LED智能照明在中小學(xué)教室中的應(yīng)用
良好的照明環(huán)境對(duì)中小學(xué)生的生活和學(xué)習(xí)起著 非常重要的作用。
中小學(xué)生正處于知識(shí)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(xué)生快速融入到相應(yīng)學(xué)科的學(xué)習(xí)環(huán)境，形成持久有 效的場(chǎng)景記憶和知識(shí)積累，在學(xué)習(xí)與考試中集中注 意力，還能夠降低學(xué)生視覺疲勞的頻次和時(shí)長(zhǎng)，減 少眩光對(duì)眼睛的刺激程度，降低近視產(chǎn)生的外部因 素，使學(xué)生產(chǎn)生身心愉悅的良好感受，從而幫助學(xué) 生實(shí)現(xiàn)較好的學(xué)習(xí)和健康成長(zhǎng)。
1中小學(xué)教室照明的要求
目前，我國對(duì)中小學(xué)的照明進(jìn)行規(guī)范的文件, 主要包括GB 7793 —2010《中小學(xué)教室采光和照明 衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50099—2011《中小學(xué)校建筑設(shè)計(jì) 規(guī)范》及GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。 此外，各個(gè)地區(qū)在實(shí)際的教室照明實(shí)踐中，根據(jù)區(qū) 域性特點(diǎn)，也陸續(xù)編制了地方性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(xué)校及幼兒園教室照明設(shè)計(jì)規(guī) 范》，針對(duì)中小學(xué)校的教室照明設(shè)計(jì)進(jìn)行全面細(xì)致深入的規(guī)范。以上各標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范均對(duì)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(duì)教室照明規(guī)范 的不斷更新來看，無疑是有所進(jìn)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(dá)國家低_個(gè) 等級(jí)（見表2),另一方面，盡管標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)照明質(zhì)量 有所要求，但對(duì)于具體的測(cè)試測(cè)量、評(píng)估評(píng)判方法 手段尚未作明確的規(guī)定，落實(shí)到標(biāo)準(zhǔn)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(xué)教室照明的問題
目前，我國大部分的中小學(xué)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(yīng)用“燈具（格 柵燈盤/黑板燈具）+熒光燈管光源”方式，來實(shí) 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(gè)方面的問題：
1) 課桌照度普遍不足。根據(jù)對(duì)我國六個(gè)區(qū)域 99所學(xué)校建筑的照明調(diào)查結(jié)果，教室的實(shí)測(cè)照度多 數(shù)在200lx與300lx之間，平均照度為232lx,實(shí)際 照度和設(shè)計(jì)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)生和教師都會(huì)受到其眩光的影 響，影響學(xué)習(xí)效率，如通過加反射罩方式，雖可使學(xué)生避免眩光，而教師受到眩光的刺激則會(huì)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(zhǎng)時(shí)間的高色溫照明易誘發(fā)視覺疲勞，進(jìn)而 產(chǎn)生心理疲勞，因此長(zhǎng)期記憶的效果并不佳，甚至 易導(dǎo)致心理產(chǎn)生焦慮、厭倦等負(fù)面情緒。
5) 總體能耗較高。從調(diào)查教室照明來看，一 般標(biāo)準(zhǔn)的中小學(xué)教室的單個(gè)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(chǔ)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(jì)算整個(gè)學(xué)校所有年級(jí)班 級(jí)的照明功耗及電氣損耗，能耗著實(shí)不低。 除上述主要問題點(diǎn)外，使用熒光燈管作為教 室照明光源，還存在著頻閃嚴(yán)重、有噪聲、壽命短等方面的缺陷，影響著教學(xué)活動(dòng)的質(zhì)量和效果。
3 LED 智能照明在中小學(xué)教室的 應(yīng)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(shù)研究成果，目前廣泛應(yīng)用在道路照明、 商業(yè)照明、辦公照明等領(lǐng)域。從其實(shí)際使用情況來 看，確實(shí)取得了很好的照明效果和節(jié)能效果。而在 教室照明領(lǐng)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(tuán)隊(duì)認(rèn)真研究教室照明的特點(diǎn)， 分析光色對(duì)人體的感官認(rèn)知及記憶的不同作用， 結(jié)合人在不同時(shí)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(jié)合 點(diǎn)。經(jīng)過不懈努力，綜合光色學(xué)、生物學(xué)、 智能控制、熱力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等多門學(xué)科相 關(guān)知識(shí)點(diǎn)，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(xué)標(biāo)準(zhǔn)教室的智能照明系統(tǒng)， 經(jīng)過實(shí)踐，較好地解決了中小學(xué)教室照明目前存 在的一些問題，為中小學(xué)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(xué)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(duì)眩 光，主要關(guān)注點(diǎn)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(gè)面的 照度情況，基本囊括了教室整個(gè)三維空間環(huán)境的照 明情況。此外，考慮自然光在不同時(shí)段的色溫、亮 度變化情況，以及人體在一天不同時(shí)段的生理變化 規(guī)律，采用智能控制技術(shù)來設(shè)定不同時(shí)段不同效果 的照明模式，即以時(shí)間為第四軸，再加上照明空間 的三個(gè)維度，這就構(gòu)成了 “四維照明”的核心思想 ( 圖5) 。
