LED智能照明在中小學教室中的應用
良好的照明環(huán)境對中小學生的生活和學習起著 非常重要的作用。
中小學生正處于知識大量積累和 身體快速發(fā)育的青春期，良好的照明環(huán)境不僅能使 學生快速融入到相應學科的學習環(huán)境，形成持久有 效的場景記憶和知識積累，在學習與考試中集中注 意力，還能夠降低學生視覺疲勞的頻次和時長，減 少眩光對眼睛的刺激程度，降低近視產(chǎn)生的外部因 素，使學生產(chǎn)生身心愉悅的良好感受，從而幫助學 生實現(xiàn)較好的學習和健康成長。
1中小學教室照明的要求
目前，我國對中小學的照明進行規(guī)范的文件, 主要包括GB 7793 —2010《中小學教室采光和照明 衛(wèi)生標準》、GB 50099—2011《中小學校建筑設計 規(guī)范》及GB 50034—2013《建筑照明設計標準》。 此外，各個地區(qū)在實際的教室照明實踐中，根據(jù)區(qū) 域性特點，也陸續(xù)編制了地方性的技術標準，其中 最有代表性的為上海市在2011年發(fā)布的DB 31/ 539—2011《中小學校及幼兒園教室照明設計規(guī) 范》，針對中小學校的教室照明設計進行全面細致深入的規(guī)范。以上各標準及規(guī)范均對教室照明的照 度、均勻度、色溫、顯色指數(shù)、眩光及功率密度提 出要求（見表1)。從國家乃至地區(qū)對教室照明規(guī)范 的不斷更新來看，無疑是有所進步的。但遺憾的是， —方面，基于我國目前大體的教室照明現(xiàn)狀，所制 定的照度要求普遍比歐美、日本等發(fā)達國家低_個 等級（見表2),另一方面，盡管標準中對照明質(zhì)量 有所要求，但對于具體的測試測量、評估評判方法 手段尚未作明確的規(guī)定，落實到標準規(guī)范具體條款 的執(zhí)行上則有一定的折損。
2.我國中小學教室照明的問題
目前，我國大部分的中小學教室照明，都是使 用熒光燈管作為光源，或直接使用“燈管支架（含 電氣部件）+裸露燈管”方式，或應用“燈具（格 柵燈盤/黑板燈具）+熒光燈管光源”方式，來實 現(xiàn)教室的基本照明和黑板照明（圖1)。
這種照明形 式大多存在如下幾個方面的問題：
1) 課桌照度普遍不足。根據(jù)對我國六個區(qū)域 99所學校建筑的照明調(diào)查結果，教室的實測照度多 數(shù)在200lx與300lx之間，平均照度為232lx,實際 照度和設計照度均偏低 (圖2)。
2) 黑板照明均勻性差。一般使用熒光燈管 (或帶反射罩的）作為黑板燈使用，造成黑板的上 部太亮，以致學生易分辨不清黑板上部板書的白色
粉筆字，而下部太暗，照度不足，學生看不清書寫內(nèi)容（圖3)。
3) 眩光明顯易刺激眼睛。教室普通照明用燈 管支架+熒光燈管方式照明，光源裸露在外，學生 容易直接看到光源而眼睛受到刺激，通過使用格柵 燈盤有一定改善，但仍無法完全避免。黑板燈如直 接使用熒光燈管，學生和教師都會受到其眩光的影 響，影響學習效率，如通過加反射罩方式，雖可使學生避免眩光，而教師受到眩光的刺激則會有所加劇（圖4)。
4) 高色溫易引發(fā)視覺疲勞。目前仍有許多教 室照明使用高色溫 6500K 的熒光燈管。有研究表 明，高色溫的照明雖能使人集中注意力，提高警惕 性，但長時間的高色溫照明易誘發(fā)視覺疲勞，進而 產(chǎn)生心理疲勞，因此長期記憶的效果并不佳，甚至 易導致心理產(chǎn)生焦慮、厭倦等負面情緒。
5) 總體能耗較高。從調(diào)查教室照明來看，一 般標準的中小學教室的單個教室的燈具配置，大多 為 “3 ×3 ×2 +3”的方式，即三行三列雙管40W 燈 盤 ( T8 居多) 作為教室的基礎照明，加上三根 40WT8 熒光燈管 ( 或配備反光罩) 作為黑板照明， 總功耗約為 840W，綜合計算整個學校所有年級班 級的照明功耗及電氣損耗，能耗著實不低。 除上述主要問題點外，使用熒光燈管作為教 室照明光源，還存在著頻閃嚴重、有噪聲、壽命短等方面的缺陷，影響著教學活動的質(zhì)量和效果。
