Czym jest Human Centric Lighting?

Oddziaływanie światła na organizm człowieka nie powinno dziwić, biorąc pod uwagę to, że gatunki zwierząt na Ziemi ewoluowały, dostosowując się do 24-godzinnego cyklu dnia i nocy - dlatego też ludzie są z natury stworzeniami dobowymi, aktywnymi w dzień i śpiącymi w nocy. Już jednak od ponad 150 lat wrodzony rytm okołodobowy jest zaburzony, sztuczne oświetlenie pozwala bowiem na aktywność w dzień i w nocy. Dzięki temu gospodarka działa 24 godziny przez siedem dni w tygodniu. Zwiększona produktywność dzięki temu, że całą dobę można przebywać w oświetlonym otoczeniu, ma niestety "ciemne" strony. Przez lata jednak nie zdawano sobie z tego sprawy, w związku z czym producenci oświetlenia skupiali się wyłącznie na jego roli użytkowej. Dopiero odkrycie trzeciego fotoreceptora w ludzkim oku oraz dowodów biologicznego wpływu światła spowodowało, że zaczęto je wiązać z naszym zdrowiem i samopoczuciem.

Biologiczny wpływ światła

Fotoreceptory w oku to pręciki i czopki. Pierwsze umożliwiają widzenie przy słabym oświetleniu, z ograniczoną lub zerową percepcją kolorów, co określa się mianem widzenia skotopowego. Dlatego w takich warunkach świat postrzegamy w czerni i bieli, rozróżniając tylko stopień jasności. Czopki są z kolei odpowiedzialne za widzenie przy dobrym oświetleniu (fotopowe) oraz za rozpoznawanie kolorów. Widzimy, gdyż światło padające na fotoreceptory powoduje uwolnienie białek: rodopsyny oraz fotopsyny, co pobudza nerw wzrokowy do wysłania do mózgu sygnału, który ten przetwarza w obraz. Niedawno odkryto trzeci typ fotoreceptorów, niezaangażowanych w proces widzenia - są to komórki RGC (Retinal Ganglion Cells). Zapewniają one połączenie nerwowe z regionem w mózgu, który odpowiada za regulację rytmu dobowego. W reakcji na sygnały przesyłane z tych receptorów reguluje on wydzielanie hormonów: melatoniny, dopaminy, kortyzolu i serotoniny.

Światłoczułość komórek RCG wynika z obecności w nich fotopigmentu melanopsyny, najsilniej reagującego na światło niebieskie, z maksymalną czułością na promieniowanie o długości fali w zakresie 459-484 nm. Pod jego wpływem zostaje zahamowane wydzielanie melatoniny, która wywołuje senność, zaś produkcja pozostałych hormonów pobudzających zostaje zwiększona. Ekspozycja na światło niebieskie zatem m.in. podnosi temperaturę ciała, tętno, zwiększa siłę mięśni i koordynację, maksymalizuje czujność i produktywność.

Czym jest temperatura barwowa?

Parametrem światła białego, który w projektowaniu oświetlenia zorientowanego na człowieka, czyli uwzględniającego jego biologiczny wpływ, ma kluczowe znaczenie, jest temperatura barwowa (color temperature), zaś w przypadku źródeł światła LED, skorelowana temperatura barwowa (correlated color temperature, CCT). Przykładowo typowo temperatura barwowa światła świecy wynosi 1800 K, światła naturalnego o zmierzchu i o świcie - 2000 K albo więcej, żarówki zwykłej - 2800 K, żarówki halogenowej - 3200 K, światła słonecznego w południe - 5000 K, przy zachmurzeniu - 6500 K, a w dzień bezchmurny - 9000-12000 K. Im niższa jest temperatura barwowa, tym "cieplejsze" wydaje się źródło światła, ponieważ w jego widmie dominują składowe z zakresu długości fali światła czerwonego i pomarańczowego. Z kolei im wyższa temperatura barwowa, tym "chłodniejsze" jest źródło światła, ponieważ w jego widmie przeważają składowe światła niebieskiego. W związku z tym źródła światła są generalnie klasyfikowane jako "zimna biel", o temperaturze barwowej 4000 K i większej, "neutralna biel", o CCT 3500 K i "ciepła biel", o temperaturze barwowej 3000 K lub mniejszej.

 

Rys. 1. Temperatura barwowa różnych źródeł światła

Na czym polega HCL?