整套 “四維照明”中小學(xué)教室智能照明系統(tǒng)主 要由四大核心模塊組成 ( 圖6) ，即負(fù)責(zé)教室主照明 的立體照明 LED 燈盤、負(fù)責(zé)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(diǎn)
該LED智能照明系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：
1)立體照明LED燈盤通過增加兩側(cè)出光遠(yuǎn)距 離投射及背面出光進(jìn)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(shí)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(shù)設(shè)計(jì) 偏光型透鏡，實(shí)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(yuǎn)的黑板底部， 達(dá)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(huì)暗影，能確保實(shí) 現(xiàn)黑板照明均勻度為0. 8。同時(shí)注意在遮光罩靠近外端處通過截光板進(jìn)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(dá)到預(yù)設(shè)值，并通過自動(dòng)調(diào)節(jié), 實(shí)現(xiàn)大于0. 8的照明均勻度，符合GB 50034—2013 《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》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(shí)段是處于白天還是夜晚，都能精準(zhǔn)定位到相 應(yīng)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(hào)，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(xué)科、不同時(shí) 段、不同教學(xué)活動(dòng)等的照明需求。
4) 經(jīng)過對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)文科教學(xué)、理科教學(xué)、自 習(xí)、課間休息、考試等各種教學(xué)活動(dòng)的積極作用， 在智能控制系統(tǒng)中預(yù)設(shè)了包括“文科” “理科”、
“自習(xí)“課間“考試“午休”等多種燈光情 景模式，并可根據(jù)學(xué)校課程表次序，自主編程組合, 設(shè)定好本教室全學(xué)期的照明程序，實(shí)現(xiàn)教室照明的 自動(dòng)化、智能化管理（圖10)。
3.3應(yīng)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(yàn)證黑板燈的配
光性能，把黑板燈放在長(zhǎng)度為9.0m,寬度為7.0m 的教室3D場(chǎng)景中，運(yùn)用Dialux照明仿真軟件進(jìn)行 照明仿真。當(dāng)黑板燈輸出光通量為2600lm時(shí)，維護(hù) 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(jié)果可看出，照度和均勻度等各 項(xiàng)參數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
2) 黑板燈實(shí)際效果。黑板燈開發(fā)完成后，筆 者團(tuán)隊(duì)選擇某學(xué)校教室進(jìn)行實(shí)際安裝測(cè)試。如圖 13 所示，黑板長(zhǎng)度為 4. 0m，寬度為 1. 2m，照度測(cè)試 取點(diǎn)位置參照 GB/T 5700—2008 中照度測(cè)量之中心 布點(diǎn)法，標(biāo)準(zhǔn)中推薦測(cè)試點(diǎn)間距為0. 5m × 0. 5m。 由于劃分網(wǎng)格時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上我們采取 更嚴(yán)格的間距 0. 4m × 0. 4m 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。測(cè)試時(shí) 將黑板平均劃分為 30 ( 10 × 3) 個(gè)正方形網(wǎng)格，量 好長(zhǎng)度之后在每個(gè)正方形網(wǎng)格中心上對(duì)應(yīng)位置貼上 標(biāo)簽做取點(diǎn)標(biāo)記。
使用照度計(jì)在黑板表面每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)照度測(cè) 試，然后整理數(shù)據(jù)計(jì)算黑板表面平均照度與照度均 勻度，測(cè)得各點(diǎn)照度數(shù)據(jù)如表 4 所示。
根據(jù)測(cè)試照 度值可以計(jì)算出黑板面照度平均值 Eav1 = 663lx，最 小照度值 Emin1 = 550 lx，進(jìn)而可以算出黑板面照度 均勻度 U01 =0. 83。其中照度測(cè)試值為燈具新裝值， 考慮維護(hù)系數(shù) 0. 8 后，可知黑板面照度維持值為530lx，與場(chǎng)景仿真模擬結(jié)果相符，滿足各標(biāo)準(zhǔn)中對(duì) 黑板照度的要求。
