Проектирование офисного освещения с учётом Human Centric Lighting
Human Centric Lighting (HCL) – это, буквально переводя с английского, человеко-ориентированное освещение. То есть, освещение, учитывающее биологические потребности человека. В течение многих лет эволюции наш зрительный аппарат изменялся и подстраивался под условия существования. Мы имеем стереоскопическое, цветное зрение, потому что с его помощью древние люди могли найти себе пищу и вовремя заметить врага. Сейчас потребности человека в обычной жизни несколько изменились, но наш организм функционирует по тем же законам, он «спроектирован» для жизни под открытым небом. Люди сейчас проводят 90% времени в помещениях с искусственным освещением, но как это отражается на здоровье и самочувствии? Почему в одних условиях мы чувствуем себя подавленными и уставшими уже с утра, а в других – полны энергии и желания работать? В проектах Human Centric Light реализуется освещение с учётом особенностей именно человеческого восприятия света во всей его полноте. В этой статье мы подробно рассмотрим, в чём они заключаются и как с помощью света можно управлять ощущениями и работоспособностью человека.
Как человек воспринимает свет?
Человек имеет два глаза (бинокулярное зрение), информация с которых обрабатывается раздельно и параллельно и затем синтезируется в мозгу в единый образ.
![](/upload/article/Human-1.jpg)
Рисунок 1. Строение глаза человека.
На сетчатке находятся фоторецепторы – светочувствительные клетки, они реагируют на попадающий на них свет нервным импульсом. До недавнего времени были известны два типа фоторецепторов: палочки и колбочки. Палочки отвечают за ночное зрение и работают в условиях низкой освещённости, обладая очень высокой чувствительностью. При этом цветовое восприятие практически отсутствует, в сумерках и ночью человек с трудом различает цвета. Колбочки же обеспечивают «дневное зрение», они работают, когда света много, и бывают трёх типов – восприимчивые к синему, красному или зелёному свету. В результате суммы импульсов от трех видов колбочек человек «видит» определённый цвет. Любопытно, что одинаковое ощущение цвета человек может получить при разном спектральном составе источников света. Например, и дневной свет и свет люминесцентной или светодиодной лампы человек воспринимает одинаковым – белым. Хотя спектры излучения совершенно разные, они дают мозгу одинаковый итоговый сигнал.
![](/upload/article/Human-2.jpg)
Рисунок 2. Примерный вид спектра излучения дневного света, люминесцентной лампы, светодиода.
Но если ощущение цвета одинаковое, зачем производители ламп стремятся к наиболее широкополосным люминофорам? Чем плох линейчатый спектр, если он даёт такой же результат – белый свет? Дело в том, что когда мы смотрим на объекты разных цветов, то видим цвет отражённого света. А он является результатом перемножения двух кривых: спектра источника света и спектра отражения материала, из которого сделан объект. Если мы будем освещать красный мяч источником света, который не содержит излучения в красной области (либо содержит его мало), то увидим его морковным, коричневатым, бордовым – но совершенно точно не красным. Нельзя отразить то, чего нет. Нахождение в течение долгого времени в условиях искажённых цветов негативно влияет на состояние человека. Появляется утомление, ощущение дискомфорта.
![](/upload/article/Human-3.jpg)
Рисунок 3. Примерная картина освещения предмета источниками света одинаковой цветовой температуры, но разного спектрального состава (и с разным индексом цветопередачи).
Поэтому для хорошей цветопередачи важно, чтобы спектр излучения источника света был более «сплошным» и содержал излучение всех длин волн. Этот параметр характеризуется индексом цветопередачи и обозначается Ra или CRI (Colour Rendering Index). Чем выше индекс цветопередачи (максимальное значение – 100), тем лучше источник света передаёт цвета.
В начале XXI века стало известно, что помимо палочек и колбочек, на сетчатке присутствует ещё один тип фоторецепторов. Это ганглионарные (или «ганглиозные») клетки типа ipRGC (intrinsically photosensitive retinal ganglion cells).
