Oświetlenie HCL w obiektach przemysłowych. Jak koncepcja Human Centric Lighting wpływa na komfort pracy?

W jaki sposób projektować oświetlenie przemysłowe, aby dostosować je do potrzeb pracowników? Odpowiedzi należy szukać w technologii HCL. Obecnie wykorzystywanie rozwiązań zgodnych z koncepcją HCL nie jest jeszcze obligatoryjne, jednak wiele wskazuje na to, że w najbliższych latach zostaną one uwzględnione w zaleceniach dla oświetlania miejsc pracy, w tym także w zakładach przemysłowych.

Spis treści

1. Oddziaływanie światła na ludzki organizm
2. Oświetlenie przemysłowe - co to jest HCL?
3. Oddziaływanie światła na wzrok
4. Biologiczny wpływ światła
5. HCL a zegar biologiczny
6. Technika LED wspomaga koncepcję HCL
7. Oświetlenie przemysłowe a potrzeby pracowników
8. Oświetlenie przemysłowe - przykłady wdrożeń HCL

Wymagania normatywne w zakresie oświetlania wnętrz dotyczą głównie poziomu natężenia oświetlenia i jego równomierności, wartości ujednoliconego wskaźnika ograniczenia olśnienia oraz oddawania barw źródeł światła. Wielkości te tylko pośrednio nawiązują do samopoczucia użytkowników, ponieważ dopiero w przypadku niespełnienia wytycznych mogą oni odczuwać tego skutki. Koncepcja Human Centric Lighting (HCL), czyli oświetlenia zgodnego z potrzebami człowieka, rekomenduje stosowanie we wnętrzach światła, które dzięki dynamicznym zmianom natężenia i składu widmowego odpowiada dobowemu rytmowi światła naturalnego. Pozwala to aktywnie wpływać na emocje, samopoczucie i produktywność pracowników.

Oddziaływanie światła na ludzki organizm

Od dawna było wiadomo, że za widzenie odpowiadają dwa typy fotoreceptorów umiejscowionych w siatkówce ludzkiego oka – czopki i pręciki. Padające na nie światło wywołuje złożone reakcje chemiczne powodujące powstawanie sygnałów w nerwach łączących receptory z korą wzrokową (w tylnej części mózgu), która interpretuje je jako wrażenia wzrokowe. Pręciki pracują przy bardzo niskich poziomach światła, zapewniając tzw. widzenie skotopowe, które umożliwia postrzeganie kształtów, ale nie barw.

Przy większej ilości światła zachodzi widzenie fotopowe, dzięki działaniu czopków, pozwalających na rozróżnianie barw i ostre widzenie przedmiotów.W 2002 roku odkryto trzeci typ receptora odpowiedzialnego za biologiczne skutki, jakie wywołuje światło w ludzkim organizmie. Skomplikowane reakcje chemiczne, przebiegające pod wpływem światła padającego na ten receptor, również wywołują sygnały przekazywane dzięki połączeniom nerwowym m.in. do obszaru mózgu nazywanego jądrem nadskrzyżowań, w skrócie SCN (ang. Suprachia-Smatic Nuclei), odpowiadającego za sterowanie ludzkim zegarem biologicznym, oraz do szyszynki.

Oświetlenie przemysłowe - co to jest HCL?

Human Centric Lighting to technologia oświetleniowa oparta na wynikach badań naukowych przeprowadzanych w okresie ostatnich kilkudziesięciu lat. Dotyczyły one oddziaływania światła na organizm i psychikę człowieka, a także pozwoliły zrozumieć, jak ogromny i ważny jest jego wpływ. Wykazały one, że widzenie to nie jedyna korzyść jaką światło przynosi człowiekowi, wpływa ono także na jego nastrój i poziom aktywności. Poprzez prawidłową kontrolę oświetlenia sztucznego można oddziaływać na emocje i samopoczucie ludzi, a nawet wydajność ich pracy.Fizjologiczne reakcje ludzkiego organizmu na światło zależą od jego cech, takich jak skład widmowy czy intensywność, a także od czasu ekspozycji.

