教室照明健康光環境發展方向的探討

　　廈門捷能通光電科技有限公司教育照明專家組

　　我國兒童青少年的視力健康問題一直牽動著習近平總書記的心。2018年8月，習近平總書記批示要求：“全社會都要行動起來，共同呵護好孩子的眼晴，讓他們擁有一個光明的未來”。2018年8月30日，教育部等八部門聯合印發《綜合防控兒童青少年近視實施方案》，對改善學生視力環境明確提出兩點要求，一是“落實教室、宿舍、圖書館(閱覽室)等采光和照明要求，使用利于視力健康的照明設備”，二是“學校教室照明衛生標準達標率100%”。

　　受國家政策鼓舞，社會各界特別是照明界都積極行動起來，密集開會研討、申請專利、制定標準、提升質量，投入到教室照明改造的熱潮中來，僅2020年就申請專利189件，起草專業標準9個，申請并獲得光環境認證12項，獲得各種獎項32個，均創歷史新高。教室健康照明在照明領域是發展速度最快、質量提升最好、市場增長率最高的領域，在LED照明細分市場中樹起一面旗幟。2021年4月23—25日在廈門舉行的第79屆中國教育裝備展示會上，參展照明企業達46家，無不以“健康照明”為主題展示教室健康光環境成果，彰顯“健康照明”已深入人心，教室健康照明改造將迎來新的高潮。

　　我們廈門捷能通光電科技有限公司是專注于教育照明領域的產品制造商和綜合服務商，至今專注于教育照明領域八年。我們在第79屆中國教育裝備展示會期間接待了眾多專家、學者、校長、教師和企業家，和他們廣泛地交流研討了教室健康照明光環境的未來發展問題，受到很大啟發。現將其匯集整理出來與大家分享，不當之處歡迎批評指正。

　　哲學思想和理論基礎

　　人類是經歷數百萬年在自然環境下進化成長起來的。2017年10月18日，習近平總書記在黨的十九大報告中指出：“人與自然是生命共同體，人類必須尊重自然、順應自然、保護自然”。2021年4月22日，習近平主席在領導人氣候峰會上發表講話提出：“共同構建人與自然生命共同體”“中華文明歷來崇尚天人合一、道法自然，追求人與自然和諧共生”。萬物生長靠太陽，地球上所有生物都必須遵從地球自轉、公轉和陽光變化的節律控制生長。太陽是最好的光源，自然光是最理想的光、最健康的光、最安全的光。

　　自然光環境才是照明人的追求和努力方向，我們要為學校的教室、宿舍、圖書館、辦公室等打造益于健康的光環境。

　　教室人造光與自然采光如何相協調、相匹配

　　人在周期性變化的自然光照射下，形成了內源性晝夜節律與周、月、季、年的周期性節律，被稱為內源性節律。教室自然采光是變化的外源性光節律，是外源性節律的光照激活人體內源性節律的基因，生成不同的內分泌激素和神經遞質。激素和遞質是調控人體各種生理、心理和代謝的主導物質。激素有1000多種，大部分是人體合成的，激素在血液、體液中傳送到靶細胞和靶組織，傳遞信息與受體發生生化反應，調控人體健康運行。神經遞質有100多種，是連接神經通路的主要化學物質，有興奮性神經遞質如多巴胺、谷氨酸、乙酰膽堿、皮質醇、腎上腺素、去甲腎上腺素等，有抑制性神經遞質如甘氨酸、γ-氨基丁酸等。5-羥色胺和褪黑素是覺醒-睡眠激素，又是神經遞質，這些神經遞質在不同時辰的自然光下合成，進而激活相應的神經系統，調控全身心的健康運行。因此，教室盡量采用自然光，不僅是節能和相關建筑標準的要求，更是健康的需要。教室自然采光應滿足GB 50033—2013《建筑采光設計標準》和GB 50099—2011《中小學校設計規范》的要求，教室窗面積與教室面積之比不應低于1∶5;教室的采光系數不應低于采光等級Ⅲ級，即教室側面自然采光照度不低于450lux。白天人造光源是自然采光的補充，其光品質與照度應盡量與自然光相協調、相匹配，一是采用可調控的智能光照系統，與自然光同步變化;二是仿自然光的光譜能量分布或光色品質分布;三是根據教室不同位置自然光環境的變化，調控人造光盡量達到均勻的光照環境。

　　是照度還是空間明亮度

　　傳統照明指標“照度”和“照度均勻度”是指桌面(工作面)上的水平照度與均勻度，即伏案看書、寫作或手工勞作對照明技術參數的要求。而學校教室中的學生大部分時間不是眼睛向下注視桌面，而是向前平視或向上注視老師和黑板，眼睛接收到周圍墻壁、桌面、天花板、地面和前面全空間反射的光，即空間的明亮程度，不是照度，更不是桌面照度，因此照度與照度均勻度指標不符合學生對教室光環境的實際需要，應該更新為空間明亮度指標，這才是確切的光環境指標。

　　日本松下電器公司和有關高校的人員于2004年提出了“FEU”——空間明亮感的評價方法。FEU來自法語，是火焰的意思。FEU是對從天花板、墻壁、桌面、地面發射到人眼視覺范圍的光線進行綜合計算得出的評價指標，數值在4—50之間。根據計算和實際場景測量，教室照明的空間明亮度FEU的數值在10—16之間最適合，其配光加強了天花板和墻壁的反射照明，使整個空間有明亮感，光線柔和，這樣既降低了對桌面水平照度的要求，還可以節能10%—20%。

　　2010年，卡特勒(Cuttle)也提出了各種間接光對眼部照度影響的計算方法，與FEU的概念相似，也用空間明亮度指標。復旦大學工程與應用技術研究院戴奇研究員對此進行了深入研究，對卡特勒的計算方法和測量方法進行了修正和改進，值得重視和推廣。

