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徐代升:健康光环境相关问题探讨

2020-01-09 文章来源:中照网 阅读原文

随着新一代光源LED光源技术和控技术的进步,现代早就不在只关注亮环境了,而是朝着关注对人们健康的影响发展了。如何通过来构建健康、舒适的光环境,已成为民生关注的热点问题,2016年欧洲组织发布2025年战略发展图路线,确“以人为本的”作为今后发展的核心。

健康是通过,改善并提高人们工作、学习、生活的条件和质量,促进心理和生理健康,因此构建健康的光环境是健康基础。鉴于LED光源的诸多优点,尤其是其可控性好这一点,使它必将成为构建健康光环境的主要光源。要用LED光源构建健康光环境,必须先确健康光环境是怎样的?在此笔者发表一点自己的浅见,就相关问题进行一些探讨。

1、健康光环境光源的光谱组成

人类进化的历史长河中,一直沐浴在太阳光里。图1给出了大气层外及海平面太阳光谱分布示意,从图中我们可以看出,太阳光谱主要包括紫外、可见及红外(780nm~1mm)光谱。大气层外太阳全部辐射能中,波长在150nm~4000nm之间的占99%以上,可见光区占太阳辐射总能量的约50%,红外区占约43%,紫外区的太阳辐射能较少,只占总量的约7%。在地面上观测的太阳辐射的波段范围大约为295nm~2500nm。短于295nm和大于2500nm波长的太阳辐射,因地球大气中臭氧、水气和其他大气分子的强烈吸收,已基本不能到达地面。

图1 大气层外及海平面太阳光谱辐度分布

人类在长期的进化过程中,已经适应和习惯了太阳光谱的射,因此对人及自然界生物来说,太阳光谱是最健康的光谱。太阳光谱中,紫外光具有杀菌消毒的作用,可以杀灭螨虫等微生物或病原体,促进维生素D合成,对佝偻病和软骨症有预防和治疗作用,还能预防老年人骨质疏松症,有消炎止痛、促进局部血液循环、调节免疫力等作用;红外光在人体组织代谢、血液循环、人体免疫功能增强等方面具有很好的治疗作用;同时对于肌肉痉挛、肌肉劳损、软组织损伤、身体组织消肿有治疗作用;可见光让我们感知五彩斑斓、色彩缤纷的大千世界,是视觉盛宴、精神愉悦的媒介。因此用人造光源LED来构建健康光环境,自然组成健康光环境的光谱成分应与太阳光谱一致。

就正常人而言普通的人造(特别是密闭的空间)健康光环境的光谱应与太阳光谱一致,但对于特殊人群,譬如小孩、老人、病人等室内活动空间,光环境中是不是要有太阳光谱里没有的光谱、还是要去掉太阳里的某些光谱,才是最健康的光环境,这些都值得进一步研究。

2、健康光环境光源的光谱密度

希望健康光环境与太阳光谱尽可能一致,但还必须对光谱密度进行控,无论紫外光还是红外光,太强都会对人体有害,可见光太强至少会造成眩光,也叫人不舒服。

2.1 强紫外光射引起的危害

紫外光射主要引起光化学反应和光免疫学反应,长波紫外线对人体健康的影响主要是皮肤、眼睛、免疫系统。

  对皮肤的影响。UV-A激活已存在于上部皮肤细胞中的黑色素,UV-A渗透到更深的皮肤层,结缔组织和血管等受到影响,UV-A使得皮肤逐渐失去弹性并开始起皱,导致过早衰老。最近的研究强烈地表它可能会促进皮肤癌的发展,初步认为UVA会增加细胞内的氧化应激。黑色素瘤是最严重的皮肤癌,是15-29岁群体中最常见的癌症之一,虽然黑色素瘤约占皮肤癌病例的3%,但它导致超过75%的皮肤癌患者死亡。强紫外光射对皮肤危害如图2所示。

  图2 强紫外光射对皮肤的危害

  对眼睛损害。眼睛占全身经常触光的表面积不到2%,是唯一可以让UV-A深入人体的器官。UV-A可以引起黄斑病变、光角膜炎和光合结膜炎,光角膜炎是角膜的炎症,而光结膜炎是指结膜的炎症。

  对免疫系统的影响。迄今为止的大多数实验都集中在UVB上,因为它似乎比UVA更有效的引起免疫调节,然而,近几年医学研究对UVA对免疫系统的影响研究一直在增加,有研究表,过量的UV-A会抑免疫系统功能。UV-A辐射被皮肤中的分子吸收,将导致免疫系统的一些关键分子和细胞的分布和活动发生变化,通过细胞和抗体改变免疫反应的平衡可能会降低身体抵御某些疾病的能力。人和动物免疫系统能力下降,表现为容易患各种疾病。

