綠色建筑中導光管采光質量研究

周幸, 歐陽金龍, 王春苑, 高慶龍

(四川大學建筑與環境學院, 成都 610065)

綠色建筑強調健康舒適的生活環境[1],這離不開室內綠色光環境的構建,引進無污染、光色好的自然光作為光源是綠色光環境的一部分。相較于人工光源,自然光照明能減少能耗[2],其優越的顯色性能,為人們提供良好的室內工作光環境。此外,自然光的非視覺效應可以調節人體節律,有利于人們的健康[3-4]。在綠色建筑中安裝導光管采光系統,是引入自然光的便捷方式。經過近幾十年的發展,導光管采光系統技術已經日漸成熟,在中外的應用十分普遍[5-7]。為了創造舒適健康的室內光環境,應全面評估導光管的采光質量。

在已有的導光管研究文獻中,關于導光管的顯色性和非視覺效應的研究寥寥無幾。Swift等[8]以內壁分別鍍銀和鍍鋁的兩種導光管為研究對象,通過對比它們的入射光與透射光的光譜能量分布,發現不同波長的光能衰減程度不同,反射率高的波長能量被吸收較少,導致透射光的顏色向該波長的顏色偏移,卻沒有進一步定量分析透射光的顯色性。Nilsson等[9]使用XY色度坐標和CIEL*a*b*顏色空間,評估了導光管透射光的顯色性,并證明了對于高反射介電薄膜,光譜在不同波長的能量輕微變化不會顯著影響透射光的顏色。值得注意的是,這種薄膜的光譜反射率的平均值接近于1,且分布曲線非常均勻平緩。然而,這樣的光譜反射率是市場上大部分常用導光管鏡面反射材料難以企及的高度。

關于導光管非視覺效應的研究,Malet-Damour等[10]測試了一棟安裝了導光管采光系統的實驗樓的室內光環境,收集了晴天、全陰天時導光管出射口的透射光光譜,對比市面上常見的燈管光譜,驗證了導光管對人類生物節律良好的調節作用。不足的是,該研究所選取的研究對象是特定建筑內安裝的單一導光管,沒有研究導光管自身尺寸、材料對非視覺效應的影響,不具有普遍性。

因此,將以兩種不同光譜反射率的長徑比為2～10的導光管為例,對比市面上常見的T8燈管,系統地研究綠色建筑中導光管內壁的光譜反射率、長徑比對透射光顯色性、非視覺效應的影響,以及導光管相對人工光源的優越性。先測定兩種導光管的光譜反射率;再利用TracePro計算不同長徑比的導光管的透射光相對光譜,同時通過SPIC-300光譜照度計測試兩種T8燈管的相對光譜;根據相對光譜數據計算透射光和燈管的一般顯色指數(Ra);最后通過Ra數值及相對光譜功率峰值波長位置,評價不同狀況下導光管和燈管的顯色性和非視覺效應。

1 獲取導光管透射光及燈管光譜

1.1 計算導光管透射光的相對光譜

兩種不同的導光管分別命名為S1和S2,利用PerkinElmer Lambda分光光度計測得導光管光譜反射率(圖1)。如圖1所示,S1導光管的光譜反射率波動幅度較大,平均值在0.9左右,S2導光管的光譜反射率分布曲線平緩,除了短波紫光部分的反射率較低外,其他波長光的反射率均接近于1。整體而言,S2導光管光譜反射率的均勻性和平均值均優于S1導光管。

圖1 兩種導光管的光譜反射率Fig.1 Spectral reflectance of two light pipes

TracePro光學模擬軟件采用蒙特卡羅統計采樣計算法,近年來被中外學者廣泛運用于各類光源采光質量的模擬分析中[6,9,11]。考慮到實際測量中天然光的不穩定性,故采用TracePro軟件模擬計算導光管透射光光譜,同時選擇D65標準照明體模擬自然光作為導光管的入射光源,其相對光譜分布曲線如圖2所示。

圖2 D65標準照明體的相對光譜Fig.2 Relative spectral of the D65 standard illuminator

根據D65標準照明體的相對光譜分布,在TracePro中設置光源中各波長光通量權重,同時將光源類型設定為單束直射光線。由于《Tubular Daylight Guidance Systems》(CIE 173—2006)[12]中驗證了導光管傳輸性能與尺寸無關,僅與長徑比有關。故以直徑為350 mm的導光管為例,設置長徑比(L/D)分別為2、4、6、8、10,并根據導光管的光譜反射率在軟件中輸入內壁反射率。設定完成后,逐次改變管長,對2組不同光譜反射率的導光管,分別在5種不同長徑比的情況下進行光線追跡,通過光通量報告計算獲得透射光相對光譜,如圖3所示。

