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教室照明健康光环境发展方向的探讨

发布日期:2021-07-22浏览人数:169

  厦门捷能通光电科技有限公司教育照明专家组

  我国儿童青少年的视力健康问题一直牵动着习近平总书记的心。2018年8月,习近平总书记批示要求:“全社会都要行动起来,共同呵护好孩子的眼晴,让他们拥有一个光明的未来”。2018年8月30日,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》,对改善学生视力环境明确提出两点要求,一是“落实教室、宿舍、图书馆(阅览室)等采光和照明要求,使用利于视力健康的照明设备”,二是“学校教室照明卫生标准达标率100%”。

  受国家政策鼓舞,社会各界特别是照明界都积极行动起来,密集开会研讨、申请专利、制定标准、提升质量,投入到教室照明改造的热潮中来,仅2020年就申请专利189件,起草专业标准9个,申请并获得光环境认证12项,获得各种奖项32个,均创历史新高。教室健康照明在照明领域是发展速度最快、质量提升最好、市场增长率最高的领域,在LED照明细分市场中树起一面旗帜。2021年4月23—25日在厦门举行的第79届中国教育装备展示会上,参展照明企业达46家,无不以“健康照明”为主题展示教室健康光环境成果,彰显“健康照明”已深入人心,教室健康照明改造将迎来新的高潮。

  我们厦门捷能通光电科技有限公司是专注于教育照明领域的产品制造商和综合服务商,至今专注于教育照明领域八年。我们在第79届中国教育装备展示会期间接待了众多专家、学者、校长、教师和企业家,和他们广泛地交流研讨了教室健康照明光环境的未来发展问题,受到很大启发。现将其汇集整理出来与大家分享,不当之处欢迎批评指正。

  哲学思想和理论基础

  人类是经历数百万年在自然环境下进化成长起来的。2017年10月18日,习近平总书记在党的十九大报告中指出:“人与自然是生命共同体,人类必须尊重自然、顺应自然、保护自然”。2021年4月22日,习近平主席在领导人气候峰会上发表讲话提出:“共同构建人与自然生命共同体”“中华文明历来崇尚天人合一、道法自然,追求人与自然和谐共生”。万物生长靠太阳,地球上所有生物都必须遵从地球自转、公转和阳光变化的节律控制生长。太阳是最好的光源,自然光是最理想的光、最健康的光、最安全的光。

  自然光环境才是照明人的追求和努力方向,我们要为学校的教室、宿舍、图书馆、办公室等打造益于健康的光环境。

  教室人造光与自然采光如何相协调、相匹配

  人在周期性变化的自然光照射下,形成了内源性昼夜节律与周、月、季、年的周期性节律,被称为内源性节律。教室自然采光是变化的外源性光节律,是外源性节律的光照激活人体内源性节律的基因,生成不同的内分泌激素和神经递质。激素和递质是调控人体各种生理、心理和代谢的主导物质。激素有1000多种,大部分是人体合成的,激素在血液、体液中传送到靶细胞和靶组织,传递信息与受体发生生化反应,调控人体健康运行。神经递质有100多种,是连接神经通路的主要化学物质,有兴奋性神经递质如多巴胺、谷氨酸、乙酰胆碱、皮质醇、肾上腺素、去甲肾上腺素等,有抑制性神经递质如甘氨酸、γ-氨基丁酸等。5-羟色胺和褪黑素是觉醒-睡眠激素,又是神经递质,这些神经递质在不同时辰的自然光下合成,进而激活相应的神经系统,调控全身心的健康运行。因此,教室尽量采用自然光,不仅是节能和相关建筑标准的要求,更是健康的需要。教室自然采光应满足GB 50033—2013《建筑采光设计标准》和GB 50099—2011《中小学校设计规范》的要求,教室窗面积与教室面积之比不应低于1∶5;教室的采光系数不应低于采光等级Ⅲ级,即教室侧面自然采光照度不低于450lux。白天人造光源是自然采光的补充,其光品质与照度应尽量与自然光相协调、相匹配,一是采用可调控的智能光照系统,与自然光同步变化;二是仿自然光的光谱能量分布或光色品质分布;三是根据教室不同位置自然光环境的变化,调控人造光尽量达到均匀的光照环境。

  是照度还是空间明亮度

  传统照明指标“照度”和“照度均匀度”是指桌面(工作面)上的水平照度与均匀度,即伏案看书、写作或手工劳作对照明技术参数的要求。而学校教室中的学生大部分时间不是眼睛向下注视桌面,而是向前平视或向上注视老师和黑板,眼睛接收到周围墙壁、桌面、天花板、地面和前面全空间反射的光,即空间的明亮程度,不是照度,更不是桌面照度,因此照度与照度均匀度指标不符合学生对教室光环境的实际需要,应该更新为空间明亮度指标,这才是确切的光环境指标。

  日本松下电器公司和有关高校的人员于2004年提出了“FEU”——空间明亮感的评价方法。FEU来自法语,是火焰的意思。FEU是对从天花板、墙壁、桌面、地面发射到人眼视觉范围的光线进行综合计算得出的评价指标,数值在4—50之间。根据计算和实际场景测量,教室照明的空间明亮度FEU的数值在10—16之间最适合,其配光加强了天花板和墙壁的反射照明,使整个空间有明亮感,光线柔和,这样既降低了对桌面水平照度的要求,还可以节能10%—20%。

  2010年,卡特勒(Cuttle)也提出了各种间接光对眼部照度影响的计算方法,与FEU的概念相似,也用空间明亮度指标。复旦大学工程与应用技术研究院戴奇研究员对此进行了深入研究,对卡特勒的计算方法和测量方法进行了修正和改进,值得重视和推广。

