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        健康與智慧照明的前沿趨勢探討*

        2021-05-27 12:28:32北京中設(shè)光環(huán)境科技研究院有限公司楊宏偉
        城市建筑空間 2021年4期
        關(guān)鍵詞:智慧

        文/北京中設(shè)光環(huán)境科技研究院有限公司 楊宏偉

        中國建筑設(shè)計研究院有限公司 王麗娜

        數(shù)字之光智慧科技集團有限公司 吳傳炎

        1 照明行業(yè)整體發(fā)展趨勢

        人類照明先后經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈、LED時代。當前的照明產(chǎn)品在顯色指數(shù)、發(fā)光效率、智能控制、外觀設(shè)計等性能及功能方面均有顯著提升(見表1)。其內(nèi)涵也從簡單的照明向節(jié)能、環(huán)保、多彩乃至更舒適、更健康、更智能的方向發(fā)展。

        表1 不同代際照明產(chǎn)品參數(shù)性能對比

        據(jù)國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(CSA)統(tǒng)計,LED照明產(chǎn)品國內(nèi)行業(yè)滲透率已由2012年的3.3%快速提升至2018年的70.0%,產(chǎn)值由2015年的2596億元增長到2018年4155億元,年均復(fù)合增長率16.97%,2021年預(yù)計達5900億元,增速遠超全球平均水平。

        通用照明是我國照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快也是最大的應(yīng)用市場,約占整體市場的45%;景觀照明約占16%;汽車照明是LED應(yīng)用的新突破點,獲得快速應(yīng)用。隨著行業(yè)競爭加劇,企業(yè)開始向價值鏈高端和細分市場滲透。高工產(chǎn)研LED研究所(GGII)發(fā)布的《2021年LED行業(yè)發(fā)展藍皮書》顯示,國內(nèi)LED照明重點逐步轉(zhuǎn)向到健康照明、智慧照明、UV-LED、植物照明等領(lǐng)域,本文也將著重介紹上述幾個方面。

        健康照明、智慧照明是照明行業(yè)當前主要的發(fā)展方向,其中健康是本質(zhì),智慧是手段。通過全光譜、人因照明等方法,為人民提供舒適健康的光源系統(tǒng);智慧則改變了光的控制和表現(xiàn)方式,增強人與場景的和諧互動。同時伴隨半導(dǎo)體(尤其是第三代半導(dǎo)體)在射頻、光電子、電力電子等應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)進步,在Mini/MicroLED新型顯示、光通信、智能駕駛、離網(wǎng)照明、紅外LED、光固化等相關(guān)衍生領(lǐng)域的進展也值得關(guān)注。

        2 健康照明

        人類獲取信息80%是通過視覺途徑,光環(huán)境質(zhì)量會對人體生理健康和心理健康產(chǎn)生較大影響。影響可分為2個方面:①視覺方面 指由超量或雜亂的光輻射導(dǎo)致的“光污染”所造成的視覺疲勞和損傷;②非視覺方面 光照的色溫、照度、頻率、季節(jié)性等要素變化,對人體激素分泌水平、生物節(jié)律的影響。

        健康照明是半導(dǎo)體照明和醫(yī)療健康的跨界融合,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,包括消毒殺菌、醫(yī)療健康、教育照明、農(nóng)業(yè)照明、家居健康等領(lǐng)域,其產(chǎn)業(yè)規(guī)模將超萬億。照明行業(yè)向健康照明轉(zhuǎn)型升級是必然趨勢,如何改善人居空間的用光環(huán)境是業(yè)內(nèi)關(guān)注要點。

        2.1 全光譜

        自然光(太陽光)是人類最舒適健康的光源。太陽光光譜集中在紫外光、可見光和紅外光區(qū)域,可稱之為全光譜。而照明燈具中的“全光譜”是指LED光源可見光部分中各波段的比例與太陽光光譜近似,顯色指數(shù)接近100%。

        傳統(tǒng)LED光源主要使用藍光芯片激發(fā)黃色熒光粉形成白光,藍光輻射過重易導(dǎo)致眼疾,影響褪黑素分泌,造成睡眠障礙。近幾年新技術(shù)發(fā)展逐步成熟,即通過紫光芯片激發(fā)熒光粉得到紅綠藍色光,經(jīng)過色光混合疊加之后產(chǎn)生與太陽光光譜相似的光線。全光譜能改善光環(huán)境,促進睡眠,改善情緒,提高生產(chǎn)率,已成為健康照明發(fā)展的新趨勢。

