中小學(xué)普通教室照明測量方法的研究

莊慶瑞

(廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，福建 廈門 361000)

引言

隨著人們生活水平日益提高，對照明的要求已不滿足于基本的照亮功能，而是健康照明、舒適照明上提出了更高要求。教室照明燈具按被照對象分類可分為兩種：用于課桌照明的燈具和用于黑板(或書寫板)照明的燈具(也稱為黑板燈)。隨著LED這一新型光源的普及，越來越多地區(qū)和學(xué)校對教室照明現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查研究[1,2]，有些還著手對傳統(tǒng)照明燈具進(jìn)行了改造，以期提高照明質(zhì)量[3,4]，保護(hù)學(xué)生視力[5]。這些改造工程中，照明測量和效果評價都是必要環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對中小學(xué)教室照明測量方法的規(guī)定仍存在不夠詳細(xì)、不夠合理等問題，導(dǎo)致可操作性、結(jié)果可對比性較差。本文將就中小學(xué)普通教室照明的具體測量細(xì)節(jié)展開討論。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況

目前教室照明質(zhì)量的評價指標(biāo)可分為以下4類：a)基本照明指標(biāo)：平均照度、照度均勻度。b)舒適性指標(biāo)：統(tǒng)一眩光指數(shù)(UGR)。c)能效指標(biāo)：照明功率密度。d)顏色指標(biāo)：相關(guān)色溫、顯色指數(shù)。對于這些指標(biāo)，我國在不同的標(biāo)準(zhǔn)中都進(jìn)行了規(guī)定，主要標(biāo)準(zhǔn)包括GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50099—2011《中小學(xué)校設(shè)計規(guī)范》、GB 7793—2010《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》、DB 31/T 539—2011《中小學(xué)校及幼兒園教室照明設(shè)計規(guī)范》等。

這些標(biāo)準(zhǔn)對教室照明質(zhì)量評價指標(biāo)以及測量方法的規(guī)定不盡相同，以普通教室為例，指標(biāo)限制及引用的方法標(biāo)準(zhǔn)如表1所示?？梢娺@些標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于相關(guān)指標(biāo)的測量方法，要么沒有明確闡述，要么直接引用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5700—2008《照明測量方法》。該方法標(biāo)準(zhǔn)中未涉及UGR的測量和計算，雖然規(guī)定了現(xiàn)場照度、色溫、顯色指數(shù)、電參數(shù)的測量，但規(guī)定不夠詳細(xì)，實際操作時往往容易產(chǎn)生分歧，導(dǎo)致結(jié)果缺乏可比性，同時有些方法不夠合理，這些都將影響相關(guān)指標(biāo)的測量和計算結(jié)果，也對照明設(shè)計造成困擾。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)對普通教室照明質(zhì)量的要求Table 1 The lighting quality requirements of different standards for general classroom

2 照度測量區(qū)域的確定

照度測量區(qū)域是指用來測量和計算平均照度和照度均勻度的區(qū)域。GB/T 5700—2008未對照度測量區(qū)域進(jìn)行規(guī)定，實際測量課桌面照度時，測量區(qū)域的選取存在一定的隨意性，甚至將整個教室作為測量區(qū)域。教室內(nèi)除了學(xué)生課桌讀寫工作區(qū)域外，還有教室前后還有講臺、儲物低柜及其周邊等非讀寫工作區(qū)域，這些區(qū)域是否需要納入測量區(qū)域？在工作區(qū)域周邊至少0.5 m范圍內(nèi)稱為緊鄰區(qū)域，該區(qū)域的內(nèi)的照明應(yīng)在視場內(nèi)提供良好均衡的亮度分布，否則照度的顯著變化可能導(dǎo)致視疲勞和不舒適。出于節(jié)能等因素考慮，緊鄰區(qū)域的照度可以比工作區(qū)域低一些，但不能過低，以普通教室為例，課桌維持平均照度為300 lx時，緊鄰區(qū)域的照度不宜低于200 lx；黑板維持平均照度為500 lx時，緊鄰區(qū)域的照度不宜低于300 lx[6]。可見，教室內(nèi)除課桌外的其它非讀寫工作區(qū)域，水平照度可能比課桌區(qū)域低30%以上，將這些區(qū)域納入照度測量區(qū)域顯然不合適。課桌面照度測量區(qū)域應(yīng)為課桌擺放區(qū)域。

