面向视觉与节律健康需求的中小学校教室照明研究

胡治国，魏 彬，丁文超，黄滢滢，戴 奇，3

(1.复旦大学工程与应用技术研究院超越照明研究所，上海 200433; 2. 佛山电器照明股份有限公司，广东 佛山 528099，3.中山复旦联合创新中心，广东 中山 528403)

引言

随着科技的进步和工作方式的转变，人们对室内空间光环境的需求已从满足视功能、提高视觉功效逐步拓展至追求明亮、舒适、健康的光品质[1-8]。而得益于光生物学和照明人因工学的发展，近年来健康照明及其应用成为行业内热议的话题。教室作为学生日常生活学习的主要空间，应当成为践行健康照明的重要场所。

《综合防控儿童青少年近视实施方案》[9]中明确指出“改善教室的视觉环境”、“使用利于视力健康的照明设备”等要求。《儿童青少年近视防控光明行动工作方案(2021—2025年)》[10]中同样明确指出要“改善学生视觉环境”，“落实教室、宿舍、图书馆(阅览室)等采光、照明要求”、“为学生提供符合用眼卫生要求的学习环境”。在相关政策文件的指导下，针对近视的防控防治，行业内围绕中小学校教室的健康照明方案展开了一系列的探索。越来越多的学者认为，教室健康照明需要综合考虑视觉和节律两个维度，而现有标准和实际应用中针对相关内容仍存在欠缺。因此，基于视觉与节律层面的健康需求，开展高品质的中小学校教室照明研究，推进教室健康照明标准建设和应用示范，对保障中小学生的视力乃至身心健康具有十分重要的意义。

1 空间视亮度与视觉健康

传统的照明方式旨在提升视觉功效，重点关注水平工作面照度。随着自发光屏幕的普及，需要较高水平照度的视觉任务已逐渐减少，人们更加追求整体空间的视觉舒适性，其中一个重要方面是空间视亮度(spatial brightness perception)，即人们对空间光环境整体明亮程度的主观感受[11,12]。

空间视亮度与视觉健康密切相关。近年来，中小学生的近视问题成为人们关注的重点，多项研究表明[13-18]，学生在白天时段是否有足够的时间暴露于一个明亮的光环境中(如户外活动)，对其近视的发病率有重要的影响[13-17]。教室空间作为中小学生日常最主要的学习生活场所，相较于具有充足自然光照的户外空间，往往需要通过人工照明进行补充，明亮舒适的教室光环境可对预防近视起到重要的积极作用[18]。

对于教室空间照明环境的评价，当前行业内仍重点关注水平课桌面照度等基本照明指标。然而，即使水平照度满足相关规范要求，整体教室空间仍可能处于昏暗状态，而单纯地提高水平照度不仅对空间明亮感受和视觉舒适性的提升作用有限，还容易造成“洞穴效应”和眩光[1,2]。相较于水平课桌面照度，相关研究提出视野范围内的亮度分布[19,20]、房间表面的平均出射度[21,22]与空间明亮程度的感知更加密切相关。而我们近期的研究表明，上述基于亮度的参数指标仅可反映空间中被照表面的物理特性(即被照表面接收到的光照强度)，难以准确、直接地描述人眼对空间明亮程度的主观感受，由空间各个表面漫反射所产生的间接光到达眼部所形成的垂直照度与空间明亮程度的联系更为紧密。图1为使用照明设计软件DIALux evo对标准教室空间(长9.0 m、宽6.0 m、高3.6 m)照明环境的模拟计算结果：基于典型教室照明灯具布置方案，在空间参数(墙面、天花等反射率)和照明灯具参数(数量、高度、位置、光通量)设置相同的情况下，图1(a)所示的教室照明场景采用了上照的照明方式，这使得在眼部高度垂直面上所产生的照度均为经过墙面反射的间接光实现，而图1(b)所示的教室照明场景采用了下照的传统照明方式。比较上述两个场景中的软件模拟计算结果可知：图1(a)所示的教室场景尽管水平课桌面照度更低，但在整个座位区域，面向黑板方向、距离地面1.2 m高度处(即坐姿视线高度)具有较高眼部垂直照度(280 lx)且均为间接光，教室空间更为明亮；而图1(b)中的教室场景具有更高的水平课桌面照度，但在整个座位区域，面向黑板方向、距离地面1.2 m高处的眼部垂直照度较低(214 lx)，空间相对昏暗。由此可见，仅依靠“水平课桌面照度”这一指标难以准确地衡量教室空间的明亮程度，由教室各个表面反射的间接光所产生的眼部垂直照度十分重要。因此，在教室照明中引入合适的指标用以评价衡量并保证其空间的明亮程度将有助于保障中小学生在教室空间中的视觉健康。

