不同配光設(shè)計(jì)的LED黑板燈照明對(duì)老師產(chǎn)生的眩光分析

程 敏,俞浙銘,陳國(guó)秋

(1.中認(rèn)尚動(dòng)(上海)檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海 200233；2.中華人民共和國(guó)黃埔海關(guān)，廣東 廣州 510730)

引言

為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于學(xué)生近視問(wèn)題的重要指示精神，切實(shí)加強(qiáng)新時(shí)代兒童青少年近視防控工作，教育部會(huì)同國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)等八部門(mén)制定了《綜合防控兒童青少年近視實(shí)施方案》[1]。為滿(mǎn)足教室、宿舍、圖書(shū)館(閱覽室)等對(duì)采光和照明的要求，使用有利于視力健康的照明設(shè)備成為重要方面，同時(shí)合理設(shè)計(jì)照明光環(huán)境也是必不可少的輔助性條件。

近年來(lái)，全國(guó)各地陸續(xù)展開(kāi)了教室燈光改造的試點(diǎn)工作。同時(shí)，教室照明燈具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)以及教室光環(huán)境設(shè)計(jì)也引起各大廠家的重視。教室燈具的防眩設(shè)計(jì)主要有兩大類(lèi)：一是以格柵為主的防眩設(shè)計(jì)方案，一是以微晶面板為主的防眩設(shè)計(jì)方案。而教室光環(huán)境改造的主要難點(diǎn)就是黑板燈具的設(shè)計(jì)，從教室現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，其主要問(wèn)題是因?yàn)闊艟叩墓馐禽^大，使得更多的光直接照射到老師的視野里，對(duì)老師產(chǎn)生過(guò)大的眩光，也有部分研究證明傳統(tǒng)黑板燈具對(duì)黑板面上不同高度點(diǎn)產(chǎn)生眩光[2]。本研究重點(diǎn)選取當(dāng)前不同類(lèi)型的LED黑板燈具進(jìn)行測(cè)試并作模擬分析，得出不同出光角度燈具在滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)，對(duì)老師產(chǎn)生的眩光的影響情況，并給出優(yōu)化設(shè)計(jì)方向。

1 統(tǒng)一眩光值(UGR)

照明環(huán)境的不舒適眩光由國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)統(tǒng)一眩光值(UGR)圖表方法確定[3]，它是CIE 117:1995推薦的評(píng)價(jià)直接眩光的方法，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中，Lb為背景亮度(cd/m2)；La為觀察者方向每個(gè)燈具的亮度(cd/m2)；ω為每個(gè)燈具發(fā)光部分對(duì)觀察者眼睛所形成的立體角(sr)；P為每個(gè)單獨(dú)燈具的位置系數(shù)。

大多照明環(huán)境所產(chǎn)生UGR值的范圍為10～30，其中30表示產(chǎn)生嚴(yán)重的不舒適眩光，10表示不太可能產(chǎn)生不舒適眩光，UGR值小于10的照明環(huán)境中認(rèn)為沒(méi)有不舒適眩光[4]。UGR等級(jí)分為13/16/19/22/25/28，其中13代表可感知的最小不舒適眩光[3]。對(duì)于教室照明，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求是UGR不大于19。對(duì)于一個(gè)已經(jīng)布置好教室燈具和黑板燈具的教室，UGR測(cè)量除了量取燈具出光口面尺寸和燈具所在教室的坐標(biāo)位置外，主要是指要用亮度計(jì)測(cè)量每個(gè)教室燈具的亮度和背景環(huán)境的亮度。如果整個(gè)照明環(huán)境由不同類(lèi)型燈具組成，其光分布各異或燈具不同，或兩者兼有，則必須對(duì)每個(gè)光源/燈具組合在不同觀察者位置分別計(jì)算UGR值，應(yīng)當(dāng)將計(jì)算得到的最高UGR值作為整個(gè)照明環(huán)境的典型值，并且將所有確定UGR的計(jì)算條件進(jìn)行說(shuō)明[3]。

