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教室照明装备的光健康思考

来源:《中国教育装备行业蓝皮书(2021版)》发布日期:2022-01-21浏览人数:172

  李锦

  目前,儿童青少年近视防控已经上升至国家战略,教室照明越来越受到大家的关注。尽管在国家政策的大力支持下,教室照明光环境得到了普遍改善和提高,但是对于教室照明的光健康问题仍未形成全面普遍的认知,几乎所有的教室照明装备在提升改造时都会考虑如何选择高品质的照明装备来节约建筑能耗、优化照明设计、改善光对人眼视觉舒适度的影响,辅助减少青少年近视率的发生,但光的非视觉效应,即光对人体的生物效应及情绪的影响却鲜为人知。随着现代城市的快速发展和照明设备的普及,人类的生活方式发生了极大的变化,城市居民每天在室内工作、学习和生活的时间越来越长。室内照明对人类的健康和儿童青少年生长发育的影响变得尤为重要。

  本文从光对人体视觉及非视觉的影响两个方面进行探索,结合目前教室照明现状,提出如何设计打造健康的教室光环境。

  一、背景

  人类的生理结构和生活作息在太阳光下发展进化,在还未出现人造光时,古人遵循着日出而作、日落而息的生活习惯。即使后来人类发明了火把、煤油灯、蜡烛等人造光源,夜间的活动时间也非常短。直至100多年前爱迪生发明白炽灯,人们的生活开始发生变化,在人造光源下的时间逐步增加。由于白炽灯是发热光源,其发光光谱与太阳光很接近,因此人造光源发出的光线对人类产生的影响似乎并未被认识到。到20世纪30年代,随着科技的发展,人们发明了荧光灯。荧光灯属于气体放电灯,其发光光谱与黑体无任何相关性,人们虽然意识到它的发光光谱与太阳光差异较大,可能会对人产生影响,但荧光灯还是凭借其优秀的节能特性得到了普遍推广与使用。随着LED时代的到来,荧光灯被逐步取代。虽然LED灯的光谱可以通过技术手段来进行调节,但目前大部分LED灯都是由蓝光芯片激发一种或多种荧光粉,最终由蓝光和荧光粉发出的光混合而成白光,与太阳光的光谱相差也很大。随着城市化进程的加快,人类生活方式发生了极大改变:人们在室内工作、生活的时间越来越长,一些老人、儿童在室内停留的时间甚至占全天时间的90%左右。因此,光对人类健康影响的研究十分重要。

  传统的建筑室内照明设计,关注点主要集中在可见性、视觉舒适性等方面,例如满足基本视觉功能所需的照度、亮度、发光角度、安全性等,以及满足视觉舒适性所应考虑的如何减少眩光和阴影、提高显色性、均匀性及空间外观等,但关于光对人体非视觉生理及心理健康的影响因素却考虑甚少。

  教室是比较特殊的室内场所之一,儿童、青少年的视网膜正处于发育过程中,眼角膜和晶状体更透明,瞳孔较大,对光线更为敏感。因此,教室照明设计在充分考虑视觉需求的同时,也应考虑光的生物效应,从生理和心理两方面最大限度地降低教室照明对学生健康的不利影响,降低近视率、提高学习效率,抑制焦虑、抑郁等负面情绪的出现。

  二、光对人类健康的影响

  太阳光是由太阳发射出的电磁波,分为可见光和不可见光,人眼所能看见这一部分光称为可见光,其波长范围通常限定在380—780 nm。与人造光源相比,它的光谱组成和能量分布是随时间和空间变化的。人体的日光接收器通常指皮肤和眼睛,其对日光的波长响应灵敏度不同,且同时受到光强、曝光时间和持续时间、曝光历史的影响,不同的光特征会从生理和心理两方面对人体健康产生不一样的影响。本文只考虑可见光对人类健康的影响。可见光对人体有两类作用:一是环境中的物体以光的形式通过瞳孔反射进眼睛,由角膜和晶状体聚焦,最后在视网膜上形成关于物体的图像,经感光细胞转化为电信号,由视神经接收后产生视觉;二是调节人体的生理节律、警觉度和代谢过程,保持人体健康,这被称为非视觉生物效应。

  (一)视觉光环境

  人通过视觉、听觉、嗅觉、味觉等从外界获取信息了解世界。据调查,有80%的信息是通过视觉渠道获取的[1]。光环境的强弱、亮度分布、色彩、时间调制等对人的视觉会产生不同的影响。

  (1)光的强弱影响。人在明亮的光环境中可以更清晰地看清周围的环境,不费力就能看到他人脸部特征,增强安全感,让人变得更加积极豁然。但当光线过亮时,会让人产生眩晕的感觉,长期注视甚至会导致不可修复的视网膜病变,例如在晴天的中午直视太阳10 s就会灼伤视网膜。

