教室照明设计中光健康的思考

李 锦，阳 能，周雅男

(1.北京首量科技股份有限公司，北京 101111；2.国家节能中心，北京 100045)

引言

传统的建筑室内照明设计，关注点主要集中在可见性、视觉舒适性及相关方面，例如满足基本视觉功能所需的照度、亮度、发光角度、安全性等及满足视觉舒适性所应考虑的如何减少眩光和阴影，提高显色性、均匀性及空间外观等，但关于光对人体生理及心理健康的影响因素却考虑甚少。

人类的生理结构和生活作息在太阳光下发展进化，在还未出现人造光时，古人遵循着日出而作、日落而息的生活习惯。即使几百年前，人类发明了火把、煤油灯、蜡烛等人造光源，晚间的活动时间也非常短。直至100年前爱迪生发明白炽灯，让人们的生活开始发生变化，在人造灯光下的时间逐步增加。由于白炽灯是发热光源，其发光光谱与太阳光很接近，因此人造光源发出的光线对人类产生的影响似乎并未被认识到。到20世纪30年代，随着科技的发展，人们发明了荧光灯，荧光灯属于气体放电灯，其发光光谱与黑体无任何相关性，但由于它优秀的节能特性被得到的普遍的推广使用，家家户户都开始使用节能灯。随着LED时代的到来，荧光灯被逐步取代。虽然LED灯的光谱可以通过技术手段来进行调节，但与太阳光的光谱相差更远。同时，随着城市的发展，人类生活方式的极大改变，人们在室内工作、生活的时间越来越长，一些老人、儿童在室内停留的时间甚至占全天时间的90%左右。因此，光与人的健康研究已经迫在眉睫。

教室是比较特殊的室内场所之一，儿童、青少年视网膜正处于发育过程中，因此对光线更为敏感。本文通过研究影响健康的光因素，提出教室照明设计在充分考虑视觉需求时，如何考虑光的生物效应，从生理和心理两方面最大程度的降低教室照明对学生健康的不利影响，降低近视率、提高学习效率并降低焦虑、抑郁等负面情绪。

1 光对人类健康的影响

太阳光是由太阳发射出的电磁波，分为可见光和不可见光，不可见光又包括红外和紫外。与人造光源相比，它的光谱组成和能量分布是随时间和空间变化的(图1、图2)。多项研究表明人体的日光接收器，通常指皮肤和眼睛，对日光的波长响应灵敏度不同，且同时受到光强、曝光时间和持续时间、曝光历史的影响，因此不同的光特征会对从生理和心理两方面对人体健康产生不一样的影响。

图1 巴黎上空一天中不同时刻的太阳光光谱[1]Fig.1 Solar light spectrum at different times of the day over Paris

图2 中国不同光气候区(太阳高度角20°)的太阳光光谱对比分析图[2]Fig.2 Comparative analysis graph of solar light spectrum in different light climate regions (solar altitude angle of 20°) in China

1.1 可见光的影响

在物理学上，光是一种电磁辐射，人眼所能看见的只是其中一部分，这一部分光称为可见光，其波长范围通常限定在380～780 nm之间(图3)。可见光对人体有两类作用，其一是环境中的物体以光的形式通过瞳孔反射进眼睛，由角膜和晶状体聚焦，最后在视网膜上形成关于物体的图像，经感光细胞转化为生理信号，视神经接收后产生视觉；其二是调节人体的生理节律、警觉度和代谢过程，保持人体健康，这称为非视觉生物效应。

