黃歡 韓學(xué)林 章道波

(勤上光電股份有限公司技術(shù)體系，廣東 523565)

1 引言

LED被稱為第四代照明光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、低壓驅(qū)動、易于實(shí)現(xiàn)控制等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于指示、顯示、照明等領(lǐng)域，包括教室照明。在國內(nèi)的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，青少年的近視比例呈逐年增加的趨勢［1～2］，很大程度與教室照明設(shè)計(jì)質(zhì)量有關(guān)，教室里安裝的燈具普遍大都采用市場上通用的，較少根據(jù)具體教室的不同設(shè)計(jì)需求來進(jìn)行專門的燈具配光及照明設(shè)計(jì)。

目前教室照明設(shè)計(jì)存在的質(zhì)量問題主要包括:教室樓層照度分布差異太大、照度均勻度偏低、黑板垂直照度均勻度偏低、燈具頻閃、燈具無人時(shí)長亮且缺少智能控制系統(tǒng)、視頻作業(yè)燈具布局及配光等不合理，造成眩光等等。結(jié)合LED新光源燈具，開發(fā)符合教室需求的燈具配光、進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臒艟卟季郑Y(jié)合光控感應(yīng)器和人體感應(yīng)器，場景模式編程智能照明控制系統(tǒng)，可以有效地解決以上問題。

2 教室照明設(shè)計(jì)

日常教學(xué)中，教室是師生交流、相處時(shí)間最長的地點(diǎn)，而人與人之間的交流主要靠視覺來完成，占到感官交流比例的70%左右，因此良好的照明設(shè)計(jì)在師生交流過程中顯得尤為重要。

2.1 黑板照明

教學(xué)授課時(shí)，黑板是主要的視覺作業(yè)區(qū)域，黑板照明主要考慮照度及照度均勻度，避免反射眩光和直接眩光，GB 50034—2004要求如下:黑板面照度500lx，顯色指數(shù)80［3］，根據(jù)視覺功能和視感覺，使用墨綠色的黑板，效果更好。

考慮黑板面呈長方形狀和LED點(diǎn)光源配光后光斑的疊加特性，沿黑板面采取不同的配光組合，中間位置采用寬的光束角，兩側(cè)燈具采用較小的光束角。根據(jù)黑板面長邊尺寸的不同，如單個(gè)黑板一般是5m×1.2m，上下各兩個(gè)可滑動的共四個(gè)黑板(單個(gè)黑板尺寸約為3.5m×1.2m)，采取不同的配光形式組合，從黑板中心往兩側(cè)，光束角逐漸減小，可避免黑板中心處過亮，兩側(cè)過暗或兩側(cè)光線浪費(fèi)情況的發(fā)生。結(jié)合天花板的結(jié)構(gòu)可考慮采用嵌入、吸頂或吊裝的不同安裝方式。

目前，黑板的照度普遍偏低，照度均勻度更低;尤其黑板分上下兩塊滑動時(shí)，被照射的黑板面積更大，采用普通的燈具，照度均勻度更難以達(dá)到，因此黑板照明需要特殊的配光設(shè)計(jì)。LED光源體積小，在光學(xué)設(shè)計(jì)方面比傳統(tǒng)光源如熒光燈更具有靈活性，有優(yōu)勢，并且提高光線利用率。使用上述的配光組合，可以提高黑板面照度及照度均勻度，黑板燈具的光學(xué)數(shù)據(jù)導(dǎo)入AGI軟件模擬后的照度偽色圖及等照度曲線如圖1所示，由圖1可以看出，照度滿足 GB50034—2004要求的500lx，且均勻度較高。

根據(jù)現(xiàn)有大中小學(xué)教室面積大小、空間布局的不一，黑板的照明設(shè)計(jì)可以分為以下三大類場景:

場景一:面積約7m×9m的普通小教室，座位40～50個(gè)，單塊黑板情況。此類教室多采用單塊黑板，黑板的尺寸約為5m×1.2m，使用如圖2所示的配光，可以達(dá)到較高的照度均勻度。

