教室照明設計中的光源選擇

李仁杰 王俊杰

1 山西經濟管理干部學院（山西 太原 030000）2 華能新能源山東分公司（山東 濟南 250000）

0 引言

白熾燈因價格低廉，自問世后迅速在全球范圍內得到廣泛應用，給成千上萬的家庭送去了光明。然而，隨著全球環(huán)境問題日益嚴峻，人們逐漸認識到“綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展”的重要性，開始大力提倡環(huán)保節(jié)能光源的應用，也研發(fā)了各種各樣的環(huán)保節(jié)能燈具。LED燈具作為其中的佼佼者，現(xiàn)已在各個領域得到廣泛應用，使照明市場的格局發(fā)生了很大的改變。LED是一種發(fā)光二極管，通過電流時能夠將電能直接轉變成可見光，且轉換效率高，即使長時間使用，燈具的溫度依然很低。LED作為一種冷光源，是當今世界人類照明方式的第四次飛躍，具有壽命長、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，在未來照明市場上擁有非常廣闊的發(fā)展前景。在此背景下，LED光源在教室照明中得到迅速發(fā)展與普及。

1 LED光源的發(fā)光原理

以固態(tài)半導體芯片為發(fā)光材料，通過向芯片兩端施加正向電壓，半導體中的載流子出現(xiàn)復合情況而放出過剩的能量，進而使光子發(fā)射產生光。目前，國內市場上的白光LED主要通過藍色LED芯片激發(fā)黃色熒光粉，從而形成白光。由于LED發(fā)射光譜的色溫多種多樣，因此其與激發(fā)黃色光粉的發(fā)光光譜比例也不同[1]。相較于低色溫LED光譜，高色溫LED光譜中含有的藍光更多。

在未來，類太陽光LED將在全球照明領域中得到大范圍應用，其發(fā)光原理是通過紫光LED激發(fā)熒光粉，從而形成紅、綠、藍三色光。與以往的LED相比，此種新型光源的光譜與太陽光更接近，大幅度減少了藍光，但是其價格較高，尚未得到大范圍使用。

2 教室照明設計中LED光源的應用優(yōu)勢

（1）光的利用率和燈具的能效更高。以往的熒光燈可以在發(fā)光的圓柱面上全方位發(fā)光，然而將該燈具應用到室內頂面時，會引發(fā)一個很大的問題，即該燈具發(fā)出的光僅有40%能被充分地直接照射到工作面上，其余60%則會通過燈具反射器的反射而照射到工作面上。然而，即使是性能最佳的燈具反射器，其反射效率最高也僅有70%，這就造成了大量電能的浪費。目前，市面上現(xiàn)有的高效三基色熒光燈管光效在104.2 lm/W左右，加上電子鎮(zhèn)流器的損耗，其效率在94.2 lm/W左右，當燈具處于正常運行狀態(tài)時，其總效能也僅有71.3 lm/W左右。當LED照明燈具色溫為4 000 K日光色、顯色指數(shù)≥80且R9＞10時，能夠輸出較為舒適的光，且其在正常運行過程中具有的效能為95～100 lm/W。即該新型燈具能夠在確保光照舒適性的同時保證高發(fā)光效率，能夠有方向發(fā)光且具有很高的光利用率[2]。

（2）黑板燈的照度具有更高的均勻度。相關規(guī)范中明確要求中小學教室的黑板寬度為2 m，而以往的熒光燈管，32 W或36 W的發(fā)光體長度多為1.2 m，58 W的發(fā)光體長度為1.5 m。由此可見，在教室黑板中選擇以往的熒光燈具進行照明，若采用2×T8 32 W/36 W的燈具，燈光長度會影響黑板的照度和照度均勻度，使之難以達到相關規(guī)范和要求；若選用2×T8 58 W的燈具進行照明，能夠在極大程度上改善照度均勻度等問題，但難以獲得較為科學的比例，且能效指標和教室的照明功率密度會增大，不符合相關指標值[3]。通過調查某地七十多所中小學校的教室發(fā)現(xiàn)，這些學校教室采用傳統(tǒng)熒光燈照明方式，其黑板照度均勻度項目合格率非常低，不到20%。但是，由于LED照明燈具的光源形狀與光分配具有精準性、任意性的特點，故而既可以確保照明功率密度符合相關規(guī)范，又符合黑板的照度與照度均勻度的相關規(guī)范。

（3）超長的使用壽命和較低的維護成本。從國家層面上看，要想確保我國節(jié)能減排、節(jié)約型社會建設目標的順利實現(xiàn)，需要盡量延長照明燈具的使用壽命，并減少其維護成本。若照明燈具的使用壽命較短，那么會在很大程度上增加燈管生產過程的能耗和污染，也需要花費更多財力和人力維護照明燈具。從使用單位層面上看，照明燈具的使用壽命和維護成本直接影響使用維護的物力與人力成本。以往的熒光燈具盡管其燈管標稱使用壽命在8 000～10 000 h，但是因受到所配置鎮(zhèn)流器指標的制約，使之在保持超過70%光輸出的過程中，使用壽命縮短至6 000～7 000 h，故而幾乎每年需要更換一次熒光燈燈管。LED燈具的價格雖然高出傳統(tǒng)燈具的1.2倍左右，但其在性價比上具有十分顯著的優(yōu)勢，其使用壽命有3～5年，且綜合維護成本遠低于傳統(tǒng)光源燈具，僅是傳統(tǒng)燈具的20%左右[4]。