Dlatego jeśli spędza się dużo czasu w pomieszczeniach zamkniętych oświetlanych światłem sztucznym, jego charakterystyka ma ogromne znaczenie.Rozwiązania oświetleniowe typu Human Centric Lighting mogą silnie wspierać naturalny cykl dobowy ludzkiego organizmu, a przez to zwiększać koncentrację, zapobiegać zaburzeniom snu i poprawiać ogólne samopoczucie. Wykorzystaniu tej wiedzy o biologicznym oddziaływaniu światła na ludzi sprzyjają zwłaszcza wdrażane w ostatnim czasie innowacyjne technologie.

Postęp w zakresie półprzewodnikowych źródeł światła LED i elektronicznych układów sterowania sprawił, że oświetlenie światłem białym o regulowanym natężeniu i temperaturze barwowej można zrealizować w łatwy sposób od strony technicznej i jednocześnie przy niskim zużyciu energii elektrycznej. Ponadto nowoczesne inteligentne systemy zapewniają użytkownikom duże możliwości dostosowania oświetlenia do indywidualnych potrzeb.

Oddziaływanie światła na wzrok

Na wydolność wzrokową człowieka wpływają warunki pracy. Aby uzyskać wysoką wydolność przy oświetleniu sztucznym, musi być ono dostatecznie dobre (m.in. charakteryzować się wysokim poziomem natężenia na płaszczyźnie pracy wzrokowej). Należy jednak podkreślić, że przy określonym natężeniu oświetlenia wydolność wzrokowa nie jest taka sama u wszystkich ludzi i zależy od wieku – lepszą mają osoby młodsze, tzn. w wieku ok. 30 lat, a gorszą starsze ok. 55 roku życia.Przy względnie trudnych zadaniach wzrokowych człowiek starszy potrzebuje natężenia oświetlenia o wartości ponad 1000 lx dla osiągnięcia takiej samej wydolności wzrokowej, którą uzyskuje osoba młodsza przy 300 lx.

Podobna zależność, jednak jeszcze mocniej widoczna, występuje przy trudnej pracy wzrokowej, np. przy czytaniu drobnego tekstu – by osiągnąć zadowalającą wydolność wzrokową osoba w wieku ponad 55 lat potrzebuje prawie 6 razy większej ilości światła niż ok. 30-letnia.Dokumenty normalizacyjne wskazują wartości natężenia oświetlenia wymagane do pracy osób w wieku ok. 30 lat. Starsi pracownicy mają niższą wydolność wzrokową i potrzebują znacznie wyższych parametrów oświetleniowych. Mogą jednak wykonywać równie dobrze taką samą pracę wzrokową, co młodsi pod warunkiem podwyższenia natężenia oświetlenia z wymaganej normami minimalnej wartości 300 lub 500 lx do ok. 1200 lx.

W starszym wieku występuje efekt zażółcenia wierzchniej warstwy soczewki oka ludzkiego, co działa jak filtr – przepuszcza bardzo dobrze promieniowanie widzialne o barwie żółtej, słabiej, lecz nadal dość dobrze, barwy sąsiadujące w widmie, tzn. promieniowanie czerwone i zielone, natomiast zatrzymuje dużą część niebieskiego.

Dlatego, innymi słowy mówiąc, osoba starsza widzi świat mniej niebieski. Wydolność wzrokowa może być zatem z powodzeniem poprawiona nie tylko przez odpowiednio wysoki poziom oświetlenia, ale także przez zastosowanie światła z dużym udziałem niebieskiej części widma.

