教室照明設計中光健康的思考

李 錦，陽 能，周雅男

(1.北京首量科技股份有限公司，北京 101111；2.國家節能中心，北京 100045)

引言

傳統的建筑室內照明設計，關注點主要集中在可見性、視覺舒適性及相關方面，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，但關于光對人體生理及心理健康的影響因素卻考慮甚少。

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。即使幾百年前，人類發明了火把、煤油燈、蠟燭等人造光源，晚間的活動時間也非常短。直至100年前愛迪生發明白熾燈，讓人們的生活開始發生變化，在人造燈光下的時間逐步增加。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，但由于它優秀的節能特性被得到的普遍的推廣使用，家家戶戶都開始使用節能燈。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，但與太陽光的光譜相差更遠。同時，隨著城市的發展，人類生活方式的極大改變，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，光與人的健康研究已經迫在眉睫。

教室是比較特殊的室內場所之一，兒童、青少年視網膜正處于發育過程中，因此對光線更為敏感。本文通過研究影響健康的光因素，提出教室照明設計在充分考慮視覺需求時，如何考慮光的生物效應，從生理和心理兩方面最大程度的降低教室照明對學生健康的不利影響，降低近視率、提高學習效率并降低焦慮、抑郁等負面情緒。

1 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，不可見光又包括紅外和紫外。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(圖1、圖2)。多項研究表明人體的日光接收器，通常指皮膚和眼睛，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，因此不同的光特征會對從生理和心理兩方面對人體健康產生不一樣的影響。

圖1 巴黎上空一天中不同時刻的太陽光光譜[1]Fig.1 Solar light spectrum at different times of the day over Paris

圖2 中國不同光氣候區(太陽高度角20°)的太陽光光譜對比分析圖[2]Fig.2 Comparative analysis graph of solar light spectrum in different light climate regions (solar altitude angle of 20°) in China

1.1 可見光的影響

在物理學上，光是一種電磁輻射，人眼所能看見的只是其中一部分，這一部分光稱為可見光，其波長范圍通常限定在380～780 nm之間(圖3)?？梢姽鈱θ梭w有兩類作用，其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，經感光細胞轉化為生理信號，視神經接收后產生視覺；其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，這稱為非視覺生物效應。

圖3 電磁波譜及可見光范圍[3]Fig.3 Electromagnetic spectrum and visible light range

1.1.1 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。據報道，有80%的信息是通過視覺渠道獲取的[3]。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。比如說，明亮的光環境能可以更清晰地看清周圍的環境、不費力氣就能滿意的看到人臉部特征，增強人們的安全感，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。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會感覺舒服；但在路燈照明中出現的“斑馬線”效應，由于人眼需要不停的調節以適應明暗的不同，在這種光環境下人眼極易疲勞。一般認為，光的顏色本身就具有情感色彩，而且對于烘托空間的氛圍非常重要。心理學家對此做過一些實驗表明不同顏色對人的情緒和心理會產品不同的影響，而且顏色對人的影響是雙面性的，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，增加腎上腺分泌和增強血液循環。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。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(圖4)。健康效應可以直接由這些視覺效應引起，也可以在沒有意識地感知任何調制的情況下出現。有意識或無意識地感知調制可能對健康產生的影響包括癲癇發作、交通事故、與使用機器有關的事故，以及偏頭痛、頭痛和視疲勞。在工業或家庭環境中，頻閃效應可能會影響使用機器或工具時的安全[1]。這里值得注意的是，通過對人類視覺對比度感知系統成熟情況的研究表明，兒童、青少年和年輕人對視覺對比度具有最高的敏感性。

圖4 從左至右分別為頻閃、閃爍和幻影光柵效應Fig.4 From left to right are stroboscopic, flicker and phantom grating effects

1.1.2 光的非視覺生物效應

隨著人們生活質量的不斷提高，人們對照明的需求早已超越了僅為視覺需要的階段，開始更多地關注光環境對人們心理、生理的影響。

研究表明，在可見光中藍光成分(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恢復正常的周期節律。在自然環境中，室外的日光可以滿足同步調節人體生理節律的功能，這是人類幾百萬年進化的結果。然而在當今社會中，人們越來越多的時間在室內度過，白天無法暴露在足夠強的光線下，晚上又過多的使用富含藍光的燈光、手機、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，四分之三在晚上11點以后入睡，三分之一要熬到凌晨1點以后入睡，而在睡眠時長低于6 h的青少年兒童中，13歲到17歲的孩子占比高達89.5%。因此，睡眠障礙已然成為必須認真對待的一個問題。

