蔣靖才，吳 蔚

(南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇 南京 210093)

引言

自2002年美國Brown大學(xué)的Berson教授發(fā)現(xiàn)本征感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(ipRGCs)[1，2]后，采光照明非視覺效應(yīng)成為國內(nèi)外科學(xué)研究的熱點和前沿方向[3]。大量研究發(fā)現(xiàn)非視覺效應(yīng)對人的生理節(jié)律有著明顯的影響[4，5],小到產(chǎn)生睡眠障礙，大到影響DNA修復(fù)從而誘發(fā)癌癥[6]。目前采光照明非視覺效應(yīng)的研究方向主要集中在司辰視覺對人的光生物效應(yīng)、采光照明的治療作用、健康采光照明環(huán)境的研究[7]。

人類非視覺系統(tǒng)對光刺激的反應(yīng)不同于視覺系統(tǒng)，對光源的光譜分布、光照強度和光照時間等的反應(yīng)與視覺系統(tǒng)大不相同[8，9],更為明顯的是即使相同的光刺激在不同的時間引發(fā)的非視覺效應(yīng)也不同，因此其評價標(biāo)準(zhǔn)也不同于一般的采光照明標(biāo)準(zhǔn)[10]。

1 非視覺效應(yīng)光譜響應(yīng)曲線的實驗研究

采光照明非視覺效應(yīng)的評價是建立在非視覺效應(yīng)光譜響應(yīng)曲線的基礎(chǔ)上，其精度直接影響各評價方法的準(zhǔn)確性，我們故首先對非視覺效應(yīng)光譜響應(yīng)曲線的實驗研究進行回顧，分析各實驗方法的優(yōu)缺點。非視覺效應(yīng)的光譜響應(yīng)曲線是通過測量受試者暴露在不同的光環(huán)境下身體生理參數(shù)的變化推導(dǎo)而得[11]，根據(jù)采用生理參數(shù)的不同可分為三種：基于褪黑素的抑制作用、瞳孔大小的改變、人體其他生理參數(shù)的變化[12]。

1)基于褪黑素的抑制作用。非視覺感光系統(tǒng)中一條重要的通道是將光信號傳遞到松果體，松果體根據(jù)光信號的不同來控制褪黑素的分泌，調(diào)節(jié)人體生理節(jié)律[13]。正常情況下松果體分泌的褪黑素量呈晝夜周期性變化，其在血液中的濃度白天降低，晚上升高，但光照刺激會抑制褪黑素的分泌量。因而可通過測量光照對人體褪黑素分泌的抑制水平來研究非視覺效應(yīng)光譜響應(yīng)曲線[14，15]。

Mclntye等[16]通過實驗測定在晚上五種不同強度的光照下對褪黑素分泌量的影響。在強度為3 000、1 000、500、350 lx和200 lx的光下照射1 h后，其褪黑素分泌受到的抑制水平分別為71%、67%、44%、38%和16%，得出在1 000 lx的光照足以抑制褪黑素的分泌水平使其和白天相當(dāng)。同時，Mclntye等[17]也發(fā)現(xiàn)通過延長低照度的光照時間，并不能達(dá)到短時間內(nèi)高照度的光照對褪黑素抑制作用效果。此外，2001年，Brainard等[18]基于光照對褪黑素的抑制作用實驗，得出非視覺效應(yīng)的光譜光視效率函數(shù)曲線C(λ)，其峰值在464 nm，對應(yīng)的最大光譜光視效能Kmc為17 396 lm/W。

2)瞳孔大小的改變。非視覺感光系統(tǒng)另一條神經(jīng)通路是通過接受光刺激來調(diào)節(jié)瞳孔大?。核境郊?xì)胞接受到外界的光刺激后，將光信號傳遞到頂蓋前橄欖核(OPN)再到動眼神經(jīng)副核(EW)，通過睫狀神經(jīng)節(jié)(CG)控制瞳孔括約肌來實現(xiàn)對瞳孔大小的調(diào)節(jié)[19]。通過測量受試者在不同光照條件下的瞳孔對光反射，同時基于非視覺感光系統(tǒng)中瞳孔收縮的相關(guān)研究，推導(dǎo)非視覺效應(yīng)光譜響應(yīng)曲線。

