野性的呼唤 — 建筑日光照明设计 - 一灯网

小泉泉
发布于 2014-11-10 #PPT/视频/资料直接看回复推送文章

野性的呼唤 — 建筑日光照明设计

1862年，亨利·戴维·梭罗曾经写道：“世界保全在野性之中。”但是如果他看到我们的现代都市、我们的建筑，看看野外还剩下什么，他也许会有和David Orr一样的反应。

David Orr是欧柏林大学在“环境研究与政治”领域的特聘教授，他曾经在他的《边缘设计：高效能建筑设计》（麻省理工学院出版社，2006年）一书中写道：“现代的设计师们，用与所处环境不相契合的建筑和开发区塞满了整个世界，似乎它们是与社会生态和地域毫不相干的独立王国。在今天的城市里，日光可能会是梭罗思想的最后一丝痕迹，实际上，也许正是野性的保全。”

在建筑实践中，日光照明指的是利用自然光来满足建筑内居住者的视觉需要，它可能是灿烂的阳光，也可能是阴天柔和的光线。在2008年3月我为《建筑照明》写的《日光的语言》一文中，我提到，日光照明纯化论者会争论：对于一个被认为是日光照明的空间来说，就必须使用自然光作为日间照明的主光源，来创造一个与室外气候协调的温度适宜、视觉舒适的环境，并固执地要求最大限度的降低电气照明能耗来实现用电容量的最小化。但是对于我们其他人来说，很简单，只要有一扇可以看到风景的窗户，这个空间都可以认为是利用了日光照明。

日光照明、效率和生产力

日光照明由于其美学和健康方面的意义，受到设计师的追捧，研究者也认同此点。例如，坐落在纽约特洛伊的照明研究中心（LRC）的科学家们报告称，采用日光照明可以提供对调节人体生物节律非常重要的精神和视觉上的刺激，提高员工的生产力和舒适度。

图：现在大量商场中庭的设计都引入了日光照明，照明设计时电气照明系统如何与日光进行统筹配合，是业主关心的重点，也是设计师需要研究的问题，比如白天有日光的时候，空间亮度的关系如何处理，灯具的开关调节如何设置。失败的设计既起不到节能的作用，一旦空间明暗关系的处理不当，还会影响空间的功能。

合理利用自然光会节省大量的能源。根据美国能源部和美国能源信息管理局提供的数据，建筑中的电气照明消耗的能源占美国全国总用电量的15%。两篇发表于《照明研究与技术》（Lighting Research & Technology）的文章：《光电控制：有助于降低开关频率的技术的效益》（2001）和《一套照明和窗帘智能控制系统的夏季功效》（2002），和发表于《建筑与能源》（Energy and Buildings）杂志的《纽约时报总部日光照明模型：日光控制系统的表现监测》（2006），提供的研究结果表明：安装有日光感应控制的空间，可以节约20%-60%的照明用电。

在过去二十多年里发表的独立的现场研究，也给出了一系列的结果，有超出预测节能值56%的；也有因为提高某些调光镇流器的电压而导致用电量上升；或者因为灯具加入了日光控制，在白天时处于关闭模式，致使下班时忘了关灯，导致用电量上升的。鉴于这些调查结果，再考虑到热能与日光采光有相关性，我们可以了解：把日光引入到建筑当中，有可能减少、也有可能增加它的总能耗。

“日光是个好东西，但是，还有很多方面必须考虑”，总部位于宾夕法尼亚州库柏斯堡的路创电子商用玻璃事业部的Joseph Park说，一栋有强烈的日光照明目标要求但是处理不当的建筑，很可能会消耗更多的能源，并可能使它的居住者遭受过多的眩光和高温困扰。

另一方面，TRC Companies —— 它在2013年1月收购了与Heschong’s同名的加州咨询公司Heschong MahoneGroup（HMG）——的主管Lisa Heschong说，当她与一些在采用了日光照明的零售店、商业和教育空间里工作的员工聊天的时候，“他们一直在表述他们是如何热爱在那里工作，并且不希望转去别的任何地方”。

