绿色建筑：室内光环境的重要性

良好的室内光环境也是良好的室内环境质量的重要组成部分，人们只有在良好的光环境下，才能进行正常的工作、学习和生活。舒适的室内光环境不仅可以减少人的视觉疲劳，提高劳动生产率，对人的身体健康特别是视力健康有直接影响，特别是对于身体正处于发育时期的中小学生来说，若教室和居住的采光条件不好，对其视力和生理健康的影响将十分严重。另外，光线不足，会使工作效率降低并易导致事故发生。因此，在建筑中营造绿色健康的室内光环境是很有意义的。

（一）光的性质和度量

1.光通量

辐射体以电磁辐射的形式向四面八方辐射能量。在单位时间内辐射体辐射的能量称辐射功率或辐射能量。由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的敏感度，就不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光通量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位，即光通量来衡量。相应的辐射通量中能被人眼感觉为光的波长为380mm～780mm。因此光通量是表征光源发光能力的基本量，单位为流明（Im）。

在建筑光学中，常用光通量表示一光源发出光能的多少，它是光源的一个基本参数。例如100W普通白炽灯发出1250Im的光通量，40W的日光色荧光灯约发2200Im的光通量。

2.发光强度

光通量是表述光源向四周空间发射出的光能总量，而不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的。例如悬吊在桌面上空的一盏100W白炽灯，发出1250Im的光通量。但是用不用灯罩，透射到桌面的光通量就不一样。加了灯罩后，灯罩将往上的光向下反射，使向下的光通量增加，因此我们就感到桌面上亮一些。这个例子说明只知道光源发出光通量总量还不够，还需要了解它在空间的光通量分布状况，就是光通量的空间分布密度，这个也称作发光强度。

3.照度

对于被照面而言，常用落在其单位面积上的光通量的数值表示它被照射的强度，这就是通常所说的照度，它表示被照面上的光通量密度。照度可以直接相加，几个光源同时照射被照面时，其照度为单个光源分别存在时形成的照度的代数和。

4.亮度

亮度是发光体在视线方向上单位投影面积发出的发光强度，是表征某一正在发射光线的表面明亮程度的物理量。

为形成良好的视觉环境，要求各个表面之间有一定的亮度对比，但若视野内不同表面间的亮度对比过大，也会使人眼很快疲劳。为了达到环境亮度的平衡，必须同时考虑照度和反光系数。表面受到的照度高时，应采用低反光系数的材料；反之，若表面照度较低时，可采用高反光系数的材料。

（二）视觉与光环境

1.眼睛的生理特点

我们研究的光，是能够引起人视觉感觉的那一部分电磁辐射，其波长范围为380mm～780mm。

波长大于780mm的红外线、无线电波等，以及小于380mm的紫外线、X射线等，人眼都感觉不到。由此可见，光是客观存在的一种能量，与人的主观感觉密切相关。为了将光度量和人的主观感觉联系起来，首先要对人眼的生理有所了解。

（1）视网膜、感光细胞。

视网膜是眼睛的视觉感受部分，类似照相机中的胶卷。视网膜上布满了锥状细胞和杆状细胞两种感光细胞，光线射到它们上面就产生神经冲动，传输到视神经，再传到大脑，产生视觉感觉。

感光细胞位于视网膜最外层，接受光刺激，并转换成神经冲动。但是它们在视网膜上的分布是不均匀的：锥状细胞主要集中在视网膜的中央位置，这个地方称为“黄斑”的黄色区域。在这里，锥状细胞密度达到最大；在这个区域以外，锥状细胞的密度急剧下降。

这两种感光细胞有各自的功能特征：锥状细胞在明亮环境下对色觉和视觉敏锐度具有决定作用，能分辨出物体的细节和颜色，并对环境的明暗变化做出迅速的反应，以适应新的环境。而杆状细胞在黑暗环境中对明暗感觉起决定作用，它虽能看到物体，但不能分辨其细节和颜色，对明暗变化的反应缓慢。

（2）感光细胞的适应过程。

当外界光环境的亮度发生改变时，人眼需要调节入射光能量，改变视网膜的感光量。这种视网膜感光度的变化过程称为适应过程。当人从明亮环境进入暗环境或相反时，由于锥状细胞和杆状细胞的转换，会感到从原来看得清到突然看不清，经过一段时间后又逐渐看得清了。这个变化过程称暗适应过程或明适应过程。