![](/upload/article/Human-4.jpg)
Рисунок 4. Клетки сетчатки.
Они содержат особый светочувствительный пигмент меланопсин (отличный от родопсина палочек и йодопсина колбочек) и реагируют на коротковолновую, синюю часть видимого спектра с длиной волны от 450 до 480 нм. Особенность этих клеток в том, что они не участвуют в создании цветового образа в мозгу человека. Импульсы ганглионарных клеток идут от сетчатки к гипоталамусу тремя разными путями, обеспечивая световое управление циркадными ритмами, а также по отдельному нервному пути обеспечивают реакцию сужения зрачка на свет.
Что такое «циркадные ритмы»?
Циркадные ритмы – это наши «внутренние часы», колебания интенсивности различных биологических процессов в организме, связанные со сменой дня и ночи. В первую очередь, это, конечно, смена состояний «сон/бодрствование». Но помимо этих «первичных», физиологических проявлений цикличности, в организме человека в течение суток постоянно происходит и смена других состояний, более относящихся к эмоциональным ощущениям: всплеск энергии, бодрость, спад активности, утомлённость, расслабленность… Весь набор состояний, пережитый человеком за одни сутки называется циркадным циклом.
На физическом уровне нашими биоритмами управляют гормоны мелатонин, кортизол и серотонин. В зависимости от внешних условий (одним из важнейших факторов влияния является освещение) их концентрация в организме меняется и человек меняет одно состояние на другое.
![](/upload/article/Human-5.jpg)
Рисунок 5. Циркадные ритмы человека.
Мелатонин – «гормон сна», он вырабатывается эпифизом только в темноте. Когда концентрация мелатонина высока, мы хотим спать. При наступлении дня, когда солнце всходит, и небо становится из чёрного голубым, ганглионарные клетки на сетчатке глаза получают сигнал о том, что появился источник света (а точнее, источник синего света – именно к нему они чувствительны) и начинают блокировать выработку мелатонина. Пора вставать!
Перед пробуждением организм должен быть готов к новому дню, и параллельно со снижением мелатонина, возрастает уровень кортизола – «гормона бодрости». Главной функцией кортизола является обеспечение организма энергией, добыча глюкозы. Чтоб поставить в организм нужное количество этого вещества, кортизол перерабатывает жиры в жирные кислоты, а потом в глюкозу. Чтобы утром, когда человек просыпается, у него были силы сразу начать активную жизнь, кортизол насыщает клетки глюкозой примерно с середины ночи. Пик выработки кортизола приходится на время утреннего подъёма, когда солнце начинает светить в окно. В пасмурный день кортизола вырабатывается меньше, поэтому человек может ощущать себя вялым, неактивным, ему не хочется двигаться. В ясный, солнечный день напротив наблюдается прилив сил и энергии, как бы само собой появляется хорошее настроение.
![](/upload/article/Human-6.jpg)
Рисунок 6. Баланс мелатонина и кортизола в циркадном цикле.
Ещё кортизол называют «гормоном стресса». Только он не является его источником, а наоборот помогает с ним бороться. Когда в условиях внезапного повышения внимания, какой-то новой неожиданной задачи, человеку требуется максимум энергии для принятия решения и выхода из сложившейся ситуации – кортизол работает наиболее активно. Но если стресс не заканчивается и состояние повышенного напряжения продолжает длиться, то кортизол начинает расщеплять в глюкозу все по порядку, переключаясь с жиров на белки. Все внутренние органы состоят из белков, поэтому излишек кортизола приводит к разрушению тканей внутренних органов и аутоиммунным реакциям. Снижение уровня кортизола происходит во время ночного отдыха, поэтому так важно не экономить на сне и давать организму восстановить гормональный баланс.
Серотонин – «гормон счастья», обеспечивает хорошее настроение и общее ощущение счастья. Его синтез облегчается с повышением количества глюкозы в крови, поэтому тесно связан с работой кортизола. Так же, как и он, серотонин активнее вырабатывается при солнечном свете.