　　復旦大學信息科學與工程學院教授林燕丹課題組在探索教室空間光分布對學生績效和視覺感受的影響時發現，通過設置不同色溫、照度的直接照明與間接照明組合的教室光環境，可以影響學生視覺任務績效和視覺舒適度，使整體光環境充滿生氣和活力，深受學生歡迎。

　　研究教室光環境還要研究照明與顯示混合光對學生健康的影響。引入顯示教學工具，從教學信息化的角度來看是一大進步，可以呈現文字、圖像及視頻等更加生動的信息。教學顯示系統分為電視視頻顯示系統、LED視頻顯示系統和投影視頻顯示系統等，其中電視和LED視頻顯示器基本上都用高色溫直射光。我們平常習慣的都是反射光，直射光的亮度與反射光的亮度對人體健康的作用是不同的。顯示器直射光和教室照明混合的光環境對兒童青少年健康影響的研究尚屬空白，有待深入研究與探討。

　　顯色性和顯色指數(CRI)

　　“光沒有顏色。”這是偉大的物理學家牛頓在1704年率先提出的正確想法。與不同光相關的神經活動會產生不同的顏色知覺。顏色是“人與自然是生命共同體”的衍生物，是自然光作用于大腦色素細胞的神經系統形成的主觀感覺。生理顏色是景物與圖像的意識過程，心理顏色是審美的藝術過程。為認識和表述顏色的特性和規律，人們從實踐經驗中科學地創立了光度學、色度學、色彩學等學科。人們把光源照射物體時能否充分顯示被照物顏色的能力稱為光源的顯色性。1965年，國際照明委員會(CIE)推薦用一般顯色指數Ra表述光源的顯色性，即CRI，既簡單又實用。LED是色彩豐富的不連續光譜的冷光源，紅綠藍(RGB)三基色組成的白光視覺效果很好，而顯色指數很低，CRI值小于30，原因在于由于歷史條件的局限性，當時選用連續光譜的黑體輻射或白光作為參考光源，而標準色樣只有中等明度和中等色飽和度的八種，其計算與測試太過于簡化，不能表示光源的顯色性。因此，2007年CIE發表177號技術文件指出：“CIE的CRI不適用于表示LED白光光源的顯色范圍，CRI指數值與人的視覺效果之間沒有內在聯系”。CIE曾計劃用十年時間研究出代替CRI的方法，有眾多科學家提出許多研究成果，如保真顯指、色域顯指、色偏好顯指、色調和顯指、色分辨顯指等，都沒有被CIE采納。2019年，CIE發表224號技術文件，提出用色保真度Rf和CRI并列的雙指標表示光源的顯色性。Rf是北美照明工程學會(IES)TM-30-15標準中定義的色保真度指數，從自然界選取99種色樣計算與檢測。

　　我們現在用CRI+R9方案表示顯色性的提高。R9即第九號紅色色樣，該色樣要求光譜亮度輻射因子在675—830nm范圍大于0.8，而現實LED光源在675—830nm范圍的輻射亮度幾乎為0，這種計算方法是不真實的。因此，用CRI+R9表示光源顯色性的方案也不可取。

　　顯色指數CRI的替代方案仍是值得研究探討的大課題。

　　創建中國兒童青少年健康光環境標準體系

　　我國有尊師重教的優良傳統，青少年普遍從小就被要求學知識、學技能，不要輸在起跑線上，從兒童時期起就用眼距離近、用眼時間長。而照明設施不規范不科學的問題在很多地方存在，加上手機、電子顯示產品、視頻終端產品等品種多、誘惑力強，不少青少年從兒童時期開始就愛不釋手，視力和身心健康受到損害。我國兒童青少年是有2億多人口的特大群體，有必要為他們單獨創建健康光環境標準體系，以此來指導幼兒園、學校、家長正確用光、用好光，讓兒童青少年在健康的光環境中成長。

　　2019年至2021年4月出臺的關于中小學教育或教室照明的新標準達15個，但其技術指標還是沿用成人的標準，沒有針對兒童青少年的特點展開。因此，我們提出建立以下標準的建議：

　　(1)幼兒園健康光環境標準體系。包括活動室、游戲室、閱讀室、休息室的人工光和自然光混合的光環境技術指標，應急照明系統技術指標等。

　　(2)中小學教室健康光環境標準體系。包括一般教室、計算機教室、美術教室、音樂教室、物理與化學實驗室、閱覽室等健康光環境技術指標標準體系。

　　(3)家庭健康光環境標準體系。包括書房或學習區域、客廳、臥室或休息室、活動室等健康光環境技術指標標準體系。

　　(4)兒童青少年用眼衛生和家庭健康光環境管理標準。

　　(5)兒童青少年用發光電子產品技術與使用標準、顯示終端技術與使用標準。

　　這些標準體系的建立需要大量的基礎研究和應用基礎研究，充分研究兒童青少年在不同年齡段生理、心理成長的特點，充分研究光環境對兒童青少年生理、心理健康發育成長的調控作用，建立適應兒童青少年健康成長的光環境標準體系。

　　LED是電光源的一場革命，正在推動光色理論的變革創新。我們不再是做普通照明的光源或燈具，而是為客戶打造健康光環境提供整體解決方案。在黨中央“把人民健康放在優先發展的戰略地位”政策指引下，我們將為兒童青少年這一特殊群體創造益于他們健康成長的光環境，深感責任重大。針對前行中的這些方向性問題，我們希望教育部門能組織專家、學者進行深入研究，將碎片化的、局部的研究成果整合起來，集成創新，形成中國專家集體的智慧，指導我們向更高質量發展，為我們的子孫后代健康成長貢獻更大的力量。