Светодиоды заняли прочные позиции в интерьерном освещении, но для освещения улиц и особенно оживленных магистралей, их массовое применение началось лишь несколько лет назад. При этом такой подход встречает сопротивление общественности. С 2016 года в американской и канадской прессе неоднократно рассказывалось о негативной реакции жителей городов на установку инновационных светильников, а также о якобы имеющем место вреде данных устройств для окружающей среды и здоровья людей. В 2017 году эта кампания достигла своего пика, когда в некоторых городах США стали менять только что установленные светодиодные светильники с «опасным спектром» на другие, тоже светодиодные, но более «безопасные». Насколько обоснованы такие страхи и в чем причина их появления?
Массовый переход крупнейших городов Северной Америки с натриевых ламп высокого давления (ДНаТ) на светодиоды стартовал в 2015 году. И сразу же в органы местного самоуправления полетели жалобы от «рассерженных горожан». Сообщалось, что установленные светильники имеют неприятный оттенок свечения, вызывающий стресс, а также мешают нормальному сну. К жителям городов, первыми познавших плюсы и минусы светодиодного освещения улиц, добавились и защитники окружающей среды. По их мнению, использование уличных светодиодных светильников способно нанести непоправимый вред природе. Эти события заставили Американскую медицинскую ассоциацию (AMA) провести исследование, подтвердившее, что в ряде случаев освещение улиц светодиодами негативно сказывается на здоровье людей. По его итогам был выпущен отчет [Л], рекомендующий использовать на улицах светильники с цветовой температурой не более 3000 K. Данная рекомендация вызвала оживленную дискуссию среди светотехников, которые вцелом согласились с необходимостью ограничить цветовую температуру, но при этом отметили, что предлагаемое предельное значение в 3000 K не имеет достаточного научного обоснования.
В России сейчас также массово переходят на уличное светодиодное освещение. В качестве основной проблемы отмечается снижение уровня освещенности при переходе на светодиоды. Вторая по значимости проблема, отмечаемая в дискуссиях на интернет-форумах — субъективно неприятный оттенок свечения у новых светильников.
«Рыбий жир», знакомый с детства
Своеобразной точкой отсчета, относительно которой американские обыватели сравнивают новое и старое освещение улиц, являются светильники с лампами ДНаТ. Основная мощность их излучения сосредоточена в полосе от 550 до 650 нм, в результате чего свет имеет ярко выраженный оранжевый оттенок. Индекс цветопередачи CRI составляет менее 30. Цветовая температура (здесь и далее применительно к светильникам и источникам света мы будем говорить о коррелированной цветовой температуре) современных ДНаТ лежит в пределах 1900–2300 K, что по оттенку приблизительно соответствует излучению пламени костра.
Под светом ламп ДНаТ очень сложно распознавать цвета. Поэтому, помимо предполагаемого в теории улучшения визуального комфорта, замена ДНаТ на светодиодные светильники, способствует снижению преступности. Гораздо проще распознать по цвету машину в потоке, намного лучше работают камеры слежения как на дорогах, так и в пешеходных зонах.
Тем не менее, субъективно оттенок свечения ДНаТ выглядит приятно. Первые инсталляции таких ламп использовались для архитектурной подсветки, а также для создания в исторических районах городов визуальной среды, которая была там в эпоху газовых фонарей. А вот специалисты по светотехнике, которые больше привыкли верить в результаты измерений, чем в субъективные ощущения, с легким презрением называют оттенок свечения ДНаТ «рыбьим жиром».