图3 电磁波谱及可见光范围[3]Fig.3 Electromagnetic spectrum and visible light range

1.1.1 视觉光环境

人通过视觉、听觉、嗅觉、味觉等从外界获取信息了解世界。据报道，有80%的信息是通过视觉渠道获取的[3]。光环境的强弱、亮度分布、色彩、时间调制等对人的视觉会产生不同的影响。比如说，明亮的光环境能可以更清晰地看清周围的环境、不费力气就能满意的看到人脸部特征，增强人们的安全感，让人变得更加积极豁然。但当光线过亮时，会让人产生眩晕的感觉，长期注视甚至会导致不修复的视网膜病变，例如，在晴天的中午直视太阳10 s就会灼伤视网膜。自然的光环境亮度分布均匀性非常高，因此人在自然光环境下会感觉舒服；但在路灯照明中出现的“斑马线”效应，由于人眼需要不停的调节以适应明暗的不同，在这种光环境下人眼极易疲劳。一般认为，光的颜色本身就具有情感色彩，而且对于烘托空间的氛围非常重要。心理学家对此做过一些实验表明不同颜色对人的情绪和心理会产品不同的影响，而且颜色对人的影响是双面性的，有积极的一面，也有消极的一面。例如，红色，颜色鲜艳强烈，刺激和兴奋神经系统，增加肾上腺分泌和增强血液循环。利用红光可以使人情绪奔放，产生热烈、活泼的情绪，同时起到警醒的作用，但过久凝视红光，会影响视力，易产生头晕目眩之感，心脑血管病患者一般应避免红色。关于时间调制，有关文献描述了三种不同的视觉效果(调制感知)：闪烁、频闪和幻影光栅(图4)。健康效应可以直接由这些视觉效应引起，也可以在没有意识地感知任何调制的情况下出现。有意识或无意识地感知调制可能对健康产生的影响包括癫痫发作、交通事故、与使用机器有关的事故，以及偏头痛、头痛和视疲劳。在工业或家庭环境中，频闪效应可能会影响使用机器或工具时的安全[1]。这里值得注意的是，通过对人类视觉对比度感知系统成熟情况的研究表明，儿童、青少年和年轻人对视觉对比度具有最高的敏感性。

图4 从左至右分别为频闪、闪烁和幻影光栅效应Fig.4 From left to right are stroboscopic, flicker and phantom grating effects

1.1.2 光的非视觉生物效应

随着人们生活质量的不断提高，人们对照明的需求早已超越了仅为视觉需要的阶段，开始更多地关注光环境对人们心理、生理的影响。

研究表明，在可见光中蓝光成分(波长480～490 nm)会通过抑制松果体分泌褪黑激素，刺激肾上腺分泌皮质激素等，起到改变生理节律，调节人体生物钟的作用。激素皮质醇(压力激素)和褪黑素(睡眠激素)在控制人体的活跃度和睡眠方面起着重要作用。当人体的周期节律出现紊乱时，清晨明亮的光线能够帮助恢复正常的周期节律。在自然环境中，室外的日光可以满足同步调节人体生理节律的功能，这是人类几百万年进化的结果。然而在当今社会中，人们越来越多的时间在室内度过，白天无法暴露在足够强的光线下，晚上又过多的使用富含蓝光的灯光、手机、电子显示屏。数据显示，目前，全国有超3亿人存在睡眠障碍，其中，四分之三在晚上11点以后入睡，三分之一要熬到凌晨1点以后入睡，而在睡眠时长低于6 h的青少年儿童中，13岁到17岁的孩子占比高达89.5%。因此，睡眠障碍已然成为必须认真对待的一个问题。

蓝光危害是目前大家热议的另外一个问题。蓝光危害是指光源的400～500 nm蓝光波段所带来的视网膜光化学损伤。它的实质是辐亮度、蓝光加权函数和时间的共同作用。只有光源的辐亮度高、蓝光成分丰富、使用时间长，才会引起蓝光危害。太阳是离我们最近的具有极高辐亮度的自然光源，只要注视时间超过0.5 s就可能引起蓝光危害[3]。当然，人们在看到强光时会自我保护，视线很快离开强光源。

1.2 紫外线的影响

紫外线是电磁波谱中波长为100～400 nm辐射的总称。根据紫外线对生物作用，在医疗上把紫外线划分为不同的波段：黑斑紫外线UVA在320～400 nm 波段；红斑紫外线或保健射线UVB在280～320 nm 波段；灭菌紫外线UVC在200～280 nm 波段。UVC由于波长短，在穿过大气层时被臭氧分子所吸收，很难达到地面。不同波段的紫外线对人体的影响各不相同。