3 LED 智能照明在中小學教室的 應用
LED 作為第四代照明光源發(fā)展至今，已取得了 一定的技術研究成果，目前廣泛應用在道路照明、 商業(yè)照明、辦公照明等領域。從其實際使用情況來 看，確實取得了很好的照明效果和節(jié)能效果。而在 教室照明領域，盡管部分廠家使用 LED 燈管來替換 熒光燈管，在節(jié)能方面取得一定的成功，但仍無法 改變目前教室照明的整體困境。
3. 1 LED 智能照明系統(tǒng)介紹
筆者的研發(fā)團隊認真研究教室照明的特點， 分析光色對人體的感官認知及記憶的不同作用， 結合人在不同時段所表現(xiàn)出的自然規(guī)律，在 LED 照明特性和教室照明需求中尋找均衡的結合 點。經(jīng)過不懈努力，綜合光色學、生物學、 智能控制、熱力學、機械結構等多門學科相 關知識點，創(chuàng)新性地建立 “四維照明”概念，研 發(fā)出一套適用于中小學標準教室的智能照明系統(tǒng)， 經(jīng)過實踐，較好地解決了中小學教室照明目前存 在的一些問題，為中小學教室的照明需求提供了 綜合解決方案。 在教室照明中，為避免由于學生在課桌與黑板 間切換視線，各表面亮度差值過大而造成的相對眩 光，主要關注點除了課桌水平面的照度分布情況外， 還包括地面照度、天花照度、黑板照度等各個面的 照度情況，基本囊括了教室整個三維空間環(huán)境的照 明情況。此外，考慮自然光在不同時段的色溫、亮 度變化情況，以及人體在一天不同時段的生理變化 規(guī)律，采用智能控制技術來設定不同時段不同效果 的照明模式，即以時間為第四軸，再加上照明空間 的三個維度，這就構成了 “四維照明”的核心思想 ( 圖5) 。
整套 “四維照明”中小學教室智能照明系統(tǒng)主 要由四大核心模塊組成 ( 圖6) ，即負責教室主照明 的立體照明 LED 燈盤、負責黑板照明的偏光型 LED 黑板燈、內(nèi)嵌到燈具的高精度感光系統(tǒng)和連接各燈 具、感光器件及控制調(diào)節(jié)不同照明模式的智能控制 系統(tǒng)。
3.2 LED智能照明系統(tǒng)的特點
該LED智能照明系統(tǒng)具備如下特點：
1)立體照明LED燈盤通過增加兩側出光遠距 離投射及背面出光進行間接反射照明，增加整體空 間的照度及均勻度，由于分散了發(fā)光方向，可以控 制主出光面表面發(fā)光亮度，同時在主出光面使用防 眩格柵，確保肉眼直視主出光面無眩光感（圖7)。
2)偏光型LED黑板燈通過自主專利技術設計 偏光型透鏡，實現(xiàn)90° ~270°平面的配光為垂直等 照度偏光，更多的光效投射到距離更遠的黑板底部， 達到黑板上下部照度較一致，而0° ~180。平面的廣 角配光，保證兩黑板燈中間處不會暗影，能確保實 現(xiàn)黑板照明均勻度為0. 8。同時注意在遮光罩靠近外端處通過截光板進行截光，避免教師在板書過程中 直接受到光源光線的刺激 ( 圖8) 。
3) 通過內(nèi)嵌燈具的高精度感光系統(tǒng)，確保燈 具投射面處的照度達到預設值，并通過自動調(diào)節(jié), 實現(xiàn)大于0. 8的照明均勻度，符合GB 50034—2013 《建筑照明設計標準》中規(guī)定的照度均勻度大于0. 6 的要求。無論教室外的自然光是處于陰天還是晴天, 使用時段是處于白天還是夜晚，都能精準定位到相 應的照度檔位（圖9)。