對于課桌數(shù)量和位置不固定的教室，確定測量區(qū)域時應(yīng)考慮課桌的最大可能擺放區(qū)域。課桌往往緊挨著教室左右墻面擺放，因此測量區(qū)域的寬度即為教室寬度。目前有些學(xué)校為容納更多學(xué)生，會將最前排課桌緊挨著講臺桌擺放，故測量區(qū)域前端應(yīng)從講臺桌前沿開始。GB 50099—2011規(guī)定最后排座椅后沿與后墻面或固定家具的凈距不小于1.1 m，一般課桌后沿與座椅后沿距離約0.6 m，故測量區(qū)域后端應(yīng)距離后墻面或固定家具1.7 m。

3 測量區(qū)域網(wǎng)格劃分

GB/T 5700—2008規(guī)定將測量區(qū)域劃分為若干個正方形網(wǎng)格(課桌面照度測量網(wǎng)格為2 m×2 m，黑板照度測量網(wǎng)格為0.5 m×0.5 m)，采用中心布點和四角布點兩種布點方法。由于四角布點法測量點數(shù)較多，且當(dāng)網(wǎng)格線與墻面等固定物重合時，實際無法測量，因此一般采用中心布點法，即測量每個網(wǎng)格中心點的照度。平均照度Eav通過式(1)計算：

(1)

式中Ei為第i個測點的照度；M為縱向測點數(shù)；N為橫向測點數(shù)。

可見，式(1)是基于每個網(wǎng)格中心點的照度值等于該網(wǎng)格每一點的照度(或平均照度)這個假設(shè)而得出的，因此要求網(wǎng)格為正方形，以使各個方向投射到該網(wǎng)格的光線占比盡量相等，保證其中心點照度能夠代表該網(wǎng)格的照度。GB/T 5700—2008的網(wǎng)格劃分和平均照度計算方法應(yīng)用于教室照明測量時可能存在如下幾個問題。

3.1 網(wǎng)格尺寸對測量結(jié)果的影響

理論上，網(wǎng)格尺寸越小、數(shù)量越多，測量的數(shù)據(jù)越多，越不容易遺漏重要位置的數(shù)據(jù)(如最小照度和最大照度)，結(jié)果越準(zhǔn)確。

1)黑板照度測試。當(dāng)前LED黑板燈越來越普及，該類燈具一般被設(shè)計成垂直方向的光束較集中(圖1)，采用在黑板上沿的前方位置單側(cè)布燈的方式，這種布燈方式下光束斜照向黑板后通常導(dǎo)致黑板面靠近上沿或下沿附近照度特別低。圖2是一個黑板中央4 m×1 m照度測量區(qū)域的照度分布，表2是該區(qū)域在網(wǎng)格劃分為0.5 m×0.5 m和0.2 m×0.2 m情況下的結(jié)果，可見兩者平均照度值很接近，但前者照度均勻度為0.76，符合表1中至少2個標(biāo)準(zhǔn)的要求，而后者照度均勻度僅為0.59，不符合表1任何標(biāo)準(zhǔn)的要求，同樣的黑板和照明燈具布置，僅網(wǎng)格大小不同，測量結(jié)果卻有很大差異。由于黑板燈投射在黑板上的光線較集中，照度梯度變化較大(表4)，0.5 m×0.5 m 網(wǎng)格測點間距過大，導(dǎo)致所測得的最小照度明顯大于0.2 m×0.2 m 網(wǎng)格，相應(yīng)的照度均勻度也明顯偏大。

圖1 黑板燈配光曲線Fig.1 Light distribution curve of Blackboard luminaire

圖2 4 m×1 m黑板測量區(qū)域照度分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of illumination distribution of 4 m×1 m blackboard measurement area

表2 4 m×1 m黑板照度測量區(qū)域不同網(wǎng)格劃分的結(jié)果Table 2 Different results of different meshes of 4 m×1 m blackboard illuminance measurement area

*——GB/T 50034、GB/T 7793和DB31/T 539均將照度均勻度定義為最小照度/平均照度

表3 4 m×1 m黑板照度測量區(qū)域不同網(wǎng)格劃分的鄰近網(wǎng)格最大偏差Table 3 Maximum deviation of adjacent grids in different meshes of 4 m×1 m blackboard illumination measurement area