UVA穿透力最强，可达真皮层，并可对表皮部位的黑色素起作用，从而引起皮肤黑色素沉着，使皮肤变黑，起到了防御紫外线，保护皮肤的作用。长波紫外线虽不会引起皮肤急性炎症，但对皮肤的作用缓慢，可长期积累，是导致皮肤老化松弛、皱纹、失去弹性和严重损害的原因之一[4]。同时A 波紫外线也是治疗皮肤病的重要波段，像牛皮癣、白癜风等疾病[5]。

UVB极大部分被皮肤表皮所吸收，但由于波长较短不能渗入皮肤内部。290～400 nm[5]的紫外线对皮肤可产生强烈的光损伤，被照射部位真皮血管扩张，皮肤可出现红肿、水泡等症状，长久照射皮肤会出现红斑、炎症、皮肤老化，严重者可引起皮肤癌。但是，290～320 nm的UVB紫外线却可以促进维生素D在皮肤中的合成。维生素D对生长发育、维护牙齿、骨骼和健康的免疫系统必不可少[5]。

值得注意的是，不同肤色、不同年龄的人群对于紫外线的敏感和吸收程度各不相同，比如说低纬度的人移居到高纬度地区时经常会出现由于缺乏维生素D而导致的缺钙等其他疾病；70岁老人皮肤合成维生素D的能力只相当于20岁青年的30%～50%[5]；常年戴眼镜的人需要摘下眼镜，紫外线才能刺激到视觉神经[6]，因此，在应用紫外线疗法进行保健和治疗时对于辐射剂量、强度和时间应对适用人群给予以充分考虑。

1.3 红外线的影响

红外线又称红外热辐射，波长在780 nm～1 mm之间。根据波长的不同，红外线又分为近红外IR-A、中红外IR-B和远红外IR-C。IR-A可以穿透表皮层和真皮层并到达皮下组织，而不会显著增加皮肤温度，而IR-B和IR-C主要在表皮层吸收，并显著增加皮肤温度[7]。由于红外线占太阳辐射60%的能量[5]，因此对人类有着显著的生物效应。

研究表明，红外和热是引起皮肤老化的重要物理刺激[8]。 在太阳光的直接辐射下，人体皮肤的温度可以升高到40 ℃以上[9]。强烈的红外线辐射毛细血管扩张充血，增加皮肤水分蒸发，直接对皮肤造成不良影响。同时，IR还会通过诱导MMPs增强UV诱导的皱纹形成[10]。短波红外线可透过角膜进入眼球导致“红外线白内障”。

但红外线微量照射治疗对微循环的改善效果显著，可增强人体细胞的正常机能，使杀菌能力、免疫能力等均有所提高。一些临床应用研究也表明，利用红外线对带状孢疹、溃疡患儿进行治疗，平均治愈时间缩短，效率显著提高。

总之，光与人体健康的研究还处于刚起步状态，仍需要大量的实验研究来逐步了解光对人体工作机理的影响。

2 儿童青少年的生理特点

2.1 晶状体透明度高

研究表明，由于眼睛晶状体随着年龄的变化会逐步变得浑浊，因此，儿童青少年比成年人对光线有更大的敏感度，如图5所示[11]。这些数据是从111名受试者中收集的，他们被分为7个不同的年龄组，在5 m的视距下观察目标。由图5可知，随着亮度的增加，所有年龄组的视敏度都会提高。

注：观看距离为5 m,在5 m处矫正眼睛以获得最佳敏锐度。共有111个被试者图5 视敏度、亮度和年龄之间的关系[11]Fig.5 The relationship between visual acuity, brightness and age

同时，由于具有清澈的晶状体，在8岁以前，人体眼睛允许透过80%波长在380～500 nm之间的光线。从25岁起，晶状体吸收了大约80%波长小于400 nm的光线，但仍有超过50%波长在400～500 nm的光线穿过(图6)[1]。因此儿童青少年更容易由于接受了富含蓝色的光而受到影响，阻止褪黑激素的分泌，导致生物钟的相位延迟，从而影响生理节律。更有人认为，在青少年身上引发的节律紊乱可以在成年后继续存在，并成为健康问题发展的基础。

