電熱膜電磁輻射安全性評估

韓 博 李緒泉 劉 龍（青島理工大學(xué) 青島 266033）

電熱膜電磁輻射安全性評估

韓 博 李緒泉 劉 龍
（青島理工大學(xué) 青島 266033）

從急性和累積效應(yīng)兩方面對采暖季中長時間使用遠(yuǎn)紅外輻射電熱膜引發(fā)電磁輻射的安全性問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。急性效應(yīng)方面，實(shí)測電磁輻射場瞬時強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行比較；累積效應(yīng)方面則通過構(gòu)建量子物理模型進(jìn)行分析。結(jié)果表明，電熱膜產(chǎn)生的電磁輻射場中最大電磁輻射僅為 225.4 nT，僅為國際非電離輻射防護(hù)委員會（International commission for non-ionizing radiation protection， ICNIRP）規(guī)定限值的1/444，中國國家標(biāo)準(zhǔn)限值的1/100，其對人體神經(jīng)微管有一定影響，但無累積效應(yīng)。

電熱膜，安全性，電磁輻射，急性效應(yīng)，累積效應(yīng)

CLC TL71

遠(yuǎn)紅外輻射電熱膜在使用時會以一種非電離輻射的方式向外發(fā)射熱射線，導(dǎo)致空間中被輻射到的物體表面粒子震動產(chǎn)生摩擦熱能。而人體神經(jīng)傳遞依靠生物電位來輸送信號，長期使用電熱膜時其產(chǎn)生的電磁輻射可能會對人體造成影響。

在電熱膜電磁輻射安全問題上，僅有少數(shù)人進(jìn)行了相關(guān)的研究。Deventer［1］報(bào)道了多國專家集團(tuán)通過實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行了極低頻電磁輻射場與人類某些疾病的關(guān)聯(lián)性研究表明，兒童在100～200 nT的環(huán)境中OR=1.08 （95% CI=0.89～1.31），200～400 nT環(huán)境中OR=1.11 （0.89～1.47）。OR值為病例組中暴露人數(shù)與非暴露人數(shù)的比值除以對照組中暴露人數(shù)與非暴露人數(shù)的比值，即相對危險度的精確估計(jì)值。OR＜1說明疾病相對危險度因暴露而減小，反之則增加。95% CI是指OR值95%置信區(qū)間。卑偉慧等［2］從整體生物效應(yīng)和細(xì)胞效應(yīng)兩方面介紹了電磁輻射的生物學(xué)效應(yīng)機(jī)制及近年來相關(guān)的研究成果。這些工作已表明，電磁輻射對人體在一定程度上有影響，但并沒有對電熱膜產(chǎn)生的電磁輻射場進(jìn)行全面論證。

本研究手段以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對比和量子物理模型兩方面進(jìn)行論證得到相應(yīng)的結(jié)論。

1　急性效應(yīng)方面的論證

急性效應(yīng)［3］是指應(yīng)激原作用于機(jī)體后短時間（數(shù)小時至數(shù)日）內(nèi)，機(jī)體產(chǎn)生的生物學(xué)變化。電熱膜產(chǎn)生的電磁輻射即為應(yīng)激原，人體即為被作用的機(jī)體。實(shí)測電磁輻射場強(qiáng)度值，并與國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。

1.1電磁輻射強(qiáng)度的測量

實(shí)驗(yàn)采用德國安諾尼EMF電磁輻射測試儀NF-5035 NEW （1 Hz～1 MHz）對電熱膜使用時產(chǎn)生的電磁輻射強(qiáng)度進(jìn)行測量。測試場所選擇封閉的實(shí)驗(yàn)艙，艙內(nèi)環(huán)境溫度22 ℃，電磁輻射量為 0 nT，不會對電磁輻射強(qiáng)度測試的結(jié)果產(chǎn)生干擾。將電熱膜置于水平木板上方，接通電源待電熱膜溫度穩(wěn)定后進(jìn)行電磁輻射強(qiáng)度的測量。測點(diǎn)的位置如圖1所示。

1.2實(shí)測電磁輻射強(qiáng)度與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的對比

表1為國際組織及國家的工頻電磁場職業(yè)暴露和公眾暴露導(dǎo)出限值［4］。其中標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)格的中國公眾暴露限值為22 μT，即22 000 nT。

