教室照明裝備的光健康思考

　　李錦

　　目前，兒童青少年近視防控已經上升至國家戰略，教室照明越來越受到大家的關注。盡管在國家政策的大力支持下，教室照明光環境得到了普遍改善和提高，但是對于教室照明的光健康問題仍未形成全面普遍的認知，幾乎所有的教室照明裝備在提升改造時都會考慮如何選擇高品質的照明裝備來節約建筑能耗、優化照明設計、改善光對人眼視覺舒適度的影響，輔助減少青少年近視率的發生，但光的非視覺效應，即光對人體的生物效應及情緒的影響卻鮮為人知。隨著現代城市的快速發展和照明設備的普及，人類的生活方式發生了極大的變化，城市居民每天在室內工作、學習和生活的時間越來越長。室內照明對人類的健康和兒童青少年生長發育的影響變得尤為重要。

　　本文從光對人體視覺及非視覺的影響兩個方面進行探索，結合目前教室照明現狀，提出如何設計打造健康的教室光環境。

　　一、背景

　　人類的生理結構和生活作息在太陽光下發展進化，在還未出現人造光時，古人遵循著日出而作、日落而息的生活習慣。即使后來人類發明了火把、煤油燈、蠟燭等人造光源，夜間的活動時間也非常短。直至100多年前愛迪生發明白熾燈，人們的生活開始發生變化，在人造光源下的時間逐步增加。由于白熾燈是發熱光源，其發光光譜與太陽光很接近，因此人造光源發出的光線對人類產生的影響似乎并未被認識到。到20世紀30年代，隨著科技的發展，人們發明了熒光燈。熒光燈屬于氣體放電燈，其發光光譜與黑體無任何相關性，人們雖然意識到它的發光光譜與太陽光差異較大，可能會對人產生影響，但熒光燈還是憑借其優秀的節能特性得到了普遍推廣與使用。隨著LED時代的到來，熒光燈被逐步取代。雖然LED燈的光譜可以通過技術手段來進行調節，但目前大部分LED燈都是由藍光芯片激發一種或多種熒光粉，最終由藍光和熒光粉發出的光混合而成白光，與太陽光的光譜相差也很大。隨著城市化進程的加快，人類生活方式發生了極大改變：人們在室內工作、生活的時間越來越長，一些老人、兒童在室內停留的時間甚至占全天時間的90%左右。因此，光對人類健康影響的研究十分重要。

　　傳統的建筑室內照明設計，關注點主要集中在可見性、視覺舒適性等方面，例如滿足基本視覺功能所需的照度、亮度、發光角度、安全性等，以及滿足視覺舒適性所應考慮的如何減少眩光和陰影、提高顯色性、均勻性及空間外觀等，但關于光對人體非視覺生理及心理健康的影響因素卻考慮甚少。

　　教室是比較特殊的室內場所之一，兒童、青少年的視網膜正處于發育過程中，眼角膜和晶狀體更透明，瞳孔較大，對光線更為敏感。因此，教室照明設計在充分考慮視覺需求的同時，也應考慮光的生物效應，從生理和心理兩方面最大限度地降低教室照明對學生健康的不利影響，降低近視率、提高學習效率，抑制焦慮、抑郁等負面情緒的出現。

　　二、光對人類健康的影響

　　太陽光是由太陽發射出的電磁波，分為可見光和不可見光，人眼所能看見這一部分光稱為可見光，其波長范圍通常限定在380—780 nm。與人造光源相比，它的光譜組成和能量分布是隨時間和空間變化的。人體的日光接收器通常指皮膚和眼睛，其對日光的波長響應靈敏度不同，且同時受到光強、曝光時間和持續時間、曝光歷史的影響，不同的光特征會從生理和心理兩方面對人體健康產生不一樣的影響。本文只考慮可見光對人類健康的影響?？梢姽鈱θ梭w有兩類作用：一是環境中的物體以光的形式通過瞳孔反射進眼睛，由角膜和晶狀體聚焦，最后在視網膜上形成關于物體的圖像，經感光細胞轉化為電信號，由視神經接收后產生視覺;二是調節人體的生理節律、警覺度和代謝過程，保持人體健康，這被稱為非視覺生物效應。

　　(一)視覺光環境

　　人通過視覺、聽覺、嗅覺、味覺等從外界獲取信息了解世界。據調查，有80%的信息是通過視覺渠道獲取的^[1]。光環境的強弱、亮度分布、色彩、時間調制等對人的視覺會產生不同的影響。