  2.2 强可见光射引起的危害

  射可见光太强至少会造成眩光,叫人不舒服。可见光波段对人体健康的影响主要是指高能可见光(HEV),即波长在400-490nm范围的蓝光,他会产生对人眼视网膜的损伤,医学上把HEV称为蓝光危害(BLH)。

  长期在HEV环境中,有一些个体会引起不可逆的视觉细胞损伤,老年后增加黄斑病变的风险,黄斑病变使人失去视力能力,因是不可逆转的病变,将无法治疗。图3给出了蓝光危害致视觉细胞损伤引起黄斑病变情形。

  图3 蓝光危害致视觉细胞损伤引起黄斑病变

  2.3 强红外光射引起的危害

  近红外光射让人体并没有显发热的感觉,许多人甚至感觉不到发热,这使得近红外线对眼睛和皮肤等敏感组织特别危险。人的眼睛无法检测到近红外线,因此,不会发生眨眼或闭眼帮助预防或减少伤害。人长时间在这种含有近红外线光谱下工作,近红外线会提高了眼睛的内部温度,不断“烘烤”着人眼。

  医学研究表,长时间触红外线会导致晶状体,角膜和视网膜损伤,角膜溃疡和视网膜灼伤,人眼长期受到高强度红外线辐射会产生玻璃体浑浊,对于一些体质的人老年后容易产生白内障。

  近红外线通过其热辐射效应使皮肤温度升高, 毛细血管扩张, 充血, 增加表皮水分蒸发等直对皮肤造成不良影响。过量的红外线辐射使得人体皮肤温度升高, 毛细血管扩张充血, 增加表皮水分蒸发等直对皮肤造成不良影响,皮肤会过早衰老和色素紊乱,甚至出现红色丘疹。图4是强近红外线辐射引起的人体红色丘疹片。

  图4 强近红外线辐射引起人体红色丘疹

  2.4 各种光谱辐度的合理值

  图5给出了一组自然可见光谱相对强度的分布情况。从太阳光谱辐度分布图1和图5可以看出,在可见光波段各光谱辐度差别,除紫光部分小一点外,其他光谱辐度差别不是很大,因此可在满足GB50034-2013室内指标要求的条件下,对可见波段太阳光谱辐度的比例,构建健康光环境可见光谱部分辐度大小。

  图5 一组自然可见光谱相对强度的分布

  在IEC 62471:2006灯与灯系统的光生物安全标准[1]中,在标准文本P29~P42页给出了从紫外到红外辐射对皮肤、眼睛、视网膜伤害发射限值(Hazardexposure limits),并将伤害的结果分成豁免级、低风险和中风险三个等级,表1归纳总结了标准给出的结果。

  表1 IEC62471:2006各种光谱伤害曝光限值要求 

  在IEC 62471:2006标准中,还将紫外、红外、蓝光对皮肤和眼睛的危害划分为光谱辐度和光谱辐亮度两个大类,具体参数见表2(原标准为表5.4)和表3(原标准为表5.5)。度就是视光源为一个点光源测定其投射到单位面积上的能量;亮度是把人眼作为一个点去直视光源。

  表2对皮肤表面和视网膜发射限量(度值为准)

  表3 对视网膜发射限量(亮度值为准)

  这个IEC 62471:2006被欧盟采纳并加严了部分要求后变成了EN 62471:2008,并在EC/244/2009 EUP指令中要求强执行。2014年出版的IEC 60598-1-2014中加入了IEC/TR 62778:2014 蓝光危害项目,并强执行。国内参IEC62471:2006发布了GB/T 20145-2006,其次GB7000.1-2015也参IEC 60598-1-2014增加了IEC/TR 62778的要求。在构造健康光环境非可见光谱参数值时,我们有必要遵循上述标准给出的发射限量。

  3、健康光环境光源的性能评价

  构造出了人造的光环境,到底这样的光环境是不是健康光环境,还必须进行科学的评价。如何评价,这也是一个值得深入探讨的问题。

  3.1 健康光源光谱评价

  图6、图7是用LightingPassport测量的某一天太阳光和普通白炽灯的R1~R15的显色指数,同时也算出了Ra、Re。从两图中可以看出,某一天太阳光和普通白炽灯的R1~R15的显色指数几乎相同,甚至白炽灯还好一点。但如果来看它们的光谱相对强度分布图8、图9,很快发现某一天太阳光和普通白炽灯的光谱相对强度分布图相差很大。

