Исследование условий светодиодного освещения

В настоящее время актуальной задачей светотехники является создание благоприятной светоцветовой среды, которая предполагает использование света как для выполнения зрительной работы, так и для удовлетворения комплекса потребностей человека: психофизиологических, эргономических, психологических, экологических. С другой стороны, являются важными вопросы экономии электроэнергии, расходуемой на освещение. Решение этих задач возможно при использовании светодиодных источников света (ИС), которые сегодня являются одними из самых эффективных и перспективных.

Однако возможность использования светодиодов для создания комфортных условий освещения требует весомых доказательств, которые могут быть получены путем всестороннего изучения влияния их излучения на орган зрения и организм человека в целом. В работах российских и зарубежных ученых практически нет описаний подобных исследований – встречаются только отдельные результаты о влиянии освещения светодиодами на некоторые функции зрения и зрительную работоспособность. Результаты этих исследований противоречивы и неоднозначны. Это дает основание считать проделанную работу, целью которой являлось проведение экспериментальных психофизиологических и гигиенических исследований по изучению воздействия свето-

диодного освещения на орган зрения и организм человека в целом, актуальной.

Анализ теоретического материала и экспериментальных исследований воздействия на зрительную работоспособность и утомление (факторов, связанных в первую очередь с условиями освещения), позволил нам разработать комплексную методику оценки влияния условий светодиодного освещения на состояние органа зрения и организма человека в целом [1–2].

На основе анализа существующих методик определения отдельных показателей были выбраны оптимальные, наиболее соответствующие поставленным задачам – психофизиологической и гигиенической оценке эффективности условий светодиодного освещения. Так, изменения функционального состояния органа зрения предлагается оценивать на основании исследований аккомодационно-мышечного аппарата, а также рецепторного аппарата и центрального звена органа зрения.

Для проведения экспериментальных исследований была разработана и создана экспериментальная исследовательская установка (ЭИУ) общего освещения, смонтированная в лаборатории № 316 корпуса № 16 ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева». Вид помещений, в которых проводились исследования, представлен на рис. 1.

ВЕСТНИК Мордовского университета | 2014 | № 1-2

Рис. 1. Помещения для экспериментальных исследований

В качестве базовых ИС для сравнения со светодиодными были выбраны люминесцентные лампы (ЛЛ). Они были достаточно широко и глубоко обследованы с точки зрения психофизиологического и гигиенического воздействия их излучения на организм человека. Влиянию люминесцентного освещения на работу зрительного анализатора посвящено большое число работ различных специалистов и ученых, где установлено положительное влияние излучения ЛЛ на ор- ган зрения и организм в целом при грамотном выполнении осветительной установки (ОУ).

Для экспериментальных исследований были выбраны светильники следующих производителей:

– совместного российско-корейского предприятия ООО «Непес Рус» (светильники со СД – Cap Flat 66-16);

– ОАО «Ардатовский светотехнический завод» (светильники со СД –

ДВО12-38-001 Prizma и ЛЛ – ЛВО04-4х14-041 PRS, ЛВО04-4Ч18-041 PRS).

Требования к количественным и качественным показателям общего освещения в

помещениях общественных и административных зданий, где производятся зрительные работы разряда А-2, выбранного нами за базовый, представлены в табл. 1.

Т а б л и ц а 1

Нормируемые количественные и качественные показатели световой среды основных помещений общественных и административных зданий

Помещения	Плоскость нормирования освещенности (Г - горизонтальная, В – вертикальная), м	Разряд и подразряд зрительной работы	Освещенность рабочей поверхности при общем освещении, лк	Объединенный показатель дискомфорта UGR, не более	Коэффициент пульсации освещенности, не более
Основные помещения общественных и административных зданий	Г-0,8	А-2	400	21	10

Серия «Естественные и технические науки»

В качестве модели зрительной работы выбрана работа умственного и корректорского типа продолжительностью 90 мин. Работа в течение 1,5 ч по выбранной модели эквивалента по зрительному утомлению работе в реальных производственных условиях в течение полного рабочего дня.

Экспериментальные исследования проводились при трех уровнях освещенности, которые являются наиболее характерными для выполнения зрительных работ в помещениях различного функционального назначения: 200, 400 и 1 000 лк. Кроме этого, варьировалась цветовая температура Т излучения ИС: 3 000, 4 000 и 5 000 К. цв

Перед оборудованием экспериментальных помещений светильниками варианты освещения были смоделированы в программе DIALux. Это позволило выполнить требования нормативных документов [3], предъявляемые к общему освещению общественных и административных зданий. Моделирование вариантов освещения с помощью программы DIALux определило высоту подвеса светильников, обеспечивающую на рабочей поверхности освещенность Е = 1 000 лк. Другие, более низкие, уровни освещенности создавались диммированием светового потока.

