高世宝
46HA 03/2020
图1 调研中VTD设备日均使用时长
中图分类号 TU113.5 文献标识码 A 文章编号 1003-739X （2020）03-046-03 收稿日期 2018-07-10
摘 要 传统采光评价指标主要有静态和动态两类评价体系组成，静态体系以采光系数为代表，动态体系则以全自然采光百分比和有效天然采光照度百分比为代表，这两个评价体系基于以水平面为主传统办公模式可以进行采光性能测试评价，然而现代办公模式下大量使用计算机以后，使用者对于天然采光的要求也将发生了很大改变，该文试图从人眼视觉角度出发，对办公人员基于大量使用计算机屏幕这一背景下进行充分调研及数据搜集，探索出了一套以亮度指标为基准的新型采光舒适度评价方法。 关键词 采光评价指标 现代办公模式 视觉角度 亮度指标
Abstract Traditional daylight assessment parameter consists of static and dynamic index. Daylight factor represents static one, while daylight autonomy and useful daylight illuminance represent the other. Yet, these two index are not able to assess daylight quality as modern work pattern has dominan
ted the offce mode nowadays. Thus, we aim at daylight assessment based on visual angle of occupants and try to explore a new assessment method of daylight quality in terms of luminance parameter.
Keywords Daylight assessment, Modern work pattern, Visual angle, Luminance parameter
王嘉维 | Wang Jiawei
Daylight Comfort Research Based on Luminance Assessment
1 近年来天然采光研究的演化
目前，学术界广泛认同照度以及照度和亮度的分布，还有均匀度、光的方向性、眩光、温、频闪以及显性等因素可以代表光环境的多数特征。随着现代社会信息大量涌入与流出，电脑的使用已经广泛渗入到办公领域的各个空间[1]。VDT环境的照明要求不同于传统的办公室，它不仅必须看清源文件和键盘，同时也要看清CRT （即电脑显示屏），办公室的文书作业传统上是平面的，而CRT代表本身可发光的视觉作业，它接近垂直面，这两种视觉作业对照明提出了互相矛盾的要求：前者是要识别被照亮的符号、图像，要求相当高的照度水平，而后者是识别自行照亮的符号或在自行照亮CRT底上
的符号，则应尽力避免图像屏幕上出现高亮度的光反射和光干扰[2]。边宇[3]等人在自己的研究中将视觉舒适度分为以下几个指
标：DGI （Daylight Glare Index，即眩光指数）、DGP （Daylight Glare Probability，全自然眩光概率）、EV （Vertical Illuminance Values at Human Eyes，即视线方向垂直照度）、Lwin （Luminance of windows，即窗户亮度）、Lwp （Luminance of working plane，即工作面亮度）、LR （Luminance Contrast Ratio，即亮度对比度）。对采光数量的要求，我国和其他许多国家都用天然采光的相对值——采光系数[4]。在过去的60多年中，采光系数的概念并没有发生显著的变化，虽然如此，采光系数依然是目前应用最广的性能指标，大部分的采光模拟实验和研究还是以采光系数作为重要的评价参数，并且许多国家的采光规范仍然以采光系数作为评价指标之一[5]。
由于采光系数提出可能多的以CIE全阴天为基础，排除了晴天工况的可能性，
因此，
区域
亮度比桌面/VDT屏幕3：1或1：3工作面/相邻区域3：1或1：3工作面/较远区域10：1或1：10视野内任意点
40：1或1：
40
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Design ·Technology 设计·技术丨 采光系数其实是对天气最不利状况下的反映；此外，采光系数在规范中规定的基本都是最小值，即要求建筑室内要满足某一数值的采光系数，换句话说，制作此规定的人希望天然光尽可能多地被引入建筑室内，然而真情况并非如此，例如纯玻璃幕墙建筑在光照充足的