Z tego wynika, że zimne światło dzienne o temperaturze barwowej w zakresie 4000-6500 K stymuluje organizm do działania. Ciepłe światło o mniejszej intensywności o wschodzie oraz zachodzie słońca zapewnia natomiast łagodny początek dnia i sprzyja odpoczynkowi w nocy. Celem strategii projektowania oświetlenia zorientowanego na człowieka jest odwzorowanie tego cyklu za pomocą sztucznego oświetlenia tak, żeby nie tylko spełniało wymagania użytkowe, ale również umożliwiło jego użytkownikom funkcjonowanie w zgodzie z naturalnym rytmem dobowym ich organizmów. Aby go osiągnąć, należy symulować dynamiczne zmiany natężenia światła i temperatury barwowej światła zewnętrznego w ciągu dnia, tworząc zoptymalizowane kompozycje światła sztucznego, zwiększające koncentrację i produktywność w środowisku pracy oraz nauki w ciągu dnia, jednocześnie zachęcające do relaksu i regeneracji w nocy.

Znaczenie LED w HCL

Szczęśliwie odkrycie wpływu oświetlenia na organizm człowieka zbiegło się w czasie z rozwojem technologii diod elektroluminescencyjnych, która okazała się przełomem w dziedzinie sztucznego oświetlenia. Powszechnie są one popularyzowane jako energooszczędne źródła światła, ale nie jest to ich jedyna zaleta - w projektowaniu oświetlenia zorientowanego na człowieka większe znaczenie ma możliwość dynamicznej regulacji ich różnych parametrów użytkowych, przede wszystkim temperatury barwowej, w pełnym zakresie, od zimnej po ciepłą biel, ale też natężenia światła. Umożliwia to odwzorowanie zmian oświetlenia naturalnego. Dodatkowo wraz z rozwojem technologii Internetu Rzeczy pojawiają się narzędzia, które umożliwiają rejestrowanie i analizowanie zachowań użytkowników, co jeszcze zwiększa możliwości w zakresie optymalizacji oświetlenia.

HCL w praktyce

Oświetlenie zorientowane na człowieka jest realizowane z wykorzystaniem białych diod LED o regulowanych parametrach, ściemniaczy oraz sterowników, które implementują zaawansowane algorytmy zmiany temperatury barwowej diod w różnych możliwych kombinacjach i niezależną kontrolę natężenia oświetlenia.

Główną metodą sterowania jest dwukanałowe mieszanie warm-cool, w którym temperatura barwowa jest regulowana przez zmianę względnej intensywności białych diod LED, których światło charakteryzowane jest jako zimne i ciepłe. Wyzwaniem w tej technice jest zapewnienie bezstopniowej regulacji temperatury barwowej zgodnie z krzywą Plancka. Zakres przestrajania zwykle obejmuje CCT od 2700 do 6500 K lub od 1800 do 6500 K. Wymagane są najczęściej oddzielne wejścia sterujące intensywnością i temperaturą barwową, żeby zapewnić stałą temperaturę barwową podczas regulacji intensywności i na odwrót.

Alternatywą dla tej techniki jest mieszanie kolorów podstawowych (czerwonego, zielonego, niebieskiego) z niezależnych diod RGB. Można dołączyć dodatkowe kolorowe diody LED, co poprawia jakość kolorów. Ta metoda pozwala nie tylko na niezależną kontrolę natężenia oświetlania i CCT, ale także umożliwia regulację dodatkowych parametrów światła.

Przykłady zastosowań HCL

Oświetlenie zorientowane na człowieka łagodzi fizjologiczne oraz psychologiczne konsekwencje wynikające z rozbieżności między światłem naturalnym a sztucznym, zapewniając jednocześnie lepsze środowisko wizualne i poprawę wydajności ludzi. Dlatego można wymienić wiele miejsc, w których warto rozważyć wdrożenie takiego systemu.

Przykładem są ośrodki, w których leczy się zaburzenia będące konsekwencją zaburzeń dobowego rytmu dnia oraz środowiska, w których dzięki prawidłowemu oświetleniu można uzyskać lepsze efekty w nauce albo pracy. Pierwsze to placówki opieki zdrowotnej, w których dostarcza się pacjentom pozytywnych bodźców, pomaga w powrocie do zdrowia, rozwiązuje problemy ze snem, leczy i/albo zapobiega depresji. Kolejny przykład to placówki edukacyjne - regulacja temperatury barwowej i natężenia oświetlania wspomaga koncentrację, zmniejsza zmęczenie, poprawia zdolności poznawcze. Podobne wymagania mają m.in. zakłady przemysłowe i biura.

Monika Jaworowska