Iluminat variabil: un studiu de evaluare experimentală

Autori:  Dr Cosmin Ţicleanu , Dr Paul Littlefair – BRE (Building Research Establishment)

BRE Bucknalls Lane Watford, WD25 9XX, Marea Britanie , Tel:   +44 (0) 1923 664871

Email: Cosmin.Ticleanu@bregroup.com Paul.Littlefair@bregroup.com

© Building Research Establishment Ltd 2019

(Nota redacției: Cosmin Țicleanu este un fost colaborator al revistei Electricianul fiind absolvent al Facultății de Instalații din București, unde a susținut și un doctorat sub conducerea prof. Cornel Bianchi. În prezent trăiește în Marea Britanie unde lucrează pentru BRE.  Studiul de față ce are ca subiect impactul iluminatului artificial asupra organismului uman, realizat de dr. Cosmin Țicleanu și colegul său pentru BRE, este unul extrem de serios și valoros   fiind publicat în  luna mai 2019 în limba engleză  în revista CIBSE Journal. Studiul apare acum și în revista Electricianul și pe www.electricianul.ro

Introducere

Similar tuturor organismelor vii, corpul uman este guvernat de ritmuri biologice precum ritmul circadian, care controlează perioadele de vigilenţă şi somn şi producerea de diferiţi hormoni1. Expunerea în timpul zilei la lumină, în special la lumina albastră, ajută la sincronizarea ritmului circadian cu ciclul solar zi-noapte, permiţându-ne să ne simţim vigilenţi în timpul zilei şi să dormim noaptea.

Persoanele care lucrează în aer liber sau în spaţii cu suficientă lumină naturală sunt expuse la niveluri ridicate de iluminare, ceea ce ajută la sincronizarea ritmurilor lor circadiene. Pe de altă parte însă, mulţi oameni lucrează în spaţii fără aport de lumină naturală şi cu niveluri relativ scăzute de iluminat electric. În aceste condiţii, corpului îi este mai greu să îşi menţină ritmul circadian sincronizat cu ciclul solar.

În prezent sunt comercializate sisteme de iluminat „circadian” care utilizează LED-uri ce îşi pot schimba compoziţia spectrală pentru a oferi o lumină strălucitoare şi rece la mijlocul zilei şi o lumină redusă şi caldă, cu un conţinut scăzut de albastru, către seară când este timpul pentru relaxare şi somn2,3. BRE a efectuat un studiu experimental, finanţat de BRE Trust şi CIBSE, pentru a investiga efectele iluminatului circadian asupra evaluării subiective, nivelului de activitate şi somnului utilizatorilor.

Studiu experimental

Studiul experimental3,4 a avut loc într-un spaţiu de birouri tip open plan amplasat în Norwich, Marea Britanie. Prevăzut cu ferestre mici şi puternic umbrite de clădirile învecinate, spaţiul de birouri beneficia de un nivel minim de lumină naturală. Dintre cele 36 de persoane care lucrau în acel spaţiu, 23 (19 femei şi patru bărbaţi) au optat pentru a lua parte la experiment.

Iniţial (februarie 2018) spaţiul a fost prevăzut cu un sistem de iluminat fluorescent cu flux de lumină constant (condiţia 1, figura 1). Cea mai mare parte a tuburilor fluorescente aveau temperatura de culoare de 4000K (alb neutru), restul având temperatura de culoare de 3000K (alb cald). O parte dintre tuburile fluorescente fuseseră scoase din uz la solicitarea ocupanţilor în urma unor probleme de inconfort vizual cauzate de nivelul prea mare de iluminare, astfel încât iluminatul în spaţiul de birouri era neuniform. Iluminarea medie măsurată pe planul de lucru orizontal a fost de 377 lux, în conformitate cu recomandarea CIBSE de 300 lux pentru sarcini vizuale de lucru la computer, dar iluminarea orizontală pe mesele de lucru a variat între 129 lux şi 1017 lux.