3) 智能控制系統(tǒng)通過控制芯片編譯軟件向各 燈具發(fā)送控制信號，能有效調(diào)節(jié)各主照明LED燈盤 的光輸出和光色的變化，以匹配不同學科、不同時 段、不同教學活動等的照明需求。
4) 經(jīng)過對不同亮度-色溫分別組合的多種情
況（亮度可調(diào)，色溫調(diào)節(jié)范圍為3000K~5500K) 對人的記憶規(guī)律、生理變化規(guī)律的影響的調(diào)查研究， 發(fā)現(xiàn)了不同照明情況對應文科教學、理科教學、自 習、課間休息、考試等各種教學活動的積極作用， 在智能控制系統(tǒng)中預設了包括“文科” “理科”、
“自習“課間“考試“午休”等多種燈光情 景模式，并可根據(jù)學校課程表次序，自主編程組合, 設定好本教室全學期的照明程序，實現(xiàn)教室照明的 自動化、智能化管理（圖10)。
3.3應用案例分析
3.3.1黑板燈使用效果
1) LED黑板燈仿真效果。為驗證黑板燈的配
光性能，把黑板燈放在長度為9.0m,寬度為7.0m 的教室3D場景中，運用Dialux照明仿真軟件進行 照明仿真。當黑板燈輸出光通量為2600lm時，維護 系數(shù)取0.8，仿真效果和數(shù)據(jù)分別如圖11和圖12 所示。由仿真模擬結果可看出，照度和均勻度等各 項參數(shù)滿足標準要求。
2) 黑板燈實際效果。黑板燈開發(fā)完成后，筆 者團隊選擇某學校教室進行實際安裝測試。如圖 13 所示，黑板長度為 4. 0m，寬度為 1. 2m，照度測試 取點位置參照 GB/T 5700—2008 中照度測量之中心 布點法，標準中推薦測試點間距為0. 5m × 0. 5m。 由于劃分網(wǎng)格時網(wǎng)格宜為正方形，考慮到黑板的尺 寸為4. 0m × 1. 2m，在參考標準的基礎上我們采取 更嚴格的間距 0. 4m × 0. 4m 進行網(wǎng)格劃分。測試時 將黑板平均劃分為 30 ( 10 × 3) 個正方形網(wǎng)格，量 好長度之后在每個正方形網(wǎng)格中心上對應位置貼上 標簽做取點標記。
使用照度計在黑板表面每個點進行對應照度測 試，然后整理數(shù)據(jù)計算黑板表面平均照度與照度均 勻度，測得各點照度數(shù)據(jù)如表 4 所示。
根據(jù)測試照 度值可以計算出黑板面照度平均值 Eav1 = 663lx，最 小照度值 Emin1 = 550 lx，進而可以算出黑板面照度 均勻度 U01 =0. 83。其中照度測試值為燈具新裝值， 考慮維護系數(shù) 0. 8 后，可知黑板面照度維持值為530lx，與場景仿真模擬結果相符，滿足各標準中對 黑板照度的要求。
圖14為使用筆者團隊開發(fā)的黑板燈后某教室黑 板的照明效果。可以看出黑板照度均勻性良好，已 沒有黑板上部偏亮，下部明顯偏暗的不良情況，比 傳統(tǒng)黑板燈效果有很大改善。
3. 3. 2 LED 智能照明系統(tǒng)使用效果
1) LED 智能照明系統(tǒng)仿真效果。
筆者研發(fā)團 隊選擇具有典型代表性的長度為 9. 0m，寬度為 7. 0m 的教室，運用 Dialux 照明仿真軟件建立了教室 的3D 模型。把設計的 LED 燈具數(shù)據(jù)導入到場景模 型中進行照明仿真計算，用以驗證設計方案的可行 性，整體空間照明效果如圖15 所示。
立體照明LED燈盤每個燈盤總發(fā)光通量為 3000lm時，在0.75m水平面（課桌面高度）7. 0m X5. 6m的學生課桌面區(qū)域，照度維持值（維護系 數(shù)取0.8)為336lx，照度均勻度可做到0.82。探測 區(qū)域照度灰度等級圖和仿真結果如圖16所示。根據(jù) 照明場景仿真計算結果，筆者團隊發(fā)現(xiàn)，如3.2節(jié) 1)中所述增加了側發(fā)光與背發(fā)光的立體照明LED 燈盤在增加三維立體空間的照明均勻度，降低空間 眩光效應方面有良好表現(xiàn)。
