Биодинамическое освещение: долой усталость и бессонницу!

После борьбы за снижение энергопотребления следующей актуальной тенденцией в светотехнике стало так называемое биодинамическое освещение. Его суть заключается в изменении светового потока и цветовой температуры по определенной программе в зависимости от времени суток и некоторых других факторов. К этому можно относиться как к интересному дизайнерскому решению, но на самом деле биодинамическое освещение по сравнению с обычным дает принципиально новую функциональность — появляется возможность управлять состоянием человека. И это уже не фантастика.

Развитие светотехники постоянно идет в направлении максимального приближения к естественному освещению. Вы можете создать источник со спектром, близким к солнечному, на определенный момент времени. Но нужно еще учитывать, что в разные моменты времени солнце светит по-разному, меняется не только интенсивность, но и спектр. Скажем, в полдень в лучах солнца значительна синяя составляющая. А вечером, когда солнце садится за горизонт, преобладают красная и оранжевая составляющие. Связано это с тем, что вечером свет падает на Землю не под прямым, а под острым углом, соответственно, проходит большее расстояние в атмосфере, где происходит поглощение синей составляющей. Если перевести на термины, используемые в светотехнике, то при ясном небе в средних широтах цветовая температура солнечного излучения составляет около 5500 K, а на закате солнца — около 2000 K. Изменение спектра освещения, оказывается, не просто сообщает нам, когда нужно идти на работу или ложиться спать, но и управляет физиологическими процессами в человеческом организме.

Циркадные ритмы

Фазы бодрствования и сна, а также период максимальной работоспособности в нашем организме подчиняются так называемым циркадным ритмам. В переводе с латыни, «циркадный» означает «почти суточный». Дело в том, что точность биологических часов, имеющихся в организме человека, недостаточна, чтобы поддерживать суточный ритм на протяжении хотя бы нескольких недель.

Поэтому природа наделила человека механизмом подстройки внутренних биологических часов, который ежедневно осуществляет их коррекцию.

Людям давно было известно, что важную роль в подстройке циркадных ритмов играет освещение. Известны многочисленные случаи, когда люди, оказавшись на длительный период времени в пещерах, бункерах и т. п. помещениях, куда не попадает естественный свет, и не имея под рукой работоспособных часов, в итоге сбивались с нормального режима сна и бодрствования. Но как это все работает, для науки долгое время было тайной.

Более «теплым» оттенкам свечения соответствуют более высокие цветовые температуры. Этот парадокс объясняется тем, что под цветовой температурой подразумевается температура абсолютно черного тела, дающего такой же (или максимально близкий к нему, если речь идет о коррелированной цветовой температуре) спектр, как измеряемый источник света.

Механизм подстройки циркадных ритмов был открыт только в начале 2000-х годов. Ученые обнаружили, что в наших глазах, помимо палочек и колбочек есть еще и рецепторы третьего типа, реагирующие на свет в диапазоне длин волн от 450 до 490 нм (т. е. на оттенки синего). Особенностью таких рецепторов является то, что сигналы от них управляют нервной системой на уровне безусловных рефлексов, минуя наше сознание. Как раз утром лучи солнца богаты составляющими в указанном диапазоне. Превышение интенсивности излучения в синей части спектра выше определенного уровня является сигналом на бодрствование. В середине дня уровень синей составляющей максимален, соответственно, человек находится на максимуме работоспособности. Наконец, вечером падение уровня синей составляющей дает сигнал на то, что пора отходить ко сну.

Следует отметить, что далеко не каждый день является ясным и безоблачным. При плохой погоде человек ориентируется только на внутренние биологические часы. Но такие периоды не могут длиться вечно, и с наступлением хорошей погоды снова включаются механизмы подстройки циркадных ритмов.

В 2017 г. за свои исследования в области подстройки циркадных ритмов американские исследователи Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг получили Нобелевскую премию по медицине. К тому моменту результаты их исследований уже использовались при создании систем биодинамического освещения.

Влияние искусственного освещения

Механизм подстройки циркадных ритмов идеально работал, когда люди жили на природе и пользовались, в основном, естественным освещением. Единственным доступным искусственным источником света был костер, его цветовая температура составляет около 1800 K, поэтому синяя составляющая в его спектре минимальная. Позже его сменили лучина, свечи, масляные, а затем и газовые светильники, спектр которых также состоял преимущественно из красных и оранжевых составляющих. В результате, хоть человек и мог увеличить продолжительность бодрствования в вечерние часы, имевшиеся в его распоряжении источники искусственного света в силу спектра, а также низкой интенсивности излучения не могли сбивать естественные циркадные ритмы.

