光纖導(dǎo)入技術(shù)在室內(nèi)健康照明中的應(yīng)用

李 錦，郭 曌，吳一芳

北京首量科技股份有限公司，北京 101111

0 引言

世間萬物為了自身的生存和繁衍，都需要不斷從大自然中獲取能量，而這些能量，歸根結(jié)底都源于太陽。但是，在最近短短的100年時間內(nèi)，隨著城市的快速發(fā)展，現(xiàn)代照明設(shè)備的普及，人類的生活方式發(fā)生了極大的變化，城市居民每天在室內(nèi)工作、學(xué)習(xí)和生活的時間占全天時間的90%左右，一些老人、兒童在室內(nèi)停留的時間更長。因此，室內(nèi)照明環(huán)境與人類健康和兒童青少年生長發(fā)育的關(guān)系極為密切。

目前設(shè)計開發(fā)的絕大部分人造光線目的僅限于滿足最基本的照明和視覺需要，照明工業(yè)沒有考慮人們的生物學(xué)需求。為此，文章探討了將光纖導(dǎo)入技術(shù)引入室內(nèi)照明應(yīng)用，以減少人們因太陽光照不足而帶來的各種健康問題。

1 太陽光的特征

1.1 光譜的連續(xù)性

太陽光是一個寬的連續(xù)的光譜，其電磁輻射中99%以上的能量集中在紅外區(qū)、可見光區(qū)和紫外區(qū)。可見光區(qū)約占太陽輻射總能量的50%，紅外區(qū)約占43%，紫外區(qū)的太陽輻射能較少，僅占總量的約7%[1]。

1.2 光譜的變化性

太陽光在穿過大氣層達到地球表面過程中，受大氣層厚度、大氣分子、大氣污染程度、氣溶膠等的影響，導(dǎo)致太陽光光譜的不固定性。研究表明，在同一個城市，從日升到日落，整個過程太陽光光譜一直處于變化過程中[2]。在早晚太陽高度角較低時，光譜波長偏長，色溫偏低；當(dāng)高度角最大時，光譜波長變得很短，色溫變高。

同時，在不同的光氣候區(qū)[3]，在高度角、時刻、日面狀況均相同的情況下，太陽光光譜分布曲線各不相同[4]。太陽光光譜的不同部分對于大氣層的穿透能力各不相同，因此云層和大氣污染對紫外線的影響遠遠大于可見光，濃云能減少30%或更多紫外線，暴雨云能阻斷大部分紫外線，云層中的水滴過濾紅外線相比過濾紫外線更有效[5]。

1.3 光譜的生物學(xué)效應(yīng)

太陽光光譜包括可見光和不可見光兩部分。其中，可見光部分可滿足人類視覺需要，并部分影響人體非視覺效應(yīng)，比如對褪黑激素分泌的影響；不可見光部分對人類的生物學(xué)需要具有很大的積極作用。據(jù)研究表明，290～320 nm的紫外線可以促進維生素D在皮膚中的合成，降低膽固醇，維生素D對生長發(fā)育、維護牙齒、骨骼和健康的免疫系統(tǒng)而言必不可少[5]。

1.4 光譜的高強度、高均勻性

地球與太陽的距離非常遙遠，太陽光到達地球后基本屬于平行光，因此地球上被太陽光照射區(qū)域的亮度均勻度較高，且光照強度遠大于室內(nèi)照明。晴天正午陽光直射地面照度約為100 000 lx，背陰處照度約為10 000 lx，室內(nèi)北窗附近照度約為2 000 lx，即使是在高緯度的北方地區(qū)，戶外陰暗多雨的冬天，照度值也能達到1 000 lx。

