天然光環境下醫院病房的非視覺效應研究初探

吳 蔚，蔣靖才

(南京大學建筑與城市規劃學院，江蘇 南京 210093)

引言

許多研究表明好的天然采光可以縮短醫院病人的康復時間和提高康復率[1，2]。近些年來，隨著我國醫療建筑增長迅速[3]，一些關于醫院建筑采光照明的研究也逐漸開展起來。如2007年，莊宇和李佳[4]從病房的采光和照明兩方面著手，分析了病房光環境設計中不同材質的玻璃對室內照度的影響；丁玎等[5]以濟南的醫院病房為例，探討了綠色病房天然采光的設計方法。盡管這些都是定性研究,但所有研究都認為醫療建筑里良好的光環境對病人的視覺功效、心理感受和生理變化等生物性反應起著一定積極作用[6]。

近些年來，越來越多的研究顯示出采光照明的非視覺效應對人體的生理節律有著明顯的影響[7],小到產生睡眠障礙[8]，大到影響DNA修復而誘發癌癥[9]。這些研究在一定程度上闡釋了光與健康的關系，也使得人們重新審視和思考采光照明質量的定義，即不僅要滿足視看要求，還需滿足人體健康需求[10，11]。由于醫院病人相對于其他健康人而言活動能力受限，特別是住院病人基本上以臥床靜養為主，不像一般人群可以變化生活、工作地點，進入病房內的天然光是其接受日光照射的最主要途徑，甚至是唯一途徑，因此滿足醫院病房內非視覺效應的天然采光，對病人的康復尤為重要。

本文以江蘇省南京市江蘇省中醫院一間典型普通病房為研究對象，嘗試基于國內外最新的非視覺采光照明研究成果[12]，對其病房內天然光環境進行非視覺效應定量評價。該探索性研究主要是為我國醫院病房非視覺效應的天然采光提供一定的理論和實踐依據，從而推動健康照明的發展。

1 醫院病房非視覺光環境特點分析

本研究所選擇的樣本病房是江蘇省中醫院住院部7樓南向的一間三床普通標準病房，內置式衛生間，室外無任何遮擋物。前期的實地測量和全年動態光模擬分析都表明，除去因直射日光所產生的眩光問題，該病房室內天然光環境良好，完全滿足我國現行的建筑及采光照明設計規范及標準。然而相較于醫院病房的視看光環境，非視覺效應的天然采光無論從生理響應機制到評價方法和標準上都有所不同，主要包括以下三個方面：

1)生理響應機理不同。視覺效應中光信號的接受者是錐狀細胞和桿狀細胞，而非視覺效應中光信號的接受者是本征感光視網膜神經節細胞(即司辰細胞，英文簡稱ipRGC)。此外，“視覺效應”和“非視覺效應”的光信號也是通過不同路徑傳送[13]。由于三種感光細胞對光譜的敏感性不同，如司辰細胞對波長分布在446～488 nm的藍光最為敏感，其敏感峰值是波長為464 nm的藍光。因此用于評價視覺效應的光譜響應曲線并不能用來評價非視覺效應[14]。

2)主要影響因素不同。醫院病房中，直接影響天然采光視看效果的因素是光照強度和眩光；而最新的生物生理學研究表明，光的非視覺生物效應主要涉及到光的五個關鍵特征：光譜分布、光照強度、感光時間、光照持續時間、以及感光史[15，16]。如在一天時間里不同時間段發出的相同光照強度的光刺激，對其視看效果并無區別，但對人體生理節律的影響卻不相同[17]。因此對非視覺效應的天然采光的評價要復雜得多，每一步的推進與轉化均是建立在這五個影響因素上[10]。

3)視看位置和法線方向不同。評價視覺光環境時，測量點是在工作面，測量法線一般豎直于工作面。但光的非視覺生物效應主要作用于人眼而不是工作面，因此在評價非視覺光環境時，測量點是在人眼高處，測點的法線方向是與人的活動狀態和眼睛的視看方向有關。圖1所示在醫院病房內，評估視覺與非視覺采光時測點位置與視線法線的不同之處。

