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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

Таким образом, при планировании человеко-ориентированного освещения в офисных помещениях нужно ориентироваться на два правила:

1. 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).
2. 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Рисунок 16. Вид комнаты с включённым освещением на режимах 1 и 2.

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.

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.

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).

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.

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:

1. Entraining Circadian Rhythms, Ian Ashdown, FIES, 21 Jan 2015, http://agi32.com/blog/tag/biologically-effective-lighting/
2. Human-centric lighting set to drastically improve workplace and individual performance, Mark Halper, 21 Oct 2016, http://www.ledsmagazine.com
3. People and health – human-centric lighting, light-building.messefrankfurt.com
4. http://humancentriclighting.org
5. Ten human centric lighting stories you MUST read, 18 July 2016, http://luxreview.com
6. Освещение и биоритмы человека, Кодряну К.И., 11 августа 2008, http://www.designrules.ru
7. Восприятие света как стимула незрительных реакций человека, Г.К. Брейнард, И. Провенсио, Светотехника№1, 2008
8. Светотехника завтра: что самое «жгучее»? В. Ван Боммель, Нидерланды, Светотехника №3, 2010.