面向視覺與節律健康需求的中小學校教室照明研究

胡治國，魏 彬，丁文超，黃瀅瀅，戴 奇，3

(1.復旦大學工程與應用技術研究院超越照明研究所，上海 200433; 2. 佛山電器照明股份有限公司，廣東 佛山 528099，3.中山復旦聯合創新中心，廣東 中山 528403)

引言

隨著科技的進步和工作方式的轉變，人們對室內空間光環境的需求已從滿足視功能、提高視覺功效逐步拓展至追求明亮、舒適、健康的光品質[1-8]。而得益于光生物學和照明人因工學的發展，近年來健康照明及其應用成為行業內熱議的話題。教室作為學生日常生活學習的主要空間，應當成為踐行健康照明的重要場所。

《綜合防控兒童青少年近視實施方案》[9]中明確指出“改善教室的視覺環境”、“使用利于視力健康的照明設備”等要求。《兒童青少年近視防控光明行動工作方案(2021—2025年)》[10]中同樣明確指出要“改善學生視覺環境”，“落實教室、宿舍、圖書館(閱覽室)等采光、照明要求”、“為學生提供符合用眼衛生要求的學習環境”。在相關政策文件的指導下，針對近視的防控防治，行業內圍繞中小學校教室的健康照明方案展開了一系列的探索。越來越多的學者認為，教室健康照明需要綜合考慮視覺和節律兩個維度，而現有標準和實際應用中針對相關內容仍存在欠缺。因此，基于視覺與節律層面的健康需求，開展高品質的中小學校教室照明研究，推進教室健康照明標準建設和應用示范，對保障中小學生的視力乃至身心健康具有十分重要的意義。

1 空間視亮度與視覺健康

傳統的照明方式旨在提升視覺功效，重點關注水平工作面照度。隨著自發光屏幕的普及，需要較高水平照度的視覺任務已逐漸減少，人們更加追求整體空間的視覺舒適性，其中一個重要方面是空間視亮度(spatial brightness perception)，即人們對空間光環境整體明亮程度的主觀感受[11,12]。

空間視亮度與視覺健康密切相關。近年來，中小學生的近視問題成為人們關注的重點，多項研究表明[13-18]，學生在白天時段是否有足夠的時間暴露于一個明亮的光環境中(如戶外活動)，對其近視的發病率有重要的影響[13-17]。教室空間作為中小學生日常最主要的學習生活場所，相較于具有充足自然光照的戶外空間，往往需要通過人工照明進行補充，明亮舒適的教室光環境可對預防近視起到重要的積極作用[18]。

對于教室空間照明環境的評價，當前行業內仍重點關注水平課桌面照度等基本照明指標。然而，即使水平照度滿足相關規范要求，整體教室空間仍可能處于昏暗狀態，而單純地提高水平照度不僅對空間明亮感受和視覺舒適性的提升作用有限，還容易造成“洞穴效應”和眩光[1,2]。相較于水平課桌面照度，相關研究提出視野范圍內的亮度分布[19,20]、房間表面的平均出射度[21,22]與空間明亮程度的感知更加密切相關。而我們近期的研究表明，上述基于亮度的參數指標僅可反映空間中被照表面的物理特性(即被照表面接收到的光照強度)，難以準確、直接地描述人眼對空間明亮程度的主觀感受，由空間各個表面漫反射所產生的間接光到達眼部所形成的垂直照度與空間明亮程度的聯系更為緊密。圖1為使用照明設計軟件DIALux evo對標準教室空間(長9.0 m、寬6.0 m、高3.6 m)照明環境的模擬計算結果：基于典型教室照明燈具布置方案，在空間參數(墻面、天花等反射率)和照明燈具參數(數量、高度、位置、光通量)設置相同的情況下，圖1(a)所示的教室照明場景采用了上照的照明方式，這使得在眼部高度垂直面上所產生的照度均為經過墻面反射的間接光實現，而圖1(b)所示的教室照明場景采用了下照的傳統照明方式。比較上述兩個場景中的軟件模擬計算結果可知：圖1(a)所示的教室場景盡管水平課桌面照度更低，但在整個座位區域，面向黑板方向、距離地面1.2 m高度處(即坐姿視線高度)具有較高眼部垂直照度(280 lx)且均為間接光，教室空間更為明亮；而圖1(b)中的教室場景具有更高的水平課桌面照度，但在整個座位區域，面向黑板方向、距離地面1.2 m高處的眼部垂直照度較低(214 lx)，空間相對昏暗。由此可見，僅依靠“水平課桌面照度”這一指標難以準確地衡量教室空間的明亮程度，由教室各個表面反射的間接光所產生的眼部垂直照度十分重要。因此，在教室照明中引入合適的指標用以評價衡量并保證其空間的明亮程度將有助于保障中小學生在教室空間中的視覺健康。

