改善中小學(xué)教室黑板照度均勻度的實驗研究

勉麗娜，周曉云，汪 靜，陳 輝，馬莉蓉，韓 霄，焦欣然，楊 微

(北京市東城區(qū)疾病預(yù)防控制中心，北京 100009)

引言

根據(jù)《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標準》(GB 7793—2010)的要求，黑板的平均照度不應(yīng)低于500 lx,照度均勻度不應(yīng)低于0.8。而從全國現(xiàn)有的數(shù)據(jù)來看，黑板照度均勻度合格率在0%～97.10%之間，并且大部分地區(qū)的合格率都在60%以下[1-9]，其中，北京市各區(qū)縣的黑板照度均勻度合格率僅為0%～33.10%[6-9]。以上數(shù)據(jù)表明，中小學(xué)校教室黑板照明條件亟待改善。因此，本研究通過現(xiàn)場實驗，探討燈管功率、燈架有無反光板、燈具與黑板的平行距離、兩燈具間的距離四個因素對黑板照度均勻度的影響，建立黑板照度均勻度與上述四個影響因素的回歸模型，從而尋找一個最佳的擬合模型；同時也可以獲取具體的改造數(shù)據(jù)以供學(xué)校照明改造時參考。

1 對象與方法

1.1 對象

將一間培訓(xùn)教室作為模擬教室，黑板尺寸為4 m×1 m。

1.2 方法

采用現(xiàn)場實驗的方法，對模擬教室內(nèi)的4 m×1 m的黑板按0.5 m×0.5 m布點，共布16個點；利用2個可移動支架分別支撐2個雙燈管黑板燈具，將燈管功率、有無反光板、燈具與黑板的平行距離、兩燈具間的距離四個因素進行組合，使用照度計進行照度檢測。實驗所需儀器為照度計、測距儀、鋼卷尺，均于2019年通過中國計量科學(xué)研究院進行檢定，并且達到了《學(xué)校衛(wèi)生綜合評價》(GB/T 18205—2012)及《照明測量方法》(GB/T 5700—2008)要求的儀器標準。

1.3 內(nèi)容

本研究主要探討了燈管功率、燈具與黑板的平行距離(后簡稱燈板間距)、兩燈具間距(后簡稱燈燈間距)、有無反光板四個因素對黑板照度均勻度的影響。選取了三種燈管(18 W LED、28 W三基色熒光燈、36 W三基色熒光燈)進行了檢測；燈板間距分別在700 mm、800 mm、900 mm及1 000 mm四個點位進行了檢測；燈燈間距選取了700～1 500 mm范圍內(nèi)進行了檢測。

1.4 相關(guān)定義

黑板平均照度是16個布點的照度的平均值；黑板照度均勻度是16個布點的照度的最低值與平均照度的比值。

1.5 統(tǒng)計方法

通過excel表錄入數(shù)據(jù)，通過SPSS19.0進行數(shù)據(jù)分析，采用兩獨立樣本t檢驗進行單因素分析，采用多元線性回歸分析進行多因素分析。

2 結(jié)果

2.1 28 W熒光燈、無反光板時不同燈板間距及燈燈間距對黑板照度均勻度的影響

選取28 W熒光燈進行預(yù)實驗，無反光板，固定燈具與地面的夾角為60°，夾角示例如圖1的α角，燈板間距分別為700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm，燈燈間距在700～1 500 mm范圍內(nèi)選取，得到的照度均勻度結(jié)果如圖2所示。

圖1 燈具與地面垂直線的夾角示意圖Fig.1 The diagrammatic drawing of the angle between light and ground

圖2 28 W熒光燈、無反光板時燈燈間距、燈板間距對照度均勻度的影響Fig.2 Effect of the distance between lamp and blackboard and the distance between two lampshade on the illuminance uniformity of blackboard under the condition of 28 W fluorescent lamp and without illuminator

