【人本照明Ⅴ】如何实现人本照明 (Human-Centric Lighting)?

行家说LED快讯 · 2021-11-26

建筑师、照明设计师和业主,如何兼顾室内照明和夜晚人体对健康及生产力的需求?答案就是人本照明 (HCL),一种发展于过去十年,全新、全面性的应用方法。人本照明包含了关于光线昼夜节律变化的科学,以模拟大自然的昼夜光循环对人体生物钟的效应,并且广泛考量如何提升居民的生产力、情绪和舒适度。

人本照明 1.0: 在设计中使用 CCT

本质上,以人为本的照明利用不同色温所带来的促进或放松效果,在一天中的不同时间和不同环境中发挥优势。例如:在家、餐厅或在夜晚放松度过的场所,2200K 到 2700K 间的暖白光加上低蓝光占比能很好发挥作用。此 CCT 范围内的 LED 比烛光有更多的蓝光,但会产生类似于白炽灯泡的暖白光,并且具有低 MR,最适合晚上放松和准备入眠。

相比之下,6500K 左右的冷白光 LED 可用于学校、办公室和其他需要警觉性的场所的白天照明。这种色温的 LED 就像阴天时的蓝白光,具高 MR,能抑制褪黑激素分泌以刺激人类的昼夜节律系统,使人们保持清醒、警觉和生产力。

这种方法的缺点是大多数人对这种非常冷的白光感到刺眼且不舒服。出于这个原因,照明设计师通常将环境布置为 4000K,从而牺牲一些日光的优势。

然而,Luminus Salud LED 提供了一种新的解决方案。此系列 LED 具有高青色光谱含量和高 MR,结合更舒适的暖光 CCT,为白天室内照明提供理想的组合方案。除了 Luminus Salud,PerfectWhite 和 CCT 可调模块等具备全光谱和高显色性的产品,已被证明能满足最新 HCL 的设计标准。进一步的升级,将帮助照明工程师和设计师实现最佳的 HCL ——经济高效且不会过亮。

基础人本照明(HCL 1.0)

早期对照明带来的昼夜节律效应的理解,形成了 HCL 的基本原则,概述如下。近年来,科学研究和 LED 技术的进步使得更复杂的 HCL 方法得以实现(请参阅人本照明 2.0 章节)。

白天灯光:

使用凉爽的 6500K CCT LED

注重光谱中青光比例

高 Melanopic Ratio

适合:学校、工厂、办公室、控制室

晚间灯光:

使用温暖的 2200-2700K CCT LED

光谱中的青色和蓝色较少

低 Melanopic Ratio

适合:晚上和夜间放松和准备就寝

人本照明 2.0:在设计中融入褪黑激素照度

与照明质量相关的参数已成为建筑和设计的新标准,但仍在不断发展中。如果 HCL 1.0 意味着简单地了解 CCT 对人类的影响,并出于特定目的和活动去选择适合不同空间的冷光或暖光灯具,那么将褪黑激素照度(melanopic lux)纳入照明布局设计的考虑因素,被视为 HCL 照明的下一个阶段—— HCL 2.0。

人本照明新标准

WELL 建筑标准®(WELL Building Standard, WBS)是第一个以健康为重点的建筑标准,它提供了一个循证系统,用于测量、认证和监控建筑环境对健康的影响。WBS 考虑建造和设计如何帮助在该建筑物活动的人们,其舒适度、心情、睡眠和工作表现。

该标准使用等效褪黑激素照度(Equivalent Melanopic Lux, EML)来描述健康的光。EML 公式区别于其他计算可见光的公式,是量化照明对人类生物(褪黑激素)效应的方法。该公式加权强调视网膜神经节细胞(ipRPG)的反应,与传统上强调视锥细胞(cones)的 lux 不同。

另一个昼夜节律标准是来自美国伦斯勒理工学院照明系统与应用中心(LESA)中心的昼夜节律标准(Circadian Standard, CS)。近期,美国安全试验所(UL)决定采用伦斯勒模型(Rensselaer model)。

先前,行业标准仅考虑水平的勒克斯(lux)。水平勒克斯测量照射在桌面或地板等水平表面上的照明。新方法考虑垂直勒克斯,也就是测量光线照射垂直面后,并在视线高度进入瞳孔(图 13),这直接影响褪黑激素的反应。WBS 将“视线高度”定义为离地面 1.2 米 / 4 英尺。遵循 WBS 的照明设计师必须在垂直和水平平面上指定 EML,并建议白天最低为 200 EML。但是,建筑物的顶灯对居住者感受水平勒克斯的贡献有多大?而且,水平勒克斯如何转换为垂直勒克斯?

