教室照明设计中的光源选择

李仁杰 王俊杰

1 山西经济管理干部学院（山西 太原 030000）2 华能新能源山东分公司（山东 济南 250000）

0 引言

白炽灯因价格低廉，自问世后迅速在全球范围内得到广泛应用，给成千上万的家庭送去了光明。然而，随着全球环境问题日益严峻，人们逐渐认识到“绿色环保、可持续发展”的重要性，开始大力提倡环保节能光源的应用，也研发了各种各样的环保节能灯具。LED灯具作为其中的佼佼者，现已在各个领域得到广泛应用，使照明市场的格局发生了很大的改变。LED是一种发光二极管，通过电流时能够将电能直接转变成可见光，且转换效率高，即使长时间使用，灯具的温度依然很低。LED作为一种冷光源，是当今世界人类照明方式的第四次飞跃，具有寿命长、节能环保等优势，在未来照明市场上拥有非常广阔的发展前景。在此背景下，LED光源在教室照明中得到迅速发展与普及。

1 LED光源的发光原理

以固态半导体芯片为发光材料，通过向芯片两端施加正向电压，半导体中的载流子出现复合情况而放出过剩的能量，进而使光子发射产生光。目前，国内市场上的白光LED主要通过蓝色LED芯片激发黄色荧光粉，从而形成白光。由于LED发射光谱的色温多种多样，因此其与激发黄色光粉的发光光谱比例也不同[1]。相较于低色温LED光谱，高色温LED光谱中含有的蓝光更多。

在未来，类太阳光LED将在全球照明领域中得到大范围应用，其发光原理是通过紫光LED激发荧光粉，从而形成红、绿、蓝三色光。与以往的LED相比，此种新型光源的光谱与太阳光更接近，大幅度减少了蓝光，但是其价格较高，尚未得到大范围使用。

2 教室照明设计中LED光源的应用优势

（1）光的利用率和灯具的能效更高。以往的荧光灯可以在发光的圆柱面上全方位发光，然而将该灯具应用到室内顶面时，会引发一个很大的问题，即该灯具发出的光仅有40%能被充分地直接照射到工作面上，其余60%则会通过灯具反射器的反射而照射到工作面上。然而，即使是性能最佳的灯具反射器，其反射效率最高也仅有70%，这就造成了大量电能的浪费。目前，市面上现有的高效三基色荧光灯管光效在104.2 lm/W左右，加上电子镇流器的损耗，其效率在94.2 lm/W左右，当灯具处于正常运行状态时，其总效能也仅有71.3 lm/W左右。当LED照明灯具色温为4 000 K日光色、显色指数≥80且R9＞10时，能够输出较为舒适的光，且其在正常运行过程中具有的效能为95～100 lm/W。即该新型灯具能够在确保光照舒适性的同时保证高发光效率，能够有方向发光且具有很高的光利用率[2]。

（2）黑板灯的照度具有更高的均匀度。相关规范中明确要求中小学教室的黑板宽度为2 m，而以往的荧光灯管，32 W或36 W的发光体长度多为1.2 m，58 W的发光体长度为1.5 m。由此可见，在教室黑板中选择以往的荧光灯具进行照明，若采用2×T8 32 W/36 W的灯具，灯光长度会影响黑板的照度和照度均匀度，使之难以达到相关规范和要求；若选用2×T8 58 W的灯具进行照明，能够在极大程度上改善照度均匀度等问题，但难以获得较为科学的比例，且能效指标和教室的照明功率密度会增大，不符合相关指标值[3]。通过调查某地七十多所中小学校的教室发现，这些学校教室采用传统荧光灯照明方式，其黑板照度均匀度项目合格率非常低，不到20%。但是，由于LED照明灯具的光源形状与光分配具有精准性、任意性的特点，故而既可以确保照明功率密度符合相关规范，又符合黑板的照度与照度均匀度的相关规范。

（3）超长的使用寿命和较低的维护成本。从国家层面上看，要想确保我国节能减排、节约型社会建设目标的顺利实现，需要尽量延长照明灯具的使用寿命，并减少其维护成本。若照明灯具的使用寿命较短，那么会在很大程度上增加灯管生产过程的能耗和污染，也需要花费更多财力和人力维护照明灯具。从使用单位层面上看，照明灯具的使用寿命和维护成本直接影响使用维护的物力与人力成本。以往的荧光灯具尽管其灯管标称使用寿命在8 000～10 000 h，但是因受到所配置镇流器指标的制约，使之在保持超过70%光输出的过程中，使用寿命缩短至6 000～7 000 h，故而几乎每年需要更换一次荧光灯灯管。LED灯具的价格虽然高出传统灯具的1.2倍左右，但其在性价比上具有十分显著的优势，其使用寿命有3～5年，且综合维护成本远低于传统光源灯具，仅是传统灯具的20%左右[4]。

