节律健康照明的光谱和照明设计优化

黄滢滢,林 怡,戴 奇

(1.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092；2.复旦大学工程与应用技术研究院，上海 200433)

引言

光照不仅产生视觉作用，还具有非视觉生物效应，例如通过非视觉通道影响人体昼夜节律系统。研究表明，光的非视觉效应与光敏视网膜神经节细胞(ipRGC)密切相关[1]：光信号通过ipRGC传递至人体生物钟主钟——下丘脑视交叉上核(SCN)，从而对人体生物钟及各项生理活动进行调控[2]。一天中适宜时间、适宜强度的光照刺激可有效地将人体内部生物钟节律周期校准至与地球自转周期同步，从而维持人体各项生理功能有规律性运转[3]。反之，一旦这种平衡状态被不适宜的光照刺激打破，将有可能引发睡眠紊乱、内分泌失调等一系列健康问题[2,4,5]。特别是长期处于高纬度地区、地下空间、医养空间等自然光照匮乏环境中的人群，可获得的日间自然光照非常有限，因而，提高人工照明的节律效率，并在上述室内空间利用节律照明对自然光进行补充，将对人体健康产生积极作用[6,7]。

1 节律健康照明研究概述

1.1 照明节律效应量化模型

研究表明，从ipRGC传输至SCN的非视觉感光信号不仅依赖于ipRGC细胞自身的感光，也受到视觉细胞(杆状细胞以及三种锥状细胞)感光后传递至ipRGC的信号的影响[5,8]。视神经连接方式决定了各类感光细胞对非视觉感光信号的具体贡献，但其具体参与程度至今尚无确切结论。褪黑素抑制水平通常作为评价指标被用于反映光的非视觉节律效应。目前，较为流行的节律效应模型包括Rea等[8,9]提出的昼夜节律勒克斯模型(CLAmodel)以及Lucas等[5]提出的等效勒克斯模型(equivalent α-opic illuminance model)。

Rea团队基于ipRGC与杆状细胞、锥状细胞可能的视神经连接机制，通过对Brainard等[10]和Thapan等[11]的单色光褪黑素抑制实验数据进行拟合，提出了CLA模型，并进一步给出了节律刺激数值Circadian Stimulus(CS)以评价光照的褪黑素抑制程度[8]；而Lucas团队则较为保守，认为不同感光细胞在光照刺激非视觉信号中的贡献方式未完全确定，当前尚无明确的权重函数对节律效应进行量化，故建议分别记录光照对五种感光细胞的等效勒克斯值[5]。值得一提的是，在WELL建筑标准中，推荐使用视黑素等效勒克斯法(EML model)，仅采用了五种感光细胞中的ipRGC等效勒克斯值EML(Equivalent Melanopic Lux)作为节律照明设计的量化标准，并未考虑其他感光细胞的贡献[12]。虽然简单易用，但该方法是否准确恰当需要进一步的研究来明确。

1.2 照明节律效应优化方向

影响光照节律效应的主要因素包括：光谱构成、光照强度、光照作用时间、光照持续时长以及光照经历[13-15]。其中，光谱构成和光照强度通常可由照明设计师决定，可控性强，因此，本研究主要讨论这两个要素的优化对日间室内空间节律照明效率的潜在提升。

1)光谱节律效应优化现状。当前大部分照明光谱优化工作以提高视觉效率为主要目的[16,17]，随着节律照明的重要性逐渐受到认可，以节律效率为目标的光谱设计和优化变得尤为重要。不同于视觉感光，ipRGC对波长450～490 nm蓝光最为敏感[10,11]，相对光谱明视觉响应函数V(λ)，光谱节律响应函数的峰值位于波长更短的蓝光区域，这一差异意味着，以节律照明为主要目标的光谱优化相对于传统照明光谱设计需做较大调整。