2 燈具配光測(cè)試

基于LED光源發(fā)光面積小、光效高、顯色性好等特點(diǎn)，廠家通過(guò)采用各種非對(duì)稱(chēng)的光學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)提高黑板照明的照度及均勻度。當(dāng)前黑板燈主流的光學(xué)系統(tǒng)有塑料棱鏡、塑料棱鏡外加乳白色平板透光罩、乳白色透光罩外加金屬反射板、塑料棱鏡加透光罩再加格柵等四種。針對(duì)以上四種情況，我們選取了六款典型黑板燈具進(jìn)行配光測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 常見(jiàn)黑板燈具配光測(cè)試結(jié)果

續(xù)表1

六款燈具中1號(hào)為塑料棱鏡加透光罩外加格柵類(lèi)型，2號(hào)和3號(hào)為塑料棱鏡外加乳白色平板透光罩類(lèi)型，4號(hào)為乳白色透光罩外加金屬反射板類(lèi)型，5號(hào)和6號(hào)為塑料棱鏡類(lèi)型。從表1可以看出，帶有格柵的燈具可以很好地減小C0/180面(側(cè)面)上光束角[5]，只有棱鏡處理的黑板燈具在C0/180面上光束角會(huì)比較大。另外在C90/270面(正面)上光束角的離散性比較大。

3 模擬仿真計(jì)算

在光學(xué)設(shè)計(jì)的同時(shí)，大多廠家都考慮到將燈具盡可能地安裝在距離黑板較近的位置上，這樣也可以避免老師正面(C90/270面)直接眩光的影響，為此，本文的黑板燈具安裝是按照標(biāo)準(zhǔn)T/CEEIA 365—2019《中小學(xué)校教室光環(huán)境設(shè)計(jì)及測(cè)試評(píng)價(jià)規(guī)范》中的要求進(jìn)行的，如圖1所示[6]，圖中m為燈具出光后邊緣與黑板面的水平距離，n為燈具出光下邊緣到黑板上邊緣的垂直距離，h為為黑板下邊緣離講臺(tái)面的垂直距離。仿真計(jì)算中燈具的水平和垂直安裝距離滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，如式(2)所示。

m

(2)

圖1 黑板燈具的安裝示意圖Fig.1 Diagram of blackboard lamp’s installation position

為了充分說(shuō)明黑板燈具在不同位置和不同方向上對(duì)老師產(chǎn)生眩光的現(xiàn)象，根據(jù)GB 7793—2010《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)黑板照明的要求[7]，結(jié)合GB/T 5700—2008《照明測(cè)量方法》所提出的測(cè)量方法[8]，將測(cè)試結(jié)果得到的IES文件按照同一安裝位置運(yùn)用DIALux軟件對(duì)老師在講臺(tái)不同位置的正面(C90/270面)和側(cè)面(C0/180面)進(jìn)行眩光模擬計(jì)算。

模擬計(jì)算所選取的典型教室長(zhǎng)、寬、高分別為8.7 m、7.2 m、3.5 m，黑板長(zhǎng)、寬、厚為4.0 m、1.2 m、0.1 m，黑板燈具安裝中心間距為1.7 m。除了黑板燈具配光不一致，其他室內(nèi)參數(shù)和教室燈具參數(shù)設(shè)置均一致，如圖2所示。

圖2 教室光環(huán)境模擬分析圖Fig.2 Simulation analysis diagram of classroom light environment