在室内光环境中，可能会遇到许多敏感变化的区域，如果亮度变化不大，人眼的适应过程不十分明显，但当环境亮度变化过大时，应考虑在变化区段内设置过渡空间，使人眼有足够的适应时间，以免视觉反复明暗适应，造成视觉疲劳、身体不适的情况。

2.眼睛的视觉特点

由于感光细胞自身特征的影响，使眼睛具有以下视觉特点：

（1）颜色感觉。

在明视觉时，人眼对于380nm～780nm范围内的电磁波能引起不同的颜色感觉。不同的颜色的波长范围和中心波长不同。

（2）光谱光视效率。

人眼在观看同样功率的可见光时，对于不同波长的光感觉到的明亮程度是不一样的。为便于理解，人眼的这种特征常用光谱光视效率来表示。

（3）视野范围（视场）。

根据感光细胞在视网膜上的分布，以及眼眉、脸颊的影响，人眼的视野范围有一定的局限性。例如双眼不动的时候，视野范围为：水平面180°，垂直面130°，上方60°，下方70°。通常，站在离展品高度1.5～2倍的距离观看展品，就能使展品处于上述视觉清楚区域内。

（4）明暗感觉。

由于锥状细胞和杆状细胞分别在明、暗环境中起主要作用，故形成明、暗视觉。明视觉是指在明亮环境中，主要由锥状细胞起作用的视觉。此时人眼能够辨认物体的细节，具有颜色感觉，而且对外界亮度变化的适应能力强。暗视觉是指在黑暗环境中主要由杆状细胞起作用的视觉。暗视觉只有明暗感觉而无颜色感觉，也无法分辨物体的细节。

（5）对比感受性。

即观看对象和其背景之间的亮度差值，差异越大，视度越大。

（6）物件尺寸。

物件尺寸和眼睛至物件的距离都影响人们观看物体的视度。对大而近的物件看得清楚，反之则视度下降。

（三）舒适的室内光环境

视觉是人体各种感觉中最重要的一种，大约有87%的外界信息是人依靠眼睛获得的，并且75%～90%的人体活动也是由视觉引起的。良好的光环境是保证视觉功能舒适有效的基础。在这样的环境下，人们可以不必通过意识的作用强行将注意力集中到所要看的地方，不费力气而清楚地看到所有搜索的信息，获得的信息与实际情况相符合，背景中也没有视觉“噪声”干扰注意力。对人体生理健康和心理状态均有益的绿色光环境，不仅要根据房间使用性质达到行之有效的照度和亮度，室内光分布也至关重要，它直接关系到工作效率和室内气氛。舒适健康的光环境包括易于观看、安全美观的亮度分布和眩光控制、照度均匀度控制等。良好光环境的基本要素可以通过使用者的意见和反映得到。

1.适当的照度水平

研究人员曾对办公室和车间等工作场所在各种照度条件下感到满意的人数做过大量调查，发现随着照度的增加，感到满意的人数百分比也在增加，最大百分比约处在1500lx～3000lx之间；照度超过此数值，对照度满意的人反而减少，这说明照度或亮度要适量。这是因为物体亮度取决于照度，照度过大，会使物体过亮，容易引起视觉疲劳和眼睛灵敏度的下降。因此，对于人眼而言，存在着最佳亮度。

2.合理的照度分布

人眼的视野很宽。在工作房间里，除了视看对象外，工作面、顶棚、墙、窗户和灯具等都会进入视野，这些物体的照度分布对比构成人眼周围视野的适应亮度。若照度不均匀，视场中各点照度相差悬殊时，瞳孔就经常改变大小以适应环境，引起视觉疲劳，影响工作效率和休息娱乐的舒适性与人体健康。原则上，任何照明装置都不会在参考面上获得绝对均匀的照度值。考虑到人眼的明暗视觉适应过程，参考面上的照度应该尽可能均匀，否则很容易引起视觉疲劳。为避免明暗适应过程造成的视觉疲劳，一般要求空间照度的最大值、最小值与平均值的差值不超过平均照度的1/6，最低照度与平均值之比不低于0.7。

3.光源

光源的色表与色温光源的颜色质量常用两个性质不同的术语来表征，即光源的表观颜色（色表）和显色性，后者是指灯光对其所照射的物体颜色的影响作用。光源色表和显色性都取决于光源的光谱组成，但不同光谱组成的光源可能具有相同的色表，而其显色性大不相同。同样，色表完全不同的光源也可能具有相等的显色性。因此，光源的颜色质量必须用这两个术语同时表示，缺一不可。另外，颜色问题是较为复杂的问题，颜色量不是一个单纯的物理量，还包括心理量。因此颜色问题涉及物理光学、生理学以及心理物理学等学科的理论。

