LED在教室照明中的應用

黃歡 韓學林 章道波

(勤上光電股份有限公司技術體系，廣東 523565)

1 引言

LED被稱為第四代照明光源，具有節能、環保、壽命長、低壓驅動、易于實現控制等特點，廣泛地應用于指示、顯示、照明等領域，包括教室照明。在國內的調查研究中發現，青少年的近視比例呈逐年增加的趨勢［1～2］，很大程度與教室照明設計質量有關，教室里安裝的燈具普遍大都采用市場上通用的，較少根據具體教室的不同設計需求來進行專門的燈具配光及照明設計。

目前教室照明設計存在的質量問題主要包括:教室樓層照度分布差異太大、照度均勻度偏低、黑板垂直照度均勻度偏低、燈具頻閃、燈具無人時長亮且缺少智能控制系統、視頻作業燈具布局及配光等不合理，造成眩光等等。結合LED新光源燈具，開發符合教室需求的燈具配光、進行恰當的燈具布局，結合光控感應器和人體感應器，場景模式編程智能照明控制系統，可以有效地解決以上問題。

2 教室照明設計

日常教學中，教室是師生交流、相處時間最長的地點，而人與人之間的交流主要靠視覺來完成，占到感官交流比例的70%左右，因此良好的照明設計在師生交流過程中顯得尤為重要。

2.1 黑板照明

教學授課時，黑板是主要的視覺作業區域，黑板照明主要考慮照度及照度均勻度，避免反射眩光和直接眩光，GB 50034—2004要求如下:黑板面照度500lx，顯色指數80［3］，根據視覺功能和視感覺，使用墨綠色的黑板，效果更好。

考慮黑板面呈長方形狀和LED點光源配光后光斑的疊加特性，沿黑板面采取不同的配光組合，中間位置采用寬的光束角，兩側燈具采用較小的光束角。根據黑板面長邊尺寸的不同，如單個黑板一般是5m×1.2m，上下各兩個可滑動的共四個黑板(單個黑板尺寸約為3.5m×1.2m)，采取不同的配光形式組合，從黑板中心往兩側，光束角逐漸減小，可避免黑板中心處過亮，兩側過暗或兩側光線浪費情況的發生。結合天花板的結構可考慮采用嵌入、吸頂或吊裝的不同安裝方式。

目前，黑板的照度普遍偏低，照度均勻度更低;尤其黑板分上下兩塊滑動時，被照射的黑板面積更大，采用普通的燈具，照度均勻度更難以達到，因此黑板照明需要特殊的配光設計。LED光源體積小，在光學設計方面比傳統光源如熒光燈更具有靈活性，有優勢，并且提高光線利用率。使用上述的配光組合，可以提高黑板面照度及照度均勻度，黑板燈具的光學數據導入AGI軟件模擬后的照度偽色圖及等照度曲線如圖1所示，由圖1可以看出，照度滿足 GB50034—2004要求的500lx，且均勻度較高。

根據現有大中小學教室面積大小、空間布局的不一，黑板的照明設計可以分為以下三大類場景:

場景一:面積約7m×9m的普通小教室，座位40～50個，單塊黑板情況。此類教室多采用單塊黑板，黑板的尺寸約為5m×1.2m，使用如圖2所示的配光，可以達到較高的照度均勻度。

場景二:面積較大的教室，座位80～120個，兩塊黑板水平排列情況。教室有橫向、縱向布局，一般使用兩塊3.5m×1.2m的黑板水平布置，由于黑板的垂直高度與場景一的一樣，為保證在黑板長邊尺寸增加的情況下，黑板面的照度和照度均勻度符合GB 50034—2004［3］要求，需要作出以下兩個方面的修改:其一，沿黑板長邊方向增加光源數量，增加功率，以增加黑板燈的可照射面積;其二，在燈具短邊方向的光束角不變的情況下，黑板中間位置的燈具長邊方向宜采用較大的光束角，兩側采用較小的光束角，亦可增加黑板燈的照射面積和提高黑板的照度均勻度。

圖1 黑板照度偽色圖及對應的等照度曲線圖

場景三:類似階梯教室的大教室，四塊黑板，上下各兩塊并且可上下推動。一般使用四塊尺寸為3.5m×1.2m的黑板，由于黑板垂直方向的整體高度變為2.4m，黑板區域的照明設計推薦采用以下兩種方式:其一，采用比圖2中C90/270方向光束角更大的光束角，燈具長邊方向光束角的設計可參考場景二的方案;其二，配光不變，采用上下雙燈具，上下兩款燈具分別照射對應的上下兩塊黑板，由于師生在上課時，注意力更多地集中在下方的左右兩塊黑板位置，因此上方的燈具功率可比下方的燈具功率稍低，形成平緩的垂直照度過渡區，避免產生明顯的陰影區，造成師生用眼適應時間過長，分散注意力。

