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基于视觉健康的教室照明光环境设计策略

发布日期:2020-03-10 点击次数:1160

阮程1,黄耀伟1,汪洋12

(1.长春希达电子技术有限公司,吉林长春 130103;2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130103)

摘要:随着互联网、半导体照明、5G、AI等产业的迅猛发展,人们对光的需求已远远超过照明的基本需求,更加注重光品质和光环境健康度。本文以防控儿童青少年近视为背景,分析教室照明国内政策与标准,调研目前教室光环境现状,尝试提出基于视觉健康的教室照明光环境设计策略,有效减缓或抑制儿童青少年近视率的增长。

关键词:光品质,光环境健康度,防控近视,视觉健康

1. 引言

人类获取超过80%的外部信息是来源于视觉,视觉负荷加重带来的影响日益凸显,如何有效抑制或减缓近视率的增长成为世界焦点难题。基于视觉健康的照明光环境研究正经历基础理论、创新应用、抢占标准高地等不断延伸和深入的过程。

近期,国外在基于视觉健康的照明光环境研究取得初步进展。2016年美国研究团队发表在《Current Biology》的研究是在小鼠视网膜找到了一种新型神经节细胞,对光反应延迟较长且对远离树突的光刺激有明显反应,被认为可能和近视的发生高度相关,为LED未来在近视和视疲劳防控方面的应用提供了新注解[1]。同年发表在《EBio Medicine》的工作是日本研究学者通过跟踪对比实验发现,适度的近紫外光环境能够减缓或抑制青少年眼轴的发育,降低近视率[2]

我国在这方面的研究也在同步开展,理论研究和临床实验正在探索中,但目前没有确定防控近视和视疲劳的照明方案和产品。2014年,在中科院“璀璨行动”重点项目支持下,完成精准光谱拟合研究、光生物安全性和光生物效应分析以及光对视网膜伤害和视觉功能的影响研究,取得阶段性成果[3, 4]。2017年国家“十三五”重点研发计划“战略性先进电子材料”将健康照明的研究列入重点专项,拟解决健康照明的重大核心科学问题。

2. 教室照明国内标准与政策分析

2.1教室照明国内政策分析

2018年我国半导体照明产业整体产值首次突破7600亿元。作为战略性新兴产业和实现节能减排的重要抓手,半导体照明产业在国际国内都迎来了新的发展机遇。2018年8月习总书记就我国儿童青少年近视高发问题做出重要指示,要求有关部门结合深化教育改革,制定有效的综合防治方案降低儿童青少年的近视率。《健康中国2030规划》指出,“健康是促进人的全面发展的必然要求,是经济社会发展的基础条件”,国家八部委公布的《综合防控儿童青少年近视方案》目标是:“到2023年,力争实现全国儿童青少年总体近视率在2018年的基础上每年降低0.5个百分点以上,近视高发省份每年降低1个百分点以上;6岁儿童近视率控制在3%左右,小学生近视率下降到38%以下,初中生近视率下降到60%以下,高中阶段学生近视率下降到70%以下”,作为与人民群众息息相关的照明,其健康属性必将凸显,意义重大。随后,教育部、国家卫生健康委等部门相继发布多项报告和行动旨在全力做好全国儿童青少年近视防控和健康教育工作,提升全民族健康素质,实现健康中国和教育强国的战略发展要求。

2.2教室照明国内标准调研比对分析

与教室照明相关的国内标准调研汇总如表1所示,标准中衡量教室照明灯具和光环境的指标主要包括平均照度,眩光值,显色指数,照明功率密度,均匀度,色温和光效7个参数,根据对比结果显示在2018年前发布的标准中,以上参数指标基本一致,2019年国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)最新发布的T/CSA 050-2019《教室用LED照明系统产品要求和测试方法》标准中,平均照度,眩光值,照明功率密度和均匀度指标要求均有所提高,色温范围变小,LED灯具光效值更加明确,并在标准中增加了人眼基础屈光、人眼角膜曲率、人眼眼轴长度、人眼高阶像差、光学传递函数、人眼睫状肌调节聚集调节比6个生理指标定量评价照明对人眼视觉疲劳和视觉舒适度的评价方法和指标(VICO)。

表1 与教室照明相关的国内标准

序号

标准名

标准号

维持平均照度(lx)

眩光UGR

显色指数(Ra)

照明功率密度(Wm-2

均匀度U0

色温(K)

LED灯具光效(lm/W)