  (2)亮度分布影响。自然的光环境亮度分布均匀性非常高,因此人在自然光环境下感觉舒服;但在路灯照明中,由于人眼需要不停地调节以适应明暗的不同,在这种光环境下人眼极易疲劳。

  (3)光的色彩影响。光的颜色会给人带来不同的情感感应,且能够烘托空间氛围。心理学家的一些实验表明不同颜色对人的情绪和心理会产生不同的影响,这个影响是双面性的,有积极的一面,也有消极的一面。例如红色,颜色鲜艳强烈,刺激和兴奋神经系统,增加肾上腺分泌,增强血液循环。利用红光可以使人情绪奔放,产生热烈、活泼的情绪,同时起到警醒的作用,但过久凝视红光,会影响视力,易产生头晕目眩之感,心脑血管病患者一般应避免红色。

  (4)时间调制影响。关于时间调制,有关文献描述了三种不同的视觉效果(调制感知):闪烁、频闪和幻影光栅与健康的关系[2]。健康效应可以直接由这些视觉效应引起:闪烁有的是肉眼可以看到,有的是仪器才能测量到。即使是肉眼观察不到的闪烁,长时间在这种光环境中也可能会引起视觉疲劳,从而导致视力下降甚至引发偏头痛、癫痫等。频闪效应是当亮度波动频率与物体旋转频率一致时,观察到的物体运动呈现出静止或不同于其实际运动状态的现象,导致使用机器或工具时可能会发生事故。

  值得注意的是,对人类视觉对比度感知系统成熟情况的研究表明,儿童青少年对视觉对比度具有最高的敏感性。

  (二)光的非视觉生物效应

  随着生活质量的不断提高,人们对照明的需求也不仅限于视觉的需要,开始更多地关注光环境对人们心理、生理的影响。

  (1)睡眠障碍。研究表明,在可见光中的蓝光成分(波长480—490 nm)会通过抑制松果体分泌褪黑激素,刺激肾上腺分泌皮质激素等,起到改变生理节律、调节人体生物钟的作用。激素皮质醇(压力激素)和褪黑素(睡眠激素)在控制人体的活跃度和睡眠方面起着重要作用。当人体的周期节律出现紊乱时,清晨明亮的光线能够帮助其恢复正常的周期节律。在自然环境中,室外的日光可以满足人体同步调节生理节律的功能,这是人类几百万年进化的结果。而在当今社会中,人们越来越多的时间是在室内度过,白天无法暴露在足够强的光线下,晚上又过多地使用富含蓝光的灯光以及手机等各种电子显示屏。数据显示,目前全国有超3亿人存在睡眠障碍,其中3/4在晚上11点以后入睡,1/3要熬到凌晨1点以后入睡,而在睡眠时长低于6 h的儿童青少年中,13—17岁的孩子占比高达89.5%[3][4]

  (2)蓝光危害。蓝光危害是指光源的400—500 nm蓝光波段所带来的视网膜光化学损伤。它的实质是辐亮度、蓝光加权函数和时间的共同作用。只有光源的辐亮度高、蓝光成分丰富、使用时间长,才会引起蓝光危害。太阳是离我们最近的具有极高辐亮度的自然光源,只要注视时间超过0.5 s就可能引起蓝光危害。当然,人们在看到强光时会自我保护,视线会很快离开强光源。

  (三)从儿童青少年的生理特点分析光的健康影响

  (1)晶状体透明度高。研究表明,眼睛晶状体随着年龄的变化会逐步变得浑浊,因此,儿童青少年比成年人对光线有更大的敏感度。由于具有清澈的晶状体,在8岁以前,人体眼睛允许透过80%波长380—500 nm的光线。从25岁起,晶状体吸收了大约80%波长小于400 nm的光线,但仍有超过50%波长在400—500 nm的光线穿过。因此,儿童青少年更容易受富含蓝色的光影响,导致生物钟的相位延迟,从而影响生理节律。更有甚者认为,在青少年身上引发的节律紊乱可以在成年后继续存在,并可能会发展成为健康问题。

  (2)睡眠-觉醒周期和昼夜节律(时间类型)处于变化过程中。幼儿的昼夜节律和睡眠-觉醒周期相对稳定,但逐渐偏向于早上起床时间和睡眠时间后延。睡眠-觉醒周期和昼夜节律的改变开始于5—7岁,12—14岁时会进一步延迟,直到20岁左右达到最晚值,然后在一生余下的时间里逐渐变早。女性平均在19.5岁达到最晚值,男性平均在21岁达到最晚值[5]。尽管青少年倾向于晚睡晚起,但学校课程表要求提早上课时间,这通常会缩短学生的睡眠时间。同时,也有证据表明青少年昼夜节律周期较长,睡眠压力积累较慢,昼夜节律系统对晚上的光的敏感性大于成年人,尤其是在睡眠相位延迟障碍(DSPD)方面。