Ситуация изменилась в начале XX века, когда электрическое освещение стало общедоступным. Цветовая температура лампы накаливания для общего освещения лежит в пределах от 2400 K до 2800 K. По спектру это соответствует вечеру. Но уже не закату солнца, а тем часам, когда человеку еще положено бодрствовать. Причем по световому потоку электрические лампы уже на два порядка превзошли обычные свечи, то есть оказались способны влиять на наши ритмы жизнедеятельности. В 60-е годы XX века были предложены диммеры, которыми уменьшался световой поток ламп. При этом одновременно, из-за уменьшения накала нити, снижалась и цветовая температура, спектр излучения уже больше походил на закат солнца. В таких условиях приятно отходить ко сну.

Далее был массовый переход на люминесцентные лампы, а потом и светодиоды. В обоих случаях новые источники света поначалу производились с цветовой температурой порядка 6500 K, т. е. их спектр содержал в себе значительную синюю составляющую (здесь и далее применительно к светодиодам и люминесцентным лампам под «цветовой температурой» будет подразумеваться ее коррелированное значение). В обоих случаях это было связано с несовершенством технологий. И только потом налаживался массовый выпуск источников света с более «теплым» спектром.

При цветовой температуре источника света 6500 K организм среднестатистического жителя средних широт, как правило получает излишнюю стимуляцию, вот почему внедрение люминесцентных ламп, а потом и светодиодов в офисных помещениях поначалу вызывало жалобы на излишне «резкий» свет. Здесь надо отметить, что речь идет именно о большинстве людей, живущих на средних широтах, так как по мере приближения к экватору жители, наоборот, предпочитают более высокие цветовые температуры, вплоть до 12 000 K. Кроме этого, восприятие спектра сугубо индивидуально, некоторым и в средних широтах нравится освещение с цветовой температурой 6500 K.

В современных офисах и заводских цехах применяются лампы и светильники с цветовой температурой около 4000 K. Такой спектр считается оптимальным — с одной стороны, он не раздражает работников, с другой — умеренно бодрит.

Регулируемый оттенок свечения

Дальнейшее развитие светодиодных технологий привело к появлению светильников, в которых цветовую температуру можно плавно менять. В таких светильниках установлены две группы светодиодов — с низкой цветовой температурой (1800–2400 K) и с высокой цветовой температурой (6500–8000 K). Каждая из групп независимо диммируется, потом излучения от светодиодов смешиваются оптической системой светильника. Регулируя световой поток по каждой из групп светодиодов, можно в итоге регулировать цветовую температуру свечения.

Настройка осуществляется двумя ручками управления или двумя парами кнопок. Одна отвечает за освещенность, другая — за цветовую температуру. Также современные светильники с переменной цветовой температурой могут управляться с мобильных устройств, поддерживающих Bluetooth 4.0 и выше.

Регулировка параметров освещения должна обеспечить максимальный комфорт и максимальную производительность труда в данный момент времени. При регулировании вручную ориентируются на субъективные ощущения. Одна только проблема — придется постоянно подстраивать параметры освещения. Например, утром сделать цветовую температуру повыше, чтобы взбодриться, а в конце рабочего дня пониже, чтобы уйти домой, психологически переключившись на грядущий отдых. Если делать это, скажем, раз в два часа, то будет дискомфорт, поскольку резкие смены цветовой температуры вызывают у человека раздражение. А если регулировать чаще, то есть более плавно, времени на работу уже не останется, поскольку только и будете делать, что менять параметры и оценивать, насколько они вам подходят.

Соответственно, необходимо полностью автоматизировать процесс регулировки освещенности и цветовой температуры. Для этого к светильнику (или группе светильников) с переменной цветовой температурой добавляется специальный блок управления. Алгоритм должен быть таким, чтобы в данное время, в данную дату и, возможно, с учетом погоды за пределами здания, а также некоторых других факторов обеспечивались бы целевые показатели по нагрузке на зрение, работоспособности и эмоциональному состоянию людей. Такая технология и называется биодинамическим освещением.

Актуально, как никогда

Пусть это прозвучит слишком пафосно, но внедрение биодинамического освещения является требованием времени. И вот почему:

• Плотная высотная застройка в современных городах уменьшает естественную инсоляцию в офисах, даже при стеклянных стенах зданий. Вдобавок распространение офисов типа «опенспейс» приводит к тому, что до многих сотрудников доходит лишь малая часть естественного освещения, что сбивает циркадные ритмы.
• Увеличение среднего возраста работников и повышение пенсионного возраста. Чем старше человек, тем более критично для него качество освещения.
• Глобализация бизнеса требует передвигаться между разными часовыми поясами, что вызывает проблемы с настройкой циркадных ритмов, а значит, пагубно сказывается на здоровье менеджеров. Биодинамическое освещение естественным образом настраивает «внутренние часы» человека, в итоге, даже прилетев из другого часового пояса, он способен полноценно работать.
• Глобальное потепление и экологические проблемы. Раньше в зимние месяцы нехватку солнца в крупных городах средней полосы России компенсировало выпадение снега, отражавшего солнечные лучи. Теперь же снега стало меньше, и у него снизилась отражающая способность из-за выхлопа автомобилей.
• Стимулирование использования общественного транспорта вместо личного в крупных городах. Применение биодинамического освещения в метро позволяет уменьшить дискомфорт от пребывания под землей.