要改变光谱节律效率，最简单的操作是调整光谱中的蓝光波段强度，或是改变色温[18-20]。这类方法虽然简单，但在视觉上不可避免地引入了变化(如色温、显色性等)，难以满足通用照明在视觉方面的应用需求。因此，节律健康照明中的光谱优化工作不仅需要达到所需的节律效率，还需兼顾基本视觉参数指标以满足实际照明应用需求。

2)节律照明设计现状。以人们日间长期停留的室内空间为例，上午时段充足且适宜的眼部照度至关重要：节律效应的强度与眼部接受的光照强度直接相关。然而，目前各类室内照明规范中重点关注的评价指标为水平工作面照度，故传统的室内照明大量采用下照模式以追求高照明效率；而基于非视觉节律效应的照明设计则重点关注眼部照度。因此，以工作面水平照度为目标的传统照明设计理念客观上很难满足日间室内节律照明设计中对眼部照度的强度要求。此外，随着纸质阅读材料大量被自发光屏幕信息显示所取代，办公视觉作业方式亦发生彻底改变。事实上，相对于水平照度，垂直照度能够更合理地反映眼部受到的光照节律刺激强度。

此外，在提供较高的眼部照度的同时，室内节律照明也应避免光线直射眼部照成的眩光不适。因而，利用室内空间间接光提供眼部照度的节律照明设计可很好地在高眼部照度与避免眩光之间达到平衡。

综上所述，节律照明、建筑节能等理念的普遍推广对光源技术和照明设计提出了全新的挑战。如何使光的视觉、非视觉效应设计更为合理，并高效地服务于人们的工作生活成为研究者、设计师都需要思考的问题。

2 基于节律效应的照明光谱优化

鉴于节律照明与传统照明的光谱效率优化基于完全不同的响应函数，针对光谱节律响应函数进行光谱优化可带来节律照明效率的显著提升。为评估该提升效果，我们以RGBW四色混光为例，在满足白光色坐标、显色性等通用照明视觉指标的前提下，利用前期开发的多色混光算法，分析所有可能的光谱方案，对这些光谱视觉效率和节律效率之间的关系进行探索。

2.1 研究方法

在本文中，照明光谱的视觉效率数值由“照度/辐照度”比值计算获得；照明光谱节律效率数值则基于目前两种主流的EML模型以及CLA模型，分别通过“EML数值/辐照度”、“CLA数值/辐照度”比值计算获得。由于CLA模型对于不同的光照强度呈现非线性特性，我们在计算光谱节律效率数值时固定CLA取值为274。该数值对应产生有效节律刺激的CS值阈值0.3[21]。

光谱优化分析工作以我们近期提出的LED四色混光算法[22]为基础，采用四种量产LED对应的单色光，蓝光(448 nm)、绿光(500 nm)、黄绿光(544 nm)以及红光(615 nm)进行混光，各通道光谱如图1(a)所示。利用四色混光算法，在达到多种常用色温目标(3 000 K、4 000 K、5 000 K、6 500 K以及8 000 K)的条件下，可获得所有可能的光谱方案、对应的显色性指数以及光谱的节律和视觉效率数值，图1(b)列举了4 000 K色温下的三种代表性光谱方案。

2.2 研究结论

图1(c)～(g)为显色性指数大于60的约束条件下，各色温目标下所有可能的白光光谱方案所对应的光谱节律效率和视觉效率关系图,其中灰色区域对应显色性指数大于80的光谱方案。以4 000 K色温目标为例(见图1(b)和(d))，光谱方案1、2、3对应视觉效率分别为313.5 lm/W、328.1 lm/W以及353.1 lm/W；基于CLA模型，其对应的光谱节律效率分别为287.3、255.4、200.3；基于EML模型，其对应的节律效率分别为334.0、290.3、215.5；三个光谱方案的显色性指数分别为62、80、80。对于显色性指数为80的两个光谱方案：方案2的视觉效率相对方案3低7.1%，但其节律效率相对方案3有显著提升：基于CLA模型、EML模型，方案2相对方案3的节律效率提升分别为27.5%、34.7%。基于这些数值，传统的照明优化会选择方案3，而基于节律效应的照明优化则会选择方案2，采用的方案截然不同。对图1(c)～(g)中不同色温下光谱节律效率随光谱视觉效率变化曲线进行分析，无论采取CLA模型或是EML模型，光谱节律效率均随着光谱视觉效率增加而显著降低，这说明照明光谱节律效率优化和视觉效率优化在方向上可以截然相反。