黃海靜[20]通過模擬教室照明并利用眼動儀等裝置測量不同的照度和光源光色下瞳孔大小和識別時間的變化，分析了不同的照度、光源光色與非視覺效應(yīng)間的關(guān)系，對大學(xué)教室非視覺效應(yīng)的照明進行評價分析；并提出教室照度標(biāo)準(zhǔn)值可從300 lx提高到500～750 lx，光源宜選用色溫為4 000 K左右的熒光燈。吳卒[21]也用該方法對辦公空間天然采光進行了相關(guān)研究。此外，2008年Berman等[22]基于瞳孔大小變化的實驗，推導(dǎo)出C(λ)的峰值處在491 nm，其對應(yīng)的Kmc為3 616 lm/W。

3)人體其他生理參數(shù)的變化。采光照明對人體生理節(jié)律的影響還表現(xiàn)在心率、血壓和體溫等生理參數(shù)的變化，通過測量人體生理參數(shù)的變化可直接評價非視覺效應(yīng)的采光照明。

Cajochen 等[23]先讓受試者待在黑暗中2 h，然后暴露在不同波長的光照下或黑暗中，并監(jiān)視整個過程中受試者體溫、心率和褪黑素等生理參數(shù)的變化，得出在波長為460 nm的光照1 h后，體溫會顯著升高，在光照結(jié)束后還會持續(xù)一段時間；而用波長為550 nm的光照，體溫沒有較大變化，和不用任何光照的效果相同。 同樣在波長為460 nm的光照1.5 h后，人體心率也會加快；而用550 nm的光照則沒有任何變化。2011年，居家奇[24]實測不同色溫的白光和不同波長的彩光對人體心率、血壓和體溫等生理參數(shù)的影響，通過對實驗參數(shù)進行統(tǒng)計分析，得到基于人體生理參數(shù)變化的光譜響應(yīng)模型，并用來評價非視覺效應(yīng)的采光照明。

4)分析與討論。褪黑素分泌水平的變化與司辰細(xì)胞接受外界的光刺激有著直接的因果關(guān)系，通過實際測量不同的光照條件下褪黑素的濃度來評價非視覺效應(yīng)的采光照明具有較高的準(zhǔn)確性。但該方法測量步驟繁瑣，需要較長的光照時間和較高的光照強度，對于實際照明場景不具有即時性，而且該方法在低照度情況下失效。同時在白天人體血液中褪黑素的濃度較低，會對測量精度產(chǎn)生影響。

用瞳孔大小的改變來評價非視覺效應(yīng)的采光照明具有實時、快速、客觀的優(yōu)點，實驗重復(fù)性也較好。但瞳孔對光反射是一個較為復(fù)雜的動態(tài)過程，可分為相應(yīng)潛伏期、最大收縮期、逃逸期和恢復(fù)期這四個階段，在持續(xù)給光過程中瞳孔的不完全收縮是受到司辰細(xì)胞、視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞共同調(diào)節(jié)的[25]，只有光照后瞳孔反應(yīng)(PIPR)這一時段，有且僅有司辰細(xì)胞參與，因此通過測量瞳孔變化來評價非視覺效應(yīng)的采光照明，應(yīng)重點考慮撤光后的瞳孔恢復(fù)期[26]。

采光照明對人體的非視覺影響最終會體現(xiàn)在體溫、血壓和心理等生理參數(shù)的變化上，采用人體生理參數(shù)的變化來評價具有直觀、便捷、快速的特點，測量精度易得到保障。但是人體生理參數(shù)變化是周圍各項因素相互作用的結(jié)果，如環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速等，采光照明只是其中的一個因素，故對實驗條件的控制提出了較高要求。

這三種基于不同身體生理參數(shù)的變化推導(dǎo)出來的非視覺效應(yīng)光譜響應(yīng)曲線，其實驗研究方法均具有一定的科學(xué)價值和理論基礎(chǔ)，所有結(jié)果都顯示出在短波藍(lán)光部分，特別是450～500 nm之間會產(chǎn)生較為明顯的非視覺效應(yīng)，但同時三者在實際操作和適用性上也均存在不同的優(yōu)缺點(見表1)。非視覺效應(yīng)研究還處在一個起步階段，三種不同的實驗研究方法不僅可以提供大量的實驗數(shù)據(jù)來支持后續(xù)研究，而且還能幫助解開非視覺效應(yīng)研究起步階段中種種的不確定性因素。