Массовое внедрение светильников с натриевыми лампами высокого давления по всему миру началось в 80-е года XX века. Они устанавливались вместо светильников с ртутными лампами высокого давления (ДРЛ), дающих белое свечение. Такая замена по сложности сопоставима с нынешним переходом на светодиоды. Даже при использовании электромагнитных ПРА, импульсное устройство зажигания для ДНаТ содержит в себе дорогостоящую электронику — мощные тиристоры. Это требовало дешевых кредитов или способности государства концентрировать материальные ресурсы. Поэтому перейти на натриевые уличные светильники в 80-х годах удалось странам с плановой экономикой (ГДР, Венгрия, Чехословакия), высоким уровнем государственного регулирования экономики (Нидерланды, Финляндия, Швейцария) и легким доступом к кредитным ресурсам (США, Канада).
Выросло целое поколение жителей крупных городов, для которых уличное освещение оранжевого оттенка является нормой
Показателен пример Германии, в восточной части которой улицы освещаются натриевыми светильниками, а в западной — светильниками на люминесцентных лампах с цветовой температурой около 4000 K.
Так же разными оттенками уличного освещения отмечены восточная и западная части Берлина. Некоторые «диванные аналитики» объясняют такое различие технической отсталостью бывшей ГДР, но в реальности причины были иные. В ГДР натриевые лампы быстро внедрили в директивном порядке, а в Западной Германии федеральный центр не имел права принудить муниципалитеты раскошелиться на более эффективное освещение. Вот и используют в западной части Германии до сих пор светильники, аналоги которых у нас были сняты с производства еще в начале 70-х годов XX века из-за низкой энергоэффективности. Аналогичная ситуация наблюдается и в Великобритании.
Восточная часть Берлина освещена натриевыми светильниками, западная — люминесцентными
В СССР массовый переход от ДРЛ к ДНаТ также начался в 80-х годах и продолжился в постсоветской России. Но из-за огромных размеров страны он не завершен до сих пор. ДНаТ используются в крупных городах, а также в населенных пунктах, где есть крупные промышленные предприятия, и, как следствие, дефицит электроэнергии. Но в сельской местности, даже в Московской области, до сих пор для освещения улиц широко используют ДРЛ.
Таким образом, в мире уже выросло целое поколение жителей крупных городов, для которых с детства нормой является оранжевый оттенок освещения улиц. Но переход на натриевые лампы высокого давления произошел не везде, так что для части населения на улицах более привычно белое свечение.
Психология и циркадные ритмы
Причина неприятия уличного светодиодного освещения, казалось бы, лежит на поверхности — оно отличается по оттенку от привычного с детства оранжевого света натриевых светильников. В пользу этой версии говорит то обстоятельство, что жалобы на оттенок свечения идут в основном от жителей городов, где ранее улицы освещались лампами ДнаТ.
Тем не менее, есть и объективные факторы, обусловленные заложенными в человеке инстинктами. Мы тянемся к источнику света с цветовой температурой, как у костра, поскольку там можно обогреться и приготовить пищу. Низкий CRI при цветовой температуре 1900–2300 K не дает неприятных оттенков. Зато при высокой цветовой температуре низкий CRI дает неприятные глазу оттенки, например, оттенок болотной тины, которую мы инстинктивно склонны избегать. 6500 K — цветовая температура при облаках на небе, столь высокое значение получается из-за рассеивания в облаках составляющих с короткой длиной волны. Неудивительно, что белый свет с температурой 6500 K часто оценивается как «тоскливый». Завышенная цветовая температура также вызывает подсознательные ассоциации с молнией, которую человек инстинктивно избегает.
«Внутренние часы» человека ориентируются на, так называемые, циркадные ритмы, в переводе с латыни «циркадный» означает «почти суточный». То есть биологические часы подстраиваются по внешним факторам, одним из которых является освещение. Например, в полдень при ясном небе цветовая температура естественного освещения составляет около 5500 K. А за час до заката — 3500 K. Таким образом, если освещение имеет цветовую температуру около 5500 K, то человек настраивается на бодрствование, 3500 K и менее — подсознательно готовится ко сну. В первых крупных проектах замены ДНаТ на светодиоды, вызвавших массу нареканий, применялись светильники с цветовой температурой 5000 K и выше.