圖1 視覺與非視覺效應評價時測點的位置和法線方向Fig.1 Comparison of the measuring points and their normal between visual and non-visual effects in a ward

在深入研究該醫院病房天然光的非視覺效應前，研究小組對住院病人進行日常行為的實地觀測。根據實測統計，病人在一天6：00—18：00中的日常活動主要可分為三種狀態：躺臥、倚靠、行走。其中病人躺臥時間最長，占日常時間的57%；臥床倚靠時間其次，為24%；站立時間僅為14%。此外還約有5%時間為其它活動。在病人行為研究的基礎上，研究小組根據實地情況選擇測點和確定法線位置，設置非視覺光評價的測點位置如圖2所示，其中測點1a～3a為病人躺臥狀態，距地750 mm，視線水平向上；1b～3b為病人倚坐狀態，高度為1 200 mm，視線水平前視，所有測點皆距墻300 mm，測點高度與法線方向詳見表1。

圖2 評估病房非視覺效應的測點平面布置Fig.2 Floor plan of the sample ward and illuminance measuring positions for studying non-visual effects of daylighting

表1 病人主要活動處測點與法線列表

Table 1 List of the measuring points and their view normalin the sample ward

測點·測量面1a病人躺臥時眼睛高度,居地面750 mm水平面1b病人倚坐時眼睛高度,距地面1 200 mm垂直面(視看方向與所靠墻體垂直)2a病人躺臥時眼睛高度,居地面750 mm水平面2b病人倚坐時眼睛高度,距地面1200 mm垂直面(視看方向與所靠墻體垂直)3a病人躺臥時眼睛高度,居地面750 mm水平面3b病人倚坐時眼睛高度,距地面1 200 mm垂直面(視看方向與所靠墻體垂直)

2 非視覺天然光環境的實測分析

非視覺效應的天然采光評價相對于靜態照明而言比較復雜，其光照強度和光譜分布雖然會隨著外界因素不斷的變換，但也具有一定的規律[18]。在天然采光分析中，可以對天然光做一定程度的簡化，南方位的天空與CIE標準光源D65近似，北方位的近似于D75，東西方位的則是D55。基于光照強度與人類警惕性的相關性研究[19，20]，得出達到生理節律刺激的天然光照度起點閾值分別為：晴天(CIE標準光源 D55)是210 lx，全陰天(CIE標準光源 D65)是190 lx， 北側天空光(CIE標準光源D75)是170 lx。而對于滿足有效生理節律刺激每天所需的光照時間，目前學術界沒有統一意見。國際健康建筑標準建議最低標準為相當于250 EML(相當于D65發出226 lx)的等效生理節律照明，每天不應少于4 h[21]。而Figueiro等[22]則建議每天應滿足至少一個小時且生物節律刺激因子不低于0.3(相當于D65發出180 lx)的采光照明。本文實測分析中，折衷采納國際健康建筑標準，即在全陰天空下，每天至少有4 h不低于190 lx的天然采光，即可認為滿足人體有效生理節律刺激。

研究小組在2018年4月5日、4月29日—5月1日四天期間對樣本病房進行了實地測量，其中分別為2個全陰天和2個晴天。本文僅以全陰天為例(采用190 lx作為起點照度閾值)，嘗試探討該病房天然光是否滿足病人的非視覺需求。

