健康光環(huán)境設(shè)計(jì)的研究與應(yīng)用分析

馬 馳，秦和林

（中山馳馬燈飾照明設(shè)計(jì)工程有限公司/中山市燈都照明技術(shù)研究院，廣東 中山 528400 ）

LED照明光源越來越多地應(yīng)用于人居空間的照明。與傳統(tǒng)照明光源相比，LED光源具有可控制、壽命長、啟動(dòng)快、體積小等特點(diǎn)，這對于健康照明的動(dòng)態(tài)控制和多樣化應(yīng)用具有重要意義。通過健康光環(huán)境的設(shè)計(jì)，根據(jù)不同需求對人居環(huán)境的光照進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，不僅可以提高人居空間的光照質(zhì)量，建立符合人居環(huán)境視覺健康的光環(huán)境，還可以打造符合情緒和生理節(jié)律的健康照明空間，為光照環(huán)境的設(shè)計(jì)和使用提供更多可能。同時(shí)，隨著人們對健康的需求越來越強(qiáng)烈，亟需對兒童青少年視覺健康光環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高照明光品質(zhì)和光健康水平。本文基于現(xiàn)行建筑照明相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和健康照明要求，提出當(dāng)下健康光環(huán)境設(shè)計(jì)策略建議。

1 全光譜LED概述

在過去很長一段時(shí)間，人們對照明的主要需求是亮度，但隨著人們生活水平的提高，部分人開始追求更健康、更舒適的光環(huán)境。在此背景下，健康照明的理念被提出來，并受到市場的廣泛關(guān)注。當(dāng)前健康照明的概念主要指制造出來的照明光源光譜盡可能接近太陽光譜，照明在滿足基本照明需求的同時(shí)，還應(yīng)考慮人們的心理需求。如何判斷照明燈具是不是健康照明燈具，除顯色指數(shù)、色溫、照度、亮度、頻閃等指標(biāo)符合要求，其光譜與太陽光光譜的吻合度也應(yīng)該達(dá)到一定的要求。

更準(zhǔn)確地說，全光譜LED 是一種類太陽光譜LED，其可見光部分中的紅綠藍(lán)比例與太陽光近似，顯色指數(shù)Ra接近100（太陽光的顯色指數(shù)為100）。同時(shí)，全光譜LED還盡可能降低自然光中對人體有害的紅紫外線。相較于普通LED，全光譜LED的藍(lán)光峰值更低，可見光波段具備更好的連續(xù)性，因而具備更優(yōu)的照明光品質(zhì)，如圖1所示。相關(guān)研究顯示，人體視覺的辨識能力極易受到光譜完整性的影響，特別是兒童發(fā)育階段。一般而言，越接近太陽光譜，光譜連續(xù)性越好，顯色指數(shù)更高，物體的色彩也能更好地被還原。因此，全光譜健康照明LED對保護(hù)人們的視力健康，提高光品質(zhì)及視覺舒適性，降低人們在LED光照環(huán)境下不自覺的生理性緊張，改善人們學(xué)習(xí)、工作、生活的質(zhì)量具有重大意義。

圖1 普通LED與全光譜LED

為了使全光譜LED可以隨著照明需求的改變而做出相應(yīng)的調(diào)整，從而為用戶提供最佳的照明體驗(yàn)，相關(guān)科研人員開始研究將各種先進(jìn)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到照明系統(tǒng)中。通過將智能技術(shù)與全光譜LED的有效融合，科學(xué)預(yù)設(shè)全光譜LED 所處場景，包括房間、教室、辦公室、餐廳等。為此，可借助智能控制系統(tǒng)模擬光照條件，再結(jié)合數(shù)據(jù)庫中已具備的各種場景信息，加以比較、處理，將光照指標(biāo)調(diào)整到最佳需求狀態(tài)，以更好地滿足場景內(nèi)實(shí)際的照明需求，從而為用戶提供更加健康舒適、智能化的照明體驗(yàn)。

2 健康光環(huán)境的視覺與非視覺效應(yīng)

光對人的生物效應(yīng)分為視覺與非視覺效應(yīng)。真正意義上的健康照明需要兼顧這兩個(gè)方面，既要關(guān)注是否“看得見、看得清”，也要關(guān)注是否能“看得舒服”“看得身心舒爽”。如今，科研人員致力于研究光照對人類健康的影響，更進(jìn)一步說，是關(guān)注照明對人的生理、心理等非視覺特性的影響，光敏視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)以來，相關(guān)研究不斷深入。照明條件無論是對人的生理還是心理都會產(chǎn)生重大影響。因此，在生理上，不同年齡對照明亮度有著不同的要求。隨著年齡增長，晶狀體透光性變差，要求較高的照度。在視覺心理上，不同照明條件通過視覺器官會引起不同的心理機(jī)理反應(yīng)[1]。