由圖2可知，在一定范圍內(nèi)，隨著燈燈間距的增加，均勻度呈上升趨勢，但達到極值后又逐漸降低；隨著燈板間距的增加，均勻度也呈上升趨勢。

2.2 28 W熒光燈、無反光板時不同燈板間距及燈燈間距對平均照度的影響

由圖3可知，隨著燈燈間距的增加，平均照度呈下降趨勢；隨著燈板間距的增加，平均照度也呈下降趨勢。

圖3 28 W熒光燈、無反光板時燈燈間距、燈板間距對平均照度的影響Fig.3 Effect of the distance between lamp and blackboard and the distance between two lampshade on the mean illumination of blackboard under the condition of 28 W fluorescent lamp and without illuminator

2.3 反光板對黑板照度及均勻度的影響

本研究利用36 W熒光燈管開展了反光板對黑板平均照度及照度均勻度的影響。結(jié)果表明，無反光板的平均照度為636 lx，有反光板的平均照度為779 lx，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=-6.603,p<0.01)；無反光板的照度均勻度為0.67，有反光板的為0.78，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=-6.287,p<0.01)。

2.4 功率對黑板平均照度及照度均勻度的影響

本項目研究了18 W LED燈管及36 W熒光燈管對黑板平均照度及照度均勻度的影響。結(jié)果顯示，18 W LED燈管的平均照度為466 lx，36 W熒光燈管的平均照度為779 lx，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=-23.936,p<0.01),18 W LED燈管的照度均勻度為0.76，36 W熒光燈管的均勻度為0.78，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(t=-1.703,p=0.107)。

2.5 黑板照度均勻度的多元線性回歸模型

由于照度均勻度與兩燈間距呈U形，因此本研究將燈板間距、燈燈間距、有無反光板、燈管功率及燈燈間距的平方五個變量納入黑板照度均勻度的多元線性回歸模型1，結(jié)果如表1所示。

表1 黑板照度均勻度的多元線性回歸模型1Table 1 The multiple regression equation 1 of the illuminance uniformity of blackboard

由表1可知，燈燈間距與燈燈間距2存在明顯的共線性，因此，將燈燈間距-燈燈間距均值(1.03 m)進行了變量變換后，將燈板間距、燈燈間距減均值、有無反光板、燈管功率及燈燈間距減均值2五個變量納入黑板照度均勻度的多元線性回歸模型2，結(jié)果如表2所示。

表2 黑板照度均勻度的多元線性回歸模型2Table 2 The multiple regression equation 2 of the illuminance uniformity of blackboard

表2結(jié)果表明，經(jīng)過變量變換后，有效地解決了共線性的問題。

2.6 多元線性回歸模型對黑板照度均勻度的預(yù)測

將燈燈間距減均值及燈燈間距減均值2與黑板照度均勻度建立線性方程，得到方程Y=0.724+0.035X-1.34X2,根據(jù)此方程可得出燈燈間距為1.04 m時，黑板照度均勻度可得到最大值。同時，由預(yù)實驗和正式實驗結(jié)果可知，燈板距離為1 m時均勻度最佳，有反光板時均勻度更高。因此，將燈板距離為1.0 m、燈燈間距1.04 m減均值1.03 m、有反光板、采用36 W熒光燈及(燈燈間距1.04減均值1.03 m)2帶入多元線性回歸模型后，可得出四種因素的最佳組合方式的均勻度為0.83。

3 討論

所謂照度均勻度，是指在工作面上最低照度與平均照度之比。在上課時，如果黑板面照度差異太大，學(xué)生視覺器官會過度頻繁調(diào)節(jié)，而使眼部肌肉過分緊張，造成視疲勞。長此以往，會使眼睛屈光系統(tǒng)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致近視發(fā)生。因此，提供適宜的黑板照明條件對保護中小學(xué)生視力至關(guān)重要。

