注重能效的动态照明优化及其视觉与非视觉影响

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Optimizing Dynamic Lighting for Visual and Non?Visual Impact with Emphasis on Power Efficiency

　　

摘要

光的感知是人类感官体验的基本方面，而照明是建筑设计的关键要素。然而，光的作用远超视觉范畴——光照度是褪黑激素抑制的主要外部驱动力。内在感光视网膜神经节细胞（ipRGCs）的发现将研究焦点转向了超越简单三锥体模型的频谱组成。24小时太阳能循环仍然是基准，提供强烈的正午抑制、温和的傍晚抑制以及夜间无抑制。LED技术的进步使动态照明系统能够复制这些非视觉效应。然而，尽管已有大量研究工作，能效问题——尤其是黑视效发光效能——尚未得到解决。鉴于对可持续、经济高效的建筑解决方案的需求，这一关键遗漏尤为突出。

本研究利用商用LED灯带的组合（包括暖白WW、冰蓝IB、冷白CW、青色Cyan以及RGB）合成光谱功率分布，以实现三个目标：(1) 最大化黑视效照度功效（用于日间照明）；(2) 最大化黑视效发光辐射效能（m-ELR）可调性；以及 (3) 在低m-ELR条件下最大化明视觉照度功效（用于傍晚照明）；在保持高显色指数的约束下（CRI > 95，Duv < 0.001，CCT < 6500 K）。

结果表明，四灯带系统（WW、IB、红、绿）实现了高黑视效照度功效（日间）、宽m-ELR可调性以及低m-ELR下的强明视觉照度功效。引入青色LED带来的增益微乎其微。琥珀色LED扩展了m-ELR范围，从而改善了夜间性能。考虑到北美电气规范（96 W/回路最大）和安装简便性，我们推荐一种简化的三条灯带配置（WW、IB、RAG）用于24小时动态白光照明。

引言

光的感知是人类感官体验的基本方面。到1854年，视网膜双机制——即杆锥体系统——已被充分理解，确立了锥体细胞在白昼和黄昏时实现色觉，而杆体细胞在昏暗光线下实现物体检测的功能。随后标准化度量体系建立，基础体系在1944年就已就位 [1]。自此以来，明视觉照度、CIE 1931标准、显色指数（CRI）和光效（通常被称为能效）等度量指标一直是照明设计中的关键考量因素。

然而，光的影响延伸至基本视觉之外。20世纪80年代的早期研究表明，光照以强度依赖的方式抑制褪黑激素——一种调节睡眠-觉醒周期的关键激素——[[2], [3], [4]]，尽管其机制尚不明确。Czeisler等人（1995年）发现，缺乏功能性杆体和锥体细胞的盲人仍能表现出光照诱导的昼夜节律同步，暗示存在一种尚未发现的眼部感光受体 [5]。这一发现随后由Lucas等人（1999年）在小鼠身上 [6] 以及Berson等人（2002年）在人类身上 [7] 通过发现内在感光视网膜神经节细胞（ipRGCs）得到确认。

量化光非视觉效应的度量体系发展遵循了两条不同的路径：一条侧重于测量光对人体生理（特别是昼夜节律）的影响，另一条侧重于表征光源本身的光谱特性。沿着生理路径，Gall和Bieske（2004年）提出了昼夜节律作用因子（CAF）[8]。Rea等人（2012年 [9]、2018年 [10]）随后引入了昼夜节律光（CLA）和昼夜节律刺激（CS），用于建模光谱功率分布（SPD）和辐照度如何决定褪黑激素抑制。沿着光源路径，2014年，Lucas等人定义了覆盖人类所有五种感光受体的α-opic照度 [11]。该框架由国际照明委员会（CIE S 026:2018）标准化 [12]，引入了黑视效发光辐射效能（m-ELR，单位mW/lm）和黑视效等效日光照度（m-EDI，单位lx，即光源相对于太阳光在激发ipRGC细胞方面的效能）作为量化光源非视觉输出的标准指标。

