基于IFD微靜電空氣凈化和miniLED一體式教室燈的研究

彭 友， 陳建新， 王其洲， 蔡 陳， 鄧文清

(1.安徽芯瑞達(dá)科技股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.合肥一六八玫瑰園學(xué)校，安徽 合肥 230601)

1 研究背景

據(jù)中國首部系統(tǒng)研究視覺健康的白皮書《國民視覺健康》調(diào)研顯示，5歲以上人群中，近視比例為35.16%至39.21%，即每3個人中就有1個人是近視，近視的總患病人數(shù)為4.37億至4.87億。

世界衛(wèi)生組織最新研究報告顯示，目前中國近視患者人數(shù)多達(dá)6億，幾乎占到總?cè)丝跀?shù)量的一半。我國高中生和大學(xué)生的近視率均已超過7成，并逐年增加，青少年近視率高居世界第一，小學(xué)生的近視率也接近40%，而美國中小學(xué)生近視率在10%左右。

調(diào)查研究數(shù)據(jù)顯示，造成中小學(xué)生近視的主要原因是教室人工照明存在藍(lán)光和頻閃問題。頻閃是造成近視的主要原因之一，而藍(lán)光是造成視網(wǎng)膜黃斑病變的主要原因，對視力也有較大的影響。

本研究把IFD微靜電除塵空氣凈化器技術(shù)、新型miniLED照明技術(shù)、藍(lán)牙智慧音響一體化，設(shè)計出滿足教室照明護(hù)眼燈《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 7793-2010)國標(biāo)要求，可以在移動端安卓、iOS系統(tǒng)實現(xiàn)對智能一體化miniLED燈具空氣凈化、LED亮度、智能音響進(jìn)行監(jiān)測和控制。完成教室的健康照明，微靜電除塵空氣凈化和消毒，智能音響，對學(xué)生身體、視力、聽力等進(jìn)行全面的健康保護(hù)。

2 IFD微靜電除塵空氣凈化器技術(shù)

IFD微靜電除塵空氣凈化器技術(shù)(intense field dielectric technology)是利用電介質(zhì)材料為載體的強(qiáng)電場，電介質(zhì)材料形成蜂窩狀中空微通道，電介質(zhì)包裹電極片在通道內(nèi)形成強(qiáng)烈的電場，通過電離空氣，使灰塵帶上靜電，再使用帶電極的高效濾芯進(jìn)行吸附。其阻力小，能耗也更低，比靜電積塵的效率高。傳統(tǒng)的靜電除塵技術(shù)采用金屬的平行板放電，無論怎樣改進(jìn)，都不可避免地會產(chǎn)生臭氧，而過量的臭氧對人體是有害的。IFD微靜電技術(shù)由于其產(chǎn)生的是微電離而不是電暈，所以不會有臭氧產(chǎn)生，革命式地解決了靜電除塵存在的臭氧問題。目前多用于醫(yī)療、半導(dǎo)體制造等對空氣質(zhì)量要求較高的場所，適合安裝在已建和在建的建筑中，可結(jié)合中央空調(diào)回風(fēng)口、新風(fēng)系統(tǒng)及智能樓宇控制系統(tǒng)。IFD過濾器也由于具備較多的優(yōu)點，在市場上被逐漸普及，普遍用在空氣凈化器、空調(diào)器等產(chǎn)品中：

(1)微電離：不會有臭氧產(chǎn)生。

(2)效率高：PM2.5的吸附效率可達(dá)到99.99%。

(3)壓降(阻力值)低：典型值10+50 Pa，是HEPA阻力的1/7-1/10。

(4)永久使用：可清潔或清洗，不需要更換；節(jié)約更換成本。

(5)低噪聲：低阻抗，運(yùn)行時噪聲低。

(6)經(jīng)濟(jì)：輸入能量可忽略。

(7)安全：高電壓不暴露，無電擊危險。IFD采用高絕緣的電介質(zhì)包覆由油墨形成的電極片，即使微通道沾染灰塵也不會造成極間距減小而導(dǎo)致電氣擊穿、打火現(xiàn)象。同時,IFD模塊極間電流小于2 mA，人接觸不會被電擊。IFD凈化器核心原理如圖1所示，有關(guān)測試結(jié)果見表1。