此外，通过软件的进一步模拟计算：在同一教室空间设置和恒定的教室面板灯具光通量输出下，改变灯具的上下出光比例，并且在既定照明方式下增加灯具的输出强度直至最大，可以得到不同照明方式下(100%下照、100%上照)水平课桌面照度和眼部垂直照度的二维映射关系。如图2所示，在灯具总输出强度不变的情况下，二者的比值(水平课桌面照度/眼部垂直照度)大致处于2∶1至3∶1之间变化，且图中所示的三角形区域为上述两项参数指标的可变范围。因此，根据水平课桌面照度的标准限值即可大致界定眼部垂直照度的取值变化范围，这为界定相应的眼部照度取值提供了重要依据。而在教室照明中，对于眼部垂直照度的标准限值要求，需要综合考虑学生一天中在视觉、节律层面的综合光照刺激强度需求以及技术的可行性等多方面内容，以界定合理的取值范围。

图2 恒定灯具总输出强度、不同教室照明方式下，水平课桌面照度与眼部垂直照度的二维映射关系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 教室照明与节律健康

光照不仅具有视觉功能，还会产生非视觉生物效应。2002年，内在光敏视网膜神经节细胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGC)[23]的发现，揭示了光的非视觉生物效应的作用机制：视网膜上的ipRGC接收光照刺激并经由神经突触将生理电信号传递至下丘脑的视神经交叉上核(suprachiasmatic nucleus, SCN)，进而参与调节人体的昼夜节律系统(包括新陈代谢、睡眠觉醒等生理活动)。一天中适宜时间、适宜强度的光照刺激可有效地将人体内在的生物钟校准至与地球自转周期相同步，从而维持人体各项生理功能有规律地运转[24]。当前，照明领域关注的重点已经从满足传统的视觉需求层面，逐步拓展至非视觉维度，尤其是光照对节律健康的影响。

然而，现代社会白天长期处于室内的工作方式以及恒定不变的人工照明环境，使得由自然日光主导的人体节律调节机制变得脆弱，甚至会扰乱昼夜节律并对人体造成长期的健康危害[25-27]。因此，在室内空间中应用节律照明技术具有重要价值[25]。旨在维持节律健康的照明环境需要在白天提供较高的光照节律刺激，这有助于人们日间保持清醒，促进工作效率的提升和夜晚褪黑素的分泌；而在夜间，则要在满足基本视觉需求的前提下，尽可能减少光照节律刺激，避免抑制夜间褪黑素的分泌，进而影响睡眠。

2.1 中小学生的节律健康问题

对于身心处于快速成长发育阶段的中小学生而言，教室空间的光环境不仅需要保障视觉健康，其节律健康效果也非常重要。然而，青少年的内在生物钟与我国内地学校作息存在明显不匹配的现象：根据2019年的《中国青少年儿童睡眠健康白皮书》[28]报告显示，高达59.4%的中学生平均睡眠时间不足7 h，并伴有入睡困难等睡眠亚健康问题。教室空间作为中小学生日常生活和学习最主要的场所之一，需要为学生提供适时、适量的光照节律刺激，而现有恒定的、只考虑水平课桌面照度的教室照明环境，难以为中小学生提供一个健康的光照节律刺激。因此，为改善中小学校教室空间的照明质量，需要在一天中的不同时段提供具有不同节律刺激强度的教室照明方案，这将有助于保障青少年的节律健康，进而促进其夜间睡眠质量的改善，提升其白天的学习效率。