藍光危害是目前大家熱議的另外一個問題。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[3]。當然，人們在看到強光時會自我保護，視線很快離開強光源。

1.2 紫外線的影響

紫外線是電磁波譜中波長為100～400 nm輻射的總稱。根據紫外線對生物作用，在醫療上把紫外線劃分為不同的波段：黑斑紫外線UVA在320～400 nm 波段；紅斑紫外線或保健射線UVB在280～320 nm 波段；滅菌紫外線UVC在200～280 nm 波段。UVC由于波長短，在穿過大氣層時被臭氧分子所吸收，很難達到地面。不同波段的紫外線對人體的影響各不相同。

UVA穿透力最強，可達真皮層，并可對表皮部位的黑色素起作用，從而引起皮膚黑色素沉著，使皮膚變黑，起到了防御紫外線，保護皮膚的作用。長波紫外線雖不會引起皮膚急性炎癥，但對皮膚的作用緩慢，可長期積累，是導致皮膚老化松弛、皺紋、失去彈性和嚴重損害的原因之一[4]。同時A 波紫外線也是治療皮膚病的重要波段，像牛皮癬、白癜風等疾病[5]。

UVB極大部分被皮膚表皮所吸收，但由于波長較短不能滲入皮膚內部。290～400 nm[5]的紫外線對皮膚可產生強烈的光損傷，被照射部位真皮血管擴張，皮膚可出現紅腫、水泡等癥狀，長久照射皮膚會出現紅斑、炎癥、皮膚老化，嚴重者可引起皮膚癌。但是，290～320 nm的UVB紫外線卻可以促進維生素D在皮膚中的合成。維生素D對生長發育、維護牙齒、骨骼和健康的免疫系統必不可少[5]。

值得注意的是，不同膚色、不同年齡的人群對于紫外線的敏感和吸收程度各不相同，比如說低緯度的人移居到高緯度地區時經常會出現由于缺乏維生素D而導致的缺鈣等其他疾?。?0歲老人皮膚合成維生素D的能力只相當于20歲青年的30%～50%[5]；常年戴眼鏡的人需要摘下眼鏡，紫外線才能刺激到視覺神經[6]，因此，在應用紫外線療法進行保健和治療時對于輻射劑量、強度和時間應對適用人群給予以充分考慮。

1.3 紅外線的影響

紅外線又稱紅外熱輻射，波長在780 nm～1 mm之間。根據波長的不同，紅外線又分為近紅外IR-A、中紅外IR-B和遠紅外IR-C。IR-A可以穿透表皮層和真皮層并到達皮下組織，而不會顯著增加皮膚溫度，而IR-B和IR-C主要在表皮層吸收，并顯著增加皮膚溫度[7]。由于紅外線占太陽輻射60%的能量[5]，因此對人類有著顯著的生物效應。

研究表明，紅外和熱是引起皮膚老化的重要物理刺激[8]。 在太陽光的直接輻射下，人體皮膚的溫度可以升高到40 ℃以上[9]。強烈的紅外線輻射毛細血管擴張充血，增加皮膚水分蒸發，直接對皮膚造成不良影響。同時，IR還會通過誘導MMPs增強UV誘導的皺紋形成[10]。短波紅外線可透過角膜進入眼球導致“紅外線白內障”。

但紅外線微量照射治療對微循環的改善效果顯著，可增強人體細胞的正常機能，使殺菌能力、免疫能力等均有所提高。一些臨床應用研究也表明，利用紅外線對帶狀孢疹、潰瘍患兒進行治療，平均治愈時間縮短，效率顯著提高。

總之，光與人體健康的研究還處于剛起步狀態，仍需要大量的實驗研究來逐步了解光對人體工作機理的影響。

2 兒童青少年的生理特點

2.1 晶狀體透明度高

研究表明，由于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，如圖5所示[11]。這些數據是從111名受試者中收集的，他們被分為7個不同的年齡組，在5 m的視距下觀察目標。由圖5可知，隨著亮度的增加，所有年齡組的視敏度都會提高。