图6 不同年龄眼睛晶状体的透光率[1]Fig.6 Light transmittance of eye lens at different ages

2.2 睡眠-觉醒周期和昼夜节律(时间类型)处于变化过程中

幼儿的昼夜节律和睡眠-觉醒周期相对稳定，但逐渐偏向于早上起床时间和睡眠时间后延[12,13]。睡眠-觉醒周期和昼夜节律的改变开始于5～7岁，12～14岁时会进一步延迟[14-17]，直到20岁左右达到最晚值，然后在一生余下的时间里逐渐变早(图7)[18]。女性平均在19.5岁达到最晚值，男性平均在21岁达到最晚值。尽管青少年倾向于“早睡晚起”，但学校课程表要求提早上课时间，这通常会缩短学生的睡眠时间。同时，也有证据表明青少年昼夜节律周期较长，睡眠压力积累较慢，昼夜节律系统对晚上的光的敏感性大于成年人，尤其是在延迟睡眠期障碍(DSPD)方面[19,20]。

图7 时间类型随年龄的变化Fig.7 Time type changes with age

3 目前教室及照明环境的问题

中国领土南北跨越的纬度近50度，中国东西跨越经度60多度，最东端的乌苏里江畔和最西端的帕米尔高原高原相差5个时区，按接受太阳能辐射量的大小，还可分为5类地区，不同地区间的光气候有很大差别。因此，各地教室及照明环境情况有所不同：

首先，学校本身的设计并未充分考虑城市经纬度、当地光气候等的特征，而只把学校教室当成了平常的建筑，实际教室中自然光的采光量、强弱、时长各不相同，第一缕阳光进入教室的时间也不尽相同。目前的教室照明设计，并未充分考虑当以上因素的影响；

其次，由于贫富差距仍然存在，城市及经济发达地区与农村等经济较落后地区对教育设施的投入不同，教室的大小、装潢材料、信息化程度、座椅材质及颜色、允许容纳学生数量均有很大区别。这些因素对于教室照明设计时应考虑的照度及照度均匀度、眩光、亮度均匀度、蓝光等问题都有不同程度的影响。比如，在农村落后地区，教室照明的基本照度要求都未能达到国家标准，他们首要解决的是看得见、看得清楚的问题；而对于城市发达地区，信息化程度高的教室都已配有电子屏，在使用电子屏教学时，可能需要考虑的是屏幕的反光问题；比较宽敞的教室，要解决的是照度均匀度和亮度均匀度的问题，而比较拥挤的教室，前排同学所面对的黑板灯带来的眩光问题变得更为重要等。

最后，也正是由于我国教室区域化的差异，目前还没有专门针对教室照明的国家标准。2021年3月发布的国家标准《儿童青少年学习用品近视防控卫生要求》[21]中对于中小学普通教室照明灯具的安全性、色温、显色性、蓝光危害和闪烁等方面做了最基本的要求。但是，如果将健康因素考虑到设计中去，标准中所规定的色温范围3 300～5 300 K值得再探讨。

4 教室照明设计中光健康的思考

教室照明设计中的光健康包括视觉健康和非视觉健康两方面。2018年8月教育部等8部门联合印发《综合防控儿童青少年近视实施方案》(教体艺〔2018〕3号)以来，儿童青少年近视防控工作取得积极进展和成效。近期，教育部办公厅等十五部门关于印发《儿童青少年近视防控光明行动工作方案(2021—2025年)》的通知表示还将进一步改善学生视觉环境，改善教学设施和条件，落实教室、宿舍、图书馆等采光和照明要求。在国家政策的大力支持下，教室光环境得到了普遍改善与提升，但是对于光健康的思考还存在不足和误区。