表1 非視覺效應(yīng)光譜響應(yīng)曲線的三種實驗研究方法比較

2 采光照明非視覺效應(yīng)的評價方法

在實際應(yīng)用中，對一個空間的采光照明的非視覺效應(yīng)進行評價，是不可能每次都通過實驗的方法來測量人體的生理反應(yīng)，特別是建筑的采光照明設(shè)計是一個前瞻性的活動，需要在實施之前就能對其產(chǎn)生的非視覺效應(yīng)進行評判?；诜且曈X效應(yīng)的光譜響應(yīng)曲線，目前對建筑中非視覺效應(yīng)的采光照明評價方法主要可以分成兩大類：一是對靜態(tài)的光環(huán)境進行評價，這類評價方法主要用于評價人工光源或空間中指定點某一瞬間的非視覺效應(yīng)，如節(jié)律影響因子C/P值、生物節(jié)律刺激因子CS值、光劑量

法；另一類是利用計算機模擬的方法對建筑空間內(nèi)動態(tài)的天然光環(huán)境進行評價，如加權(quán)的DA值、帽子圖法、有效晝夜節(jié)律區(qū)域百分比CEA。

2.1 靜態(tài)光環(huán)境的評價方法

1)節(jié)律影響因子C/P值。光學(xué)中由于人眼對不同波長的電磁波具有不同的敏感度，為了更好的評價光源在低亮度水平下的視覺功效，引入S/P值。參考此方法，2004年Gall等[27]提出用節(jié)律影響因子C/P(即αcv)來評價采光照明非視覺效應(yīng)的強弱，如式(2)所示。P表示明視覺下的光通量，C表示非視覺效應(yīng)的等效光通量。

(1)

(2)

2006年Hubalek等[28]用該方法評價了某一時刻天然光的非視覺效應(yīng)，2008年姚其等[29]用該方法對不同光源的非視覺效應(yīng)進行了探討，2009年居家奇等[30]用該方法比較了傳統(tǒng)光源與LED在非視覺效應(yīng)方面的差異，得出隨著色溫的升高，兩者引發(fā)的非視覺效應(yīng)均會明顯提升。

2)生物節(jié)律刺激因子CS值?；谌搜壑械母泄馍睾拖嚓P(guān)的神經(jīng)解剖學(xué)的研究成果以及Brainad等[31]和Thapan等[32]提出的晝夜節(jié)律系統(tǒng)的光譜敏感性，2005年Rea等[33，34]提出了用計算生物節(jié)律刺激因子CS(Circadian Stimulus)，來評價光源對生物節(jié)律的影響，并在2012年進一步加以完善，CS是以百分比的形式來表達(dá)在該光照下暴露1 h對夜間褪黑素分泌的抑制作用，如式(3)、式(4)所示。

(3)

(4)

研究表明，在晝夜節(jié)律的光傳導(dǎo)過程中有多種感光色素參與[35，36]。當(dāng)波長超過500 nm時，光生物效應(yīng)主要受司辰細(xì)胞的影響；反之，司辰細(xì)胞和藍(lán)錐細(xì)胞(S-cone)會共同起作用。通過計算CLA時兩個附加條件的判定，生物節(jié)律刺激因子CS很好的考慮到該方面的影響。2014年Bellia等[37，38]在對室內(nèi)人工照明和辦公室天然光環(huán)境的非視覺效應(yīng)研究中，采用該光傳導(dǎo)模型。2015年周曉明等[39]對該評價方法的準(zhǔn)確度做了一些比較研究，發(fā)現(xiàn)該模型與實測額頭溫度變化結(jié)果的擬合相關(guān)度達(dá)到0.86。