При неправильной установке уличного светильника свет от него может попадать в окна дома. Если его цветовая температура около 5500 K, то это иногда приводит к сбою биологических часов человека и, как следствие, ухудшению сна.
Управляет сном гормон мелатонин. Его выработку подавляет мощный свет с длиной волны 440–480 нм. Как раз на этот диапазон приходится так называемый «синий пик» излучения светодиодов. У серийно выпускаемых светодиодов для наружного освещения наблюдается закономерность — чем ниже цветовая температура, тем меньше «синий пик». Опасных для здоровья значений «синий пик» достигает при цветовой температуре 6500 K — почти половина излучаемой мощности приходится на синий свет. Уже существуют светодиоды, в которых удалось совместить высокую цветовую температуру и безопасность излучения, но для использования в уличных светильниках они не предназначены.
Влияние на окружающую среду
Большой уровень синего излучения, характерный для светодиодных светильников с высокой цветовой температурой, привлекает к ним в ночное время насекомых. В результате насекомые, являющиеся кормом для птиц, гибнут, и разрушается пищевая цепочка. Птицы покидают места, где установлены светодиодные светильники с высокой цветовой температурой. Этот эффект действительно установлен биологами. Что же касается воздействия светодиодных светильников на мелких млекопитающих, проживающих в городской черте, то обнаружить какие-либо различия относительно воздействия светильников на ДНаТ науке пока не удалось.
Зато светодиодные светильники, в отличие от ДНаТ, могут диммироваться в широких пределах, что позволяет глубокой ночью, когда поток машин по автостраде резко уменьшается, значительно снизить освещенность, тем самым уменьшив нагрузку на экологию.
Почему выбирают более высокую цветовую температуру?
Более широкий спектр излучения белых светодиодов по сравнению с ДНаT улучшает распознавание мелких деталей. Теоретически это позволяет уменьшить требования к освещенности автодорог при использовании светодиодов вместо ДНаТ. Тем не менее, в подавляющем большинстве стран, включая Россию, нормы по освещенности автодорог никак не привязаны к спектру источника света. По умолчанию они установлены для самого массового источника с самым «плохим» спектром — ДНаТ. Улучшение спектра повышает уровень безопасности, но на нормирование никак не влияет. По мнению автора этой статьи, на данный момент — это самый правильный подход, так как пока информация о зависимости различения человеком мелких деталей от спектра освещения не настолько полная, чтобы опираться на нее при решении вопросов, связанных с жизнью и здоровьем людей.
Но при этом светодиодам приходится конкурировать в уличном освещении с лампами ДНаТ, имеющими светоотдачу до 150 лм/Вт, без скидок на более широкий спектр. Причем больше нельзя кивать на затраты по утилизации ДНаТ — освоен выпуск этих ламп без содержания ртути. Чем выше цветовая температура излучения светодиода, тем больше у него светоотдача, и тем дешевле он стоит. В этом и заключается причина стремления энергосервисных компаний использовать для освещения улиц светильники с высокой цветовой температурой.
Данное противоречие разрешимо, если вспомнить о способности светодиодов к диммированию в пределах 0–100% и прямо пропорциональной зависимости потребляемой светодиодом мощности от светового потока на его выходе при диммировании. В канадском городе Торонто решили прислушаться к рекомендации AMA и при модернизации уличного освещения установили светодиодные светильники с цветовой температурой 3000 K. Ими управляет интеллектуальная система, определяющая интенсивность движения на трассе, где они установлены. В зависимости от этого регулируется освещенность. В значительной степени за счет данной системы и достигается окупаемость проекта.
Опасна ли цветовая темпаратура 4000к?
