建筑室內(nèi)環(huán)境LED光照藍(lán)光危害的測量與分析*

何 偉 楊春宇 梁樹英

0 引言

建筑室內(nèi)環(huán)境與人的健康密切相關(guān)[1-2]，包括通風(fēng)量、自然采光、人工照明、溫度和聲學(xué)等室內(nèi)氣候參數(shù)對人的活動起著重要作用[3]，其中光是影響室內(nèi)環(huán)境最重要的因素之一。光是一種電磁輻射，輻射的光譜根據(jù)波長不同可以分為紫外線（100～400 nm）、可見光（400～760 nm）和紅外光（760～10 000 nm），角膜組織和天然晶狀體能保護(hù)眼睛避免受到紫外線的損傷，剩余的在400～1 400 nm之間的波長能夠輻射到視網(wǎng)膜上[4]，其中對視網(wǎng)膜最有害的部分是400～500 nm的波長，這部分波長被稱為藍(lán)光。建筑室內(nèi)照明環(huán)境使用的發(fā)光二極管（light emitting diode, LED）光源富含藍(lán)光光譜，燈具發(fā)出的藍(lán)光波長以光粒子的形式被人眼視網(wǎng)膜色素上皮（retinal pigment epithelium, RPE）中的黑色素吸收，進(jìn)入到眼睛的藍(lán)光輻射達(dá)到一定能量時可能會對視網(wǎng)膜造成損傷[5-7]，長時間在不合適的光照環(huán)境下工作或?qū)W習(xí)可能會導(dǎo)致視力功能受損，還可能導(dǎo)致白內(nèi)障的形成和老年黃斑變性等眼部疾病[8-10]。

藍(lán)光光譜普遍存在于人類生活環(huán)境中，在非視覺效應(yīng)方面具有廣泛的有益作用，藍(lán)光輻射只有當(dāng)強度累積到一定的劑量才會對視網(wǎng)膜產(chǎn)生實質(zhì)的傷害。建筑環(huán)境的光照安全取決于眼睛接收到的光照水平（視網(wǎng)膜輻照度），建筑室內(nèi)空間LED照明輻射安全受到廣泛關(guān)注，在評估室內(nèi)照明環(huán)境中的光輻射安全性時，應(yīng)該考慮LED照明光源在建筑中的實際使用情況，建筑空間的照明環(huán)境是否對視網(wǎng)膜具有潛在危害與人們?nèi)绾问褂霉庠从泻艽箨P(guān)系。

1 現(xiàn)行藍(lán)光危害評價標(biāo)準(zhǔn)

目前，藍(lán)光輻射的評價方法主要是根據(jù)國際電氣協(xié)會發(fā)布的IEC 62471—2006燈和燈系統(tǒng)的光生物安全（Photobiological safety of lamps and lamp systems）[11]，我國現(xiàn)行的GB/T 20145-2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》是轉(zhuǎn)化自該標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)行的藍(lán)光危害評價標(biāo)準(zhǔn)是針對燈具光源的，根據(jù)不同曝輻限值劃分為不同危害等級，表 1 為不同藍(lán)光危害等級的參數(shù)閾值。在計算藍(lán)光輻射強度時，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)是在照明光源產(chǎn)生500 lx照度的距離或在距離光源200 mm處測量可視光源直射的光譜后計算藍(lán)光加權(quán)輻照度或輻射度。

表1 不同藍(lán)光危害等級的參數(shù)閾值Tab.1 parameter thresholds of different blue light hazard levels

在評價建筑室內(nèi)環(huán)境藍(lán)光危害時必須始終考慮照明光源在建筑空間中的實際使用情況。室內(nèi)照明LED燈具通常是安裝在天花板上，在正常合理的使用情況下，人眼不會長時間直視照明光源，并且照明燈具到眼睛的垂直距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于200 mm。照明光源的藍(lán)光輻射能量不會完全進(jìn)入人們的眼睛，眼睛接收到的光是視野中環(huán)境的反射光，其輻射水平很大程度上與視線角度和視野中的環(huán)境反射有關(guān)，因此按照現(xiàn)行光生物安全評價標(biāo)準(zhǔn)對室內(nèi)照明環(huán)境的光譜輻射進(jìn)行評價夸大了藍(lán)光危害。在室內(nèi)正常活動時，人們眼睛接收到的輻射強度應(yīng)根據(jù)實際情況準(zhǔn)確評估，本實驗測量了建筑室內(nèi)LED照明不同照度下不同視線方向的環(huán)境反射光譜和光源直接輻射光譜，通過計算環(huán)境輻射光譜強度和光源直接輻射強度，研究建筑室內(nèi)環(huán)境藍(lán)光輻射強度并討論室內(nèi)空間LED照明藍(lán)光輻射的安全性。