另外，不同的光照強(qiáng)度也能影響人的心理，在一定的光照強(qiáng)度下能增強(qiáng)人的食欲，改善情緒與睡眠等。但是，光照強(qiáng)度的增強(qiáng)也并非都是好處，例如，雖然其可改善阿爾茲海默癥患者的睡眠情況和認(rèn)知能力，但卻對患者注意力產(chǎn)生負(fù)面影響。又如，紫外線能消滅一些微生物或病原體，有助于人體生成維生素D，可對佝僂病、軟骨癥進(jìn)行防治，能預(yù)防老年人骨質(zhì)疏松，提高人體免疫力等；紅外線則有助于人體血液循環(huán)與新陳代謝，在很大程度上增強(qiáng)人體免疫功能，并在軟組織損傷、肌肉痙攣、肌肉勞損等方面具備顯著的治療效果。當(dāng)前醫(yī)學(xué)與光學(xué)等領(lǐng)域的研究人員都非常關(guān)注如何借助光譜中的有益光線服務(wù)人類。

另外，藍(lán)光危害也是目前大家熱議的一個(gè)問題。藍(lán)光危害是指400～500 nm藍(lán)光波段所帶來的視網(wǎng)膜光化學(xué)損傷。其實(shí)質(zhì)是輻亮度、藍(lán)光加權(quán)函數(shù)和時(shí)間的共同作用。只有光源的輻亮度高、藍(lán)光成分豐富、使用時(shí)間長，才會引起藍(lán)光危害。太陽是離我們最近的具有極高輻亮度的自然光源，只要注視時(shí)間超過0.5 s就可能引起藍(lán)光危害。當(dāng)然，人們在看到強(qiáng)光時(shí)會自我保護(hù)，視線很快離開強(qiáng)光源。

3 教室健康光環(huán)境的幾點(diǎn)設(shè)計(jì)思考

3.1 教室環(huán)境中的光健康思考

教室照明設(shè)計(jì)中的光健康包括視覺健康和非視覺健康兩方面。2018年8月教育部等8部門聯(lián)合印發(fā)《綜合防控兒童青少年近視實(shí)施方案》(教體藝[2018]3號)以來，兒童青少年近視防控工作取得積極進(jìn)展和成效。近期，教育部辦公廳等十五部門關(guān)于印發(fā)《兒童青少年近視防控光明行動(dòng)工作方案(2021—2025年)》的通知表示，將進(jìn)一步改善學(xué)生視覺環(huán)境，改善教學(xué)設(shè)施和條件，落實(shí)教室、宿舍、圖書館等采光和照明要求。在國家政策的大力支持下，教室光環(huán)境得到了普遍改善與提升，但是對于光健康的思考還存在不足和誤區(qū)。

眾所周知，光線過亮、過暗、不均勻、頻閃、眩光時(shí)，眼睛的調(diào)節(jié)幅度和頻率很大，屬于過度調(diào)節(jié)，時(shí)間長了會引起視覺疲勞，進(jìn)而導(dǎo)致視力下降[2]。目前，對于教室照明的視覺健康方面，在滿足基本視覺需要以外，設(shè)計(jì)師已將防眩光處理、降低頻閃及閃爍造成的不舒適感納入設(shè)計(jì)考量的范圍之中。但是，垂直照度指標(biāo)和空間亮度明亮感評價(jià)指標(biāo)也與視覺舒適度息息相關(guān)，應(yīng)加入到設(shè)計(jì)的考慮因素中。在建筑室內(nèi)照明設(shè)計(jì)中，不費(fèi)力就能看到人臉部特征的亮度為10～20 cd/㎡,這意味著垂直照度至少為100 lx, 而水平照度是其要求的2倍，即200 lx，這是長期有人活動(dòng)的房間要求的最小照度。對于工作區(qū)的照明，為了得到滿意的視覺效果，優(yōu)先選擇的照度范圍為1 000～2 000 lx，但出于經(jīng)濟(jì)和節(jié)能的考慮，目前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求低于視覺滿意的需要，比如，教室照明的桌面照度要求僅為300 lx[3]。同時(shí)，對于亮度的理解也存在一些誤區(qū)。物體本身的亮度與人感覺到的亮度是不相同的，人感覺到的亮度只與物體反射進(jìn)入人眼的光線多少有關(guān)，這個(gè)值與材料的反射率有直接的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 人在空間中觀察的視線于光線

由于教室照明使用人群為兒童青少年這一特殊群體，應(yīng)充分考慮視覺需要以外的非視覺影響，通過教室光環(huán)境的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，來設(shè)計(jì)滿足這一群體生理和心理健康發(fā)展需要的光環(huán)境，因此，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，教室照明的照度值可大幅度提高，色溫值也不應(yīng)做出具體限制[4]。傳統(tǒng)教室使用照明燈具存在色溫高、照度和均勻度偏低、眩光和頻閃嚴(yán)重等問題，兒童和青少年長時(shí)間在此環(huán)境中作業(yè)和生活會造成嚴(yán)重的視疲勞，影響視力健康和學(xué)習(xí)效率。通過模擬實(shí)際應(yīng)用場景（見圖3）,對教室照明光環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)，高于標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)現(xiàn)教室健康照明光環(huán)境。