2.2 节律效应的量化指标

目前，针对光的非视觉生物效应，相关机构已推出了相应的照明量化指标。美国的WELL建筑标准(Well Building Standard)推荐了视黑素等效勒克斯(equivalent melanopic lux, EML)作为光照节律效应的量化指标[29]，该指标是按等能光谱(CIE标准光源E)条件下光照对ipRGC的等效照度数值与明视觉照度数值相等的原则选取了数值缩放系数，计算公式如下：

(1)

(2)

此外，2018年国际照明委员会(CIE)就量化ipRGC受光响应的非视觉生物效应发表了相关的国际标准文件[30]，推荐将视黑素等效日光(D65)照度(melanopic equivalent daylight illuminance, melanopic EDI)作为节律效应的量化指标，并推荐人们在日间接受较高的节律刺激，因为这对警觉性、昼夜节律和良好的睡眠均具有积极作用；推荐在夜间避免过高的节律刺激，因为在傍晚和夜间较低的节律刺激有利于提高人们的入睡效率和睡眠质量。针对melanopic EDI指标可作如下理解：由CIE标准光源D65(Daylight 6500 K)产生与待测场景相同的视黑素等效照度时，该D65光源产生的照度值即为待测场景的melanopic EDI值。计算公式如下：

(3)

根据式(2)和式(3)可知，EML和melanopic EDI指标在本质上并无差异，二者彼此的数值之间也存在一定的换算关系，即：

(4)

上述内容简要介绍了目前已被国际权威机构推荐的节律效应量化指标，这为节律健康照明在教室空间中的应用提供了重要的支撑。

3 面向视觉与节律健康需求的中小学校教室照明标准

围绕教室空间的健康照明方案需充分考虑视觉与节律健康两方面的需求。目前，我国各类规范、标准中已对涉及中小学校教室照明的基本视觉指标(水平照度、眩光、频闪、蓝光危害、显色性指数等)做出了相应规定，(例如《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)[31]、《中小学校普通教室照明设计安装卫生要求》(GB/T 36876—2018)[32]等标准)，但还未涉及生理节律健康方面的照明参数和指标。此外，已发布的相关规范与标准均重点关注水平课桌面照度，对空间视亮度(即教室空间的明亮程度)尚未涉及。

基于上述背景，2020年，复旦大学工程与应用技术研究院联合有关单位发布了团体标准《中小学校教室照明质量分级评价》(T/SIEATA 000001—2020)[33](以下简称团体标准)。该标准综合考虑了视觉和节律健康两方面因素，参考国家规范[31,32]和地方标准[34]，借鉴各类国际标准[29,30]，对符合验收要求的教室照明质量进行分级评价，并针对不同层级，提出了相应的技术要求。

该团体标准将明确的视觉健康和节律健康指标引入教室照明标准文件，并将影响教室空间明亮程度的相关指标纳入教室照明质量的考量范围，提出了采用眩光约束下的眼部垂直照度作为评价教室空间明亮程度的依据，即在规定眼部垂直照度要求的同时，通过结合学生座位区域的统一眩光值UGR要求，避免了灯具直射眼睛的情况，保障了教室空间的视觉明亮感和舒适度；此外，针对光照的非视觉生物效应，与节律健康相关的照明指标——视黑素等效勒克斯(equivalent melanopic illuminance，EML)[27,29]和视黑素等效日光(D65)照度(melanopic equivalent daylight (D65) illuminance, melanopic EDI)[30]也被引入教室照明标准，这有望促进我国中小学校的教室照明质量，使其逐渐拓展至节律健康的维度。该团体标准在现有国家规范、行业及地方标准的基础上，从视觉健康、节律健康、照明系统以及节能减排等四个方面对教室照明质量提出进一步的要求并进行分级评价，将不同的技术要求划分为AAA级、AAAA级和AAAAA级三类，具体见表1。