圖1 IFD微靜電除塵空氣凈化器核心原理

表1 IFD微靜電除塵空氣凈化器樣機(jī)測試參數(shù)

3 新型照明和顯示新秀miniLED

miniLED是一種當(dāng)被電流激發(fā)時通過傳導(dǎo)電子和空穴的再復(fù)合產(chǎn)生自發(fā)輻射而發(fā)出非相干光的半導(dǎo)體二極管，miniLED芯片尺寸可微縮到100μm～200μm，被廣泛應(yīng)用于通用照明、景觀照明、汽車照明、顯示屏、背光應(yīng)用等新型顯示領(lǐng)域。miniLED一般采用直下式設(shè)計,相比傳統(tǒng)的光源設(shè)計,能夠在更小的混光距離內(nèi)實現(xiàn)更好的亮度均勻性、更高的色彩對比度,進(jìn)而實現(xiàn)終端產(chǎn)品的超薄、高顯色性、省電。miniLED可以直接采用RGB三色的LED模組，實現(xiàn)RGB三原色無缺失的顯示效果。miniLED具有異型切割特性，搭配軟性基板可實現(xiàn)高曲面背光的形式，采用局部調(diào)光(LocalDimming)設(shè)計，讓光線更明亮。miniLED技術(shù)在晶體封裝層級多采用“倒裝”技術(shù)，工藝無焊線，能夠避免金屬虛焊和接觸不良引起的問題，同時倒裝能夠最大限度提高發(fā)光面積、散熱面積。相比傳統(tǒng)LED，miniLED散熱表現(xiàn)更佳，可視角更大，對比度更高，耗電量更低，可靠度更高，有望成為引領(lǐng)新型顯示市場的行業(yè)新秀。

4 健康照明——教室照明護(hù)眼燈

2016年10月底，教育部、國家衛(wèi)生計生委、國家體育總局辦公廳聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)兒童青少年近視防控工作的指導(dǎo)意見》，旨在有效控制我國兒童及青少年近視發(fā)病率，提高兒童及青少年視力健康水平。文件指出，各中小學(xué)校要保障教室采光與照明符合國家相關(guān)文件和標(biāo)準(zhǔn)要求，為學(xué)生提供符合用眼衛(wèi)生要求的學(xué)習(xí)環(huán)境。

目前，有越來越多的學(xué)校意識到照明對學(xué)生視力影響的程度，開始進(jìn)行燈光改造工程，升級了原有的照明方式，例如將教室、走廊、操場、宿舍、食堂的照明改為LED照明。

教室照明場景主要由黑板燈和面板燈組成，這些高清晰和高舒適的教室燈符合《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 7793-2010)國標(biāo)要求：課桌面平均照度≥320Lx，照度均勻度≥0.71，黑板平均照度值≥509Lx，照度均勻度≥0.81；統(tǒng)一眩光值UGR≤19.2，藍(lán)光視網(wǎng)膜危害等級為無危害(RG0)，能有效減輕視覺疲勞，防止近視形成，促進(jìn)視力健康。

普通中小學(xué)校教室建設(shè)必須符合《中小學(xué)校建筑設(shè)計規(guī)范》(GB 50099-2011)、《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 7793-2010)和《中小學(xué)校及幼兒園教室照明設(shè)計規(guī)范》(DB 31/T 539-2020)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。教室照明基本要求見表2。

表2 教室照明基本要求

針對中小學(xué)教室照明存在眩光、藍(lán)光危害、頻閃等對學(xué)生視力存在嚴(yán)重危害的缺憾，應(yīng)該采用健康的miniLED照明產(chǎn)品為建筑提供安全、健康、節(jié)能、維護(hù)方便的智能照明系統(tǒng)，如圖2所示，滿足各種應(yīng)用場景照明的控制需求，更好地呵護(hù)孩子們的眼睛。