圖3 導光管透射光相對譜分布Fig.3 Relative spectral of transmitted light from light pipes

1.2 測試燈管相對光譜

測試燈管為廣泛應用在建筑照明中的T8LED燈管和T8熒光燈管。采用SPIC-300彩色照度計測試兩種燈管的相對光譜[13],測試結果如圖4所示。

圖4 兩種燈管的相對光譜Fig.4 Relative spectral of the two lamps

2 導光管及燈管顯色性評價

2.1 評價方法

《導光管采光系統技術規程》(JGJ/T 374—2015)[14]和《綠色照明檢測及評價標準》(GB/T 51268—2017)[15]均采用顏色透射指數作為導光管顯色性的評價指標,并要求達到90以上。其中,顏色透射指數即為導光管透射光的一般顯色指數(Ra),通過計算導光管透射光的Ra即可評價導光管顯色性。對于人工光源,一般也根據Ra分級評價顯色性[16]。故研究采用一般顯色指數(Ra)作為導光管和燈管的顯色性評價指標。

2.2 計算導光管透射光及燈管的Ra

在獲得導光管透射光和燈管的相對光譜后,其Ra值即可按《光源顯色性評價方法》(GB/T 5702—2019)[17]計算,計算結果如表1所示。

表1 導光管透射光和燈管的一般顯色指數(Ra)Table 1 General color rendering index (Ra) of transmitted light and lamps

2.3 結果分析

綜合分析導光管光譜反射率(圖1)、導光管透射光和燈管的一般顯色指數(Ra)的計算結果(表1),得出如下結果。

(1)對于S1導光管,隨著長徑比的增大,透射光的Ra逐漸減小,顯色性呈下降趨勢。當長徑比大于2時,Ra<90,不再滿足《導光管采光系統技術規程》要求,在綠色建筑中選用此類導光管應控制長徑比在2以內。這主要是因為不同波長光線呈現不同顏色,透射光的相對光譜分布直接決定了光線的顏色,而S1導光管的光譜反射率均勻性差,各個波長之間的反射率存在較大差別,使得光線在S1導光管內的每次鏡面反射中,各波長光線的能量衰減值也隨之相差較大,這種差別隨著長徑比的增大(反射次數增大)逐漸增大,進而導致經過多次反射之后輸出的透射光的相對光譜與入射光譜相比差別更大,顯色性也就越來越差。

(2)對于S2導光管,雖然隨著長徑比的增大,顯色性也呈下降趨勢,但是在長徑比為10時Ra仍大于95,始終滿足《導光管采光系統技術規程》的要求,顯色性十分優良,在綠色建筑中宜優先選擇此類導光管。究其原因,S2導光管的光譜反射率均勻性極好,光線在S2的每次鏡面反射中,各波長光線的能量衰減值幾乎相等,并不會導致某一波長的能量相對其他波長大幅增大或減小,從而保證了更優越的顯色性。

(3)對于兩種人工光源,兩種T8燈管的顯色性接近,Ra均達到了80以上,達到了《綠色照明檢測及評價標準》中對普通光源的顯色性要求。與兩種導光管相比,兩種T8燈管的顯色性優于長徑比大于6的S1導光管,但遠差于S2導光管。就顯色性而言,兩種人工光源均可用于綠色建筑中缺乏自然光的空間。

本文認為，公民數據權是一項新興的公民基本權利，它與傳統的公民的政治權利、經濟權利和社會文化權利既有區別又有聯系，其不是一項單項性的權利，而是具有綜合性特征的權利;它與傳統的公法上的權利和私法上的權利既有區別又有聯系，其既受憲法、行政法和刑法等公法的保護，也受民法、經濟法和社會法的保護。因此，研究公民數據權，必須首先厘清該項權利的基本屬性和內容，才能從學理、制度和實踐三個面向證成其正當性、合法性和必要性。為此，本文就公民數據權的概念內涵、學理依據以及在實踐中運用法治化手段保護等問題作初步的梳理，以期對公民數據權的理論與實務研究有所裨益。

基于以上分析,考慮顯色性要求,綠色建筑在選擇照明系統時,宜優先選擇光譜反射率分布均勻的導光管。對于光譜反射率均勻性較差的導光管,應合理控制管的長徑比、采用偏轉片[18]等,以盡可能減少光線在管內的反射次數,從而確保透射光譜的一致性,滿足顯色性要求。在條件不允許安裝導光管的情況下,可選擇一般顯色指數(Ra)大于80的人工光源照明。