表1　一些國家及國際組織工頻電磁場暴露限值Table 1 Power frequency electromagnetic fields exposure limits in some countries and international organizations

通過實(shí)驗(yàn)測量并在 Matlab中使用四格點(diǎn)樣條函數(shù)內(nèi)插的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)差值處理，處理后得到的數(shù)據(jù)繪制成不同高度上的電磁輻射場，如圖 2 所示。從電熱膜工作時產(chǎn)生的50 Hz低頻磁場中發(fā)現(xiàn)，距離電熱膜0.05 m處最大的電磁輻射強(qiáng)度為225.4 nT。而距電熱膜豎直高度1 m水平面上的最大的電磁輻射強(qiáng)度僅為1.8 nT，距電熱膜豎直高度1.3 m的水平面上電磁輻射強(qiáng)度值均降為0 nT。由此可看出，在使用電熱膜時，近地面處的電磁輻射強(qiáng)度較大，隨高度增加而逐漸減少，在1.3 m處電熱膜發(fā)射出來的電磁輻射強(qiáng)度減弱為零。

為避免人類因在電磁場強(qiáng)度中過度暴露影響人體健康，世界上不同的國家和組織都有著自己的電磁場暴露標(biāo)準(zhǔn)值。實(shí)測電磁輻射強(qiáng)度僅為要求最嚴(yán)格的限値——中國國家標(biāo)準(zhǔn)限値的1/100，國際非電離輻射防護(hù)委員會（International commission for non-ionizing radiation protection， ICNIRP）限値的1/444，即電熱膜在電磁輻射強(qiáng)度方面的安全性能達(dá)到世界上多數(shù)國家和國際組織的要求。

2　累積效應(yīng)方面的論證

累積效應(yīng)［5］是指對機(jī)體有影響的環(huán)境條件或有關(guān)因素多次作用所造成的生物效應(yīng)的積累或疊加現(xiàn)象。累積效應(yīng)對人體的作用分3類：簡單相加、效果膨脹、“免疫效應(yīng)”。當(dāng)人體長期處在一定強(qiáng)度的電磁輻射場中時，盡管環(huán)境中電磁輻射強(qiáng)度并未超過某個極限值，但人體在受到多次作用后，累積效應(yīng)或許會對人體產(chǎn)生影響。本研究通過構(gòu)建量子物理模型分析人體神經(jīng)微管在電磁輻射場中是否會受到累積效應(yīng)影響。

神經(jīng)微管［6］是神經(jīng)元骨架構(gòu)成的重要單元，當(dāng)神經(jīng)元發(fā)生變化時，它們會分解并再建。其由α和β微管蛋白亞基組成的二聚體裝配而成，見圖3［7］。神經(jīng)微管蛋白在調(diào)控細(xì)胞有絲分裂、細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸?shù)确矫嫫鸬街匾饔谩anik等［8］認(rèn)為在受到電磁輻射影響的條件下，機(jī)體內(nèi)生物電位會發(fā)生變化并對細(xì)胞造成一定影響。因此，研究從神經(jīng)微管蛋白亞基的層面上進(jìn)行，尋找適用的量子力學(xué)模型［8］去論證電磁輻射場中神經(jīng)微管量子系統(tǒng)的相干性與時間的關(guān)系，從而得到神經(jīng)微管系統(tǒng)長時間在此環(huán)境中是否會產(chǎn)生功能性變化。其基本流程為：根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的能級系統(tǒng)，將神經(jīng)微管量子化，構(gòu)建合適的量子模型，模型求解及結(jié)果分析。

由于α和β微管蛋白亞基存在↑和↓兩種不同的電子構(gòu)象［10］。同時，電熱膜產(chǎn)生的電磁輻射場較弱，所以將微管蛋白二聚物的兩種構(gòu)型簡化為二能級原子系統(tǒng)構(gòu)建量子位［11］。在此僅探究時間對于量子體系相干性的影響，忽略周圍二聚體產(chǎn)生的影響。

在此基礎(chǔ)上將神經(jīng)微管進(jìn)行量子化，采用密度矩陣表示某時刻原子可能處在本征態(tài)［12］。在電磁輻射場中神經(jīng)微管的狀態(tài)用哈密頓算符表示：