На наши биоритмы влияют не только суточные смена дня и ночи, но и сезонные, годовые циклы. Осенью и зимой, когда длина светового дня заметно сокращается, многие испытывают на себе симптомы сезонного аффективного расстройства (САР). Это трудность ранних подъёмов, сонливость, недостаток энергии (как следствие – желание потреблять высокоуглеводную пищу), сложности в концентрации и принятии решений, общее плохое настроение и состояние уныния. С наступлением весны и увеличением времени пребывания солнца над горизонтом эти симптомы уходят сами собой.
![](/upload/article/Human-7.jpg)
Таким образом, условия освещения самым прямым образом влияют на наше самочувствие и работоспособность. Человек с правильным, ненарушенным циркадным циклом имеет крепкий здоровый сон по ночам, утром испытывает прилив сил, в течение дня чувствует себя хорошо и переживает несколько пиков активности, сменяющихся периодами расслабления.
Каким образом следует «настраивать» освещение под наши потребности?
Первое биологически-активное освещение (создаваемое после открытия роли ганглионарных клеток в регуляции циркадных циклов) основывалось на идее того, что человеку необходим свет с тем же содержанием синего, что и в спектре солнца. В частности, этим руководствуется стандарт DIN SPEC 67600:2013-04 «Биологически эффективное освещение – рекомендации по проектированию». Производители ламп и светильников стали специально расширять и повышать синюю составляющую в спектрах своих изделий, маркируя их «full-spectrum» (источники света полного спектра) и позиционируя, как помогающие справиться с усталостью и депрессией.
![](/upload/article/Human-8.jpg)
Рисунок 7. Примеры ламп full-spectrum, с увеличенной синей составляющей в излучении.
Но не всё так просто, и не только лишь наличие синего света ответственно за наши биоритмы. Современные источники света с электронными блоками питания позволяют варьировать параметры излучения во времени: возможно регулировать и яркость и спектральный состав света, создавать любой сценарий. Но каким именно он должен быть?
В течение дня и количественные и качественные характеристики солнечного света изменяются. Утром и на закате свет приглушённый и тёплый, жёлтого оттенка. Днём – «более белый» и намного более яркий.
![](/upload/article/Human-9.jpg)
Рисунок 8. Изменение цветовой температуры солнечного света в течение дня.
Логично, что для хорошего самочувствия человеку нужно искусственное освещение, максимально приближенное к естественным условиям, которые описаны выше. Поэтому, если речь идёт о биологически активном освещении в офисе, где современный человек проводит в среднем от 8 до 10 часов своего дня, то для комфортного состояния людей в первую очередь должно быть обеспечено плавное изменение цветовой температуры (аналогично солнечному свету).
![](/upload/article/Human-10.jpg)
Рисунок 9. Изменение цветовой температуры светодиодных светильников в офисе.
Не стоит забывать, что на любой работе бывают как закономерные, так и внештатные всплески активности. Совещания, мозговые штурмы, деловые встречи, срочные вопросы, требующие немедленного решения – для таких случаев должна быть возможность выйти из привычного состояния и немедленно мобилизовать внимание. Соответствующий режим освещения в таких случаях способен внести немалый вклад в повышение работоспособности людей. В то же время, невозможно постоянно находиться в состоянии активности. Человеку необходимо иметь возможность время от времени расслабляться. Запас человеческих сил конечен и, чтобы не растратить их все сразу ещё в первой половине дня, мы сменяем периоды концентрированного внимания и вдумчивой работы промежутками отдыха. Обеденный перерыв, кружка чая или просто десять-двадцать минут наедине со своими мыслями помогут восстановиться и вернут боевой настрой. И здесь не обойтись без подходящего: уютного и расслабляющего режима освещения.
![](/upload/article/Human-11.jpg)
Таким образом, при планировании человеко-ориентированного освещения в офисных помещениях нужно ориентироваться на два правила:
- По умолчанию, в течение дня цветовая температура источников света должна плавно меняться аналогично солнечному свету: от тёпло-белого (утром) к нейтрально- или холодно-белому (днём) и снова к тёплому оттенку (вечером).