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5700—2008中的要求，黑板照度布點(diǎn)間距為0.5 m×0.5 m[8]，按照中心布點(diǎn)法[8]，布點(diǎn)方式如圖3所示。所選六款燈具在滿(mǎn)足照度及均勻度的前提條件下，按照m=0.6 m，n=0.2 m，h=1.0 m，w=1.2 m，教師觀察點(diǎn)高1.72 m，觀察點(diǎn)距黑板水平距離0.3 m的條件進(jìn)行仿真計(jì)算。另外，UGR計(jì)算點(diǎn)位置同照度計(jì)算點(diǎn)在同一豎直線上，共8個(gè)計(jì)算點(diǎn)，橫向相鄰兩點(diǎn)的間距0.5 m，布點(diǎn)方式如圖4所示，圖中9～16代表8個(gè)觀察點(diǎn)，水平向右觀察箭頭的方向表示C90/270面，豎直向上觀察箭頭表示C0/180面。其模擬計(jì)算結(jié)果如表2～表4所示。

圖3 黑板面上照度測(cè)試布點(diǎn)示意圖Fig.3 Diagram of illuminance test points on blackboard

圖4 UGR仿真計(jì)算布點(diǎn)示意圖Fig.4 Diagram of simulation calculation point of UGR

表2 不同黑板燈具在相同位置下模擬計(jì)算結(jié)果

注：安裝角α取燈具水平安裝時(shí)的角度為0°，出光口面向下轉(zhuǎn)動(dòng)為+

表3 C90/270面上不同位置上黑板燈具對(duì)老師產(chǎn)生的UGR模擬計(jì)算結(jié)果

表4 C0/180面上不同位置上黑板燈具對(duì)老師產(chǎn)生的UGR模擬計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)六款不同設(shè)計(jì)類(lèi)型的黑板燈具進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，在相同安裝位置下，每款燈具的黑板照明效果都能滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時(shí)，黑板燈具在滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)T/CEEIA 365—2019《中小學(xué)校教室光環(huán)境設(shè)計(jì)及測(cè)試評(píng)價(jià)規(guī)范》中安裝位置的要求下[6]，在C90/270面方向上產(chǎn)生的UGR均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求值19，并且根據(jù)模擬計(jì)算得出的眩光值在滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下降低11%。另外，黑板燈具在標(biāo)準(zhǔn)要求的安裝位置范圍內(nèi)，C0/180面光束角為72.4°時(shí)，老師在講臺(tái)上感受到眩光的情況會(huì)適當(dāng)減少；在大于或等于78.5°的情況下，整個(gè)講臺(tái)在該方向上UGR大于19的位置比例超過(guò)87.5%；C90/270面光束角和該方向的UGR沒(méi)有一定的線性關(guān)系，如圖5所示。結(jié)合表1～表4分析得出，黑板燈具光通量在2829～3744 lm范圍內(nèi)和眩光沒(méi)有呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。

圖5 C90/270面光束角和UGR關(guān)系圖Fig.5 Relationship of beam angle in C90/270 direction and UGR

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)六款不同配光類(lèi)型的LED黑板燈具在相同的教室環(huán)境中進(jìn)行光環(huán)境模擬計(jì)算分析得出，在滿(mǎn)足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的安裝要求下，黑板照明能夠滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，并且在C90/270面上能夠很好的抑制住眩光對(duì)老師正面的影響。從配光測(cè)試和模擬計(jì)算的結(jié)果可以看出，在黑板燈具水平安裝距離確定的情況下，黑板燈具C90/270面光束角在24.6°～48.9°內(nèi)變化時(shí)對(duì)老師產(chǎn)生的眩光變化不大，均可以低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求；另外，黑板燈具通過(guò)減小C90/270面光束角的設(shè)計(jì)來(lái)抑制老師正面的眩光影響意義不大。在C0/180面上對(duì)老師側(cè)面方向上的眩光影響會(huì)隨著光束角的減小而降低，如果能將C0/180面上光束角降低到72.4°以下，老師所感受到的眩光會(huì)明顯減小。綜上所述，可以通過(guò)單個(gè)透鏡或者增加格柵的方式來(lái)控制黑板燈具C0/180面光束角，以達(dá)到減小側(cè)面眩光的目的。