LED在教室照明中的应用

黄欢 韩学林 章道波

(勤上光电股份有限公司技术体系，广东 523565)

1 引言

LED被称为第四代照明光源，具有节能、环保、寿命长、低压驱动、易于实现控制等特点，广泛地应用于指示、显示、照明等领域，包括教室照明。在国内的调查研究中发现，青少年的近视比例呈逐年增加的趋势［1～2］，很大程度与教室照明设计质量有关，教室里安装的灯具普遍大都采用市场上通用的，较少根据具体教室的不同设计需求来进行专门的灯具配光及照明设计。

目前教室照明设计存在的质量问题主要包括:教室楼层照度分布差异太大、照度均匀度偏低、黑板垂直照度均匀度偏低、灯具频闪、灯具无人时长亮且缺少智能控制系统、视频作业灯具布局及配光等不合理，造成眩光等等。结合LED新光源灯具，开发符合教室需求的灯具配光、进行恰当的灯具布局，结合光控感应器和人体感应器，场景模式编程智能照明控制系统，可以有效地解决以上问题。

2 教室照明设计

日常教学中，教室是师生交流、相处时间最长的地点，而人与人之间的交流主要靠视觉来完成，占到感官交流比例的70%左右，因此良好的照明设计在师生交流过程中显得尤为重要。

2.1 黑板照明

教学授课时，黑板是主要的视觉作业区域，黑板照明主要考虑照度及照度均匀度，避免反射眩光和直接眩光，GB 50034—2004要求如下:黑板面照度500lx，显色指数80［3］，根据视觉功能和视感觉，使用墨绿色的黑板，效果更好。

考虑黑板面呈长方形状和LED点光源配光后光斑的叠加特性，沿黑板面采取不同的配光组合，中间位置采用宽的光束角，两侧灯具采用较小的光束角。根据黑板面长边尺寸的不同，如单个黑板一般是5m×1.2m，上下各两个可滑动的共四个黑板(单个黑板尺寸约为3.5m×1.2m)，采取不同的配光形式组合，从黑板中心往两侧，光束角逐渐减小，可避免黑板中心处过亮，两侧过暗或两侧光线浪费情况的发生。结合天花板的结构可考虑采用嵌入、吸顶或吊装的不同安装方式。

目前，黑板的照度普遍偏低，照度均匀度更低;尤其黑板分上下两块滑动时，被照射的黑板面积更大，采用普通的灯具，照度均匀度更难以达到，因此黑板照明需要特殊的配光设计。LED光源体积小，在光学设计方面比传统光源如荧光灯更具有灵活性，有优势，并且提高光线利用率。使用上述的配光组合，可以提高黑板面照度及照度均匀度，黑板灯具的光学数据导入AGI软件模拟后的照度伪色图及等照度曲线如图1所示，由图1可以看出，照度满足 GB50034—2004要求的500lx，且均匀度较高。

根据现有大中小学教室面积大小、空间布局的不一，黑板的照明设计可以分为以下三大类场景:

场景一:面积约7m×9m的普通小教室，座位40～50个，单块黑板情况。此类教室多采用单块黑板，黑板的尺寸约为5m×1.2m，使用如图2所示的配光，可以达到较高的照度均匀度。

场景二:面积较大的教室，座位80～120个，两块黑板水平排列情况。教室有横向、纵向布局，一般使用两块3.5m×1.2m的黑板水平布置，由于黑板的垂直高度与场景一的一样，为保证在黑板长边尺寸增加的情况下，黑板面的照度和照度均匀度符合GB 50034—2004［3］要求，需要作出以下两个方面的修改:其一，沿黑板长边方向增加光源数量，增加功率，以增加黑板灯的可照射面积;其二，在灯具短边方向的光束角不变的情况下，黑板中间位置的灯具长边方向宜采用较大的光束角，两侧采用较小的光束角，亦可增加黑板灯的照射面积和提高黑板的照度均匀度。

图1 黑板照度伪色图及对应的等照度曲线图

场景三:类似阶梯教室的大教室，四块黑板，上下各两块并且可上下推动。一般使用四块尺寸为3.5m×1.2m的黑板，由于黑板垂直方向的整体高度变为2.4m，黑板区域的照明设计推荐采用以下两种方式:其一，采用比图2中C90/270方向光束角更大的光束角，灯具长边方向光束角的设计可参考场景二的方案;其二，配光不变，采用上下双灯具，上下两款灯具分别照射对应的上下两块黑板，由于师生在上课时，注意力更多地集中在下方的左右两块黑板位置，因此上方的灯具功率可比下方的灯具功率稍低，形成平缓的垂直照度过渡区，避免产生明显的阴影区，造成师生用眼适应时间过长，分散注意力。