2 實驗方法

在實驗室模擬室內(nèi)L ED照明環(huán)境，實驗燈具為色溫5 000 K的LED燈管（有國家質(zhì)檢合格證書），燈具安裝在天花板位置，在室內(nèi)空間布置有工作桌、白墻和窗戶。根據(jù)美國“國際WELL建筑研究院”（International WELL Building Institute,IWBI）發(fā)布的WELL建筑評價標(biāo)準(zhǔn)，使用儀器在眼睛處垂直向前測量的光可以模擬進(jìn)入到眼睛的光線。坐立和站立是人們在室內(nèi)環(huán)境活動的兩種典型工況，測量實驗分別以工作平面上方45 cm和85 cm處（距離地面120 cm和160 cm）垂直向前的光照水平作為人坐立和站立時的眼睛照度，模擬進(jìn)入到人眼睛的照度和光譜。實驗條件設(shè)置為7種不同照明強度（300 lx、500 lx、750 lx、1 000 lx、1 500 lx、2 000 lx、3 000 lx），每一次測量工作前采用CL-500A分光輻射照度計對工作桌面照度值進(jìn)行標(biāo)定。在測量實驗開始時，選取坐立和站立工況下眼睛視線方向常見的桌面、白墻、窗戶的環(huán)境區(qū)域，采用CL-500A分光輻射照度計和分光輻射亮度計CS-2000測量了不同照度條件下的環(huán)境（白墻、桌面和窗戶）反射進(jìn)入到眼睛的光譜和光源直接輻射光譜，測量設(shè)備如圖1所示。采用CL-S10W軟件分別記錄每個測點的照度值、亮度值、色溫、光譜功率分布等參數(shù)，采用EXCEL軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

圖1 室內(nèi)照明環(huán)境主要測量設(shè)備Fig.1 main measurement equipment for indoor lighting environment

圖2是不同光源的光譜功率分布，可以看出相對于其他光源，在相同色溫下LED光源的藍(lán)光光譜更多。圖3是不同照明強度下眼睛位置的光譜功率分布，隨著照度的增大，眼睛位置處的光譜輻射強度增大，光譜功率分布的波峰位置在460 nm附近，照度越高，短波長占比越大。圖4是在眼睛位置處環(huán)境的反射光譜功率分布，從圖4中可以看出，與光源直接輻射光譜相比，不同視線角度眼睛接收到的環(huán)境光譜差別很大。

圖2 建筑環(huán)境不同照明光源的光譜分布曲線Fig.2 spectral distribution curves of different lighting sources in architectural environment

圖3 不同照明強度的光譜能量分布Fig.3 spectral energy distribution of different lighting intensity

圖4 不同視線角度環(huán)境的光譜能量分布Fig.4 spectral energy distribution at different line of sight angles

室內(nèi)環(huán)境中在不直視光源的情況下，光源發(fā)出的光不是直接進(jìn)入到人眼，而是通過眼睛視線方向的物體表面反射進(jìn)入到人眼，光源直接輻射強度要比實際進(jìn)入到眼睛的輻射強度大得多。建筑室內(nèi)空間的反射光譜與物體材料反射比有關(guān)，人在建筑空間會接收到環(huán)境反射的不同強度的光輻射。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 藍(lán)光輻射強度計算

根據(jù)GB/T 20145—2006第4.3.3條表2評價寬波段的光源對視網(wǎng)膜危害的光譜加權(quán)函數(shù)，分別計算出光源發(fā)射光譜和不同視線方向眼睛接收到光譜的藍(lán)光加權(quán)輻照度EB。不同波長光譜對視網(wǎng)膜的藍(lán)光危害作用程度不同，藍(lán)光加權(quán)輻照度EB是可見光范圍內(nèi)（380 nm～780 nm）每個帶寬波長光譜輻照度Eλ 與藍(lán)光危害加權(quán)函數(shù)B(λ) 的積分作用的總和，計算方式如下。

式中：

圖5 視網(wǎng)膜危害的光譜加權(quán)函數(shù)B(λ)和R(λ)Fig.5 spectral weighting functions B(λ) and R(λ) for retinal hazards

將建筑空間中照明光源輻射到的藍(lán)光加權(quán)輻照度作為基準(zhǔn)，通過人眼視野中環(huán)境反射進(jìn)入到人眼的光譜輻射強度會有不同程度的衰減，由于視野中環(huán)境材質(zhì)反射系數(shù)不同，視線角度不同人眼接收到的光輻射強度就有差別。圖6和圖7分別為觀察者坐立時和站立時建筑空間照明在不同視線方向上進(jìn)入到眼睛的相對輻射強度，為了方便對比，將人眼實際接收到的光輻射強度與光源發(fā)射光譜的藍(lán)光加權(quán)輻照度比值作為討論參數(shù)。

圖6 坐立時眼睛處的藍(lán)光輻射強度Fig. 6 blue light radiation intensity of the eyes while sitting

圖7 站立時眼睛處的藍(lán)光輻射強度Fig.7 blue light intensity of the eyes while standing

3.2 討論

從圖6和圖7中可以看出，無論觀察者是坐立或是站立狀態(tài)，在觀察者眼睛位置處的環(huán)境反射光譜與光源發(fā)射光譜的藍(lán)光輻射強度相比大幅度減小，均不超過光源發(fā)射光譜的藍(lán)光加權(quán)輻照度的20%，也就是說在建筑空間中活動的人只要不直視光源，其視線方向進(jìn)入到眼睛的光輻射強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于照明光源本身的藍(lán)光輻射強度，因此，建筑LED照明對人眼睛的潛在危害大大減小。