地区很容易引起内部使用者的视觉不舒适感，造成工作效率的下降及生理心理方面的舒适度下降。所以随着采光领域的研究，以采光系数为代表的采光评价体系逐渐被动态指标所代替。动态采光体系考虑了全阴天工况以外的光环境，相比采光系数，更能全方面展现某个特定的建筑空间在不同外界光环境条件下的采光表现；此外，由于动态采光基于晴天天空工况，室外光环境很多来自于
VRF
带有方向性的直射太阳光，因此处于不同朝向的建筑空间，在一天中相同时刻受到的太阳光照度表现是截然不同的；除此两点，动态采光中有的指标还规定了照度舒适性所对应的阈值上限，如有效天然采光照度（Useful Daylight Illuminance ），不再像天然采光系数那样只有最弱光线环境的评价标准而没有考虑到室内过亮的情况[6]。
尽管动态采光指标已经考虑了天气工况以及建筑朝向的多样性，但他们的测试都针对的是某一空间整体或具体某点的平均值，然而现实情况下，就算是办公室内相同位置下，如果实现朝向不同，使用者的视觉舒适度肯定也有区别，针对这一点，我们基于人眼视角下的采光舒适度进行了新的探索。 基于亮度指标下的天然采光舒适度模拟研究
2.1 现代办公模式调研
本文以问卷的方式对办公人员一天当中在工作时间使用计算机的情况，结果显示，有超过8成的公司在考勤制度方面规定的工作时间均为9∶00—17∶00（除休息时间外共计6h ），因此研究中我们以6h
为工作总时长（图1）。
从表1的统计结果可以看出，在一天的办
公工作中，绝大多数人使用计算机设备总时
长是超过3h的，也就是工作总时长的一半以上，最多的人集中在每天4～6h，也就是工作总时长的70%～100%；而一些职业，如金融从业人员、设计师等，几乎每天所有的工作任务都需要计算机设备的辅助完成。这个结果从侧面说明，现代模式的采光舒适性一定要基于以计算机屏幕为主要视觉平面，如果还以传统办公水平桌面为研究对象，那么就失去了创新研究的意义和必要性。
2.2 基于现代办公模式下的采光评价指标探索
有效亮度和亮度对比度是光环境研究领域中不常见的一个量化指标，但最近几年被学者们证明是一个十分有帮助且准确性很高的评价因子，它与传统采光舒适评价指标不同的是，它的研究视角是基于办公空间的人眼朝向与人眼角度范围为基准的光环境舒适度模拟。
欧美国家对采光是十分重视的，尤其以英国和瑞典等西欧、北欧国家过为代表，因为在这些国家，一年中大部分白昼时段，云速很快、云量很密，因此天然采光总量和其他国家相比并不充足，而且常常会有阴雨天，这也就造成了过去几十年里，这些国家对天然采光研究有着非常多的投入。而以英国、
瑞典、美国主导下的建筑采光标准，对亮度比都不约而同地异常重视，也说明了亮度比是室内天然采光
图2 工作人员视觉范围
区域 亮度比 亮度比伪彩图亮度比亮度绝对值舒适度评价第1排
1∶7∶11
√
舒适
第2排1∶300∶350×无法忍受
第3排1∶9∶11√舒适
第4排1∶530∶600×
无法忍受
芽孢杆菌
表2 西安市某办公空间春分上午9：
00室内不同进深测试点亮度舒适度综合评价
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环境非常重要的一个评价指标。
（1）有效亮度
学术界对于有效亮度的研究比较少，姚其[7]在研究中提出有效亮度定义是：照射某个特定物体时，反射回人眼的亮度被称为有效亮度，虽然实际情况下，不同物体对每个波段的具体的反射率是不同的（特别是有一定彩的物体），但在一般的计算中，对于物体都采用平均反射率。本文我们将有效亮度定义为亮度本身的绝对值，在研究中将与亮度比一起作为亮度舒适度的评价指标。
（2） 亮度比
相对于亮度绝对值，亮度比这个指标更小众，当我们用仪器无论测试哪一个特定空间下的亮度伪彩图，出来的都会是一个不均匀彩的图像，非常亮的区域为红，适中的区域为绿，较暗的区域为蓝，因此，我们很难将亮度作为单一的指标衡量整个环境的天然采光舒适度，而是要设定一个人眼视觉可视范围内的区域，在这个区域内进行亮度研究。而正因为亮度在特定区域下的高低变化，才有了亮度比这个概念。
2.3 指标阈值
孔令玉[8]认为，有效亮度指的是在正常工作状态下可见视觉范围内亮度符合规定有效范围的时间百分比，这个定义与动态天然采光的有效天然采光百分比很相似。此外，她通过搜集各种光环境偏好下对
应的照度以及各表面反射比，带入亮度照度换算公式，计算出了不同亮度环境下人眼的舒适度感受，其中当人眼所见亮度低于10cd/m2时，被认为无法满足基本的视觉工作；当人眼所见亮度在10～100cd/m2时，被认为可作为单独光源来满足人眼视觉工作需要；当人眼所见亮度在100～200cd/m2时，是一种较好的（或可以忍受的）天然光源；当人眼所见亮度超过200cd/m2时，就会对视觉工作有影响，或者产生不舒适感。
北美照明工程学会的采光手册（IESNA Lighting Handbook）建议，任务区域和环境区域亮度比为3：1，与周围空间亮度比为3：1，比较合理，人眼会感到舒适，并且会提高视觉功效。我们将IESNA推荐的亮度比总结在表1中。
