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办公室照明

2018-04-18

随着城市化进程的深入,现代城市建筑密度不断增加大跨度、大进深高层办公建筑的普及以及工作强度的普遍升高办公人员处于办公空间中的时间愈发延长目前已有大量实验研究表明,办公空间的环境品质不仅会显著影响办公人员的工作效率与工作状态关乎办公人员的身心健康。按照四维健康标准,全世界有75%的人都处于由健康向疾病过度的状态——亚健康状态,临床表现为疲劳、虚弱、睡眠紊乱、记忆力下降、反应迟钝,工作和学习困难等症状35

高密度城市区域的建筑密度、建筑高度不断增加,造成高层建筑室内自然采光的严重不足。我国现行《建筑照明设计标准》GB50034-2013中关于办公空间的照明设计标准只考虑人体视觉功效的需求规定工作平面照度标准欠缺对人体昼夜节律需求的考虑研究办公空间光环境对办公人员的非视觉生物效应作用机理,探索光照刺激对人体昼夜节律的影响作用,是未来实现健康照明的基础。近年来,国外针对办公空间光环境的非视觉生物效应已经达到了相当深度的研究而我国针对办公室照明的相关研究仍大多集中在视觉功效、照明节能或智能控制方面,国外的研究成果由于地域以及人种的差异,无法直接应用到国内的照明设计中。因此,通过现场以及实验室实验积累大量实测数据,探索利于人体昼夜节律的照明模式,完善现有建筑照明设计评价体系,是目前研究工作的重点。 

国内外研究现状

目前国内外学者关于办公空间光的非视觉生物效应已经完成大量深入的研究,主要研究方向一方面为偏重于生理学与医学的光生物效应的机理性研究,另一方面为基于光生物效应的照明设计应用模式探讨。

光生物效应作用机理

视觉产生主要靠人眼视网膜上的锥状细胞(Cones)和杆状细胞(Rods)两种光感受器。锥状细胞主要在视野亮度大于3cd/m2时起作用,称为明视觉;杆状细胞主要在亮度低于0.001cd/m2的情况下起作用,称为暗视觉。Berson教授等人发现除了上述两种感光细胞之外,存在第三种光感受器——可感光神经结细胞(ipRGCs),与视觉无关,而与人体下丘脑的松果体——生物钟功能相关联38。神经结细胞(ipRGCs)能对进入人眼的光刺激产生非视觉的生物性作用。当人眼接受光照时,ipRGCs将受光照的兴奋传递到下丘脑通路,再进入视神经交叉上核(Suprachiasmatic Nuclei, SCN),和脑室外神经核和上部颈神经神经结,最后传递到松果体腺调节血液中褪黑激素的含量,进而调节人体昼夜节律(Circadian Rythem)和瞳孔反射等。ipRGCs接受白天明亮的自然光照刺激,皮质醇浓度增高,同时抑制褪黑激素的分泌,人体开始觉醒。而黑暗则促使松果体合成并释放褪黑激素到血液系统中,使得夜晚褪黑激素浓度比白天多5~10倍。经实验研究显示,人体生物钟的节律周期为24.5h,与自然光的光暗周期24h不同,因此光照周期就成为人体调节生理活动周期的标志,同时也是人类长期以来形成的维持健康的需求。

实际上,在生理学上发现非视觉生物效应是由于第三类感光细胞——神经节细胞之前,研究中已经发现光辐射会对人体健康产生影响。例如,波长为 220300nm 的紫外光可以用来杀菌,但过量的紫外线辐射对人体存在较大伤害。UVB275320nm)波长的紫外辐射对人体皮肤产生多种影响,适量的紫外线能够杀死皮肤表面附着的细菌,预防毛囊炎等皮肤疾病,促进皮肤中含有的固醇类物质转化为维生素D,维生素D有改善钙磷代谢,抗佝偻病、老年骨质疏松的积极作用。同时,适当的紫外照射有助于提高人体机体免疫力。经过医学等领域的大量统计调查研究发现,给予人体明亮的光照刺激可以有效缓解季节性情感障碍(SAD 症),调节长期处于人体生物钟紊乱状态导致的诸如睡眠质量不佳以及抑郁等负面情绪。这些光照不通过视觉作用于人体的影响即是光照的非视觉生物效应。

褪黑激素和皮质醇作为人体昼夜节律的标志性激素在调节人体的觉醒度、困倦度以及睡眠品质方面表现出关键的作用29。皮质醇在控制情绪和健康、免疫细胞和炎症、血管和血压之间具有特别的作用。皮质醇的缺乏会导致身体对压力无法做出有效反应。正常工作状态下,皮质醇的分泌量对于调节人体的觉醒程度,提高人体的工作效率起到重要的作用。光照刺激的非视觉生物效应会通过皮质醇等激素分泌量的改变影响人体觉醒程度与脑部活性,进而影响到人体的情绪以及健康。

