李仁杰 王俊杰

1 山西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院（山西 太原 030000）2 華能新能源山東分公司（山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

白熾燈因價(jià)格低廉，自問世后迅速在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)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(yán)峻，人們逐漸認(rèn)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(yīng)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(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(shí)能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)變成可見光，且轉(zhuǎn)換效率高，即使長時(shí)間使用，燈具的溫度依然很低。LED作為一種冷光源，是當(dāng)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(dǎo)體芯片為發(fā)光材料，通過向芯片兩端施加正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子出現(xiàn)復(fù)合情況而放出過剩的能量，進(jìn)而使光子發(fā)射產(chǎn)生光。目前，國內(nèi)市場上的白光LED主要通過藍(lán)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(lán)光更多。

在未來，類太陽光LED將在全球照明領(lǐng)域中得到大范圍應(yīng)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(lán)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(lán)光，但是其價(jià)格較高，尚未得到大范圍使用。

2 教室照明設(shè)計(jì)中LED光源的應(yīng)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(yīng)用到室內(nèi)頂面時(shí)，會引發(fā)一個(gè)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(fèi)。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(dāng)燈具處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其總效能也僅有71.3 lm/W左右。當(dāng)LED照明燈具色溫為4 000 K日光色、顯色指數(shù)≥80且R9＞10時(shí)，能夠輸出較為舒適的光，且其在正常運(yùn)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(shí)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(guān)規(guī)范中明確要求中小學(xué)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(jìn)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(dá)到相關(guān)規(guī)范和要求；若選用2×T8 58 W的燈具進(jìn)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(xué)的比例，且能效指標(biāo)和教室的照明功率密度會增大，不符合相關(guān)指標(biāo)值[3]。通過調(diào)查某地七十多所中小學(xué)校的教室發(fā)現(xiàn)，這些學(xué)校教室采用傳統(tǒng)熒光燈照明方式，其黑板照度均勻度項(xiàng)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(zhǔn)性、任意性的特點(diǎn)，故而既可以確保照明功率密度符合相關(guān)規(guī)范，又符合黑板的照度與照度均勻度的相關(guān)規(guī)范。

（3）超長的使用壽命和較低的維護(hù)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(shè)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，需要盡量延長照明燈具的使用壽命，并減少其維護(hù)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(chǎn)過程的能耗和污染，也需要花費(fèi)更多財(cái)力和人力維護(hù)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(hù)成本直接影響使用維護(hù)的物力與人力成本。以往的熒光燈具盡管其燈管標(biāo)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(biāo)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(jià)格雖然高出傳統(tǒng)燈具的1.2倍左右，但其在性價(jià)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(hù)成本遠(yuǎn)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(diào)控功能，選擇這一新型光源，能夠真正實(shí)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(shí)行調(diào)光與控制，若下調(diào)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(diào)光，且能夠迅速響應(yīng)，在光輸出下調(diào)運(yùn)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(shí)行調(diào)控，能夠在沒有人時(shí)，自動調(diào)整到1%～3%的光照，這時(shí)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(jìn)入時(shí)，又可以立刻恢復(fù)到正常照明[5]。此外，LED光源能夠按需調(diào)色溫和控制調(diào)光、遠(yuǎn)程遙控等，從而有效提高照明質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)人性化與智能化的節(jié)能調(diào)控。

3 教室照明設(shè)計(jì)中LED光源存在的不足

（1）藍(lán)光加權(quán)輻亮度的影響。人眼直接看到輻亮度過高的光源時(shí)，視網(wǎng)膜可能會受到損傷。同時(shí)，相較于部分可見光譜，人眼并不具備較強(qiáng)的藍(lán)光耐受能力。為避免這一危害，需要研發(fā)有效的防護(hù)方式。結(jié)合國內(nèi)外統(tǒng)一的相關(guān)規(guī)范和要求，藍(lán)光視網(wǎng)膜危險(xiǎn)主要包括以下幾類：①無危險(xiǎn)，即0類，藍(lán)光加權(quán)輻亮度≤100 （W·m-2·sr-1）。無危險(xiǎn)類的科學(xué)基礎(chǔ)是即使人的眼睛長時(shí)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(xiǎn)，即Ⅰ類，藍(lán)光加權(quán)輻亮度≤1×104（W·m-2·sr-1）。若燈的藍(lán)光加權(quán)輻亮度小于這一標(biāo)準(zhǔn)值，人眼長時(shí)間看到燈光也不會被損害。③中危險(xiǎn)，即Ⅱ類，藍(lán)光加權(quán)輻亮度≤4×106（W·m-2·sr-1）。當(dāng)人眼看到燈光時(shí)，不會出現(xiàn)對強(qiáng)光與溫度的不適反應(yīng)；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(xiǎn)，即Ⅲ類，藍(lán)光加權(quán)輻亮度＞4×106（W·m-2·sr-1），此時(shí)燈光會在短瞬間危害到人眼。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前市面上LED燈具的藍(lán)光視網(wǎng)膜危險(xiǎn)大多是無危險(xiǎn)或低危險(xiǎn)類，有少部分燈具在打碎透光擴(kuò)散罩后，才是中危險(xiǎn)類。對于青少年兒童，因?yàn)槠溲劬Φ木w具有很高的藍(lán)光透過率，所以需要選擇藍(lán)光加權(quán)輻亮度為0類的照明光源。當(dāng)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(lán)光加權(quán)輻亮度指標(biāo)及良好的統(tǒng)一眩光指標(biāo)[6]。

