基于光譜技術的教室照明設計研究

張燁 張明幫 劉燊 潘福喜 鄒楠 張日新

【摘 要】良好的教室照明是高校師生正常學習的保障。針對現有高校教室照明存在的照度不均勻性和能耗高的問題，結合綠色照明的節能理念，采用LED照明代替傳統日光燈照明，通過光纖光譜儀測量LED燈和日光燈的性能，基于光的強度曲線從光的本質上揭示了日光燈危害人眼的原因，說明了LED對人眼刺激較小；通過對比各測試點的照度參數，定量分析了兩種燈具的教室照度分布規律；基于全生命周期成本估算模型計算，研究了教室照明使用日光燈和LED燈的經濟效益。試驗結果顯示，教室LED照明照度平均值為554.4lux，照度均勻度為70.3%，優于日光燈照明照度均勻度48.3%，教室整體照度水平高于教室建筑照明標準；一支LED燈的日耗電量僅為日光燈的37.5%，一間教室平均一年可節約電費3296.96元。研究結果為教室照明設計指明了高效節能的途徑，驗證了教室使用LED燈照明具有極高的經濟效益和節能減排效果。

【Abstract】Good classroom lighting is the guarantee of normal learning for college teachers and students. In view of the problems of uneven illumination and high energy consumption in existing classroom lighting， combined with the energy saving idea of green lighting， we use LED lighting to replace the traditional fluorescent lighting. Through measuring the performance of LED lamp and fluorescent lamp by fiber optic spectrometer， and based on the intensity curve of light， we reveal the cause of harm to human eyes by fluorescent lamp from the essence of light. The results show that LED is less irritating to human eyes. Through comparing the illuminance parameters of each test point， the distribution law of illuminance in classroom of two kinds of lamps is analyzed quantitatively. Based on the life cycle cost estimation model， the economic benefits of using fluorescent lamp and LED lamp in classroom lighting are studied. The experimental results show that the average illuminance of LED lighting in classroom is 554.4 lux， and the illumination uniformity is 70.3%， which is better than that of fluorescent lighting by 48.3%. The overall illumination level of the classroom is higher than the lighting standard for classroom building. The daily power consumption of a LED lamp is only 37.5% of that of the fluorescent lamp. The average electricity consumption per classroom is 3296.96 yuan per year. The research results indicate efficient and energy-saving ways for classroom lighting design， and proves that the use of LED lighting in classroom has very high economic benefit and the effect of energy saving and emission reduction.

【關鍵詞】LED燈；教室照明；全生命周期成本；節能改造

【Keywords】LED lamp； classroom lightning； life cycle cost； energy saving reform

【中圖分類號】 TU113.2 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）08-0188-06

1 引言

教室是學校師生的主要學習場所，優質且節能的教室照明對提高學生學習興趣、保護學生視力和響應高校節能減排均具有重要的社會和經濟意義[1]。隨著LED照明技術的發展，LED燈被廣泛應用于學校教學照明之中[2]。

教室照明存在的突出問題在于能耗高和燈光分布不合理[3-5]。教室照明一般采用長度規格為1.2m的40瓦日光燈多點分布，其中央照明的單位能耗較高，而邊角照明質量卻不達要求，整室照明的平均照度和照度均勻度均遠低于相關標準[3， 6]。為此，本文引入LED燈代替傳統日光燈，基于光譜強度曲線定性分析了日光燈和LED燈對人眼視力的危害；通過現場測量兩款燈具的性能并繪制照度等值線圖，定量分析教室各測試點最小照度值、最大照度值、兩端照度平均值、中間照度平均值、教室照度平均值和照明均勻度的分布規律；基于全生命周期成本理論，估算了傳統日光燈和綠色照明LED燈的經濟效益，驗證教室使用LED燈照明具有極高的經濟效益和節能效果。