（1）颜色。(www.xing528.com)

颜色来源于光，不同波长组成的光反映出不同颜色。直接看到的光源的颜色称为表现色；光投射到物体上，物体对光源的光谱辐射有选择地反射或透射对人体所产生的颜色感觉称为物体色，物体色由物体表面的光谱反射率或透射率或光源的光谱组成共同决定。颜色可以按照孟赛尔表色系进行度量。相邻色调间逐步过渡，而相同黄色Y也有偏红黄YR和偏绿黄GY之分。每种色调分为10个等级，主色调和中间色调的等级均为5。例如10Y表示黄与黄绿的中间色，即淡黄绿色。

（2）颜色产生心理效果。

颜色是正常人重要的感受。在工作和学习环境中，需要颜色不仅是因为它的魅力和美丽，还因为它为个人提供正常情绪上的排遣。例如，一个灰色或浅黄色的环境几乎没有外观感染力，一方面它趋向于导致人们主观上的不安、内在的紧张和乏味；另一方面，绿色也可使人放松、激动和愉快，因为人大部分心理上的烦恼都可以归于内心的精神活动，好的颜色刺激可给人的感官以一种振奋的作用，从而从恐怖和忧虑中解脱出来。

颜色也会令人产生红热蓝冷的温度感觉。有实验表明，当手伸到同样温度的热水中时，多数受试者会说染成红色的热水要比染成蓝色的热水温度高。在车间操作的工人，在青蓝色的场所工作13℃时就感到冷，在橙红色的场所中，10℃时还感觉不到冷，主观温差效果最多可达3℃～4℃。而色彩的明度对轻重感的影响比色相要大：明度高于7的颜色显轻，低于4的颜色显重。其原因一是波长对眼睛的影响，二是颜色联想，三是颜色爱好引起的情绪反映。例如：同样重量的包装袋，若采用黑色，搬运工人说又重又累；但采用淡绿色，工作一天后，搬运工感到不是十分累。

歌德把颜色分为积极色（或主动色）与消极色（或被动色）。主动色能够产生积极的有生命力的和努力进取的态度，而被动色易表现出不安的、温柔的和向往的情绪。例如黄、红等暖色，明快的色调加上高亮度的照明，对人有一种离心作用，即把人的组织器官引向环境，将人的注意力吸引到外部，增加人的激活作用、敏捷性和外向性。这种环境有助于肌肉的运动和机能的发挥，适合于从事手工操作和进行娱乐活动的场所。灰、蓝、绿等冷色调加上低亮度的照明对人有一种向心作用，即把人的注意力从环境引向本人的内心世界，使人精神不易涣散，能更好地把注意力集中到难度大的视觉任务和脑力劳动上，增进人的内向性。这种环境适合需要久坐、对眼睛和脑力工作要求高的场所，如办公室、研究室和精细的装配车间等。

上面所述的颜色的功效可以归结为颜色对人产生的情绪感觉。其中积极色为暖色调+高亮度；消极色为冷色调+低亮度。

（3）颜色产生错觉。

颜色的使用也会令人产生错觉。在黑色基底上贴大小相同的6个实心圆，分别是红、橙、黄、绿、青、紫六色，实际看起来，前三色的圆有跳出之感，后三色有缩进之感。比如，法国的白、红、蓝三色国旗做成30∶33∶37时，才会产生三色等宽的感觉。

（4）色温。

不同光源的相关色温不同，它给人不同的冷暖感觉。光源的相关色温是指光源所发出的光色与某一温度下的绝对黑体所发出光色相近，我们就把绝对黑体的绝对温度定为该光源的相关色温。当光源的色温大于5300K时，人们就会产生冷的感觉，而当光源的相关色温小于3300K时，人们就会产生暖和的感觉。

冷色一般用于高照度水平、热加工车间等，暖色一般用于车间局部照明、工厂辅助生活设施等，中间色适用于其余各类车间。

常见光源的色温，例如：蜡烛为2000K；白炽灯为3000K；荧光灯为5000K。色温越高，舒适照度越高。

4.照明数量

我们观看物体的清晰程度与物体的尺寸，识别物体与背景的亮度对比，识别物体本身的亮度等因素有关。照明设计标准就是根据需要识别物体尺寸的大小、物件与背景亮度的对比以及国民经济发展的水平而规定了必要的物体的亮度。国家规定了“工作场所作业面上的照度标准值”来作为我们的设计标准。