此外，通過軟件的進一步模擬計算：在同一教室空間設置和恒定的教室面板燈具光通量輸出下，改變燈具的上下出光比例，并且在既定照明方式下增加燈具的輸出強度直至最大，可以得到不同照明方式下(100%下照、100%上照)水平課桌面照度和眼部垂直照度的二維映射關系。如圖2所示，在燈具總輸出強度不變的情況下，二者的比值(水平課桌面照度/眼部垂直照度)大致處于2∶1至3∶1之間變化，且圖中所示的三角形區域為上述兩項參數指標的可變范圍。因此，根據水平課桌面照度的標準限值即可大致界定眼部垂直照度的取值變化范圍，這為界定相應的眼部照度取值提供了重要依據。而在教室照明中，對于眼部垂直照度的標準限值要求，需要綜合考慮學生一天中在視覺、節律層面的綜合光照刺激強度需求以及技術的可行性等多方面內容，以界定合理的取值范圍。

圖2 恒定燈具總輸出強度、不同教室照明方式下，水平課桌面照度與眼部垂直照度的二維映射關系Fig.2 The two-dimensional mapping relationship between desk horizontal illuminance and eye-level vertical illuminance under constant total output intensity of lamps and different classroom lighting modes

2 教室照明與節律健康

光照不僅具有視覺功能，還會產生非視覺生物效應。2002年，內在光敏視網膜神經節細胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGC)[23]的發現，揭示了光的非視覺生物效應的作用機制：視網膜上的ipRGC接收光照刺激并經由神經突觸將生理電信號傳遞至下丘腦的視神經交叉上核(suprachiasmatic nucleus, SCN)，進而參與調節人體的晝夜節律系統(包括新陳代謝、睡眠覺醒等生理活動)。一天中適宜時間、適宜強度的光照刺激可有效地將人體內在的生物鐘校準至與地球自轉周期相同步，從而維持人體各項生理功能有規律地運轉[24]。當前，照明領域關注的重點已經從滿足傳統的視覺需求層面，逐步拓展至非視覺維度，尤其是光照對節律健康的影響。

然而，現代社會白天長期處于室內的工作方式以及恒定不變的人工照明環境，使得由自然日光主導的人體節律調節機制變得脆弱，甚至會擾亂晝夜節律并對人體造成長期的健康危害[25-27]。因此，在室內空間中應用節律照明技術具有重要價值[25]。旨在維持節律健康的照明環境需要在白天提供較高的光照節律刺激，這有助于人們日間保持清醒，促進工作效率的提升和夜晚褪黑素的分泌；而在夜間，則要在滿足基本視覺需求的前提下，盡可能減少光照節律刺激，避免抑制夜間褪黑素的分泌，進而影響睡眠。

2.1 中小學生的節律健康問題

對于身心處于快速成長發育階段的中小學生而言，教室空間的光環境不僅需要保障視覺健康，其節律健康效果也非常重要。然而，青少年的內在生物鐘與我國內地學校作息存在明顯不匹配的現象：根據2019年的《中國青少年兒童睡眠健康白皮書》[28]報告顯示，高達59.4%的中學生平均睡眠時間不足7 h，并伴有入睡困難等睡眠亞健康問題。教室空間作為中小學生日常生活和學習最主要的場所之一，需要為學生提供適時、適量的光照節律刺激，而現有恒定的、只考慮水平課桌面照度的教室照明環境，難以為中小學生提供一個健康的光照節律刺激。因此，為改善中小學校教室空間的照明質量，需要在一天中的不同時段提供具有不同節律刺激強度的教室照明方案，這將有助于保障青少年的節律健康，進而促進其夜間睡眠質量的改善，提升其白天的學習效率。