        2.2 人因照明

        “人因照明”是以人為本的照明模式,指專門設(shè)計對人體產(chǎn)生有益的生理和心理影響的照明,包括視覺和非視覺效應(yīng)。光是人居空間物理環(huán)境的主要構(gòu)成要素,具有“視覺-生理-心理”的多維度健康作用,光可作為安全無副作用的互動健康干預(yù)手段,消除環(huán)境致病因素帶來的負面影響。

        1)日光采集系統(tǒng) 在建筑內(nèi)部,可利用智能日光采集系統(tǒng)結(jié)合日常照明系統(tǒng)提供光源,即在白天由屋頂采集裝置捕獲陽光,然后通過反射管道向下改道后,將自然光分布到建筑內(nèi)部區(qū)域;在夜間或陰天,則可由日常照明系統(tǒng)發(fā)揮作用,由此大幅減少電能消耗。

        2)模擬陽光的照明系統(tǒng) 在自然光采集難以達標的建筑室內(nèi),也可采納模擬陽光的照明系統(tǒng),提供一種自然健康的照明環(huán)境。

        3)太陽節(jié)律照明 太陽節(jié)律照明為新近業(yè)界提出的概念,其定義是“基于所在地理位置和日期時間的近太陽光光譜,輻照強度同步太陽變化的照明”。由此,在白天可提高工作效率;在夜間可創(chuàng)造舒適溫暖的氛圍,促進褪黑激素產(chǎn)生,改善睡眠質(zhì)量。

        2.3 光醫(yī)療

        光健康產(chǎn)業(yè)研究光對人體健康的影響,包括生理、心理、病理和醫(yī)理等方面,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),LED光源對代謝、心血管、神經(jīng)、皮膚及免疫等相關(guān)疾病的治療和保健均有作用。

        中國照明網(wǎng)介紹了2020年全球十大光健康技術(shù),包括智能LED隱形眼鏡診治糖尿病、雙波長LED刺激頭發(fā)和皮膚再生、紫外線LED治療牛皮癬、深紅光改善年長者視力、人因照明提升深層睡眠、夜間室外照明關(guān)系青少年睡眠及心理健康、赫茲閃爍光治療阿爾茲海默癥、藍光LED助聽力恢復(fù)、綠光LED緩解頭痛、可調(diào)諧LED照明改善老年人睡眠質(zhì)量等,由此可預(yù)期,照明科技將對人類健康發(fā)揮越來越重要的作用。

        2.4 健康照明行業(yè)現(xiàn)狀

        據(jù)2018年衛(wèi)健委統(tǒng)計,我國近視率已高居世界第一,兒童及青少年總體近視率為53.6%。另據(jù)2019年世衛(wèi)組織(WHO)統(tǒng)計,我國抑郁癥患者超過1億人。因此,我國具有巨大的光健康潛在市場。

        2018年,教育部、國家衛(wèi)健委等八部門聯(lián)合印發(fā)《綜合防控兒童青少年近視實施方案》,迅速打開教室照明的改造產(chǎn)業(yè)。伴隨新冠肺炎疫情進入“新常態(tài)”,人們也更加關(guān)注室內(nèi)照明質(zhì)量對健康的影響。同時,LED行業(yè)競爭已進入存量時代,“健康”成為行業(yè)差異化競爭的重要方向。半導(dǎo)體集成電路、光學、醫(yī)學等領(lǐng)域的技術(shù)進步均將推動健康照明產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

        但健康照明行業(yè)也存在一些問題尚待解決,如缺乏權(quán)威定義、大眾認知不清等;LED光源在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用仍需大量機理性研究和臨床試驗,需跨界聯(lián)合攻關(guān)。

        3 智慧照明

        智慧照明起步于20世紀90年代的調(diào)光技術(shù)。近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)的不斷成熟,照明將全面進入智能化時代,作為建筑、家居、社區(qū)、城市的入口級終端和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施,將打造以人為本的管理服務(wù)新模式。