1

中小学校教室采光和照明卫生标准

GB 7793-2010

≥300

≤19

≥80

现行值/目标值 11/9

≥0.7

3300-5500

/

2

中小学校设计规范

GB 50099-2011

300

19

80

现行值/目标值11/9

≥0.7

/

/

3

中华人民共和国建筑照明设计标准

GB 50034-2013

300

19

80

现行值/目标值9/8

0.6

3300-5500

≥60-75

4

中小学校普通教室照明设计安装卫生要求

GB/T 36876-2018

≥300

≤19

≥80

现行值/目标值11/9

≥0.7

3300-5300

/

5

中小学校教室照明技术规范

T/JYBZ 005-2018

≥300

≤16

≥80

≤9

≥0.7

3300-5500

/

6

教室用LED照明系统产品要求和测试方法

T/CSA 050-2019

黑板面

500-1000

桌面

500-600

≤16

≥80

现行值/目标值9/8

≥0.8

4500-5200

黑板灯≥70教室灯≥80

备注

参考平面

课桌面/0.75m

3. 教室照明现状

2019年1月底对长春市新建的两所重点学校进行教室照明光环境现场测试,测试结果显示灯具显色指数、色温和空间光分布均匀度未达到国家标准要求,如表2所示,教室照明现场勘查记录表如表3所示。

表2标准与现场测试数据对比

标准/学校名称

标准号

维持平均照度(lx)

眩光值UGR

显色指数(Ra)

照明功率密度(Wm-2

均匀度U0

色温(K)

中小学校教室采光和照明卫生标准

GB 7793-2010

≥300

≤19

≥80

现行值/目标值 11/9

≥0.7

3300-5500

学校及幼儿园教室照明产品节能认证技术

CQC 3155-2016

≥300

≤16

≥80

≤8

≥0.7

3500-5000

A实验学校

GB 50034-2013

522.3

/

77.5

5.42

0.65

5622

B实验学校

GB/T 36876-2018

314.3

/

79.4

4.88

0.65

6046

备注:参考平面(课桌面)/0.75m测试日期 2019.01.29

表3 照明现场勘察表

 

4. 教室照明光环境设计策略

根据前期的研究发现,光对人的影响包括视觉和节律两个方面,不同波长的光谱能量分布直接作用于人眼感光细胞(视锥细胞,视杆细胞和ipRGCs细胞),产生神经冲动传递到大脑中枢系统,出现视觉和相应激素的分泌[5-7],如图1所示。教室照明光环境设计中,需要兼顾视觉健康和作业效能,降低或抑制儿童青少年近视的发展,同时保证他们的学习效率和环境舒适度。灯具设计指标以国家标准要求为基础,建议桌面照度500lx-750lx,显色指数不低于90,色温不宜高于4000K,眩光UGR不高于16,空间光分布均匀度不低于0.7,蓝光危害等级RG0,光频闪无危害。对于新建教室,建议参考GB 50034《建筑照明设计标准》和GB/T 51268《绿色照明检测及评价标准》对教室采光进行设计。在教室光环境设计过程中,充分考虑人工光源和室内采光的匹配,提高儿童青少年的视觉舒适度和作业效能。根据不同生活场景,包括教室,儿童房和书房,对儿童青少年所在的室内场所进行全方位健康光环境设计,如图2所示,降低或抑制儿童青少年近视率,提高学习效率和睡眠质量,降低疲劳感。


图1 视觉和节律模型

图2 儿童青少年光环境

5.总结与展望

本文基于教室照明标准和学校教室照明光环境现状,迫切提出基于视觉健康的教室照明光环境设计策略,同时尝试建议教室照明光环境设计中考虑作业效能等非视觉(节律)因素,为儿童青少年营造健康卓越光环境,旨在降低或减缓儿童青少年近视发病率,提高国民健康水平,实现有效近视防控。

参考文献

[1] Mani A, Schwartz G W. Circuit mechanisms of a retinal ganglion cell with stimulus-dependent response latency and activation beyond its dendrites[J]. Current Biology, 2017(4):471-482.

[2] Torii H, Kurihara T, Seko Y, et al. Violet light exposure can be a preventive strategy against myopia progression[J]. EBio Medicine, 2017(15):210-219.

[3] Cheng Ruan, Yaowei Huang, Yang Wang. Research on the healthy style of future lighting[A]. The LED age: Challenge from Asia[C], The 11th Asia Lighting Conference (Kobe, Japan), 2018:9.

[4] 阮程, 黄耀伟, 汪洋. 婴幼儿健康光环境的研究进展及其设计策略[J]. 照明工程学报, 2018(6):16-20.

[5] 郝洛西, 曹亦潇, 崔哲. 光与健康的研究动态与应用展望[J]. 照明工程学报, 2017(6):1-15.

[6] Rea M S, Figueiro M G, Andrew B, et al. Circadian light[J]. Journal of Circadian Rhythms, 2010(8):2.

[7] 江怡辰. 以人为本照明设计理念下的昼夜节律照明研究动态与思考[A]. 中国照明学会. 2018年中国照明论坛——半导体照明创新应用暨智慧照明发展论坛论文集[C]. 中国照明学会:中国照明学会, 2018:12.

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