圖3為全陰天時，病人躺臥時測點1a～3a的全天照度平均值。對比表中紅色參考線(190 lx)，可以看出在全陰天空下，靠近窗口的病人從7:00—17:00的照度均超過190 lx，這說明該測點的天然光滿足生理節律刺激；測點2a(中間的病床)在8:00—14:00(6 h)這一時間段的照度達到非視覺效應需要的閾值；而離窗口最遠的測點3a僅在13:00—14:00點期間的照度值超過了190 lx，即一天中只有約1 h達到非視覺效應的刺激閾值。圖4為病人倚靠時測點1b～3b的平均實測照度值。可以看出據窗口最近的病人，在倚靠時和平躺時所接受的光刺激差不多；而2b測點(中間床)病人在倚靠時，僅在中午12:00—14:00之間，其天然光刺激達到非視覺閾值。而測點3b(靠近入口處病床的病人)倚靠和躺臥時一樣，只有在13:00左右的照度值超過了190 lx，卻少于1小時，這顯然不能達到人體所需的生理節律的刺激。然而，根據晴天時的實測值分析，無論病人保持躺臥還是倚靠狀態，所有病床所接受的天然光無論從強度到長度，均能滿足人體的生理節律刺激需求。

盡管研究小組所獲得的實測數據也較為有限，對于非視覺天然采光標準設定也比較簡單，但實測研究顯示出在不同光氣候下，樣本病房中在不同視點、甚至是不同視線位置，天然采光所產生的生理節律刺激也有所不同。這也說明病房里的天然采光即使是滿足視看需求，也不一定滿足非視覺需求。然而，不同于滿足視看所需的采光照明，人體并不能自我感知室內光線是否滿足自我所必須的生理節律刺激。

圖3 全陰天時，病人躺臥時測點1a、2a、3a照度均值Fig.3 Mean horizontal illumination levels at measuring point 1a, 2a &3a under overcast sky

圖4 全陰天時，病人倚靠時測點1b、2b、3b照度均值Fig.4 Mean vertical illumination levels at measuring point 1b, 2b & 3b under overcast sky

3 非視覺天然光環境的計算機模擬分析

由于實測數據非常有限，因此數據分析并沒有將影響非視覺效應的感光時間考慮在內。而現有生物生理學研究顯示，人體對一天內不同時刻的天然光刺激的響應不同，其中06:00—10:00間的光刺激對生理節律影響最大，可以使人體內生物鐘的相位提前，從而與地球24 h的白天黑夜循環周期相同步，被稱之為生理節律重置時間(circadian resetting)。而一天中10:00—18:00這一時段作用于非視覺刺激的天然光并不能改變體內生物鐘的生理節律，但卻可以提高身體的覺醒水平，導致睡意減少，被稱之為生理覺醒時間(alerting effects of daylighting)[13,23，24]。此外，非視覺效應的另一重要考慮因素是感光史。人在千百年進化過程中睡眠—覺醒、生理及行為活動等日常節律與大自然晝夜變化息息相關，這種循環往復的非視覺光刺激模式對人體生理節律和生物鐘的形成有重要影響，并且這種生理節律一旦形成后具有一定的可自我延續性，如環球旅行者經常會經歷的時差問題，即在短暫時期內沒有或有較少的非視覺刺激并不能立刻改變人體固有的生物鐘，因此在一段時期內有規律的非視覺光刺激才能稱之為有效生理節律光刺激[25]。

本研究采用Konis[26]提出的 “有效晝夜節律區域百分比”(circadian effective area，CEA)指標醫院病房的生理重置時間段進行評估。選用的原因是該指標開拓性的考慮了感光史這一因素的影響，并在此基礎上引申出一系列的圖示表達，可以較為直觀全面的評價和預測建筑內天然光產生的非視覺效應。此外，本研究還借鑒了文獻[17]提出的“帽子圖”法對樣本病房的生理覺醒時間段進行分析。“帽子圖”法是對加權DA值法進一步完善的結果，不但綜合考慮了天然光的光照強度、光譜分布，還考慮了感光時間和光照持續時間對人體產生的非視覺效應影響。圖5所示的是計算機模擬流程，先將全天分成兩個時間段，即生理節律重置時間段6:00—10:00和生理覺醒時間段(10:00—18:00)，然后分別將這兩個時間段的照度信息轉化成等效非視覺照度信息。因生理節律重置時間段對生理節律有較大影響，因此將這段信息圖示化以CEA為標準的全年度Stim.freq分布圖進行分析；而生理覺醒時間(10:00—18:00)的信息轉換成全年度時間圖譜進行分析。模擬分析時首先是對病房內的實測點進行分析，然后對整個病房做了非視覺光環境的模擬。

