HCL czyli Human Centric Lighting w miejscach pracy. Na czym polega koncepja HCL?

HCL czyli Human Centric Lighting to termin, który wywołuje wiele dyskusji w branży oświetleniowej. HCL to koncept projektowania dynamicznego oświetlenia elektrycznego we wnętrzach, oparty o badania dotyczące pozawzrokowego oddziaływania światła na ludzki organizm. W literaturze HCL określa się również jako idea oświetlenia skutecznego biologicznie (bioefektywnie) czy spersonalizowanego.

Spis treści

1. Co to jest HCL?
2. HCL i oddziaływanie światła na człowieka
3. Koncept HCL
4. HCL w praktyce
5. HCL - podsumowanie

Co to jest HCL?

HCL związany jest z najnowszymi wynikami badań naukowych, które wskazują, że oświetlenie elektryczne we wnętrzach powinno dynamicznie i synergicznie zmieniać się w zależności od charakterystyki wpadającego do nich światła dziennego oraz dostosowywać się do indywidualnych wymagań użytkowników budynku.

HCL i oddziaływanie światła na człowieka

Przez większą część historii ewolucji ludzie żyli na zewnątrz w środowisku naturalnym, poddani dobowym sekwencjom ekspozycji na światło o różnej charakterystyce spektralnej. Widzenie fotopowe (dzienne) oraz skotopowe (nocne) jest częściowo efektem przystosowania aparatu wzroku do dziennych, sezonowych i rocznych właściwości światła dziennego. Naukowcy zdefiniowali trzy główne drogi oddziaływania światła na człowieka: detekcję wzrokową, bezpośrednią absorbcję fotonów światła przez skórę oraz pozawzrokową, związaną z rytmami okołodobowymi. Większość informacji dotyczących orientacji w przestrzeni, koloru czy jasności dostarcza proces widzenia, podczas którego pod wpływem światła barwniki wzrokowe zawarte w fotodetektorach (czopkach i pręcikach siatkówki) ulegają rozkładowi, a bodziec świetlny zmienia się w elektryczny, który przez włókna nerwowe przechodzi dalej do kory wzrokowej mózgu. Proces fotodetekcji i tworzenia obrazów polega na odbiorze informacji świetlnej przez fotodetektory znajdujące się w siatkówce oka ludzkiego. Działanie światła na skórę człowieka związane z syntezą witaminy D oraz kancerogennym działaniem promieni ultrafioletowych zostały szeroko opisane w literaturze. Nadal jednak badane są procesy jego pozawzrokowego oddziaływania na człowieka i związany z tym mechanizm rytmów okołodobowych.

Rytmy okołodobowe

Rytmy biologiczne (biorytmy), czyli inaczej egzogenne (zewnątrzpochodne) i endogenne (wewnątrzpochodne) cykliczne zjawiska zachodzące w organizmie pod wpływem czynników (synchronizatorów) zewnętrznych i wewnętrznych, badane są przez chronobiologów. Organizm ludzki przystosowany jest do cyklicznej dobowej, rocznej, sezonowej i wieloletniej sekwencji zmian światła, które – wraz z innymi czynnikami – warunkują prace wewnętrznego zegara biologicznego, synchronizującego biochemiczne, fizjologiczne oraz behawioralne zjawiska zachodzące wewnątrz organizmu. Sekwencyjność, intensywność promieniowania oraz charakterystyka zmian światła dziennego odbieranego przez siatkówkę oka ludzkiego oddziałują więc na rytmy okołodobowe (cyrkadialne, z ang. circadian rythm) człowieka, mające z kolei wpływ na mechanizmy wewnętrzne organizmu – rozwój, aktywność, samopoczucie, sen i wydajność. Nad wyjaśnieniem tych skomplikowanych mechanizmów pracują naukowcy, koncentrując się na wizualnych (z ang. image forming, IF) i pozawzrokowych (z ang. non-image forming, NIF) funkcjach oddziaływania światła na organizm ludzki.

ipRGC – nowe fotoreceptory

W 2002 roku naukowcy opisali, w jaki sposób promieniowanie optyczne odbierane przez siatkówkę oka ludzkiego oddziałuje pozawzrokowo na człowieka. Wykazano, że istnieją jeszcze inne fotodetektory: wewnętrznie światłoczułe komórki zwojowe siatkówki (ipRGC), których barwnik wzrokowy – melanopsyna – przechwytuje informację świetlną i wpływa na niewzrokowe odpowiedzi organizmu (oprócz zwężania źrenicy m.in. na czujność, wydajność i psychikę).

