節律健康照明的光譜和照明設計優化

黃瀅瀅,林 怡,戴 奇

(1.同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092；2.復旦大學工程與應用技術研究院，上海 200433)

引言

光照不僅產生視覺作用，還具有非視覺生物效應，例如通過非視覺通道影響人體晝夜節律系統。研究表明，光的非視覺效應與光敏視網膜神經節細胞(ipRGC)密切相關[1]：光信號通過ipRGC傳遞至人體生物鐘主鐘——下丘腦視交叉上核(SCN)，從而對人體生物鐘及各項生理活動進行調控[2]。一天中適宜時間、適宜強度的光照刺激可有效地將人體內部生物鐘節律周期校準至與地球自轉周期同步，從而維持人體各項生理功能有規律性運轉[3]。反之，一旦這種平衡狀態被不適宜的光照刺激打破，將有可能引發睡眠紊亂、內分泌失調等一系列健康問題[2,4,5]。特別是長期處于高緯度地區、地下空間、醫養空間等自然光照匱乏環境中的人群，可獲得的日間自然光照非常有限，因而，提高人工照明的節律效率，并在上述室內空間利用節律照明對自然光進行補充，將對人體健康產生積極作用[6,7]。

1 節律健康照明研究概述

1.1 照明節律效應量化模型

研究表明，從ipRGC傳輸至SCN的非視覺感光信號不僅依賴于ipRGC細胞自身的感光，也受到視覺細胞(桿狀細胞以及三種錐狀細胞)感光后傳遞至ipRGC的信號的影響[5,8]。視神經連接方式決定了各類感光細胞對非視覺感光信號的具體貢獻，但其具體參與程度至今尚無確切結論。褪黑素抑制水平通常作為評價指標被用于反映光的非視覺節律效應。目前，較為流行的節律效應模型包括Rea等[8,9]提出的晝夜節律勒克斯模型(CLAmodel)以及Lucas等[5]提出的等效勒克斯模型(equivalent α-opic illuminance model)。

Rea團隊基于ipRGC與桿狀細胞、錐狀細胞可能的視神經連接機制，通過對Brainard等[10]和Thapan等[11]的單色光褪黑素抑制實驗數據進行擬合，提出了CLA模型，并進一步給出了節律刺激數值Circadian Stimulus(CS)以評價光照的褪黑素抑制程度[8]；而Lucas團隊則較為保守，認為不同感光細胞在光照刺激非視覺信號中的貢獻方式未完全確定，當前尚無明確的權重函數對節律效應進行量化，故建議分別記錄光照對五種感光細胞的等效勒克斯值[5]。值得一提的是，在WELL建筑標準中，推薦使用視黑素等效勒克斯法(EML model)，僅采用了五種感光細胞中的ipRGC等效勒克斯值EML(Equivalent Melanopic Lux)作為節律照明設計的量化標準，并未考慮其他感光細胞的貢獻[12]。雖然簡單易用，但該方法是否準確恰當需要進一步的研究來明確。

1.2 照明節律效應優化方向

影響光照節律效應的主要因素包括：光譜構成、光照強度、光照作用時間、光照持續時長以及光照經歷[13-15]。其中，光譜構成和光照強度通常可由照明設計師決定，可控性強，因此，本研究主要討論這兩個要素的優化對日間室內空間節律照明效率的潛在提升。

1)光譜節律效應優化現狀。當前大部分照明光譜優化工作以提高視覺效率為主要目的[16,17]，隨著節律照明的重要性逐漸受到認可，以節律效率為目標的光譜設計和優化變得尤為重要。不同于視覺感光，ipRGC對波長450～490 nm藍光最為敏感[10,11]，相對光譜明視覺響應函數V(λ)，光譜節律響應函數的峰值位于波長更短的藍光區域，這一差異意味著，以節律照明為主要目標的光譜優化相對于傳統照明光譜設計需做較大調整。

要改變光譜節律效率，最簡單的操作是調整光譜中的藍光波段強度，或是改變色溫[18-20]。這類方法雖然簡單，但在視覺上不可避免地引入了變化(如色溫、顯色性等)，難以滿足通用照明在視覺方面的應用需求。因此，節律健康照明中的光譜優化工作不僅需要達到所需的節律效率，還需兼顧基本視覺參數指標以滿足實際照明應用需求。