2.2 普通教室照明

大多数教室的座位是固定的，根据天花板建筑结构设计的不同，灯具安装方式可采用嵌入式、吸顶式。如果天花板较高，可采用吊装方式，以显得整个空间更开阔;如果是普通的天花板，可采用吸顶式;其次灯具最好安装在课室通道的正上方，以提高通道两旁课桌面的照度均匀度。

场景一:照明设计要求较高的教室，使用LED平板式灯盘，可避免引起后排及两侧位置学生的视觉眩光，结合灯具厚薄、光效因素可针对性地选择使用直下式平板灯盘和侧发光的导光灯盘。目前，大部分教室使用得最多的灯具是裸露的荧光灯管、荧光灯管格栅灯盘，为避免眩光，灯具排布方式多采用纵向排布方式。LED扩散平板式灯盘的出现，灯具光线柔和，不管灯具采用纵向还是横向的排布方式，都不会造成眩光问题，并且不会出现类似荧光灯常见的频闪现象，可消除灯具频闪引起眼睛疲劳的问题。因此在教室照明设计过程，可根据教室的建筑结构和面积的大小，在灯具布局方式上灵活安排，标准大小的教室面积，灯具可采用纵、横向排布;教室横向距离较大时，灯具可优先考虑横向排布，避免在视线方向上形成纵向延伸过长的效果，减少后排学生及教师的视觉疲劳。如图3布灯所示，使用300×1200mm平板灯盘，光源SMD3528型号，单个灯盘功率为37W，水平照度达330 lx，LPD为5.44W/m2。

图3 固定教室灯具排布示意图及灯具配光图

场景二:照明设计要求一般的教室，可考虑使用格栅灯盘，如果格栅表面是普通的镜面反射，推荐使用纵向布灯方式;如果格栅表面是漫反射涂层或者MCPET、PET之类的漫反射膜 (板)，可使用横向布灯方式，以避免出现眩光情况，造成视觉用眼疲劳，并且，漫反射类格栅表面的灯具出光效率比镜面高。

如图4所示，教室内部空间的白天采光量随教室进深的增加而减少，并且单侧窗户与双侧窗户的日光采光量分布曲线有明显的差异，图4为某高校普通教室在某天气情况下的照度实测值。为了改善教室窗户采光侧的不同和人工照明负载带来的效果，使用光控感应器，可以达到节能的目的，光感控制器示意图如图5所示;同时，为了避免师生走动等活动对光控感应器的干扰，光控感应器宜安装在窗户沿，进行无级调光保证整个教室照明达到均匀和足够的照度。

图4 双侧窗户教室人工照明与自然采光照明的照度曲线

图5 光感控制器示意图

从图4可以看出，白天关灯时，教室的中间位置照度值往往达不到标准 GB 50034—2004的要求300lx［3］，两侧窗户之间距离更大的教室或者阶梯教室在这方面尤为明显，因此为达到上述标准的照度值，部分教室即使在白天也需要使用人工照明。而如果整个教室全开灯，部分座位处的照度水平过高(如图中曲线所示达到450lx左右，比标准要求的300lx高50%)，浪费电能;同时晚上全开灯时，教室中间位置照度可以达到标准要求，两侧座位处的照度偏低，这种情况下，根据教室窗户侧采光的不同和教室进深距离，使用光控感应器反馈来调整人工照明的负载比例。首先，LED照明灯具在亮度调节、感应控制、时控方面优于传统光源的灯具，更易于实现，且在感应控制方面可以选择光控、移动感控和占位控制三种之中的任何一种或者任意组合。其次，对于控制器感应与反馈的数据可以通过网络实时或定时地与服务器联网起来，并以一定的格式将历史数据存储起来，以备查询、统计，在相似的使用场所或者需要参考的场所可借鉴这些历史数据。

教室无人时，人感控制器自动控制灯具延时熄灭，避免师生离开教室，忘记关灯，灯具长时间照明浪费;综合以上两种控制方式，可省电50%以上。同时为避免日光直射引起的反射眩光，宜安装窗帘。