　　(1)光的強弱影響。人在明亮的光環境中可以更清晰地看清周圍的環境，不費力就能看到他人臉部特征，增強安全感，讓人變得更加積極豁然。但當光線過亮時，會讓人產生眩暈的感覺，長期注視甚至會導致不可修復的視網膜病變，例如在晴天的中午直視太陽10 s就會灼傷視網膜。

　　(2)亮度分布影響。自然的光環境亮度分布均勻性非常高，因此人在自然光環境下感覺舒服;但在路燈照明中，由于人眼需要不停地調節以適應明暗的不同，在這種光環境下人眼極易疲勞。

　　(3)光的色彩影響。光的顏色會給人帶來不同的情感感應，且能夠烘托空間氛圍。心理學家的一些實驗表明不同顏色對人的情緒和心理會產生不同的影響，這個影響是雙面性的，有積極的一面，也有消極的一面。例如紅色，顏色鮮艷強烈，刺激和興奮神經系統，增加腎上腺分泌，增強血液循環。利用紅光可以使人情緒奔放，產生熱烈、活潑的情緒，同時起到警醒的作用，但過久凝視紅光，會影響視力，易產生頭暈目眩之感，心腦血管病患者一般應避免紅色。

　　(4)時間調制影響。關于時間調制，有關文獻描述了三種不同的視覺效果(調制感知)：閃爍、頻閃和幻影光柵與健康的關系^[2]。健康效應可以直接由這些視覺效應引起：閃爍有的是肉眼可以看到，有的是儀器才能測量到。即使是肉眼觀察不到的閃爍，長時間在這種光環境中也可能會引起視覺疲勞，從而導致視力下降甚至引發偏頭痛、癲癇等。頻閃效應是當亮度波動頻率與物體旋轉頻率一致時，觀察到的物體運動呈現出靜止或不同于其實際運動狀態的現象，導致使用機器或工具時可能會發生事故。

　　值得注意的是，對人類視覺對比度感知系統成熟情況的研究表明，兒童青少年對視覺對比度具有最高的敏感性。

　　(二)光的非視覺生物效應

　　隨著生活質量的不斷提高，人們對照明的需求也不僅限于視覺的需要，開始更多地關注光環境對人們心理、生理的影響。

　　(1)睡眠障礙。研究表明，在可見光中的藍光成分(波長480—490 nm)會通過抑制松果體分泌褪黑激素，刺激腎上腺分泌皮質激素等，起到改變生理節律、調節人體生物鐘的作用。激素皮質醇(壓力激素)和褪黑素(睡眠激素)在控制人體的活躍度和睡眠方面起著重要作用。當人體的周期節律出現紊亂時，清晨明亮的光線能夠幫助其恢復正常的周期節律。在自然環境中，室外的日光可以滿足人體同步調節生理節律的功能，這是人類幾百萬年進化的結果。而在當今社會中，人們越來越多的時間是在室內度過，白天無法暴露在足夠強的光線下，晚上又過多地使用富含藍光的燈光以及手機等各種電子顯示屏。數據顯示，目前全國有超3億人存在睡眠障礙，其中3/4在晚上11點以后入睡，1/3要熬到凌晨1點以后入睡，而在睡眠時長低于6 h的兒童青少年中，13—17歲的孩子占比高達89.5%^[3][4]。

　　(2)藍光危害。藍光危害是指光源的400—500 nm藍光波段所帶來的視網膜光化學損傷。它的實質是輻亮度、藍光加權函數和時間的共同作用。只有光源的輻亮度高、藍光成分豐富、使用時間長，才會引起藍光危害。太陽是離我們最近的具有極高輻亮度的自然光源，只要注視時間超過0.5 s就可能引起藍光危害。當然，人們在看到強光時會自我保護，視線會很快離開強光源。

　　(三)從兒童青少年的生理特點分析光的健康影響

　　(1)晶狀體透明度高。研究表明，眼睛晶狀體隨著年齡的變化會逐步變得渾濁，因此，兒童青少年比成年人對光線有更大的敏感度。由于具有清澈的晶狀體，在8歲以前，人體眼睛允許透過80%波長380—500 nm的光線。從25歲起，晶狀體吸收了大約80%波長小于400 nm的光線，但仍有超過50%波長在400—500 nm的光線穿過。因此，兒童青少年更容易受富含藍色的光影響，導致生物鐘的相位延遲，從而影響生理節律。更有甚者認為，在青少年身上引發的節律紊亂可以在成年后繼續存在，并可能會發展成為健康問題。