3.1 病房實測點的非視覺效應天然采光全年模擬分析

由于多長時間的有效生理節律光刺激可以影響正常生理節律周期還處于未知階段， Konis[26]認為一周中僅有1～2天沒有受到有效生理節律光刺激，對人體生物鐘不會有太大影響，因此一周之內至少有5天達到有效生理節律光刺激，即認為是達到健康標準研究小組的計算機模擬分析也以此為標準。

圖5 非視覺效應的天然采光模擬方法流程Fig.5 Working flow of computer simulation for non-visual effects of daylighting

圖6是病人躺臥狀態下的年度Stim.freq分布圖和不同Stim.freq所占比例與實測結果相似，靠近窗口處的病人(測點1a)所處的非視覺效應的天然采光比較理想，在全年度Stim.freq達到可接受的臨界值(5 d/wk)的占比為91%；盡管中間床的躺臥病人(測點2a)在全年度Stim.freq達到可接受臨界值(5 d/wk)的占比為71%，但就全年而言，該床位在冬季時間(11月到來年3月份之間)非視覺效應的天然采光表現不理想，大部分時間均未達到臨界值。遠離窗口的病床(測點3a)在全年度Stim.freq達到的可接受臨界值(5 d/wk)的占比為40%，能達到臨界值的天數幾乎全部分布在7月份到10月份之間，全年中其它月份的天然采光基本上不能滿足非視覺效應需要，可以認為對身體健康不利。

圖7則是病人倚靠狀態下的年度Stim.freq分布圖和不同Stim.freq所占比例。可以看出各測點在倚靠狀態中所接受的非視覺天然刺激和躺臥狀態情況相似，靠近窗口的床位(測點1b)最好，中間床位(2b)次之，遠離窗口床位(測點3b)最差。此外，受影響的月份也跟躺臥狀態類似，如測點3b能達到臨界值的天數幾乎全部都分布在7月份到10月份之間。比較病人躺臥和倚靠兩種狀態，可以看出在靠近窗口的床位，躺臥所接受的非視覺天然光刺激要高于倚靠狀態，而在中間床位兩種狀態所接受的光刺激差不多。而在遠離窗口的床位，倚靠狀態的病人所接受的非視覺刺激要高于躺臥狀態。但總體而言，此測點處的病人僅靠天然采光是不能滿足人體在生理節律重置時間段的有效光刺激。

圖8、圖9分別是病人躺臥和倚靠狀態下各測點的年度時間圖譜。可以再次看出靠窗處病床和中間處病床全年度的等效非視覺照度水平都相當高，這兩個測點天然采光可以滿足人體非視覺效應的需求。而遠離窗口的病床的等效非視覺照度分布不均勻，除夏季外，其他3季(9月到來年4月份)，無論是躺臥還是倚靠狀態，測點的等效非視覺照度水平較低，基本上不能滿足生理節律刺激。考慮全天情況(6:00—18：00)，可以看出離窗口最遠的病床，其病人僅在夏季能受到足夠的非視覺天然光刺激，而其他季節都達不到維持身體健康的非視覺效應。

圖6 測點1a、2a、3a在06:00～10:00的年度Stim.freq分布圖和不同Stim.freq所占比例Fig.6 Annual Stimulus Frequency and percentage of different Stim.freq from 06:00～10:00 calculated for measuring point 1a, 2a & 3a

