健康與智慧照明的前沿趨勢(shì)探討*

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(jì)研究院有限公司 王麗娜

數(shù)字之光智慧科技集團(tuán)有限公司 吳傳炎

1 照明行業(yè)整體發(fā)展趨勢(shì)

人類照明先后經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈、LED時(shí)代。當(dāng)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(jì)等性能及功能方面均有顯著提升（見表1）。其內(nèi)涵也從簡(jiǎn)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(duì)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(jì)，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(zhǎng)到2018年4155億元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率16.97%，2021年預(yù)計(jì)達(dá)5900億元，增速遠(yuǎn)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(chǎng)，約占整體市場(chǎng)的45%；景觀照明約占16%；汽車照明是LED應(yīng)用的新突破點(diǎn)，獲得快速應(yīng)用。隨著行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇，企業(yè)開始向價(jià)值鏈高端和細(xì)分市場(chǎng)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(lán)皮書》顯示，國內(nèi)LED照明重點(diǎn)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(gè)方面。

健康照明、智慧照明是照明行業(yè)當(dāng)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(qiáng)人與場(chǎng)景的和諧互動(dòng)。同時(shí)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(jìn)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(jìn)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(huì)對(duì)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(gè)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(duì)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(jí)是必然趨勢(shì)，如何改善人居空間的用光環(huán)境是業(yè)內(nèi)關(guān)注要點(diǎn)。

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(lán)光芯片激發(fā)黃色熒光粉形成白光，藍(lán)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(lán)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(jìn)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(shì)。

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(jì)對(duì)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(dòng)健康干預(yù)手段，消除環(huán)境致病因素帶來的負(fù)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(dá)標(biāo)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(shí)間的近太陽光光譜，輻照強(qiáng)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(jìn)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(lán)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(duì)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(jì)，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(jì)，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(chǎng)。

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(shí)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(jìn)入“新常態(tài)”，人們也更加關(guān)注室內(nèi)照明質(zhì)量對(duì)健康的影響。同時(shí)，LED行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)已進(jìn)入存量時(shí)代，“健康”成為行業(yè)差異化競(jìng)爭(zhēng)的重要方向。半導(dǎo)體集成電路、光學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步均將推動(dòng)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(rèn)知不清等；LED光源在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用仍需大量機(jī)理性研究和臨床試驗(yàn)，需跨界聯(lián)合攻關(guān)。

3 智慧照明

智慧照明起步于20世紀(jì)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(jìn)入智能化時(shí)代，作為建筑、家居、社區(qū)、城市的入口級(jí)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(biāo)準(zhǔn)化白皮書》中對(duì)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(cè)、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(shí)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(zhǎng)，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(tái)、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(yùn)營(yíng)公司、設(shè)備供應(yīng)商、智慧城市頂層設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)商業(yè)價(jià)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(shí)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(dòng)，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(dòng)，作為最佳載體的智慧燈桿支持小基站的密集組網(wǎng)，同時(shí)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(huì)有大量智慧化升級(jí)機(jī)會(huì)，預(yù)計(jì)到2022年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)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(yùn)營(yíng)主體多導(dǎo)致協(xié)調(diào)難度大、標(biāo)準(zhǔn)和兼容性不統(tǒng)一、產(chǎn)業(yè)鏈過長(zhǎng)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(yùn)營(yíng)模式尚處于試點(diǎn)階段，仍需理清誰投資、誰建設(shè)、誰運(yùn)營(yíng)、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(zhǎng)、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(zhǎng)為200～280nm，能穿透生物細(xì)胞膜和細(xì)胞核，破壞DNA或RNA分子結(jié)構(gòu)，造成細(xì)胞死亡，達(dá)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(shì)包括：高效；廣泛；安全環(huán)保（不含汞）；節(jié)能、壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本低；體積小、設(shè)計(jì)靈活、安裝方便；輻射強(qiáng)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(fèi)電子細(xì)分領(lǐng)域，已涌現(xiàn)很多具有創(chuàng)意、實(shí)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(chǎng)規(guī)模預(yù)估年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)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(fèi)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(dòng)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(jī)。

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(qiáng)紫外線所產(chǎn)生的輻射會(huì)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(chǎng)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(jìn)一步提高大眾認(rèn)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(duì)可控條件下，采用工程技術(shù)手段，進(jìn)行動(dòng)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(diǎn)

光照是影響作物生長(zhǎng)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(shí)具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、單色光、冷光源、體積小等特點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)明顯，如表2所示。

表2 植物照明類型對(duì)比

植物照明主要應(yīng)用于溫室補(bǔ)光、全人工光植物工廠、植物組織培養(yǎng)、大田補(bǔ)光、家庭蔬菜及花卉種植等，可增加果實(shí)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(shí)現(xiàn)采前著色、降低硝酸鹽含量、延長(zhǎng)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(yuǎn)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(dá)國家得到迅速發(fā)展，國內(nèi)市場(chǎng)尚處于發(fā)展初期。據(jù)GGII數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2021年，我國LED植物照明系統(tǒng)產(chǎn)值規(guī)模將達(dá)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(jī)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(duì)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(yùn)營(yíng)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(jìn)一步開展LED光源及植物學(xué)的深入研究，提升單位產(chǎn)量，降低整體成本，加快標(biāo)準(zhǔn)制定，完善檢測(cè)認(rèn)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(jìn)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(jià)值。