        3.1 智慧燈桿概念

        《智慧燈桿標準化白皮書》中對智慧燈桿的定義是:包括桿體及其搭載的感知終端(各類設(shè)備和傳感器),是集智慧照明、信息發(fā)布、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、通信服務(wù)、能源服務(wù)、一鍵求助等功能于一體的物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施。智慧燈桿可實現(xiàn)多桿合一、多箱合一、多網(wǎng)合一、多牌合一,將整合交通市政管理功能,從而美化城市空間,提升城市管理水平。

        3.2 智慧燈桿行業(yè)現(xiàn)狀

        智慧燈桿產(chǎn)業(yè)鏈很長,在技術(shù)層面主要包括傳感器、芯片、通信模組、通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)平臺、操作系統(tǒng)、集成應(yīng)用等。核心參與方主要包括智慧燈桿運營公司、設(shè)備供應(yīng)商、智慧城市頂層設(shè)計公司和工程總承包公司。智慧燈桿可搭載眾多應(yīng)用,如圖1所示,其中可實現(xiàn)商業(yè)價值的應(yīng)用包括5G基站、充電樁、信息發(fā)布、車路協(xié)同/無人駕駛、智慧停車等,但仍需要產(chǎn)業(yè)培育時間。

        圖1 智慧燈桿應(yīng)用分析

        智慧燈桿的發(fā)展主要來自智慧城市建設(shè)相關(guān)政策驅(qū)動,但因商業(yè)模式問題,遲遲未能落地。直至2019年5G通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)啟動,作為最佳載體的智慧燈桿支持小基站的密集組網(wǎng),同時新基建中的5G、新能源汽車充電樁、車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域均與其相關(guān),各地推出大量政策,產(chǎn)業(yè)迅速升溫。

        2020年我國燈桿保有量2935萬根,GGII數(shù)據(jù)顯示,2020年我國智慧燈桿產(chǎn)業(yè)規(guī)模為410億元,未來幾年會有大量智慧化升級機會,預(yù)計到2022年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到2235億元。

        作為新興事物,智慧燈桿目前仍有諸多問題亟待解決,如運營主體多導(dǎo)致協(xié)調(diào)難度大、標準和兼容性不統(tǒng)一、產(chǎn)業(yè)鏈過長難以兼顧、應(yīng)用功能非剛需、掛載設(shè)備多導(dǎo)致能源損耗大、投入大但盈利模式不清晰等,特別是由于運營模式尚處于試點階段,仍需理清誰投資、誰建設(shè)、誰運營、誰收益的核心問題,需要產(chǎn)業(yè)鏈各方協(xié)同改善。

        4 深紫外(UV-LED)

        深紫外(UV-LED)有多種用途,如光固化、植物生長、保鮮、光療等,應(yīng)用方向如圖2所示,其中消毒殺菌應(yīng)用最普遍。

        圖2 UV-LED應(yīng)用方向

        4.1 深紫外消毒殺菌原理及應(yīng)用

        UVC波長為200~280nm,能穿透生物細胞膜和細胞核,破壞DNA或RNA分子結(jié)構(gòu),造成細胞死亡,達到殺菌消毒作用。最近365nm以上的UVA/TiO2光催化方法也取得突破。

        相較其他殺菌方法,如加氯法、臭氧法及紫外汞燈殺菌法,深紫外LED殺菌優(yōu)勢包括:高效;廣泛;安全環(huán)保(不含汞);節(jié)能、壽命長、維護成本低;體積小、設(shè)計靈活、安裝方便;輻射強度可控、光譜可定制等。該方法可廣泛應(yīng)用于氣體殺菌、液體殺菌、固體殺菌(接觸物表面)等家用或商用領(lǐng)域。目前在消費電子細分領(lǐng)域,已涌現(xiàn)很多具有創(chuàng)意、實現(xiàn)跨界功能集成的產(chǎn)品。

        4.2 深紫外消毒殺菌行業(yè)現(xiàn)狀

        據(jù)GGII數(shù)據(jù),2020年全球紫外LED產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過35.5億元。2018—2023年,全球UV-LED市場規(guī)模預(yù)估年復(fù)合增長率達27%。深紫外LED產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋新材料、精密設(shè)備、芯片、封裝、醫(yī)療應(yīng)用產(chǎn)品、消費電子產(chǎn)品、凈化產(chǎn)品、工業(yè)用途產(chǎn)品和照明殺菌產(chǎn)品等不同領(lǐng)域,也將形成萬億產(chǎn)業(yè)。