După două săptămâni de monitorizare a iluminatului fluorescent existent, la începutul lunii martie 2018 acesta a fost înlocuit cu un sistem de iluminat LED. Pentru prima săptămână, noul sistem de iluminat a fost menţinut la un nivel constant de flux luminos şi temperatură de culoare (similar cu sistemul fluorescent precedent) pentru a permite participanţilor la experiment să se adapteze la aspectul vizual al noului sistem. Ulterior, sistemul de iluminat LED a fost programat să varieze fluxul luminos şi temperatura de culoare (condiţia 2, figura 2) şi a fost monitorizat timp de încă două săptămâni.

Figura 3 prezintă variaţia condiţiilor luminoase de-a lungul zilei în condiţia 2. Fluxul emis şi temperatura de culoare au crescut gradat în timpul dimineţii, până când la ora 10:30 a fost atinsă temperatura de culoare de 6500K. Începând cu ora 12:30, temperatura de culoare a fost redusă treptat până la 4000K la ora 14:00. La ora 16:00 lumina a început să devină şi mai caldă şi mai scăzută, atingându-se 2700K şi nivelul minim de flux luminos la ora 18:30 (asemănător iluminatului din spaţii rezidenţiale). Axa ordonatelor din figura 3 indică iluminarea melanopică echivalentă exprimată în EML (Equivalent Melanopic Lux). Aceasta măsoară fluxul luminos incident la nivelul ochilor (în plan vertical) raportat la sensibilitatea spectrală a celulelor ganglionare de pe retină care joacă un rol predominant în reglarea ritmului circadian (ipRGCs). Aceste celule sunt cel mai sensibile la lumina albastră.

Pentru comparaţie, în condiţia 1 cu iluminatul fluorescent iniţial, nivelul EML a avut valoarea medie de 101 dar a variat semnificativ de la un punct de lucru la altul. Standardul WELL Building Standard v2 recomandă cel puţin 150 EML într-un spaţiu fără lumină naturală, iar pentru numărul maxim de credite recomandarea este de 240 EML.

Cea mai mare parte a variaţiei valorii EML pe parcursul zilei s-a datorat varierii temperaturii de culoare a iluminatului LED. Iluminarea fotopică nu a variat la fel de mult, având valori medii orizontale cuprinse între puţin peste 350 lux la începutul şi sfârşitul zilei, până la 488 lux către prânz. Scopul a fost de a oferi ocupanţilor un nivel adecvat de iluminare pentru a lucra în orice moment din zi.

 În a doua fază a proiectului (noiembrie-decembrie 2018) s-au administrat două condiţii suplimentare la care au luat parte 20 de participanţi. Pentru primele două săptămâni de monitorizare (condiţia 3), sistemul LED a fost programat să varieze fluxul de lumină şi temperatura de culoare (vezi figura 4) într-un mod diferit faţă de condiţia 2, cu valori EML mai mari. Iluminarea medie orizontală a variat de la aproximativ 600 lux la începutul zilei până la aproximativ 1120 lux către prânz şi apoi înapoi la aproximativ 670 lux la sfârşitul zilei.

În condiţia 4, sistemul de iluminat LED a fost reglat la un flux de lumină constant şi temperatură de culoare constantă (4000K) pentru a simula un iluminat tipic pentru spaţii de birouri (iluminare orizontală medie 480 lux, nivel EML mediu 149). Monitorizarea acestei condiţii s-a desfăşurat pentru încă două săptămâni. 

Rezultate

 Participanţii au oferit evaluări subiective ale spaţiului la sfârşitul fiecărei condiţii şi răspunsuri la chestionare şi teste specifice în două zile pe săptămână, dimineaţa şi după-amiaza, pentru a evalua starea de alertă subiectivă, timpul de reacţie şi capacitatea de concentrare.