5.眩光

眩光就是视野中，由于不适宜的亮度分布，或在空间或时间上存在着极端的亮度对比，以致引起不舒适和降低物体可见度的视觉条件。这种不舒适还包括厌烦或视觉疲劳等，它是评价光环境舒适性的一个重要指标。

眩光对视觉的危害性根据其强度可分为失能眩光和不舒适眩光。前者会对人眼形成过大的刺激量，导致视度下降，甚至暂时丧失视力；后者虽并不明显地降低视度，但会使人感到不舒服，影响注意力的集中，长时间会致使人视疲劳。例如，日常在办公桌上玻璃板里出现灯具的明亮反射现象就属这种情况。这是常见但是又容易被人们忽视的一种眩光。因此，在光环境设计中，眩光是应该加以限制的。

不恰当的自然采光口，不合理的光亮度，不恰当的强光方向，都会在室内造成眩光现象。可能产生眩光的地方还包括：玻璃办公桌面、局部照明的展板、不恰当的工作面照明。

眩光的限制可以采用以下一些方法：

眩光的限制首先可以通过控制发光体角度与眩光关系来控制直接眩光。还可以通过选择表面亮度低的光源或灯具加以控制。在室内装修时，亦可调节室内光环境的亮度比来达到减弱眩光的目的。如设法增加室内各表面的亮度，或减少光源及灯具与其周围环境的亮度对比，以取得合适的亮度比。为达到此目的，通常要求选择适当的墙面、顶棚和地面材料的颜色和反光系数，如墙面采用白色或浅色的粉刷、壁纸或石膏纸等，通过光的多次反射限制环境亮度与灯具之间的亮度比，顶棚和墙的反光系数一般控制在0.7～0.8和0.3～0.5之间。

室内饰面的反光性能对眩光的产生和控制也有很大的影响，定向反射材料出现的镜面反射易产生反射眩光。因此，各种装修或家具表面不宜采用有光泽的材料或涂料，同时调整有玻璃的家具物品与光源的相对位置，控制它们的反射光，以免落入人眼形成反射眩光。

6.光的方向性

在光的照射下，室内空间结构特征、人和物都能清晰而自然地显示出来，这样的光环境给人的感受就生动。一般来说，照明光线的方向性不能太强，否则会出现生硬的阴影，令人心情不愉快；但光线也不能过分漫射，以致被照物体没有立体感，平淡无奇。

（四）天然采光

通常认为，建筑室内光环境采光设计应当从两方面进行评价，即是否节能和是否改善了建筑内部环境的质量。首先，良好的光环境可利用天然光和人工光创造，但单纯依靠人工光源（通常多为电光源）需要耗费大量常规能源，间接造成环境污染，不利于生态环境的可持续发展；而自然采光则是对自然能源的利用，是实现可持续建筑的路径之一。其次，窗户在完成自然采光的同时，还可以满足室内人员的室内外视觉沟通的心理需求。而且无窗建筑虽易于达到房间内的洁净标准，并且可以节约空调能耗，但不能为工作人员提供愉快而舒适的工作环境，无法满足人对日光、景观以及与外界环境接触的需要。所以，室内光环境设计要优先考虑天然采光。

1.天然光与人工光的视看效果

电光源的诞生和使用仅一百余年，而在人类生产、生活与进化过程中，天然光是长期依赖的唯一光源，人眼已习惯在天然光下视看物体。人眼在天然光下比在人工光下有更高的灵敏度，尤其在低照度下或视看小物体时，这种视觉区别更加显著。这一结果同样表明天然光的视觉效果优于人工光。这些研究结果不仅说明了人眼对天然光比较习惯和适应，也说明天然光的光质好，形成的照明质量高，是我们应优先选用的照明方式。

2.天然光源的特点

太阳光是绿色、巨大、清洁的光源，具有光效高、视觉效果好、不易导致视觉疲劳的特点，并且健康、连续的单峰值光谱可满足人的心理和生理需要。但是，我们设计使用中会遇到天然光源使用难度大，受光气候条件和建筑设计制约的矛盾，另外采光设计与建筑遮阳也有很难解决的矛盾。