Biologiczny wpływ światła

Odkrycie trzeciego bioreceptora i jego połączeń z ośrodkami w mózgu pozwoliło zrozumieć podstawowe znaczenie światła dla stymulowania i kontrolowania wielu procesów biologicznych w ludzkim organizmie. Zrozumiano, że światło, a w szczególności regularne cykle światło-ciemność mają zasadniczy wpływ na kontrolowanie zegara biologicznego człowieka poprzez oddziaływanie na produkcję niektórych ważnych hormonów.

Czasowy cykl oświetlenia naturalnego na kuli ziemskiej zamyka się w 24 godzinach i składa z dwóch okresów – ok. 12 godzin jasności i ok. 12 godzin ciemności. Organizm ludzki jest do tego cyklu przystosowany i funkcjonuje w nim poprawnie, a wszelkie jego zmiany mogą powodować istotne zaburzenia, np. trudności w zasypianiu, zaburzenia snu oraz osłabienie aktywności i koncentracji w czasie pracy.

W słoneczny dzień na otwartej przestrzeni panuje natężenie oświetlenia naturalnego ok. 100 000 lx, w pochmurny zmniejsza się ono do ok. 20 000 lx, natomiast w pomieszczeniach, zwłaszcza tych pozbawionych dostatecznej ilości światła naturalnego, poziom natężenia wynosi zazwyczaj nie więcej niż 500 lx.

Dlatego też codzienna praca w tego typu wnętrzach (oświetlonych światłem sztucznym o niedostatecznej intensywności i niewłaściwym składzie widmowym) może zaburzać naturalny cykl dobowy pracowników.Trzy najważniejsze hormony kontrolujące dobowy rytm biologiczny człowieka to:

• melatonina – hormon snu, który sprawia, że człowiek czuje się zmęczony i senny, a organizm spowalnia swoje funkcje oraz obniża aktywność na rzecz zasłużonego odpoczynku. Największy poziom melatoniny występuje w nocy, jej poziom spada nad ranem i jest niski w ciągu dnia, kiedy pobudza nas wysoki poziom kortyzolu.
• kortyzol – hormon stresu działający odwrotnie do melatoniny. Powszechnie wiadomo, że stres jest zjawiskiem szkodliwym, jednak niski poziom lub całkowity brak kortyzolu także może być szkodliwy, podobnie jak nadmiar – może niszczyć system immunologiczny. Z drugiej strony jednak hormon ten bierze udział w produkcji glukozy, a ta z kolei dostarcza energii organizmowi. Wytwarzanie kortyzolu rozpoczyna się ok. godz. 3 rano, aby pobudzać metabolizm i przygotować go do aktywności dziennej. Poziom hormonu stresu osiąga najwyższą wartość w godzinach porannych, co stymuluje ludzi do działania w ciągu dnia. W nocy jego ilość w organizmie spada, umożliwiając normalny sen.
• serotonina – hormon szczęścia, który działa jako środek pobudzający i motywator, pomaga podnieść poziom energii, gdy w ciągu dnia obniża się poziom kortyzolu, a tym samym przeciwdziała wzrostowi poziomu melatoniny, co pozwala dłużej zachować energię i oprzeć się obniżeniu aktywności.

Przy dostatecznym oświetleniu, zwłaszcza naturalnym, w dzień człowiek ma w organizmie dużo kortyzolu i mało melatoniny, dzięki czemu jest pobudzony i aktywny, a nie senny. W nocy odwrotnie – poziom kortyzolu maleje, a melatoniny rośnie, dlatego może spać spokojnie i głęboko, a aktywność spada do minimum.

HCL a zegar biologiczny

Skuteczna realizacja idei Human Centric Lighting, czyli odwzorowania naturalnego światła (przy użyciu opraw oświetleniowych) dostosowanego do potrzeb człowieka, wymaga szczególnego uwzględnienia trzech powiązanych ze sobą parametrów. Ponieważ jednak ich zmiany wpływają na ludzki organizm, działania te muszą opierać się na wiedzy i być przemyślane.