除了ISENA采光手册对亮度比的舒适度阈值进行了界定，CIBSE（英国皇家注册建筑设备工程师协会）和NUTEK（瑞典工业和
技术发展局）对亮度比也有和ISENA非常相
似的要求，其中规定工作面和相邻表面的亮
度比不应大于3：1，工作面和背景区域的亮度
比不应大于10：1[8]。ISENA与NUTEK的区
别在于，ISENA建议最大对比度为40：1，而
NUTEK则建议最大对比度为20：1。
2.4 实验平台及评价方法
采光环境研究者Reinhart和Jakubiec
在研究中指出，工作人员面对显示器，视觉
注意力范围在以双眼共同形成一个90°的视
觉范围，而整个视觉在空间上是类似一个球
面的可见区域，水平方向视野角度大于垂直
方向（图2）。
在模拟平台方面，目前A u t o d e s k
Ecotect 和Ｒadiance配合使用已经可以方便
而准确地模拟出天然采光下室内外的测试环
境。通过Ｒadiance渲染图可以得到图像上任
何一个区域的具体亮度[9]。
为了对亮度指标体系进行统一评价，同
时能够方便比较不同空间及室内不同测试点
下的的亮度比以及亮度绝对值，我们将同一
测试点下的模拟结果统一放在表格内，用不
同颜来表示舒适度的不同标准，其中视觉
范围内的亮度绝对值阈值为2000cd/m2，亮
度比阈值为1：3：10，对号（√）显示亮度对比
度或亮度绝对值是满足条件，错号（×）则显
示不满足，不同舒适度综合强弱分为三个等
级：即舒适、可以忍受以及无法忍受。
我们任意选取西安市某高层办公平面
（尺寸为长8.5m，宽7.8m，高2.7m，内百叶遮
阳）作为测试对象，首先在Ecotect里进行建
模，然后在Radiance中对不同进深办公区域
以人眼视角出发的视觉范围进行模拟测试，
其中第一排最靠近窗户，第四排最靠近内墙，
第一排和第三排的办公人员视线面向内墙，
第二排和第四排则面朝窗户（表2）。
从模拟结果可以看出，这种结合亮度对
比度以及亮度绝对值的方法，非常好地解决
了传统采光评价体系里忽略以使用者视角
出发点考虑这一劣势，通过Radiance渲染
图我们可以方便地计算出视觉中心附近区
域以及较远区域的亮度比值，并且可以清晰
地从伪彩渲染图中看出哪个区域存在亮己二腈
度过高的情况，将这两个指标进行叠加，我
们就可以总结出室内空间某一点的综合采
作者信息：
王嘉维，西安建筑科技大学博士研究生
871401884@qq
光舒适度评价。
结语
本文针对传统天然采光的研究，通过文
献的总结整理，各个传统采光指标本身的局
限性，指出真实的情况下办公人员受到的光
环境影响是直接受其视野朝向影响的，由此
提出了基于使用者视角出发的亮度舒适度评
价体系。
我们在舒适度性能的研究方面重点对亮
度绝对值以及亮度比两个维度来确定亮度舒
适度指标的有效性和实用性，目前国内对这
上海 不哭一指标相关的研究少之又少，这说明基于人眼
视觉角度的采光舒适度研究在我国未来有着
广泛发展的前景。
资料来源：
图2：D e f i n i t i o n o f a r e f e r e n c e o f f i c e f i r
standardized evaluations of dynamic facade
and lighting and technologies. 作者Christoph F.
Reinhart, J. Alstan Jakubiec, Diego Ibarra。
其余图表作者自绘。
参考文献
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[3] 边宇，马源. 考虑视觉舒适度的动态采光模拟与
照明能耗分析[J]. 土木与水利工程，2018，52
（9）：1638-1642.
[4] 张九红，利用图像数字化处理研究天然采光系数
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[5] 张立超. 基于动态采光评价的办公空间侧向采光
研究[D]. 天津：天津大学，2013.
[6] 刘昆明. 全年动态模拟软件DAYSIM在天然采光
设计中的适用性研究[D]. 南京：南京大学，2011.
纳米材料
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激光与光电子学进展，2015，5（2）：22-23.
[8] 孔令玉. 以亮度为基础的天然采光评价指标研究
[D]. 天津：天津大学，2012.
[9] 王嘉维. 办公建筑空间光环境舒适度模拟研究[J].
四川建筑科学研究，2014，40（6）：
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