近幾年來，很多學(xué)校已經(jīng)開始重視教室照明的改造，但改造的結(jié)果卻并不盡如人意，黑板平均照度及照度均勻度合格率依然很低，原因之一是由于黑板照明的標準要求較高，而黑板平均照度及照度均勻度的影響因素很多，諸如燈架結(jié)構(gòu)、燈管類型、燈管功率、燈管數(shù)量、安裝位置等因素，因此改造難度確實較大；另一方面，是施工方對現(xiàn)有尤其是最新的普通教室照明改造相關(guān)標準掌握不足，導(dǎo)致沒有形成一套比較成熟的改造方案。以上兩方面是導(dǎo)致目前學(xué)校普通教室黑板照度均勻度合格率較低的主要原因。因此，在優(yōu)化普通教室黑板照明方面，除了需要加強對學(xué)校及施工單位普及學(xué)校衛(wèi)生相關(guān)法律法規(guī)的同時，更需要為普通教室黑板照明改造提供數(shù)據(jù)和方案支持。

然而，目前大多數(shù)研究者的研究重點都在不同光環(huán)境對視覺[10-14]、血壓、體溫調(diào)節(jié)[15]、生物節(jié)律[16]等健康方面及學(xué)習(xí)效率[17]的影響，而針對改善普通教室黑板照度均勻度的研究寥寥無幾，僅少數(shù)研究者通過運用DIALux軟件，從教室燈管布置、模型照明功率密度值、模型照度等方面提出了優(yōu)化策略[18-20]。本研究采用現(xiàn)場實驗的方式，選擇了學(xué)校常用的燈具類型和燈管功率，并且在《中小學(xué)校普通教室照明設(shè)計安裝衛(wèi)生要求》的范圍內(nèi)，對各因素進行了組合，得到了比較滿意的結(jié)果。

3.1 燈管類型及功率對黑板照度均勻度的影響

《中小學(xué)校普通教室照明設(shè)計安裝衛(wèi)生要求》中規(guī)定，黑板照明的光源宜采用色溫3 300～5 300 K的三基色熒光燈，而本研究除了使用三基色熒光燈外還使用了LED燈管，因為雖然LED燈管不在《中小學(xué)校普通教室照明設(shè)計安裝衛(wèi)生要求》的范圍內(nèi)，但也不是強制條件，并且隨著照明工業(yè)的發(fā)展，LED正在逐步取代熒光燈，目前許多學(xué)校也均已安裝了LED燈，因此，將LED燈管納入本研究的范圍也為今后相關(guān)標準的制定提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。

研究結(jié)果表明，4×18 W LED燈管的平均照度在燈板距離為1 m時雖然照度均勻度可以達到0.8以上，但平均照度達不到500 lx的要求，因此，需適度提高LED燈管的功率，滿足要求的最小功率尚需進一步研究；4×36 W熒光燈的平均照度在燈板距離為1 m時可以達到500 lx的要求，同時也能滿足照度均勻度為0.8以上的要求。

3.2 燈板距離對黑板照度均勻度的影響

《中小學(xué)校普通教室照明設(shè)計安裝衛(wèi)生要求》中規(guī)定，黑板燈具平行于黑板安裝，距黑板平行間距d=700～1 000 mm，距黑板上緣垂直距離h=100～200 mm。由于本研究所用的模擬教室的黑板距地面1.228 m，黑板高度為1 m，而受實驗教室房頂距地面的距離及本次制作的移動支架支撐高度的影響，本研究將燈具距黑板上緣垂直距離定為100 mm。在燈具和黑板的平行距離700～1 000 mm的范圍內(nèi)，結(jié)果顯示距離越遠照度均勻度越好，平均照度則正好相反。由于平均照度在燈管功率足夠的情況下比較容易達到要求，因此，燈板距離的選擇應(yīng)該以照度均勻度為重點考量，建議最佳燈具和黑板的平行距離以1 m為宜。

3.3 線性回歸模型有助于確定兩燈間的最佳距離

由預(yù)實驗結(jié)果可知，黑板照度均勻度與燈燈間距呈現(xiàn)的是先上升后下降的關(guān)系，因此，如何尋找極值就顯得非常重要。本研究通過線性回歸方程較好地得到了兩燈間距的極值點。但由于此值是模型擬合的結(jié)果，與實測值會有一定的偏差，因此，學(xué)校在進行黑板照明改造的過程中可以將1.04 m作為參考，通過細微的調(diào)整確保達到更好的均勻度。