健康视角下的地下空间绿色照明设计研究

发布时间：2025-05-02 07:24

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健康视角下的地下空间绿色照明设计研究

蔡贤云，赵会宇，雷晓露，

方子文，刘亚南

引用格式：蔡贤云,赵会宇,雷晓露,等.健康视角下的地下空间绿色照明设计研究[J].绿色建筑,2024,16(2):34-39.

摘要：

光环境对于人体健康至关重要，不良光环境会导致视觉疲劳、人体节律紊乱、工作效率低下等问题。随我国地下空间的迅速发展，地下空间光环境中缺乏自然光、照明水平不足以及照明分布不均匀等问题日益突出。针对现有问题，从引入自然光、模拟日光特性、模拟自然景观照明等方面进行分析，提出地下空间照明设计改善策略，并对健康照明未来发展方向提出建议，以期为地下空间健康光环境设计提供参考。

关键词：

地下空间；绿色照明；光环境；节能

0 引言

城市人口的快速增长和土地资源的有限性导致城市空间需求急剧膨胀，在地面土地资源稀缺的情况下，向地下拓展空间已经成为现代城市发展的趋势。目前，我国地下空间的利用主要包括地下公管公服、市政、交通、仓储、商业以及防空防灾等，地下空间的开发日趋完善，且从浅层向深层开发拓展。随着地下空间不断发展，地下空间光环境所暴露出的问题也日益明显。目前我国地下空间光环境中主要存在的问题有以下 4 点。一是缺乏自然光引入。地下空间几乎完全依赖人工照明，导致人们缺乏与自然光的接触，容易对心理健康产生负面影响，甚至增加得抑郁症的概率[1-3]；二是照明水平不足。这导致整体环境昏暗，给人一种压抑和不舒适的感觉[4]，照明设施不足或者设置不当都可能会产生这种问题；三是照明分布不均匀，即有些区域过亮而有些区域过暗，导致人们在空间中移动时产生视觉不适应和不便；四是色温选择不当，过冷的光线会使人产生刺眼和不自然的感觉，而过暖的光线则可能使人感到昏昏欲睡。面对这些问题，地下空间的光环境亟待改善。

1 国内外研究现状

目前，有许多学者对地下空间光环境设计进行了研究。GU 等[5]通过实验研究，证实地下空间人造窗户对上班族的主观热感知、环境感知和主观工作表现有正向影响，且具有一定的节能效果。胡佳文等[6]基于地上建筑对地下空间采光的遮蔽影响，采用参数化分析模拟，总结了不同天窗位置及间距方案下的自然采光效果。朱江[7]归纳了一体化照明设计的方法和手段，并提出照明设计要人本化。刘享杰等[8]研究了地下空间自然光介入度对人工作绩效的影响，发现当自然光介入比例达到 97% 时，可缓解困惑情绪，增强活力情绪，提升工作效率。

现有研究已经关注到光环境对于人体健康、工作效率等方面的影响[9-11]，但是对健康视角下的绿色照明关注度还比较欠缺。笔者针对地下空间中缺乏自然采光以及对照明与人体健康的相关性关注较少的实际情况，以地下空间健康照明为切入点，分析光环境与人体健康的关系，归纳出健康视角下的地下空间绿色照明设计策略并对健康照明的未来作出展望。

2 地下空间健康绿色照明设计策略

光对人的生物效应分为视觉与非视觉效应，照明对人的生理和心理影响显著，营造健康光环境对人体至关重要。王茜等[12]指出现代意义上的健康光环境不再仅仅满足光照品质和视觉需求，还要考虑人体内部的光生物学要求。马驰等[13]也指出健康照明需要兼顾两个方面：视觉效果和舒适性。即不仅要关注照明系统是否能提供足够的亮度和清晰度，还要考虑人们在使用照明环境时是否感到舒适和身心愉悦。因此，地下空间照明设计必须关注照明与健康之间的关系。

2.1 引入自然光

由于自然光无法直接进入地下空间，导致地下建筑空间阴暗封闭，长久会使人产生压抑封闭感[14]。目前，地下空间主要采用人工照明与自然采光相结合的照明方式，但是人工照明可能存在灯光闪烁、反射和色温不匹配等问题，容易引起眼睛疲劳、干涩和视力下降等问题；而且人工照明在一定程度上缺乏自然光的温暖和舒适感，可能会增加人的压力和焦虑感，降低身心健康水平。张华兵[15]指出照明设计应结合照明要求等因素，充分利用自然采光或选择合理的导光技术。