Алгоритмы управления

Весьма распространенным вариантом является привязка изменения параметров освещения к географическому времени и дате. Контроллер снабжается встроенным GPS-датчиком, либо же информация о местоположении вводится в него пользователем. Далее освещенность и цветовая температура меняются по определенному алгоритму, зависящему от времени восхода и захода солнца на данную дату, вычисляемым по географическому положению. При этом следует отметить, что параметры освещения не копируют то, что есть на улице, поскольку в общем случае рабочий день не совпадает с продолжительностью светового дня. Утром цветовая температура биодинамического освещения выше, чем на улице, чтобы взбодриться. А вечером солнце может уже зайти, но светильник продолжит давать свет с цветовой температурой около 2700 K.

В качестве примера можно привести блок управления SunLync производства американской компании Healthe, снабженный встроенным GPS-датчиком. Кстати, данный блок предусматривает возможность выбора одной из 5 программ в зависимости от психофизиологических особенностей и рода занятий пользователя.

Другой пример привязки к географическому времени — новые поезда метро «Москва». В них цветовая температура меняется в зависимости от времени суток, в дневное время имитируя освещение на поверхности, а в утренние и вечерние часы светильники имеют теплый оттенок свечения.

Алгоритм также может быть привязан к рабочему графику. Утром цветовая температура быстро возрастает, чтобы сотрудники взбодрились. Во время обеденного перерыва освещенность уменьшается, светильники дают теплый, расслабляющий оттенок. После обеда оттенок свечения умеренно холодный, ближе к концу рабочего дня становится теплым. Такого рода светильники могут облегчить труд на производствах, где люди работают в две или три смены и, соответственно, естественные биологические ритмы сотрудников отличаются от режима работы предприятия.

Наконец, наиболее сложные алгоритмы при определении цветовой температуры и освещенности ориентируются на погоду (путем получения информации с датчиков или же просто данных с метеостанций через интернет), количество людей в данный момент в помещении и даже предпочтения сотрудников офиса.

Техническая реализация

Простейшие блоки управления биодинамического освещения, такие, как уже упоминавшийся Healthe SunLync, представляют собой контроллеры с проприетарным программным обеспечением. Более сложные системы управления, например, блок управления офисного торшера EsyLux Prana, представляют собой компьютеры, работающие под управлением специальной версии с операционной системой Linux. На них можно установить программное обеспечение, способное реализовать любые алгоритмы биодинамического освещения.

Недостатком вышеуказанных вариантов реализации является их привязка к определенному оборудованию. Компания B.E.G. предложила контроллер биодинамического освещения PureColour с интерфейсом DALI. Он устанавливается в систему офисного освещения как датчик DALI, что позволяет использовать его с самыми разными светильниками.

Но в будущем, с распространением систем «умного дома», специальные блоки управления биодинамическим освещением уйдут в прошлое. Их функции будут реализовываться чисто программным способом в центральном компьютере, управляющем инженерными системами здания.

Не только офисы и заводы

Перспективным направлением считается внедрение биодинамического освещения в медицину. Как и другие факторы, повышающие комфорт, биодинамическое освещение в больничных палатах способно улучшить процесс выздоровления пациентов. В помещениях без окон, например, в стерильных боксах, биодинамическое освещение позволит не сбиться циркадным ритмам у пациента. Наконец, сейчас проводятся исследования, которые должны подтвердить или опровергнуть гипотезу, что биодинамическое освещение в операционной повышает точность движений у хирургов.

В Германии в 2016 г. были проведены опыты по внедрению биодинамического освещения в одном из продуктовых магазинов. В торговом зале менялась только освещенность, во входной и кассовых зонах — как освещенность, так и цветовая температура. За 10 месяцев, пока длился эксперимент, продолжительность отсутствия сотрудников на рабочих местах по болезни сократилась на 35%. Продажи продуктов, в зависимости от их вида, увеличились от 17 до 28 %.