2.2 普通教室照明

大多數教室的座位是固定的，根據天花板建筑結構設計的不同，燈具安裝方式可采用嵌入式、吸頂式。如果天花板較高，可采用吊裝方式，以顯得整個空間更開闊;如果是普通的天花板，可采用吸頂式;其次燈具最好安裝在課室通道的正上方，以提高通道兩旁課桌面的照度均勻度。

場景一:照明設計要求較高的教室，使用LED平板式燈盤，可避免引起后排及兩側位置學生的視覺眩光，結合燈具厚薄、光效因素可針對性地選擇使用直下式平板燈盤和側發光的導光燈盤。目前，大部分教室使用得最多的燈具是裸露的熒光燈管、熒光燈管格柵燈盤，為避免眩光，燈具排布方式多采用縱向排布方式。LED擴散平板式燈盤的出現，燈具光線柔和，不管燈具采用縱向還是橫向的排布方式，都不會造成眩光問題，并且不會出現類似熒光燈常見的頻閃現象，可消除燈具頻閃引起眼睛疲勞的問題。因此在教室照明設計過程，可根據教室的建筑結構和面積的大小，在燈具布局方式上靈活安排，標準大小的教室面積，燈具可采用縱、橫向排布;教室橫向距離較大時，燈具可優先考慮橫向排布，避免在視線方向上形成縱向延伸過長的效果，減少后排學生及教師的視覺疲勞。如圖3布燈所示，使用300×1200mm平板燈盤，光源SMD3528型號，單個燈盤功率為37W，水平照度達330 lx，LPD為5.44W/m2。

圖3 固定教室燈具排布示意圖及燈具配光圖

場景二:照明設計要求一般的教室，可考慮使用格柵燈盤，如果格柵表面是普通的鏡面反射，推薦使用縱向布燈方式;如果格柵表面是漫反射涂層或者MCPET、PET之類的漫反射膜 (板)，可使用橫向布燈方式，以避免出現眩光情況，造成視覺用眼疲勞，并且，漫反射類格柵表面的燈具出光效率比鏡面高。

如圖4所示，教室內部空間的白天采光量隨教室進深的增加而減少，并且單側窗戶與雙側窗戶的日光采光量分布曲線有明顯的差異，圖4為某高校普通教室在某天氣情況下的照度實測值。為了改善教室窗戶采光側的不同和人工照明負載帶來的效果，使用光控感應器，可以達到節能的目的，光感控制器示意圖如圖5所示;同時，為了避免師生走動等活動對光控感應器的干擾，光控感應器宜安裝在窗戶沿，進行無級調光保證整個教室照明達到均勻和足夠的照度。

圖4 雙側窗戶教室人工照明與自然采光照明的照度曲線

圖5 光感控制器示意圖

從圖4可以看出，白天關燈時，教室的中間位置照度值往往達不到標準 GB 50034—2004的要求300lx［3］，兩側窗戶之間距離更大的教室或者階梯教室在這方面尤為明顯，因此為達到上述標準的照度值，部分教室即使在白天也需要使用人工照明。而如果整個教室全開燈，部分座位處的照度水平過高(如圖中曲線所示達到450lx左右，比標準要求的300lx高50%)，浪費電能;同時晚上全開燈時，教室中間位置照度可以達到標準要求，兩側座位處的照度偏低，這種情況下，根據教室窗戶側采光的不同和教室進深距離，使用光控感應器反饋來調整人工照明的負載比例。首先，LED照明燈具在亮度調節、感應控制、時控方面優于傳統光源的燈具，更易于實現，且在感應控制方面可以選擇光控、移動感控和占位控制三種之中的任何一種或者任意組合。其次，對于控制器感應與反饋的數據可以通過網絡實時或定時地與服務器聯網起來，并以一定的格式將歷史數據存儲起來，以備查詢、統計，在相似的使用場所或者需要參考的場所可借鑒這些歷史數據。

教室無人時，人感控制器自動控制燈具延時熄滅，避免師生離開教室，忘記關燈，燈具長時間照明浪費;綜合以上兩種控制方式，可省電50%以上。同時為避免日光直射引起的反射眩光，宜安裝窗簾。