3)光劑量法。采光照明引發(fā)的非視覺效應(yīng)不但與光照強度和光譜分布有關(guān)，還受光照持續(xù)時間的影響。目前參考傳統(tǒng)光度學(xué)理論發(fā)展出的對采光照明的非視覺效應(yīng)評價，忽略了光照持續(xù)時間這一因素的影響，如上述中的節(jié)律影響因子C/P值和生物節(jié)律刺激因子CS值。針對此不足，2012年居家奇[12]提出用光劑量這一方法來評價非視覺效應(yīng)的采光照明，即人眼在某一段時間內(nèi)接受的等效光通量，其單位量綱與能量單位(焦耳)相對應(yīng)，如式(5)所示。

(5)

在實際應(yīng)用中，可首先通過光譜儀測出該點處光譜能量分布和照度值E，然后用公式(2)計算出C/P值，E乘以C/P值再乘以時間間隔，得出該測量時間段的等效光劑量密度，累加各測量時間段的等效光劑量密度，即可得到該照明環(huán)境下一定時間內(nèi)人眼接受的等效光劑量。

2.2 動態(tài)光環(huán)境的評價方法

1)加權(quán)的DA值。非視覺效應(yīng)的天然采光評價相對于靜態(tài)的照明而言比較困難，其光照強度和光譜分布會隨著時間、季節(jié)、天氣、朝向等因素不斷的變換，是一個動態(tài)的過程。雖然天然光的光譜分布在不斷的變化，但其具有一定的規(guī)律。故在天然采光分析中，可以對天然光的光譜變化產(chǎn)生的影響做一定程度的簡化，通過分析發(fā)現(xiàn)南方位的天空與CIE標(biāo)準(zhǔn)光源D65近似，北方位的天空近似于D75，對于東西方位的天空則是D55。基于Cajochen等[40]的光照強度與人類警惕性的相關(guān)性研究，可得出滿足非視覺效應(yīng)下D55的照度目標(biāo)值210 lx，D65是190 lx， D75是170 lx。

不同朝向的建筑所受天然光的成分不同，如朝北的房間主要受到北方位的天空照射(D75)，其非視覺效應(yīng)的天然采光目標(biāo)照度值應(yīng)為170 lx；東西朝向的為210 lx，朝南房間則為190 lx。全天然采光百分比DA(daylight autonomy)考慮到了全年氣候和天空情況對建筑采光的影響，可以通過天然光動態(tài)模擬軟件Daysim模擬出DA值，并借助加權(quán)來間接評價該房間天然光環(huán)境的非視覺效應(yīng)。此外Daysim計算結(jié)果中輸出全年照度文件(ILL)，可以利用MATLAB來生成光照時間分布圖[41]，參考此圖可定性的分析光照時間段和持續(xù)時間的這兩因素的影響。

2008年P(guān)echacek等[42]在提出用加權(quán)的DA值評價非視覺效應(yīng)的天然采光，并用該方法對醫(yī)院病房非視覺效應(yīng)的天然采光進行初步分析。此后Sharon等[43，44]用該方法對波士頓歷史街區(qū)的居住建筑非視覺效應(yīng)的天然采光進行模擬分析，并對該建筑的修復(fù)和再利用提出一些建議。

2) 帽子圖法。2012年Andersen等[45，46]根據(jù)光生物學(xué)的相關(guān)研究成果，并參考用加權(quán)的DA值來評價非視覺效應(yīng)的天然采光的方法，提出一個新的模擬模型，并在2014年進一步完善。該模型如圖1所示，用帽子圖的表達(dá)方法來預(yù)測并可視化建筑內(nèi)一定時間段內(nèi)的非視覺效應(yīng)程度和分布情況。

圖1 空間中某一點天然采光產(chǎn)生的非視覺效應(yīng)的瞬時值和全年累積值[46]Fig.1 Instantaneous and cumulative annual non-visual effect by daylighting at a point in space

首先根據(jù)Pechacek等[42]描述的方法可將建筑內(nèi)某點接收的天然光近似成來CIE標(biāo)準(zhǔn)光源D55、D65和D75，然后將D65光源和D75光源產(chǎn)生的照度值均轉(zhuǎn)換成D55的非視覺效應(yīng)等效照度值，接著參考Cajochen[47]和Pipps-Nelson[48]的研究，將此值轉(zhuǎn)化成該點天然光所產(chǎn)生的非視覺效應(yīng)值，最后依據(jù)光生物學(xué)中關(guān)于曝光的時間對晝夜節(jié)律相位影響的大小，將一天分成三個不同的時間段，用式(7)分別對各時間段的產(chǎn)生的非視覺效應(yīng)進行全年累積計算得到值，并用帽子圖的方法可視化表達(dá)出來。