2)節律照明設計現狀。以人們日間長期停留的室內空間為例，上午時段充足且適宜的眼部照度至關重要：節律效應的強度與眼部接受的光照強度直接相關。然而，目前各類室內照明規范中重點關注的評價指標為水平工作面照度，故傳統的室內照明大量采用下照模式以追求高照明效率；而基于非視覺節律效應的照明設計則重點關注眼部照度。因此，以工作面水平照度為目標的傳統照明設計理念客觀上很難滿足日間室內節律照明設計中對眼部照度的強度要求。此外，隨著紙質閱讀材料大量被自發光屏幕信息顯示所取代，辦公視覺作業方式亦發生徹底改變。事實上，相對于水平照度，垂直照度能夠更合理地反映眼部受到的光照節律刺激強度。

此外，在提供較高的眼部照度的同時，室內節律照明也應避免光線直射眼部照成的眩光不適。因而，利用室內空間間接光提供眼部照度的節律照明設計可很好地在高眼部照度與避免眩光之間達到平衡。

綜上所述，節律照明、建筑節能等理念的普遍推廣對光源技術和照明設計提出了全新的挑戰。如何使光的視覺、非視覺效應設計更為合理，并高效地服務于人們的工作生活成為研究者、設計師都需要思考的問題。

2 基于節律效應的照明光譜優化

鑒于節律照明與傳統照明的光譜效率優化基于完全不同的響應函數，針對光譜節律響應函數進行光譜優化可帶來節律照明效率的顯著提升。為評估該提升效果，我們以RGBW四色混光為例，在滿足白光色坐標、顯色性等通用照明視覺指標的前提下，利用前期開發的多色混光算法，分析所有可能的光譜方案，對這些光譜視覺效率和節律效率之間的關系進行探索。

2.1 研究方法

在本文中，照明光譜的視覺效率數值由“照度/輻照度”比值計算獲得；照明光譜節律效率數值則基于目前兩種主流的EML模型以及CLA模型，分別通過“EML數值/輻照度”、“CLA數值/輻照度”比值計算獲得。由于CLA模型對于不同的光照強度呈現非線性特性，我們在計算光譜節律效率數值時固定CLA取值為274。該數值對應產生有效節律刺激的CS值閾值0.3[21]。

光譜優化分析工作以我們近期提出的LED四色混光算法[22]為基礎，采用四種量產LED對應的單色光，藍光(448 nm)、綠光(500 nm)、黃綠光(544 nm)以及紅光(615 nm)進行混光，各通道光譜如圖1(a)所示。利用四色混光算法，在達到多種常用色溫目標(3 000 K、4 000 K、5 000 K、6 500 K以及8 000 K)的條件下，可獲得所有可能的光譜方案、對應的顯色性指數以及光譜的節律和視覺效率數值，圖1(b)列舉了4 000 K色溫下的三種代表性光譜方案。

2.2 研究結論

圖1(c)～(g)為顯色性指數大于60的約束條件下，各色溫目標下所有可能的白光光譜方案所對應的光譜節律效率和視覺效率關系圖,其中灰色區域對應顯色性指數大于80的光譜方案。以4 000 K色溫目標為例(見圖1(b)和(d))，光譜方案1、2、3對應視覺效率分別為313.5 lm/W、328.1 lm/W以及353.1 lm/W；基于CLA模型，其對應的光譜節律效率分別為287.3、255.4、200.3；基于EML模型，其對應的節律效率分別為334.0、290.3、215.5；三個光譜方案的顯色性指數分別為62、80、80。對于顯色性指數為80的兩個光譜方案：方案2的視覺效率相對方案3低7.1%，但其節律效率相對方案3有顯著提升：基于CLA模型、EML模型，方案2相對方案3的節律效率提升分別為27.5%、34.7%。基于這些數值，傳統的照明優化會選擇方案3，而基于節律效應的照明優化則會選擇方案2，采用的方案截然不同。對圖1(c)～(g)中不同色溫下光譜節律效率隨光譜視覺效率變化曲線進行分析，無論采取CLA模型或是EML模型，光譜節律效率均隨著光譜視覺效率增加而顯著降低，這說明照明光譜節律效率優化和視覺效率優化在方向上可以截然相反。

