Human-Centric Lighting: научные основы и пять шагов проектирования

Human-Centric Lighting (HCL), или человеко-ориентированное освещение, предполагает проектирование световой среды с учетом не только зрительных задач, но и невизуальных эффектов света, включая его влияние на циркадные ритмы и сон. Однако сам по себе светильник или источник света не становится человеко-ориентированным благодаря определенному спектру или набору функций. HCL является результатом обоснованных проектных решений, учитывающих условия использования освещения и потребности людей.

Такой подход рассматривают K. W. Houser и T. Esposito в научной статье Human-Centric Lighting: Foundational Considerations and a Five-Step Design Process (2021). Авторы предлагают последовательный процесс проектирования HCL, в котором научные данные, характеристики световой среды и задачи объекта объединяются в систему измеримых критериев.

HCL: не свойство светильника, а результат проектирования

В статье Houser и Esposito обращают внимание на неоднозначность термина Human-Centric Lighting. В лучшем случае он обозначает освещение, при проектировании которого учитываются как зрительные, так и невизуальные эффекты света. В худшем случае становится маркетинговым обозначением, используемым для продвижения светотехнических продуктов под обещания улучшения сна, самочувствия или работоспособности.

Поэтому оценивать HCL только по характеристикам оборудования недостаточно. Значение имеют параметры светового воздействия, время его применения, пространственное распределение света, режим дня человека и конкретные задачи помещения.

Световая среда, подходящая для офиса в первой половине дня, не обязательно будет оптимальной для спальни вечером. Аналогично, одинаковые светильники могут создавать принципиально разные условия в зависимости от расположения, настроек и продолжительности использования.

Как свет влияет на человека: от стимула к отклику

Для проектирования HCL необходимо понимать, какие характеристики света можно контролировать и какие реакции человека они способны вызывать.

В статье выделены четыре основных параметра светового стимула:

1. Временной паттерн. Время воздействия, его продолжительность и распределение в течение суток.

2. Уровень освещенности. Количество света, достигающего человека в условиях конкретной зрительной и биологической задачи.

3. Спектральный состав. Распределение энергии излучения по длинам волн.

4. Пространственное распределение. Направление света, его расположение в поле зрения и условия попадания на сетчатку.

Эти параметры определяют не только зрительное восприятие, но и невизуальные реакции, связанные с циркадной регуляцией, нейроэндокринными процессами и поведением.

Важную роль в передаче невизуальных световых сигналов играют внутренне светочувствительные ганглиозные клетки сетчатки (ipRGC), содержащие фотопигмент меланопсин. Они участвуют в передаче информации о световой среде системам организма, регулирующим суточные ритмы.

При этом реакция человека зависит не от одного показателя освещенности. Значение имеют спектр, интенсивность, продолжительность и время воздействия, а также индивидуальные особенности и предшествующая световая история.

Как измерять биологическое воздействие света

Для оценки невизуальных эффектов освещения применяются специальные метрики. Они позволяют описывать световое воздействие точнее, чем обычная освещенность в люксах, которая в первую очередь характеризует условия зрительной работы.

EML: эквивалентная меланопическая освещенность

EML (Equivalent Melanopic Lux) использовалась для количественной оценки света с учетом его меланопического воздействия. Однако эта метрика не является единицей Международной системы единиц (СИ), а Международная комиссия по освещению (CIE) перешла к использованию стандартизированных альфа-определений эквивалентной дневной освещенности.

Melanopic EDI: меланопическая эквивалентная дневная освещенность

Melanopic EDI (mel-EDI) выражается в люксах и характеризует освещенность стандартным дневным источником, который создает эквивалентное меланопическое воздействие на сетчатку. Метрика описана в системе α-оптических величин CIE и позволяет сопоставлять источники света с разным спектральным составом.

При интерпретации mel-EDI важно учитывать, что это показатель конкретного аспекта светового воздействия, а не универсальная мера полезности освещения для человека.

Circadian Stimulus: модель циркадного стимула

Circadian Stimulus (CS) представляет собой модель, предназначенную для оценки воздействия света, связанного с ночным подавлением секреции мелатонина. В модели используется шкала от 0 до 0,7, соответствующая расчетному диапазону подавления от 0 до 70%.

CS и mel-EDI описывают световое воздействие по-разному, поэтому их нельзя считать взаимозаменяемыми показателями. Выбор метрики зависит от используемой методологии, задачи проектирования и применяемых рекомендаций.

Пять шагов проектирования Human-Centric Lighting

Основной практический результат работы Houser и Esposito заключается в пятишаговом процессе разработки HCL. Он позволяет перейти от общих пожеланий об улучшении световой среды к конкретным требованиям, которые можно проверить.

1. Определить назначение объекта

На первом этапе необходимо описать функции помещения или здания, основные задачи пользователей и условия эксплуатации. Важно учитывать, когда люди находятся в пространстве, какие действия выполняют и какие операционные цели должна поддерживать световая среда.