与此同时，Prayag等人（2019年）证明，历史上的褪黑激素抑制数据在按照ipRGC灵敏度加权后可以统一到单条剂量-反应曲线下，进一步确立了光照作为人类昼夜节律主要外部调节因子（Zeitgeber）的地位 [13]。然而，个体反应存在较大差异；Phillips等人（2019年）报告健康个体间光照诱导的褪黑激素抑制灵敏度存在200倍的差异 [14]。这种显著的个体间变异性突显了个性化、自适应照明系统的必要性。尝试将这些生物学发现转化为临床应用催生了明亮光照疗法（BLT）。Dimitriou等人（2017年）发现，BLT在60%的研究中改善了睡眠质量，但剩余40%的研究显示无明显改善 [15]，这证实了考虑照明时需要超越原始明视觉照度的度量指标。

近年来的研究已转向动态照明系统，该系统全天调整光照强度和光谱以模拟自然日光，特别是针对非视觉生物学效应的调节 [16]。研究表明，动态照明可减少痴呆症患者的白天小睡和夜间觉醒 [17]，改变轮班工作者的昼夜节律相位 [18]，改善老年人 [19] 和办公室工作人员 [21] 的睡眠质量。甚至半清醒患者也能受益 [22]。相反，不当的时间安排（例如傍晚高m-EDI、白天低m-EDI）会恶化睡眠质量 [20]。

为实现动态照明，近期的工程努力集中在多通道LED系统 [23]。Dai等人优化了3-LED [24] 和4-LED红绿蓝暖白（RGBW）配置 [25]，以实现宽色温和CAF可调性。Nie等人开发了多通道LED排列方案，实现了高的NieJ19] [27]。Le Bao（2021年）设计了一种间接5+1色LED系统，能够在保持高视觉质量的同时实现三个数量级的m-EDI变化 [29]，而Zandi等人（2021年）探索了多通道灯具中的同色异谱光谱，以将视觉外观与昼夜节律刺激解耦 [30]。Liu X（2024年）在其包含单色蓝光（λ = 453 nm）的4-LED RGBW系统中，同时考虑了光生物蓝光风险与CAF [31]。尽管主要为理论推演，Liu Z.运用非支配排序遗传算法II（NSGA-II）对多达27个单色LED进行优化，以实现显色性和m-ELR可调性 [16]。

历史上，固态照明标准和优化模型仅使用明视觉指标评估能效——具体为光度功效（lx/W；表1）或光通量效能（lm/W）（例如 [36, 37]）。然而，明视觉光谱光效函数V(λ)在S锥体和M锥体峰值灵敏度之间的青蓝区域（约480 nm）呈现明显的低谷，这恰好与内在感光视网膜神经节细胞（ipRGC）的峰值刺激波长重合。因此，传统能效指标系统性地忽视了非视觉昼夜节律刺激（m-EDI）。因此，严格针对视觉性能优化的系统往往表现出极低的黑视效照度功效（m-EDI/W；表1）。

相反，先前的动态照明研究仅专注于生物学影响。据我们所知，黑视效照度功效以及由此产生的功耗在文献中尚未得到解决。这在理论光谱设计与实际部署之间造成了关键的鸿沟，尤其是在对比静态和动态照明目标时尤为明显。在传统照明设计中，目标照度——以及随之而来的电力需求——全天保持不变。在这种静态条件下，单一指标如照度功效（lx/W）即可充分概括系统性能。相比之下，理想的动态照明系统随时间变化调整其光谱输出：最大化白天褪黑激素抑制（高m-EDI），提供中等程度的傍晚抑制（低m-EDI），并在夜间最小化抑制 [23]。因此，评估动态系统需要时间依赖的双重指标：日间运行寻求最大化黑视效照度功效（m-EDI/W），而傍晚运行则旨在在低m-ELR值下最大化明视觉照度功效（lx/W）。