（4）在智能化與人性化高效照明上展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。LED燈具最顯著的優(yōu)勢在于其優(yōu)良的調控功能，選擇這一新型光源，能夠真正實現(xiàn)智能化與人性化的照明。在以往的照明控制中，人們會通過組合熒光燈和電子鎮(zhèn)流器實行調光與控制，若下調燈光，會在很大程度上降低系統(tǒng)效率，還會由于熒光燈的電極溫度過低，縮短燈具的使用壽命。LED能做到1%～100%的調光，且能夠迅速響應，在光輸出下調運行過程中依然能夠在很大程度上延長燈具的使用壽命。若借助微處理系統(tǒng)實行調控，能夠在沒有人時，自動調整到1%～3%的光照，這時既可以看清四周的障礙物，又可以極大限度地節(jié)省電能；在有人進入時，又可以立刻恢復到正常照明[5]。此外，LED光源能夠按需調色溫和控制調光、遠程遙控等，從而有效提高照明質量，實現(xiàn)人性化與智能化的節(jié)能調控。

3 教室照明設計中LED光源存在的不足

（1）藍光加權輻亮度的影響。人眼直接看到輻亮度過高的光源時，視網膜可能會受到損傷。同時，相較于部分可見光譜，人眼并不具備較強的藍光耐受能力。為避免這一危害，需要研發(fā)有效的防護方式。結合國內外統(tǒng)一的相關規(guī)范和要求，藍光視網膜危險主要包括以下幾類：①無危險，即0類，藍光加權輻亮度≤100 （W·m-2·sr-1）。無危險類的科學基礎是即使人的眼睛長時間看到燈光也不會引發(fā)任何光生物危害。對高色溫的光源，如果其亮度＜105cd/m2，則其屬于0類危害。②低危險，即Ⅰ類，藍光加權輻亮度≤1×104（W·m-2·sr-1）。若燈的藍光加權輻亮度小于這一標準值，人眼長時間看到燈光也不會被損害。③中危險，即Ⅱ類，藍光加權輻亮度≤4×106（W·m-2·sr-1）。當人眼看到燈光時，不會出現(xiàn)對強光與溫度的不適反應；但若持續(xù)看到燈光10～100 s后，人眼就會出現(xiàn)不適感。④高危險，即Ⅲ類，藍光加權輻亮度＞4×106（W·m-2·sr-1），此時燈光會在短瞬間危害到人眼。據(jù)調查發(fā)現(xiàn)，當前市面上LED燈具的藍光視網膜危險大多是無危險或低危險類，有少部分燈具在打碎透光擴散罩后，才是中危險類。對于青少年兒童，因為其眼睛的晶體具有很高的藍光透過率，所以需要選擇藍光加權輻亮度為0類的照明光源。當前，LED的管燈表面亮度≤10 000 cd/m2，屬于豁免類，而LED平板燈具有較大且均勻的發(fā)光面積，其表面亮度為2 000～10 000 cd/m2。相較于傳統(tǒng)光源，其具有更優(yōu)的藍光加權輻亮度指標及良好的統(tǒng)一眩光指標[6]。

（2）藍光司辰效應影響。在21世紀之前，人們都認為人眼中起到視覺作用的是錐狀細胞與桿狀細胞，然而21世紀初時美國研究人員發(fā)現(xiàn)了司辰細胞，這一細胞說明了光是如何通過視網膜作用SCN產生光生物效應的“丟失的鏈接”的。藍光的波長約為450 nm，直接影響人體的司辰效應，可以在極大程度上抑制人分泌褪黑色素的能力，如圖1所示[7]。每天早晨當太陽光色從暖白光逐步轉變成冷白光時，人往往會充滿精神，且具有更高的反應敏捷性，這一時間段是一個人一天中學習和工作效率最高的時候；到了晚上，當太陽光的色溫從高色溫逐漸轉變成低色溫時，人被壓抑的褪黑色素會漸漸恢復分泌。教室用燈大多是在早上和晚上開啟，這時室內應用低色溫的LED光源，較易對學生的生理造成暗示，讓學生生理趨向于休息，從而降低其學習效率。

圖1 司辰效應

4 教室照明的標準要求及LED光源在教室照明設計中的應用

4.1 教室照明的標準要求

國內現(xiàn)行的有效的教室照明規(guī)范要求最先由上海市教育委員會提出，隨后多個國家標準和地方規(guī)范陸續(xù)出現(xiàn)。這些規(guī)范總體要求大致相同，即教室的平均照度和照度均勻度、黑板的平均照度與照度均勻度、顯色指數(shù)、光源色溫、統(tǒng)一眩光值、燈具效率與功率密度，均應滿足教室照明設計要求和節(jié)能要求。相關部門在建設學校教學樓和改造教室的過程中，必須按照要求的高指標實施。教室照明既要滿足規(guī)范要求，又要重點關注教室照明光的波動系數(shù)，嚴格按照國家標準燈具性能要求，科學設計教室照明光的波動系數(shù)，使之符合低風險級別。針對運動類教室，需要將其照明光的波動系數(shù)控制在無頻閃級別。