与员工的幸福感一样，大量的财务效益和人员绩效也被认为与日光的增长有关。在2013年“窗户采光的好处”活动中，LRC的研究人员讨论了他们的经验：没有窗户的商业地产，其租金要比有窗户的低20%——低2-4美金每平方英尺（译者注：约合22-424美金每平米）。

HMG咨询管理公司的两份调查研究：1999年的《天窗采光与零售业：采光性能和人类行为之间的关系调查》和2002年的《采光对零售业销售业绩的影响》，可以说是截至目前为止关于自然光及其对零售业销售业绩影响的两份最详实的调查，调查研究显示，在五个对销售额的提高有显著影响的因素中，日光排名第三，第一和第二则分别是周营业时间（小时）和室内装修新旧程度（年）。

1984年，Texas A&M University健康系统与设计中心联合创始人、建筑学教授Roger Ulrich在《科学》杂志发表了论文《窗外的景色可能会影响人手术后的恢复》，文章认为，窗户面对树木的病房比面对墙壁的病房内的病人，恢复时间要快8.5%，并且需要吃的镇痛药更少。后来其他人的研究支持了这一结论，认为一般医院病房里的病人确实受此影响。

1999年受Pacific Gas and Electric Company委托，HMG的《学校日光照明：采光性能和人类行为之间的关系调查》，发现学生的考试分数和教室日光照明之间有着高相关性，调查记录显示，增强了教室日光照明的，学生考试成绩要高10个百分点。该调查结果引发了关于日光照明的影响（日光效应）的讨论。HMG的后续论文《学校里日光照明对人类行为的影响》于2002年发表在Leukos《照明工程杂志》上，试图准确描述这种相关性。但是尽管HMG和研究合作方RLW Analytics从统计学意义上发现了照明条件和学生分数之间的重大联系，但他们并不能明确的解释这种效应。LRC“人类因素项目”负责人Peter Boyce 2005年发表在Leukos的文章《人类行为与照明关系研究的反响》，警示该种结论尚未成熟，不能认为是科学的联系。

作为研究的一部分，HMG在2003年的后续研究中未能复现1999年的研究结果，但是发现有证据表明：丰富而令人愉悦的窗外风景，比如绿色植被、人类活动或远处的其他目标，能让学习产生更好地效果。

正如Lutron的Park所说，自然光不足和眩光都会造成不好的影响。虽然这种绩效降低还不能进行量化，但我在博士论文研究中发现：在被描述为“稍微不舒适”眩光的环境中，相比于“最喜欢”的照明环境下，人们认为自己的工作绩效会降低10%。

图：明亮的落地窗表达了人们对于自然光的渴望。在现代都市，“我有一所房子，面朝大海，春暖花开”的生活梦想遥不可及，更务实的梦想恐怕是“我有一所房子，有大大的落地窗户，面向南方，有阳光照进来”。

尽管所有的研究都有提到，但是自然光和人类健康以及生产力之间的定量关系仍然是很难确定的。Park说，“生产力是难以用时间和金钱去进行量化的。”但是，现实最常见的情况是决策者在选择是否需要对照明和窗帘进行日光和高级控制时，需要权衡其价值。日光照明有益是确凿无疑的，但是过硬的证据仍然不足。这很大一部分原因是因为在该领域的研究中，日光的动态变化包含了很多很难控制的变量，很难加以分离。究竟是由于光的数量？还是因为其可变性？或者光影的不同？抑或是因其与自然的联系？

总的来说，现有的研究数据表明，一个成功的日光照明设计——考虑了眩光控制和热量管理的设计——应该是能提高员工的满意度、调节气氛和提高生产力的。“一种合适的均衡可以通过主动的控制策略来实现，例如自动窗帘，也可以采用被动策略，比如遮光帘或者百叶窗。”Park说，“自动窗帘、遮光帘和玻璃贴膜在产业中的市场份额正在迅速上升。”这些技术可以在允许漫射光进入空间的同时，减少直射光线的强烈动态变化。

最近的研究强调了自然光对人类健康和生理功能的影响。美国环保署的数据显示，现代都市中人类90%以上的时间生活在室内。如果一直处于静态的照明环境中，人们可能会因为与室外自然环境和光线明暗变化相隔绝而变得迟滞，。