圖14為使用筆者團(tuán)隊(duì)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(tuán) 隊(duì)選擇具有典型代表性的長(zhǎng)度為 9. 0m，寬度為 7. 0m 的教室，運(yùn)用 Dialux 照明仿真軟件建立了教室 的3D 模型。把設(shè)計(jì)的 LED 燈具數(shù)據(jù)導(dǎo)入到場(chǎng)景模 型中進(jìn)行照明仿真計(jì)算，用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(gè)燈盤總發(fā)光通量為 3000lm時(shí)，在0.75m水平面（課桌面高度）7. 0m X5. 6m的學(xué)生課桌面區(qū)域，照度維持值（維護(hù)系 數(shù)取0.8)為336lx，照度均勻度可做到0.82。探測(cè) 區(qū)域照度灰度等級(jí)圖和仿真結(jié)果如圖16所示。根據(jù) 照明場(chǎng)景仿真計(jì)算結(jié)果，筆者團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如3.2節(jié) 1)中所述增加了側(cè)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(yīng)方面有良好表現(xiàn)。
2) LED智能照明系統(tǒng)實(shí)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(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ) 上開發(fā)出具體LED照明燈具，結(jié)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(chǎng)景對(duì)應(yīng)教室進(jìn)行試安裝。當(dāng)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(shí)點(diǎn)亮，色 溫調(diào)整到4000K，亮度調(diào)整到中等亮度時(shí)，參照 GB/T 5700—2008中照度測(cè)量之中心布點(diǎn)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(gè)點(diǎn)測(cè)試照度，測(cè)得照度值如表5 所示。
根據(jù)測(cè)試照度值可以計(jì)算得到整個(gè)教室的照度 平均值為EaV2 = 427 lx，最小照度值E—2 = 347 lx， 進(jìn)而計(jì)算得到照度均勻度為U02 =0. 82,照度值考慮 維護(hù)系數(shù)0. 8后為342lx，與Dialux場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)照度及均勻性的要求。
圖17為實(shí)際照明效果，LED智能照明系統(tǒng)工作 時(shí)，除了照亮燈具下方課桌面區(qū)域之外，從燈盤背 部和側(cè)面發(fā)出的光還能照亮教室上部空間，使整個(gè) 教室空間下部和上部的空間亮度對(duì)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(shí)還可以 降低眩光效應(yīng)，增加舒適度。在正常授課時(shí)使用， 可提高學(xué)生心理和感官的舒適性，對(duì)學(xué)生的心理發(fā) 展和成長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)亮度可控、色溫可控等功能。可以根據(jù)不 同場(chǎng)合的需要，進(jìn)行調(diào)整搭配。如低色溫低亮度可 以用于課間午休時(shí)段，給學(xué)生營(yíng)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(xí)時(shí)段；高色溫高亮度可以用于動(dòng)手課、辯論課等 需要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生情緒和參與積極性的場(chǎng)合。
3.3.3統(tǒng)一眩光值（UGR)評(píng)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(gè)典型位置點(diǎn)評(píng)估統(tǒng)_眩光值 (UGR)。如圖18所示，5個(gè)位置點(diǎn)在教室中代表位 置與UGR評(píng)估值分別為：
1)后排中間學(xué)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(xué)生位置，UGR = 13; 5)后排邊緣學(xué)生位置，UGR = 14。
其中1、4、5三個(gè)點(diǎn)測(cè)試探頭高度取學(xué)生坐姿 眼睛高度1.2m; 2、3兩個(gè)點(diǎn)測(cè)試探頭高度取教師 講臺(tái)上站姿眼睛高度1.5m (距離講臺(tái)面）。評(píng)估結(jié) 果表明在LED黑板燈與燈盤設(shè)計(jì)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(shí)舒適度 的要求。
4結(jié)束語
中小學(xué)學(xué)校作為學(xué)生長(zhǎng)期生活、學(xué)習(xí)的場(chǎng)所， 健康的光環(huán)境對(duì)中小學(xué)生的茁壯成長(zhǎng)起著良性的促 進(jìn)作用。我們精準(zhǔn)的配光設(shè)計(jì)、均衡的產(chǎn)品設(shè)計(jì)以 及智能化的LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了教室照明品質(zhì)的 提升。通過在部分試點(diǎn)教室中的實(shí)際應(yīng)用及測(cè)試驗(yàn) 證，確實(shí)筆者設(shè)計(jì)的LED智能照明系統(tǒng)對(duì)教學(xué)質(zhì) 量、師生視覺感受、學(xué)生記憶效果、降低能耗等均 有改善。
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