健康与智慧照明的前沿趋势探讨*

2021-05-27北京中设光环境科技研究院有限公司杨宏伟

城市建筑空间 2021年4期

关键词：灯杆杀菌智慧

文/北京中设光环境科技研究院有限公司杨宏伟

中国建筑设计研究院有限公司王丽娜

数字之光智慧科技集团有限公司吴传炎

1 照明行业整体发展趋势

人类照明先后经历了白炽灯、荧光灯、LED时代。当前的照明产品在显色指数、发光效率、智能控制、外观设计等性能及功能方面均有显著提升（见表1）。其内涵也从简单的照明向节能、环保、多彩乃至更舒适、更健康、更智能的方向发展。

表1 不同代际照明产品参数性能对比

据国家半导体照明工程研发及产业联盟（CSA）统计，LED照明产品国内行业渗透率已由2012年的3.3%快速提升至2018年的70.0%，产值由2015年的2596亿元增长到2018年4155亿元，年均复合增长率16.97%，2021年预计达5900亿元，增速远超全球平均水平。

通用照明是我国照明产业发展最快也是最大的应用市场，约占整体市场的45%；景观照明约占16%；汽车照明是LED应用的新突破点，获得快速应用。随着行业竞争加剧，企业开始向价值链高端和细分市场渗透。高工产研LED研究所（GGII）发布的《2021年LED行业发展蓝皮书》显示，国内LED照明重点逐步转向到健康照明、智慧照明、UV-LED、植物照明等领域，本文也将着重介绍上述几个方面。

健康照明、智慧照明是照明行业当前主要的发展方向，其中健康是本质，智慧是手段。通过全光谱、人因照明等方法，为人民提供舒适健康的光源系统；智慧则改变了光的控制和表现方式，增强人与场景的和谐互动。同时伴随半导体（尤其是第三代半导体）在射频、光电子、电力电子等应用领域的技术进步，在Mini/MicroLED新型显示、光通信、智能驾驶、离网照明、红外LED、光固化等相关衍生领域的进展也值得关注。

2 健康照明

人类获取信息80%是通过视觉途径，光环境质量会对人体生理健康和心理健康产生较大影响。影响可分为2个方面：①视觉方面指由超量或杂乱的光辐射导致的“光污染”所造成的视觉疲劳和损伤；②非视觉方面光照的色温、照度、频率、季节性等要素变化，对人体激素分泌水平、生物节律的影响。

健康照明是半导体照明和医疗健康的跨界融合，应用领域广泛，包括消毒杀菌、医疗健康、教育照明、农业照明、家居健康等领域，其产业规模将超万亿。照明行业向健康照明转型升级是必然趋势，如何改善人居空间的用光环境是业内关注要点。

2.1 全光谱

自然光（太阳光）是人类最舒适健康的光源。太阳光光谱集中在紫外光、可见光和红外光区域，可称之为全光谱。而照明灯具中的“全光谱”是指LED光源可见光部分中各波段的比例与太阳光光谱近似，显色指数接近100%。

传统LED光源主要使用蓝光芯片激发黄色荧光粉形成白光，蓝光辐射过重易导致眼疾，影响褪黑素分泌，造成睡眠障碍。近几年新技术发展逐步成熟，即通过紫光芯片激发荧光粉得到红绿蓝色光，经过色光混合叠加之后产生与太阳光光谱相似的光线。全光谱能改善光环境，促进睡眠，改善情绪，提高生产率，已成为健康照明发展的新趋势。

2.2 人因照明

“人因照明”是以人为本的照明模式，指专门设计对人体产生有益的生理和心理影响的照明，包括视觉和非视觉效应。光是人居空间物理环境的主要构成要素，具有“视觉-生理-心理”的多维度健康作用，光可作为安全无副作用的互动健康干预手段，消除环境致病因素带来的负面影响。

1）日光采集系统在建筑内部，可利用智能日光采集系统结合日常照明系统提供光源，即在白天由屋顶采集装置捕获阳光，然后通过反射管道向下改道后，将自然光分布到建筑内部区域；在夜间或阴天，则可由日常照明系统发挥作用，由此大幅减少电能消耗。

