Natural lighting performance in healthcare facilities: a holistic investigation of the visual and non-visual effects on patients' comfort

Abstract

H παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη διερεύνηση της οπτικής άνεσης εστιάζοντας στην ολιστική εκτίμηση των συνθηκών φυσικού φωτισμού σε εγκαταστάσεις υγειονομικής περίθαλψης και στην αξιολόγηση των οπτικών και μη οπτικών επιδράσεων στους ασθενείς. Το μεγαλύτερο μέρος της υπάρχουσας έρευνας σχετικά με τις οπτικές επιπτώσεις (visual effects) του φυσικού φωτισμού κατά τη διάρκεια της ημέρας γίνεται μέσα από αξιολογήσεις σε εκπαιδευτικά, εργασιακά και οικιστικά περιβάλλοντα. Από την άλλη, η έρευνα για τα μη οπτικές επιπτώσεις (non-visual effects) έχει διεξαχθεί κυρίως στον τομέα της νευροεπιστήμης και της χρονοβιολογίας. Οι μελέτες σχετικά με τον τρόπο που το περιβάλλον του κτιρίου, η τοποθεσία, ο προσανατολισμός, το μέγεθος των παραθύρων και τα χαρακτηριστικά των υαλοπινάκων, επηρεάζουν τις οπτικές και μη οπτικές επιδράσεις στους ασθενείς σε εγκαταστάσεις υγειονομικής περίθαλψης, είναι περιορισμένες. Η πρόσβαση φυσικού φωτισμού σε εγκαταστάσεις υγειονομικής περίθαλψης είναι απαραίτητη για τη δημιουργία άνετων συνθηκών ατμόσφαιρας για τους ασθενείς κατά τη διάρκεια της διαμονής τους σε νοσοκομείο. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στη διερεύνηση μέσω μιας ολιστικής προσέγγισης, των οπτικών και μη οπτικών επιπτώσεων του φυσικού φωτισμού σε τυπικά δωμάτια ασθενών σε χώρους υγειονομικής περίθαλψης. Η έρευνα επικεντρώνεται στα τυπικά δωμάτια ασθενών των νοσοκομείων (μονόκλινα, δίκλινα και τετράκλινα δωμάτια), σε παραμέτρους κτιρίων όπως ο προσανατολισμός, διάφορα μεγέθη παραθύρων, οι ιδιότητες υαλοπινάκων και χρήση εξωτερικής σκίασης. Επιπλέον, άλλες παράμετροι που μελετούνται είναι η τοποθεσία (πέντε ευρωπαϊκές πόλεις), ο χρόνος (εποχή και ώρα), η τοποθέτηση του ασθενούς μέσα στο δωμάτιο και η κατεύθυνση του βλέμματος του ασθενούς. Η έρευνα βασίζεται σε επιτόπιες μετρήσεις επιπέδων φωτεινότητας φυσικού φωτισμού σε δωμάτια νοσοκομείων, επικύρωση λογισμικού προσομοίωσης, υπολογιστικές προσομοιώσεις και έρευνες ερωτηματολογίων. Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση του φυσικού φωτισμού εστιάζοντας σε κατάλληλα επίπεδα φωτεινότητας και αποφυγή θάμβωσης. Για τον σκοπό αυτό γίνεται χρήση δυναμικών δεικτών που παρουσιάζουν την απόδοση του φυσικού φωτισμού κατά τη διάρκεια μιας τυπικής χρονιάς (Useful Daylight Illuminance, Spatial Daylight Autonomy, and Annual Sunlight Exposure). Για τη μελέτη των μη οπτικών επιδράσεων χρησιμοποιούνται οι μελανοπικοί δείκτες melanopic EDI και melanopic DER σύμφωνα με το πρότυπο CIE S 026. Οι επιτόπιες μετρήσεις σε ιδιωτικό νοσοκομείο δείχνουν ότι το υφιστάμενο κτιριακό απόθεμα πρέπει να αναβαθμιστεί για να βελτιωθούν οι συνθήκες οπτικής άνεσης. Υπολογιστικά μοντέλα προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση διαφόρων αρχιτεκτονικών παραμέτρων για τη βελτίωση των συνθηκών οπτικής άνεσης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι κάθε προσανατολισμός θα μπορούσε να επωφεληθεί από διαφορετικά μεγέθη παραθύρων ή οπτική διαπερατότητα υαλοπίνακα. Επιπλέον, κάθε τοποθεσία έχει τουλάχιστον μία επιλογή σκίασης που ορίζεται ως η καλύτερη λύση για τη βελτίωση της οπτικής άνεσης. Η αξιολόγηση των μελανωπικών δεικτών δείχνει ότι υπάρχουν πολλές περιπτώσεις που επιτυγχάνουν τη συνιστώμενη μελανοπική ένταση EDI για την καταστολή της ορμόνης μελατονίνης κατά τη διάρκεια της ημέρας. Ωστόσο, υπάρχουν και περιπτώσεις, ειδικά κατά τη διάρκεια του χειμώνα, που δεν έχουν τη συνιστώμενη ένταση. Έτσι, η μόνη λύση για να επιτευχθεί η κατάλληλη μελανοπική ένταση EDI για τη ρύθμιση του κιρκάδιου ρυθμού είναι με τη χρήση ενοποιημένου φωτισμού (integrative lighting). Τα ευρήματα αυτής της διδακτορικής διατριβής δείχνουν ότι υπάρχουν λύσεις για τη βελτίωση των οπτικών και μη οπτικών επιπτώσεων του φυσικού φωτισμού και ότι οι λύσεις είναι διαφορετικές για κάθε τοποθεσία, προσανατολισμό ή δωμάτιο ασθενούς.

