”Planera med hänsyn till människans dygnsrytm”

Belysning som planeras med hänsyn till människans dygnsrytm (för det cirkadianska systemet) skiljer sig mycket från traditionell arkitektonisk ljusdesign. Allmänt sett har den senare metoden främst fokuserat på synbarhet och relaterade frågor, som minskning av reflexer och skuggor, färgåtergivning, säkerhet och rummets känsla. Även om dessa faktorer inte är oviktiga när man designar med ljusets icke-visuella effekter i åtanke, som människans dygnsrytm dvs cirkadiansk synkronisering och vakenhet, så involverar detta andra ljusdesignmål och därmed andra mätmetoder än de som för närvarande används av ljusdesigners.

Alla levande organismer på jorden har en cirkadiansk rytm, det vill säga en biologisk cykel som upprepar sig varje dygn och regleras eller synkroniseras av signaler från omgivningen. Den viktigaste av dessa är den naturliga 24-timmars ljus-mörker-cykeln. Hos människor och de allra flesta djur omvandlas de mönster av ljus och mörker som når ögonens baksida till nervsignaler som sköter synkroniseringen av kroppens ”biologiska klocka” med den lokala tiden på jorden. Utan denna synkronisering har forskningen visat att vi kan uppleva långsiktiga försämringar av fysiologisk funktion, neurobeteende och sömn, och löper högre risk för hjärt-kärlsjukdomar, diabetes och vissa former av cancer.

De ljusegenskaper som påverkar det cirkadianska systemet, vilket mäts genom akut melatoninundertryckning och fasförskjutning av DLMO (dvs. tiden på kvällen när melatoninnivåerna börjar öka), skiljer sig från de faktorer som påverkar synbarheten. Lighting Research Center på Rensselaer Polytechnic Institute har tagit fram mätmetoder och verktyg för att hjälpa designers och beställare förstå och använda cirkadiansk belysning i byggnader. Vi har föreslagit ett mått som kallas cirkadianskt stimulus (CS), som har spelat en viktig roll inom ljusdesign för sunda hus.

Beräkna CS från ett belysningssystem

När man specificerar belysning för det cirkadianska systemet är det viktigt att beakta ljusnivå, spektrum (färg), tidpunkt och varaktighet för exponeringen samt fotisk historia (tidigare ljusexponering). Ett viktigt första steg för att fastställa huruvida ett belysningssystem kommer att ge önskad mängd CS är att fastställa den spektrala strålningsfördelningen av ljuset som når hornhinnan. Utifrån den spektrala strålningsfördelningen kan man sedan räkna ut mängden cirkadianskt ljus (CLA), vilket är instrålningen på hornhinnan viktad efter det mänskliga cirkadianska systemets spektrala känslighet, vilken mäts genom akut melatoninundertryckning efter en timmes exponering, och CS, vilket är effekten av den spektralt viktade instrålningen på hornhinnan från tröskelvärdet (CS = 0,1) till mättnad (CS = 0,7).

Vår forskning på alzheimerpatienter, kontorsarbetare, tonåringar och friska äldre vuxna visar att exponering för ett CS på 0,3 eller högre på ögat under minst en timme i början av dagen är effektivt för att stimulera det cirkadianska systemet, och associeras med bättre sömn samt förbättrat beteende och humör. Vi har utvecklat programmet CS Calculator för att hjälpa belysningsexperter att välja ljuskällor och ljusnivåer som ökar möjligheterna till korrekt cirkadiansk ljusexponering i byggnader vid rätt tid på dygnet – det vill säga under den tidiga delen av dagen. Verktyget kan underlätta beräkningar av CLA och CS för flera exempelljuskällors spektra samt för ljusspektra som användaren matar in.

Tips för ljusdesigners:

Här är några saker att tänka på när du designar med CS:

• Fråga efter ljuskällornas spektrala effektfördelning och var noga med att inte enbart förlita dig på deras färgtemperatur. Ljuskällor med högre färgtemperatur (5 000–6 500 K) ger vanligtvis ett högre CS, men detta är inte alltid fallet. Det är till exempel möjligt att en ljuskälla på 3 500 K ger mindre CS än en ljuskälla på 3 000 K. Dessutom kan två ljuskällor som har samma färgtemperatur ge mycket olika CS-värden beroende på deras spektrala effektfördelning. De fysiologiska orsakerna till denna förskjutning har studerats och beskrivs i andra artiklar.
• Designa för vertikal (≈ på hornhinnan) belysning (EV) mot ögat, inte bara horisontell belysning (EH) av arbetsplanet.
• Välj armaturer som ger det bästa förhållandet mellan EH och EV. Vi jämförde effekten hos tre olika distributionstyper (direkt/indirekt, direkt och indirekt) genom att undersöka olika tillverkares fotometriska IES-filer och kom fram till att en direkt/indirekt ljuskälla ger det bästa förhållandet mellan EV mot ögat och EH på arbetsplanet. Direkta/indirekta armaturer är vanligtvis bättre, men tänk på att det finns skillnader även inom denna typ (figur 1). Observera dock att dessa förhållanden ändras beroende på gällande designkriterier och vilket utrymme som ska lysas upp.
• Ljusnivå och spektrum är två sidor av samma mynt. Lägre ljusnivåer ger lägre CS-värden om man inte kompenserar för detta med en spektral effektfördelning med större effekt vid kortare våglängder. Om du har designbegränsningar som energibestämmelser eller fasta EH-nivåer kan du välja en ljuskälla som avger mer kortvågigt ljus för att klara dessa begränsningar. Vi fann att om man siktar på en genomsnittlig EH på exempelvis 300 lux behövs en spektral effektfördelning som avger ett ljus med kortare våglängd (CCT på 6 000 K) för att uppnå det önskade CS-värdet på 0,3. För att få en genomsnittlig EH på 400 lux däremot kunde en spektral effektfördelning med en mindre kort våglängd på 4 500 K uppnå samma CS. Vi håller för närvarande på att utveckla en resurs som ska hjälpa designers att matcha ljusnivåer och spektrala effektfördelning för att uppnå önskat CS. Som figur 2 visar kan förändringar av CS-värdet också åstadkommas genom att helt enkelt öka eller minska systemets ljusflöde med bibehållen färgtemperatur.
• Belysningen under hela dagen är också viktig. Även om morgonbelysningen är viktig för cirkadiansk synkronisering kan ljus under andra tider på dygnet framkalla en akut vakenhetseffekt hos människor, vilket kanske inte är det önskade resultatet. Människor bör inte hållas i mörker under någon tid på dagen. Men om utrymmet även används på kvällen bör dess belysningssystem dämpas eller dess spektrala effektfördelning justeras för att ge mindre CS. Belysningsscheman såsom det som visas i figur 2 bör ingå i designprocessen och justeras efter användningsområdet.
• Tänk på vilka som ska vistas i rummet. Belysningsscheman för skolor skiljer sig från belysningsscheman för exempelvis vårdhem, eftersom barn tenderar att vara nattugglor och äldre personer ofta är morgonpigga.
• Tänk på lager av ljus. Om det finns platsspecifika konstruktionsrestriktioner som gör att CS-målen inte kan uppfyllas kan lysdioder med mättat blått ljus (dvs. längsta våglängd = 470 nm) användas för att öka CS. En relativt enkel designlösning kan vara att installera lysande skärmväggar för att ge dem som sitter i rummet lite extra CS (figur 3). När matkoman slår till på eftermiddagen, då CS kanske inte är det designkriterium som eftersträvas, kan en röd lysande skärmvägg användas för att ge en vakenhetseffekt – på samma sätt som en kopp kaffe – utan att öka användarnas CS (figur 4). Olika studier har visat att rött ljus, som inte undertrycker melatonin på natten, kan ha en akut vakenhetseffekt med objektiva och subjektiva mått på vakenhet.

Designprocessen

Designern bör först fastställa designmålen – det vill säga om man vill uppnå synkronisering eller akut vakenhet – och sedan fastställa ett bastillstånd genom att utvärdera utrymmet med hjälp av vår fritt tillgängliga CS Calculator och kommersiellt tillgängliga program som AGi32 (Lighting Analysts, Inc.). Ett programvarusimulerat bastillstånd med hjälp av befintliga kontorsritningar, möbelkonfigurationer och tillverkarnas armaturspecifikationer kan användas för utvärderingen. Designern ska om möjligt besöka platsen för att utvärdera utrymmets nuvarande belysningsförhållanden.

När bastillståndet har fastställts har designern en god grund att stå på för att välja nya armaturer, ta fram en belysningsplan, justera belysningen med tanke på spektrum och ljusnivå och ta fram ett doseringsschema för dagens lopp. Designen kan finjusteras med CS Calculator och sedan omarbetas och justeras efter behov samtidigt som man tar hänsyn till IES-rekommendationer, energibestämmelser och eventuella kundkrav på arbetsplatsen.

I en perfekt värld med sunda hus skulle beslutsfattare och designers vara fria att föreslå omfattande omarbetningar med nya avstämbara armaturer programmerade att leverera kundanpassade CS-doseringsscheman (figur 5). Men det behöver inte vara dyrt att designa med CS för att uppnå sunda resultat. I situationer där renoveringar är omöjliga på grund av ekonomiska eller arkitektoniska begränsningar kan ljusoaser, som kostar mindre och kräver mindre ingrepp, skapas (figur 6). Sådana oaser kan vara ganska effektiva när användarna även får information om ljusterapi och hälsovärdet av CS, och de kan skräddarsys för många typer av begränsade utrymmen – allt från mindre kontor till u-båtar.

De tips som ges här kan hjälpa designers att ta fram belysningsplaner som ger önskad mängd CS under arbetsdagen samtidigt som de tar hänsyn till traditionella belysningsaspekter och därmed skapar en viktig skärningspunkt mellan estetik, funktionalitet och hälsa. Vi hoppas att dessa tips ska inspirera dig att påbörja processen!

Publicerad den 1 februari 2017

Ur Ljuskultur Nummer 1, 2017