  图6 某一天太阳光的各种显色指数(左)

  图7 白炽灯的各种显色指数(右)

  图8 某一天太阳光谱的相对强度分布(左)图9 白炽灯光谱的相对强度分布(右)

  大家一致认同太阳光谱是最健康的光谱构成,因此营造健康光环境的光源,不仅可见光波段与太阳光谱R1~R15的显色指数非常近,而且相应的光谱强度分布也应大致相同,同时还要有紫外和红外光谱,且其光谱强度也应遵循2.4所述,并占比也与太阳光大体一致。可以认为光源光谱强度分布图与太阳光光谱强度分布图吻合度大的产品,同时又满足显色指数、色温、度、亮度、频闪、眩光等指标要求的产品应该是健康产品。

  因此,如果用积分球或LightingPassport测量某产品,其Ri(i=1~15)值与太阳光对应的Ri值每一个的差别都小于10的话,可认为该产品在光谱上是满足健康光源要求的。太阳光谱的特殊显色指数Ri(i=1~15)理论上都是100。

  3.2 健康光源光谱相对强度评价

  对于太阳光谱的分布参数,CIE有NO.20和NO.85两个标准。GJB/T 150.7A—2009[2]与GB/T2424.14—1995采用了国际委员会第20号出版物CIENO.20 的太阳辐射光谱分布;GB/T1865—2009,GB/T14522—2008,GB/T 16422.1—1999则采用了CIE NO.85[3]出版物中的太阳辐射光谱。

  CIE NO.20标准中,太阳辐射光谱波长范围设定为280~3000 nm,共划分了19 个带宽,紫外线和可见光区域间隔为40 nm,红外线区域间隔大多为200 nm,总的辐度为1120 W/m2。GJB/T 150.7A—2009 确表示该光谱代表了海拔4~5 km 环境的光谱,且强调在海平面和高海拔地区都使用此光谱;GB/T 2424.14—1995 则笼统说是地球表面环境。

  CIE NO.85 提供了海平面的日光光谱辐度,其大气衰减参数:相对空气质量为1,水蒸气含量为1.42cm 沉积水,臭氧含量为0.34 cmSTP,地表反射率为0.2,空气溶胶消光厚度(在λ=500 nm 处)为0.1 或0.27。它提供的海平面光谱波长范围为305~2450 nm,104 个波长太阳光的辐度值,紫外线区域波长间隔为5~10 nm,可见光区域和红外线区域波长间隔为10~20 nm,红外线区域最大波长间隔达到90 nm,总辐度因空气溶胶消光厚度不同而不同。当相对空气质量为1,空气溶胶消光厚度(在λ=500nm 处)为0.1,0.27 时,总辐度分别为1090.40 W/m2和 1074.91 W/m2。

  为了比较不同光谱分布辐度的大小,根据CIENO.20 和CIENO.85两出版物的光谱分布数据统计相同带宽的辐度,统计结果如表4所示[4 ]。从统计结果来看,两个标准的差别并不特别显。但大气环境中许多因素会降低太阳光到达地面的光谱辐度,因此CIE NO.85 波长范围较窄,光谱更准确、更细致,更近地面太阳光射情况。

  表4 不同出版物日光光谱辐度

  CIENO.20 和CIE NO.85这两个标准,在健康光源光谱相对强度评价中如何参及具体应用,还有待笔者进一步研究。

  4、结束语

  健康已是领域的热门话题。综上所述,健康主要是指用于的人造光源光谱与太阳可见光谱非常近(即仿自然光),R1~R15的显色指数都大于90;光源有害光谱成分剂量在安全范围内的前提下,光谱强度分布尽可能与太阳光谱的一致。

  必须满足场所的功能性要求和人们的心理要求,既要求灯光的舒适度,又要求灯光在色温、亮度、光与影的和谐度方面满足人们的心理情绪。期望人们对健康内涵进一步确后,能给出健康光环境的评价标准,为健康光环境的营造提供科学可靠的依据。

  参考文献:[1]Reference Number CEI/IEC 62471:2006,Phtobiological safety of lamps and lamp systems[R].[2]GJB/T 150.7A—2009, 军用装备实验室环境试验方法第7 部分: 太阳辐射试验[S][3]Commission Internationale delEclairage. CIE Publication NO.85 Solar Spectral Irradiance[R]. Paris: 52 Bd Malesherbes, F-75008, 1989.[4]赵立华, 唐其环.太阳辐射试验标准中的太阳光谱分布[J].装备环境工程. 2017,14(11):65~70.

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