The investigation of visual comfort is the focal point of this PhD thesis, focusing on a holistic assessment of natural lighting conditions in healthcare facilities and evaluating the visual and non-visual effects on patients. Most of the existing research on the visual effects of daylight evaluates educational, working and residential environments. On the other hand, research on non-visual effects has been mainly carried out in the field of neuroscience and chronobiology. Studies on how the building environment, as well as parameters such as location, orientation, window size, and glazing characteristics, influence the visual and non-visual effects of patients in healthcare facilities are rather limited. Daylight access in healthcare facilities is essential for creating comfortable ambiance conditions for the patients during their accommodation in a hospital. This doctoral thesis aims to investigate, through a holistic approach, the visual and non-visual effects of daylighting in typical healthcare patient rooms. The research focuses on hospitals' typical patient rooms (single, double and quadruple rooms), building parameters such as orientation, various window sizes, glazing properties, and shading devices. Moreover, other parameters are the location (five European cities), timing (season and hour in a day), the patient placement inside the room, and the patient gaze direction. The investigation is based on field measurements in hospital rooms, validation of simulation software, computational simulations, and questionnaire surveys. Computational simulations are used for daylight assessment for visual effects using climate-based daylight metrics, including the Useful Daylight Illuminance, Spatial Daylight Autonomy, and Annual Sunlight Exposure, and the CIE S 026 melanopic metrics for non-visual effects. The field measurements in a private hospital show that the current building stock needs to be upgraded to improve daylighting conditions. Computational simulation models were used to evaluate various architectural parameters to improve visual comfort conditions. The findings show that each orientation could benefit from different window sizes or glazing visible transmittances. In addition, each location has at least one shading option that is defined as the best solution to improve visual comfort. The evaluation of melanopic metrics shows that there are many cases that achieve the recommended melanopic EDI intensity to suppress the melatonin hormone during the daytime. However, there are also cases, especially during the winter, that do not have the recommended intensity; thus, integrative lighting could be the only solution to regulate the circadian system. The findings of this doctoral thesis show that there are solutions to improve the visual and non-visual effects, and the solutions are different for each location, orientation or patient room.