場景二:面積較大的教室，座位80～120個(gè)，兩塊黑板水平排列情況。教室有橫向、縱向布局，一般使用兩塊3.5m×1.2m的黑板水平布置，由于黑板的垂直高度與場景一的一樣，為保證在黑板長邊尺寸增加的情況下，黑板面的照度和照度均勻度符合GB 50034—2004［3］要求，需要作出以下兩個(gè)方面的修改:其一，沿黑板長邊方向增加光源數(shù)量，增加功率，以增加黑板燈的可照射面積;其二，在燈具短邊方向的光束角不變的情況下，黑板中間位置的燈具長邊方向宜采用較大的光束角，兩側(cè)采用較小的光束角，亦可增加黑板燈的照射面積和提高黑板的照度均勻度。

圖1 黑板照度偽色圖及對應(yīng)的等照度曲線圖

場景三:類似階梯教室的大教室，四塊黑板，上下各兩塊并且可上下推動。一般使用四塊尺寸為3.5m×1.2m的黑板，由于黑板垂直方向的整體高度變?yōu)?.4m，黑板區(qū)域的照明設(shè)計(jì)推薦采用以下兩種方式:其一，采用比圖2中C90/270方向光束角更大的光束角，燈具長邊方向光束角的設(shè)計(jì)可參考場景二的方案;其二，配光不變，采用上下雙燈具，上下兩款燈具分別照射對應(yīng)的上下兩塊黑板，由于師生在上課時(shí)，注意力更多地集中在下方的左右兩塊黑板位置，因此上方的燈具功率可比下方的燈具功率稍低，形成平緩的垂直照度過渡區(qū)，避免產(chǎn)生明顯的陰影區(qū)，造成師生用眼適應(yīng)時(shí)間過長，分散注意力。

2.2 普通教室照明

大多數(shù)教室的座位是固定的，根據(jù)天花板建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，燈具安裝方式可采用嵌入式、吸頂式。如果天花板較高，可采用吊裝方式，以顯得整個(gè)空間更開闊;如果是普通的天花板，可采用吸頂式;其次燈具最好安裝在課室通道的正上方，以提高通道兩旁課桌面的照度均勻度。

場景一:照明設(shè)計(jì)要求較高的教室，使用LED平板式燈盤，可避免引起后排及兩側(cè)位置學(xué)生的視覺眩光，結(jié)合燈具厚薄、光效因素可針對性地選擇使用直下式平板燈盤和側(cè)發(fā)光的導(dǎo)光燈盤。目前，大部分教室使用得最多的燈具是裸露的熒光燈管、熒光燈管格柵燈盤，為避免眩光，燈具排布方式多采用縱向排布方式。LED擴(kuò)散平板式燈盤的出現(xiàn)，燈具光線柔和，不管燈具采用縱向還是橫向的排布方式，都不會造成眩光問題，并且不會出現(xiàn)類似熒光燈常見的頻閃現(xiàn)象，可消除燈具頻閃引起眼睛疲勞的問題。因此在教室照明設(shè)計(jì)過程，可根據(jù)教室的建筑結(jié)構(gòu)和面積的大小，在燈具布局方式上靈活安排，標(biāo)準(zhǔn)大小的教室面積，燈具可采用縱、橫向排布;教室橫向距離較大時(shí)，燈具可優(yōu)先考慮橫向排布，避免在視線方向上形成縱向延伸過長的效果，減少后排學(xué)生及教師的視覺疲勞。如圖3布燈所示，使用300×1200mm平板燈盤，光源SMD3528型號，單個(gè)燈盤功率為37W，水平照度達(dá)330 lx，LPD為5.44W/m2。

圖3 固定教室燈具排布示意圖及燈具配光圖

場景二:照明設(shè)計(jì)要求一般的教室，可考慮使用格柵燈盤，如果格柵表面是普通的鏡面反射，推薦使用縱向布燈方式;如果格柵表面是漫反射涂層或者M(jìn)CPET、PET之類的漫反射膜 (板)，可使用橫向布燈方式，以避免出現(xiàn)眩光情況，造成視覺用眼疲勞，并且，漫反射類格柵表面的燈具出光效率比鏡面高。