圖7 測點1b、2b、3b在06:00—10:00的年度Stim.freq分布圖和不同Stim.freq所占比例Fig.7 Annual Stimulus Frequency and percentage of different Stim.freq from 06:00—10:00 calculated for measuring point 1b, 2b & 3b

圖8 測點1a、2a、3a在10:00—18：00的年度時間圖譜Fig.8 Annual Temporal maps from 10:00—18:00 for measuring point 1a, 2a & 3a

圖9 測點1b、2b、3b在10:00—18：00的全年度時間圖譜Fig.9 Annual Temporal maps from 10:00—18:00 for measuring point 1b, 2b & 3b

3.2 病房整體空間的非視覺效應天然采光全年模擬分析

除去測點位置外，研究小組也對病房整體空間進行了非視覺效應天然采光全年模擬分析。網格設置時假定病人在站立狀態下，分析網格高度距地面1 500 mm。由于病人在四處走動的時候，眼睛的視看方向并不是固定的，但為了簡化計算，本次研究假定病人的視看方向為水平方向，面向與病床相對的墻壁。

根據年度非視覺天然光環境的有效晝夜節律區域百分比(CEA)的模擬分析，樣本病房空間整體非視覺效應的天然采光隨著季節的的變化呈現出明顯的差異，4月份到10月份比較理想，其中最好的月份是7月份，11月份到來年3月份則相抵較差。通過比較不同Stim.freq等級下的病房全年度有效晝夜節律區域百分比(CEA)，可發現全年度非視覺效應的天然采光表現最好的時候，超過臨界值(Stim.freq≥5 d/wk，即A、B等級)的有效晝夜節律區域百分比(CEA)在80%左右，也就說即使是在全年度天然采光最好的時間段里，樣本病房仍有20%左右的空間是不能滿足人體生理節律光刺激的需求。

圖10表示在指定視看方向下病房整個空間Stim.freq超過臨界值(≥5 of 7 day/wk)的百分比，即樣本病房空間的整體年度Stim.freq分布圖。與病房測點的實測分析和計算機模擬相似，病房內的非視覺效應采光隨著進深增加而降低，而在病房入口處的非視覺效應的天然光環境較差，該處在全年中沒有一天的天然采光能達到Stim.freq≥5 of 7 d/wk。

圖10 病房空間年度Stim.freq≥5 of 7 d/wk分布圖Fig.10 Plan view of annual Availability of circadian stimulus (Stim.fren ≥ 5d/wk) with fixed view orientation for the sample ward

由于本次研究固定了視看方向，病房空間非視覺效應的天然采光并不呈對稱分布，右側的天然光環境的非視覺效應要明顯好于左側，這是因為窗戶所在位置與右側所在模擬網絡點的視看方向一致，大量的光線能照射到這些網絡模擬點上。

4 總結

在對江蘇省中醫院一間普通的標準三床病房病人行為觀察的基礎上，我們嘗試利用國外三種非視覺天然光評價方法，對該病房內非視覺效應的天然采光進行量化研究。盡管前期的實地測量和全年動態模擬光分析研究都表明，該病房完全滿足我國現行采光設計規范，滿足視看需求的天然光環境良好。但這三種方法都發現該病房中遠離窗口的病床，其非視覺的天然采光存在一定問題。特別是在冬季(從當年11月到次年3月)，或是全陰天下，遠離窗口的病人無論是在躺臥還是倚靠狀態，天然光基本上不能滿足人體所需的生理節律刺激。

盡管目前最新的科學發現和理論框架已經足夠檢驗或預測室內光環境是否基本上滿足人體生理節律刺激的需求，但本次探索性研究也顯示出由于影響天然采光的環境因素太多，且各種相關因素互相牽連制約，其評估框架和方法還需要進一步優化和完善。目前非視覺效應的采光照明研究還處于初級階段，如天然光環境因素對病人生理節律的具體影響和更精準的評價標準等，這些相關研究都有待進一步的開展。