2) LED智能照明系統(tǒng)實際效果。如1)中所 述，經(jīng)過仿真分析，立體照明LED燈盤在增加三維 空間照明均勻度方面表現(xiàn)良好。筆者團隊在此基礎 上開發(fā)出具體LED照明燈具，結合LED黑板燈與 智能控制系統(tǒng)，組成LED智能照明系統(tǒng)，并在模擬 場景對應教室進行試安裝。當照明系統(tǒng)調(diào)整到正常授課模式，黑板燈與LED主照明燈盤同時點亮，色 溫調(diào)整到4000K，亮度調(diào)整到中等亮度時，參照 GB/T 5700—2008中照度測量之中心布點法，在 0.75m水平面（課桌面高度）7.0m X 5. 6m區(qū)域內(nèi) 取6 X 5共30個點測試照度，測得照度值如表5 所示。
根據(jù)測試照度值可以計算得到整個教室的照度 平均值為EaV2 = 427 lx，最小照度值E—2 = 347 lx， 進而計算得到照度均勻度為U02 =0. 82,照度值考慮 維護系數(shù)0. 8后為342lx，與Dialux場景照明仿真得 出的值相符，該LED智能照明系統(tǒng)可滿足教室照明 所有標準對照度及均勻性的要求。
圖17為實際照明效果，LED智能照明系統(tǒng)工作 時，除了照亮燈具下方課桌面區(qū)域之外，從燈盤背 部和側面發(fā)出的光還能照亮教室上部空間，使整個 教室空間下部和上部的空間亮度對比度下降，降低 教室內(nèi)因上部偏暗產(chǎn)生的空間壓抑感；同時還可以 降低眩光效應，增加舒適度。在正常授課時使用， 可提高學生心理和感官的舒適性，對學生的心理發(fā) 展和成長有益。
除了上述的發(fā)光面可控外，LED智能照明系統(tǒng) 還能實現(xiàn)亮度可控、色溫可控等功能。可以根據(jù)不 同場合的需要，進行調(diào)整搭配。如低色溫低亮度可 以用于課間午休時段，給學生營造安逸、靜謐的休 息環(huán)境；中間色溫中等亮度可以用于正常授課和自 習時段；高色溫高亮度可以用于動手課、辯論課等 需要充分調(diào)動學生情緒和參與積極性的場合。
3.3.3統(tǒng)一眩光值（UGR)評估
LED智能照明系統(tǒng)在3. 3. 2小節(jié)中所述的工作 狀態(tài)下，選取5個典型位置點評估統(tǒng)_眩光值 (UGR)。如圖18所示，5個位置點在教室中代表位 置與UGR評估值分別為：
1)后排中間學生位置，UGR = 12; 2)教師所 處黑板邊緣位置，UGR = 12; 3)教師正常授課位 置，UGR = 10; 4)前排邊緣學生位置，UGR = 13; 5)后排邊緣學生位置，UGR = 14。
其中1、4、5三個點測試探頭高度取學生坐姿 眼睛高度1.2m; 2、3兩個點測試探頭高度取教師 講臺上站姿眼睛高度1.5m (距離講臺面）。評估結 果表明在LED黑板燈與燈盤設計過程中采取的眩光 值限制手段有非常明顯的效果，可以使教室空間的 UGR值降到16以下，滿足人眼觀察物體時舒適度 的要求。
4結束語
中小學學校作為學生長期生活、學習的場所， 健康的光環(huán)境對中小學生的茁壯成長起著良性的促 進作用。我們精準的配光設計、均衡的產(chǎn)品設計以 及智能化的LED系統(tǒng)設計，實現(xiàn)了教室照明品質(zhì)的 提升。通過在部分試點教室中的實際應用及測試驗 證，確實筆者設計的LED智能照明系統(tǒng)對教學質(zhì) 量、師生視覺感受、學生記憶效果、降低能耗等均 有改善。
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