（4）在智能化与人性化高效照明上展现出显著的优势。LED灯具最显著的优势在于其优良的调控功能，选择这一新型光源，能够真正实现智能化与人性化的照明。在以往的照明控制中，人们会通过组合荧光灯和电子镇流器实行调光与控制，若下调灯光，会在很大程度上降低系统效率，还会由于荧光灯的电极温度过低，缩短灯具的使用寿命。LED能做到1%～100%的调光，且能够迅速响应，在光输出下调运行过程中依然能够在很大程度上延长灯具的使用寿命。若借助微处理系统实行调控，能够在没有人时，自动调整到1%～3%的光照，这时既可以看清四周的障碍物，又可以极大限度地节省电能；在有人进入时，又可以立刻恢复到正常照明[5]。此外，LED光源能够按需调色温和控制调光、远程遥控等，从而有效提高照明质量，实现人性化与智能化的节能调控。

3 教室照明设计中LED光源存在的不足

（1）蓝光加权辐亮度的影响。人眼直接看到辐亮度过高的光源时，视网膜可能会受到损伤。同时，相较于部分可见光谱，人眼并不具备较强的蓝光耐受能力。为避免这一危害，需要研发有效的防护方式。结合国内外统一的相关规范和要求，蓝光视网膜危险主要包括以下几类：①无危险，即0类，蓝光加权辐亮度≤100 （W·m-2·sr-1）。无危险类的科学基础是即使人的眼睛长时间看到灯光也不会引发任何光生物危害。对高色温的光源，如果其亮度＜105cd/m2，则其属于0类危害。②低危险，即Ⅰ类，蓝光加权辐亮度≤1×104（W·m-2·sr-1）。若灯的蓝光加权辐亮度小于这一标准值，人眼长时间看到灯光也不会被损害。③中危险，即Ⅱ类，蓝光加权辐亮度≤4×106（W·m-2·sr-1）。当人眼看到灯光时，不会出现对强光与温度的不适反应；但若持续看到灯光10～100 s后，人眼就会出现不适感。④高危险，即Ⅲ类，蓝光加权辐亮度＞4×106（W·m-2·sr-1），此时灯光会在短瞬间危害到人眼。据调查发现，当前市面上LED灯具的蓝光视网膜危险大多是无危险或低危险类，有少部分灯具在打碎透光扩散罩后，才是中危险类。对于青少年儿童，因为其眼睛的晶体具有很高的蓝光透过率，所以需要选择蓝光加权辐亮度为0类的照明光源。当前，LED的管灯表面亮度≤10 000 cd/m2，属于豁免类，而LED平板灯具有较大且均匀的发光面积，其表面亮度为2 000～10 000 cd/m2。相较于传统光源，其具有更优的蓝光加权辐亮度指标及良好的统一眩光指标[6]。

（2）蓝光司辰效应影响。在21世纪之前，人们都认为人眼中起到视觉作用的是锥状细胞与杆状细胞，然而21世纪初时美国研究人员发现了司辰细胞，这一细胞说明了光是如何通过视网膜作用SCN产生光生物效应的“丢失的链接”的。蓝光的波长约为450 nm，直接影响人体的司辰效应，可以在极大程度上抑制人分泌褪黑色素的能力，如图1所示[7]。每天早晨当太阳光色从暖白光逐步转变成冷白光时，人往往会充满精神，且具有更高的反应敏捷性，这一时间段是一个人一天中学习和工作效率最高的时候；到了晚上，当太阳光的色温从高色温逐渐转变成低色温时，人被压抑的褪黑色素会渐渐恢复分泌。教室用灯大多是在早上和晚上开启，这时室内应用低色温的LED光源，较易对学生的生理造成暗示，让学生生理趋向于休息，从而降低其学习效率。

图1 司辰效应

4 教室照明的标准要求及LED光源在教室照明设计中的应用

4.1 教室照明的标准要求

国内现行的有效的教室照明规范要求最先由上海市教育委员会提出，随后多个国家标准和地方规范陆续出现。这些规范总体要求大致相同，即教室的平均照度和照度均匀度、黑板的平均照度与照度均匀度、显色指数、光源色温、统一眩光值、灯具效率与功率密度，均应满足教室照明设计要求和节能要求。相关部门在建设学校教学楼和改造教室的过程中，必须按照要求的高指标实施。教室照明既要满足规范要求，又要重点关注教室照明光的波动系数，严格按照国家标准灯具性能要求，科学设计教室照明光的波动系数，使之符合低风险级别。针对运动类教室，需要将其照明光的波动系数控制在无频闪级别。

