布均匀的导光管。对于光谱反射率均匀性较差的导光管,应合理控制管的长径比、采用偏转片[18]等,以尽可能减少光线在管内的反射次数,从而确保透射光谱的一致性,满足显色性要求。在条件不允许安装导光管的情况下,可选择一般显色指数(Ra)大于80的人工光源照明。

3 导光管和灯管的非视觉效应评价

照明的非视觉效应影响褪黑激素的分泌和与之关联的生理节律系统,影响室内人员的体温、血压、心率、警觉度、紧张感和睡眠质量[19-20]。Berson[21]研究指出,促使哺乳动物昼夜节律与环境同步的细胞为视网膜神经节感光细胞(ipRGCs),ipRGCs细胞中的黑视素为目前已知的非视觉感光色素,其褪黑素抑制光谱敏感曲线如图5所示,峰值波长位于490 nm(蓝光)[22]。照明光源相对光谱在490 nm附近越高,或全波长分布均较高时,其抑制褪黑色素分泌效果越好,越利于室内人员保持良好工作状态。这表明导光管透射光和灯管的相对光谱整体分布情况及峰值位置将影响非视觉效应。以长径比为4和8的导光管为例,整合导光管透射光与灯管的相对光谱功率(图6),以此评价导光管和灯管的非视觉效应。

图5 褪黑素抑制光谱敏感曲线Fig.5 Melatonin suppression spectral sensitivity curve

图6 导光管透射光和灯管相对光谱对比Fig.6 Comparison of the relative spectra of light pipes and the lamps

从图6可以看出,对于S1导光管,随着长径比增大,透射光的相对光谱曲线逐渐下移,整体均衡性逐渐变差,与标准日光相对光谱的差别越来越大。透射光相对光谱虽然在490 nm(蓝光)达到峰值,但在长径比为8时,整体能量损失较大,这意味着需要更加良好的室外天空照度,才能在日间充分唤醒精神,提升工作效率。这主要是因为S1导光管光谱反射率平均值较小,随着导光管长径比的增大,光线在导光管内反射次数增加,进而导致全光谱能量损失越来越大。因此,绿色建筑在选用此类导光管时,首要考虑的仍然是控制长径比。

对于S2导光管,透射光的相对光谱在430～530 nm(蓝绿色)中占主导地位,不管长径比如何变化,透射光全波长光谱值均较高,且与标准日光光谱十分接近。相较于S1导光管,更有利于调节人体节律。就非视觉效应的要求而言,在绿色建筑中同样宜优先采用此类导光管。分析其中原因,S2导光管的光谱反射率平均值接近1,光线在S2的每次镜面反射中,各波长光线的能量衰减值很小,尽管经历了多次镜面反射,透射光的性质仍然接近标准日光,全光谱分布均较高,尤其在430～530 nm达到峰值。

对于两种人工光源,T8LED灯管具有两个峰值,分别在450 nm(蓝色)和580 nm(黄色),可以有效抑制褪黑激素的产生,日间使用可以增强注意力,但由于光谱分布不均衡,对健康作息的益处很有限,不利于夜间进入睡眠,建议仅在白天缺少自然光的空间中使用。T8荧光灯管的相对光谱分布更加不均衡,分别在540 nm(绿色)和610 nm(黄色)达到峰值,在430～530 nm(蓝绿色)中很低,同时在大部分波段均较小,这种类型的灯管无法满足白天工作的需求,不利于提升工作效率,不宜用于绿色建筑。总体而言,导光管透射光全光谱相对均衡,这种光更有利于调节人体节律,促进生物健康。

4 结论

(1)充分考虑显色性和非视觉效应,绿色建筑在选择照明系统时,宜优先选择导光管,光谱反射率分布越均匀、平均值越大的导光管采光质量越好。

(2)选择光谱反射率分布均匀且平均值较大的导光管,能够保证入射自然光各波长能量衰减值较小且相近,从而获得显色性、非视觉效应接近入射自然光的导光管透射光,提高绿色建筑的采光质量。

(3)对于光谱反射率均匀性较差或平均反射率较小的导光管,设计时应合理控制管的长径比,采用偏转片等,以减少光线在管内的反射次数,从而满足采光质量要求。

(4)在条件不允许安装导光管的空间,可选择一般显色指数(Ra)大于80的LED光源,同时尽量避免长时间连续使用,以保证人们健康。荧光灯相对光谱在大部分波段较小,峰值远离490 nm,无法满足工作需求,非视觉效应较差,不建议使用。

在此次研究中,入射光源采用的是单束直射光。而导光管在实际应用中,入射光源通常是由天气决定的自然光,主要有晴天和阴天两类,晴天天空由多束入射方向相同的直射光和入射方向不同的漫射光组成,阴天天空则主要是漫射光。与单束直射光相比,自然光入射导光管的情况十分复杂,透射光相对光谱也会随之变化。因此,在后续研究中,将选择实际安装了导光管的绿色建筑作为案例,分别在晴天和阴天实测建筑室内透射光相对光谱,综合分析复杂自然光下导光管的采光质量。