2）模拟阳光的照明系统在自然光采集难以达标的建筑室内，也可采纳模拟阳光的照明系统，提供一种自然健康的照明环境。

3）太阳节律照明太阳节律照明为新近业界提出的概念，其定义是“基于所在地理位置和日期时间的近太阳光光谱，辐照强度同步太阳变化的照明”。由此，在白天可提高工作效率；在夜间可创造舒适温暖的氛围，促进褪黑激素产生，改善睡眠质量。

2.3 光医疗

光健康产业研究光对人体健康的影响，包括生理、心理、病理和医理等方面，经研究发现，LED光源对代谢、心血管、神经、皮肤及免疫等相关疾病的治疗和保健均有作用。

中国照明网介绍了2020年全球十大光健康技术，包括智能LED隐形眼镜诊治糖尿病、双波长LED刺激头发和皮肤再生、紫外线LED治疗牛皮癣、深红光改善年长者视力、人因照明提升深层睡眠、夜间室外照明关系青少年睡眠及心理健康、赫兹闪烁光治疗阿尔兹海默症、蓝光LED助听力恢复、绿光LED缓解头痛、可调谐LED照明改善老年人睡眠质量等，由此可预期，照明科技将对人类健康发挥越来越重要的作用。

2.4 健康照明行业现状

据2018年卫健委统计，我国近视率已高居世界第一，儿童及青少年总体近视率为53.6%。另据2019年世卫组织（WHO）统计，我国抑郁症患者超过1亿人。因此，我国具有巨大的光健康潜在市场。

2018年，教育部、国家卫健委等八部门联合印发《综合防控儿童青少年近视实施方案》，迅速打开教室照明的改造产业。伴随新冠肺炎疫情进入“新常态”，人们也更加关注室内照明质量对健康的影响。同时，LED行业竞争已进入存量时代，“健康”成为行业差异化竞争的重要方向。半导体集成电路、光学、医学等领域的技术进步均将推动健康照明产业快速发展。

但健康照明行业也存在一些问题尚待解决，如缺乏权威定义、大众认知不清等；LED光源在医疗领域的应用仍需大量机理性研究和临床试验，需跨界联合攻关。

3 智慧照明

智慧照明起步于20世纪90年代的调光技术。近年来随着物联网、5G、大数据、AI等技术的不断成熟，照明将全面进入智能化时代，作为建筑、家居、社区、城市的入口级终端和数据基础设施，将打造以人为本的管理服务新模式。

3.1 智慧灯杆概念

《智慧灯杆标准化白皮书》中对智慧灯杆的定义是：包括杆体及其搭载的感知终端（各类设备和传感器），是集智慧照明、信息发布、视频监控、环境监测、通信服务、能源服务、一键求助等功能于一体的物联网新型基础设施。智慧灯杆可实现多杆合一、多箱合一、多网合一、多牌合一，将整合交通市政管理功能，从而美化城市空间，提升城市管理水平。

3.2 智慧灯杆行业现状

智慧灯杆产业链很长，在技术层面主要包括传感器、芯片、通信模组、通信网络、物联网平台、操作系统、集成应用等。核心参与方主要包括智慧灯杆运营公司、设备供应商、智慧城市顶层设计公司和工程总承包公司。智慧灯杆可搭载众多应用，如图1所示，其中可实现商业价值的应用包括5G基站、充电桩、信息发布、车路协同/无人驾驶、智慧停车等，但仍需要产业培育时间。

图1 智慧灯杆应用分析

智慧灯杆的发展主要来自智慧城市建设相关政策驱动，但因商业模式问题，迟迟未能落地。直至2019年5G通信网络建设启动，作为最佳载体的智慧灯杆支持小基站的密集组网，同时新基建中的5G、新能源汽车充电桩、车联网等领域均与其相关，各地推出大量政策，产业迅速升温。

2020年我国灯杆保有量2935万根，GGII数据显示，2020年我国智慧灯杆产业规模为410亿元，未来几年会有大量智慧化升级机会，预计到2022年产业规模将达到2235亿元。

作为新兴事物，智慧灯杆目前仍有诸多问题亟待解决，如运营主体多导致协调难度大、标准和兼容性不统一、产业链过长难以兼顾、应用功能非刚需、挂载设备多导致能源损耗大、投入大但盈利模式不清晰等，特别是由于运营模式尚处于试点阶段，仍需理清谁投资、谁建设、谁运营、谁收益的核心问题，需要产业链各方协同改善。

