基于節(jié)律健康照明的光譜與照明設(shè)計(jì)優(yōu)化

李亞國(guó)

國(guó)網(wǎng)山西省電力公司（山西 太原 030000）

0 引言

光照既具備視覺(jué)作用，也具備非視覺(jué)生物效應(yīng)，其中后者對(duì)光敏視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞具有重要的影響，光信號(hào)由ipRGC傳遞至SCN，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體生物鐘與各種生理活動(dòng)的調(diào)節(jié)和控制。對(duì)人體而言，當(dāng)其每日得到較為適宜的時(shí)間和強(qiáng)度的光照刺激，可以很好地校準(zhǔn)人體內(nèi)部生物鐘節(jié)律周期，與地球自轉(zhuǎn)周期相一致。若沒(méi)有得到合適強(qiáng)度和時(shí)間的光照刺激，則會(huì)破壞這一平衡狀態(tài)，進(jìn)而給人體帶來(lái)很大危害[1]。基于此，對(duì)室內(nèi)光照環(huán)境的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師可借助合理的節(jié)律照明手段，確保室內(nèi)具有足夠的自然光，且具備更高的人工照明節(jié)律效應(yīng)，從而有效保障人體健康。

1 照明節(jié)律效應(yīng)優(yōu)化方向

對(duì)照明節(jié)律效應(yīng)而言，其干擾因素包括光譜構(gòu)成、光照作用及持續(xù)時(shí)間、光照強(qiáng)度，其中照明設(shè)計(jì)師能直接控制光譜構(gòu)成與光照強(qiáng)度。因此，為更好地提升日間室內(nèi)環(huán)境下節(jié)律照明效應(yīng)，必須注重光譜與照明的優(yōu)化。

在光譜節(jié)律效應(yīng)的優(yōu)化過(guò)程中，設(shè)計(jì)師更多從提高視覺(jué)效率的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)照明光譜的優(yōu)化。當(dāng)前，節(jié)律照明逐漸受到人們的廣泛關(guān)注，這要求設(shè)計(jì)師在光譜優(yōu)化設(shè)計(jì)中，高度重視節(jié)律效應(yīng)的提高。在波長(zhǎng)為450～490 nm的藍(lán)光中，與視覺(jué)感光相比，ipRGC具有更強(qiáng)的敏感性，光譜節(jié)律響函數(shù)的峰值處于波長(zhǎng)相對(duì)較短的藍(lán)光區(qū)域，這與光譜明視覺(jué)響應(yīng)函數(shù)不一樣，故而設(shè)計(jì)師可在科學(xué)調(diào)整傳統(tǒng)照明光譜設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，合理優(yōu)化節(jié)律健康照明的光譜[2]。對(duì)于光譜節(jié)律效應(yīng)的改變，需要設(shè)計(jì)師合理改變光譜中的藍(lán)光波段強(qiáng)度，調(diào)整色溫。然而，在該過(guò)程中，很可能造成人們視覺(jué)上產(chǎn)生顯色性或色溫等變化，并沒(méi)有滿足通用照明在視覺(jué)方面的具體要求?；诖?，針對(duì)節(jié)律健康照明中的光譜優(yōu)化，設(shè)計(jì)師應(yīng)盡可能地保證節(jié)律效應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范，還應(yīng)注重基本視覺(jué)參數(shù)指標(biāo)的應(yīng)用，以確保符合具體的照明要求。

在節(jié)律照明設(shè)計(jì)的優(yōu)化過(guò)程中，當(dāng)人體一日長(zhǎng)期停留的室內(nèi)環(huán)境中時(shí)，必須確保在上午時(shí)段獲得充足且合理的眼部照度，而節(jié)律效應(yīng)的強(qiáng)度會(huì)對(duì)眼部接受的光照強(qiáng)度產(chǎn)生極大的影響?，F(xiàn)如今，很多室內(nèi)照明規(guī)范中均有明確要求水平工作面強(qiáng)度，這就使人們往往借助下照模式有效提高室內(nèi)的照明效率。但立足于非視覺(jué)節(jié)律效應(yīng)進(jìn)行的照明設(shè)計(jì)，更加注重眼部照度的合理把控?；诖?，要想更好地滿足現(xiàn)階段日間室內(nèi)節(jié)律照明設(shè)計(jì)對(duì)眼部照度的強(qiáng)度需要，設(shè)計(jì)師必須摒棄以往的“工作面水平照度”要求。同時(shí)，人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活中電腦、智能手機(jī)等設(shè)備的使用率越來(lái)越高，這些設(shè)備都采用自發(fā)光屏幕呈現(xiàn)相應(yīng)的信息，然而與水平照度相比，垂直照度更為有效地展示出眼部所承受的光照節(jié)律刺激強(qiáng)度[3]。另外，設(shè)計(jì)師不僅要注重室內(nèi)環(huán)境中眼部照度的提高，還應(yīng)注重室內(nèi)節(jié)律照明，避免由于光線直射眼部而引發(fā)眩光問(wèn)題，即應(yīng)確保高眼部照度和減少眩光之間保持較為合適的平衡狀態(tài)。

