基于IFD微靜電空氣凈化和miniLED一體式教室燈的研究

彭 友， 陳建新， 王其洲， 蔡 陳， 鄧文清

(1.安徽芯瑞達科技股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.合肥一六八玫瑰園學校，安徽 合肥 230601)

1 研究背景

據中國首部系統研究視覺健康的白皮書《國民視覺健康》調研顯示，5歲以上人群中，近視比例為35.16%至39.21%，即每3個人中就有1個人是近視，近視的總患病人數為4.37億至4.87億。

世界衛生組織最新研究報告顯示，目前中國近視患者人數多達6億，幾乎占到總人口數量的一半。我國高中生和大學生的近視率均已超過7成，并逐年增加，青少年近視率高居世界第一，小學生的近視率也接近40%，而美國中小學生近視率在10%左右。

調查研究數據顯示，造成中小學生近視的主要原因是教室人工照明存在藍光和頻閃問題。頻閃是造成近視的主要原因之一，而藍光是造成視網膜黃斑病變的主要原因，對視力也有較大的影響。

本研究把IFD微靜電除塵空氣凈化器技術、新型miniLED照明技術、藍牙智慧音響一體化，設計出滿足教室照明護眼燈《中小學校教室采光和照明衛生標準》(GB 7793-2010)國標要求，可以在移動端安卓、iOS系統實現對智能一體化miniLED燈具空氣凈化、LED亮度、智能音響進行監測和控制。完成教室的健康照明，微靜電除塵空氣凈化和消毒，智能音響，對學生身體、視力、聽力等進行全面的健康保護。

2 IFD微靜電除塵空氣凈化器技術

IFD微靜電除塵空氣凈化器技術(intense field dielectric technology)是利用電介質材料為載體的強電場，電介質材料形成蜂窩狀中空微通道，電介質包裹電極片在通道內形成強烈的電場，通過電離空氣，使灰塵帶上靜電，再使用帶電極的高效濾芯進行吸附。其阻力小，能耗也更低，比靜電積塵的效率高。傳統的靜電除塵技術采用金屬的平行板放電，無論怎樣改進，都不可避免地會產生臭氧，而過量的臭氧對人體是有害的。IFD微靜電技術由于其產生的是微電離而不是電暈，所以不會有臭氧產生，革命式地解決了靜電除塵存在的臭氧問題。目前多用于醫療、半導體制造等對空氣質量要求較高的場所，適合安裝在已建和在建的建筑中，可結合中央空調回風口、新風系統及智能樓宇控制系統。IFD過濾器也由于具備較多的優點，在市場上被逐漸普及，普遍用在空氣凈化器、空調器等產品中：

(1)微電離：不會有臭氧產生。

(2)效率高：PM2.5的吸附效率可達到99.99%。

(3)壓降(阻力值)低：典型值10+50 Pa，是HEPA阻力的1/7-1/10。

(4)永久使用：可清潔或清洗，不需要更換；節約更換成本。

(5)低噪聲：低阻抗，運行時噪聲低。

(6)經濟：輸入能量可忽略。

(7)安全：高電壓不暴露，無電擊危險。IFD采用高絕緣的電介質包覆由油墨形成的電極片，即使微通道沾染灰塵也不會造成極間距減小而導致電氣擊穿、打火現象。同時,IFD模塊極間電流小于2 mA，人接觸不會被電擊。IFD凈化器核心原理如圖1所示，有關測試結果見表1。

圖1 IFD微靜電除塵空氣凈化器核心原理

表1 IFD微靜電除塵空氣凈化器樣機測試參數

3 新型照明和顯示新秀miniLED

miniLED是一種當被電流激發時通過傳導電子和空穴的再復合產生自發輻射而發出非相干光的半導體二極管，miniLED芯片尺寸可微縮到100μm～200μm，被廣泛應用于通用照明、景觀照明、汽車照明、顯示屏、背光應用等新型顯示領域。miniLED一般采用直下式設計,相比傳統的光源設計,能夠在更小的混光距離內實現更好的亮度均勻性、更高的色彩對比度,進而實現終端產品的超薄、高顯色性、省電。miniLED可以直接采用RGB三色的LED模組，實現RGB三原色無缺失的顯示效果。miniLED具有異型切割特性，搭配軟性基板可實現高曲面背光的形式，采用局部調光(LocalDimming)設計，讓光線更明亮。miniLED技術在晶體封裝層級多采用“倒裝”技術，工藝無焊線，能夠避免金屬虛焊和接觸不良引起的問題，同時倒裝能夠最大限度提高發光面積、散熱面積。相比傳統LED，miniLED散熱表現更佳，可視角更大，對比度更高，耗電量更低，可靠度更高，有望成為引領新型顯示市場的行業新秀。