光环境各要素对生理、心理以及昼夜节律指标的影响研究

对光生物效应的生物机理研究需要研究人员具备相当的生理学、神经科学以及医学相关基础知识,而对于建筑设计、照明设计相关背景的研究人员,研究重点并不在于光照刺激是通过怎样的神经传导引起人体生理反应,而在于不同的光环境构成要素对人体生理、心理以及昼夜节律相关指标的对应影响。

1.2.2.1 国内相关研究

2009年黄海静等设计实验模拟不同教室光环境,记录对学生视觉功效、学习效率的影响,同时记录血压、脉搏、心率等人体生理指数的改变,对比分析不同的光源色温下学生的心理感受。实验结果显示,在高色温环境下学生的学习效率相对更高,通过视知觉方法的心理感受和生理指标的统计分析,进一步证实光源色温对人体存在非视觉生物影响。

2010年严永红等设计操作实验,在三种不同色温和三种不同照度下,对学生脑电的α波、β波进行监测,观察不同照明情景对人体生理节律的影响作用。实验结果发现,在不同的光照刺激影响下,α波、β波指数存在显著差异。同时发现在高色温、高照度的场景下,学生的疲劳度会出现显著积累。在实验所采用的光照模式下,照度与色温的提高一定程度上能够提高人体大脑皮层的兴奋程度。由于在高色温与高照度环境下的疲劳度累积,单纯依靠提高教室内照明环境中的色温和照度水平对改善学生的学习环境并无明显影响。在教室照明的设计中需要考虑到学生在教室环境中的长时间光照累积,同时实验中发现无论是荧光灯还是LED光源,高色温光环境均会加重学生视觉疲劳,因此在教室照明的光源色温选择中需要谨慎考虑。

2012年柴颖斌等研究低照度彩色光下(人眼部照度约 75lx),人体的心率改变。实验中记录12名被试在低照度的照明环境下,观察不同光谱构成的彩色光(主波长分别为460.8nm527.6nm590.1nm618.4nm)时的心率变化。实验结果显示四种不同光谱的单色光,在低照度的情况下可以引起人的非视觉生物效应(p<0.05),且不同颜色的光所引起的心率变化程度不同。

2013年鲁玉红等征集30名身体状况健康的学生参与实验测量人体在峰值波长为468457453nm蓝光LED光照刺激下的生理指标与心理指标改变。结果表明:在视觉作业与视觉疲劳中,468nm蓝光LED刺激对错误率、脑力活动与视觉疲劳的积累影响最大;在生理指标的测量中,468nm蓝光LED刺激人体脉搏的影响最为显著

2014年牛萍娟等在实验中,以10名(55女)眼部功能正常的学生被试,在九种不同的光环境中(色温2700K4500K6500K,照度300lx500lx800lx,色温与照度参数两两组合),对学习效率、视调节、主观感受与生理指标分别进行测量记录,研究人体生物节律的改变。实验结果表明:人体在照度500lx色温4500K的照明环境下学习效率最高、视调节力最好,生理参数最稳定。同时,在采用的主观评价结果中,受试者同样选择照度500lx色温4500K为最佳学习照明环境。

2015年,林怡等在对上海地区20个办公空间的现场调研中发现,问卷中工作人员的自报告困倦度与其工作位距离采光窗的远近程度显性相关,离窗小于2m的工作人员工作时间内困倦度低于距窗较远的工作人员。分析认为距离窗户的远近程度则直接影响了工作人员在日间可获得的自然光照水平,由于随着进深的增加,自然光水平快速下降,使得距离2m以上的工作人员获得的光照强度远低于近窗人员,进而其困倦度相对更高。现场调研研究的问卷结果显示工作人员其睡眠品质(入睡速度与睡醒后的状态)与工作位离窗的远近程度显性相关。距窗较近(小于2m)的工作人员相对于距离较远的人员其入睡速度更快,睡醒后觉得状态更佳。同时进行的现场实测结果表明近窗工作人员可获得更多、强度更高的自然光照。

1.2.2.2 国外相关研究

以往大量研究已逐步证实光环境通过视觉通道,影响工作人员视觉能力,进而影响办公人员的作业绩效;此外视觉作用亦会影响工作人员对于工作环境的评估,产生对环境的喜好度,正面或负面情绪,进而影响其健康和幸福感;同时对环境的偏好也会影响工作人员的积极性,从而对作业绩效亦产生作用。十多年来办公照明研究热点则渐渐转向光的生物效应,通过对光照要素独立或组合研究,初步探索了光通过非视觉通道作用于人体昼夜节律系统,进而对情绪、认知、警觉性、疲劳度、睡眠质量等的作用关系,讨论光对办公人员的工作绩效与健康所产生的影响。表1.1列出了相关重要研究的实验条件以及结论。