Cu noul sistem LED variabil (condiţia 2), scorurile medii pentru starea de alertă, atât după-amiaza, cât şi în medie pe parcursul zilei, au fost semnificativ mai bune decât cu vechiul sistem de iluminat fluorescent constant (condiţia 1). Pe de altă parte, scorurile medii pentru starea de alertă nu au diferit semnificativ statistic între iluminatul LED variabil (condiţia 3) şi cel constant (condiţia 4). De asemenea, nu a existat o corelaţie semnificativă statistic între variaţiile nivelului EML (valori mai mari în condiţiile cu iluminat variabil) şi cele ale scorurilor pentru starea de alertă între cele două condiţii testate în fiecare fază a proiectului.

Figura 5 prezintă rezultatele. Majoritatea participanţilor s-au simţit mai vigilenţi în condiţia 2 comparativ cu condiţia 1, dar acest lucru s-a întâmplat şi în cazul unui număr redus de participanţi care au recepţionat mai puţină lumină în condiţia 2. Creşterea stării de alertă nu a depins semnificativ de cât de multă lumină în plus a oferit sistemul de iluminat LED. Toţi participanţii au primit mai multă lumină în condiţia 3 comparativ cu condiţia 4, iar creşterea nivelului de lumină a fost mult mai uniformă între participanţi, comparativ cu primele două condiţii. Cu toate acestea, nivelurile mai ridicate de lumină în condiţia 3 nu au condus la scoruri mai mari, în medie, pentru starea de alertă subiectivă; doar jumătate dintre participanţi s-au simţit mai vigilenţi în condiţia 3.

Participanţii au efectuat, de asemenea, teste computerizate pentru a evalua timpul de reacţie şi capacitatea de concentrare. Scorurile pentru timpul de reacţie au fost semnificativ mai bune cu noul sistem de iluminat LED variabil (condiţia 2) comparativ cu vechiul sistem de iluminat fluorescent constant (condiţia 1), atât dimineaţa, cât şi pe întreaga durată a zilei de lucru. Cu toate acestea, nu au existat corelaţii semnificative statistic între aceste variaţii şi creşterile nivelului EML. Nu au existat diferenţe semnificative statistic la scorurile pentru timpul de reacţie între condiţiile 3 şi 4 şi nici la scorurile pentru capacitatea de concentrare între cele două condiţii testate în fiecare fază a proiectului. Aproximativ jumătate dintre participanţi au acceptat să poarte un dispozitiv Actiwatch pentru a le monitoriza nivelul de activitatea şi somnul; diferenţele între cele două condiţii testate în fiecare fază a proiectului au fost nesemnificative statistic.

Participanţii au fost întrebaţi dacă preferă un iluminat variabil sau unul constant. În medie, puţin peste jumătate dintre ei au preferat iluminatul variabil pentru spaţiul lor de lucru, de obicei mai intens dimineaţa şi urmând variaţia luminii naturale la exterior pe tot parcursul zilei. Puţin sub o treime au preferat iluminatul constant. 

Discuţie

Concluzia generală este că, deşi participanţii s-au simţit mai vigilenţi cu noul sistem de iluminat LED, nu a existat nicio corelaţie cu cantitatea de lumină incidentă sau cu modul în care a fost funcţionat sistemul. Acest lucru contrastează cu rezultatele unor alte studii2,3, deşi acestea au folosit în principal niveluri ridicate de iluminare sau temperaturi de culoare foarte înalte, cu conţinut albastru ridicat.

Ar putea exista o serie de explicaţii în acest sens. Experimentul a utilizat un eşantion de participanţi relativ redus. Fiecare persoană reacţionează diferit la lumină şi la expunerea normală la lumină. 18 dintre cei 23 de participanţi iniţiali au luat cel puţin o pauză pentru a ieşi din clădire în timpul zilei, astfel încât aceştia ar fi putut fi expuşi la lumina naturală disponibilă la exterior.