式中：?為約化普朗克常數(shù)，等于 h/2π；SZ、S±為贗自旋算符；ω0為波爾頻率；λ為電磁輻射場與神經(jīng)微管中信息為的耦合常數(shù)；E0為系統(tǒng)的電場強(qiáng)度；虛數(shù)部分表示相位。

根據(jù)量子力學(xué)原理有：

式中：?I（t）為 t時刻二能級原子本身的能量算符；ρI（t）為t時刻系統(tǒng)的密度矩陣。

由此解得

密度矩陣能夠簡單地反應(yīng)系統(tǒng)量子相干性。當(dāng)矩陣的非對角元素為零時，系統(tǒng)不具有量子相干性；當(dāng)矩陣的非對角元素不為零時，則系統(tǒng)具有量子相干性。這里僅需要判斷系統(tǒng)量子相干性以及時間對于相干性的影響。由（4）式得出，無論t為何值，其密度矩陣的非對角元素均不等于零，即模型中系統(tǒng)具有量子相干性。同時也能夠說明，時間對量子相干性幾乎沒有影響，因此，在電熱膜產(chǎn)生的低頻電磁輻射場中神經(jīng)微管系統(tǒng)狀態(tài)會因此受到影響，但時間的變化幾乎不影響系統(tǒng)狀態(tài)的變化。由此說明，電熱膜產(chǎn)生的電磁輻射場對神經(jīng)微管的影響不會引起累積效應(yīng)。

3　結(jié)論與建議

參照國內(nèi)外電磁場暴露相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)測定電熱膜產(chǎn)生的電磁輻射強(qiáng)度為ICNIRP限值的1/444，中國國家標(biāo)準(zhǔn)限值的1/100，在急性效應(yīng)上輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)低于國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值。從量子物理模型分析認(rèn)為，神經(jīng)微管系統(tǒng)的狀態(tài)會因電熱膜產(chǎn)生的電磁輻射場發(fā)生變化，但不會引起累積效應(yīng)。在今后研究制定電采暖產(chǎn)品電磁輻射危害標(biāo)準(zhǔn)時，可考慮從急性效應(yīng)與累積效應(yīng)兩方面綜合評價產(chǎn)品的安全指數(shù)，以進(jìn)一步提高行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、推動行業(yè)發(fā)展。

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Safety assessment for electromagnetic radiation of electric radiant heating film

HAN Bo LI Xuquan LIU Long
（Qingdao University of Technology， Qingdao 266033， China）

The safety of electromagnetic radiation caused by prolonged use of far-infrared radiation heating film in heating season was studied from the acute effect and cumulative effect based on experiment. The acute effect was analyzed by calculating instantaneous intensity of electromagnetic radiation field with standard limit； the cumulative effect was analyzed by quantum physics model. The results showed that the maximum electromagnetic radiation was 225.4 nT in the electromagnetic radiation field generated by the electric film. It is only 1/444 of ICNIRP（International commission for non-ionizing radiation protection） prescribed limit and 1/100 of Chinese national standard limit， which would have influence on human neuronal microtubules to some extent， but no cumulative effect. KEYWORDS Electric radiant heating film， Safety， Electromagnetic radiation， Acute effect， Accumulative effect

HAN Bo （male） was born in February 1992 and received his bachelor's degree of Architectural Enviroment & Equipment Engineering in June 2014 from Qingdao University of Technology. Now he is a master candidate there， engaging in renewable energy utilization， simulation of refrigeration and air conditioning and automatic control， E-mail: hanbo1992@hotmail.com

9 May 2016； accepted 23 June 2016

PH.D. LI Xuquan， doctor， associate professor， E-mail: 1275903821@qq.com

TL71

10.11889/j.1000-3436.2016.rrj.34.040602

韓博，男，1992年2月出生，2014年6月于青島理工大學(xué)獲建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為青島理工大學(xué)在讀碩士研究生，從事可再生能源利用、制冷與空調(diào)的仿真及自動控制等方面研究，E-mail: hanbo1992@hotmail.com

李緒泉，博士，副教授，E-mail: 1275903821@qq.com

初稿2016-05-09；修回2016-06-23