4 健康照明——教室照明護眼燈

2016年10月底，教育部、國家衛生計生委、國家體育總局辦公廳聯合印發了《關于加強兒童青少年近視防控工作的指導意見》，旨在有效控制我國兒童及青少年近視發病率，提高兒童及青少年視力健康水平。文件指出，各中小學校要保障教室采光與照明符合國家相關文件和標準要求，為學生提供符合用眼衛生要求的學習環境。

目前，有越來越多的學校意識到照明對學生視力影響的程度，開始進行燈光改造工程，升級了原有的照明方式，例如將教室、走廊、操場、宿舍、食堂的照明改為LED照明。

教室照明場景主要由黑板燈和面板燈組成，這些高清晰和高舒適的教室燈符合《中小學校教室采光和照明衛生標準》(GB 7793-2010)國標要求：課桌面平均照度≥320Lx，照度均勻度≥0.71，黑板平均照度值≥509Lx，照度均勻度≥0.81；統一眩光值UGR≤19.2，藍光視網膜危害等級為無危害(RG0)，能有效減輕視覺疲勞，防止近視形成，促進視力健康。

普通中小學校教室建設必須符合《中小學校建筑設計規范》(GB 50099-2011)、《中小學校教室采光和照明衛生標準》(GB 7793-2010)和《中小學校及幼兒園教室照明設計規范》(DB 31/T 539-2020)相關標準要求。教室照明基本要求見表2。

表2 教室照明基本要求

針對中小學教室照明存在眩光、藍光危害、頻閃等對學生視力存在嚴重危害的缺憾，應該采用健康的miniLED照明產品為建筑提供安全、健康、節能、維護方便的智能照明系統，如圖2所示，滿足各種應用場景照明的控制需求，更好地呵護孩子們的眼睛。

圖2 智能一體化miniLED燈在學校教室中的運用實景

5 智能一體化miniLED燈具

5.1 燈具需求

根據國家標準《中小學校建筑設計規范》(GB 50099-2011)、《中小學校教室采光和照明衛生標準》(GB 7793-2010)和《中小學校及幼兒園教室照明設計規范》(DB 31/T 539-2020)中規定，采用燈具的色溫應為3 300～5 500K，燈具的眩光值宜小于19。

5.2 用眼健康需求

基于現在中小學生的視力嚴重受損情況，采用的照明燈具應具有無頻閃、無藍光危害、眩光值極低的特點，盡可能避免對中小學生的視力造成損害。

5.3 節能需求

采用LED節能燈具，教室內可以采用智能化的控制方式節約電能。

5.4 控制方式需求

采用智能化、多元化的控制方式，可配合控制燈具的亮度。

5.5 智能一體化miniLED燈具應用實際意義

本研究的目的在于提供一種基于空氣凈化和智能控制的一體式miniLED健康節能燈具如圖3所示。如本文“IFD微靜電除塵空氣凈化器技術”“新型照明和顯示新秀miniLED”部分所論述，將污染較重的空氣經微風循環，通過微靜電空氣凈化器來進行吸附、過濾、凈化處理，并將過濾、凈化后的空氣對miniLED燈管進行循環的空冷散熱處理，再將其經微風循環導出至與LED燈管相對的一側區域，使得出風處與光照區域錯開，在保證空氣的過濾、凈化效果和miniLED燈管散熱效果的同時，還能依靠人體無風感式的出風結構，來提高使用的舒適程度。本研究將所處環境內的溫度情況、有害顆粒物濃度情況和有害氣體濃度情況相結合，并將其經賦值化的權重處理與層次比對，得出各過濾凈化級信號，據此對所處環境內的空氣質量狀況做出針對性的改善與優化，達到智能化的節能、降耗效果；還將溫度變化狀況與光照差異狀況相結合，并經疊進式的修正化公式分析和層次比對，得出各光照信號，據此提供合理化的照明條件，達到智能化的節能、降耗效果。將miniLED燈具與智能藍牙音響和空氣凈化相結合，實現健康、便捷、智能和降耗的使用效果，還可以在移動端安卓、iOS系統實現對智能一體化miniLED燈具空氣凈化、LED亮度、智能藍牙音響進行監測和控制。

圖3 智能一體化miniLED燈

6 結束語

中小學校教室照明問題的形成是多方面的，包括平面布置設計方案問題、燈具選型和質量問題、照度監測和管理問題等，需要系統地分析和研究。本研究把IFD微靜電除塵空氣凈化器技術、新型miniLED照明技術有機結合應用于學校教室、閱覽室、體育場館等場所照明，將護眼、空氣凈化、智能控制融為一體，全方位呵護中小學生的視力，凈化教室相對封閉空間的空氣，為學生提供符合用眼衛生要求的健康學習環境，從而一定程度上緩解青少年的近視問題，促進青少年的身心健康。