教室不同位置的UGR测试与仿真分析

钱 承，程 敏，陈建秋

(1.中国合格评定国家认可中心，北京 100062；2.中认尚动(上海)检测技术有限公司，上海 200233)

引言

随着国家相关部门对托幼机构、校外培训机构、学校照明采取“双随机”抽查以来，光环境检测工作越来越广泛的被引起重视。标准中对教室光环境评价的参数主要有教室维持平均照度、教室照度均匀度、书写板维持平均照度、书写板照度均匀度、显色指数、相关色温、照明功率密度和统一眩光值(UGR)[1]。大多数评价参数在GB/T 5700—2008《照明测量方法》[2]或GB 50034—2013《建筑照明设计标准》[3]中有说明如何进行测试。而对于UGR的测试，在GB 50034—2013《建筑照明设计标准》中虽然有提到，但是没有详细的测试指导方案，很多实验室测试人员、厂家对标准中提到的方法理解较为模糊，对该参数的理解不尽相同，时常出现同一个布灯场景不同人员用相同设备测试下来差异较大的情况。

GB 50034—2013《建筑照明设计标准》中提到“UGR测试要求在坐姿1.2 m的高度下，观测位置一般在纵向和横向两面墙的中点，视线水平朝前”。对于教室而言，正常的测量位置是位于教室后墙的中点上，而具体的位置，更多的人认为是越靠墙测试结果越严苛。很多实验室都是靠墙测试(设备的位置离墙多数为0.6～0.8 m)，计算时都是按照测试点在后墙上，而当测试点的位置和计算点的位置不同的时候，计算得到的结果和实际情况难免会出现较大的差异。因此，本论文着重研究在不同观测点测试UGR的数据差异性，通过对计算结果的分析，发现在标准中规定好合理的测试位置对UGR的合理评价是非常有必要的。

1 统一眩光值(UGR)

照明环境的不舒适眩光由CIE统一眩光值(UGR)图表方法确定[4]，是CIE 117:1995推荐的评价直接眩光的方法，对应的计算公式为

(1)

式中，Lb为背景亮度(cd/m2)；La为观察者方向每个灯具的亮度(cd/m2)；ω为每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角(sr)；P为每个单独灯具的位置系数。

大多照明环境所产生UGR值的范围为10～30，其中30表示产生严重的不舒适眩光，10表示不太可能产生不舒适眩光，UGR值小于10的照明环境中认为没有不舒适眩光[5]。UGR等级分为13/16/19/22/25/28，其中13代表可感知的最小不舒适眩光[4]，对于教室照明，国家标准的要求是UGR不大于19。对于一个已经布置好教室灯具和黑板灯具的教室，UGR测试除了量取灯具出光口面尺寸和灯具所在教室的坐标位置外，主要是指要用亮度计测试每个教室灯具的亮度和背景环境的亮度。如果整个照明环境由不同类型灯具组成，其光分布各异或灯具不同，或两者兼有，则必须对每个光源/灯具组合在不同观察者位置分别计算UGR值，应当将计算得到的最高UGR值作为整个照明环境的典型值，并且将所有确定UGR的计算条件进行说明[4]。

2 反射比的测量

依据GB/T 5700—2008《照明测量方法》[2]中的测量方法，照明现场反射比的测量可采用便携式反射比测量仪器直接测量[2]，本文现场运用照度计对教室的相关背景设施(如书写板、桌面、窗帘、地面和墙面)进行反射比直接测量。将照度计的探头背面紧贴被测表面的某一位置，测其入射照度ER，然后将照度计探头的接收面对准同一被测表面的原来位置，待照度稳定后读取反射照度Ef，测量示意图见图1所示[2]。按照式(2)求出其单个点的反射比ρ，每个被测表面选取3～5个测量点，求出其算数平均值作为该表面的反射比。

(2)

式中，ρ为反射比；Ef为反射照度，单位为勒克斯(lx)；ER为入射照度，单位为勒克斯(lx)。

图1 采用照度计间接测量反射比方法示意图Fig.1 Schematic diagram of indirect measurement of reflection with illuminometer

图1中，1为被测表面；2为照度计接收探头；3为照度计主机。

3 教室环境及测试条件的介绍

本文选取的典型教室的尺寸为长为9.52 m，宽为7.60 m，高为3.50 m。教室内布置9盏教室灯具，3盏书写板灯具，教室灯具距离地面2.8 m，书写板灯具距离地面2.5 m，桌面高为0.75 m。教室前后有墨绿色书写板，墙体为白色石灰涂层，教室左右两侧基本被银灰色布艺窗帘覆盖，地面为灰色水磨石，桌椅为浅黄色。现场测试所用设备有亮度计(设备型号：LMT L1009), 激光测距仪(设备型号：GLM7000)，教室布灯位置见图2所示，现场布灯场景和教室相关设施如图3所示。

图2 布灯位置图Fig.2 Luminaires distribution diagram

照片3 教室内窗帘实物 图3 现场布灯场景和教室相关设施Fig.3 Lighting scene and classroom related facilities

教室灯具运用电镀格栅来降低眩光，同时增加了灯具的上射光通量设计，灯具上射光通光通量占总光通量的23%，属于半直接照明[6]，这样对背景亮度的提升有很大的贡献。灯具配光曲线见图4。