此外，对图1(c)～(g)中基于CLA模型与EML模型所计算获得的节律效率变化趋势分别进行比较，对于CLA模型，色温5 000 K时的节律效率相对3 000 K并无明显提升，且色温4 000 K时的节律效率低于3 000 K时的节律效率；而基于EML模型的计算结果显示：自3 000 K以上节律效率随着色温的上升而增强，即5 000 K所对应的光谱节律效率明显强于3 000 K。虽然基于两类模型得出的趋势存在差异，尚有待进一步研究加以明确，但是对于照明光谱视觉效率与节律效率之间的关系可得出一致结论：当色温一定时，光谱的节律效率均随着视觉效率的增加而呈现减少的趋势，即传统的追求高视觉效率的照明方式将很可能不利于提供高效率的节律照明。

采用其他峰值的单色光源进行混光结果可能略有不同，但上述光谱优化分析足以得出一个重要结论：立足于节律照明的光谱优化与传统的以视觉效应为目标的光谱优化策略有本质差别，节律健康照明不应简单采用现有光源，而应有针对性地开展与传统方法不同的光谱优化设计。

图1 四种单色LED光谱、4 000 K色温下三种代表性光谱方案以及多个典型色温目标下光谱节律效率与光谱视觉效率的关系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 基于节律效应的照明设计优化

间接光眼部照度是基于节律效应的照明设计与基于视觉功能的照明设计之间的桥梁。因此，在照明设计方面，我们从高效地提供间接光眼部照度的角度出发，对照明方式进行探索。在多个室内表面反射率组合条件下，通过比较传统照明模式与节律照明模式所提供的间接光眼部照度，来对不同照明模式、不同室内反射率下的非视觉功效进行评价，从而获得合理的节律照明设计方案。以下模拟分析数据来源于我们近期的相关研究工作[23]。

3.1 研究方法

照明设计优化工作以Radiance软件作为计算引擎[24,25]，采用Rhinoceros软件实现空间三维可视化[26]。室内空间模型如图2所示，长为4.8 m、宽为4.8 m、高为3.2 m。光源位于天花板中心正下方0.8 m处，投射方向可调，以模拟传统的下照模式或是完全提供间接光的上照模式。光源配光曲线基于标准漫反射光源进行修正，以保证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，便于数据分析。在上述两种投光模式下，光通量均设为固定值3 142 lm。

图2 计算模型示意图及光源配光Fig.2 An illustration of the room model and a sketch of the “truncated Lambertian” luminous intensity distributions

空间内各表面均设定为理想漫反射表面，天花、墙面以及地面的反射率取值范围参考标准EN124641—2011[27]，共设置了14种反射率组合形式(详见表1)，空间反射率平均值ρ′由各个表面反射率对面积加权平均获得。取平行于地面1.6 m的水平面为计算面，代表人站立时视线高度，取计算面上各点在8个方向上的垂直照度平均值作为眼部照度平均值Ecor,avg。间接光眼部照度Ecor,avg(i)则通过眼部照度平均值Ecor,avg减去直接光贡献的眼部照度值Ecor,avg(d)计算获得。在传统下照模式中，直接光眼部照度Ecor,avg(d)为光线在发生第一反射前到达眼部的照度值；在上照模式中，到达眼部的光线均为间接光。

3.2 研究结论

图3(a)展示了在各种反射率组合下，传统照明方式与节律照明方式所提供的间接光眼部照度之间的强度差异。节律照明方式使光线的第一次反射发生在反射率较高的天花板表面，而传统照明方式的初始光通量第一次反射发生在反射率较低的地面。结果表明，在上述各种反射率组合下，节律照明模式提供的间接光眼部照度均明显高于传统照明方式。