Для офиса это могут быть зрительная работа, совещания и взаимодействие с цифровыми устройствами. Для медицинского учреждения или жилого пространства набор задач и режимов использования будет другим.

2. Определить режим сна и бодрствования пользователей

Следующий этап связан с предполагаемым циклом сон-бодрствование людей, находящихся в помещении. Необходимо учитывать дневные, ночные и смешанные режимы работы.

Это особенно важно для объектов с круглосуточной эксплуатацией, сменной работой и нестандартными графиками. Световые решения должны соответствовать реальному времени использования пространства, а не только формальному назначению помещения.

3. Учесть потребности во сне

На этом этапе определяют, присутствуют ли в объекте спящие люди, когда именно они спят и какие ограничения необходимо соблюдать в отношении светового воздействия.

Например, условия для человека, который работает ночью и спит днем, отличаются от условий для человека с обычным дневным графиком. Важен и вечерний период, когда световое воздействие может иметь значение для последующего засыпания.

4. Изучить научные и отраслевые рекомендации

После определения контекста и режимов использования анализируют опубликованные рекомендации и критерии проектирования. В статье рассматриваются, в частности, WELL Building Standard версии 2, UL 24480 и рекомендации Brown и соавторов.

Эти документы и исследования предлагают разные подходы к оценке световой среды. Их следует рассматривать с учетом области применения, условий измерения и допущений, лежащих в основе каждого критерия.

5. Сформировать измеримые требования к освещению

На заключительном этапе информация об объекте, режимах сна и бодрствования и научных рекомендациях объединяется в проектные критерии.

Необходимо установить численные целевые значения, определить временные интервалы воздействия и сбалансировать требования зрительной работы с невизуальными задачами освещения.

Именно на этом этапе концепция HCL превращается в проверяемое техническое задание. Проектировщик может обосновать выбранные параметры, проверить их после реализации и при необходимости скорректировать настройки системы.

Какие численные ориентиры используют при проектировании HCL

В статье Houser и Esposito рассматриваются критерии и рекомендации, позволяющие перейти от общих принципов к измеримым параметрам освещения.

В качестве примеров авторы обсуждают следующие ориентиры:

• WELL v2: EML не менее 150 или mel-EDI не менее 136 лк в течение минимум четырех часов в интервале с 9:00 до 13:00.

• UL 24480: Circadian Stimulus не менее 0,30 в период с 7:00 до 16:00 при освещенности не менее 500 лк.

• Brown и соавторы: mel-EDI не менее 250 лк в дневное время и не более 10 лк в течение трех часов перед сном.

Эти значения нельзя воспринимать как универсальные нормы для любого объекта. Они относятся к определенным рекомендациям и условиям их применения. Перед использованием в проекте необходимо сверить исходные документы, актуальные редакции и методику измерений.

Особенно важно не смешивать освещенность рабочей поверхности с меланопическим воздействием на уровне глаз. Одинаковые значения обычной освещенности могут соответствовать разным значениям mel-EDI в зависимости от спектра и геометрии световой среды.

Ограничения научных данных: лабораторный эффект не гарантирует результат в здании

При проектировании HCL необходимо учитывать внешнюю валидность исследований, то есть возможность переноса полученных результатов на реальные условия.

Экспериментальные исследования позволяют выявлять закономерности и оценивать реакции на определенные параметры света. Однако лабораторные условия отличаются от повседневной среды: люди перемещаются между помещениями, получают свет из разных источников, используют экраны и придерживаются индивидуальных режимов сна.

Поэтому обнаруженный в лаборатории эффект не гарантирует аналогичного результата в реальном здании. Нельзя автоматически заключать, что определенная спектральная настройка улучшит сон, повысит производительность или обеспечит конкретный оздоровительный эффект для каждого пользователя.

Научно обоснованный подход предполагает формулирование проверяемых целей, измерение фактических параметров освещения и оценку результатов в условиях, для которых разрабатывается система.

Как методология HCL связана с подходом ILY

Для ILY работа Houser и Esposito важна как методологическая опора человеко-центричного проектирования освещения. Пятишаговый процесс позволяет связать задачи объекта, особенности пользователей, научные данные и измеримые требования в единую систему принятия решений.

Этот подход соответствует принципу ILY «показать, измерить, испытать». Сначала необходимо определить, какую задачу должна решать световая среда. Затем измерить ее фактические характеристики и проверить, насколько реализованное решение соответствует установленным критериям.

Human-Centric Lighting в таком понимании не является набором универсальных настроек или обещанием улучшить самочувствие с помощью света. Это метод проектирования, в котором каждое решение имеет основание, измеримые параметры и понятные ограничения.

Источник: Houser K. W., Esposito T. Human-Centric Lighting: Foundational Considerations and a Five-Step Design Process. 2021.