(6)

(7)

在圖1中使用漸變的色彩來表達(dá)全年某一點天然采光產(chǎn)生的非視覺效應(yīng)的瞬時值(15 min每步長)，為了方便識別0%用黑色表示，100%用白色表示，當(dāng)沒有天然光照的時候，用灰色表示。在6：00、10：00和18：00處用3條水平線將全天分成三個時間段，每個時間段的非視覺效應(yīng)全年累積值用帽子圖不同的環(huán)和不同的顏色表示，此外每個1/4圓對應(yīng)著不同的視看方向，一般是上北下南。

3)有效晝夜節(jié)律區(qū)域百分比(CEA)。2017年，Konis[49]提出“有效晝夜節(jié)律區(qū)域百分比”(circadian effective area，CEA)這一指標(biāo)，該指標(biāo)開拓性的考慮了感光史這一因素的影響，并在此基礎(chǔ)上引申出一系列的圖示以更直觀全面的評價和預(yù)測建筑內(nèi)天然采光產(chǎn)生的非視覺效應(yīng)。

文獻(xiàn)[50，51]中首先引入“有效晝夜節(jié)律”這一概念，簡稱CE (circadian-effective)，指若建筑內(nèi)某點在7:00—10:00間有某一方向接收的天然采光的等效晝夜節(jié)律照明(EML)，平均值達(dá)到健康建筑標(biāo)準(zhǔn)(Well Building Standard)規(guī)定的非視覺效應(yīng)的最小光照刺激標(biāo)準(zhǔn)250EML，即認(rèn)為這一天在該點達(dá)到了有效的晝夜節(jié)律?？紤]個人感光史的影響，長時間的不規(guī)律光照也會對晝夜節(jié)律產(chǎn)生影響，為了評價在指定時間段CE的有效性(以1周時間為例)，文獻(xiàn)[50，51]中引入“刺激頻率”這一指標(biāo)，簡稱stim.freq (stimulus frequency)，根據(jù)該天和隨后6天內(nèi)達(dá)到CE的天數(shù)來判斷該天維持晝夜節(jié)律的效果，并分成5個等級，等級越高效果越好。該指標(biāo)的詳細(xì)使用方法如圖2所示。

圖2 在一周內(nèi)天然光達(dá)到的有效晝夜節(jié)律CE天數(shù)決定刺激頻率(stim.freq)，左側(cè)顯示依據(jù)stim.freq可將該天維持晝夜節(jié)律的效果分為5個等級A、B、C、D、F[49]Fig.2 Hypothetical daily exposure scenarios leading to varying stimulus frequency outcomes. Shown on the left are the five grades (A, B, C, D, F) developed to differentiate levels of entrainment quality

圖3 每個月份教室內(nèi)各測量點的stim.freq等級在空間上的映射分布和基于不同stim.freq等級下的CEA年度可視化疊加式表達(dá)[49]Fig.3 Combined performance visualization showing daily variation in Circadian Effective Area (CEA) based on varying entrainment quality grades surrounded by spatial mapping of monthly mean CEA within each of the five grades

評價一個建筑空間天然采光產(chǎn)生的非視覺效應(yīng)是對該空間內(nèi)所有的點的綜合效果進行評價，其后Konis又引入了CEA[49]，表示一天中該空間內(nèi)所有計算測量點中達(dá)到或超過設(shè)定的stim.freq的百分比。圖3通過CEA這一指標(biāo)可以較清楚的表示出建筑內(nèi)天然光產(chǎn)生的非視覺效應(yīng)，四周圍繞的圖片表示該月份平均的CEA值和各計算測量點的stim.freq等級在空間上的映射分布，中間的圖表示基于5個不同stim.freq等級下的CEA年度可視化疊加表達(dá)。