2 基于節(jié)律效應(yīng)的照明光譜設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)基于節(jié)律效應(yīng)的照明光譜優(yōu)化，設(shè)計(jì)師可立足于完全不一樣的響應(yīng)函數(shù)，合理優(yōu)化光譜節(jié)律響應(yīng)函數(shù)，從而確保室內(nèi)具備更高的節(jié)律照明效率。同時(shí)，設(shè)計(jì)師需要借助科學(xué)的評(píng)估手段，評(píng)估優(yōu)化成效。下文以RGBW四色混光為例，嚴(yán)格按照通用照明視覺(jué)指標(biāo)的相關(guān)要求，通過(guò)多色混光算法綜合分析多種光譜方案，具體內(nèi)容如下。

該次評(píng)估中所用的方法：明確照明光譜的視覺(jué)效率數(shù)值，可選擇照度/輻照度比值計(jì)算方式，并充分利用EML模型和CLA模型；明確照明光譜節(jié)律效率數(shù)值，可選擇EML數(shù)值/輻照度和CLA數(shù)值/輻照度比值計(jì)算方式[4]。在各種光照強(qiáng)度中，CLA模型具有一定的非線性特性；針對(duì)該情況，在光譜節(jié)律效率數(shù)值計(jì)算時(shí)，可得到固定CLA的數(shù)值及與之對(duì)應(yīng)獲得有效節(jié)律刺激的CS值閾值，分別為274、0.3。針對(duì)光譜的優(yōu)化分析，可借助LED四色混光算法，即相關(guān)單色光和四種混光，在確保符合多種常用色溫要求的前提下，獲得全部可能的光譜方案、相應(yīng)的顯色性指數(shù)等。

通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顯色性指數(shù)超過(guò)60的約束，在所有色溫目標(biāo)下全部可能的白光光譜方案中，灰色區(qū)域?qū)?yīng)顯色性指數(shù)超過(guò)80的光譜方案。如在4 000 K色溫目標(biāo)的研究中，所得到的三種光譜方案一一對(duì)應(yīng)的視覺(jué)效率分別為313.4 lm/W、328.4 lm/W、351.6 lm/W；在CLA模型中，所對(duì)應(yīng)的光譜節(jié)律效率分別為287.2 lm/W、255.3 lm/W、200.1 lm/W；在EML模型中，所對(duì)應(yīng)的節(jié)律效率分別為334.2 lm/W、290.4 lm/W、215.4 lm/W。這三種光譜方案的顯色性指數(shù)為62、80、81[5]。由此可見(jiàn)，在不同色溫下的光譜節(jié)律效率，當(dāng)光譜節(jié)律效率發(fā)生改變時(shí)，則光譜視覺(jué)效率會(huì)發(fā)生曲線變化。在EML模型和CLA模型下，隨著光譜視覺(jué)效率的增加，光譜節(jié)律效率會(huì)極大降低，故而針對(duì)照明光譜視覺(jué)效率與節(jié)律效率的優(yōu)化而言，兩者的優(yōu)化方向完全不同。

同時(shí)，經(jīng)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)色溫一定時(shí)，隨著視覺(jué)效率的不斷增加，光譜的節(jié)律效率會(huì)逐漸減少。由此可見(jiàn)，以往過(guò)于注重高視覺(jué)效率的照明方式并不能實(shí)現(xiàn)節(jié)律照明效率的提高。通過(guò)上述分析可以明確，在節(jié)律照明的光譜優(yōu)化中，節(jié)律健康照明不僅要注重現(xiàn)有光源的應(yīng)用，且需對(duì)傳統(tǒng)光譜優(yōu)化內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 基于節(jié)律效應(yīng)的照明設(shè)計(jì)優(yōu)化

