Chiếu sáng thông minh lấy con người làm trung tâm

61

Tóm tắt
Chiếu sáng lấy con người làm trung tâm (HCL) dựa trên những thành tựu mới nhất của Vật lý, Sinh học, Điên tử và Công nghệ thông tin, nhằm bảo đảm điều kiện tốt nhất cho hoạt động thị giác đồng thời kích thích đồng hồ sinh học hoạt động đồng bộ với nhịp thay đổi của ánh sáng ban ngày theo chu kỳ 24 giờ. Chiếu sáng lấy con người làm trung tâm được thực hiện với việc sử dụng các đèn LED tích hợp hệ thống điều khiển thông minh có thể thay đổi độ sáng và nhiệt độ màu thích hợp theo thời gian giúp kích thích sự tỉnh táo, nâng cao hiệu suất hoạt động về ban ngày và có giấc ngủ tốt về ban đêm, phòng ngừa việc mắc một số bệnh mãn tính do sự đồng bộ của đồng hồ sinh học trong cơ thể với nhịp thay đổi của điều kiện ánh sáng tự nhiên bên ngoài bị phá vỡ.
Abstract
Human-centric lighting (HCL) is based on the latest achievements of Physics, Biology, Electronic and Information Technology, to ensure the best conditions for visual performance and stimulate the Bioclock
to work in sync with the rhythms of daylight in 24-hour cycles. Human-centric lighting is implemented with the use of LEDs fixtures integrated smart control systems that change the illumination and color temperature appropriately over time to help stimulate alertness, improve performance in daytime and good sleep at night, preventing the incidence of some chronic diseases due to the asynchronization of the biological clock in
the body with the rhythm of the natural light conditions outside broken.
Nguyên lý chung
Khoảng 80% thông tin đến não chúng ta thông qua đôi mắt. Vì vậy chiếu sáng có vai trò quan trọng cho hoạt động thị giác. Song không chỉ quan trọng đối với thị giác, ánh sáng còn tác động đến trạng thái cảm xúc từ hiệu ứng của ánh sáng đối với con người. Các không gian chiếu sáng tốt, nơi ánh sáng đầy đủ hài hòa với môi trường, gây cảm giác tràn trề năng lượng, khỏe mạnh và gợi nên những cảm xúc tích cực về hạnh phúc.
Các giải pháp chiếu sáng nhân tạo được nghiên cứu, triển khai ứng dụng rộng rãi trong suốt nhiều thập kỷ qua từ khi có đèn điện đã thực hiện rất tốt việc tạo điều kiện tối ưu cho sự nhìn và hoạt động thị giác trong những ứng dụng cụ thể.
Thiết kế một hệ thống chiếu sáng tốt cho hoạt động thị giác cần bảo đảm những yêu cầu đã được quy định trong các tiêu chuẩn hiện hành như sau: Xác định độ rọi tối ưu cho các công việc và các phòng cụ thể; Phân bố độ rọi đồng đều trong phòng; Hạn chế độ chói trực tiếp và độ chói phản xạ; Độ trung thực màu sắc của ánh sáng (chỉ số hoàn màu CRI cao); Ánh sáng không nhấp nháy; Không ô nhiễm ánh sáng (không chói lóa, không chiếu sáng xâm lấn, không gây sáng bầu trời, không ảnh hưởng đến môi trường và cân bằng sinh thái) Bước sang đầu thế kỷ thứ XXI với những phát minh quan trọng trong các lĩnh vực vật lý, sinh học, điện tử và công nghệ thông tin đã tạo điều kiện thuận lợi để ngành chiếu sáng chuyển sang một kỷ nguyên mới.
Trước hết là sự ra đời của đèn LED ánh sáng trắng gắn liền với giải Nobel năm 2014 cho 3 nhà khoa học Nhật Bản đã phát minh ra LED xanh dương (blue), đã mang lại kết quả chiếu sáng phù hợp và tích cực hơn. Đèn LED cung cấp tiết kiệm năng lượng lớn, linh hoạt và đáng tin cậy, và hiện đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong môi trường sống và làm việc của chúng ta. Vào năm 2002 các nhà sinh học đã phát minh ra loại tế bào hạch cảm quang mới trong võng mạc (ipRGCs) ngoài tế bào nón (cones) và tế bào gậy (rods) chủ yếu liên quan đến thị giác, tế bào hạch cảm quang không liên quan đến thị giác mà chủ yếu liên quan
đến nhịp sinh học, cùng với Giải Nobel năm 2017 cho 3 nhà khoa học Mỹ đã tìm ra loại gen điều khiển đồng hồ nội sinh trong cơ thể do tác động của ánh sáng ban ngày và giải thích cơ chế hoạt động của nhịp sinh học. Những phát minh này đã tạo tiền đề cho các nhà khoa học về công nghệ chiếu sáng đưa ra khái niệm chiếu sáng lấy con người làm trung tâm (HCL). Các loại tế bào cảm quang nói trên được chỉ ra trong hình dưới đây.

Hình 1: Các loại tế bào cảm quang trên võng mạc của mắt người.