自然采光对于地下空间健康照明设计至关重要。首先，自然采光可以使地下建筑空间拥有昼夜交替、阴晴变化[16]，增加空间动态变化，能够给人放松和愉悦的感受，改善人的注意力、集中力，提高工作效率；其次，自然光在人体医疗卫生方面也具有多重积极作用，比如能够有效杀菌、促进维生素 D 的合成等，有益于促进人体健康；最后，利用天然采光改善地下空间光环境，在提升人体舒适度促进身体健康的同时，还可以降低人工照明能耗，绿色环保[17]。因此，在进行地下空间光环境设计的时候应该充分利用自然光，具体措施可从以下 4 点出发。

2.1.1 改变建筑构造形态

改变建筑形态是地下空间引入自然光最直接的方法。可以通过开天窗、侧窗等方式引入自然光，如图 1 所示。在建筑中布置采光口来引入自然光时，日光的可用性与建筑窗口的大小直接相关[18]，而且采光口的设计与建筑物的体形、空间高深程度、窗户类型及布局等因素是密切相关的[19]，因此在设计之初必须综合考虑多种因素。

此外，陈海塔等[20]提出可以通过设置下沉广场、中庭以及采光顶棚等方式有效引入自然光线，改善地下空间的照明情况，同时可以减少对电能的依赖，从而实现节能环保的目标。采光中庭如图 2 所示。杨洁如等[21]提出结合地下空间入口等方式综合引入自然光线，通过合理设计入口和出口，让自然光线直接进入地下空间内部，提高照明亮度和舒适度。常用做法就是对地下空间入口部分进行通透处理，可以在占地最小的情况下，最大限度引入自然光线，该方法通常被应用于地下交通空间。

然而，这种通过改变建筑结构形态引入自然光的方式对建筑的结构影响太大，而且存在一定的弊端。为满足现代人的需求，建筑的设计变得更加复杂完善，进深增加，采取传统的采光方式无法满足人们的需求[22]。采用下沉式庭院等方式引入自然光容易受到建筑所处地区、周围建筑环境等外在因素的影响。采光带、天窗等受光线入射角的影响较大，且很可能会引起眩光，对使用者的工作或生活造成不便。因此，在地下空间的自然采光设计中，需要考虑更多创新的方法来引入自然光线，以满足人们对健康照明的需求。

2.1.2 导光管采光

导光管是利用光的折射、反射和漫反射原理，通过室外采光装置收集太阳光，经由导光管道输送到室内，并最终通过漫射器使得光线能够均匀投射到室内各个角落的一种采光系统。可以通过加装光伏发电装置和 LED 补光模块实现自然光采集和人工照明补光两者的结合，不仅能够有效提供充足的自然采光，还可以在晚间利用储藏的电力继续为地下空间提供照明，从而实现节能环保。德国柏林波茨坦广场以及北京奥林匹克森林公园都尝试应用了光导管照明系统，这些实践提供了宝贵的经验和借鉴价值。导光管原理图、实效图如图 3 所示。

在导光管的选择方面，周幸等[23]指出选择光谱反射率分布均匀且平均值较大的导光管，可以确保入射自然光各波长的能量衰减值较小且相近。这样做有助于获得显色性和非视觉效应接近入射自然光的导光管透射光，从而提高建筑的采光质量，并对调节人体节律、促进生物健康更有利。对于光谱反射率均匀性较差或平均反射率较小的导光管，设计时可以考虑合理控制管的长径比，采用偏转片等方法减少光线在管内的反射次数，从而达到采光质量的要求。此外，田春鹏等[24]也提出要选择合适长度的导光管，导光管过长时会极大地影响其导光效率，同时会增加施工成本，要求在满足基础需求的同时将导光管长度控制在 3 m 以内，以达到成本和效能的最优化。吴延鹏等[25]使用TracePro软件进行模拟发现，在晴天直射光作用下，在采光罩内加设反光片可显著提升采光效率。

针对目前智能系统的快速发展，不少学者将光导照明与智能控制系统相结合。孟军锋[26]提出一种将导光管采光系统、灯具、照度传感器以及智能照明控制系统相结合的智能调光系统。该系统可以在总的管理平台上对灯具进行单独或者集中控制，可以根据自然光的实际照度情况调控各区域照明，以实现环境光照度低时开灯及增强灯具亮度，照度达到需求时关灯及减弱灯具亮度，实现节能效果。目前该方案已在某地铁地下停车场项目中实际采用。姜振华等[27]也发明了一种智能控制导光管日光照明系统，可以根据人体对环境的要求调节室内照明环境，最大限度地减少能源消耗，实现节能效果。