2.2 節律效應的量化指標

目前，針對光的非視覺生物效應，相關機構已推出了相應的照明量化指標。美國的WELL建筑標準(Well Building Standard)推薦了視黑素等效勒克斯(equivalent melanopic lux, EML)作為光照節律效應的量化指標[29]，該指標是按等能光譜(CIE標準光源E)條件下光照對ipRGC的等效照度數值與明視覺照度數值相等的原則選取了數值縮放系數，計算公式如下：

(1)

(2)

此外，2018年國際照明委員會(CIE)就量化ipRGC受光響應的非視覺生物效應發表了相關的國際標準文件[30]，推薦將視黑素等效日光(D65)照度(melanopic equivalent daylight illuminance, melanopic EDI)作為節律效應的量化指標，并推薦人們在日間接受較高的節律刺激，因為這對警覺性、晝夜節律和良好的睡眠均具有積極作用；推薦在夜間避免過高的節律刺激，因為在傍晚和夜間較低的節律刺激有利于提高人們的入睡效率和睡眠質量。針對melanopic EDI指標可作如下理解：由CIE標準光源D65(Daylight 6500 K)產生與待測場景相同的視黑素等效照度時，該D65光源產生的照度值即為待測場景的melanopic EDI值。計算公式如下：

(3)

根據式(2)和式(3)可知，EML和melanopic EDI指標在本質上并無差異，二者彼此的數值之間也存在一定的換算關系，即：

(4)

上述內容簡要介紹了目前已被國際權威機構推薦的節律效應量化指標，這為節律健康照明在教室空間中的應用提供了重要的支撐。

3 面向視覺與節律健康需求的中小學校教室照明標準

圍繞教室空間的健康照明方案需充分考慮視覺與節律健康兩方面的需求。目前，我國各類規范、標準中已對涉及中小學校教室照明的基本視覺指標(水平照度、眩光、頻閃、藍光危害、顯色性指數等)做出了相應規定，(例如《建筑照明設計標準》(GB 50034—2013)[31]、《中小學校普通教室照明設計安裝衛生要求》(GB/T 36876—2018)[32]等標準)，但還未涉及生理節律健康方面的照明參數和指標。此外，已發布的相關規范與標準均重點關注水平課桌面照度，對空間視亮度(即教室空間的明亮程度)尚未涉及。

基于上述背景，2020年，復旦大學工程與應用技術研究院聯合有關單位發布了團體標準《中小學校教室照明質量分級評價》(T/SIEATA 000001—2020)[33](以下簡稱團體標準)。該標準綜合考慮了視覺和節律健康兩方面因素，參考國家規范[31,32]和地方標準[34]，借鑒各類國際標準[29,30]，對符合驗收要求的教室照明質量進行分級評價，并針對不同層級，提出了相應的技術要求。

該團體標準將明確的視覺健康和節律健康指標引入教室照明標準文件，并將影響教室空間明亮程度的相關指標納入教室照明質量的考量范圍，提出了采用眩光約束下的眼部垂直照度作為評價教室空間明亮程度的依據，即在規定眼部垂直照度要求的同時，通過結合學生座位區域的統一眩光值UGR要求，避免了燈具直射眼睛的情況，保障了教室空間的視覺明亮感和舒適度；此外，針對光照的非視覺生物效應，與節律健康相關的照明指標——視黑素等效勒克斯(equivalent melanopic illuminance，EML)[27,29]和視黑素等效日光(D65)照度(melanopic equivalent daylight (D65) illuminance, melanopic EDI)[30]也被引入教室照明標準，這有望促進我國中小學校的教室照明質量，使其逐漸拓展至節律健康的維度。該團體標準在現有國家規范、行業及地方標準的基礎上，從視覺健康、節律健康、照明系統以及節能減排等四個方面對教室照明質量提出進一步的要求并進行分級評價，將不同的技術要求劃分為AAA級、AAAA級和AAAAA級三類，具體見表1。