Внедрение биодинамического освещения в жилые квартиры и дома также способно принести пользу, особенно, если учесть все большее распространение удаленной работы. Но пока этот процесс сдерживается тем, что редко где в жилом секторе можно встретить централизованное управление освещением. Проекты биодинамического освещения в жилых помещениях нередко реализуют любители современных технологий на базе светодиодных ламп с беспроводным управлением.

Выводы

Биодинамическое освещение позволяет повысить производительность труда и улучшить состояние здоровья работников. По мере роста конкурентной борьбы как за рынки, так и за квалифицированные кадры компании будут внедрять у себя такие системы, сначала для кабинетов топ-менеджеров (этот процесс уже идет полным ходом), а потом и для обычных сотрудников. Тем не менее, как и любая новая технология, биодинамическое освещение таит в себе опасности. Например, недобросовестный работодатель ради повышения производительности труда любой ценой может записать алгоритм, который будет излишне бодрить сотрудников в ущерб их здоровью. Или же нанятые конкурентами коварные хакеры снизят производительность труда, настроив систему таким образом, что она будет, наоборот, максимально расслаблять сотрудников. Впрочем, все эти проблемы решаемы с введением соответствующих норм, аналогичных имеющимся для обычного освещения.

Мнение экспертов

Природные биоритмы человека имеют инертность и не реагируют на изменение условий освещения мгновенно. Для краткосрочного влияния нужно от 0,5 до 1,5 часов, а для долгосрочной перестройки биологических часов необходимо от нескольких суток до нескольких недель. Поэтому нельзя напрямую копировать реальные условия освещенности и цветовой температуры «за бортом» — это не только не имеет смысла с точки зрения эффективности, но и служит лишним отвлекающим фактором, особенно во время переменной облачности. Правильной стратегией является выработка типовой карты сценариев освещения, предполагающей изменение цветовой температуры, освещенности и других параметров на основании данных астрономического таймера, но без учета реальных условий естественного освещения. Важно использовать корректирующие возможности света для усреднения графика биологических часов в зимний и летний периоды. Например, в зимнее время года важно искусственно увеличивать биологические сутки за счет искусственного освещения: создавать искусственные рассветы перед началом рабочего времени и искусственные закаты после его окончания.
Несомненно, внедрение подходов биодинамического освещения имеет перспективы во всех областях. Если говорить про промышленность, то прежде всего такие системы актуальны для производств, работающих посменно. Сейчас проводятся исследования и формируются рекомендации для рабочих мест, предназначенных для ночных смен. В жилом интерьере это тоже будет востребовано, так как правильное биологическое освещение помогает снизить риск сезонной депрессии. Важное отличие в использовании таких систем для жилых интерьеров — это наличие возможности ручного управления. Как показывают эксперименты, если у пользователя есть возможность самому менять освещенность и цветовую температуру, то эффективность воздействия света на биоритмы больше.
В своем офисе мы реализовали и используем с 2016 года биодинамическую систему освещения, которая автоматически изменяет световую среду, выбирая поочередно один из 8 суточных сценариев для каждого из 3 типовых сезонов года: весна-осень, лето и зима. Сейчас подобная система реализуется в нашем филиале во Владивостоке, который начнет работу в сентябре.
В 2018 году в Москве был запущен первый в мире жилой квартал с реализованной системой автоматического биодинамического освещения общественных пространств и ручного управления освещением в апартаментах. Этот проект стал победителем премии Urban Awards в номинации «Инновация года».

Света на рабочем месте нужно много. Не только для зрительного комфорта, но и чтобы повысить производительность труда. А менять цветность и интенсивность освещения нужно в помещениях, где человек и работает, и готовится ко сну. Например, в жилом помещении, если оно используется также для удаленной работы, или на работах, предполагающих дежурства. Если сотрудник проводит в офисе не больше 9 часов, а потом уходит домой, меняющаяся цветовая температура в помещении — всего лишь еще один способ сделать рабочий день менее однообразным.
Перспективным считаю применение биодинамического освещения в общественных пространствах. Вечером стоит использовать в местах скопления людей освещение с меньшей цветовой температурой. Например, удачен проект биодинамического освещения в новых поездах метро «Москва».
Само по себе изменение цветовой температуры и интенсивности не означает улучшение качества освещения. Чтобы получить хороший результат, нужно применять источники света с высоким индексом цветопередачи и следовать законам светодизайна. Широкому внедрению биодинамического освещения мешает стоимость управляемых источников питания и компонентов системы управления «умным домом». Но цены на эти компоненты быстро падают, и все большее количество людей может себе позволить автоматическое управление освещением, в том числе его интенсивностью и цветовой температурой.  А так как в Китае сейчас быстро растут зарплаты, у российских производителей есть некоторый шанс отстоять свои позиции на этом рынке.