3.光气候分区

我国大部分地区处于温带，天然光充足，为利用天然光提供了有利条件，在白天的大部分时间内都有充分的天然光资源可以利用。这对照明节能也具有非常重要的意义。从日照率来看，由北、西北往东南方向逐渐减少，而以四川盆地一带最低。从云量来看，大致是从北向南逐渐增多，新疆南部最少，华北、东北少，长江中下游较多，华南最多，四川盆地特多。从云状来看，南方以低云为主，向北逐渐以高、中云为主。这些均说明，南方以天空扩散光为主，照度较大，北方以太阳直射光为主，并且南、北方室外平均照度差异较大。若在采光设计中采用同一标准值，显然是不合理的。为此，在采光设计标准中将全国划分为五个光气候区，实际应用中分别取相应的采光设计标准。

我国科学家通过长时间的观测和整理，得出了中国光气候分区与光气候系数图。我国各地光气候的分布趋势：全年平均总照度最低值在四川盆地，这是因为这一地区全年日照率最低、云量多，并且多属于低云所致。

晴天室外照度变化如下：晴天是指天空无云或者少云的情况，假如以云量来表示，晴天的云量为0～3级，这时地面照度是由太阳直射光和天空扩散光两部分组成。这两部分的照度值是随着太阳在天空的位置升高而增大，只是扩散光在太阳高度角较小时变化快，到太阳高度角较大时变化趋小。

4.建筑天然采光标准和方式

（1）充足的楼间距。

日照对人的生理和心理健康都是非常重要的，但是住宅的日照又受地理位置、朝向、外部遮挡等许多外部条件的限制，不是很容易达到理想状态的。尤其是在冬季，太阳的高度角比较小，楼与楼之间的相互遮挡更加严重。

设计绿色住宅、绿色公共建筑时，应注意楼的朝向、楼与楼之间的距离和相对位置、楼内平面的布置，通过精心的计算调整，例如居住空间能够获得充足的日照、每套住宅至少有1个居住空间满足日照标准的要求。当有4个及4个以上居住空间时，至少有2个居住空间满足日照标准的要求。在旅馆、医院等公共建筑中，也要保持良好的日照条件。

（2）自然采光在室内或地下空间的引入。

为了改善地上空间的自然采光效果，除可以在建筑设计手法上采取反光板、棱镜玻璃窗等简单措施外，还可以采用导光管、光纤等先进的自然采光技术将室外的自然光引入室内的进深处，改善室内照明质量和自然光利用效果。

地下空间的自然采光不仅有利于照明节能，而且充足的自然光还有利于改善地下空间卫生环境。由于地下空间的封闭性，自然采光可以增加室内外的自然信息交流，减少人们的压抑心理等；同时，自然采光也可以作为日间地下空间应急照明的可靠光源。地下空间的自然采光方法很多，可以是简单的天窗、采光通道等，也可以是棱镜玻璃窗、导光管等技术成熟、容易维护的措施。

（3）控制窗地比。

建筑能否获取足够的天然采光，除了取决于窗口外部有无遮挡、窗玻璃的透光率之外，最关键的因素还是窗地面积比的大小。在其他条件不变的前提下，窗地面积比越大，自然采光越充足。因此，国家标准《建筑采光设计标准》（GB/T 50033—2001）规定用采光系数来评价室内天然采光的水平。采光系数就是室内某一位置在没有人工照明的照度值与室外的照度值之比。该标准中明确规定了居住建筑和公共建筑各类房间的采光系数最低值，绿色建筑房间的采光系数则必须超过这些规定的最低值。

采光系数需要通过直接测量或复杂的计算才能得到，设计绿色建筑时提倡使用建筑日照软件进行采光模拟计算，确定各个空间的采光系数。

窗地面积比确定之后，窗玻璃的可见光透射比对房间的采光影响非常直接。为达到良好的采光效果，建筑的外窗和幕墙应尽量避免使用有色玻璃，尤其要避免使用深颜色的玻璃。虽然有色玻璃可能给建筑的外观添了彩，但对室内的天然采光不利，居住建筑的外窗使用深颜色的玻璃甚至可能给年长的居住者带来视觉偏差。

窗户除了有自然通风和自然采光的功能外，还具有从视觉上起到沟通内外的作用，良好的视野有助于居住者心情舒畅。现代城市中的住宅大都是成排成片建造，住宅之间的距离一般不会很大，不利于保护居住者的私密性。因此，绿色建筑应该精心设计，尽量避免前后左右不同住户之间的居住空间的视线干扰，这也是我们在考虑建筑的窗地比的时候应该同时考虑的问题。