        深紫外應(yīng)用的驅(qū)動要素包括:①2020年正式生效的聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署《關(guān)于汞的水俁公約》,傳統(tǒng)紫外汞燈消毒、殺菌產(chǎn)品將被UV-LED取代;②2020年新冠肺炎疫情全球爆發(fā)與持續(xù),為UV-LED產(chǎn)業(yè)帶來歷史性發(fā)展契機。

        但因技術(shù)上的問題,行業(yè)發(fā)展尚處起步階段,仍存在如下問題:高強紫外線所產(chǎn)生的輻射會造成人眼和皮膚損傷,也存在臭氧危害;輻射效率還很低,目前只有5%左右,與低壓汞燈相比具有約200倍的成本差異,尚不適用于大功率殺菌場合;在材料外延、芯片制作、器件封裝等技術(shù)環(huán)節(jié)需改善優(yōu)化,以提升合格率,降低成本;另外需進一步提高大眾認知。

        5 設(shè)施農(nóng)業(yè)照明

        設(shè)施農(nóng)業(yè)是在環(huán)境相對可控條件下,采用工程技術(shù)手段,進行動植物高效生產(chǎn)的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方式。從種類上分,主要包括設(shè)施園藝(植物照明)和設(shè)施養(yǎng)殖(包括水產(chǎn)養(yǎng)殖、畜牧養(yǎng)殖)兩大部分。以下主要介紹植物照明。

        5.1 植物照明特點

        光照是影響作物生長發(fā)育的重要因素。相較傳統(tǒng)方式,LED植物照明具有更高的電光轉(zhuǎn)換效率、光譜可調(diào)、光合效率高,同時具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、單色光、冷光源、體積小等特點,優(yōu)勢明顯,如表2所示。

        表2 植物照明類型對比

        植物照明主要應(yīng)用于溫室補光、全人工光植物工廠、植物組織培養(yǎng)、大田補光、家庭蔬菜及花卉種植等,可增加果實重量、種植密度從而提升產(chǎn)量,還可提高功能性成分含量,實現(xiàn)采前著色、降低硝酸鹽含量、延長貨架期等。另外可應(yīng)用于城市空地,如隧道、地下管廊等,也可在極端環(huán)境下應(yīng)用,如高原、沙漠、極地、遠洋船舶/潛艇、太空等。

        5.2 植物照明行業(yè)現(xiàn)狀

        隨著現(xiàn)代工業(yè)向農(nóng)業(yè)滲透和微電子技術(shù)的應(yīng)用,集約型設(shè)施農(nóng)業(yè)在美國、荷蘭、日本等發(fā)達國家得到迅速發(fā)展,國內(nèi)市場尚處于發(fā)展初期。據(jù)GGII數(shù)據(jù),預(yù)計到2021年,我國LED植物照明系統(tǒng)產(chǎn)值規(guī)模將達到95億元,植物照明燈具為28億元。

        受2020年疫情引發(fā)糧食危機等的影響,海外產(chǎn)業(yè)迎來爆發(fā)。而在國內(nèi),保障國家糧食安全、碳中和背景下的退耕還林、低碳綠色農(nóng)業(yè)政策等均對植物照明方向利好。但目前多數(shù)大型植物工廠仍處于虧損階段,主要由于植物工廠建設(shè)和運營成本居高不下、產(chǎn)業(yè)鏈不完善、生產(chǎn)與銷售銜接不暢等。未來還需進一步開展LED光源及植物學的深入研究,提升單位產(chǎn)量,降低整體成本,加快標準制定,完善檢測認證體系,打通產(chǎn)業(yè)鏈上下游體系。

        6 結(jié)語

        光是人類生存的基礎(chǔ),科技賦予光更多內(nèi)涵,而人本主義則讓光帶給人類更多關(guān)懷。期待產(chǎn)業(yè)鏈攜手進步,期待更加光明、更加充滿智慧的未來。

        光,有無限可能。光,在創(chuàng)新價值。

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