图 13 – 过去量测勒克斯是水平的,也就是测量落在平面上的光,而 HCL 则考虑了水平和垂直勒克斯。垂直勒克斯测量居住者前方垂直平面和他们的视线水平上的光。在 WELL 建筑标准中,关于昼夜节律照明的指南将视线高度假设为 1.2m 或高于完工地面 4 英尺。

备注:垂直勒克斯和水平勒克斯是常见的简写术语。从技术上讲,垂直勒克斯指的是垂直明视照度 Ev,水平勒克斯指的是水平明视照度 EH。

人本照明设计相关的计算公式

对于任何给定的室内环境,有几种计算方法和步骤可用来计算人本照明方案。该过程依赖于上面讨论的概念,包括 Melanopic Ratio(MR)和等价褪黑激素照度(EML)。该过程出于对灯具的考虑而使用特定的数据,例如照度和光谱功率分布(SPD)。 Luminus 推荐以下计算方法:

ღ步骤 1. 确定灯光设计标准

WBS 建议在人眼高度(大约离地面 1.2 米或 4 英尺)EML ≥ 200 lux。在设计好照明方案之前,您无需计算目标 EML,设计人员只需遵循 WBS 指南即可。

作为参考,计算 EML 的公式是:

KM = 832.4 lm/W 是功率(W, 瓦特)到光通量(lm, 流明)的转换系数

M(λ) 是归一化的褪黑激素加权函数

E(λ) 是视线水平上的光谱辐照度,表示为 W/nm-m²

ღ步骤 2.设计照明方案

传统照明方案仅计算水平勒克斯,但是满足 WBS 的 HCL 设计还必须考虑垂直勒克斯(垂直明视照度)。首先,您必须确定照明方案在该建筑空间中的发光强度分布‡。一个方案可以使用许多不同类型的灯具,在这个例子,我们只使用一种类型。请考虑使用照明设计软件(如DIALux)来计算建筑空间中的空间分布和纵横照度比(vertical-to-horizontal illuminance ratio),我们称之为RVH:

纵横照度比,RVH = EV / EH

EV = 垂直明视照度, 或 垂直勒克斯

EH = 水平明视照度, 或 水平勒克斯

例如,请参阅第 23 页上的案例研究,计算出的嵌入式筒灯之 EV/EH 比为 0.42。因此,500 水平勒克斯具有与之相关联的 210 垂直勒克斯。

ღ步骤 3. 选择可满足HCL属性所需的光源和SPD

首先,您必须确定 MR 比,即昼夜节律刺激因子。至少有四种不同的方法可以计算光源的 MR 比,不同的组织推荐了不同方法,这些方法都是相关的,并且根据应用的具体情况同样有效。

Luminus 推荐 WELL 建筑标准中概述的方法。该方法根据以下公式,其中光谱函数被归一化,使得最大值为 1。 计算 MR 比:

P(λ) 是光源的光谱功率分布

M(λ) 是归一化的褪黑激素加权函数§以 490nm 为中心

V(λ) 是归一化的明视加权函数,以 555nm 为中心

K = 1.219,这是黑视和明视回应之间的转换因子,将辐照度转换为勒克斯

ღ步骤 4. 计算 EML

计算该照明系统的 EML:

EML = EV × MR

ღ步骤 5. 比较结果

确定您选择的照明系统是否符合昼夜节律有效照明设计标准,EML 是否满足步骤 1 中选择的标准(在此案例中,EML 需满足 ≥ 200 lux)?

‡ 亮度/照度等的定义参见图 5

§ 参考图 10 比较视觉(明视)和黑视反应曲线


图 5 -光的测量术语

 


图 10 比较视觉(明视)和黑视反应曲线

图 10 - 比较人类明视觉(Photopic)和黑视(Melanopic)的响应曲线,峰值代表眼睛对光的峰值响应。在视觉上,人眼对绿色或黄绿色光的反应最为强烈;在生物学上,蓝光会引起最强烈的反应,抑制褪黑激素的产生并促进清醒。

本文摘录自《人本照明白皮书》