（2）藍(lán)光司辰效應(yīng)影響。在21世紀(jì)之前，人們都認(rèn)為人眼中起到視覺作用的是錐狀細(xì)胞與桿狀細(xì)胞，然而21世紀(jì)初時(shí)美國研究人員發(fā)現(xiàn)了司辰細(xì)胞，這一細(xì)胞說明了光是如何通過視網(wǎng)膜作用SCN產(chǎn)生光生物效應(yīng)的“丟失的鏈接”的。藍(lán)光的波長約為450 nm，直接影響人體的司辰效應(yīng)，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(dāng)太陽光色從暖白光逐步轉(zhuǎn)變成冷白光時(shí)，人往往會充滿精神，且具有更高的反應(yīng)敏捷性，這一時(shí)間段是一個(gè)人一天中學(xué)習(xí)和工作效率最高的時(shí)候；到了晚上，當(dāng)太陽光的色溫從高色溫逐漸轉(zhuǎn)變成低色溫時(shí)，人被壓抑的褪黑色素會漸漸恢復(fù)分泌。教室用燈大多是在早上和晚上開啟，這時(shí)室內(nèi)應(yīng)用低色溫的LED光源，較易對學(xué)生的生理造成暗示，讓學(xué)生生理趨向于休息，從而降低其學(xué)習(xí)效率。

圖1 司辰效應(yīng)

4 教室照明的標(biāo)準(zhǔn)要求及LED光源在教室照明設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 教室照明的標(biāo)準(zhǔn)要求

國內(nèi)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(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)滿足教室照明設(shè)計(jì)要求和節(jié)能要求。相關(guān)部門在建設(shè)學(xué)校教學(xué)樓和改造教室的過程中，必須按照要求的高指標(biāo)實(shí)施。教室照明既要滿足規(guī)范要求，又要重點(diǎn)關(guān)注教室照明光的波動系數(shù)，嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)燈具性能要求，科學(xué)設(shè)計(jì)教室照明光的波動系數(shù)，使之符合低風(fēng)險(xiǎn)級別。針對運(yùn)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(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（1）教室學(xué)生區(qū)的空間照明設(shè)計(jì)。相關(guān)規(guī)范中提出，書桌上的平均照度應(yīng)≥300 lx，照明光源的顯色指數(shù)應(yīng)≥80，且應(yīng)將局部照明燈具設(shè)定到黑板區(qū)域。然而，據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)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(guān)規(guī)范和要求，而且會導(dǎo)致大量電能消耗，引發(fā)頻閃等問題。假設(shè)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(xué)生課桌之間應(yīng)間隔1.8 m。通過計(jì)算可知，LED燈具的光通量是1 500 lm，因?yàn)樵摕艟叩陌l(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(hù)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?yàn)樵摕艟叩陌l(fā)光角約為全方位的360°，存在較多的光通量浪費(fèi)，僅有60%～65%的光被應(yīng)用在實(shí)際照明上，所以該燈具的利用系數(shù)為0.6，維護(hù)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(shè)計(jì)。針對教室內(nèi)黑板區(qū)域的光源選擇，應(yīng)確保其照度在常規(guī)照明與局部照明應(yīng)用時(shí)為300～1 500 lx，在常規(guī)照明過程中，黑板面的照度應(yīng)＞200 lx。為避免眩光，需確保黑板的照明不會對學(xué)生的視覺健康造成影響，且光源無法直接照到學(xué)生的眼睛，不會對教師的眼睛產(chǎn)生刺激。為讓學(xué)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(lán)光的有效規(guī)避。盡管LED光源中的藍(lán)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(xué)合理的硬件設(shè)計(jì)和光學(xué)處理手段有效控制藍(lán)光危害。同時(shí)，LED光源的色溫不同，則其帶來的藍(lán)光危害也不同，一般色溫越高，藍(lán)光危害越大，故而可通過控制色溫有效減少藍(lán)光危害。具體藍(lán)光的規(guī)避措施如下：①參照LED照明標(biāo)準(zhǔn)《燈具 第一部分：一般要求與試驗(yàn)》（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(guān)條款的相關(guān)要求，合理設(shè)計(jì)教室照明中LED燈具的色溫，有效把控藍(lán)光危害等級，同時(shí)將色溫控制在4 000 K以內(nèi)。由于藍(lán)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(zhì)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(lán)光組別超過RG1 的光源。②LED教室照明燈具具備的視網(wǎng)膜藍(lán)光危害等級應(yīng)為RG0無危害等級，在條件允許的情況下，建議學(xué)校應(yīng)用光生物效應(yīng)設(shè)計(jì)教室照明，達(dá)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(yīng)采用相應(yīng)藍(lán)光等級檢測合規(guī)的燈具，且燈具需具備控制藍(lán)光危害的光學(xué)處理手段與硬件設(shè)計(jì)，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(xué)生的眼睛直接接觸有害藍(lán)光。④由于兒童是受藍(lán)光危害的敏感群體，若教室內(nèi)使用主要發(fā)出藍(lán)光的光源，必然會導(dǎo)致兒童的眼睛暴露在藍(lán)光危害之下，因此在兒童教室內(nèi)應(yīng)避免放置存在藍(lán)色指示燈的設(shè)備。

5 結(jié)束語

教室是青少年兒童上學(xué)期間每天所待時(shí)間最長的場所，只有良好的教室環(huán)境，才能確保學(xué)生健康成長，因此相關(guān)部門和學(xué)校必須高度重視教室的照明設(shè)計(jì)，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(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，并有效保證學(xué)生的視覺健康和心理健康?；诖?，在實(shí)際的教室照明設(shè)計(jì)過程中，相關(guān)人員需要嚴(yán)格按照相關(guān)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(zhì)量。