IpRGC przesyłają informacje do jąder nadskrzyżowaniowych (SCN, z łac. nuclei suprachiasmatici), czyli części mózgowia, która odpowiada za synchronizację i regulację rytmów biologicznych, takich jak sen i czuwanie. Wykazano, że promieniowanie świetlne w przedziale widma o długości 425–560 nm powoduje supresję melatoniny i wzrost wytwarzania kortyzolu – hormonu kory nadnerczy, który wypływa na metabolizm, a popularnie nazywany jest hormonem stresu. Praca wewnętrznego synchronizatora procesów życiowych, jakim jest zegar biologiczny, zależy m.in. od hamowania syntezy melatoniny w wyniku ekspozycji na światło, zatem periodyczne sekwencje światło-noc warunkują wahania stężenia melatoniny i kortyzolu, a te wpływają na rytmy biologiczne organizmu. Efektem tych procesów jest nocne zmęczenie i dzienna aktywność człowieka. Ekspozycja na światło częściowo wpływa również na nastrój poprzez uwalnianie neuroprzekaźników dopaminy i serotoniny.

Dlaczego rytmy okołodobowe są ważne?

Wykazano, że wszelkie ingerencje w rytmy okołodobowe w postaci nieregularnych i wielokrotnych zaburzeń rytmów, np. w wyniku ekspozycji na światło o wysokim natężeniu i wysokiej temperaturze barwowej w porze nocnej, oddziałują negatywnie na zdrowie i samopoczucie człowieka, m.in. poprzez obniżenie parametrów immunologicznych organizmu lub zaburzenia psychiczne i behawioralne. Jednym z czynników oddziałujących na zwiększenie poziomu kortyzolu jest niedobór snu, melatonina natomiast wpływa na regulację układu trawiennego i odpornościowego.

Wagę badań wyjaśniających mechanizmy biorytmów podkreśliła nagroda Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii z roku 2017 dla Jeffreya C. Halla, Michaela Rosbasha oraz Michaela W. Younga za wyjaśnienie zasad rytmów okołodobowych na modelowym organizmie. Naukowcy opisali geny i białka kontrolujące prawidłowy rytm u muszek owocówek, ale podobne mechanizmy zachodzą również u ludzi. Norweski Komitet Noblowski w uzasadnieniu wyjaśniał: „Z wyjątkową precyzją nasz wewnętrzny zegar dostosowuje naszą fizjologię do dramatycznie różnych faz dnia (...) zegar biologiczny reguluje kluczowe funkcje, takie jak zachowanie, poziom hormonów, sen, temperaturę ciała i metabolizm”.

Koncept HCL

Badania nad rytmami okołodobowymi wywołały zmianę w postrzeganiu projektowania oświetlenia wnętrz oraz zwróciły uwagę projektantów na nowo zdefiniowane biologiczne potrzeby użytkowników. Zauważono, że ekspozycja na dynamicznie zmieniające się światło dzienne jest niezbędna do prawidłowego rozwoju i pracy organizmu. Następnym logicznym krokiem było wykorzystanie technologii SSL (z ang. Solid State Lighting) i źródeł LED do odtworzenia dynamiki oświetlenia dziennego, a zwłaszcza odwzorowania parametrów CCT i zmian natężenia strumienia świetlnego. W uproszczeniu założono, że ekspozycja na światło o dużej zawartości widma o długości fal 436–495 nm (niebieskie), popularnie określanego jako chłodna biel, pomaga w wybudzeniu i zwiększeniu koncentracji w ciągu dnia, światło białe natomiast, z dużą zawartością widma o przedziale długości fal od 566 do 589 nm (żółte), będzie relaksować i powinno być stosowane w okresach naturalnej zmniejszonej aktywności człowieka, np. wieczorem.

Charakterystyka źródeł LED oraz rozwój systemów sterowania światłem w połączeniu z systemami Internetu Rzeczy (z ang. Internet of Things) w inteligentnych budynkach ułatwiają zastosowanie dynamicznych, zindywidualizowanych i samouczących się aplikacji oświetleniowych.

Koncept HCL jest szeroko opisywany przez media branżowe, a zwłaszcza przez producentów sprzętu oświetleniowego. Powołano Human Centric Lighting Society, czyli organizację, która tłumaczy idee i aspekty oddziaływania HCL w odniesieniu do rytmów okołodobowych i ich wpływu na sprawność psychofizyczną, produktywność pracy, zrównoważony rozwój.

Niemniej jednak naukowcy badający procesy wpływu światła na organizm ludzki są ostrożniejsi. Wskazują, że za rozwojem nauk fotometrycznych, a zwłaszcza parametryzacji wpływu oświetlenia na funkcje wizualne człowieka, stały metody zorientowane na jego potrzeby (z ang. human-centered). Natomiast biologiczne efekty ekspozycji na światło o danej charakterystyce zależą od wielu subiektywnych cech organizmu, takich jak historia ekspozycji świetlnych, płeć, wiek, przystosowanie wynikające z zamieszkania w danej strefie szerokości geograficznej, chronotyp, preferencje itp. Wobec tego ich badanie jest dużo bardziej skomplikowane i nadal potrzeba wielu testów laboratoryjnych oraz studiów przypadków, aby zdefiniować i sparametryzować konkretne relacje pomiędzy oświetleniem (jego intensywnością, spektrum, częstotliwością i długością występowania) a np. wydajnością biologiczną pracowników, nie wspominając o zastosowaniu nowych parametrów oświetlenia, takich jak circadian light (CLA), proponowany przez naukowców z LRC (Lighting Research Center na Rensselaer Polytechnic Institute), oraz Equivalent Melanopic Lux (Ea), który pojawia się w standardzie WELL.