2 室內(nèi)照明存在的問題

人類從第一次學(xué)會使用火把，到愛迪生發(fā)明電燈，從節(jié)能燈的普及使用，到目前LED的廣泛應(yīng)用，所有人造光源設(shè)計開發(fā)的第一需求都是為了滿足人類視覺的基本需要，在此基礎(chǔ)上再結(jié)合能源消耗、經(jīng)濟投入等限制要求對室內(nèi)照明進行設(shè)計，但是對于需要關(guān)注的健康問題卻考慮甚少。因此，目前的室內(nèi)照明存在諸多問題：（1）人造光源并非全光譜，而且光譜相對固定。（2）照明系統(tǒng)存在時間調(diào)制問題，健康效應(yīng)可以直接由這些視覺效應(yīng)引起，也可以在沒有有意識地感知任何調(diào)制的情況下出現(xiàn)。所有的人造光源照明系統(tǒng)都或多或少的存在頻閃問題，如表1所示。研究表明，人類出現(xiàn)的頭痛、偏頭痛、視疲勞等問題可能與80～120 Hz的時間調(diào)制頻率有關(guān)。（3）由于燈具發(fā)光角度及安裝條件的限制，人造光環(huán)境的亮度均勻性遠不如太陽光。較大的亮度差異會產(chǎn)生不舒適的眩光，人們在學(xué)習(xí)和工作過程中需要不停地進行亮度適應(yīng)，容易產(chǎn)生視覺疲勞。

表1 不同照明類型的頻閃比

3 光纖導(dǎo)入技術(shù)

光纖導(dǎo)入技術(shù)是一種通過結(jié)合太陽能自動跟蹤技術(shù)、高科技透鏡集光技術(shù)、光纖導(dǎo)光技術(shù)和定制化照明終端開發(fā)技術(shù)，將太陽光實時傳送到任意缺少陽光的生活空間的高科技主動式采光技術(shù)。該技術(shù)可以突破傳統(tǒng)的建筑格局、朝向和時間的限制，無論是在建筑內(nèi)部還是在地下室，或者其他太陽光照射不到的地方，都可以讓人們在室內(nèi)享受在陽光下休息、工作、看書學(xué)習(xí)、用餐等的感覺。同時，光纖導(dǎo)入技術(shù)可遠距離傳輸（＞100 m），光纖可自由彎曲，對已有建筑照明進行改造的破壞性小。

目前，光纖式陽光導(dǎo)入系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。太陽光光纖導(dǎo)入照明系統(tǒng)主要由室外主機、導(dǎo)光光纖、室內(nèi)光纖燈具組成，如圖1所示。其中，室外主機由太陽跟蹤系統(tǒng)、太陽光采集系統(tǒng)、機械跟蹤平臺等組成，需安裝在陽光充足的室外，用于跟蹤采集太陽光；導(dǎo)光光纖用于將主機采集的陽光高效導(dǎo)入室內(nèi)，并通過室內(nèi)燈具進行照明。

圖1 太陽光光纖導(dǎo)入照明系統(tǒng)

近年來，太陽光光纖導(dǎo)入系統(tǒng)嘗試在醫(yī)療康復(fù)中心、地下交通設(shè)施、小區(qū)住宅等多種場所應(yīng)用。3種光源光譜如圖2所示。從改造前后的檢測數(shù)據(jù)來看，與原LED照明系統(tǒng)相比，采用玻璃光纖導(dǎo)入太陽光的照明系統(tǒng)的光譜更接近太陽光譜，太陽光直接照明部分可實現(xiàn)零能耗照明，根據(jù)不同實施方案可實現(xiàn)20%～100%的節(jié)能效果[6]。

圖2 3種光源光譜圖

通過光纖導(dǎo)入技術(shù)將太陽光引入室內(nèi)，不僅可以解決人們所需要的光譜和光照強度自適應(yīng)問題，更重要的是其無頻閃，可以帶來人類身體健康所需要的紫外線。從實際應(yīng)用的情況來看，系統(tǒng)本身仍然存在系統(tǒng)不穩(wěn)定、追蹤精度差、耦合效率低、色溫一致性有偏差、紫外線含量偏低、照明光抖動等問題。這些問題將成為下一代產(chǎn)品研發(fā)的方向。

4 結(jié)束語

文章通過對太陽光光譜與人類健康的關(guān)系、室內(nèi)照明現(xiàn)狀和太陽光光纖導(dǎo)入技術(shù)及系統(tǒng)進行研究，得出以下結(jié)論：

（1）太陽光對人類健康有著很大的影響；

（2）在自然光照不足的情況下，室內(nèi)照明無法滿足人類健康的需求；

（3）太陽光光纖導(dǎo)入技術(shù)的使用可以幫助長期處于室內(nèi)、無法沐浴太陽光人群提升視覺效果和促進身體健康；

（4）需進一步追蹤采集太陽光光纖導(dǎo)入照明系統(tǒng)應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)，以進一步優(yōu)化系統(tǒng)，探討其推廣使用的可行性。