此外，對圖1(c)～(g)中基于CLA模型與EML模型所計算獲得的節律效率變化趨勢分別進行比較，對于CLA模型，色溫5 000 K時的節律效率相對3 000 K并無明顯提升，且色溫4 000 K時的節律效率低于3 000 K時的節律效率；而基于EML模型的計算結果顯示：自3 000 K以上節律效率隨著色溫的上升而增強，即5 000 K所對應的光譜節律效率明顯強于3 000 K。雖然基于兩類模型得出的趨勢存在差異，尚有待進一步研究加以明確，但是對于照明光譜視覺效率與節律效率之間的關系可得出一致結論：當色溫一定時，光譜的節律效率均隨著視覺效率的增加而呈現減少的趨勢，即傳統的追求高視覺效率的照明方式將很可能不利于提供高效率的節律照明。

采用其他峰值的單色光源進行混光結果可能略有不同，但上述光譜優化分析足以得出一個重要結論：立足于節律照明的光譜優化與傳統的以視覺效應為目標的光譜優化策略有本質差別，節律健康照明不應簡單采用現有光源，而應有針對性地開展與傳統方法不同的光譜優化設計。

圖1 四種單色LED光譜、4 000 K色溫下三種代表性光譜方案以及多個典型色溫目標下光譜節律效率與光譜視覺效率的關系Fig.1 Spectra of the four LED components and three representative spectral solutions for the 4 000 K and spectral circadian efficacy vs. spectral luminous efficacy for color targets at various CCTs

3 基于節律效應的照明設計優化

間接光眼部照度是基于節律效應的照明設計與基于視覺功能的照明設計之間的橋梁。因此，在照明設計方面，我們從高效地提供間接光眼部照度的角度出發，對照明方式進行探索。在多個室內表面反射率組合條件下，通過比較傳統照明模式與節律照明模式所提供的間接光眼部照度，來對不同照明模式、不同室內反射率下的非視覺功效進行評價，從而獲得合理的節律照明設計方案。以下模擬分析數據來源于我們近期的相關研究工作[23]。

3.1 研究方法

照明設計優化工作以Radiance軟件作為計算引擎[24,25]，采用Rhinoceros軟件實現空間三維可視化[26]。室內空間模型如圖2所示，長為4.8 m、寬為4.8 m、高為3.2 m。光源位于天花板中心正下方0.8 m處，投射方向可調，以模擬傳統的下照模式或是完全提供間接光的上照模式。光源配光曲線基于標準漫反射光源進行修正，以保證其初始光通量在下照模式下全部投射至地面，在上照模式下全部投射至天花板，便于數據分析。在上述兩種投光模式下，光通量均設為固定值3 142 lm。

圖2 計算模型示意圖及光源配光Fig.2 An illustration of the room model and a sketch of the “truncated Lambertian” luminous intensity distributions

空間內各表面均設定為理想漫反射表面，天花、墻面以及地面的反射率取值范圍參考標準EN124641—2011[27]，共設置了14種反射率組合形式(詳見表1)，空間反射率平均值ρ′由各個表面反射率對面積加權平均獲得。取平行于地面1.6 m的水平面為計算面，代表人站立時視線高度，取計算面上各點在8個方向上的垂直照度平均值作為眼部照度平均值Ecor,avg。間接光眼部照度Ecor,avg(i)則通過眼部照度平均值Ecor,avg減去直接光貢獻的眼部照度值Ecor,avg(d)計算獲得。在傳統下照模式中，直接光眼部照度Ecor,avg(d)為光線在發生第一反射前到達眼部的照度值；在上照模式中，到達眼部的光線均為間接光。

3.2 研究結論

圖3(a)展示了在各種反射率組合下，傳統照明方式與節律照明方式所提供的間接光眼部照度之間的強度差異。節律照明方式使光線的第一次反射發生在反射率較高的天花板表面，而傳統照明方式的初始光通量第一次反射發生在反射率較低的地面。結果表明，在上述各種反射率組合下，節律照明模式提供的間接光眼部照度均明顯高于傳統照明方式。