4.2 LED光源在教室照明设计中的应用

（1）教室学生区的空间照明设计。相关规范中提出，书桌上的平均照度应≥300 lx，照明光源的显色指数应≥80，且应将局部照明灯具设定到黑板区域。然而，据调查发现，很多学校的教室照明并不合规，其在光源上大多选择寿命短、光效低的荧光灯，这就致使教室照明度不仅无法满足相关规范和要求，而且会导致大量电能消耗，引发频闪等问题。假设教室的体积是10 m×6 m×3.6 m（长×宽×高），黑板照明区长度是3 m，座位照明区体积为8 m×6 m×3.6 m（长×宽×高），要求灯具与学生课桌之间应间隔1.8 m。通过计算可知，LED灯具的光通量是1 500 lm，因为该灯具的发光角为120～180°，几乎为有效光，所以该灯具的利用系数为1，维护系数为0.7，灯具数量为15，最后得出LED灯具的平均照度为328 lx。T8直管荧光灯的光通量是2 500 lm，因为该灯具的发光角约为全方位的360°，存在较多的光通量浪费，仅有60%～65%的光被应用在实际照明上，所以该灯具的利用系数为0.6，维护系数为0.7，灯具数量为15。由此可见，LED灯具完全能够取代T8直管荧光灯，且具有更好的光效和照明效果。

（2）教室黑板区的照明设计。针对教室内黑板区域的光源选择，应确保其照度在常规照明与局部照明应用时为300～1 500 lx，在常规照明过程中，黑板面的照度应＞200 lx。为避免眩光，需确保黑板的照明不会对学生的视觉健康造成影响，且光源无法直接照到学生的眼睛，不会对教师的眼睛产生刺激。为让学生更好地看清黑板，必须确保黑板照明让黑板面保持较好的均匀度，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匀度[8]。

（3）注意对蓝光的有效规避。尽管LED光源中的蓝光成分是这一光源的固有特性，然而采用LED光源的LED灯具，可借助科学合理的硬件设计和光学处理手段有效控制蓝光危害。同时，LED光源的色温不同，则其带来的蓝光危害也不同，一般色温越高，蓝光危害越大，故而可通过控制色温有效减少蓝光危害。具体蓝光的规避措施如下：①参照LED照明标准《灯具 第一部分：一般要求与试验》（GB 7000.1—2015/IEC 60598-1:2014）和《读写作业台灯性能要求》（GB/T 9473—2017）中有关条款的相关要求，合理设计教室照明中LED灯具的色温，有效把控蓝光危害等级，同时将色温控制在4 000 K以内。由于蓝光激发黄光荧光粉发光的LED灯会在极大程度上影响教室照明的环境质量，因此需要限定LED显色指数，特殊显色指数R9必须＞0，一般显色指数Ra必须＞80，且不可选用蓝光组别超过RG1 的光源。②LED教室照明灯具具备的视网膜蓝光危害等级应为RG0无危害等级，在条件允许的情况下，建议学校应用光生物效应设计教室照明，达到情境照明与动态照明灯优化效果。③针对灯具的选型，应采用相应蓝光等级检测合规的灯具，且灯具需具备控制蓝光危害的光学处理手段与硬件设计，不可选择能够清晰看到LED光源中封装器件的LED灯具，避免学生的眼睛直接接触有害蓝光。④由于儿童是受蓝光危害的敏感群体，若教室内使用主要发出蓝光的光源，必然会导致儿童的眼睛暴露在蓝光危害之下，因此在儿童教室内应避免放置存在蓝色指示灯的设备。

5 结束语

教室是青少年儿童上学期间每天所待时间最长的场所，只有良好的教室环境，才能确保学生健康成长，因此相关部门和学校必须高度重视教室的照明设计，通过选择最为适宜的光源为广大师生提供舒适、安全的视觉环境，从而提高教师的教学质量和学生的学习效率，并有效保证学生的视觉健康和心理健康。基于此，在实际的教室照明设计过程中，相关人员需要严格按照相关教室照明的规范，有效利用LED光源的优势，并采取措施解决该光源存在的问题，从而有效提高教室照明的质量。