注：觀看距離為5 m,在5 m處矯正眼睛以獲得最佳敏銳度。共有111個被試者圖5 視敏度、亮度和年齡之間的關系[11]Fig.5 The relationship between visual acuity, brightness and age

同時，由于具有清澈的晶狀體，在8歲以前，人體眼睛允許透過80%波長在380～500 nm之間的光線。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(圖6)[1]。因此兒童青少年更容易由于接受了富含藍色的光而受到影響，阻止褪黑激素的分泌，導致生物鐘的相位延遲，從而影響生理節律。更有人認為，在青少年身上引發的節律紊亂可以在成年后繼續存在，并成為健康問題發展的基礎。

圖6 不同年齡眼睛晶狀體的透光率[1]Fig.6 Light transmittance of eye lens at different ages

2.2 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[12,13]。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[14-17]，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(圖7)[18]。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。盡管青少年傾向于“早睡晚起”，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，尤其是在延遲睡眠期障礙(DSPD)方面[19,20]。

圖7 時間類型隨年齡的變化Fig.7 Time type changes with age

3 目前教室及照明環境的問題

中國領土南北跨越的緯度近50度，中國東西跨越經度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有所不同：

首先，學校本身的設計并未充分考慮城市經緯度、當地光氣候等的特征，而只把學校教室當成了平常的建筑，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。目前的教室照明設計，并未充分考慮當以上因素的影響；

其次，由于貧富差距仍然存在，城市及經濟發達地區與農村等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應考慮的照度及照度均勻度、眩光、亮度均勻度、藍光等問題都有不同程度的影響。比如，在農村落后地區，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；而對于城市發達地區，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；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等。

最后，也正是由于我國教室區域化的差異，目前還沒有專門針對教室照明的國家標準。2021年3月發布的國家標準《兒童青少年學習用品近視防控衛生要求》[21]中對于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做了最基本的要求。但是，如果將健康因素考慮到設計中去，標準中所規定的色溫范圍3 300～5 300 K值得再探討。

4 教室照明設計中光健康的思考

教室照明設計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部門聯合印發《綜合防控兒童青少年近視實施方案》(教體藝〔2018〕3號)以來，兒童青少年近視防控工作取得積極進展和成效。近期，教育部辦公廳等十五部門關于印發《兒童青少年近視防控光明行動工作方案(2021—2025年)》的通知表示還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不足和誤區。

4.1 視覺健康

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很大，屬于過渡調節，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也已納入設計考量的范圍之中。但是，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，應加入到設計的考慮因素當中。在建筑室內照明設計中，不費力就能滿意的看到人臉部特征的亮度為10～20 cd/m2，這意味著在面部的垂直照度至少為100 lx，而水平照度是其要求的2倍，即200 lx，這是長期有人活動的房間要求的最小照度。對于工作區的照明，為了得到滿意的視覺效果，優先選擇的照度范圍為1 000～2 000 lx[3]。但出于經濟和節能的考慮，目前的設計標準要求要大大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。

同時，對于亮度的理解也存在一些誤區。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(圖8)。因此，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地緩解人眼疲勞，增加環境舒適感。

圖8 觀察空間時的視線Fig.8 Sight of observing space

4.2 藍光危害

藍光相關的光毒性對眼睛也有很大影響。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的，因為它會導致視網膜細胞不可逆的喪失，這可能導致部分(暗點15，視野減小，分辨率降低)或完全(失明)視力下降[1]。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，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，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。而且，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、光譜又密切關系。從目前教室照明的使用情況來看，燈具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。當提及晝夜節律紊亂和睡眠障礙時，不應使用“藍光危害”。

4.3 非視覺健康

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出于發展變化過程中的，而且在20歲之前逐步趨于晚睡晚起。但是，按照原國家教委《學校衛生工作條例》中第五條規定，學生每天到校時間，小學一般不早于7：50，中學不早于7：30，8：00基本已經開始上第一節課，這往往會導致學生睡眠時間縮短。數據表明，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[18]。因此，在教室照明設計中，充分考慮藍光對人體的非視覺生物效應影響，將可以幫助學生建立合理的緊張和放松節奏，例如早晨快速進入學習狀態，白天提高學習效率，下午臨放學緩慢放松下來，降低學習壓力，減少精神不集中等負面情緒。