在这两个参数中，最大化白天黑视效照度功效最为关键，因为它直接决定了系统的最大功耗。虽然平均电力需求决定了长期运行成本和整体能源可持续性，但峰值功耗决定了硬件尺寸、驱动器容量和热管理要求。这一设计挑战因以下事实而加剧：生物学有效照明在正午抑制褪黑激素所需的照度远高于标准视觉任务所需照度。因此，峰值电力负载出现在环境温度最高的时段，加剧了内部热增益和暖通空调制冷需求。优化系统以实现更高的黑视效效能，可以减少满足日间生物学目标所需的电功率，从而直接降低LED驱动器、灯具和相关控制基础设施的容量和成本。

为解决这一缺口，本研究调查多通道LED配置以优化时间依赖的能源性能，即在日间运行时最大化黑视效照度功效，在傍晚运行时在低m-ELR值下最大化明视觉照度功效，同时满足视觉照明要求。具体而言，使用光电计算机仿真评估了七种商用LED灯带在各种组合下的性能，并通过现场物理测量进行验证。系统性能从最大照度（lx）、最大黑视效等效日光照度（m-EDI；lx）、最大日间黑视效照度功效（m-EDI/W）、低m-ELR下最大傍晚明视觉照度功效（lx/W）以及整体m-ELR可调性等方面进行评估，后者对于实现这些目标至关重要。例如，一种配置在日间实现高黑视效照度功效但傍晚无法在低m-ELR下运行，则无法提供充分的视觉照明而不造成昼夜节律干扰，使其毫无用处。表1总结了本研究中评估的关键指标和效能定义。

由于LED灯带数据表仅提供视觉和电气参数（如光通量效能lm/W、额定功率W、CCT和CRI），完全缺乏非视觉应用的指标，我们还评估了不同制造商和生产批次之间具有相同视觉规格的灯带变体的影响，以确定其对非视觉效能的影响。

方法片段

商用5米LED灯带购自Bright Light（BL；中国深圳）。其中包括三条宽带灯带（标称光通量效能为90 lm/W；功耗为18 W/m，120 LED/m）：暖白（W，CCT约2700K）、冷白（C，CCT约6000K）和冰蓝（I）；一条较低效能的RGB灯带，提供单色红（R）、绿（G）、蓝（B）输出（每通道8 W/m，120 LED/m）；以及单色青色（Y，480-490 nm，10 W/m，峰值接近ipRGC灵敏度最大值）和琥珀色（λ

效能与照度之间的权衡

图2以相关色温（CCT）为函数，绘制了WIRG系统（暖白、冰蓝、红、绿）的明视觉照度和黑视效发光辐射效能（m-ELR）。作为仿真的有效性检验，随机选取了CCT在3300 K至6500 K之间的白光光谱功率分布（SPD）进行实现。仅在CCT > 6000 K时，仿真预测的照度高于实验观测值，在6500 K时的最大偏差为3%。我们注意到轻微的

结论

本研究强调了24小时动态白光照明系统中能效的重要性——具体针对日间高黑视效照度功效和傍晚在低黑视效发光辐射效能（m-ELR）条件下的高明视觉照度功效，以及宽m-ELR可调性和系统简便性。此前文献中报道的采用标准商用灯带的多通道LED配置已被评估，以最大化两种效能和

生成式AI和AI辅助技术在稿件撰写过程中的使用说明

在本工作撰写过程中，作者使用Google Gemini和Grammarly改善语法。作者对输出进行了审阅和编辑，对已发表文章的内容承担全部责任。

未引用参考文献

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CRediT作者贡献声明

Md Azaharuddin Ansari：撰写——初稿、调查、形式化分析。Jonathon David White：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、调查、经费获取、形式化分析、概念构思。

Md Azaharuddin Ansari | Jonathon David White

台湾中原大学电机工程系