  目前,光与人体健康的研究还处于起步阶段,仍需要通过大量的实验研究来逐步了解光对人体工作机理的影响。

  三、教室照明环境影响因素

  我国领土南北跨越的纬度近50度,东西跨越经度60多度,最东端的乌苏里江畔和最西端的帕米尔高原相差5个时区,按接受太阳能辐射量的大小还可分为5类地区,不同地区间的光气候有很大差别。因此,各地教室及照明环境情况也有所不同。

  (1)地域因素影响。由于学校本身的设计并未充分考虑当地经纬度、光气候等特征,而只把学校教室当成了普通建筑,导致实际教室中自然光的采光量、强弱、时长各不相同,第一缕阳光进入教室的时间也不尽相同。因此,在不同地区对教室照明环境的设计应有所区别。但目前来看,学校在进行教室照明环境的设计过程中并未充分考虑以上因素的影响。

  (2)设施设备影响。由于贫富差距仍然存在,不同地区的教室照明首要解决的问题也不尽相同。在经济较落后地区,某些教室照明的基本照度要求都未能达到国家标准,他们首要解决的是看得见、看得清楚的问题;而对于发达地区,信息化程度高的教室都已配有电子屏,在使用电子屏教学时,可能需要考虑的是屏幕的反光问题,直射光的蓝光危害问题。此外,由于经济发达地区与经济较落后地区对教育设施的投入不同,教室的大小、装潢材料、信息化程度、座椅材质及颜色、允许容纳学生数量均有很大区别。这些因素对于教室照明设计时所应考虑的照度及照度均匀度、眩光、亮度均匀度、蓝光等问题均有不同程度的影响。例如,比较宽敞的教室,要解决的是照度均匀度和亮度均匀度的问题,而比较拥挤的教室,前排同学所面对的黑板灯带来的眩光问题变得更为重要。

  (3)标准问题影响。由于教室区域化的差异,我国目前还没有专门针对教室照明的国家标准。将自2022年3月1日起实施的国家标准《儿童青少年学习用品近视防控卫生要求》中对中小学普通教室照明灯具的安全性、色温、显色性、蓝光危害和闪烁等方面提出了最基本的要求。但是,如果将健康因素考虑到设计中去,标准中所规定的一些参数还需要进行更深入探讨,例如,将色温的范围从3 300 —5 300 K调整到3 000—6 500 K,以便在早晨利用高色温灯光的警醒作用迅速让学生进入高效学习状态。

  四、教室照明装备的光健康思考

  教室照明装备所涉及的光健康内容包括视觉健康和非视觉健康两部分。2018年8月教育部等八部门联合印发《综合防控儿童青少年近视实施方案》以来,儿童青少年近视防控工作取得了积极进展和成效。2021年4月教育部办公厅等十五部门联合印发的《儿童青少年近视防控光明行动工作方案(2021—2025年)》提出将进一步改善学生视觉环境,改善教学设施和条件,落实教室、宿舍、图书馆等采光和照明要求。在国家政策的大力支持下,教室光环境得到了普遍改善与提升,但是对于光健康的思考还存在一些不足和误区。

  (一)垂直照度和空间亮度明亮感应作为视觉健康指标进行要求

  众所周知,光线过亮、过暗、不均匀、频闪、眩光时,眼睛的调节幅度和频率会很大,属于过度调节,时间长了会引起视觉疲劳,进而导致视力下降。目前,对于教室照明的视觉健康方面,在考虑满足基本视觉需要以外,设计师们已将防眩光处理、降低频闪及闪烁对人眼的不舒适感纳入设计考量的范围。例如,国内几家大规模教室照明装备生产企业就分别采用了格栅、导光板等方式来降低照明装备的眩光指数,同时采用高效LED发光技术及合理的配光技术,大大提升了教室光环境的照度和照度均匀度。除此之外,垂直照度指标和空间亮度明亮感评价指标也与视觉舒适度息息相关,在照明设计中也应将其列入设计的考虑因素当中。

  (1)垂直照度指标。在建筑室内照明设计中,不费力就能清晰地看到人脸部特征的亮度指标为10—20 cd·m-2,即在面部的垂直照度至少为100 lx,该指标是长期有人活动的房间要求的最小照度。目前的设计标准中并未对垂直照度作相应要求,因此在设计过程中也未将其纳入设计的考虑因素中。同时,出于经济和节能的考虑,设计标准中对水平照度的要求大大低于实际视觉满意的需要,如教室照明的桌面照度要求仅为300 lx。因此,建议在经济条件许可的地方,教室照明设计时垂直照度要求不低于水平照度的一半,教室的桌面水平照度应达到800 —1 000 lx。