3.1 視覺健康指標

與視覺健康相關的技術要求主要涉及維持平均照度(水平課桌面照度)、維持眼部垂直照度、座位區域統一眩光值UGR、照度均勻度、一般顯色指數Ra和特殊顯色指數R9等照明參數指標。

對于水平課桌面照度，團體標準中除了AAA級的技術要求(≥300 lx)與現有國家標準等相關標準保持一致外，AAAA級和AAAAA級的分級評價則將照度標準值的要求分為“白天時段”和“夜間時段”兩種情形，分別對應500 lx和300 lx的最低要求限值。白天時段的照度要求相較于以往的標準文件進一步提高了照度限值，這有助于降低視疲勞，保障學生的視覺健康，而夜間時段下的技術要求與現有國家標準的限值要求保持一致，一方面是為了滿足晚自習等夜間使用模式下的基本視覺作業需求，另一方面是區別于白天時段的指標要求，從光照強度層面進行控制，避免夜間過高的節律刺激影響學生的生物鐘節律。

為了保障教室空間的明亮程度，團體標準中明確提出了維持眼部垂直照度這一指標以量化教室的空間明亮程度，并根據不同的分級評價，規定了不同的參數要求并逐級提升。為了避免通過采用燈具直射光到達眼睛的方式來達到指標要求，眼部垂直照度需要更多來自由房間各個表面漫反射所產生的間接光，因此，團體標準中采用“眩光約束下的眼部照度”這一指導思想來提出相關照明指標要求，即通過結合座位區域統一眩光值UGR這項指標的約束，有效控制燈具所產生的眩光，從而限制直接光在眼部垂直照度中的占比，保證眼部垂直照度中間接光所占貢獻較大，進而通過兩項指標的同時滿足，保障教室空間的明亮程度，這將有助于保護學生的視覺健康，例如提高視覺舒適度、緩解視疲勞、延緩近視發病率。對于眼部垂直照度的測量，采用了與水平照度相同的傳統教室照明測量點布置方案，但測量的方向為面向黑板/書寫板方向，且測量的高度為坐姿視線高度(即距地面1.2 m處)。此外，對于UGR指標的測量要求，除了傳統教室照明標準中所要求的教室后墻中點距地面1.2 m處、面向書寫板方向的測量點外，對于團體標準中的AAAAA分級，額外增加了兩個UGR測量點的要求(如圖3所示，編號2、3)，即教室中的學生座位區域被均勻劃分為三個區域，三處測量點均需要滿足表1中UGR ≤ 16的規定。上述兩項指標要求的綜合考量——眩光約束下的眼部垂直照度，可較好地約束教室照明中光的空間分布，使得面向黑板方向、坐姿1.2 m高度處的眼部垂直照度主要由間接光提供，并隨著教室照明質量評價等級的提高逐漸提高眩光約束下的眼部垂直照度要求。以上指標要求有利于提升中小學校教室整體空間的光環境品質，使視覺環境更加健康、明亮、舒適。

表1 中小學校普通教室、專用教室、公共教學用房等照明質量分級評價[27]

圖3 座位區域統一眩光值UGR測量點示意圖Fig.3 Diagram of the measurement points of Uniform Glare Ranking in seating area

此外，照度均勻度(水平照度)同樣關乎學生在教室照明環境中面向課桌面讀寫時的視覺舒適性，照度過低或分布不均勻都會影響視覺作業績效并降低舒適度、引起視覺疲勞。團體標準中對于照度均勻度的要求高于國家標準(≥0.60)。針對顯色相關指標，參照了現有的教室照明相關標準[31,32,34]以及現有LED照明燈具現狀，在綜合考慮后采用了一般顯色指數Ra和特殊顯色指數R9兩項指標要求，團體標準則相較于以往部分教室照明標準(Ra≥80，R9≥0)提出了更高要求(Ra≥90，R9≥50)，一方面是為了區別于以往采用熒光燈的教室照明方案(熒光燈燈具難以實現這一高顯色性目標)，鼓勵在教室照明中采用更加高效的LED照明燈具，因其在制備原理上更易實現高顯色性的目標，且發光效率更高、壽命更長；另一方面，高顯色性的教室照明要求也更有利于中小學生對課本內容中色彩的感知，從而避免因照明不佳所帶來的視覺負擔。