  复旦大学信息科学与工程学院教授林燕丹课题组在探索教室空间光分布对学生绩效和视觉感受的影响时发现,通过设置不同色温、照度的直接照明与间接照明组合的教室光环境,可以影响学生视觉任务绩效和视觉舒适度,使整体光环境充满生气和活力,深受学生欢迎。

  研究教室光环境还要研究照明与显示混合光对学生健康的影响。引入显示教学工具,从教学信息化的角度来看是一大进步,可以呈现文字、图像及视频等更加生动的信息。教学显示系统分为电视视频显示系统、LED视频显示系统和投影视频显示系统等,其中电视和LED视频显示器基本上都用高色温直射光。我们平常习惯的都是反射光,直射光的亮度与反射光的亮度对人体健康的作用是不同的。显示器直射光和教室照明混合的光环境对儿童青少年健康影响的研究尚属空白,有待深入研究与探讨。

  显色性和显色指数(CRI)

  “光没有颜色。”这是伟大的物理学家牛顿在1704年率先提出的正确想法。与不同光相关的神经活动会产生不同的颜色知觉。颜色是“人与自然是生命共同体”的衍生物,是自然光作用于大脑色素细胞的神经系统形成的主观感觉。生理颜色是景物与图像的意识过程,心理颜色是审美的艺术过程。为认识和表述颜色的特性和规律,人们从实践经验中科学地创立了光度学、色度学、色彩学等学科。人们把光源照射物体时能否充分显示被照物颜色的能力称为光源的显色性。1965年,国际照明委员会(CIE)推荐用一般显色指数Ra表述光源的显色性,即CRI,既简单又实用。LED是色彩丰富的不连续光谱的冷光源,红绿蓝(RGB)三基色组成的白光视觉效果很好,而显色指数很低,CRI值小于30,原因在于由于历史条件的局限性,当时选用连续光谱的黑体辐射或白光作为参考光源,而标准色样只有中等明度和中等色饱和度的八种,其计算与测试太过于简化,不能表示光源的显色性。因此,2007年CIE发表177号技术文件指出:“CIE的CRI不适用于表示LED白光光源的显色范围,CRI指数值与人的视觉效果之间没有内在联系”。CIE曾计划用十年时间研究出代替CRI的方法,有众多科学家提出许多研究成果,如保真显指、色域显指、色偏好显指、色调和显指、色分辨显指等,都没有被CIE采纳。2019年,CIE发表224号技术文件,提出用色保真度Rf和CRI并列的双指标表示光源的显色性。Rf是北美照明工程学会(IES)TM-30-15标准中定义的色保真度指数,从自然界选取99种色样计算与检测。

  我们现在用CRI+R9方案表示显色性的提高。R9即第九号红色色样,该色样要求光谱亮度辐射因子在675—830nm范围大于0.8,而现实LED光源在675—830nm范围的辐射亮度几乎为0,这种计算方法是不真实的。因此,用CRI+R9表示光源显色性的方案也不可取。

  显色指数CRI的替代方案仍是值得研究探讨的大课题。

  创建中国儿童青少年健康光环境标准体系

  我国有尊师重教的优良传统,青少年普遍从小就被要求学知识、学技能,不要输在起跑线上,从儿童时期起就用眼距离近、用眼时间长。而照明设施不规范不科学的问题在很多地方存在,加上手机、电子显示产品、视频终端产品等品种多、诱惑力强,不少青少年从儿童时期开始就爱不释手,视力和身心健康受到损害。我国儿童青少年是有2亿多人口的特大群体,有必要为他们单独创建健康光环境标准体系,以此来指导幼儿园、学校、家长正确用光、用好光,让儿童青少年在健康的光环境中成长。

  2019年至2021年4月出台的关于中小学教育或教室照明的新标准达15个,但其技术指标还是沿用成人的标准,没有针对儿童青少年的特点展开。因此,我们提出建立以下标准的建议:

  (1)幼儿园健康光环境标准体系。包括活动室、游戏室、阅读室、休息室的人工光和自然光混合的光环境技术指标,应急照明系统技术指标等。

  (2)中小学教室健康光环境标准体系。包括一般教室、计算机教室、美术教室、音乐教室、物理与化学实验室、阅览室等健康光环境技术指标标准体系。

  (3)家庭健康光环境标准体系。包括书房或学习区域、客厅、卧室或休息室、活动室等健康光环境技术指标标准体系。

  (4)儿童青少年用眼卫生和家庭健康光环境管理标准。

  (5)儿童青少年用发光电子产品技术与使用标准、显示终端技术与使用标准。

  这些标准体系的建立需要大量的基础研究和应用基础研究,充分研究儿童青少年在不同年龄段生理、心理成长的特点,充分研究光环境对儿童青少年生理、心理健康发育成长的调控作用,建立适应儿童青少年健康成长的光环境标准体系。

  LED是电光源的一场革命,正在推动光色理论的变革创新。我们不再是做普通照明的光源或灯具,而是为客户打造健康光环境提供整体解决方案。在党中央“把人民健康放在优先发展的战略地位”政策指引下,我们将为儿童青少年这一特殊群体创造益于他们健康成长的光环境,深感责任重大。针对前行中的这些方向性问题,我们希望教育部门能组织专家、学者进行深入研究,将碎片化的、局部的研究成果整合起来,集成创新,形成中国专家集体的智慧,指导我们向更高质量发展,为我们的子孙后代健康成长贡献更大的力量。