表1 模擬計算采用的室內表面反射率組合

圖3(b)為不同反射率組合下兩種照明方式的照度比值與天花板和地面反射率比值的關系圖，圖中各點對應的間接光眼部照度比值均大于1，證實上照的照明方式將更為有效的為節律照明提供眼部間接光。同時，隨著天花板與地面的反射率比值增大，新型節律照明方案相對于傳統方案的間接光眼部照度比值也隨之增加：如當天花板、地面的反射率比值為1.25時，節律照明方案僅提供傳統照明方案1.2倍的間接光眼部照度數值；當天花板、地面的反射率比值為4.5時，節律照明方案可以提供傳統方案3.5倍以上的間接光眼部照度數值，其相對于傳統照明方式的優越性更加顯著。結合圖3(a)和(b)，初始光通量投射面的反射率對形成高眼部照度起重要作用。

在近期工作中，我們提出了間接光眼部照度平均值計算公式[28]：

(1)

其中Φ為光源的初始光通量，C是與光源位置、室內形狀(room geometry)等光分布的空間特性有關的常數，ρ是初始光通量發生第一次反射所在表面的反射率。根據該公式中各參數之間的關系，在光源位置固定、尺寸明確的空間中，Φ、C以及ρ′均為定值，當光源的投射方向發生改變時，間接光眼部照度平均值主要受到ρ數值的影響。

如圖4所示，繪制兩種照明模式在各反射率組合下的間接光眼部照度Ecor,avg(i)與ρ/(1-ρ′)關系散點圖，通過對兩者關系進行線性回歸分析，分別得到傳統照明模式、節律照明模式相應的擬合函數，繪制函數如圖中虛線所示。對于傳統照明模式，決定系數R2達0.995，均方根誤差RMSE為1.21 lx；對于節律照明方式，決定系數R2達0.994，均方根誤差RMSE為2.32 lx，兩個函數的擬合優度極高。該結果表明，無論室內空間中采用何種照明方式，這一指導公式均能提供便捷且準確的間接光眼部照度情況反饋，對于節律健康光環境設計具有較強應用價值。同時，隨著室內表面反射率的提高，間接光眼部照度Ecor,avg(i)呈現出超線性增長趨勢。由此證明，提高室內表面反射率可大幅提升間接光眼部照度，具有很大的節能潛力。此外，基于眼部間接光的照明設計策略可有效避免節律照明所需高眼部照度帶來的眩光。

圖4 兩種照明模式下間接光眼部照度平均值與 ρ/(1-ρ′)關系圖以及線性擬合Fig.4 Average indirect corneal illuminance versus ρ/(1-ρ′) for both lighting modes, and the corresponding linear fitting

該結論為節律健康照明設計工作提供了有效策略：提高室內表面整體反射率，特別是提高光源投光面的反射率或根據室內表面反射率情況改變投光方向，都能有效地提升間接光眼部照度。

4 結束語

本文基于近期研究成果[22,23,28]，針對日間室內空間節律照明應用，從光譜與照明設計兩個角度分別提出效率提升方案：從光譜優化角度，論證了在通用照明指標參數約束下，照明光譜的節律效率隨視覺效率的提升而下降。因此，相對傳統的追求視覺效率的光譜優化方法，針對節律響應函數進行光譜優化可大幅提升節律照明效率；從照明設計角度，論證了傳統的基于工作面水平照度的照明設計方式對于提供間接光眼部照度效果不佳，而通過提高室內各表面反射率、提高初始光通量投射面反射率的照明設計策略可有效提高間接光眼部照度，大幅提升節律照明效率，并降低眩光。本研究綜合光譜與照明設計兩個角度，對節律照明優化策略進行整合，提出了節律照明理論框架和提升日間室內空間節律照明效率的方法：基于光譜節律響應函數進行照明光譜優化；提高室內表面整體反射率；提高光源投光面的反射率或根據室內表面反射率分布調整燈具投光方向。本文通過數值分析論證了上述方法可有效地提升節律照明效率。