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LED智能照明在中小学教室中的应用

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放大字体  缩小字体 发布日期:2017-03-05  编辑:Alisa
核心提示:近年来我国经济快速发展,国家对基础教育的 投入不断加大,但中小学校近视眼学生的人数飞速增加。近视眼是由多种因素综合影响而造成的,如 不良用眼习惯、中小学校教室光环境不健康等。

良好的照明环境对中小学生的生活和学习起着 非常重要的作用。


中小学生正处于知识大量积累和 身体快速发育的青春期,良好的照明环境不仅能使 学生快速融入到相应学科的学习环境,形成持久有 效的场景记忆和知识积累,在学习与考试中集中注 意力,还能够降低学生视觉疲劳的频次和时长,减 少眩光对眼睛的刺激程度,降低近视产生的外部因 素,使学生产生身心愉悦的良好感受,从而帮助学 生实现较好的学习和健康成长。

1中小学教室照明的要求

目前,我国对中小学的照明进行规范的文件, 主要包括GB 7793 —2010《中小学教室采光和照明 卫生标准》、GB 50099—2011《中小学校建筑设计 规范》及GB 50034—2013《建筑照明设计标准》。 此外,各个地区在实际的教室照明实践中,根据区 域性特点,也陆续编制了地方性的技术标准,其中 最有代表性的为上海市在2011年发布的DB 31/ 539—2011《中小学校及幼儿园教室照明设计规 范》,针对中小学校的教室照明设计进行全面细致深入的规范。以上各标准及规范均对教室照明的照 度、均匀度、色温、显色指数、眩光及功率密度提 出要求(见表1)。从国家乃至地区对教室照明规范 的不断更新来看,无疑是有所进步的。但遗憾的是, —方面,基于我国目前大体的教室照明现状,所制 定的照度要求普遍比欧美、日本等发达国家低_个 等级(见表2),另一方面,尽管标准中对照明质量 有所要求,但对于具体的测试测量、评估评判方法 手段尚未作明确的规定,落实到标准规范具体条款 的执行上则有一定的折损。


2.我国中小学教室照明的问题

目前,我国大部分的中小学教室照明,都是使 用荧光灯管作为光源,或直接使用“灯管支架(含 电气部件)+裸露灯管”方式,或应用“灯具(格 栅灯盘/黑板灯具)+荧光灯管光源”方式,来实 现教室的基本照明和黑板照明(图1)。

这种照明形 式大多存在如下几个方面的问题:

1)  课桌照度普遍不足。根据对我国六个区域 99所学校建筑的照明调查结果,教室的实测照度多 数在200lx与300lx之间,平均照度为232lx,实际 照度和设计照度均偏低 (图2)。

2)  黑板照明均匀性差。一般使用荧光灯管 (或带反射罩的)作为黑板灯使用,造成黑板的上 部太亮,以致学生易分辨不清黑板上部板书的白色

粉笔字,而下部太暗,照度不足,学生看不清书写内容(图3)。

3) 眩光明显易刺激眼睛。教室普通照明用灯 管支架+荧光灯管方式照明,光源裸露在外,学生 容易直接看到光源而眼睛受到刺激,通过使用格栅 灯盘有一定改善,但仍无法完全避免。黑板灯如直 接使用荧光灯管,学生和教师都会受到其眩光的影 响,影响学习效率,如通过加反射罩方式,虽可使学生避免眩光,而教师受到眩光的刺激则会有所加剧(图4)。

4) 高色温易引发视觉疲劳。目前仍有许多教 室照明使用高色温 6500K 的荧光灯管。有研究表 明,高色温的照明虽能使人集中注意力,提高警惕 性,但长时间的高色温照明易诱发视觉疲劳,进而 产生心理疲劳,因此长期记忆的效果并不佳,甚至 易导致心理产生焦虑、厌倦等负面情绪。

5) 总体能耗较高。从调查教室照明来看,一 般标准的中小学教室的单个教室的灯具配置,大多 为 “3 ×3 ×2 +3”的方式,即三行三列双管40W 灯 盘 ( T8 居多) 作为教室的基础照明,加上三根 40WT8 荧光灯管 ( 或配备反光罩) 作为黑板照明, 总功耗约为 840W,综合计算整个学校所有年级班 级的照明功耗及电气损耗,能耗着实不低。 除上述主要问题点外,使用荧光灯管作为教 室照明光源,还存在着频闪严重、有噪声、寿命短等方面的缺陷,影响着教学活动的质量和效果。

3 LED 智能照明在中小学教室的 应用
LED 作为第四代照明光源发展至今,已取得了 一定的技术研究成果,目前广泛应用在道路照明、 商业照明、办公照明等领域。从其实际使用情况来 看,确实取得了很好的照明效果和节能效果。而在 教室照明领域,尽管部分厂家使用 LED 灯管来替换 荧光灯管,在节能方面取得一定的成功,但仍无法 改变目前教室照明的整体困境。