Những tiến bộ mới trong công nghệ điện tử, điều khiển thông minh và công nghệ thông tin với IoT và điện toán đám mây dữ liệu lớn đã tạo điều kiện thuận lợi để ra đời các hệ thống chiếu sáng kết nối thông minh. Hệ thống chiếu sáng thông minh với việc sử dụng nguồn sáng LED đã giúp cho ý tưởng về chiếu sáng HCL trở thành hiện thực và triển khai rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hoạt động và cuộc sống.
Ánh sáng tác động đến hoạt động của con người thông qua hai con đường chính đó là thị giác giúp mắt nhận biết, nhìn rõ và phân biệt chi tiết cho các hoạt động hàng ngày. Con đường thứ hai là phi thị giác mà kích thích đồng bộ nhịp sinh học với nhịp thay đổi ánh sáng ban ngày. Hình vẽ dưới đây mô tả hai con đường tác động của ánh sáng nói trên.

Hình 2: Hai con đường tác động của ánh sáng tới con người.

Trong đó: Đường màu xanh lục cho thấy ánh sáng tới võng mạc chuyển thành tín hiệu thần kinh dẫn truyền tới vùng trung tâm thị giác trên vỏ não. Đường màu xanh dương truyền tín hiệu thần kinh tới trung tâm điều khiển nhịp sinh học.
Thiết kế chiếu sáng lấy con người làm trung tâm nhằm mục đích thực hiện các hệ thống sử dụng các hương pháp dựa trên cơ sở khoa học, quan tâm bảo đảm cả hiệu quả thị giác và phi thị giác của ánh sáng từ góc độ sinh lý và tâm lý. HCL mở rộng phạm vi chiếu sáng vượt ra ngoài phương pháp thiết kế chiếu sáng truyền thống chủ yếu tập trung vào tính thẩm mỹ, khả năng hoạt động thị giác và bảo đảm an toàn mà xem xét bổ sung các thuộc tính chiếu sáng giúp đồng bộ nhịp sinh học để cải thiện năng suất, sức khỏe và trạng thái cảm xúc của người sử dụng.
Khái niệm về HCL bắt nguồn từ nhịp sinh học của con người lặp đi lặp lại sau mỗi 24 giờ còn được gọi là nhịp ngày đêm hay đồng hồ sinh học. Ánh sáng là tác nhân kích thích chính giúp đồng hồ sinh học, và do đó nhịp sinh học giữ đồng bộ với nhịp thay đổi ánh sáng ban ngày suốt 24 giờ.
Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng sự thay đổi tự nhiên từ ánh sáng ban ngày sang bóng tối điều khiển nhiều quá trình sinh học trong cơ thể. Do đó ánh sáng cũng chịu trách nhiệm về cách thức chúng ta ngủ ban đêm và trạng thái cảm xúc trong ngày. Ánh sáng có tác dụng hiệu quả sinh học phù hợp với ánh sáng ban ngày với các mức độ chiếu sáng khác nhau và tự động thay đổi màu sắc ánh sáng theo thời gian trong ngày.
Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng nếu cơ chế thời gian quan trọng này mất đi, đồng hồ sinh học của cơ thể của chúng ta không đồng bộ. Hậu quả dẫn đến là sự mệt mỏi, bơ phờ và thậm chí trầm cảm, chúng ta có thể gặp phải sự suy giảm lâu dài về chức năng sinh lý, hoạt động thần kinh, giấc ngủ và có nguy cơ mắc một số bệnh như tim mạch, tiểu đường và một số dạng ung thư.
Các ứng dụng chiếu sáng HCL được thiết kế để mô phỏng chu kỳ chiếu sáng tự nhiên ban ngày. Ánh sáng ban ngày xác định các tham số cho chiếu sáng hiệu quả sinh học: Độ rọi thay đổi, Nguồn sáng phẳng, Hướng ánh sáng chiếu từ trên xuống, Nhiệt độ màu của ánh sáng thay đổi, Sự thay đổi năng động của ánh sáng trong ngày và các mùa.
Đèn các đèn chiếu sáng trong nhà vào ban ngày cần có nhiệt độ màu cao với thành phần phổ có nhiều màu xanh và mức độ chiếu sáng cao để mô phỏng chu kỳ ánh sáng ban ngày ngoài trời. Ngược lại vào ban đêm cần nhiệt độ màu thấp ánh sáng ấm và mức độ chiếu sáng thấp, với các thành phần phổ có nhiều màu đỏ hơn, phù hợp với giai đoạn ban đêm của chu kỳ sinh học. Với HCL các đèn trong hệ thông chiếu sáng được điều chỉnh độ sáng, nhiệt độ màu vào những thời điểm và khoảng thời gian thích hợp để cải thiện tâm trạng và khả năng tập trung. Việc điều chỉnh ánh sáng như vậy giúp kích thích sự tỉnh táo vào ban ngày và hỗ trợ thư giãn vào buổi tối khi chuẩn bị cho một giấc ngủ tốt vào đêm. Với việc ứng dụng đèn LED trong chiếu sáng cho phép điều chỉnh độ sáng và màu sắc theo yêu cầu một cách dễ dàng. Tuy nhiên việc điều chỉnh đó không thể thiếu sự hỗ trợ của hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh thực hiện thay đổi các đặc trưng ánh sáng theo kịch bản định sẵn hoặc theo thời gian thực đồng bộ với ánh sáng tự nhiên ban ngày.
Giải pháp điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu chiếu sáng HCL
Trong hơn 50 năm, công nghệ điều chỉnh ánh sáng đã trang bị cho các không gian thương mại, mặc dù trước đây nó được coi là đắt đỏ đối với hầu hết các ứng dụng chiếu sáng nói chung. Mức độ ánh sáng đã được thay đổi bằng cách điều chỉnh trực tiếp mạch điện của thiết bị chiếu sáng. Và mặc dù có các đèn LED có thể được điều chỉnh độ sáng bằng thế hệ công nghệ điều khiển truyền thống, song với công nghệ hiện tại có thể tích hợp tính năng điều chỉnh vào vào bộ nguồn điều khiển của đèn LED và sử dụng kỹ thuật số giao tiếp với bộ điều khiển đèn. Vấn đề là làm sao để tối đa hóa giá trị của ánh sáng LED, không chỉ điều chỉnh độ sáng mà còn cả chất lượng màu – bao gồm nhiệt độ màu tương quan (CCT) và độ hoàn màu. Bằng cách kiểm soát cả cường độ và màu sắc của ánh sáng, thiết kế ánh sáng có thể cung cấp một sự cải thiện bổ sung cho sự hài lòng và năng suất của người sử dụng.
Trong khi nhịp sinh học được tích hợp vào cơ thể con người, chúng điều chỉnh theo môi trường thông qua các tín hiệu bên ngoài chủ yếu là ánh sáng ban ngày. Biết được ảnh hưởng của ánh sáng ban ngày đối với con người, các hệ thống HCL sử dụng công nghệ LED và hệ thống điều khiển ánh sáng thông minh để phù hợp với các đặc điểm ánh sáng phù hợp với nhịp sinh học tự nhiên của con người. Các hệ thống này nhằm tăng cường hiệu suất và năng suất cũng như giải quyết các vấn đề tâm lý và sinh lý gây ra bởi sự gián đoạn đối với đồng hồ sinh học của chúng ta.
Để áp dụng chiếu sáng HCL trong mỗi tòa nhà có nghĩa là cần lắp đặt cả các đèn có thể điều chỉnh được và hệ thống điều khiển ánh sáng thông minh có thể thay đổi độ sáng và nhiệt độ màu tương quan theo yêu cầu. Để làm điều đó cần áp dụng công nghệ tiên tiến trong các hệ thống điều khiển này là thiết lập lịch trình (cho dù là cục bộ trong một phòng, hoặc là một thành phần của hệ thống điều khiển ánh sáng tổng thể của tòa nhà), tự động đồng bộ hóa chu kỳ chiếu sáng của tòa nhà theo thời gian thực. Điều đó có nghĩa là điều kiện chiếu sáng trong tòa nhà có thể phù hợp chính xác với điều kiện ánh sáng bên ngoài phụ thuộc vào vĩ độ và kinh độ của địa phương.