3.2 節律健康指標

針對節律健康需求，團體標準以“節律無害性”作為參數指標的制定準則，主要采用了前文所提及的視黑素等效勒克斯(EML)和視黑素等效(D65)日光照度(melanopic EDI)兩項評價指標(表1)，由于二者除了數值不同外，本質上并無差異，彼此之間也存在固定的換算關系，故在團體標準的節律照明指標中處于并重的地位，其中：針對AAA級的教室照明不作額外的技術要求；針對AAAA級的教室照明，僅對白天時段作出要求，即白天時段滿足EML≥150 (或melanopic EDI≥136)，此要求綜合考慮了節律照明效果和教室照明燈具成本問題，僅從調節照明強度的層面實現對節律刺激的控制；針對AAAAA級的教室照明，則要求分為“白天時段”和“夜間時段”兩種模式，不同時段具有不同的指標參數限值要求(表1)，依據更有利于學生節律健康的原則(“節律無害性”)：白天提供盡可能高的節律刺激照明環境，有助于維持學生的警覺度，提高學習效率，而夜間則提供較低的節律刺激，避免抑制褪黑素的分泌，影響學生夜間睡眠質量。對于一天中不同時段教室照明節律刺激的閾值設置：首先參考了WELL建筑標準[29]中的相關閾值推薦數值；其次，基于不同層級下的視覺需求指標限值(以眼部垂直照度為主)，結合常用教室照明相關標準[31,32,34]中規定的白光色溫范圍(3 300～5 300 K)，理論計算了相應節律刺激強度的閾值范圍，根據上述內容，綜合考慮滿足白天、夜間節律刺激的基本原則，并調研了多家企業以評估相應指標閾值在產品上的技術可行性，最終確定了不同教室照明評級在不同時段的節律刺激強度的閾值要求。

3.3 照明系統要求

團體標準考慮到近年來LED照明技術在智能控制方面的快速發展，針對照明系統也提出了相比以往相關標準[31,32,34]更進一步的要求，主要涉及分模式調光功能、分時段調光功能和多色溫調光功能三項評價指標，如表1所示，其中：針對AAA級的教室照明，應符合上海市地方標準[34]提出的相應要求；針對AAAA級的教室照明，需要在滿足上一評級要求的前提下，同時具備分模式、分時段調光功能；針對AAAAA級教室照明的要求則最高，需同時具備分模式、分時段調光功能以及多色溫調光功能。

分模式調光功能考慮了不同教學情景下的實際使用情況，分為一般模式和投影模式：一般模式下需滿足基本的視覺健康指標和節律健康指標；以投影模式教學時，則要求由人工照明在多媒體垂直面產生的照度≤ 50 lx，水平課桌面照度≥300 lx，眼部垂直照度≥100 lx。投影模式的這一要求順應信息化教學的趨勢，避免在此模式下僅考慮投影等視覺終端的顯示效果而忽略學生的視覺舒適度。AAAA級和AAAAA級的分時段調光功能則考慮到教室照明在不同時段(白天和夜間)應具有不同的節律刺激強度要求，故要求搭配可調光的照明系統實現相應的功能。AAAAA級教室照明中的多色溫調節功能則進一步考慮了教室空間光環境需滿足一天中不同時段的視覺、節律兩個層面的需求：白天時段具有較高的課桌面照度(≥500 lx)和節律刺激強度(EML≥200(或melanopic EDI≥181))；而在夜間時段，則維持基本的課桌面照度水平(≥300 lx)并同時降低節律刺激強度(EML ≤ 130(或melanopic EDI ≤ 118))。僅調節光照強度無法同時實現上述兩個維度相互制約的指標要求，而光照的節律刺激強度也取決于照明的光譜能量分布，因此團體標準推薦通過調節照明的色溫(光譜)和強度這兩個方面來實現上述的功能需求。現行的相關照明設計標準[31,32,34]要求教室照明的色溫應介于3 300～5 300 K之間，由于在相同強度下低色溫相較于較高色溫通常具有更低的節律刺激強度，故團體標準將上述色溫范圍進一步細分成兩個區間：由于光照的節律刺激強度在相關色溫接近3 800 K前后時可能會發生突變[35-37]，故將白天時段要求色溫介于3 800～5 300 K之間，以滿足相應時段的節律刺激需求指標；夜間晚自習時段則要求色溫介于3 300～3 800 K，以在滿足基本視覺需求指標的同時從色溫(光譜)層面降低光照的節律刺激強度。此外，考慮到成本因素，該項要求僅針對最高等級即AAAAA級的教室照明。