倫斯勒理工學院的照明研究中心(LRC)一直在開發度量和設計工具，以幫助設計師和相關人員理解和應用建筑環境中的晝夜節律光。由于影響晝夜節律系統的照明特征與影響可見度的特征不同，它是通過急性褪黑激素抑制和昏暗時褪黑素開始分泌的相移(即傍晚褪黑素水平開始升高的時間)來衡量[22]。在設計晝夜節律系統的照明時，重要的是要考慮光照水平，光譜(顏色)，曝光的時間和持續時間以及曝光的歷史(以前的曝光)。確定照明系統是否將傳遞規定量的晝夜節律刺激(CS)的重要一步是確定入射在角膜上的光的光譜輻照度分布。然后，可以從該光譜輻照度分布中計算出晝夜節律光(CLA)，它是在角膜上加權的輻照度，以反映人類在一小時暴露后通過褪黑激素抑制而測得的人體晝夜節律系統的光譜靈敏度。這是從閾值(CS=0.1)到飽和度(CS=0.7)角膜光譜加權輻照度的有效性[22]。具體的設計步驟包括：

1)建立晝夜節律照明設計標準(圖9)；

圖9 不同時段對應不同的節律標準Fig.9 Different time periods correspond to different CS standards

2)選擇燈具類型(例如，直接/間接)(圖10)；

圖10 間接照明和直接照明Fig.10 Indirect lighting and direct lighting

3)選擇光源；

4)對建筑空間進行光度模擬(例如AGi32)(圖11)；

圖11 不同的配光曲線Fig.11 Different light distribution curves

5)根據眼睛的垂直照度(EV)和光源的光譜功率分布(SPD)計算CS(圖12)；

圖12 CS計算工具Fig.12 CS calculation tools

6)確定照明系統是否符合晝夜節律照明設計標準(圖13)；

圖13 根據測試結果進行驗證Fig.13 Verification according to test results

7)如有必要，請重復步驟2～6。

在進行有效的晝夜節律照明設計和確定步驟1的設計標準CS時，最重要的考慮因素是空間，比如說教室照明是為一群人而不是一個人設計的，它是一個開放式的空間，他們的年齡處于7歲～18歲之間，眼睛對光的敏感度很高，他們一早到校就要快速進入學習狀態，中午午休后需要再高效地學習一段時間，下午臨放學時需要一個逐步讓人感覺放松的環境等，因此在設計光環境時，早上應該采用富含藍光的高色溫燈具，利用其警醒的作用使學生快速從休息狀態調制過來，進入學習狀態；中午午休后同樣需要高照度、高均勻性和高色溫的光線來提高學習效率，下午臨放學前的燈光色溫應逐步變暖，降低光線中的藍光含量，幫助學生進入放松狀態。在選擇教室照明燈具時，除了考慮功率、光通量、顯示指數、發光角度等技術參數外，還應考慮其色溫和亮度的可調節性，教室燈光的色溫、照度和亮度應盡量模擬太陽光動態可調，根據兒童青少年的實際生理發育和學習作息情況進行規劃設計，當然，設計必須符合由照明工程協會(IES)等組織建立的所有視覺標準。

5 總結

通過以上分析研究，得到以下結論：

1)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，設計使用狀態來純粹談光的某個物理量對人類健康的影響都是片面和不正確的；

2)由于教室照明使用人群為兒童青少年這一特殊群體，應充分考慮視覺需要以外的非視覺影響，通過教室光環境的動態調節，來設計滿足這一群體生理和心理健康發展需要的光環境；因此在經濟條件允許的情況下，教室照明的照度值可大幅度提到，色溫值也不應做出具體限制；

3)我們已經了解對晝夜節律系統的反應中起著至關重要的作用光的五個特征：眼睛接收到的光量或水平、光的光譜特性、曝光的時間和持續時間、一個人的曝光歷史、晝夜高光照對比性。但對于如何量化他們與晝夜節律系統之間的關系以及他們之間的協同和協作關系我們的認知非常有限，仍需大量的科學實驗進行研究；

4)在建筑室內照明設計中，將美學、功能和健康有機的結合在一起是一項任重而道遠的目標。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相關的知識。隨著大型地下空間建設的增加、人們室內活動時間的增長，光對人的健康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，幫助室內健康照明的提升。