2.3 分析與討論

節(jié)律影響因子C/P值參考了光源在低照度下的評價方法(S/P值)，能較好地理解光源所產(chǎn)生的非視覺效應(yīng)，但該評價方法僅考慮了非視覺效應(yīng)中的光照強度和光譜分布的影響。在此基礎(chǔ)上，居家奇提出的使用光劑量的方法，加入了光照時間長度的影響，有效的彌補了基于傳統(tǒng)光度學(xué)理論發(fā)展出的非視覺效應(yīng)評價方法中缺失的時間維度信息。

生物節(jié)律刺激因子CS值這一評價方法結(jié)合了神經(jīng)解剖學(xué)、生理學(xué)、人眼視網(wǎng)膜中光敏色素的相關(guān)研究，具有較高的準(zhǔn)確性。但由于該評價模型不是線性，需要對使用條件進行判定，還考慮了感光細(xì)胞之間的相互關(guān)系，較為復(fù)雜，故需要在精確度和方便性上做一定的折中，以方便實際應(yīng)用。

加權(quán)的DA值這一方法雖然對天然光光譜分布變化的判定和天然采光照度目標(biāo)值的設(shè)置過于簡單，但是該方法綜合考慮到了全年天然采光的動態(tài)分布，并將天空光劃成不同成分分別考慮，這為以后非視覺效應(yīng)的天然采光評價提供了思路?！懊弊訄D”的方法就是在此基礎(chǔ)上進一步完善的結(jié)果，不但綜合考慮了天然光的光照強度、光譜分布，還考慮了光照時間段和光照持續(xù)時間對人產(chǎn)生非視覺效應(yīng)的影響。此外，該方法以直觀和簡潔的方式顯示出空間中某點指定視看方向累積的非視覺效應(yīng)，具有較強的實用價值，建筑師可以參考“帽子圖”來了解該空間在全年不同時間段的非視覺效應(yīng)的特征，從而進行設(shè)計方案的調(diào)整。

有效晝夜節(jié)律區(qū)域百分比(CEA)則是可以在建筑設(shè)計的前期階段對室內(nèi)天然光環(huán)境的非視覺效應(yīng)做出預(yù)測，并能具體分析該空間在每個月份內(nèi)的天然光產(chǎn)生的非視覺效應(yīng)。最重要的是該方法開拓性的提出了stim.freq等級概念，從而在一定程度上考慮了個人感光史這一重要影響因素。

采光照明引發(fā)的非視覺效應(yīng)與人體對特定波長光的吸收特性有關(guān)，光源的光譜分布、光照強度、光照模式、持續(xù)時間和光照時間點都會對人體的晝夜節(jié)律系統(tǒng)產(chǎn)生影響，此外相關(guān)研究表明個人感光史也會影響到晝夜節(jié)律系統(tǒng)[52]。通過上文的比較分析可知，各種非視覺效應(yīng)評價方法對這些影響因素的考慮也存在差異，優(yōu)缺點也各不相同(見表2)，但這些評價方法之間都存在著一定的關(guān)聯(lián)性，正是這些關(guān)聯(lián)性促使了基于非視覺效應(yīng)的采光照明評價方法不斷發(fā)展和完善。

表2 采光照明非視覺效應(yīng)的評價方法總結(jié)

3 結(jié)語

基于實驗研究總結(jié)出的非視覺效應(yīng)光譜響應(yīng)曲線，推導(dǎo)出不同的采光照明非視覺效應(yīng)的評價方法，這些評價方法有的還可以利用先進的計算模擬技術(shù)。盡管這些模擬技術(shù)可以對建筑采光照明實踐產(chǎn)生相當(dāng)大的便利，但均存在一定的缺陷，很少能全面考慮到影響采光照明非視覺效應(yīng)的各個因素。

雖然目前采光照明非視覺效應(yīng)的研究還不足以在建筑采光照明設(shè)計時給出一些滿足人們非視覺效應(yīng)需求的確切數(shù)值，但這些評價方法為我們衡量采光照明的非視覺效應(yīng)提供了思路，并構(gòu)建了一個可以持續(xù)發(fā)展的框架，當(dāng)人眼非視覺系統(tǒng)的工作原理取得新的研究成果時，這些評價方法也會隨之不斷地更新和完善。