- В зависимости от конкретных рабочих задач должна быть возможность прервать автоматический сценарий и включить нужный режим яркости и цветовых характеристик тогда, когда это понадобилось.
Какие примеры реализации Human Centric Lighting в офисном освещении существуют сегодня?
Среди крупных производителей в сфере осветительного оборудования на западном рынке большую заинтересованность в теме HCL показывает Helvar. В компании разработаны драйверы, контроллеры и программное обеспечение, позволяющие как обеспечивать автоматический сценарий освещения, так и устанавливать нужный световой режим вручную – с кнопочной панели, пульта или через приложение в планшете или компьютере.
![](/upload/article/Human-12.jpg)
Рисунок 10. Возможности выбора сценария освещения в продуктах Helvar.
В главном офисе Helvar в городе Эспоо (Финляндия) освещение спроектировано с учётом последних достижений техники и максимально отвечает потребностям людей. Используя беспроводное управление и программируемые контроллеры DALI, сотрудники офиса могут устанавливать на своих рабочих местах такие цветовую температуру и яркость источника света, которые наиболее комфортны для них в данный момент.
![](/upload/article/Human-13.jpg)
Рисунок 11. HCL освещение в главном офисе Helvar. (Фото Helja Korkala, Anders Portman).
Ещё один проект на оборудовании Helvar реализован в Лондоне в архитектурном бюро Rogers Stirk Harbour + Partners (RSHP). Светильники в главном пространстве студии в течение всего дня меняют цвет и интенсивность света, отражая естественный солнечный цикл. При этом учитывается и доля естественного освещения, свет, проникающий через окна. Программируемые роутеры (технология Intelligent Colour – «Умный Цвет») с помощью датчиков-мультисенсоров управляют параметрами излучения светодиодных светильников по протоколу DALI Type 8 Colour Control.
![](/upload/article/Human-14.jpg)
Рисунок 12. Human Centric Lighting в архитектурном бюро RSHP.(Фото James Newton Photographs)
В России так же есть примеры проектов с человеко-ориентированным биологическим освещением. Один из них – переговорная комната в московском офисе компании «БЛ Трейд», дистрибьютора крупнейшего в стране светотехнического производства – световых приборов GALAD и опор освещения Opora Engineering. В проекте использованы светильники GALAD Арис с изменяемой цветовой температурой – в них установлены поровну два типа светодиодов: холодно-белые (Тцв=6500 К) и тёпло-белые (Тцв=2700 К). Управляющие компоненты те же, что и в примере выше: драйверы DALI 8, роутер и мультисенсор Digidim 312.
![](/upload/article/Human-15.jpg)
Рисунок 13. Реализация Human Centric Lighting на оборудовании GALAD и Helvar.
Примерно посередине над рабочей поверхностью на потолке установлен мультисенсор. На стене – управляющая кнопочная панель.
![](/upload/article/Human-16.jpg)
Рисунок 14. Проектная визуализация решения.
Светильники оснащены электронными блоками питания (драйверами), которые могут менять соотношение яркостей холодно-белых и тёпло-белых светодиодов внутри светового прибора так, чтобы получить нужные в данный конкретный момент цветовую температуру излучения и световой поток светильника.
![](/upload/article/Human-17.jpg)
Рисунок 15. Изменение цветовой температуры освещения.
Роутер, получая сигналы о показаниях мультисенсора в реальном времени, даёт команды драйверам, и они повышают либо понижают токи соответствующих групп светодиодов. Если возникает потребность прямо сейчас установить нужный режим освещения, то, нажимая кнопку на панели управления, мы посылаем сигнал в роутер, а оттуда он поступает к драйверам светильников.
Панель управления на стене содержит кнопки с четырьмя режимами, кнопку выключения (о) и кнопки «больше»-«меньше» для регулирования яркости при неизменной цветовой температуре света.