2)課桌面照度測試。中小學(xué)教室一般為9 m×7 m左右的矩形，燈具縱向布置3～4盞，橫向布置2～3盞，如果按2 m×2 m劃分網(wǎng)格，則網(wǎng)格數(shù)很少，且網(wǎng)格尺寸與燈具間距相近，結(jié)果會存在一定誤差。表4列出了一個6 m×6 m的課桌面照度測量區(qū)域(燈具布置周期為2.375 m×2.485 m)在不同網(wǎng)格劃分尺寸下的結(jié)果，可見2 m×2 m 網(wǎng)格尺寸測得的照度均勻度偏離0.5 m×0.5 m網(wǎng)格約7%。與黑板照明相比，由于課桌照明燈具布置對稱性好，燈具光束較寬，照度梯度變化較小，故由網(wǎng)格大小劃分產(chǎn)生的誤差也相對較小。

3.2 實際測量區(qū)域?qū)y量結(jié)果的影響

實際測量區(qū)域尺寸一般不是GB/T 5700—2008所規(guī)定網(wǎng)格尺寸的整數(shù)倍，GB/T 5700—2008標(biāo)準(zhǔn)中未提及這種情況如何處理。一般有如下兩種做法。

表4 6 m×6 m課桌面照度測量區(qū)域不同網(wǎng)格劃分的結(jié)果Table 4 Results of different meshes of 6 m×6 m class desktop illuminance measurement area

方法一：為了能夠劃分出整數(shù)個網(wǎng)格而縮小測量區(qū)域，依據(jù)GB/T 5700—2008規(guī)定的網(wǎng)格尺寸，將四周無法湊足整數(shù)網(wǎng)格的區(qū)域直接排除，而將測量區(qū)域設(shè)置在前后(或上下)和左右方向各自居中的位置。顯然，這種方法很可能丟失一些重要的測量點(如最小照度點)。

當(dāng)前生豬養(yǎng)殖業(yè)對豬瘟、豬繁殖與呼吸綜合征等病毒病的防疫十分重視，反而對豬鏈球菌病疏于防范，就臨床而言，豬鏈球菌病在各種豬場傳染病中占很大比例，特別是氣候濕熱的季節(jié)是豬鏈球病傳染高發(fā)季節(jié)。近期本地部分生豬養(yǎng)殖場有部分生豬出現(xiàn)了發(fā)熱，關(guān)節(jié)腫脹，敗血癥和神經(jīng)癥狀為特征的急性傳染病，對病料進(jìn)行實驗室診斷確定此次疫情的病原為鏈球菌。

方法二：不排除任何應(yīng)測量區(qū)域，而是改變網(wǎng)格尺寸。EN 12464—1：2011中規(guī)定了一種根據(jù)測量區(qū)域尺寸來確定網(wǎng)格尺寸的方法。

首先，計算最大網(wǎng)格尺寸p(單位：m)：

p=0.2×5log10d

(2)

式中d一般為測量區(qū)域的較長邊，當(dāng)測量區(qū)域的較長邊為較短邊的2倍或以上時，d取測量區(qū)域的較短邊。

其次，取最接近d/p的整數(shù)為該邊方向上的網(wǎng)格數(shù)，并計算該方向上的網(wǎng)格尺寸L。

最后，取最接近d′/L的整數(shù)為測量區(qū)域另一方向上的網(wǎng)格數(shù)(d′為該方向的長度)，并計算出該方向上的網(wǎng)格尺寸。

這種方法確定的網(wǎng)格尺寸一般不是正方形而是接近正方形的矩形，但它使得測量區(qū)域不再受固定的網(wǎng)格尺寸的限制。

圖3是一個10 m×7 m的典型教室的燈具布置案例示意圖，按照前文的闡述，該教室課桌照度測量區(qū)域應(yīng)為6.7 m×7 m；黑板照度測量區(qū)域應(yīng)為4 m×1.22 m。表2～表4中第一行數(shù)據(jù)是按照方法一測量的結(jié)果。

圖3 教室燈具布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of classroom lighting

表5和表6中第一行數(shù)據(jù)是根據(jù)方法二測量的結(jié)果，可見方法二和方法一相比，由于增加了邊沿部分的測量區(qū)域，測得了更小的最小照度，結(jié)果更接近真實情況，因此方法二比方法一更佳。

表5 4 m×1.22 m黑板照度測量區(qū)域測量結(jié)果Table 5 Measurement result of 4 m×1.22 m blackboard illumination measurement area

表6 6.7 m×7 m課桌面照度測量區(qū)域測量結(jié)果Table 6 Measurement result of 6.7 m×7 m class desktop illuminance measurement area