3.1 视觉健康指标

与视觉健康相关的技术要求主要涉及维持平均照度(水平课桌面照度)、维持眼部垂直照度、座位区域统一眩光值UGR、照度均匀度、一般显色指数Ra和特殊显色指数R9等照明参数指标。

对于水平课桌面照度，团体标准中除了AAA级的技术要求(≥300 lx)与现有国家标准等相关标准保持一致外，AAAA级和AAAAA级的分级评价则将照度标准值的要求分为“白天时段”和“夜间时段”两种情形，分别对应500 lx和300 lx的最低要求限值。白天时段的照度要求相较于以往的标准文件进一步提高了照度限值，这有助于降低视疲劳，保障学生的视觉健康，而夜间时段下的技术要求与现有国家标准的限值要求保持一致，一方面是为了满足晚自习等夜间使用模式下的基本视觉作业需求，另一方面是区别于白天时段的指标要求，从光照强度层面进行控制，避免夜间过高的节律刺激影响学生的生物钟节律。

为了保障教室空间的明亮程度，团体标准中明确提出了维持眼部垂直照度这一指标以量化教室的空间明亮程度，并根据不同的分级评价，规定了不同的参数要求并逐级提升。为了避免通过采用灯具直射光到达眼睛的方式来达到指标要求，眼部垂直照度需要更多来自由房间各个表面漫反射所产生的间接光，因此，团体标准中采用“眩光约束下的眼部照度”这一指导思想来提出相关照明指标要求，即通过结合座位区域统一眩光值UGR这项指标的约束，有效控制灯具所产生的眩光，从而限制直接光在眼部垂直照度中的占比，保证眼部垂直照度中间接光所占贡献较大，进而通过两项指标的同时满足，保障教室空间的明亮程度，这将有助于保护学生的视觉健康，例如提高视觉舒适度、缓解视疲劳、延缓近视发病率。对于眼部垂直照度的测量，采用了与水平照度相同的传统教室照明测量点布置方案，但测量的方向为面向黑板/书写板方向，且测量的高度为坐姿视线高度(即距地面1.2 m处)。此外，对于UGR指标的测量要求，除了传统教室照明标准中所要求的教室后墙中点距地面1.2 m处、面向书写板方向的测量点外，对于团体标准中的AAAAA分级，额外增加了两个UGR测量点的要求(如图3所示，编号2、3)，即教室中的学生座位区域被均匀划分为三个区域，三处测量点均需要满足表1中UGR ≤ 16的规定。上述两项指标要求的综合考量——眩光约束下的眼部垂直照度，可较好地约束教室照明中光的空间分布，使得面向黑板方向、坐姿1.2 m高度处的眼部垂直照度主要由间接光提供，并随着教室照明质量评价等级的提高逐渐提高眩光约束下的眼部垂直照度要求。以上指标要求有利于提升中小学校教室整体空间的光环境品质，使视觉环境更加健康、明亮、舒适。

表1 中小学校普通教室、专用教室、公共教学用房等照明质量分级评价[27]

图3 座位区域统一眩光值UGR测量点示意图Fig.3 Diagram of the measurement points of Uniform Glare Ranking in seating area

此外，照度均匀度(水平照度)同样关乎学生在教室照明环境中面向课桌面读写时的视觉舒适性，照度过低或分布不均匀都会影响视觉作业绩效并降低舒适度、引起视觉疲劳。团体标准中对于照度均匀度的要求高于国家标准(≥0.60)。针对显色相关指标，参照了现有的教室照明相关标准[31,32,34]以及现有LED照明灯具现状，在综合考虑后采用了一般显色指数Ra和特殊显色指数R9两项指标要求，团体标准则相较于以往部分教室照明标准(Ra≥80，R9≥0)提出了更高要求(Ra≥90，R9≥50)，一方面是为了区别于以往采用荧光灯的教室照明方案(荧光灯灯具难以实现这一高显色性目标)，鼓励在教室照明中采用更加高效的LED照明灯具，因其在制备原理上更易实现高显色性的目标，且发光效率更高、寿命更长；另一方面，高显色性的教室照明要求也更有利于中小学生对课本内容中色彩的感知，从而避免因照明不佳所带来的视觉负担。