В исследованиях принимали добровольное участие студенты в возрасте 20–25 лет. Предварительное обследование участников эксперимента включало определение рефракции, остроты зрения, а также проведение компьютерной томограммы сетчатки. У всех отобранных наблюдателей рефракция была преимущественно эмметропической, острота зрения на оба глаза – 1,0, цветоощущение без патологии. Кроме этого студенты прошли электрокардиографическое обследование и э лектроэнцефалографическое исследование функциональной активности головного мозга.

Отобранные наблюдатели в количестве 60 человек были случайным образом разбиты на две группы по 30 человек в каждой: контрольная (эксперимент при люминесцентном освещении) и основная (эксперимент при светодиодном освещении). Число наблюдателей и количество экспериментов определялось согласно требованиям получения статистически достоверных данных и заданной продолжительности времени проведения исследований.

Перед началом экспериментальных исследований все наблюдатели прошли 10-дневную тренировку по методикам исследований до получения стабильных результатов.

По окончании экспериментальных исследований мы провели повторное обследование наблюдателей прошли повторное обследование, чтобы выявить, не оказывает ли светодиодное освещение отрицательного воздействия на орган зрения и соматический статус организма человека. Результаты эксперимента заносились в специальные протоколы, на основании которых проводилась их статистическая обработка с помощью пакета Statistica 6.0, после чего делались соответствующие заключения об эффективности условий освещения.

Согласно результатам исследований, проведенных с помощью разработанной комплексной методики психофизиологической и гигиенической оценки, нами был составлен психофизиологический

«портрет» утомления, дающий целостное представление о влиянии светодиодного освещения на орган зрения и организм человека в целом.

Проведение серии аналогичных экспериментов показало, что разработанная комплексная методика психофизиологической и гигиенической оценки эффективности светодиодного освещения успешно прошла апробацию в лабораторных условиях.

В ходе исследований также было установлено, что светодиодное освещение не вызывает вредного действия на орган зрения и организм человека в целом. Имевшие место при выполнении зрительных работ изменения исследованных функциональных показателей органа зрения и организма входят в соответствующие границы физиологических колебаний и имеют обратимый характер.

В качестве интегральных показателей эффективности светодиодного освещения нами были предложены степень зрительного утомления и зрительной работоспособности. В табл. 2 для исследованных условий освещения представлены результаты расчета зрительного утомления (ЗУ) по динамике временного порога ахроматической адиспаропии.

Т а б л и ц а 2

ВЕСТНИК Мордовского университета | 2014 | № 1-2

Зрительное утомление (по данным времени ахроматической адиспаропии) в различных условиях освещения

Е, лк	Тцв, К	Зрительное утомление при светодиодном освещении, %	Зрительное утомление при люминесцентном освещении, %
200	3 000	15,18	20,39
400		12,17	18,27
1 000		6,45	16,67
200	4 000	14,91	19,23
400		11,21	17,14
1 000		6,40	9,4
200	5 000	14,16	18,27
400		11,97	17,14
1 000		8,66	9,57

Показатель ЗУ рассчитывался по формуле:

t

A = (1 - -) ) . 100 % ,          (1)

ti где А – зрительное утомление; tj – время ахроматической адиспаропии после зрительной работы; ti – время ахроматической адиспаропии до зрительной работы.

Согласно табл. 2, с ростом уровня освещенности ЗУ снижается. Расчеты показали, что при Е = 1 000 лк снижение ЗУ недостоверно (р>0,05) при всех исследованных значениях Тцв как при люминесцентном, так и при светодиодном освещении. Также было установлено, что при светодиодном освещении в процессе полуторачасовой зрительнонапряженной работы развивается меньшее ЗУ. Наименьшее ЗУ при светодиодном освещении характерно для Тцв= 4 000 К и Тцв = 5 000 К при уровне освещенности Е = 400 лк. Достоверность вли- яния спектрального состава освещения на ЗУ была доказана во всех исследованных вариантах освещения с p<0,05 по t – критерию Стьюдента.

Результаты исследования зрительной работоспособности методом корректурных проб приведены в табл. 3–4. Основные показатели данного метода (коэффициент точности К, коэффициент работоспособности I, скорость различения V) рассчитывались следующим образом:

K = a - ( b + с ) a + b	(2)
I = K • d ,	(3)
V = d , t	(4)

Серия «Естественные и технические науки»

где a – количество правильно проверенных букв, b – количество пропущенных букв, с – количество допущенных ошибок, d – количество всех букв в проверенном тесте, t – время теста (2 мин).