4 深紫外（UV-LED）

深紫外（UV-LED）有多种用途，如光固化、植物生长、保鲜、光疗等，应用方向如图2所示，其中消毒杀菌应用最普遍。

图2 UV-LED应用方向

4.1 深紫外消毒杀菌原理及应用

UVC波长为200～280nm，能穿透生物细胞膜和细胞核，破坏DNA或RNA分子结构，造成细胞死亡，达到杀菌消毒作用。最近365nm以上的UVA/TiO2光催化方法也取得突破。

相较其他杀菌方法，如加氯法、臭氧法及紫外汞灯杀菌法，深紫外LED杀菌优势包括：高效；广泛；安全环保（不含汞）；节能、寿命长、维护成本低；体积小、设计灵活、安装方便；辐射强度可控、光谱可定制等。该方法可广泛应用于气体杀菌、液体杀菌、固体杀菌（接触物表面）等家用或商用领域。目前在消费电子细分领域，已涌现很多具有创意、实现跨界功能集成的产品。

4.2 深紫外消毒杀菌行业现状

据GGII数据，2020年全球紫外LED产业规模超过35.5亿元。2018—2023年，全球UV-LED市场规模预估年复合增长率达27%。深紫外LED产业链涵盖新材料、精密设备、芯片、封装、医疗应用产品、消费电子产品、净化产品、工业用途产品和照明杀菌产品等不同领域，也将形成万亿产业。

深紫外应用的驱动要素包括：①2020年正式生效的联合国环境规划署《关于汞的水俣公约》，传统紫外汞灯消毒、杀菌产品将被UV-LED取代；②2020年新冠肺炎疫情全球爆发与持续，为UV-LED产业带来历史性发展契机。

但因技术上的问题，行业发展尚处起步阶段，仍存在如下问题：高强紫外线所产生的辐射会造成人眼和皮肤损伤，也存在臭氧危害；辐射效率还很低，目前只有5%左右，与低压汞灯相比具有约200倍的成本差异，尚不适用于大功率杀菌场合；在材料外延、芯片制作、器件封装等技术环节需改善优化，以提升合格率，降低成本；另外需进一步提高大众认知。

5 设施农业照明

设施农业是在环境相对可控条件下，采用工程技术手段，进行动植物高效生产的一种现代农业方式。从种类上分，主要包括设施园艺（植物照明）和设施养殖（包括水产养殖、畜牧养殖）两大部分。以下主要介绍植物照明。

5.1 植物照明特点

光照是影响作物生长发育的重要因素。相较传统方式，LED植物照明具有更高的电光转换效率、光谱可调、光合效率高，同时具有节能、环保、寿命长、单色光、冷光源、体积小等特点，优势明显，如表2所示。

表2 植物照明类型对比

植物照明主要应用于温室补光、全人工光植物工厂、植物组织培养、大田补光、家庭蔬菜及花卉种植等，可增加果实重量、种植密度从而提升产量，还可提高功能性成分含量，实现采前着色、降低硝酸盐含量、延长货架期等。另外可应用于城市空地，如隧道、地下管廊等，也可在极端环境下应用，如高原、沙漠、极地、远洋船舶/潜艇、太空等。

5.2 植物照明行业现状

随着现代工业向农业渗透和微电子技术的应用，集约型设施农业在美国、荷兰、日本等发达国家得到迅速发展，国内市场尚处于发展初期。据GGII数据，预计到2021年，我国LED植物照明系统产值规模将达到95亿元，植物照明灯具为28亿元。

受2020年疫情引发粮食危机等的影响，海外产业迎来爆发。而在国内，保障国家粮食安全、碳中和背景下的退耕还林、低碳绿色农业政策等均对植物照明方向利好。但目前多数大型植物工厂仍处于亏损阶段，主要由于植物工厂建设和运营成本居高不下、产业链不完善、生产与销售衔接不畅等。未来还需进一步开展LED光源及植物学的深入研究，提升单位产量，降低整体成本，加快标准制定，完善检测认证体系，打通产业链上下游体系。