3.2 节律健康指标

针对节律健康需求，团体标准以“节律无害性”作为参数指标的制定准则，主要采用了前文所提及的视黑素等效勒克斯(EML)和视黑素等效(D65)日光照度(melanopic EDI)两项评价指标(表1)，由于二者除了数值不同外，本质上并无差异，彼此之间也存在固定的换算关系，故在团体标准的节律照明指标中处于并重的地位，其中：针对AAA级的教室照明不作额外的技术要求；针对AAAA级的教室照明，仅对白天时段作出要求，即白天时段满足EML≥150 (或melanopic EDI≥136)，此要求综合考虑了节律照明效果和教室照明灯具成本问题，仅从调节照明强度的层面实现对节律刺激的控制；针对AAAAA级的教室照明，则要求分为“白天时段”和“夜间时段”两种模式，不同时段具有不同的指标参数限值要求(表1)，依据更有利于学生节律健康的原则(“节律无害性”)：白天提供尽可能高的节律刺激照明环境，有助于维持学生的警觉度，提高学习效率，而夜间则提供较低的节律刺激，避免抑制褪黑素的分泌，影响学生夜间睡眠质量。对于一天中不同时段教室照明节律刺激的阈值设置：首先参考了WELL建筑标准[29]中的相关阈值推荐数值；其次，基于不同层级下的视觉需求指标限值(以眼部垂直照度为主)，结合常用教室照明相关标准[31,32,34]中规定的白光色温范围(3 300～5 300 K)，理论计算了相应节律刺激强度的阈值范围，根据上述内容，综合考虑满足白天、夜间节律刺激的基本原则，并调研了多家企业以评估相应指标阈值在产品上的技术可行性，最终确定了不同教室照明评级在不同时段的节律刺激强度的阈值要求。

3.3 照明系统要求

团体标准考虑到近年来LED照明技术在智能控制方面的快速发展，针对照明系统也提出了相比以往相关标准[31,32,34]更进一步的要求，主要涉及分模式调光功能、分时段调光功能和多色温调光功能三项评价指标，如表1所示，其中：针对AAA级的教室照明，应符合上海市地方标准[34]提出的相应要求；针对AAAA级的教室照明，需要在满足上一评级要求的前提下，同时具备分模式、分时段调光功能；针对AAAAA级教室照明的要求则最高，需同时具备分模式、分时段调光功能以及多色温调光功能。

分模式调光功能考虑了不同教学情景下的实际使用情况，分为一般模式和投影模式：一般模式下需满足基本的视觉健康指标和节律健康指标；以投影模式教学时，则要求由人工照明在多媒体垂直面产生的照度≤ 50 lx，水平课桌面照度≥300 lx，眼部垂直照度≥100 lx。投影模式的这一要求顺应信息化教学的趋势，避免在此模式下仅考虑投影等视觉终端的显示效果而忽略学生的视觉舒适度。AAAA级和AAAAA级的分时段调光功能则考虑到教室照明在不同时段(白天和夜间)应具有不同的节律刺激强度要求，故要求搭配可调光的照明系统实现相应的功能。AAAAA级教室照明中的多色温调节功能则进一步考虑了教室空间光环境需满足一天中不同时段的视觉、节律两个层面的需求：白天时段具有较高的课桌面照度(≥500 lx)和节律刺激强度(EML≥200(或melanopic EDI≥181))；而在夜间时段，则维持基本的课桌面照度水平(≥300 lx)并同时降低节律刺激强度(EML ≤ 130(或melanopic EDI ≤ 118))。仅调节光照强度无法同时实现上述两个维度相互制约的指标要求，而光照的节律刺激强度也取决于照明的光谱能量分布，因此团体标准推荐通过调节照明的色温(光谱)和强度这两个方面来实现上述的功能需求。现行的相关照明设计标准[31,32,34]要求教室照明的色温应介于3 300～5 300 K之间，由于在相同强度下低色温相较于较高色温通常具有更低的节律刺激强度，故团体标准将上述色温范围进一步细分成两个区间：由于光照的节律刺激强度在相关色温接近3 800 K前后时可能会发生突变[35-37]，故将白天时段要求色温介于3 800～5 300 K之间，以满足相应时段的节律刺激需求指标；夜间晚自习时段则要求色温介于3 300～3 800 K，以在满足基本视觉需求指标的同时从色温(光谱)层面降低光照的节律刺激强度。此外，考虑到成本因素，该项要求仅针对最高等级即AAAAA级的教室照明。