Cu toate acestea, se pot trage câteva concluzii valoroase din acest studiu. Mai multe detalii sunt prezentate într-un raport BRE3, dar acestea pot fi rezumate după cum urmează:

Nivelurile de iluminare variază de-a lungul unui spaţiu. În ciuda uniformităţii crescute cu noul sistem de iluminat LED, încă au existat diferenţe semnificative între  nivelurile de iluminare verticală de la un participant la altul. Cu sistemul LED reglat la 6500K (dimineaţa târziu), valorile EML au variat între 142 şi 413. Acest lucru are implicaţii importante în aplicaţii în care se urmăreşte influenţarea ritmului circadian. În spaţiile cu mai mulţi ocupanţi şi iluminat convenţional la plafon, este foarte dificil de obţinut o „doză” de lumină standard pentru toţi ocupanţii. Dacă direcţia principală de privire este către un perete sau, precum în prezentul studiu, către o zonă de circulaţie, persoana respectivă va recepţiona mai puţină lumină la nivelul ochilor decât o altă persoană care are peretele în spate şi priveşte către un spaţiu interior bine iluminat.

Este important a se realiza un mediu vizual echilibrat. În condiţiile 1 şi 2, mesele de lucru au fost albe iar ocupanţii au raportat probleme vizuale pricinuite de reflexia luminii pe mesele de lucru. Pentru a se evita aceste efecte nedorite în condiţiile 3 şi 4, mesele de lucru au fost înlocuite pe timpul verii cu altele asemănătoare dar din lemn de culoare crem, ceea ce a permis utilizarea de niveluri de iluminare crescute.

Controlul eficient al iluminatului este esenţial. Iluminatul variabil necesită un control eficient care să funcţionez în mod fiabil şi exact aşa cum a fost programat. Una dintre aplicaţiile luate în considerare iniţial pentru desfăşurarea studiului (într-o altă locaţie) utiliza iluminat LED avansate pentru schimbarea spectrului, dar sistemul de control nu a funcţionat corect, iar administratorul clădirii a decis reglarea sistemului de iluminat la parametri constanţi de flux emis şi temperatură de culoare. Sistemul de iluminat variabil utilizat pentru studiul BRE a utilizat elemente de control fiabile şi a fost programat să varieze gradat pentru a se evita tranziţii rapide şi disconfort vizual. În general, participanţii au preferat iluminatul variabil, pe care au decis să îl păstreze şi după finalizarea studiului.

Notă

Proiectul a fost finanţat de BRE Trust şi CIBSE (Chartered Institution of Building Services Engineers). Spaţiul de testare a fost pus la dispoziţie de către University of East Anglia, iar Whitecroft Lighting a oferit noul sistem de iluminat LED.

 Referinţe

  1. Ţicleanu C, King S, Littlefair P et al. Lighting and health. BRE Trust Report FB74, Bracknell, IHS Markit, 2015.
  2. Ţicleanu C. Report describing initial literature review on circadian lighting. BRE Client Report B137170-1001. Watford, BRE, 2017. Disponibil online la https://www.cibse.org/knowledge/knowledge-items/detail?id=a0q0O00000CF7o9QAD
  3. Littlefair P, Ţicleanu C. Lighting for circadian rhythms. BRE Trust Report. Watford, BRE, 2019. Disponibil online la https://www.bretrust.org.uk/knowledgehub/health-wellbeing-safety/circadian-rhythms/
  4. Ţicleanu C, Littlefair P. Circadian lighting effects on performance and wellbeing – A field study comparison of fixed and variable lighting conditions. În curs de publicare în revista Lighting Research and Technology.
  5. The WELL Building Standard v2 pilot. New York: International WELL Building Institute, 2018.

 

Figura 1    Spaţiul de birouri cu iluminatul fluorescent iniţial.

 

 

Figura 5 Diferenţa absolută în starea de alertă subiectivă în raport cu diferenţa relativă în nivelul EML: sus – condiţia 2 (prima condiţie cu iluminat LED variabil) faţă de condiţia 1 (iluminatul fluorescent iniţial); jos – condiţia 3 (a doua condiţie cu iluminat LED variabil) faţă de condiţia 4 (iluminat LED constant). O diferenţă pozitivă în starea de alertă subiectivă indică faptul că persoana respectivă s-a simţit mai vigilentă în timpul expunerii la iluminat variabil.
Share