對(duì)間接光眼部照度而言，其主要作用在于有效連接視覺(jué)功能與節(jié)律效應(yīng)下的照明設(shè)計(jì)。基于此，照明設(shè)計(jì)師需要以確保室內(nèi)空間具有高效的間接光眼部照度作為著眼點(diǎn)，積極應(yīng)用更為切實(shí)有效的照明手段。在多個(gè)室內(nèi)反射率組合的基礎(chǔ)上，充分比較以往照明模式在的間接光眼部照度、節(jié)律照明模式下的間接光眼部照度，科學(xué)判斷不同照明模式、不同室內(nèi)反射率情況的非視覺(jué)功效，以此篩選出最為適宜的節(jié)律照明設(shè)計(jì)方案[6]。

在照明設(shè)計(jì)優(yōu)化中，設(shè)計(jì)師可將以Radiance軟件當(dāng)作計(jì)算引擎，借助該軟件實(shí)現(xiàn)空間三維可視化，獲得室內(nèi)空間模型。通過(guò)模擬傳統(tǒng)的下照模式，或充分提供間接光的上照模式，并立足于規(guī)范的漫反射光源，合理修正光源配光曲線，從而確保其初始光通量基于下照模式充分投射到地面，并基于上照模式充分投射到天花板上，以便進(jìn)行更加準(zhǔn)確和科學(xué)的數(shù)據(jù)分析。同時(shí)，針對(duì)室內(nèi)空間的全部表面，照明設(shè)計(jì)師可選擇采用理想漫反射表面，且根據(jù)相關(guān)目標(biāo)和需求合理設(shè)置室內(nèi)空間各表面的取值范圍。借助所有表面反射率對(duì)面積加權(quán)平均方式，可獲得空間反射率平均值；借助眼部照度平均值減去直接光貢獻(xiàn)的眼部照度，可以得到間接光眼部照度?；趥鹘y(tǒng)下照模式，光線在出現(xiàn)第一反射前達(dá)到眼部的照度值，即為直接光眼部照度；基于傳統(tǒng)上照模式，所有到達(dá)眼部的光線都是間接光。

通過(guò)相關(guān)研究可知，對(duì)多種反射率組合而言，傳統(tǒng)照明手段和節(jié)律照明手段兩者提供的間接光眼部照度存在很大的不同。節(jié)律照明模式可以使光線的首次反射出現(xiàn)在天花板表面（具有很高的反射率），但是傳統(tǒng)照明手段的初始光通量首次反射出現(xiàn)在地板表面（具有很低的反射率），故而節(jié)律照明模式可以讓室內(nèi)空間具備更高的間接光眼部照度。通過(guò)合理利用上照模式，可讓節(jié)律照明具備更好的眼部間接光。隨著室內(nèi)天花板和地板表面反射率的逐漸增大，必然會(huì)逐漸增大基于節(jié)律照明的間接光眼部照度。如當(dāng)室內(nèi)天花板和地板表面的反射率比值為1.25時(shí)，與傳統(tǒng)照明方案相比，基于節(jié)律照明的間接光眼部照度更高，通常高出1.2倍；當(dāng)該比值增加到4.5時(shí)，與傳統(tǒng)照明方案相比，基于節(jié)律照明的間接光眼部照度更高，通常高出3.5倍以上[7]。

對(duì)于室內(nèi)空間照明方式的選用，不管是哪一種照明方式，照明設(shè)計(jì)師均可借助間接光眼部照度平均值計(jì)算的指導(dǎo)公式，從而更加充分且有效地明確間接光眼部照度，以便更加科學(xué)合理地設(shè)計(jì)節(jié)律健康光環(huán)境。同時(shí)，通過(guò)有效提高室內(nèi)空間各表面的反射率，可確保其具備更高的間接光眼部照度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果；且從眼部間接光的照明設(shè)計(jì)出發(fā)，能在極大程度上防止節(jié)律照明中需要的高眼部照度導(dǎo)致的眩光。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，室內(nèi)光環(huán)境直接關(guān)系人體的非視覺(jué)成像功能，也直接影響人們的身體健康?；诖耍彰髟O(shè)計(jì)師需要注重有效提升日間室內(nèi)環(huán)境下節(jié)律照明效率，明確光譜節(jié)律效應(yīng)與節(jié)律照明設(shè)計(jì)的優(yōu)化方向，并采取有效措施不斷優(yōu)化光譜與照明設(shè)計(jì)，從而為人們提供更加舒適的光環(huán)境。