光纤导入技术在室内健康照明中的应用

2021-09-27吴一芳

光源与照明 2021年2期

李锦，郭曌，吴一芳

北京首量科技股份有限公司，北京 101111

0 引言

世间万物为了自身的生存和繁衍，都需要不断从大自然中获取能量，而这些能量，归根结底都源于太阳。但是，在最近短短的100年时间内，随着城市的快速发展，现代照明设备的普及，人类的生活方式发生了极大的变化，城市居民每天在室内工作、学习和生活的时间占全天时间的90%左右，一些老人、儿童在室内停留的时间更长。因此，室内照明环境与人类健康和儿童青少年生长发育的关系极为密切。

目前设计开发的绝大部分人造光线目的仅限于满足最基本的照明和视觉需要，照明工业没有考虑人们的生物学需求。为此，文章探讨了将光纤导入技术引入室内照明应用，以减少人们因太阳光照不足而带来的各种健康问题。

1 太阳光的特征

1.1 光谱的连续性

太阳光是一个宽的连续的光谱，其电磁辐射中99%以上的能量集中在红外区、可见光区和紫外区。可见光区约占太阳辐射总能量的50%，红外区约占43%，紫外区的太阳辐射能较少，仅占总量的约7%[1]。

1.2 光谱的变化性

太阳光在穿过大气层达到地球表面过程中，受大气层厚度、大气分子、大气污染程度、气溶胶等的影响，导致太阳光光谱的不固定性。研究表明，在同一个城市，从日升到日落，整个过程太阳光光谱一直处于变化过程中[2]。在早晚太阳高度角较低时，光谱波长偏长，色温偏低；当高度角最大时，光谱波长变得很短，色温变高。

同时，在不同的光气候区[3]，在高度角、时刻、日面状况均相同的情况下，太阳光光谱分布曲线各不相同[4]。太阳光光谱的不同部分对于大气层的穿透能力各不相同，因此云层和大气污染对紫外线的影响远远大于可见光，浓云能减少30%或更多紫外线，暴雨云能阻断大部分紫外线，云层中的水滴过滤红外线相比过滤紫外线更有效[5]。

1.3 光谱的生物学效应

太阳光光谱包括可见光和不可见光两部分。其中，可见光部分可满足人类视觉需要，并部分影响人体非视觉效应，比如对褪黑激素分泌的影响；不可见光部分对人类的生物学需要具有很大的积极作用。据研究表明，290～320 nm的紫外线可以促进维生素D在皮肤中的合成，降低胆固醇，维生素D对生长发育、维护牙齿、骨骼和健康的免疫系统而言必不可少[5]。

1.4 光谱的高强度、高均匀性

地球与太阳的距离非常遥远，太阳光到达地球后基本属于平行光，因此地球上被太阳光照射区域的亮度均匀度较高，且光照强度远大于室内照明。晴天正午阳光直射地面照度约为100 000 lx，背阴处照度约为10 000 lx，室内北窗附近照度约为2 000 lx，即使是在高纬度的北方地区，户外阴暗多雨的冬天，照度值也能达到1 000 lx。

2 室内照明存在的问题

人类从第一次学会使用火把，到爱迪生发明电灯，从节能灯的普及使用，到目前LED的广泛应用，所有人造光源设计开发的第一需求都是为了满足人类视觉的基本需要，在此基础上再结合能源消耗、经济投入等限制要求对室内照明进行设计，但是对于需要关注的健康问题却考虑甚少。因此，目前的室内照明存在诸多问题：（1）人造光源并非全光谱，而且光谱相对固定。（2）照明系统存在时间调制问题，健康效应可以直接由这些视觉效应引起，也可以在没有有意识地感知任何调制的情况下出现。所有的人造光源照明系统都或多或少的存在频闪问题，如表1所示。研究表明，人类出现的头痛、偏头痛、视疲劳等问题可能与80～120 Hz的时间调制频率有关。（3）由于灯具发光角度及安装条件的限制，人造光环境的亮度均匀性远不如太阳光。较大的亮度差异会产生不舒适的眩光，人们在学习和工作过程中需要不停地进行亮度适应，容易产生视觉疲劳。

表1 不同照明类型的频闪比

3 光纤导入技术

光纤导入技术是一种通过结合太阳能自动跟踪技术、高科技透镜集光技术、光纤导光技术和定制化照明终端开发技术，将太阳光实时传送到任意缺少阳光的生活空间的高科技主动式采光技术。该技术可以突破传统的建筑格局、朝向和时间的限制，无论是在建筑内部还是在地下室，或者其他太阳光照射不到的地方，都可以让人们在室内享受在阳光下休息、工作、看书学习、用餐等的感觉。同时，光纤导入技术可远距离传输（＞100 m），光纤可自由弯曲，对已有建筑照明进行改造的破坏性小。

目前，光纤式阳光导入系统产品的研发受到国内外的广泛关注。太阳光光纤导入照明系统主要由室外主机、导光光纤、室内光纤灯具组成，如图1所示。其中，室外主机由太阳跟踪系统、太阳光采集系统、机械跟踪平台等组成，需安装在阳光充足的室外，用于跟踪采集太阳光；导光光纤用于将主机采集的阳光高效导入室内，并通过室内灯具进行照明。

图1 太阳光光纤导入照明系统

近年来，太阳光光纤导入系统尝试在医疗康复中心、地下交通设施、小区住宅等多种场所应用。3种光源光谱如图2所示。从改造前后的检测数据来看，与原LED照明系统相比，采用玻璃光纤导入太阳光的照明系统的光谱更接近太阳光谱，太阳光直接照明部分可实现零能耗照明，根据不同实施方案可实现20%～100%的节能效果[6]。

图2 3种光源光谱图

通过光纤导入技术将太阳光引入室内，不仅可以解决人们所需要的光谱和光照强度自适应问题，更重要的是其无频闪，可以带来人类身体健康所需要的紫外线。从实际应用的情况来看，系统本身仍然存在系统不稳定、追踪精度差、耦合效率低、色温一致性有偏差、紫外线含量偏低、照明光抖动等问题。这些问题将成为下一代产品研发的方向。