Pierwszym parametrem jest widmo światła – promieniowanie świetlne z niebieskiego zakresu oddziałuje biologicznie na organizm ludzki w sposób aktywujący, natomiast z czerwonego – obniża aktywność. Drugi stanowi intensywność światła, przy czym ważne jest nie tylko jego natężenie na poziomych płaszczyznach pracy wzrokowej, ale także tzw. cylindryczne na twarzach ludzi przebywających w sztucznie oświetlanych pomieszczeniach. Trzeci parametr stanowi czas oddziaływania światła w trakcie doby. Parametr ten wiąże się ściśle z intensywnością światła.

Zastosowanie technologii HCL polega na programowaniu zmian  intensywności i temperatury barwowej światła białego, aby były jak najbardziej zbliżone do zmian właściwości naturalnego światła dziennego.

Oznacza to, że oświetlenie sztuczne w biurach,szkołach, wnętrzach handlowych, obiektach przemysłowych, a nawet prywatnych domach, powinno w maksymalny sposób odwzorowywać cechy światła naturalnego dostępnego w danej chwili dnia na zewnątrz.

Technika LED wspomaga koncepcję HCL

Praktyczna realizacja idei oświetlenia Human Centric Lighting, dostosowanego do potrzeb ludzi, opartej na badaniach nad okołodobowym rytmem człowieka, nie byłaby możliwa bez upowszechnienia technologii LED i cyfrowych systemów sterowania.Jeszcze do niedawna zmiana temperatury barwowej światła białego dostarczanego przez oprawę mogła być zrealizowana tylko przez umieszczenie w niej świetlówek liniowych o różnych temperaturach barwowych emitowanego światła. Dla uzyskania potrzebnej barwy poszczególne świetlówki musiały świecić z określoną intensywnością, aby po zmieszaniu światła w odpowiedniej proporcji uzyskać oczekiwany efekt.

Technicznie było to dość skomplikowane i wymagało zasilania każdej z nich oddzielnym sterowanym statecznikiem. Obecnie producenci oferują wiele systemów oświetleniowych z półprzewodnikowymi diodami świecącymi, które umożliwiają nie tylko płynną zmianę natężenia, ale także regulację temperatury barwowej światła białego. W oprawach LED światło diod o barwie ciepłej i chłodnej białej może być skutecznie mieszane za pomocą precyzyjnego sterowania elektronicznego. Dzięki temu oprawa może świecić światłem białym o temperaturze barwowej regulowanej w szerokim zakresie, przy równoczesnej regulacji natężenia.

Oświetlenie przemysłowe a potrzeby pracowników

Po licznych wdrożeniach instalacji oświetlenia HCL w segmencie budownictwa biurowego obecnie przychodzi czas na coraz szersze jego wykorzystanie również w obiektach przemysłowych – magazynach, halach produkcyjnych i laboratoriach.Umiejętnie stosowane oświetlenie sztuczne, bazujące na wiedzy o biologicznym wpływie światła na organizm ludzki, może dostarczać dodatkowej energii, zwiększać motywację pracowników do działania i przedłużyć okres dziennej aktywności.

W zakładach przemysłowych pracujących w trybie jednozmianowym chłodne, białe światło, charakteryzujące się niską wartością temperatury barwowej, zawierające w swoim widmie sporą dawkę promieniowania niebieskiego, włączane na jedną do dwóch godzin wkrótce po rozpoczęciu pracy, może pomóc pracownikom w przezwyciężeniu porannej senności i rozpoczęciu dnia na pełnych obrotach. Takie samo chłodne światło zastosowane w krótkim okresie po przerwie śniadaniowej może zniwelować spowolnienie fizyczne występujące po posiłku i przedłużyć okres dziennej aktywności, odsuwając w czasie nadejście popołudniowego zmęczenia.

Odpowiednie oświetlenie może zatem przynosić efekty krótkoterminowe w postaci zwiększonej koncentracji przy realizowaniu doraźnych zadań. Z kolei w zimie można liczyć na skutki długoterminowe – przy małej intensywności i krótkich okresach światła dziennego oświetlenie o regulowanej temperaturze barwowej światła białego może zapobiegać depresjom i innym sezonowym zaburzeniom aktywności.