导光管采光系统虽然在理论上提出已久，但在我国大部分城市建筑的具体建设中并没有得到广泛的应用。造成这种情况的原因是多方面的，主要有太阳高度角较低时入射光线较少、阴天或者恶劣气候条件下太阳光线的强度会减弱甚至完全被遮挡、建设成本较高、安装导光管预留大面积管道空间会对建筑结构产生一定的影响等阻碍。

综合来看，虽然导光管采光系统存在在特定条件下采光效果不理想的问题，但通过技术和设计上的改进，以及成本的优化，这种新型照明系统仍然具有广阔的应用前景，并且可以在节能环保方面发挥重要作用。

2.1.3 光纤采光

光纤照明是利用光的折射原理，通过折射，光纤可以将光线引到需要采光或采光不足的地方。光在光导纤维中的传播如图 4 所示。根据光源的不同，可以将光纤照明分为人工光源光纤照明系统和天然光光纤照明系统。光纤照明具有安全性高、能耗低、维护简便、颜色丰富、可靠性高等优点[28]。由于光纤优秀的导光性，自然光在传导过程中所产生的衰减极小，可以实现高效率自然采光[29]。

Whang[30]等提出将日光系统与屋顶照明相结合，可以有效地提高室内采光效果，节约能源并改善室内环境。具体来说，该系统通过天窗、穹顶、太阳能管和光纤等将阳光从建筑顶部引入室内，实现全光谱日光的充分利用。其中，天窗和穹顶可以捕获自然光，太阳能管可以将自然光引导到需要采光的区域，光纤可以将光线传递到远离光源的室内空间。与传统的采光系统相比，该系统的优点在于不仅可以利用自然光，还可以在日照条件较差时使用人工光源，以保证室内照明效果。同时，该系统还可以通过智能控制技术调整采光强度和色温，以适应不同季节和不同时间段的需要。周舟等[31]发明了一种用于地下空间的光纤导光照明系统，将太阳能供电系统和无电照明系统相结合，在光照强度较低的情况下由太阳能转换的电能再次转换为光线进行传输 , 有效增加了光照强度，在日光不足的情况下仍可以为地下空间提供良好的光照条件。

然而，光纤的抗紫外线和抗高温性能较差，容易老化，耐久性较差，而且光纤系统的造价相对较高，采光装置构造相对比较复杂，国内光纤导入太阳光照明系统虽然发展迅速，但整体仍处于初级阶段，尚无成熟产品可供长期使用，普及度不高[32]。

2.1.4 镜面反射采光

镜面反射采光是一种利用反射镜或反射面将自然光引入室内的照明方式。其原理是通过反射光线，将阳光直接反射到建筑物内部，从而为室内创造自然舒适的照明环境并且节省能源。宋记峰等[33-34]研发了一套定日镜采光机，通过 GPS 等实现对太阳的智能定位，随着太阳高度角的变化自动调整镜面角度实现定向反射光线的目的，并通过实验证明采用大面积定日镜进行大型建筑室内长距离采光的可行性。吴正旺等[35-36]提出将太阳辐射中的光和热同时反射进入建筑室内，研发了“模块化无风力矩智能镜面”装置，将计算机技术与太阳能相结合，实现自动追踪太阳辐射并定向反射太阳光。他们在北方工业大学浩学楼东进行装置实际效果验证试验，结果表明该装置运行状态良好，但需要根据具体要求采取适宜的入射方式。

镜面反射采光可以实现良好采光以及节能的目标，但是必须要通过光学分析、模拟和优化，确定光线传播路径和反射角度，才能实现自然光的有效利用。此外，还必须经常维护，避免镜面污垢和灰尘影响其效果，同时要注意避免眩光等问题。

2.2 模拟日光特性

自然光对于调节人体节律具有重要作用。在灯具被发明之前，人们是依靠自然光来进行生产、生活的，人们对于时空的感知和理解在很大程度上依赖于日光变化、气候变迁以及对周围环境的观察和经验。不过，人造光源的广泛使用，彻底改变了人们的生活方式。人造光源无法自主地根据时间变化而变化，无法调节人们的昼夜节律，夜间高蓝光的 LED 照明会抑制褪黑素分泌 , 从而影响睡眠质量，甚至会引起肥胖、糖尿病等代谢性疾病。这也说明了适宜的照明条件对于维持健康的昼夜节律和生理功能具有重要意义。地下照明应尽可能模仿自然光来减轻人造光对人健康的负面影响[37]。