圖3 對標(biāo)準(zhǔn)教室進(jìn)行照明模擬

3.2 老年人居住空間中的光健康思考

隨著我國人口老齡化程度加深，老年群體的日常生活令人操心不已。住宅燈光照明是室內(nèi)生活起居的剛需。老年人對光線的敏感度，隨著年齡的增長而降低，容易導(dǎo)致看不清東西。而高瓦數(shù)的吸頂燈易產(chǎn)生點(diǎn)光源眩光，使眼睛產(chǎn)生不適感。部分老人有起夜習(xí)慣，高亮的燈容易影響睡眠，而市面上小夜燈的亮度又普遍不夠，老年人因起夜尋找燈開關(guān)或因磕絆而摔傷的情況時(shí)有發(fā)生。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智能家居大力發(fā)展，但其操作對老年人而言相對復(fù)雜，維護(hù)也較為繁瑣，老年人群體難以上手。

研究顯示，人的視力系統(tǒng)會隨著年齡的增長而老化，這些老化主要有：調(diào)節(jié)能力下降，容易發(fā)生屈光不正，損害對比敏感度；眼內(nèi)光散射增加，視網(wǎng)膜對比度降低，易導(dǎo)致失能眩光；適光水平降低，導(dǎo)致空間對比敏感度降低；視網(wǎng)膜照度降低，需要增加視覺目標(biāo)的照度；暗適應(yīng)變慢。除此之外，眼部發(fā)生病理性變化的概率也會隨年齡增大而增加，如白內(nèi)障、黃斑變性、青光眼及糖尿病視網(wǎng)膜病變等，其視覺安全問題日益突顯[5]。

健康光環(huán)境細(xì)分下的老年照明設(shè)計(jì)，在國內(nèi)市場才剛剛起步。隨著人口老齡化的加劇，以及老年人家庭對生活品質(zhì)追求的提高，老年人健康照明產(chǎn)品領(lǐng)域具有較廣闊的發(fā)展前景，這一項(xiàng)目能填補(bǔ)細(xì)分領(lǐng)域的空白。

燈具因搭載兩種色溫的LED 燈珠，可實(shí)現(xiàn)色溫漸變；因搭載變壓適配器，可實(shí)現(xiàn)亮度的無極調(diào)節(jié)，安全、可靠、易上手，老年人不用改變原來的使用習(xí)慣，降低智能產(chǎn)品進(jìn)入老年人家庭的門檻。每天按時(shí)開啟某個(gè)設(shè)備，離家一鍵關(guān)燈，起夜燈光自動(dòng)亮起，家中普通落地?zé)糇冎悄軣?，出門后關(guān)掉家中開關(guān)，離家忘關(guān)燈時(shí)自動(dòng)關(guān)燈。

針對養(yǎng)老建筑室內(nèi)健康照明設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循以人為本的設(shè)計(jì)理念，為老人在不同的空間提供不同方式的照明設(shè)計(jì)，滿足其在不同空間對光照環(huán)境的需求。通過分析老年人的視覺特征和行為習(xí)慣，結(jié)合健康照明的設(shè)計(jì)趨勢及國內(nèi)外相關(guān)研究成果，針對不同的室內(nèi)空間提出設(shè)計(jì)建議, 如表1所示。同時(shí)，關(guān)注健康照明相關(guān)理論基礎(chǔ)和研究，并積極將其設(shè)計(jì)理念運(yùn)用到實(shí)際的養(yǎng)老建筑項(xiàng)目中，做出優(yōu)化老年人生活空間質(zhì)量的設(shè)計(jì)方案，對解決人口老齡化問題將產(chǎn)生積極作用。

表1 老年人照明光環(huán)境推薦值

4 結(jié)論

光與人類健康有著密切的關(guān)系。我們應(yīng)辯證地看待光對人類健康的影響，脫離實(shí)際應(yīng)用場景、應(yīng)用人群特征、設(shè)計(jì)使用狀態(tài)來純粹談光的某個(gè)物理量對人類健康的影響都是片面和不正確的。

在晝夜節(jié)律系統(tǒng)中起著至關(guān)重要作用的光有5個(gè)特征：眼睛接收到的光量或水平、光的光譜特性、曝光的時(shí)間和持續(xù)時(shí)間、一個(gè)人的曝光歷史、晝夜高光照對比性。但對于如何量化其與晝夜節(jié)律系統(tǒng)之間的關(guān)系以及這些特征之間的協(xié)同和協(xié)作關(guān)系，我們的認(rèn)知還非常有限，仍需大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

在人居光環(huán)境設(shè)計(jì)中，將美學(xué)、功能和健康有機(jī)結(jié)合在一起是一項(xiàng)任重而道遠(yuǎn)的目標(biāo)。未來的設(shè)計(jì)師，尤其是光環(huán)境設(shè)計(jì)師不僅需要懂建筑、電光源、美學(xué)知識，還需要學(xué)習(xí)一些醫(yī)學(xué)相關(guān)的知識。隨著大型地下空間和室內(nèi)無自然采光空間建設(shè)的增加，人們室內(nèi)活動(dòng)時(shí)間的增長，高品質(zhì)的光環(huán)境對人的健康影響越來越重要。相信在不久的將來，會產(chǎn)出更多的研究成果，有助于人居空間健康光環(huán)境的進(jìn)一步發(fā)展。