4.1 视觉健康

众所周知，光线过亮、过暗、不均匀、频闪、眩光时，眼睛的调节幅度和频率很大，属于过渡调节，时间长了会引起视觉疲劳，进而导致视力下降。目前，对于教室照明的视觉健康方面，在考虑满足基本视觉需要以外，设计师们已将防眩光处理、降低频闪及闪烁对人眼的不舒适感也已纳入设计考量的范围之中。但是，垂直照度指标和空间亮度明亮感评价指标也与视觉舒适度息息相关，应加入到设计的考虑因素当中。在建筑室内照明设计中，不费力就能满意的看到人脸部特征的亮度为10～20 cd/m2，这意味着在面部的垂直照度至少为100 lx，而水平照度是其要求的2倍，即200 lx，这是长期有人活动的房间要求的最小照度。对于工作区的照明，为了得到满意的视觉效果，优先选择的照度范围为1 000～2 000 lx[3]。但出于经济和节能的考虑，目前的设计标准要求要大大低于视觉满意的需要，比如教室照明的桌面照度要求仅为300 lx。

同时，对于亮度的理解也存在一些误区。物体本身的亮度与人感觉到的亮度是不相同的，人感觉到的亮度只与物体反射进入人眼的光线多少有关，这个值与材料的反射率有直接的关系(图8)。因此，日本松下公司在室内照明设计中提出Feu的概念，Feu是通过计算视线内的亮度分布而得出的值，用于设计过程中预测「空间明亮感」的评价指标。空间的亮度均匀性能有效地缓解人眼疲劳，增加环境舒适感。

图8 观察空间时的视线Fig.8 Sight of observing space

4.2 蓝光危害

蓝光相关的光毒性对眼睛也有很大影响。光毒性是一种光诱导的细胞改变机制，可导致细胞死亡。暴露在强光下是有光毒性的，因为它会导致视网膜细胞不可逆的丧失，这可能导致部分(暗点15，视野减小，分辨率降低)或完全(失明)视力下降[1]。因此，LED的蓝光危害一度被社会热议，人们谈蓝光即想到危害，严重影响高效教室照明灯具的推广使用。

但是，从目前大量教室照明使用灯具的蓝光危害检测数据来看，绝大部分的教室照明用灯具视网膜蓝光危害都低于RG1，在合理可预见的使用状态下，灯具是不会超出蓝光危害曝光极限的。而且，任何光源都存在中长期的损害，其损害的造成与光强、照射时长、光谱又密切关系。从目前教室照明的使用情况来看，灯具不存在蓝光危害问题，而用LED做背光的教室用电子屏幕是否对孩子的眼睛带来危害却值得研究和探讨。当提及昼夜节律紊乱和睡眠障碍时，不应使用“蓝光危害”。

4.3 非视觉健康

我们已知光对人体的非视觉健康影响的生物机理。前文提到儿童青少年睡眠-觉醒周期和昼夜节律是出于发展变化过程中的，而且在20岁之前逐步趋于晚睡晚起。但是，按照原国家教委《学校卫生工作条例》中第五条规定，学生每天到校时间，小学一般不早于7：50，中学不早于7：30，8：00基本已经开始上第一节课，这往往会导致学生睡眠时间缩短。数据表明，60%的学生在第一节课还处于生理上的睡眠阶段，尽管他们看上去是醒着的[18]。因此，在教室照明设计中，充分考虑蓝光对人体的非视觉生物效应影响，将可以帮助学生建立合理的紧张和放松节奏，例如早晨快速进入学习状态，白天提高学习效率，下午临放学缓慢放松下来，降低学习压力，减少精神不集中等负面情绪。