Варианты статичного освещения в кнопках панели заложены следующие:
- Тцв=2700 К, освещенность при закрытых шторах 780 лк;
- Тцв=6500 К, освещенность при закрытых шторах 720 лк;
- Тцв=4000 К, освещенность при закрытых шторах 730 лк;
- Тцв=4000 К, освещенность при закрытых шторах 200 лк.
![](/upload/article/Human-18.jpg)
Рисунок 16. Вид комнаты с включённым освещением на режимах 1 и 2.
![](/upload/article/Human-19.jpg)
Рисунок 17. Вид комнаты с включённым освещением на режимах 3 и 4.
Мультисенсор следит за уровнем освещённости в комнате (включая долю естественного освещения), измеряя количество света на подконтрольной площади. В зависимости от геометрии помещения, расположения рабочих столов и предпочтений сотрудников, можно установить один из вариантов – учитывать результат с большей или меньшей территории. Настройка выполняется установкой кольцевого ограничителя.
![](/upload/article/Human-20.jpg)
Рисунок 18. Настройка поля действия мультисенсора.
Помимо этого, мультисенсор реагирует на присутствие человека, выключая освещение в те моменты, когда помещение пустует. Если за 20 минут после включения датчик не зафиксировал движения, освещённость снижается до промежуточного значения. Если в течение следующих 20 секунд движение по-прежнему отсутствует, то свет выключается до момента обнаружения нового движения.
![](/upload/article/Human-21.jpg)
Рисунок 19. Схема работы инфракрасного датчика присутствия человека.
Блоки питания светильников LL35/2-E-DA-iC имеют возможность диммирования от 1 до 100% и работают по протоколу DALI Type 8. Они имеют высокий КПД (более 90%), защищены от пиковых импульсов напряжения в сети до 4 кВ.
Помимо кнопочной панели, возможно управление освещением с мобильного телефона или планшета по wi-fi. Специальное приложение, которое можно скачать в AppStore или GoogleMarket, позволяет дистанционно включать и выключать свет, выбирать один из четырёх запрограммированных режимов, а также изменять по отдельности цветовую температуру (внешняя окружность) и яркость света (внутренняя окружность либо кнопки больше/меньше).
![](/upload/article/Human-22.jpg)
Рисунок 20. Внешний вид экрана мобильного телефона и планшета с установленным приложением.
Таким образом, в проекте «БЛ Трейд» реализован полный функционал возможностей, которые предполагает концепция Human Centric Lighting.
Заключение.В XXI веке уже недостаточно, чтобы светильники лишь обеспечивали необходимую освещённость, и в помещении было просто «светло». Используя возможности, которые открывают нам современные достижения науки и технологии, искусственное освещение может быть средством терапии – помощником в борьбе с усталостью, плохим настроением, рассеянием внимания. Умный свет, ориентированный на наши биологические особенности, способен улучшить психологическое и физиологическое состояние людей, повысить их работоспособность и качество их жизни. Главные производители светотехники уже предлагают варианты готовых решений, и остаётся только сделать свой выбор.
Технический консультант ООО «БЛ Трейд», Елена Ошуркова
Список литературы:
- Entraining Circadian Rhythms, Ian Ashdown, FIES, 21 Jan 2015, http://agi32.com/blog/tag/biologically-effective-lighting/
- Human-centric lighting set to drastically improve workplace and individual performance, Mark Halper, 21 Oct 2016, http://www.ledsmagazine.com
- People and health – human-centric lighting, light-building.messefrankfurt.com
- http://humancentriclighting.org
- Ten human centric lighting stories you MUST read, 18 July 2016, http://luxreview.com
- Освещение и биоритмы человека, Кодряну К.И., 11 августа 2008, http://www.designrules.ru
- Восприятие света как стимула незрительных реакций человека, Г.К. Брейнард, И. Провенсио, Светотехника№1, 2008
- Светотехника завтра: что самое «жгучее»? В. Ван Боммель, Нидерланды, Светотехника №3, 2010.