在正常情況下燈具安裝在天花板上，在建筑空間中工作或?qū)W習(xí)的人不會直視光源，采用針對照明光源藍(lán)光輻射安全的標(biāo)準(zhǔn)來評價室內(nèi)照明空間藍(lán)光危害，夸大了LED照明藍(lán)光對人眼睛的危害。對于建筑室內(nèi)空間環(huán)境，考慮到照明在實際應(yīng)用中的情況，視線角度對于評價室內(nèi)照明環(huán)境的光輻射安全是至關(guān)重要的。在建筑空間內(nèi)正?；顒訒r，人眼視野范圍內(nèi)環(huán)境的反射光進(jìn)入到視網(wǎng)膜，其光譜和光輻射強度與光源本身的發(fā)光特性有很大差別。筆者的研究結(jié)果顯示，在垂直方向上進(jìn)入到眼睛的藍(lán)光輻射強度不會超過光源輻射強度的20%，在人們不會長時間直視光源的情況下，室內(nèi)照明環(huán)境眼睛實際接收到的輻射強度遠(yuǎn)小于光源本身的輻射強度。建筑室內(nèi)空間照明環(huán)境中的藍(lán)光光譜輻射對人并非只有危害，藍(lán)光光譜在非視覺效應(yīng)方面對人體生理健康有重要作用，比如抑制褪黑素分泌[12-13]，提高警覺性和注意力[14-15]、改善情緒[16]等（圖8）。根據(jù)建筑空間照明與人的實際應(yīng)用情況，準(zhǔn)確評價建筑空間照明環(huán)境的光輻射安全對于光環(huán)境應(yīng)用非常重要，夸大LED光源對人的潛在危害可能會導(dǎo)致LED被限制使用，導(dǎo)致LED光源在控制和科學(xué)技術(shù)應(yīng)用方面的優(yōu)勢被損害，對于營造舒適、健康的建筑光照環(huán)境不利。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，民用建筑室內(nèi)人工照明常用的照度標(biāo)準(zhǔn)值為300 lx～500 lx，建筑室內(nèi)人工照明不會使用特別高的照度和色溫值，但近來有研究表明室內(nèi)照明采用高照度可以改善人們在室內(nèi)空間的活動。通過實驗測量了晴天室內(nèi)采光窗邊天然光和5 000 K LED光源的光譜能量分布，當(dāng)照度為3 000 lx時，5 000 K LED光源的藍(lán)光輻射強度為室內(nèi)天然采光藍(lán)光輻射強度的65.9%，其藍(lán)光危害程度比室內(nèi)建筑采光?。▓D9）。建筑室內(nèi)空間的照明很少能達(dá)到3 000 lx，在不直視光源的情況下，建筑室內(nèi)5 000 K LED照明的藍(lán)光輻射強度在安全限值內(nèi)，色溫低于5 000 K LED照明在室內(nèi)正常情況下不會超出藍(lán)光曝輻限值，不存在藍(lán)光危害。對于長時間處于高照度或高亮度的建筑空間，或者眼睛在高照度直接照射的情況下，仍可能存在對視網(wǎng)膜潛在危害的風(fēng)險。

圖8 光譜視覺和非視覺作用相對靈敏度曲線Fig.8 relative sensitivity curves of spectral visual and non-visual effects

圖9 5 000 K LED光源與晴天天然光光譜能量分布Fig.9 5 000 K LED light source and natural light spectrum energy distribution in sunny days

4 結(jié)論

建筑室內(nèi)空間的光照環(huán)境與人的健康、舒適緊密相關(guān)，建筑空間使用LED光源進(jìn)行照明已經(jīng)非常普遍[17]。富含藍(lán)光光譜的白光LED照明在非視覺效應(yīng)方面具有廣泛的有益作用，同時基于計算機技術(shù)、通信技術(shù)、智能技術(shù)的LED照明可以根據(jù)人需照明進(jìn)行智能控制，打造符合節(jié)律的健康光照環(huán)境。在評價建筑空間LED照明的光輻射安全時，應(yīng)該根據(jù)實際的應(yīng)用情況和人在空間的活動特性進(jìn)行準(zhǔn)確評價，考慮人們在室內(nèi)空間的視線角度和環(huán)境反射光譜。本研究測量了不同照度條件下人視野中的環(huán)境反射光譜和光源直接輻射光譜，將其進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明在實際應(yīng)用中，建筑空間LED照明的環(huán)境反射光譜比光源直接輻射要小得多，室內(nèi)空間人眼睛實際接收到的藍(lán)光輻射強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光源直接輻射的強度，不足以造成對視網(wǎng)膜的損傷。對于主要發(fā)出藍(lán)光的光源，長時間在高強度照明的直接照射下仍可能存在對視網(wǎng)膜的潛在危害。