圖2 智能一體化miniLED燈在學(xué)校教室中的運(yùn)用實景

5 智能一體化miniLED燈具

5.1 燈具需求

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《中小學(xué)校建筑設(shè)計規(guī)范》(GB 50099-2011)、《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 7793-2010)和《中小學(xué)校及幼兒園教室照明設(shè)計規(guī)范》(DB 31/T 539-2020)中規(guī)定，采用燈具的色溫應(yīng)為3 300～5 500K，燈具的眩光值宜小于19。

5.2 用眼健康需求

基于現(xiàn)在中小學(xué)生的視力嚴(yán)重受損情況，采用的照明燈具應(yīng)具有無頻閃、無藍(lán)光危害、眩光值極低的特點，盡可能避免對中小學(xué)生的視力造成損害。

5.3 節(jié)能需求

采用LED節(jié)能燈具，教室內(nèi)可以采用智能化的控制方式節(jié)約電能。

5.4 控制方式需求

采用智能化、多元化的控制方式，可配合控制燈具的亮度。

5.5 智能一體化miniLED燈具應(yīng)用實際意義

本研究的目的在于提供一種基于空氣凈化和智能控制的一體式miniLED健康節(jié)能燈具如圖3所示。如本文“IFD微靜電除塵空氣凈化器技術(shù)”“新型照明和顯示新秀miniLED”部分所論述，將污染較重的空氣經(jīng)微風(fēng)循環(huán)，通過微靜電空氣凈化器來進(jìn)行吸附、過濾、凈化處理，并將過濾、凈化后的空氣對miniLED燈管進(jìn)行循環(huán)的空冷散熱處理，再將其經(jīng)微風(fēng)循環(huán)導(dǎo)出至與LED燈管相對的一側(cè)區(qū)域，使得出風(fēng)處與光照區(qū)域錯開，在保證空氣的過濾、凈化效果和miniLED燈管散熱效果的同時，還能依靠人體無風(fēng)感式的出風(fēng)結(jié)構(gòu)，來提高使用的舒適程度。本研究將所處環(huán)境內(nèi)的溫度情況、有害顆粒物濃度情況和有害氣體濃度情況相結(jié)合，并將其經(jīng)賦值化的權(quán)重處理與層次比對，得出各過濾凈化級信號，據(jù)此對所處環(huán)境內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況做出針對性的改善與優(yōu)化，達(dá)到智能化的節(jié)能、降耗效果；還將溫度變化狀況與光照差異狀況相結(jié)合，并經(jīng)疊進(jìn)式的修正化公式分析和層次比對，得出各光照信號，據(jù)此提供合理化的照明條件，達(dá)到智能化的節(jié)能、降耗效果。將miniLED燈具與智能藍(lán)牙音響和空氣凈化相結(jié)合，實現(xiàn)健康、便捷、智能和降耗的使用效果，還可以在移動端安卓、iOS系統(tǒng)實現(xiàn)對智能一體化miniLED燈具空氣凈化、LED亮度、智能藍(lán)牙音響進(jìn)行監(jiān)測和控制。

圖3 智能一體化miniLED燈

6 結(jié)束語

中小學(xué)校教室照明問題的形成是多方面的，包括平面布置設(shè)計方案問題、燈具選型和質(zhì)量問題、照度監(jiān)測和管理問題等，需要系統(tǒng)地分析和研究。本研究把IFD微靜電除塵空氣凈化器技術(shù)、新型miniLED照明技術(shù)有機(jī)結(jié)合應(yīng)用于學(xué)校教室、閱覽室、體育場館等場所照明，將護(hù)眼、空氣凈化、智能控制融為一體，全方位呵護(hù)中小學(xué)生的視力，凈化教室相對封閉空間的空氣，為學(xué)生提供符合用眼衛(wèi)生要求的健康學(xué)習(xí)環(huán)境，從而一定程度上緩解青少年的近視問題，促進(jìn)青少年的身心健康。