表1 模拟计算采用的室内表面反射率组合

图3(b)为不同反射率组合下两种照明方式的照度比值与天花板和地面反射率比值的关系图，图中各点对应的间接光眼部照度比值均大于1，证实上照的照明方式将更为有效的为节律照明提供眼部间接光。同时，随着天花板与地面的反射率比值增大，新型节律照明方案相对于传统方案的间接光眼部照度比值也随之增加：如当天花板、地面的反射率比值为1.25时，节律照明方案仅提供传统照明方案1.2倍的间接光眼部照度数值；当天花板、地面的反射率比值为4.5时，节律照明方案可以提供传统方案3.5倍以上的间接光眼部照度数值，其相对于传统照明方式的优越性更加显著。结合图3(a)和(b)，初始光通量投射面的反射率对形成高眼部照度起重要作用。

在近期工作中，我们提出了间接光眼部照度平均值计算公式[28]：

(1)

其中Φ为光源的初始光通量，C是与光源位置、室内形状(room geometry)等光分布的空间特性有关的常数，ρ是初始光通量发生第一次反射所在表面的反射率。根据该公式中各参数之间的关系，在光源位置固定、尺寸明确的空间中，Φ、C以及ρ′均为定值，当光源的投射方向发生改变时，间接光眼部照度平均值主要受到ρ数值的影响。

如图4所示，绘制两种照明模式在各反射率组合下的间接光眼部照度Ecor,avg(i)与ρ/(1-ρ′)关系散点图，通过对两者关系进行线性回归分析，分别得到传统照明模式、节律照明模式相应的拟合函数，绘制函数如图中虚线所示。对于传统照明模式，决定系数R2达0.995，均方根误差RMSE为1.21 lx；对于节律照明方式，决定系数R2达0.994，均方根误差RMSE为2.32 lx，两个函数的拟合优度极高。该结果表明，无论室内空间中采用何种照明方式，这一指导公式均能提供便捷且准确的间接光眼部照度情况反馈，对于节律健康光环境设计具有较强应用价值。同时，随着室内表面反射率的提高，间接光眼部照度Ecor,avg(i)呈现出超线性增长趋势。由此证明，提高室内表面反射率可大幅提升间接光眼部照度，具有很大的节能潜力。此外，基于眼部间接光的照明设计策略可有效避免节律照明所需高眼部照度带来的眩光。

图4 两种照明模式下间接光眼部照度平均值与 ρ/(1-ρ′)关系图以及线性拟合Fig.4 Average indirect corneal illuminance versus ρ/(1-ρ′) for both lighting modes, and the corresponding linear fitting

该结论为节律健康照明设计工作提供了有效策略：提高室内表面整体反射率，特别是提高光源投光面的反射率或根据室内表面反射率情况改变投光方向，都能有效地提升间接光眼部照度。

4 结束语

本文基于近期研究成果[22,23,28]，针对日间室内空间节律照明应用，从光谱与照明设计两个角度分别提出效率提升方案：从光谱优化角度，论证了在通用照明指标参数约束下，照明光谱的节律效率随视觉效率的提升而下降。因此，相对传统的追求视觉效率的光谱优化方法，针对节律响应函数进行光谱优化可大幅提升节律照明效率；从照明设计角度，论证了传统的基于工作面水平照度的照明设计方式对于提供间接光眼部照度效果不佳，而通过提高室内各表面反射率、提高初始光通量投射面反射率的照明设计策略可有效提高间接光眼部照度，大幅提升节律照明效率，并降低眩光。本研究综合光谱与照明设计两个角度，对节律照明优化策略进行整合，提出了节律照明理论框架和提升日间室内空间节律照明效率的方法：基于光谱节律响应函数进行照明光谱优化；提高室内表面整体反射率；提高光源投光面的反射率或根据室内表面反射率分布调整灯具投光方向。本文通过数值分析论证了上述方法可有效地提升节律照明效率。