　　(2)睡眠-覺醒周期和晝夜節律(時間類型)處于變化過程中。幼兒的晝夜節律和睡眠-覺醒周期相對穩定，但逐漸偏向于早上起床時間和睡眠時間后延。睡眠-覺醒周期和晝夜節律的改變開始于5—7歲，12—14歲時會進一步延遲，直到20歲左右達到最晚值，然后在一生余下的時間里逐漸變早。女性平均在19.5歲達到最晚值，男性平均在21歲達到最晚值[5]。盡管青少年傾向于晚睡晚起，但學校課程表要求提早上課時間，這通常會縮短學生的睡眠時間。同時，也有證據表明青少年晝夜節律周期較長，睡眠壓力積累較慢，晝夜節律系統對晚上的光的敏感性大于成年人，尤其是在睡眠相位延遲障礙(DSPD)方面。

　　目前，光與人體健康的研究還處于起步階段，仍需要通過大量的實驗研究來逐步了解光對人體工作機理的影響。

　　三、教室照明環境影響因素

　　我國領土南北跨越的緯度近50度，東西跨越經度60多度，最東端的烏蘇里江畔和最西端的帕米爾高原相差5個時區，按接受太陽能輻射量的大小還可分為5類地區，不同地區間的光氣候有很大差別。因此，各地教室及照明環境情況也有所不同。

　　(1)地域因素影響。由于學校本身的設計并未充分考慮當地經緯度、光氣候等特征，而只把學校教室當成了普通建筑，導致實際教室中自然光的采光量、強弱、時長各不相同，第一縷陽光進入教室的時間也不盡相同。因此，在不同地區對教室照明環境的設計應有所區別。但目前來看，學校在進行教室照明環境的設計過程中并未充分考慮以上因素的影響。

　　(2)設施設備影響。由于貧富差距仍然存在，不同地區的教室照明首要解決的問題也不盡相同。在經濟較落后地區，某些教室照明的基本照度要求都未能達到國家標準，他們首要解決的是看得見、看得清楚的問題;而對于發達地區，信息化程度高的教室都已配有電子屏，在使用電子屏教學時，可能需要考慮的是屏幕的反光問題，直射光的藍光危害問題。此外，由于經濟發達地區與經濟較落后地區對教育設施的投入不同，教室的大小、裝潢材料、信息化程度、座椅材質及顏色、允許容納學生數量均有很大區別。這些因素對于教室照明設計時所應考慮的照度及照度均勻度、眩光、亮度均勻度、藍光等問題均有不同程度的影響。例如，比較寬敞的教室，要解決的是照度均勻度和亮度均勻度的問題，而比較擁擠的教室，前排同學所面對的黑板燈帶來的眩光問題變得更為重要。

　　(3)標準問題影響。由于教室區域化的差異，我國目前還沒有專門針對教室照明的國家標準。將自2022年3月1日起實施的國家標準《兒童青少年學習用品近視防控衛生要求》中對中小學普通教室照明燈具的安全性、色溫、顯色性、藍光危害和閃爍等方面提出了最基本的要求。但是，如果將健康因素考慮到設計中去，標準中所規定的一些參數還需要進行更深入探討，例如，將色溫的范圍從3 300 —5 300 K調整到3 000—6 500 K，以便在早晨利用高色溫燈光的警醒作用迅速讓學生進入高效學習狀態。

　　四、教室照明裝備的光健康思考

　　教室照明裝備所涉及的光健康內容包括視覺健康和非視覺健康兩部分。2018年8月教育部等八部門聯合印發《綜合防控兒童青少年近視實施方案》以來，兒童青少年近視防控工作取得了積極進展和成效。2021年4月教育部辦公廳等十五部門聯合印發的《兒童青少年近視防控光明行動工作方案(2021—2025年)》提出將進一步改善學生視覺環境，改善教學設施和條件，落實教室、宿舍、圖書館等采光和照明要求。在國家政策的大力支持下，教室光環境得到了普遍改善與提升，但是對于光健康的思考還存在一些不足和誤區。

　　(一)垂直照度和空間亮度明亮感應作為視覺健康指標進行要求

　　眾所周知，光線過亮、過暗、不均勻、頻閃、眩光時，眼睛的調節幅度和頻率會很大，屬于過度調節，時間長了會引起視覺疲勞，進而導致視力下降。目前，對于教室照明的視覺健康方面，在考慮滿足基本視覺需要以外，設計師們已將防眩光處理、降低頻閃及閃爍對人眼的不舒適感納入設計考量的范圍。例如，國內幾家大規模教室照明裝備生產企業就分別采用了格柵、導光板等方式來降低照明裝備的眩光指數，同時采用高效LED發光技術及合理的配光技術，大大提升了教室光環境的照度和照度均勻度。除此之外，垂直照度指標和空間亮度明亮感評價指標也與視覺舒適度息息相關，在照明設計中也應將其列入設計的考慮因素當中。