3 導光管和燈管的非視覺效應評價

照明的非視覺效應影響褪黑激素的分泌和與之關聯的生理節律系統,影響室內人員的體溫、血壓、心率、警覺度、緊張感和睡眠質量[19-20]。Berson[21]研究指出,促使哺乳動物晝夜節律與環境同步的細胞為視網膜神經節感光細胞(ipRGCs),ipRGCs細胞中的黑視素為目前已知的非視覺感光色素,其褪黑素抑制光譜敏感曲線如圖5所示,峰值波長位于490 nm(藍光)[22]。照明光源相對光譜在490 nm附近越高,或全波長分布均較高時,其抑制褪黑色素分泌效果越好,越利于室內人員保持良好工作狀態。這表明導光管透射光和燈管的相對光譜整體分布情況及峰值位置將影響非視覺效應。以長徑比為4和8的導光管為例,整合導光管透射光與燈管的相對光譜功率(圖6),以此評價導光管和燈管的非視覺效應。

圖5 褪黑素抑制光譜敏感曲線Fig.5 Melatonin suppression spectral sensitivity curve

圖6 導光管透射光和燈管相對光譜對比Fig.6 Comparison of the relative spectra of light pipes and the lamps

從圖6可以看出,對于S1導光管,隨著長徑比增大,透射光的相對光譜曲線逐漸下移,整體均衡性逐漸變差,與標準日光相對光譜的差別越來越大。透射光相對光譜雖然在490 nm(藍光)達到峰值,但在長徑比為8時,整體能量損失較大,這意味著需要更加良好的室外天空照度,才能在日間充分喚醒精神,提升工作效率。這主要是因為S1導光管光譜反射率平均值較小,隨著導光管長徑比的增大,光線在導光管內反射次數增加,進而導致全光譜能量損失越來越大。因此,綠色建筑在選用此類導光管時,首要考慮的仍然是控制長徑比。

對于S2導光管,透射光的相對光譜在430～530 nm(藍綠色)中占主導地位,不管長徑比如何變化,透射光全波長光譜值均較高,且與標準日光光譜十分接近。相較于S1導光管,更有利于調節人體節律。就非視覺效應的要求而言,在綠色建筑中同樣宜優先采用此類導光管。分析其中原因,S2導光管的光譜反射率平均值接近1,光線在S2的每次鏡面反射中,各波長光線的能量衰減值很小,盡管經歷了多次鏡面反射,透射光的性質仍然接近標準日光,全光譜分布均較高,尤其在430～530 nm達到峰值。

對于兩種人工光源,T8LED燈管具有兩個峰值,分別在450 nm(藍色)和580 nm(黃色),可以有效抑制褪黑激素的產生,日間使用可以增強注意力,但由于光譜分布不均衡,對健康作息的益處很有限,不利于夜間進入睡眠,建議僅在白天缺少自然光的空間中使用。T8熒光燈管的相對光譜分布更加不均衡,分別在540 nm(綠色)和610 nm(黃色)達到峰值,在430～530 nm(藍綠色)中很低,同時在大部分波段均較小,這種類型的燈管無法滿足白天工作的需求,不利于提升工作效率,不宜用于綠色建筑。總體而言,導光管透射光全光譜相對均衡,這種光更有利于調節人體節律,促進生物健康。

4 結論

(1)充分考慮顯色性和非視覺效應,綠色建筑在選擇照明系統時,宜優先選擇導光管,光譜反射率分布越均勻、平均值越大的導光管采光質量越好。

(2)選擇光譜反射率分布均勻且平均值較大的導光管,能夠保證入射自然光各波長能量衰減值較小且相近,從而獲得顯色性、非視覺效應接近入射自然光的導光管透射光,提高綠色建筑的采光質量。

(3)對于光譜反射率均勻性較差或平均反射率較小的導光管,設計時應合理控制管的長徑比,采用偏轉片等,以減少光線在管內的反射次數,從而滿足采光質量要求。

(4)在條件不允許安裝導光管的空間,可選擇一般顯色指數(Ra)大于80的LED光源,同時盡量避免長時間連續使用,以保證人們健康。熒光燈相對光譜在大部分波段較小,峰值遠離490 nm,無法滿足工作需求,非視覺效應較差,不建議使用。

在此次研究中,入射光源采用的是單束直射光。而導光管在實際應用中,入射光源通常是由天氣決定的自然光,主要有晴天和陰天兩類,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組成,陰天天空則主要是漫射光。與單束直射光相比,自然光入射導光管的情況十分復雜,透射光相對光譜也會隨之變化。因此,在后續研究中,將選擇實際安裝了導光管的綠色建筑作為案例,分別在晴天和陰天實測建筑室內透射光相對光譜,綜合分析復雜自然光下導光管的采光質量。