1.1 办公空间光环境相关重要研究实验总结

年份

作者

实验类型

实验参数

研究对象

是否存在影响关系

1993

R. Küller et al

实验室

照度、色温

3000K vs 5500K

450lx vs 1700lx

四种组合

褪黑激素

皮质醇

EEG

主观舒适度

1997

PR Boyce et al

实验室

日光,照度50-2800lx,色温2800-6500K

认知能力

情绪

×

睡眠质量

2007

Peter R Mills et al

现场

色温

17000K vs 2900K

疲劳度

警觉性

日间嗜睡度

工作效率

活力

精神健康

2007

Georg Hoffmann et al

实验室

5001800 lx, 6500 K vs 500 lx, 4000 K

褪黑激素

×

情绪

2008

Antoine U Viola et al

现场

色温

17000K vs 4000K

警觉性

工作效率

睡眠质量

2012

IM Iskra-Golec et al

现场

色温

17000K vs 4000K

眼部照度500lx

情绪

困倦度

2012

M.C.M. Gordijn et al

实验室

9000lx

5000 K vs 17000K

情绪(季节性情感失调)

2012

V Kretschmer et al

实验室

3000lx vs 300lx

工作记忆力

持续注意力

×

专注力

2014

Mohamed Boubekri et al

现场

有日光 vs 无日光

工作状态

活力

睡眠质量

2014

KCHJ Smolders et al

实验室

眼部照度

1000lx vs 200lx

警觉性

工作效率

EEG

心率

皮肤电

2016

MG Figueiro et al

现场

夏季 vs冬季

受光量

睡眠质量

睡眠时长

 

1)光照刺激对办公人员的警觉度、困倦度影响

办公空间的物理环境设计包括声、光、热环境设计目标均是为办公人员提供舒适、健康的工作环境,进而提高办公人员的工作效率。由于办公任务的多样性,难以对工作效率进行准确量化,因此,在实验研究中多以警觉度或简单测试任务作为工作效率的替代指标。

日间或夜间的高照度光环境均可以提高办公人员警觉度,进而对需要注意力集中的任务拥有更快的反应速度,在此过程中心率加快,体温升高,褪黑激素分泌受抑制。

光照对于警觉度、困倦度产生影响的原因,大部分学者认为主要是基于光照对于褪黑激素(MelatoninMLT)的抑制作用,进而减少困倦度、提高警觉度。然而,在日间进行的相关研究,却很难用此方式解释。因为在日间,人体MLT水平已是处于低水平状态,强光照射虽然利于夜间的MLT的分泌量增加,但对于MLT即时的影响作用很小。具体作用机制仍有待更深入的探讨研究。

2)光照刺激对睡眠与睡眠质量影响

MLT直接影响人体的睡眠,其分泌量的增加,会催生羟色胺,进而促进慢波睡眠(Slow-wave sleep),改善睡眠。如MLT分泌量受抑制则会不利于入睡和睡眠质量。因此,光的非视觉效应对于睡眠及其质量有着直接而显著的影响作用。

目前,已有大量研究表明,高强度光照,尤其短波光谱能够调节人体昼夜节律,改善睡眠质量,进而长期影响到人的健康与工作效率。由于睡眠及其质量会受到较多外部因素的影响,因此相对于其他绩效或健康要素,对于睡眠及睡眠质量的研究多采用现场研究的方式。这些研究也为设计人员提供了在大进深办公空间自然采光无法满足人体昼夜节律需求的情况下,采用人工照明的方式提供办公人员健康与昼夜节律需求的光环境,同时,利于人体昼夜节律的人工照明光谱优化也是未来在健康照明领域的一个重要研究方向。

3)光照刺激对人体认知能力与脑电的影响

高强度光照以及短波蓝光会对人的认知能力,如工作记忆力、持续注意力、视觉搜索能力等产生一定影响。

4)光照刺激对情绪的影响

鉴于许多人体季节性规律是通过褪黑激素分泌量的周期性变化实现的,光疗已经成为季节性情感障碍(SAD)的逻辑性处理方案,并已被医疗领域作为治疗SAD的标准方案。此外,也被认为可作为非季节性情感障碍治疗方案的备选。经实验证明,患者在清晨接受高亮度白光照射可缓解SAD症状。