3. 1 LED 智能照明系统介绍

笔者的研发团队认真研究教室照明的特点, 分析光色对人体的感官认知及记忆的不同作用, 结合人在不同时段所表现出的自然规律,在 LED 照明特性和教室照明需求中寻找均衡的结合 点。经过不懈努力,综合光色学、生物学、 智能控制、热力学、机械结构等多门学科相 关知识点,创新性地建立 “四维照明”概念,研 发出一套适用于中小学标准教室的智能照明系统, 经过实践,较好地解决了中小学教室照明目前存 在的一些问题,为中小学教室的照明需求提供了 综合解决方案。 在教室照明中,为避免由于学生在课桌与黑板 间切换视线,各表面亮度差值过大而造成的相对眩 光,主要关注点除了课桌水平面的照度分布情况外, 还包括地面照度、天花照度、黑板照度等各个面的 照度情况,基本囊括了教室整个三维空间环境的照 明情况。此外,考虑自然光在不同时段的色温、亮 度变化情况,以及人体在一天不同时段的生理变化 规律,采用智能控制技术来设定不同时段不同效果 的照明模式,即以时间为第四轴,再加上照明空间 的三个维度,这就构成了 “四维照明”的核心思想 ( 图5) 。

整套 “四维照明”中小学教室智能照明系统主 要由四大核心模块组成 ( 图6) ,即负责教室主照明 的立体照明 LED 灯盘、负责黑板照明的偏光型 LED 黑板灯、内嵌到灯具的高精度感光系统和连接各灯 具、感光器件及控制调节不同照明模式的智能控制 系统。


3.2 LED智能照明系统的特点

该LED智能照明系统具备如下特点:

1)立体照明LED灯盘通过增加两侧出光远距 离投射及背面出光进行间接反射照明,增加整体空 间的照度及均匀度,由于分散了发光方向,可以控 制主出光面表面发光亮度,同时在主出光面使用防 眩格栅,确保肉眼直视主出光面无眩光感(图7)。

2)偏光型LED黑板灯通过自主专利技术设计 偏光型透镜,实现90° ~270°平面的配光为垂直等 照度偏光,更多的光效投射到距离更远的黑板底部, 达到黑板上下部照度较一致,而0° ~180。平面的广 角配光,保证两黑板灯中间处不会暗影,能确保实 现黑板照明均匀度為0. 8。同时注意在遮光罩靠近外端处通过截光板进行截光,避免教师在板书过程中 直接受到光源光线的刺激 ( 图8) 。



3)   通过内嵌灯具的高精度感光系统,确保灯 具投射面处的照度达到预设值,并通过自动调节, 实现大于0. 8的照明均匀度,符合GB 50034—2013 《建筑照明设计标准》中规定的照度均匀度大于0. 6 的要求。无论教室外的自然光是处于阴天还是晴天, 使用时段是处于白天还是夜晚,都能精准定位到相 应的照度档位(图9)。

3)  智能控制系统通过控制芯片编译软件向各 灯具发送控制信号,能有效调节各主照明LED灯盘 的光输出和光色的变化,以匹配不同学科、不同时 段、不同教学活动等的照明需求。

4)  经过对不同亮度-色温分别组合的多种情

况(亮度可调,色温调节范围为3000K~5500K) 对人的记忆规律、生理变化规律的影响的调查研究, 发现了不同照明情况对应文科教学、理科教学、自 习、课间休息、考试等各种教学活动的积极作用, 在智能控制系统中预设了包括“文科”                                  “理科”、

“自习“课间“考试“午休”等多种灯光情 景模式,并可根据学校课程表次序,自主编程组合, 设定好本教室全学期的照明程序,实现教室照明的 自动化、智能化管理(图10)。

3.3应用案例分析

3.3.1黑板灯使用效果


1) LED黑板灯仿真效果。为验证黑板灯的配

光性能,把黑板灯放在长度为9.0m,宽度为7.0m 的教室3D场景中,运用Dialux照明仿真软件进行 照明仿真。当黑板灯输出光通量为2600lm时,维护 系数取0.8,仿真效果和数据分别如图11和图12 所示。由仿真模拟结果可看出,照度和均匀度等各 项参数满足标准要求。

2) 黑板灯实际效果。黑板灯开发完成后,笔 者团队选择某学校教室进行实际安装测试。如图 13 所示,黑板长度为 4. 0m,宽度为 1. 2m,照度测试 取点位置参照 GB/T 5700—2008 中照度测量之中心 布点法,标准中推荐测试点间距为0. 5m × 0. 5m。 由于划分网格时网格宜为正方形,考虑到黑板的尺 寸为4. 0m × 1. 2m,在参考标准的基础上我们采取 更严格的间距 0. 4m × 0. 4m 进行网格划分。测试时 将黑板平均划分为 30 ( 10 × 3) 个正方形网格,量 好长度之后在每个正方形网格中心上对应位置贴上 标签做取点标记。