　　(1)垂直照度指標。在建筑室內照明設計中，不費力就能清晰地看到人臉部特征的亮度指標為10—20 cd·m-2，即在面部的垂直照度至少為100 lx，該指標是長期有人活動的房間要求的最小照度。目前的設計標準中并未對垂直照度作相應要求，因此在設計過程中也未將其納入設計的考慮因素中。同時，出于經濟和節能的考慮，設計標準中對水平照度的要求大大低于實際視覺滿意的需要，如教室照明的桌面照度要求僅為300 lx。因此，建議在經濟條件許可的地方，教室照明設計時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應達到800 —1 000 lx。

　　(2)空間亮度指標。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入人眼的光線多少有關，這個值與材料的反射率有直接的關系。日本松下公司在室內照明設計中提出“Feu”的概念，Feu是通過計算視線內的亮度分布而得出的值，用于設計過程中預測空間明亮感的評價指標?？臻g的亮度均勻性能有效緩解人眼疲勞，增加環境舒適感。因此，空間亮度明亮感也應作為教室照明的視覺舒適度指標要求之一。適當將墻壁洗亮的手法是達成提升空間明亮感目的的一種比較經濟的方式。

　　(二)正確理解藍光危害問題

　　藍光相關的光毒性對眼睛有很大影響。光毒性是一種光誘導的細胞改變機制，可導致細胞死亡。暴露在強光下是有光毒性危害的，因為它會導致視網膜細胞不可逆地喪失，這可能導致部分視力下降或完全失明。因此，LED的藍光危害一度被社會熱議，人們談藍光即想到危害，甚至嚴重影響高效教室照明燈具的推廣使用。

　　但是，從目前大量教室照明使用燈具的藍光危害檢測數據來看，絕大部分的教室照明用燈具視網膜藍光危害都低于RG1(1類，低危險，無附加要求，所包含的藍光危害部分定義為在100 s內不造成對視網膜危害)，在合理可預見的使用狀態下，燈具是不會超出藍光危害曝光極限的。從目前教室照明裝備的使用情況來看，不存在藍光危害問題，而用LED做背光的教室用電子屏幕是否對孩子的眼睛帶來危害卻值得研究和探討。同時，任何光源都存在中長期的損害，其損害的造成與光強、照射時長、光譜有密切關系。當提及晝夜節律紊亂和睡眠障礙時更多指的是藍光對人體生物效應而不是視覺效應的影響，不應使用“藍光危害”一詞。

　　(三)設計中增加對光的非視覺健康的考量

　　我們已知光對人體的非視覺健康影響的生物機理。前文提到兒童青少年睡眠—覺醒周期和晝夜節律是處于發展變化過程中的，而且在20歲之前逐步趨于晚睡晚起。數據顯示，60%的學生在第一節課還處于生理上的睡眠階段，盡管他們看上去是醒著的。因此，在選用教室照明裝備時，還應充分考慮裝備中的藍光對人體的非視覺生物效應的影響，以幫助學生建立合理的緊張和放松節奏。根據學生在校一天的作息時間，照明系統可以通過調節光譜、亮度、顏色等參數來設置不同的燈光模式，以滿足不同的需求，例如，富藍光低照度的警醒模式、從粉紅到琥珀色漸變的課間模式、由低色溫逐步變為高色溫的午休模式、富藍光高照度的高效模式、低色溫低照度的放松模式等。

　　五、結語

　　光與人類健康有著密切的關系。我們應辯證地看待光對人類健康的影響，脫離實際應用場景、應用人群特征、設計使用狀態，純粹談光的某個物理量對人類健康的影響是片面和不正確的。教室照明產品是影響青少年生理、心理健康的教育裝備，除了考慮其對視力健康的影響外，還應該將光對人體的非視覺健康因素考慮進去。教室的地理位置、當地的氣候條件、經濟發展情況、學生的年齡階段等因素都應作為產品設計開發的要素。教室光環境應結合控制系統實現動態調節，以滿足使用者一天不同時段對不同光譜成分、亮度、顏色等的需求。在經濟條件允許的情況下，教室照明的照度值要求還應大幅度提高，水平照度應達到800—1 000 lx，垂直照度不低于水平照度的一半。

　　總之，在建筑室內照明設計中，將美學、功能和健康有機地結合在一起是一個任重而道遠的目標。未來我們的照明設計師不僅需要懂建筑、光學、電學、美學知識，還需要學習一些醫學知識。隨著大型地下空間建設的增加以及人們室內活動時間的增長，光對人的健康的影響將變得越來越重要。相信在不久的將來，國內外研究機構將會得出更多的研究成果，推動室內健康照明水平的提升。

　　(作者單位：中國照明學會)

　　參考文獻

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