В отчете [Л] указано, что якобы уличные светодиодные светильники первого поколения имели цветовую температуру 4000 K. Далее все повествование построено вокруг сравнения «устаревших» светильников с 4000 K и современных светильников с 3000 K. По мнению автора статьи, отнесение светильников с 4000 K к «первому поколению» ошибочно. Самые первые уличные светодиодные светильники имели цветовую температуру 6500 K, ко «второму поколению» можно отнести светильники с 5700 K, широко распространенные в США, и именно они вызывают наибольшие нарекания по качеству спектра. А 4000 K — это уже «третье поколение».
Не выдерживает критики и утверждение, что энергетическая эффективность светодиодных источников света с цветовой температурой 3000 K «меньше всего на 3%», чем при 4000 K, из чего делается вывод о бессмысленности использования светодиодов с 4000 K.
Хотя анализ ассортимента светодиодов для уличного освещения от ведущего американского производителя Cree показывает разницу в энергоэффективности от 7 до 20%, в зависимости от типа светодиода. В то же время эта разница между современными 4000 K и 6500 К светодиодами от того же производителя не превышает 1%, что говорит о бессмысленности применения светодиодов с цветовой температурой выше 4000 K.
Обратимся к опыту, имевшемуся еще до внедрения ДНаТ. Первая ДРЛ была выпущена в США в 1948 году, данный тип ламп использовался там до 2008 года. В России ДРЛ применяются с 50-х годов XX века, под запрет они попадают с 2020 года. Причинами отказа от ДРЛ являются низкая светоотдача (не более 60 лм/Вт) и недопустимо большое, по современным меркам, содержание ртути.
Принцип формирования белого света в ДРЛ в чем-то похож на используемый в светодиодах. В результате возбуждения атомов ртути формируются синяя и зеленая составляющие спектра, а красная формируется за счет излучения люминофора. То есть и в ДРЛ есть проблема «синего пика», мало того, вдобавок к ней еще существует еще и «зеленый пик».
В 2015 году в городе Остин, штат Техас натриевые светильники были заменены на светодиодные с цветовой температурой 4000 K, и это не вызвало протестов жителей.
Тем не менее, свет от исправных, еще не выработавших свой ресурс ДРЛ не оказывает негативное воздействие на здоровье людей. Нет претензий к воздействию света от ДРЛ на окружающую природу и у экологов.
Технология изготовления ДРЛ для уличного освещения предполагает узкий диапазон возможных цветовых температур — от 3400 до 4200 K. То есть 60-летний опыт применения ДРЛ показывает, что уличное освещение с цветовой температурой не выше 4200 K можно считать безопасным для людей и окружающей среды.
Кстати, в американском городе Вествуд, штат Массачусетс, поставили эксперимент и предложили жителям города самим выбрать оттенок уличного освещения. Цветовая температура 5000 K была отвергнута как слишком резкий, раздражающий свет, 3000 K показалась слишком тусклым оттенком, а вот 4000 K была выбрана горожанами как оптимальный вариант.
Выводы
Борьба общественности против светодиодного освещения в США и других странах во многом спровоцирована первыми инсталляциями светодиодных светильников с цветовой температурой 5700–6500 K. Заслуга AMA в том, что эта организация впервые смогла обратить в глобальном масштабе внимание на проблему опасности высокой цветовой температуры в уличном освещении. Однако, определение максимально допустимого значения цветовой температуры требует привлечения более широкого круга специалистов: не только «чистых» медиков, но и психологов, дизайнеров, специалистов по безопасности и, конечно же, светотехников.
Рекомендации АМА не могут быть напрямую применены к России, особенно к тем регионам, где до сих пор широко используются ДРЛ, так как население может возражать уже против перехода к теплому белому оттенку взамен привычного нейтрального. Тем не менее, в крупных российских городах с плотной застройкой представляется разумным ограничить цветовую температуру светодиодных уличных светильников на уровне 4000 K, что обеспечит приемлемый уровень визуального комфорта без ущерба энергоэффективности.
Автор: Алексей Васильев, ведущий рубрики «Сила Света»