2.3 階梯教室照明

階梯教室燈具數量較多，且教室的空間不像普通教室那么標準，課桌排布相對于講臺可能呈扇形狀，也可能呈長方狀;天花板可能是多梯級的吊頂結構，也可能是普通的天花板結構;因此學生從各個座位上看黑板、或者教師從講臺看各個方向時，視線與各個燈具的角度都不大一樣，對于傳統光源的燈具設計，易引起眩光問題。LED平板燈盤可有效避免眩光現象，按不同的建筑結構，可吸頂或嵌入式安裝，考慮到燈具的吊裝式安裝可能遮擋后排學生的視線，影響教學效果，除非階梯教室垂直方向空間足夠，否則不推薦采用吊裝方式。

首先，階梯教室進深與靠窗戶座位的采光量相差較大，即使晴朗白天，中間課桌處的照度也不夠;如果全開燈，靠近兩側窗戶的課桌面照度水平可能偏高，造成浪費電的現象。因此階梯教室的燈具開關宜沿縱向分別控制 (長方形階梯教室)或者分區控制 (扇狀階梯教室)，考慮到分區控制，感應控制相對復雜，因此參考上述普通教室照明的方法，綜合分析實測照度水平值和網絡服務器存儲的歷史照度水平數據來開發合適的照度控制程序。

其次，如果階梯教室的天花板為多梯級的吊頂結構，使得燈具光源中心離課桌面的距離從前排座位到后排座位逐漸縮短，那么前后排座位上方使用同樣功率大小、布燈密度的燈具時，課桌面的照度從前排到后排就會逐漸升高，易造成照度分布偏高或偏低，不均勻。通過改變前后排燈具的的配光方式和布局，如圖6所示，前排燈具采用光束角小、排布密，后排燈具采用光束角大，排布疏，并且通過光感應器等控制燈具的輸出功率，可改善階梯教室天花板高度不同引起水平照度的過渡差異，且燈具間的配光需要形成一定范圍的光斑重疊，避免出現明顯陰影現象。使用300×1200mm平板燈盤，光源SMD3528型號，單個燈盤功率為37W，不同書桌面的水平照度達330～400 lx，LPD為4.804W/m2;筒燈用于輔助照明。

圖6 階梯教室布燈圖和前后排燈具照明設計示意圖

以上階梯教室照明設計方案是針對水平天花板(即天花板與課桌面是平行的)來設計的，如果部分天花板面是非水平的，存在一定角度的傾斜面或弧面時，可在LED燈具面蓋進行棱鏡處理的，由于LED光源體積小，在這方面的燈具設計更為靈活，將傾斜面法線方向的出光調整為垂直下出光，提高燈具光輸出利用率。

2.4 多媒體教室照明

多媒體教學在現代化教育體系中運用得日益廣泛，同時對照明系統設計帶來了新的挑戰。由于多媒體教學包括語音視頻等教學活動，因此應考慮燈具對在視頻終端屏幕上進行作業時的眩光現象，降低反射眩光或直接眩光，為此應限制燈具中垂線以上≥65°高度角的亮度，具體要求如下表1［3］。

表1 視頻終端作業燈具亮度要求

顯示終端屏幕、桌面與周圍相鄰環境的亮度對比值不宜超過為10(9)∶3∶1，即相鄰區域的照明亮度水平對比不超過3倍，保證視覺從各個工作面過渡轉移的舒適性、平緩性，以獲得最佳的視覺效果。顯示終端屏幕應與窗戶垂直，以減少白天采光造成的反射眩光。采用上/下照面板式燈盤可提高空間的照度均勻度，光線更為柔和，并且不會產生反射眩光，這種光線照射方式尤其適合有視屏顯示終端的工作空間。演講區使用射燈或筒燈實現局部照明，并可獨立進行開關，以便看清投影屏幕的內容，并提高上課時學生的注意力，滿足投影教學的視覺要求。

3 結論與展望

LED光源是繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代新型光源，由于其發光原理、啟動電壓、體積小等原因，決定了LED燈具在照明設計中具備傳統光源所不具備的優勢，通過LED燈具來表現光的照明形式更加靈活，變化多端，智能控制更易于實現，且節能效果明顯。LED燈具在教室照明系統中的推廣，也將節能減排的概念與效果運用到教學中，使得青少年學生培養良好運用新科技、新技術達到節能的意識。

［1］孟超．北京市部分學校教室采光照明現狀分析．照明工程學報，［J］Vol.17，No.1.2006．

［2］那紅宇，江豫新．大學教室照明設計的現狀和新構想．光源與照明，［J］2004年第1期．

［3］中華人民共和國建設部．建筑照明設計標準 (GB 50034—2004) ［M］．北京．中國建筑工業出版社，2004．