Т а б л и ц а 3

Изменение коэффициента зрительной работоспособности I после зрительной нагрузки в условиях светодиодного освещения

Е, лк	Т, цв К	Условия светодиодного освещения
		До работы			После работы			Коэффициент корреляция
		I, зн., x	Доверительный интервал		I, зн., x	Доверительный интервал		r (между до и после работы)	p(r)
			Нижняя граница (p=0,05)	Верхняя граница (p=0,05)		Нижняя граница (p=0,05)	Верхняя граница (p=0,05)
200	3 000	756	727	785	690	653	727	0,628	p<0,05
400		783	761	804	771	752	790	0,860	p<0,05
1 000		807	776	838	799	765	833	0,469	p<0,05
200	4 000	772	740	804	728	699	757	0,619	p<0,05
400		799	780	818	796	786	807	0,221	p<0,01
1 000		818	784	849	816	802	892	0,532	p<0,05
200	5 000	769	728	810	710	680	740	0,734	p<0,05
400		784	757	811	770	753	786	0,212	p<0,05
1 000		815	781	850	798	781	815	0,576	p<0,05

Т а б л и ц а 4

Изменение коэффициента зрительной работоспособности I после зрительной нагрузки в условиях люминесцентного освещения

Е, лк	Т, цв К	Условия люминесцентного освещения
		До работы			После работы			Коэффициент корреляция
		I, зн., x	Доверительный интервал		I, зн., x	Доверительный интервал		r (между до и после работы)	p(r)
			Нижняя граница (p=0,05)	Верхняя граница (p=0,05)		Нижняя граница (p=0,05)	Верхняя граница (p=0,05)
200	3 000	720	688	752	632	602	662	0,687	p<0,05
400		747	711	784	682	663	701	0,150	p<0,05
1 000		762	727	797	705	675	735	0,702	p<0,05
200	4 000	731	689	773	651	618	684	0,637	p<0,05
400		754	711	798	693	658	727	0,595	p<0,01
1 000		777	741	816	726	692	761	0,537	p<0,05
200	5 000	728	701	755	641	611	671	0,469	p<0,05
400		749	727	770	683	650	717	0,501	p<0,05
1 000		771	732	810	713	670	759	0,572	p<0,05

ВЕСТНИК Мордовского университета | 2014 | № 1-2

Анализ данных табл. 3–4 показывает, что во всем исследованном диапазоне освещенностей при Тцв = 3 000 К, Тцв = 4 000 К и Тцв = 5 000 К преимущество светодиодного освещения с позиции обеспечения большей зрительной работоспособности очевидно.

Достоверность различий I при различном спектральном составе и по- стоянном уровне освещенности подтверждена t – критерием Стьюдента с высокими уровнями значимости практически во всех случаях. Результаты, представленные в табл. 5, позволяют утверждать, что спектральный состав излучения влияет на коэффициент зрительной работоспособности I.

Т а б л и ц а 5

Достоверность изменения коэффициента зрительной работоспособности I после зрительной работы при различных вариантах освещения

Е, лк	Тцв, К	Вариант освещения	Достоверность различий с уровнем значимости p по t-критерию Стъюдента
200	3 000	СД - ЛЛ	–
400			<0,05
1 000			<0,05
200	4 000	СД - ЛЛ	<0,05
400			<0,05
1 000			<0,05

Окончание табл. 5

200	5 000	СД - ЛЛ	–
400			<0,05
1 000			<0,05

Следует отметить, что парный коэффициент корреляции r подтвердил (p<0,05) наличие положительной корреляции между объемом абсолютной аккомодации (ОАА) и I после зрительной работы (табл. 6). Это позволяет сде-

Т а б л и ц а 6

Оценка статистической связи объема абсолютной аккомодации и коэффициента зрительной работоспособности после нагрузки в различных условиях освещения

Е, лк	Т, цв К	После работы в условиях светодиодного освещения		Парный коэффициент корреляции r (p<0,05)
		ОАА, дптр, x	I, зн., x
200	4 000	8,3	728	0,89
400		8,8	796	0,91
1 000		9,6	816	0,92

Проверка гипотезы о нормальности распределения численных значений качества работы (коэффициента точности К) была принята, поэтому статистическая обработка результатов осуществлена посредством параметрических критери- лать вывод, что определенный вклад в повышение коэффициента зрительной работоспособности при светодиодном освещении вносит лучшая работа аккомодационно-мышечного аппарата органа зрения.

Серия «Естественные и технические науки»

ев статистики. Обработка значений коэффициента точности К при различном спектральном составе освещения показала, что различия во всех исследованных вариантах освещения оказались не значимыми (табл. 7).

Т а б л и ц а 7

Достоверность изменения коэффициента точности К после зрительной работы при различных вариантах освещения

Е, лк	Т цв , К	Вариант освещения	Достоверность различий с уровнем значимости p по t-критерию Стъюдента
200	3 000	СД - ЛЛ	–
400			–
1 000			–
200	4 000	СД - ЛЛ	–
400			–
1 000			–
200	5 000	СД - ЛЛ	–
400			–
1 000			–

Полученные в ходе исследований результаты позволят сформулировать требования для устройства светодиодного освещения и разработать практические рекомендации по реализации освещения со светодиодными ИС, которые будут способствовать оптимизации условий труда при выполнении напряженных умственных и зрительных работ. Также материалы исследований могут служить основой для внесения изменений в нормативные документы, определяющие требования к количественным и качественным показателям ОУ, выполняемых на основе светодиодных ИС. Предлагаемые изменения связаны с уточнением рекомендуемых значений цветовой температуры Тцв, объединенного показателя дискомфорта UGR и коэффициента пульсации освещенности.

ВЕСТНИК Мордовского университета | 2014 | № 1-2