如圖4所示，教室內(nèi)部空間的白天采光量隨教室進(jìn)深的增加而減少，并且單側(cè)窗戶與雙側(cè)窗戶的日光采光量分布曲線有明顯的差異，圖4為某高校普通教室在某天氣情況下的照度實(shí)測值。為了改善教室窗戶采光側(cè)的不同和人工照明負(fù)載帶來的效果，使用光控感應(yīng)器，可以達(dá)到節(jié)能的目的，光感控制器示意圖如圖5所示;同時(shí)，為了避免師生走動等活動對光控感應(yīng)器的干擾，光控感應(yīng)器宜安裝在窗戶沿，進(jìn)行無級調(diào)光保證整個(gè)教室照明達(dá)到均勻和足夠的照度。

圖4 雙側(cè)窗戶教室人工照明與自然采光照明的照度曲線

圖5 光感控制器示意圖

從圖4可以看出，白天關(guān)燈時(shí)，教室的中間位置照度值往往達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn) GB 50034—2004的要求300lx［3］，兩側(cè)窗戶之間距離更大的教室或者階梯教室在這方面尤為明顯，因此為達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)的照度值，部分教室即使在白天也需要使用人工照明。而如果整個(gè)教室全開燈，部分座位處的照度水平過高(如圖中曲線所示達(dá)到450lx左右，比標(biāo)準(zhǔn)要求的300lx高50%)，浪費(fèi)電能;同時(shí)晚上全開燈時(shí)，教室中間位置照度可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，兩側(cè)座位處的照度偏低，這種情況下，根據(jù)教室窗戶側(cè)采光的不同和教室進(jìn)深距離，使用光控感應(yīng)器反饋來調(diào)整人工照明的負(fù)載比例。首先，LED照明燈具在亮度調(diào)節(jié)、感應(yīng)控制、時(shí)控方面優(yōu)于傳統(tǒng)光源的燈具，更易于實(shí)現(xiàn)，且在感應(yīng)控制方面可以選擇光控、移動感控和占位控制三種之中的任何一種或者任意組合。其次，對于控制器感應(yīng)與反饋的數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)或定時(shí)地與服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)起來，并以一定的格式將歷史數(shù)據(jù)存儲起來，以備查詢、統(tǒng)計(jì)，在相似的使用場所或者需要參考的場所可借鑒這些歷史數(shù)據(jù)。

教室無人時(shí)，人感控制器自動控制燈具延時(shí)熄滅，避免師生離開教室，忘記關(guān)燈，燈具長時(shí)間照明浪費(fèi);綜合以上兩種控制方式，可省電50%以上。同時(shí)為避免日光直射引起的反射眩光，宜安裝窗簾。

2.3 階梯教室照明

階梯教室燈具數(shù)量較多，且教室的空間不像普通教室那么標(biāo)準(zhǔn)，課桌排布相對于講臺可能呈扇形狀，也可能呈長方狀;天花板可能是多梯級的吊頂結(jié)構(gòu)，也可能是普通的天花板結(jié)構(gòu);因此學(xué)生從各個(gè)座位上看黑板、或者教師從講臺看各個(gè)方向時(shí)，視線與各個(gè)燈具的角度都不大一樣，對于傳統(tǒng)光源的燈具設(shè)計(jì)，易引起眩光問題。LED平板燈盤可有效避免眩光現(xiàn)象，按不同的建筑結(jié)構(gòu)，可吸頂或嵌入式安裝，考慮到燈具的吊裝式安裝可能遮擋后排學(xué)生的視線，影響教學(xué)效果，除非階梯教室垂直方向空間足夠，否則不推薦采用吊裝方式。

首先，階梯教室進(jìn)深與靠窗戶座位的采光量相差較大，即使晴朗白天，中間課桌處的照度也不夠;如果全開燈，靠近兩側(cè)窗戶的課桌面照度水平可能偏高，造成浪費(fèi)電的現(xiàn)象。因此階梯教室的燈具開關(guān)宜沿縱向分別控制 (長方形階梯教室)或者分區(qū)控制 (扇狀階梯教室)，考慮到分區(qū)控制，感應(yīng)控制相對復(fù)雜，因此參考上述普通教室照明的方法，綜合分析實(shí)測照度水平值和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器存儲的歷史照度水平數(shù)據(jù)來開發(fā)合適的照度控制程序。

