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(wàn)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(yáng)。但是，在最近短短的100年時(shí)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(shí)間占全天時(shí)間的90%左右，一些老人、兒童在室內(nèi)停留的時(shí)間更長(zhǎng)。因此，室內(nèi)照明環(huán)境與人類健康和兒童青少年生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)系極為密切。

目前設(shè)計(jì)開(kāi)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(jué)需要，照明工業(yè)沒(méi)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(yáng)光照不足而帶來(lái)的各種健康問(wèn)題。

1 太陽(yáng)光的特征

1.1 光譜的連續(xù)性

太陽(yáng)光是一個(gè)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(jiàn)光區(qū)和紫外區(qū)?？梢?jiàn)光區(qū)約占太陽(yáng)輻射總能量的50%，紅外區(qū)約占43%，紫外區(qū)的太陽(yáng)輻射能較少，僅占總量的約7%[1]。

1.2 光譜的變化性

太陽(yáng)光在穿過(guò)大氣層達(dá)到地球表面過(guò)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(yáng)光光譜的不固定性。研究表明，在同一個(gè)城市，從日升到日落，整個(gè)過(guò)程太陽(yáng)光光譜一直處于變化過(guò)程中[2]。在早晚太陽(yáng)高度角較低時(shí)，光譜波長(zhǎng)偏長(zhǎng)，色溫偏低；當(dāng)高度角最大時(shí)，光譜波長(zhǎng)變得很短，色溫變高。

同時(shí)，在不同的光氣候區(qū)[3]，在高度角、時(shí)刻、日面狀況均相同的情況下，太陽(yáng)光光譜分布曲線各不相同[4]。太陽(yáng)光光譜的不同部分對(duì)于大氣層的穿透能力各不相同，因此云層和大氣污染對(duì)紫外線的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可見(jiàn)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(guò)濾紅外線相比過(guò)濾紫外線更有效[5]。

1.3 光譜的生物學(xué)效應(yīng)

太陽(yáng)光光譜包括可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光兩部分。其中，可見(jiàn)光部分可滿足人類視覺(jué)需要，并部分影響人體非視覺(jué)效應(yīng)，比如對(duì)褪黑激素分泌的影響；不可見(jiàn)光部分對(duì)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(jìn)維生素D在皮膚中的合成，降低膽固醇，維生素D對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育、維護(hù)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(qiáng)度、高均勻性

地球與太陽(yáng)的距離非常遙遠(yuǎn)，太陽(yáng)光到達(dá)地球后基本屬于平行光，因此地球上被太陽(yáng)光照射區(qū)域的亮度均勻度較高，且光照強(qiáng)度遠(yuǎn)大于室內(nèi)照明。晴天正午陽(yáng)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(dá)到1 000 lx。

2 室內(nèi)照明存在的問(wèn)題

人類從第一次學(xué)會(huì)使用火把，到愛(ài)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(jì)開(kāi)發(fā)的第一需求都是為了滿足人類視覺(jué)的基本需要，在此基礎(chǔ)上再結(jié)合能源消耗、經(jīng)濟(jì)投入等限制要求對(duì)室內(nèi)照明進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是對(duì)于需要關(guān)注的健康問(wèn)題卻考慮甚少。因此，目前的室內(nèi)照明存在諸多問(wèn)題：（1）人造光源并非全光譜，而且光譜相對(duì)固定。（2）照明系統(tǒng)存在時(shí)間調(diào)制問(wèn)題，健康效應(yīng)可以直接由這些視覺(jué)效應(yīng)引起，也可以在沒(méi)有有意識(shí)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(wèn)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(wèn)題可能與80～120 Hz的時(shí)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(yuǎn)不如太陽(yáng)光。較大的亮度差異會(huì)產(chǎn)生不舒適的眩光，人們?cè)趯W(xué)習(xí)和工作過(guò)程中需要不停地進(jìn)行亮度適應(yīng)，容易產(chǎn)生視覺(jué)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(guò)結(jié)合太陽(yáng)能自動(dòng)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(kāi)發(fā)技術(shù)，將太陽(yáng)光實(shí)時(shí)傳送到任意缺少陽(yáng)光的生活空間的高科技主動(dòng)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(shí)間的限制，無(wú)論是在建筑內(nèi)部還是在地下室，或者其他太陽(yáng)光照射不到的地方，都可以讓人們?cè)谑覂?nèi)享受在陽(yáng)光下休息、工作、看書(shū)學(xué)習(xí)、用餐等的感覺(jué)。同時(shí)，光纖導(dǎo)入技術(shù)可遠(yuǎn)距離傳輸（＞100 m），光纖可自由彎曲，對(duì)已有建筑照明進(jìn)行改造的破壞性小。

目前，光纖式陽(yáng)光導(dǎo)入系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。太陽(yáng)光光纖導(dǎo)入照明系統(tǒng)主要由室外主機(jī)、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(jī)由太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)、太陽(yáng)光采集系統(tǒng)、機(jī)械跟蹤平臺(tái)等組成，需安裝在陽(yáng)光充足的室外，用于跟蹤采集太陽(yáng)光；導(dǎo)光光纖用于將主機(jī)采集的陽(yáng)光高效導(dǎo)入室內(nèi)，并通過(guò)室內(nèi)燈具進(jìn)行照明。

圖1 太陽(yáng)光光纖導(dǎo)入照明系統(tǒng)

近年來(lái)，太陽(yáng)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(chǎng)所應(yīng)用。3種光源光譜如圖2所示。從改造前后的檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，與原LED照明系統(tǒng)相比，采用玻璃光纖導(dǎo)入太陽(yáng)光的照明系統(tǒng)的光譜更接近太陽(yáng)光譜，太陽(yáng)光直接照明部分可實(shí)現(xiàn)零能耗照明，根據(jù)不同實(shí)施方案可實(shí)現(xiàn)20%～100%的節(jié)能效果[6]。

圖2 3種光源光譜圖

通過(guò)光纖導(dǎo)入技術(shù)將太陽(yáng)光引入室內(nèi)，不僅可以解決人們所需要的光譜和光照強(qiáng)度自適應(yīng)問(wèn)題，更重要的是其無(wú)頻閃，可以帶來(lái)人類身體健康所需要的紫外線。從實(shí)際應(yīng)用的情況來(lái)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(dòng)等問(wèn)題。這些問(wèn)題將成為下一代產(chǎn)品研發(fā)的方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

（1）太陽(yáng)光對(duì)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(wú)法滿足人類健康的需求；

（3）太陽(yáng)光光纖導(dǎo)入技術(shù)的使用可以幫助長(zhǎng)期處于室內(nèi)、無(wú)法沐浴太陽(yáng)光人群提升視覺(jué)效果和促進(jìn)身體健康；

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