在模拟自然光方面，毛媛媛等[38]提出在选择灯光时，最好选择 4 000 k 及以上的，以此消除地下空间所带来的闭塞压抑感。Trapani 等[39]研发了一种光照系统，使用涂抹纳米颗粒的面板对 LED 光源进行散射，光线的色温和透视效果就会与自然光类似。Ezpeleta 等[40]通过 DIALux软件模拟不同空间的节律照明影响，发现可以通过改变人工灯具的光谱功率分布以及照度水平，弥补天然光不足带来的若干问题，对地下空间照明极具借鉴意义。孙玉卿等指出要对室内室外环境进行联动，通过调节灯光光色冷暖参数和热辐射分量，营造出更加符合自然光变化规律的灯光，并且灯光的设置应符合空间的功能类型。

还有研究者将模拟自然光照明与智能控制系统相结合，杨春宇[41]发明了一种模拟天然光变化趋势的健康照明方法及智能控制系统，为人们提供了一种更加符合人体生理节律和健康需求的照明方案。通过采集天然光数据，并结合预设公式计算地区的天然光照度值，得到模拟天然光变化趋势的室内照度控制曲线。同时，结合对天然光色温变化的模拟参数来控制 LED 灯的照明，实现了一种更符合人体健康需求的照明方式。林姗等[42]提出节律照明要严格选择灯具的亮度、色温、照明均匀度、遮光角等参数，在确保获取足够视敏度的同时，最大限度减少眩光和其他照明可能对人体造成的侵害。日光模拟如图 5 所示。

由此可知，地下空间人工照明一方面可以通过模拟日光效果，即模拟日光色温、强度以及高度角的早晚变化，并考虑天气、季节和地理位置等因素，让光线显得更加真实；另一方面，还可以模拟日光的光谱功率分布，拟合自然光谱，提供与阳光每段波段相似的光强，甚至通过无线控制精确匹配天然光早晨、中午和黄昏的光谱分布，在室内营造接近天然光光谱的自然光。

2.3 模拟自然景观照明

地下空间健康照明设计可以通过模拟自然景观来降低人们在封闭地下空间的压抑感。李茜等[43]强调了地下空间采光和灯光设计的重要性，提到了一些关键的设计原则，包括根据功能需要创造多样化的灯光景观效果、避免强光或灯光闪烁对人们活动造成的不适感、考虑灯光设置对视觉上的诱导特征。李媛等[44]强调了利用现代化仪器改善地下空间光环境的重要性，提出使用一些具体的装饰物件，如壁挂、电视、荧光屏等，以此营造出通向外部、放映外部景象的感觉。自然景观模拟与情景投影照明系统如图 6 所示。在实际设计中，可以通过灯光与地下空间各建筑要素的融合构筑地下空间文化意象，营造舒适地下空间光环境的同时塑造具有特色的城市地域人文环境。

3 结语

地下空间健康照明的重要性不言而喻，但目前仍然存在许多问题，笔者针对地下空间健康照明的发展趋势，提出以下建议。

（1）绿色节能：随着可持续发展理念深入人心，地下空间健康照明将更加注重绿色环保和节能降耗。采用 LED 等高效节能光源替代传统照明设备，结合智能控制系统实现精准调光、定时开关等功能，以降低能耗、延长设备使用寿命，并减少对环境的影响。

（2）利用自然光：结合智能光学设计和材料技术，最大限度地利用自然光资源，提升地下空间的舒适性和健康性。

（3）人性化设计：地下空间健康照明将更加注重人的视觉健康和舒适感受。根据人体生理特征和视觉需求，设计合理的光照布局和亮度分配，避免强光刺眼和光线不均匀对人体造成的不适，提升空间的舒适度和可用性。比如不同年龄阶段的人群对于光的需求有所不同，地下空间健康照明需要根据不同年龄段人群的需求进行设计，以满足不同人群的视觉需求。

（4）智能化应用：随着人工智能的发展，地下空间健康照明将更加智能化和便捷化。利用智能传感器、自适应控制系统等技术，实现对光照环境的实时监测和调节，根据人流密集度和时间变化自动调整照明亮度和色温，提升能效和舒适度。

作者简介：

蔡贤云，博士研究生，副教授，研究方向为城市与建筑光环境、绿色建筑，现供职于重庆交通大学。

END

来源：绿色建筑杂志，作者：蔡贤云等

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