  (2)空间亮度指标。物体本身的亮度与人感觉到的亮度是不相同的,人感觉到的亮度只与物体反射进入人眼的光线多少有关,这个值与材料的反射率有直接的关系。日本松下公司在室内照明设计中提出“Feu”的概念,Feu是通过计算视线内的亮度分布而得出的值,用于设计过程中预测空间明亮感的评价指标。空间的亮度均匀性能有效缓解人眼疲劳,增加环境舒适感。因此,空间亮度明亮感也应作为教室照明的视觉舒适度指标要求之一。适当将墙壁洗亮的手法是达成提升空间明亮感目的的一种比较经济的方式。

  (二)正确理解蓝光危害问题

  蓝光相关的光毒性对眼睛有很大影响。光毒性是一种光诱导的细胞改变机制,可导致细胞死亡。暴露在强光下是有光毒性危害的,因为它会导致视网膜细胞不可逆地丧失,这可能导致部分视力下降或完全失明。因此,LED的蓝光危害一度被社会热议,人们谈蓝光即想到危害,甚至严重影响高效教室照明灯具的推广使用。

  但是,从目前大量教室照明使用灯具的蓝光危害检测数据来看,绝大部分的教室照明用灯具视网膜蓝光危害都低于RG1(1类,低危险,无附加要求,所包含的蓝光危害部分定义为在100 s内不造成对视网膜危害),在合理可预见的使用状态下,灯具是不会超出蓝光危害曝光极限的。从目前教室照明装备的使用情况来看,不存在蓝光危害问题,而用LED做背光的教室用电子屏幕是否对孩子的眼睛带来危害却值得研究和探讨。同时,任何光源都存在中长期的损害,其损害的造成与光强、照射时长、光谱有密切关系。当提及昼夜节律紊乱和睡眠障碍时更多指的是蓝光对人体生物效应而不是视觉效应的影响,不应使用“蓝光危害”一词。

  (三)设计中增加对光的非视觉健康的考量

  我们已知光对人体的非视觉健康影响的生物机理。前文提到儿童青少年睡眠—觉醒周期和昼夜节律是处于发展变化过程中的,而且在20岁之前逐步趋于晚睡晚起。数据显示,60%的学生在第一节课还处于生理上的睡眠阶段,尽管他们看上去是醒着的。因此,在选用教室照明装备时,还应充分考虑装备中的蓝光对人体的非视觉生物效应的影响,以帮助学生建立合理的紧张和放松节奏。根据学生在校一天的作息时间,照明系统可以通过调节光谱、亮度、颜色等参数来设置不同的灯光模式,以满足不同的需求,例如,富蓝光低照度的警醒模式、从粉红到琥珀色渐变的课间模式、由低色温逐步变为高色温的午休模式、富蓝光高照度的高效模式、低色温低照度的放松模式等。

  五、结语

  光与人类健康有着密切的关系。我们应辩证地看待光对人类健康的影响,脱离实际应用场景、应用人群特征、设计使用状态,纯粹谈光的某个物理量对人类健康的影响是片面和不正确的。教室照明产品是影响青少年生理、心理健康的教育装备,除了考虑其对视力健康的影响外,还应该将光对人体的非视觉健康因素考虑进去。教室的地理位置、当地的气候条件、经济发展情况、学生的年龄阶段等因素都应作为产品设计开发的要素。教室光环境应结合控制系统实现动态调节,以满足使用者一天不同时段对不同光谱成分、亮度、颜色等的需求。在经济条件允许的情况下,教室照明的照度值要求还应大幅度提高,水平照度应达到800—1 000 lx,垂直照度不低于水平照度的一半。

  总之,在建筑室内照明设计中,将美学、功能和健康有机地结合在一起是一个任重而道远的目标。未来我们的照明设计师不仅需要懂建筑、光学、电学、美学知识,还需要学习一些医学知识。随着大型地下空间建设的增加以及人们室内活动时间的增长,光对人的健康的影响将变得越来越重要。相信在不久的将来,国内外研究机构将会得出更多的研究成果,推动室内健康照明水平的提升。

  (作者单位:中国照明学会)

  参考文献

  [1] 周太明,等. 照明设计:从传统光源到LED[M]. 上海:复旦大学出版社,2015:12.

  [2] GRUBER R,SOMERVILLE G,WELLS S,ET AL. An actigraphic study of the sleep patterns ofyounger and older school-age children[J]. Sleep Med,2018(47):117-125.

  [3] CROWLEY S J,ACEBO C,CARSKADON M A. Sleep,circadian rhythms,and delayed phase inadolescence[J]. Sleep Med,2007(8):602-612.

  [4] 蒂尔·伦内伯格. 我们为什么会觉得累:神奇的人体生物钟[M]. 张丛阳,译. 重庆:重庆大学出版社,2020:9.