從表5和表6可見，網(wǎng)格劃分越小，越能測到靠近測量區(qū)域邊界的點，測得的最小照度越小，就此而言方法二所確定的網(wǎng)格尺寸并不足夠小。但是同時，網(wǎng)格劃分越小，測點就越多，工作量增大，且無限減小網(wǎng)格并不可行，因此在對測量結(jié)果影響不大的情況下，可根據(jù)實際情況考慮網(wǎng)格的大小。對于黑板照度測量，考慮目前照度探頭的最大尺寸約7 cm(含探頭周邊的機身部分)，且學(xué)生視線距離較遠(yuǎn)，故網(wǎng)格尺寸選取在0.2 m左右較合適。對于課桌面照度測量，中小學(xué)生桌面尺寸一般為0.6 m×0.4 m左右，由于教室照明燈具光束較寬，布燈均勻，照度梯度較小，可將網(wǎng)格尺寸選為0.6 m左右。

我們可以對方法二作如下調(diào)整以使其更適用于中小學(xué)普通教室照明的測量。首先，取最接近d/p的整數(shù)為相應(yīng)方向上的網(wǎng)格數(shù)，并計算該方向上的網(wǎng)格尺寸L。其中d一般為測量區(qū)域的較長邊，當(dāng)測量區(qū)域的較長邊為較短邊的2倍或以上時，d取測量區(qū)域的較短邊；p取0.2 m(黑板照度)或0.6 m(課桌面照度)；然后，取最接近d′/L的整數(shù)為測量區(qū)域另一方向上的網(wǎng)格數(shù)(d′為該方向的長度)，并計算出該方向上的網(wǎng)格尺寸。

4 現(xiàn)場色溫和顯色指數(shù)的測量

GB/T 5700—2008規(guī)定每個場地測量點數(shù)量不應(yīng)少于9個(住宅單個房間可不少于3個)，然后取算術(shù)平均值作為現(xiàn)場的色溫和顯色指數(shù)。對于中小學(xué)普通教室，由于現(xiàn)在越來越廣泛采用的LED燈具相比傳統(tǒng)光源，存在顏色不均勻度可能較大的問題，因此僅測量少數(shù)幾個點且未規(guī)定布點方式，其測量結(jié)果無法真實反映被照場所的顏色分布，結(jié)果也不具有可比性和可重復(fù)性。可按照前文所述照度測量的布點方式確定顏色測量點，并增加計算所有測點間色差異[7]的最大值以評價被測場所的顏色不均勻度。

5 照明功率密度的計算

照明功率密度(LPD)是指單位面積上照明實際消耗的功率，單位是W/m2,計算公式為

(3)

式中Pi為被測量照明場所中第i個照明燈具的輸入功率，S為被測量照明場所的面積。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中未指明照明場所面積的范圍是只包括課桌面/黑板照度測量區(qū)域還是指整個教室面積，是只計算課桌面照明燈具還是也包括黑板燈具。作為節(jié)能指標(biāo)，教室的LPD體現(xiàn)的應(yīng)是整個教室單位面積內(nèi)所有照明燈具(也包含黑板燈)的能耗水平，因此應(yīng)計算所有燈具的功率和整個教室的面積。

目前，還有另一種LPD密度的定義，即單位面積上每產(chǎn)生100 lx照度所消耗的功率，單位是W/m2/100 lx，其計算公式為

(4)

式中，Eav為受照區(qū)域的平均照度?？梢娛?4)將節(jié)能指標(biāo)與照明效果結(jié)合在一起，可適用于計算某一特定受照區(qū)域內(nèi)或某單一類型燈具照明的節(jié)能效果。如課桌的LPD應(yīng)通過課桌照明燈具及課桌照度測量的面積和平均照度進(jìn)行計算。

6 結(jié)束語

我們通過案例分析、方法比較和原理討論，從照度測量區(qū)域、網(wǎng)格劃分、現(xiàn)場色溫和顯色指數(shù)、照明功率密度等幾個方面研究了現(xiàn)有中小學(xué)普通教室課桌和黑板照明測量標(biāo)準(zhǔn)中存在的問題，討論了網(wǎng)格尺寸選取以及實際測量區(qū)域選取的不同對測量結(jié)果的影響，并提出了更合理、更具有可操作性的測量區(qū)域和網(wǎng)格尺寸的選取方法。