自然光与昼夜节律

昼夜节律是通过调节我们的醒睡周期来实现的。昼夜节律主要通过人体的褪黑素，帮助我们转换清醒模式和睡眠模式。如果不是生活在正常的24小时光循环下，我们的醒睡周期最高可能会有每天两小时的偏离。

这种累积效应可能是显著的。醒睡周期失调可能导致睡眠时相提前或延迟，进而导致慢性睡眠不足。LRC的研究人员也在《窗户日光照明的好处》（2003）一文中说：“慢性睡眠不足的人会感觉到长期性疲倦，不能有效率的工作”。此外，在2006年纵向研究文章《夜里的灯光——夜间轮班带来的罹癌风险》中，费城Thomas Jefferson大学和纽约库柏斯敦Mary Imogene Bassett医院的研究人员发现，由于松果体抑制了褪黑激素的分泌，增加了夜间轮班的工人罹患乳腺癌的几率。

当然，缺少自然光，对居民来说，并不意味着世界末日的来临。在白天合适的时间走出去晒一定时间的太阳，可以减轻这种紊乱。晒太阳（控制好时间和时长）对人类来说是最有利的一种方法，但是，不只是白天的明亮，夜间的黑暗，也对健康的醒睡周期有着决定性的作用。

哈佛大学医学院和波士顿Brighamand Women’s Hospital医院的医学副教授Steven Lockley建议：为了让褪黑激素的抑制降至最低，人们在夜间接受到的光照时间越短越好，亮度越暗越好，色温越暖越好。正因如此，睡眠空间的日光照明设计也应该考虑保持夜间的暗环境。

一种新的人眼视网膜感光细胞和光色素黑视素的发现让人类重新认识了生理节律，并且引起了照明界的强烈兴趣。在2001年的论文《光谱对人类褪黑激素分泌的作用：一种新感光细胞存在的证明》中，TJU的研究人员发现，昼夜节律系统对446-477nm的短波（蓝光）最为敏感。他们还发现一种新的感光细胞存在的证据，这种新的感光细胞处于昼夜节律感光细胞中间，因此创造了一个新词：司晨视觉（cirtopic vision）。司晨视觉补充了暗视觉（由杆体感光细胞主导，暗环境下的视觉模式，峰值为507nm）和明视觉（由锥体感光细胞主导，明亮环境下的视觉模式，峰值为555nm）。

图：可见光光谱和明暗视觉曲线

明视觉对于视觉任务是至关重要的，大多数电光源的设计都是按照明视觉的要求。但是，研究发现，460nm的短波与555nm的长波相比，更有助于人们保持清醒。另外，多项研究表明，早上不能接受到短波可见光的学生，褪黑激素分泌会延迟，导致睡眠启动晚大约30分钟。

日光照明的一体化设计

尽管日光是变化的，并且往往是不受控的，其光谱依赖于太阳的位置以及天气条件，但它的光在可见光的短波段特别充裕，这些光被认为是对人体昼夜节律和清醒度很有帮助的。因此，建筑日光照明对人体健康是有用的，特别是对北部高纬度的人们来说，能获得从窗户或别的途径进入的日光，能提升他们的幸福感。即便不考虑纬度和日照时长，日光在使人们保持清醒，提高生产力方面具有普遍的意义。同时值得注意的是，日夜明暗环境每天（或者每个季节）的变化都能对人体健康产生重要的影响。因此，有些照明厂家，已经开始紧随潮流，通过电气光源和照明系统来模拟这种自然节律。

设计师可以从这些研究发现总结出以下两点。首先，日光照明空间有潜力产生大量的效益，包括节省能源，增加零售业的营业收入，对人类健康和生产力提高有帮助。其次，为了实现这种效益，从设计到安装到运行，有很多重要的因素需要仔细考量。

在日光照明设计中，有很多资源可以帮助你来做出决策（点击文末左下角阅读原文了解更多资源），对于成功的日光照明来说，以下三点至关重要：

1、工作时间所有视觉作业区域的直射光控制；2、室内空间表面的亮度均衡，尤其要注意窗户和主要垂直面之间的亮度对比；3、为视觉作业区域提供充足的日光照明。