伦斯勒理工学院的照明研究中心(LRC)一直在开发度量和设计工具，以帮助设计师和相关人员理解和应用建筑环境中的昼夜节律光。由于影响昼夜节律系统的照明特征与影响可见度的特征不同，它是通过急性褪黑激素抑制和昏暗时褪黑素开始分泌的相移(即傍晚褪黑素水平开始升高的时间)来衡量[22]。在设计昼夜节律系统的照明时，重要的是要考虑光照水平，光谱(颜色)，曝光的时间和持续时间以及曝光的历史(以前的曝光)。确定照明系统是否将传递规定量的昼夜节律刺激(CS)的重要一步是确定入射在角膜上的光的光谱辐照度分布。然后，可以从该光谱辐照度分布中计算出昼夜节律光(CLA)，它是在角膜上加权的辐照度，以反映人类在一小时暴露后通过褪黑激素抑制而测得的人体昼夜节律系统的光谱灵敏度。这是从阈值(CS=0.1)到饱和度(CS=0.7)角膜光谱加权辐照度的有效性[22]。具体的设计步骤包括：

1)建立昼夜节律照明设计标准(图9)；

图9 不同时段对应不同的节律标准Fig.9 Different time periods correspond to different CS standards

2)选择灯具类型(例如，直接/间接)(图10)；

图10 间接照明和直接照明Fig.10 Indirect lighting and direct lighting

3)选择光源；

4)对建筑空间进行光度模拟(例如AGi32)(图11)；

图11 不同的配光曲线Fig.11 Different light distribution curves

5)根据眼睛的垂直照度(EV)和光源的光谱功率分布(SPD)计算CS(图12)；

图12 CS计算工具Fig.12 CS calculation tools

6)确定照明系统是否符合昼夜节律照明设计标准(图13)；

图13 根据测试结果进行验证Fig.13 Verification according to test results

7)如有必要，请重复步骤2～6。

在进行有效的昼夜节律照明设计和确定步骤1的设计标准CS时，最重要的考虑因素是空间，比如说教室照明是为一群人而不是一个人设计的，它是一个开放式的空间，他们的年龄处于7岁～18岁之间，眼睛对光的敏感度很高，他们一早到校就要快速进入学习状态，中午午休后需要再高效地学习一段时间，下午临放学时需要一个逐步让人感觉放松的环境等，因此在设计光环境时，早上应该采用富含蓝光的高色温灯具，利用其警醒的作用使学生快速从休息状态调制过来，进入学习状态；中午午休后同样需要高照度、高均匀性和高色温的光线来提高学习效率，下午临放学前的灯光色温应逐步变暖，降低光线中的蓝光含量，帮助学生进入放松状态。在选择教室照明灯具时，除了考虑功率、光通量、显示指数、发光角度等技术参数外，还应考虑其色温和亮度的可调节性，教室灯光的色温、照度和亮度应尽量模拟太阳光动态可调，根据儿童青少年的实际生理发育和学习作息情况进行规划设计，当然，设计必须符合由照明工程协会(IES)等组织建立的所有视觉标准。

5 总结

通过以上分析研究，得到以下结论：

1)光与人类健康有着密切的关系。我们应辩证地看待光对人类健康的影响，脱离实际应用场景、应用人群特征，设计使用状态来纯粹谈光的某个物理量对人类健康的影响都是片面和不正确的；

2)由于教室照明使用人群为儿童青少年这一特殊群体，应充分考虑视觉需要以外的非视觉影响，通过教室光环境的动态调节，来设计满足这一群体生理和心理健康发展需要的光环境；因此在经济条件允许的情况下，教室照明的照度值可大幅度提到，色温值也不应做出具体限制；

3)我们已经了解对昼夜节律系统的反应中起着至关重要的作用光的五个特征：眼睛接收到的光量或水平、光的光谱特性、曝光的时间和持续时间、一个人的曝光历史、昼夜高光照对比性。但对于如何量化他们与昼夜节律系统之间的关系以及他们之间的协同和协作关系我们的认知非常有限，仍需大量的科学实验进行研究；

4)在建筑室内照明设计中，将美学、功能和健康有机的结合在一起是一项任重而道远的目标。未来我们的照明设计师不仅需要懂建筑、光学、电学、美学知识，还需要学习一些医学相关的知识。随着大型地下空间建设的增加、人们室内活动时间的增长，光对人的健康影响将变得越来越重要。相信在不久的将来，国内外研究机构将会得出更多的研究成果，帮助室内健康照明的提升。