3.4 節能要求

針對教室照明的節能方面，團體標準也響應國家的“雙碳”政策，將百勒克斯照明功率密度(W/m2/100 lx)作為評價光源功率密度的技術指標，其中照度值為維持照度值，并按照標準限值取值。由于傳統的教室照明多數以熒光燈作為主要的照明光源，照明能效較低且難以滿足此項規定，該項技術要求的規定鼓勵將LED作為教室照明的光源。由于LED照明具有可調光、可變色溫/光譜、光效高、使用壽命長等特點，在各方面均明顯優于傳統光源，且節律健康指標和視覺健康指標的調節均涉及此類光源特性的使用，團體標準的實施和推廣有利于進一步推動中小學教室照明中LED光源對傳統光源的取代，并促進教室照明向高效、節能、健康的方向發展。

4 中小學教室健康照明的實施與應用

2020年9月，團體標準正式發布實施后，上海照明電器行業協會組織了多家會員單位，通過企業自建、校企聯合建設、學校自建改造等方式，在滿足國家標準[31,32]、地方標準[34]的指標參數、照明布置和驗收要求的前提下，共建成了10余間符合團體標準AAAAA級要求的健康照明教室示范應用樣板間。依照團體標準的各項指標要求，示范樣板間在建設完畢后，均通過了相關權威檢測機構的現場檢測。結果表明，團體標準中提出的技術要求切實可行，具有較強的落地性。同時，改造后的教室空間明亮、舒適，整體效果達到預期(如圖4所示)。

圖4 已建成的AAAAA級教室照明示范應用樣板間Fig.4 The photos of built classrooms in the AAAAA rank requirements of classroom lighting

通過中小學校AAAAA級健康照明教室示范應用樣板間的建設，不僅論證了實際效果，檢驗了團體標準中技術指標參數的合理性和可操作性，還為團體標準的實施應用建立了參考樣本。同時，在應用示范中遇到的難點和問題也為未來團體標準的進一步修訂和完善提供了重要的數據支持。

5 結語

教室空間明亮程度和節律照明效果對于保障中小學生的視覺和節律健康具有十分重要的積極意義，團體標準《中小學校教室照明質量分級評價》(T/SIEATA 000001—2020)[33]在國家標準和上海市地方標準的基礎上，重點從視覺健康、節律健康兩個維度對中小學校教室照明的質量提出了更高要求：在視覺健康層面，提出以眩光約束下的眼部垂直照度作為教室空間明亮程度的評價指標，通過提出明亮、舒適的教室光環境要求，保障中小學生的視覺健康；節律健康層面，在中小學教室照明中引入了評價指標EML和melanopic EDI，并根據不同時段和使用需求(例如白天時段上課學習和夜間時段晚自習)提出了相應的視覺、節律指標要求，通過光照強度、色溫(光譜)兩個維度的調節，實現相應的視覺、節律功能組合。該團體標準的施行和示范應用樣板間的建設，有望作為行業探索，促進中小學校教室照明的整體質量的提升，實現更加健康、舒適、高效、節能的中小學教室光環境。本文也為相關科學研究、產品研發、標準制定以及設計實踐提供參考。