其次，如果階梯教室的天花板為多梯級的吊頂結(jié)構(gòu)，使得燈具光源中心離課桌面的距離從前排座位到后排座位逐漸縮短，那么前后排座位上方使用同樣功率大小、布燈密度的燈具時(shí)，課桌面的照度從前排到后排就會逐漸升高，易造成照度分布偏高或偏低，不均勻。通過改變前后排燈具的的配光方式和布局，如圖6所示，前排燈具采用光束角小、排布密，后排燈具采用光束角大，排布疏，并且通過光感應(yīng)器等控制燈具的輸出功率，可改善階梯教室天花板高度不同引起水平照度的過渡差異，且燈具間的配光需要形成一定范圍的光斑重疊，避免出現(xiàn)明顯陰影現(xiàn)象。使用300×1200mm平板燈盤，光源SMD3528型號，單個(gè)燈盤功率為37W，不同書桌面的水平照度達(dá)330～400 lx，LPD為4.804W/m2;筒燈用于輔助照明。

圖6 階梯教室布燈圖和前后排燈具照明設(shè)計(jì)示意圖

以上階梯教室照明設(shè)計(jì)方案是針對水平天花板(即天花板與課桌面是平行的)來設(shè)計(jì)的，如果部分天花板面是非水平的，存在一定角度的傾斜面或弧面時(shí)，可在LED燈具面蓋進(jìn)行棱鏡處理的，由于LED光源體積小，在這方面的燈具設(shè)計(jì)更為靈活，將傾斜面法線方向的出光調(diào)整為垂直下出光，提高燈具光輸出利用率。

2.4 多媒體教室照明

多媒體教學(xué)在現(xiàn)代化教育體系中運(yùn)用得日益廣泛，同時(shí)對照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。由于多媒體教學(xué)包括語音視頻等教學(xué)活動，因此應(yīng)考慮燈具對在視頻終端屏幕上進(jìn)行作業(yè)時(shí)的眩光現(xiàn)象，降低反射眩光或直接眩光，為此應(yīng)限制燈具中垂線以上≥65°高度角的亮度，具體要求如下表1［3］。

表1 視頻終端作業(yè)燈具亮度要求

顯示終端屏幕、桌面與周圍相鄰環(huán)境的亮度對比值不宜超過為10(9)∶3∶1，即相鄰區(qū)域的照明亮度水平對比不超過3倍，保證視覺從各個(gè)工作面過渡轉(zhuǎn)移的舒適性、平緩性，以獲得最佳的視覺效果。顯示終端屏幕應(yīng)與窗戶垂直，以減少白天采光造成的反射眩光。采用上/下照面板式燈盤可提高空間的照度均勻度，光線更為柔和，并且不會產(chǎn)生反射眩光，這種光線照射方式尤其適合有視屏顯示終端的工作空間。演講區(qū)使用射燈或筒燈實(shí)現(xiàn)局部照明，并可獨(dú)立進(jìn)行開關(guān)，以便看清投影屏幕的內(nèi)容，并提高上課時(shí)學(xué)生的注意力，滿足投影教學(xué)的視覺要求。

3 結(jié)論與展望

LED光源是繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代新型光源，由于其發(fā)光原理、啟動電壓、體積小等原因，決定了LED燈具在照明設(shè)計(jì)中具備傳統(tǒng)光源所不具備的優(yōu)勢，通過LED燈具來表現(xiàn)光的照明形式更加靈活，變化多端，智能控制更易于實(shí)現(xiàn)，且節(jié)能效果明顯。LED燈具在教室照明系統(tǒng)中的推廣，也將節(jié)能減排的概念與效果運(yùn)用到教學(xué)中，使得青少年學(xué)生培養(yǎng)良好運(yùn)用新科技、新技術(shù)達(dá)到節(jié)能的意識。

［1］孟超．北京市部分學(xué)校教室采光照明現(xiàn)狀分析．照明工程學(xué)報(bào)，［J］Vol.17，No.1.2006．

［2］那紅宇，江豫新．大學(xué)教室照明設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀和新構(gòu)想．光源與照明，［J］2004年第1期．

［3］中華人民共和國建設(shè)部．建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) (GB 50034—2004) ［M］．北京．中國建筑工業(yè)出版社，2004．