3.4 节能要求

针对教室照明的节能方面，团体标准也响应国家的“双碳”政策，将百勒克斯照明功率密度(W/m2/100 lx)作为评价光源功率密度的技术指标，其中照度值为维持照度值，并按照标准限值取值。由于传统的教室照明多数以荧光灯作为主要的照明光源，照明能效较低且难以满足此项规定，该项技术要求的规定鼓励将LED作为教室照明的光源。由于LED照明具有可调光、可变色温/光谱、光效高、使用寿命长等特点，在各方面均明显优于传统光源，且节律健康指标和视觉健康指标的调节均涉及此类光源特性的使用，团体标准的实施和推广有利于进一步推动中小学教室照明中LED光源对传统光源的取代，并促进教室照明向高效、节能、健康的方向发展。

4 中小学教室健康照明的实施与应用

2020年9月，团体标准正式发布实施后，上海照明电器行业协会组织了多家会员单位，通过企业自建、校企联合建设、学校自建改造等方式，在满足国家标准[31,32]、地方标准[34]的指标参数、照明布置和验收要求的前提下，共建成了10余间符合团体标准AAAAA级要求的健康照明教室示范应用样板间。依照团体标准的各项指标要求，示范样板间在建设完毕后，均通过了相关权威检测机构的现场检测。结果表明，团体标准中提出的技术要求切实可行，具有较强的落地性。同时，改造后的教室空间明亮、舒适，整体效果达到预期(如图4所示)。

图4 已建成的AAAAA级教室照明示范应用样板间Fig.4 The photos of built classrooms in the AAAAA rank requirements of classroom lighting

通过中小学校AAAAA级健康照明教室示范应用样板间的建设，不仅论证了实际效果，检验了团体标准中技术指标参数的合理性和可操作性，还为团体标准的实施应用建立了参考样本。同时，在应用示范中遇到的难点和问题也为未来团体标准的进一步修订和完善提供了重要的数据支持。

5 结语

教室空间明亮程度和节律照明效果对于保障中小学生的视觉和节律健康具有十分重要的积极意义，团体标准《中小学校教室照明质量分级评价》(T/SIEATA 000001—2020)[33]在国家标准和上海市地方标准的基础上，重点从视觉健康、节律健康两个维度对中小学校教室照明的质量提出了更高要求：在视觉健康层面，提出以眩光约束下的眼部垂直照度作为教室空间明亮程度的评价指标，通过提出明亮、舒适的教室光环境要求，保障中小学生的视觉健康；节律健康层面，在中小学教室照明中引入了评价指标EML和melanopic EDI，并根据不同时段和使用需求(例如白天时段上课学习和夜间时段晚自习)提出了相应的视觉、节律指标要求，通过光照强度、色温(光谱)两个维度的调节，实现相应的视觉、节律功能组合。该团体标准的施行和示范应用样板间的建设，有望作为行业探索，促进中小学校教室照明的整体质量的提升，实现更加健康、舒适、高效、节能的中小学教室光环境。本文也为相关科学研究、产品研发、标准制定以及设计实践提供参考。