图4 教室灯具配光曲线Fig.4 Light distribution curve ofluminaire

亮度测试位置如图5所示，测试时，虽然都是靠近墙面来操作设备，但是不同体格大小的人，测试时设备距离后墙面的位置也不尽相同。GB 50099—2011《中小学校设计规范》中规定普通教室最后排座椅之后应设横向疏散走道，自最后排课桌后沿至后墙面或固定家具的净距不应小于1.10 m[7]。结合标准和实际测试情况，当靠近后墙面测试时，最大极限的考虑人和设备自身的尺寸后，观测点距后墙面水平距离X有0.6 m，然后按照0.1 m间隔往前移动设备，分别在距离后墙面0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m和1.1 m六个点位上测试灯具亮度和背景亮度，亮度具体测试布点方式按照标准T/CEEIA 365—2019《中小学校教室光环境设计及测试评价规范》[1]的要求进行，结合灯具位置、尺寸计算出UGR大小。

图5 UGR测试位置示意图Fig.5 Schematic diagram of UGR testing location

4 UGR现场测试结果分析

将现场观测和实际测试进行对比分析，对于电镀格栅灯具，在不同位置观察，其灯具的亮度差异较大。结合教室现场的实际环境，如吊扇、投影仪、横梁等硬件设施，按照其他光环境参数都满足国家标准的前提下安装布置教室灯具(典型安装方式)，不同的灯具布灯位置对UGR的影响也很大。因为灯具的布灯位置直接关系到参与UGR计算的位置系数，不同的位置系数计算得到的UGR是成倍变化的。本文在不同观测位置测试灯具和背景的亮度，得到如表1～表6所示的数据，UGR计算的结果如表7所示。

表1 0.6 m处测试的亮度数据Table 1 Luminance data at 0.6 m

表2 0.7 m处测试的亮度数据Table 2 Luminance data at 0.7 m

表3 0.8 m处测试的亮度数据Table 3 Luminance data at 0.8 m

表4 0.9 m处测试的亮度数据Table 4 Luminance data at 0.9 m

表5 1.0 m处测试的亮度数据Table 5 Luminance data at 1.0 m

表6 1.1 m处测试的亮度数据Table 6 Luminance data at 1.1 m

表7 不同位置点测试计算得到的UGR值Table 7 UGR value calculated by different position point test

从表1～表6的测试结果可以清晰地看出，在不同位置下，背景亮度的变化不会很大。对于现场安装的带电镀格栅的9盏教室灯具而言，影响UGR的关键灯具是8号灯具，如果将其安装在位置系数不考虑的位置范围内，那么UGR的计算结果会有40%以上的下降；随着测试位置的前移，虽然整体的位置系数会增加，但是灯具的亮度同样呈增加趋势，所以计算得到的UGR又会呈上升趋势。

5 UGR模拟结果分析

根据以上介绍的反射比测量方法，将现场主要的背景设施测量得到的反射比应用到仿真软件的相关参数设置中，如墨绿色书写板的反射比为20%，白色石灰墙体的反射比为70%，教室左右两侧银灰色布艺窗帘的反射比为35%，灰色水磨石地面的反射比为35%，浅黄色桌椅的反射比为60%。建模完成后，模拟计算的仿真效果如图6所示。为了证明格栅灯在不同位置点测量的UGR的变化情况，仿真时同现场测试选取相同位置点进行模拟计算，并得到如表8所示的仿真结果。

图6 模拟计算的仿真图Fig.6 Simulation in software

表8 不同位置点仿真计算得到的UGR值Table 8 UGR simulation results in different position

因为软件本身设置的问题，当UGR小于10时，不体现具体数值大小，这种体现方式同CIE 117:1995的表述一致(当UGR值低于10时，认为照明系统不会引起不舒适，所以在全球范围内都可以用UGR<10来定性它们[5])。

从模拟结果可以清晰的看出，整体UGR值的变化趋势同现场实测一致，随着计算位置的前移，UGR值先减小后增加，也就是说眩光的影响同灯具的安装是有紧密联系的，并非产品光学设计一个方面来控制。另外，只要背景参数设置和灯具的测试较为准确，教室灯具的安装可以参考前期的仿真设计结果，这样可以避免安装完成后因为测试的不合格而返工整改。

6 结论与建议

本文通过实际现场测试和仿真设计，将不同位置测试和模拟计算得到的结果进行分析，发现电镀格栅教室灯具对教室眩光的抑制有很好的效果，很好的诠释了“见光不见灯”的效果，值得推崇和应用。对于其他防眩方式的灯具，有待后续的测试与分析。

综上，针对目前教室光环境UGR测试评价，有以下几点结论与建议：

1)由于学生桌椅和学生自身体格的差异，测试位置应该按照教室现场的实际情况进行，需要考虑设备和测试人与人员自身不可避免的尺寸需求，从现场测试的数据来看，测试位置应在0.6～1.1 m之间进行，选取测量结果最大者更为合理；

2)UGR的计算应该基于测试点位置查找位置系数进行计算，应当避免测试点数据同计算点数据不统一的情况；

3)从实际测试结果来看，并非越靠近教室后墙的情况下UGR越高，实际结果要结合灯具的安装位置和灯具的配光曲线；

4)教室灯具的安装对于光环境品质的提高有着非常重要的作用，如果尽可能多的将教室后排灯具安装在不考虑其位置系数的空间范围内，那么教室光环境的品质会有很大的提高。