使用照度计在黑板表面每个点进行对应照度测 试,然后整理数据计算黑板表面平均照度与照度均 匀度,测得各点照度数据如表 4 所示。

根据测试照 度值可以计算出黑板面照度平均值 Eav1 = 663lx,最 小照度值 Emin1 = 550 lx,进而可以算出黑板面照度 均匀度 U01 =0. 83。其中照度测试值为灯具新装值, 考虑维护系数 0. 8 后,可知黑板面照度维持值为530lx,与场景仿真模拟结果相符,满足各标准中对 黑板照度的要求。


图14为使用笔者团队开发的黑板灯后某教室黑 板的照明效果。可以看出黑板照度均匀性良好,已 没有黑板上部偏亮,下部明显偏暗的不良情况,比 传统黑板灯效果有很大改善。


3. 3. 2 LED 智能照明系统使用效果

1) LED 智能照明系统仿真效果。

笔者研发团 队选择具有典型代表性的长度为 9. 0m,宽度为 7. 0m 的教室,运用 Dialux 照明仿真软件建立了教室 的3D 模型。把设计的 LED 灯具数据导入到场景模 型中进行照明仿真计算,用以验证设计方案的可行 性,整体空间照明效果如图15 所示。


立体照明LED灯盘每个灯盘总发光通量为 3000lm时,在0.75m水平面(课桌面高度)7. 0m X5. 6m的学生课桌面区域,照度维持值(维护系 数取0.8)为336lx,照度均匀度可做到0.82。探测 区域照度灰度等级图和仿真结果如图16所示。根据 照明场景仿真计算结果,笔者团队发现,如3.2节 1)中所述增加了侧发光与背发光的立体照明LED 灯盘在增加三维立体空间的照明均匀度,降低空间 眩光效应方面有良好表现。

2) LED智能照明系统实际效果。如1)中所 述,经过仿真分析,立体照明LED灯盘在增加三维 空间照明均匀度方面表现良好。笔者团队在此基础 上开发出具体LED照明灯具,结合LED黑板灯与 智能控制系统,组成LED智能照明系统,并在模拟 场景对应教室进行试安装。当照明系统调整到正常授课模式,黑板灯与LED主照明灯盘同时点亮,色 温调整到4000K,亮度调整到中等亮度时,参照 GB/T 5700—2008中照度测量之中心布点法,在 0.75m水平面(课桌面高度)7.0m X 5. 6m区域内 取6 X 5共30个点测试照度,测得照度值如表5 所示。

根据测试照度值可以计算得到整个教室的照度 平均值为EaV2 = 427 lx,最小照度值E—2 = 347 lx, 进而计算得到照度均匀度为U02 =0. 82,照度值考虑 维护系数0. 8后为342lx,与Dialux场景照明仿真得 出的值相符,该LED智能照明系统可满足教室照明 所有标准对照度及均匀性的要求。


图17为实际照明效果,LED智能照明系统工作 时,除了照亮灯具下方课桌面区域之外,从灯盘背 部和侧面发出的光还能照亮教室上部空间,使整个 教室空间下部和上部的空间亮度对比度下降,降低 教室内因上部偏暗产生的空间压抑感;同时还可以 降低眩光效应,增加舒适度。在正常授课时使用, 可提高学生心理和感官的舒适性,对学生的心理发 展和成长有益。

除了上述的发光面可控外,LED智能照明系统 还能实现亮度可控、色温可控等功能。可以根据不 同场合的需要,进行调整搭配。如低色温低亮度可 以用于课间午休时段,给学生营造安逸、静谧的休 息环境;中间色温中等亮度可以用于正常授课和自 习时段;高色温高亮度可以用于动手课、辩论课等 需要充分调动学生情绪和参与积极性的场合。

3.3.3统一眩光值(UGR)评估


LED智能照明系统在3. 3. 2小节中所述的工作 状态下,选取5个典型位置点评估统_眩光值 (UGR)。如图18所示,5个位置点在教室中代表位 置与UGR评估值分别为:

1)后排中间学生位置,UGR = 12; 2)教师所 处黑板边缘位置,UGR = 12; 3)教师正常授课位 置,UGR = 10; 4)前排边缘学生位置,UGR = 13; 5)后排边缘学生位置,UGR = 14。

其中1、4、5三个点测试探头高度取学生坐姿 眼睛高度1.2m; 2、3两个点测试探头高度取教师 讲台上站姿眼睛高度1.5m (距离讲台面)。评估结 果表明在LED黑板灯与灯盘设计过程中采取的眩光 值限制手段有非常明显的效果,可以使教室空间的 UGR值降到16以下,满足人眼观察物体时舒适度 的要求。

4结束语

中小学学校作为学生长期生活、学习的场所, 健康的光环境对中小学生的茁壮成长起着良性的促 进作用。我们精准的配光设计、均衡的产品设计以 及智能化的LED系统设计,实现了教室照明品质的 提升。通过在部分试点教室中的实际应用及测试验 证,确实笔者设计的LED智能照明系统对教学质 量、师生视觉感受、学生记忆效果、降低能耗等均 有改善。

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