2.3 阶梯教室照明

阶梯教室灯具数量较多，且教室的空间不像普通教室那么标准，课桌排布相对于讲台可能呈扇形状，也可能呈长方状;天花板可能是多梯级的吊顶结构，也可能是普通的天花板结构;因此学生从各个座位上看黑板、或者教师从讲台看各个方向时，视线与各个灯具的角度都不大一样，对于传统光源的灯具设计，易引起眩光问题。LED平板灯盘可有效避免眩光现象，按不同的建筑结构，可吸顶或嵌入式安装，考虑到灯具的吊装式安装可能遮挡后排学生的视线，影响教学效果，除非阶梯教室垂直方向空间足够，否则不推荐采用吊装方式。

首先，阶梯教室进深与靠窗户座位的采光量相差较大，即使晴朗白天，中间课桌处的照度也不够;如果全开灯，靠近两侧窗户的课桌面照度水平可能偏高，造成浪费电的现象。因此阶梯教室的灯具开关宜沿纵向分别控制 (长方形阶梯教室)或者分区控制 (扇状阶梯教室)，考虑到分区控制，感应控制相对复杂，因此参考上述普通教室照明的方法，综合分析实测照度水平值和网络服务器存储的历史照度水平数据来开发合适的照度控制程序。

其次，如果阶梯教室的天花板为多梯级的吊顶结构，使得灯具光源中心离课桌面的距离从前排座位到后排座位逐渐缩短，那么前后排座位上方使用同样功率大小、布灯密度的灯具时，课桌面的照度从前排到后排就会逐渐升高，易造成照度分布偏高或偏低，不均匀。通过改变前后排灯具的的配光方式和布局，如图6所示，前排灯具采用光束角小、排布密，后排灯具采用光束角大，排布疏，并且通过光感应器等控制灯具的输出功率，可改善阶梯教室天花板高度不同引起水平照度的过渡差异，且灯具间的配光需要形成一定范围的光斑重叠，避免出现明显阴影现象。使用300×1200mm平板灯盘，光源SMD3528型号，单个灯盘功率为37W，不同书桌面的水平照度达330～400 lx，LPD为4.804W/m2;筒灯用于辅助照明。

图6 阶梯教室布灯图和前后排灯具照明设计示意图

以上阶梯教室照明设计方案是针对水平天花板(即天花板与课桌面是平行的)来设计的，如果部分天花板面是非水平的，存在一定角度的倾斜面或弧面时，可在LED灯具面盖进行棱镜处理的，由于LED光源体积小，在这方面的灯具设计更为灵活，将倾斜面法线方向的出光调整为垂直下出光，提高灯具光输出利用率。

2.4 多媒体教室照明

多媒体教学在现代化教育体系中运用得日益广泛，同时对照明系统设计带来了新的挑战。由于多媒体教学包括语音视频等教学活动，因此应考虑灯具对在视频终端屏幕上进行作业时的眩光现象，降低反射眩光或直接眩光，为此应限制灯具中垂线以上≥65°高度角的亮度，具体要求如下表1［3］。

表1 视频终端作业灯具亮度要求

显示终端屏幕、桌面与周围相邻环境的亮度对比值不宜超过为10(9)∶3∶1，即相邻区域的照明亮度水平对比不超过3倍，保证视觉从各个工作面过渡转移的舒适性、平缓性，以获得最佳的视觉效果。显示终端屏幕应与窗户垂直，以减少白天采光造成的反射眩光。采用上/下照面板式灯盘可提高空间的照度均匀度，光线更为柔和，并且不会产生反射眩光，这种光线照射方式尤其适合有视屏显示终端的工作空间。演讲区使用射灯或筒灯实现局部照明，并可独立进行开关，以便看清投影屏幕的内容，并提高上课时学生的注意力，满足投影教学的视觉要求。

3 结论与展望

LED光源是继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代新型光源，由于其发光原理、启动电压、体积小等原因，决定了LED灯具在照明设计中具备传统光源所不具备的优势，通过LED灯具来表现光的照明形式更加灵活，变化多端，智能控制更易于实现，且节能效果明显。LED灯具在教室照明系统中的推广，也将节能减排的概念与效果运用到教学中，使得青少年学生培养良好运用新科技、新技术达到节能的意识。

［1］孟超．北京市部分学校教室采光照明现状分析．照明工程学报，［J］Vol.17，No.1.2006．

［2］那红宇，江豫新．大学教室照明设计的现状和新构想．光源与照明，［J］2004年第1期．

［3］中华人民共和国建设部．建筑照明设计标准 (GB 50034—2004) ［M］．北京．中国建筑工业出版社，2004．