Hình 3: Hệ thống chiếu sáng thông minh HCL điều chỉnh chế độ chiếu sáng theo các giờ trong
ngày (sáng, trưa, chiều).

Tất nhiên, hệ thống cài đặt này có thể được điều khiển tự động hoặc tùy chỉnh theo yêu cầu người sử dụng. Điều quan trọng là hệ thống HCL thông minh có thể tự quản lý, vì vậy người sử dụng không cần điều chỉnh hàng ngày để hệ thống hoạt động.
Hệ thống HCL cũng không phải là một hệ thống độc lập mà một phần trong hệ thống điều khiển ánh sáng rộng hơn, sử dụng các cảm biến hiện diện và tế bào quang để tự động điều chỉnh mức độ ánh sáng tùy theo mức độ ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm năng lượng.

Hình 4: Hệ thống chiếu sáng thông minh điều chỉnh độ sáng theo mức độ ánh sáng tự nhiên vào nhà.

Có điều cần lưu ý là các đèn được sử dụng phải hoạt động với hệ thống điều khiển ánh sáng thuận tiện khi sử dụng mà không cần thêm bất kỳ sự phức tạp nào. Phần mềm tùy chỉnh cần được thiết lập để đạt được kết quả điều chỉnh độ sáng và nhiệt độ màu mong muốn.
Để kết luận có thể nói ngắn gọn rằng chiếu sáng lấy con người làm trung tâm là bảo đảm điều kiện tốt nhất cho hoạt động thị giác và giúp đồng bộ nhịp sinh học ở con người với nhịp thay đổi ánh sáng tự nhiên, kích thích sự tỉnh táo về ban ngày và giấc ngủ tốt về ban đêm góp phần phòng ngừa một số bệnh do rối loạn nhịp sinh học gây nên.

Ths. Ngô Văn Quyền
(Trung tâm Nghiên cứu, tư vấn chiếu sáng Hội Chiếu sáng Việt Nam)