Stosowanie podobnych świetlnych zabiegów aktywacyjnych w przypadku pracy na zmianach popołudniowych w zakładach przemysłowych, a szczególnie nocnych, jest również możliwe, jednak musi być dogłębnie przemyślane i opierać się na rzetelnej wiedzy, aby nie prowadziło do rozregulowania naturalnego dobowego cyklu aktywności pracowników.

Mogłoby to bowiem łatwo spowodować poważne zaburzenia snu, osłabienie aktywności i głęboką depresję. Oprócz zapewnienia odpowiednich warunków do realizacji prowadzonych zadań wzrokowych związanych z pracą, oświetlenie może zatem pomagać także w zachowaniu czujności, dobrego nastroju, zdolności poznawczych czy przeciwdziałać senności.

Pora doby, czas działania i skład widmowy światła mają ważny wpływ na biologiczne oddziaływanie oświetlenia na pracowników, jednak zależy on również od ich cech osobowych, rodzaju wykonywanej pracy i aktualnego poziomu zmęczenia. Dlatego oprócz centralnego sterowania oświetleniem powinna być także zapewniona możliwość jego indywidualnego dostosowania do potrzeb poszczególnych osób na ich stanowiskach pracy.

Oświetlenie przemysłowe - przykłady wdrożeń HCL

Jednym z pierwszych praktycznych przypadków wdrożenia koncepcji Human Centric Lighting w obiekcie przemysłowym w Europie było oświetlenie pomieszczenia sterowni do obsługi morskiej platformy wiertniczej. Firma Norwegian Oil Company w Trondheim zbudowała lądowe pomieszczenie do obsługi platformy zlokalizowanej na polu Ivar Aasen na Morzu Północnym, pracującej w cyklu całodobowym przez cały rok. Zainstalowano w nim oświetlenie, wykorzystując wiedzę o biologicznym wpływie okołodobowego cyklu świetlnego na organizm człowieka.

Podczas pierwszych dwóch do czterech godzin pracy na zmianie nocnej pracownicy wystawieni są na chłodne białe światła o wysokiej intensywności, następnie barwa światła białego zmienia się na neutralną, a intensywność na średnią.

W trakcie zmiany dziennej stosuje się chłodne białe światło rano (ale nie natychmiast po rozpoczęciu pracy) oraz po przerwie śniadaniowej. Dodatkowo opracowano tzw. sekwencję chmur, czyli oświetlenie z niewielkimi zmianami temperatury barwowej światła białego oraz jego intensywności, którego zadaniem jest naśladowanie emisji światła od nieboskłonu o zmieniającym się zachmurzeniu.

Wspomniane rozwiązania podwyższyły komfort pracowników i pomogły im unikać senności oraz zachowywać czujność na stanowiskach pracy. Przeprowadzono również gruntowny remont powierzchni biurowej w centrali firmy Innogy w Pradze, obejmującej powierzchnię 10 000 m², na której pracuje 550 osób.

Zainstalowano sieciowy system oświetleniowy LED, składający się z około 2000 opraw, z czego 860 modeli nasufitowych oraz 96 typu downlight zaprogramowano tak, aby oświetlenie zmieniało się w zależności od pory dnia. Instalacja pozwala dostosowywać temperaturę barwową i natężenie oświetlenia do określonych zadań, poprawiając indywidualny komfort pracy.

Oświetlenie, w tym również to przemysłowe, stymuluje aktywność pracowników o ustalonych porach dnia, przykładowo przyjemne jasne światło, podobne do naturalnego światła dziennego, emitowane jest na początku dnia i po lunchu. Zastosowany system pomaga zwiększać poziom energii oraz poprawia komfort i jakość widzenia, co pozytywnie wpływa na ich dobre samopoczucie, a tym samym wydajność.