HCL w praktyce

Na standardowy rok składa się 8760 godzin, z czego mniej niż 4380 stanowią te oświetlone światłem dziennym. W Unii Europejskiej przeciętny pracownik zatrudniony w pełnym wymiarze godzin pracuje 40,3 godziny tygodniowo w zwykłym tygodniu pracy, czyli ok. 8 godzin dziennie, głównie w pomieszczeniach oświetlonych światłem dziennym i w razie potrzeby doświetlanych elektrycznym. Według raport Eurofound z 2016 roku 19% pracowników pracuje w nocy – od dwóch do więcej godzin pomiędzy 22.00 a 5.00 co najmniej raz w miesiącu. W 2017 roku angielska publiczna organizacja Public Health England (PHE), monitorująca zagadnienia i zagrożenia zdrowotne, ostrzegła, że stosowanie niewłaściwego oświetlenia eklektycznego może spowodować zakłócenia w rytmach okołodobowych pracowników, co z kolei może wpływać na jakość ich snu, procesy poznawcze i czujność w ciągu dnia, a w konsekwencji mieć negatywne oddziaływanie na samopoczucie i bezpieczeństwo. Mając to na uwadze, należy stwierdzić, że rozwój konceptu HCL w sektorze budynków biurowych ma bardzo duży potencjał.

Badania nad oświetleniem skutecznym biologicznie oraz aplikacje HCL na pewno przyczyniły się do podniesienia świadomości różnych rozwiązań wśród projektantów i użytkowników. Zrozumiano wagę odpowiedzi biologicznych organizmu ludzkiego na światło, a także dostrzeżono brak odpowiednich zapisów normatywnych gwarantujących poprawę jakości systemów oświetleniowych w zakresie rytmów okołodobowych. Za jedną z największych barier dla rozwoju projektów opartych o koncept HCL uważa się brak informacji, niedostateczne akcje edukacyjne, braki w zapisach normatywnych, sceptycyzm co do materialnych korzyści z proponowanych systemów, niedosyt inicjatyw politycznych i społecznych, brak koordynacji pomiędzy dostawcami elementów rozwiązań HCL, wyższe ceny produktów zaliczanych do tej grupy oraz niedoskonałości w systemach sprzedaży tych rozwiązań. Niemniej jednak firmy zajmujące się badaniem trendów rynkowych na zlecenie organizacji branżowych, takie jak A.T. Kearney, prognozują, że wartość rynku produktów i rozwiązań HCL może uzyskać wartość od 0,87 do 1,4 mld w 2020 roku. Zakłada się, że takie rozwiązania mogą podnieść produktywność (mniej błędów i większa motywacja) o 4,5–7,7% w środowisku pracy biurowej, ale trzeba mieć na uwadze, że realne oszczędności, biorące pod uwagę korzyści związane ze zwiększeniem wydajności pracowników i mniejszymi wydatkami na koszty opieki medycznej, trudno jest skalkulować. Prawdopodobnie będzie je można ocenić po paru latach funkcjonowania systemów HCL w biurach. Inna agencja, BIS Research, oszacowała wartość technologii oświetleniowych opartych o idee HCL na 3,91 miliarda USD w 2024 roku.

HCL - podsumowanie

Wiadomo już, że organizm ludzki jest najlepiej przystosowany do dobowych,rocznych, sezonowych cyklicznych zmian światła oraz że to one wraz z innymi czynnikami warunkują jego prawidłowe funkcjonowanie. Nie ma natomiast jeszcze jednoznacznej odpowiedzi, jak właściwie projektować systemy oświetlenia, aby ich wpływ na funkcje wzrokowe i pozawzrokowe był możliwie najbardziej pozytywny. Wobec tych faktów nasuwa się wniosek, że oświetlenie elektryczne powinno zmieniać się dynamicznie i być projektowane w synergii z dostępnym oświetleniem dziennym, w co wpisuje się koncept HCL. Skuteczne biologicznie oświetlenie elektryczne musi być zbliżone w swoich parametrach częstotliwości zmian oraz charakterystyce do spektrum światła dziennego.

Dynamiczny rozwój technologii SSL sprawia, że projektanci ciągle uczą się, jak je prawidłowo i innowacyjnie stosować do tworzenia oświetlonych wnętrz, które coraz lepiej odpowiadają na wzrokowe, psychiczne i biologiczne potrzeby ich użytkowników. Koncept HCL stawia te potrzeby na pierwszym miejscu, co wydaje się dobrym początkiem poszukiwań projektowych.