4.2 LED光源在教室照明設計中的應用

（1）教室學生區(qū)的空間照明設計。相關規(guī)范中提出，書桌上的平均照度應≥300 lx，照明光源的顯色指數(shù)應≥80，且應將局部照明燈具設定到黑板區(qū)域。然而，據(jù)調查發(fā)現(xiàn)，很多學校的教室照明并不合規(guī)，其在光源上大多選擇壽命短、光效低的熒光燈，這就致使教室照明度不僅無法滿足相關規(guī)范和要求，而且會導致大量電能消耗，引發(fā)頻閃等問題。假設教室的體積是10 m×6 m×3.6 m（長×寬×高），黑板照明區(qū)長度是3 m，座位照明區(qū)體積為8 m×6 m×3.6 m（長×寬×高），要求燈具與學生課桌之間應間隔1.8 m。通過計算可知，LED燈具的光通量是1 500 lm，因為該燈具的發(fā)光角為120～180°，幾乎為有效光，所以該燈具的利用系數(shù)為1，維護系數(shù)為0.7，燈具數(shù)量為15，最后得出LED燈具的平均照度為328 lx。T8直管熒光燈的光通量是2 500 lm，因為該燈具的發(fā)光角約為全方位的360°，存在較多的光通量浪費，僅有60%～65%的光被應用在實際照明上，所以該燈具的利用系數(shù)為0.6，維護系數(shù)為0.7，燈具數(shù)量為15。由此可見，LED燈具完全能夠取代T8直管熒光燈，且具有更好的光效和照明效果。

（2）教室黑板區(qū)的照明設計。針對教室內黑板區(qū)域的光源選擇，應確保其照度在常規(guī)照明與局部照明應用時為300～1 500 lx，在常規(guī)照明過程中，黑板面的照度應＞200 lx。為避免眩光，需確保黑板的照明不會對學生的視覺健康造成影響，且光源無法直接照到學生的眼睛，不會對教師的眼睛產生刺激。為讓學生更好地看清黑板，必須確保黑板照明讓黑板面保持較好的均勻度，即需要照亮黑板的最下方（最暗的地方），以提高黑板的照明均勻度[8]。

（3）注意對藍光的有效規(guī)避。盡管LED光源中的藍光成分是這一光源的固有特性，然而采用LED光源的LED燈具，可借助科學合理的硬件設計和光學處理手段有效控制藍光危害。同時，LED光源的色溫不同，則其帶來的藍光危害也不同，一般色溫越高，藍光危害越大，故而可通過控制色溫有效減少藍光危害。具體藍光的規(guī)避措施如下：①參照LED照明標準《燈具 第一部分：一般要求與試驗》（GB 7000.1—2015/IEC 60598-1:2014）和《讀寫作業(yè)臺燈性能要求》（GB/T 9473—2017）中有關條款的相關要求，合理設計教室照明中LED燈具的色溫，有效把控藍光危害等級，同時將色溫控制在4 000 K以內。由于藍光激發(fā)黃光熒光粉發(fā)光的LED燈會在極大程度上影響教室照明的環(huán)境質量，因此需要限定LED顯色指數(shù)，特殊顯色指數(shù)R9必須＞0，一般顯色指數(shù)Ra必須＞80，且不可選用藍光組別超過RG1 的光源。②LED教室照明燈具具備的視網膜藍光危害等級應為RG0無危害等級，在條件允許的情況下，建議學校應用光生物效應設計教室照明，達到情境照明與動態(tài)照明燈優(yōu)化效果。③針對燈具的選型，應采用相應藍光等級檢測合規(guī)的燈具，且燈具需具備控制藍光危害的光學處理手段與硬件設計，不可選擇能夠清晰看到LED光源中封裝器件的LED燈具，避免學生的眼睛直接接觸有害藍光。④由于兒童是受藍光危害的敏感群體，若教室內使用主要發(fā)出藍光的光源，必然會導致兒童的眼睛暴露在藍光危害之下，因此在兒童教室內應避免放置存在藍色指示燈的設備。

5 結束語

教室是青少年兒童上學期間每天所待時間最長的場所，只有良好的教室環(huán)境，才能確保學生健康成長，因此相關部門和學校必須高度重視教室的照明設計，通過選擇最為適宜的光源為廣大師生提供舒適、安全的視覺環(huán)境，從而提高教師的教學質量和學生的學習效率，并有效保證學生的視覺健康和心理健康。基于此，在實際的教室照明設計過程中，相關人員需要嚴格按照相關教室照明的規(guī)范，有效利用LED光源的優(yōu)勢，并采取措施解決該光源存在的問題，從而有效提高教室照明的質量。