2數學建模及理論分析

2.1 基于光纖光譜技術的照度數學模型

2.1.1 光纖光譜儀測試原理

試驗儀器采用葡萄牙Sarspec公司生產的光纖光譜儀，型號為SPEC-STD，具體參數如表1所示。

如圖1所示為光線光譜儀檢測原理。測量時，光纖光譜儀光纖探頭垂直于桌面方向向上固定，通過探頭連接器（1）采集教室測試點的光線，光線通過位于準直鏡（4）焦點的狹縫（2），經長通濾波器（3）濾波后到達準直鏡（4），準直鏡（4）將光“分離”成不同波長的衍射光柵投射到光柵（5）中，光柵（5）把衍射光柵的光反射到聚焦鏡（6），聚焦鏡（6）將所測光的光譜通過高階衍射濾光（7）和收集透鏡（8）過濾后，聚焦到探測器（9）上，最后通過系統讀取探測器（9）的光學模擬信號，將模擬信號轉化為數字信號輸出測試點的光譜強度曲線，如圖2所示；對圖2曲線進行定標轉化后可得到測試點的輻照度值，完成一個測試點的光譜測量。

2.1.2 照度數學模型

2.2 全生命周期成本估算模型

全壽命周期成本（Life Cycle Cost，簡稱LCC）[9-12]，是指一個系統或設備在全壽命周期內，為購置它和維持其正常運行所需要支付的全部費用，即產品（設備）在其壽命周期內設計、研究與開發、制造、使用、維修和保障直至報廢所需的直接、簡介、重復性、一次性和其他有關費用之和。

全壽命周期成本包括初始化成本和未來成本。初始化成本是在設備獲得之前將要發生的成本，包括設備購買和安裝的成本。未來成本是指從設備開始運營使用到設備拆除期間所發生的成本，包括運行使用成本、維護和修理成本、替換成本和剩余值。

式中，LCC為照明系統的全生命周期成本，元；I0為初始化成本，即燈具的購買成本和安裝成本，元；U為燈具一天的使用成本，元/天；t1為燈具的使用時間，天；M為燈具維護和修理成本，元/次；t2為燈具維護和修理的次數，次；R為燈具的替換成本，元/次；t3為燈具周期內替換的次數，次；S為燈具拆除時的剩余價值，元。

通過計算日光燈和LED燈在全生命周期內各部分的成本，利用全生命周期成本估算模型，可獲得一段時間周期內教室照明系統使用日光燈和LED燈的經濟效益。

3 試驗材料和方法

3.1 試驗場地和材料

試驗于2016年12月3日在華南農業大學第三教學樓201教室進行，教室照明區域的長度為9.5m，寬度為9.55m；教室燈具燈柵共16個（不含黑板燈），每個燈柵安裝有2支1.2米燈管，燈柵以4排4列分布于書桌上方。試驗選取傳統日光燈和LED燈進行對比測試，經工業和信息化部電子第五研究所（中國賽寶實驗室）檢測，燈具性能如表2所示，在合理的光通量、色溫、顯色指數范圍以及光生物安全達標條件下[13-16]，LED燈光效為日光燈的2.56倍，其功率僅為日光燈的37.5%，節能效果顯著。

試驗根據教室內書桌的布置確定照度測試點的分布，通過測量日光燈和LED燈照明時各測試點的照度值，繪制其照度等值線圖，并分析教室內橫向光照度分布規律。測試點分布如圖4所示，整個教室90個測試點分布為10行9列，R代表行，C代表列；教室照度測試點由兩端照度測試點和中間照度測試點兩部分組成，兩端照度測試點由C1、C2、C8和C9組成，中間照度測試點由C3、C4、C5、C6和C7組成，兩測試區域間隔寬為1460mm的走廊；測試點橫向間隔為1020mm，縱向間隔為1000mm。

3.2 試驗方法

測量時，教室內所有燈具（不含黑板燈）開啟，所有門窗關閉，測試人員通過光纖光譜儀測量教室書桌面各測試點的光譜曲線，經計算機換算可獲得教室內書桌面測試點的光照度分布，通過對比分析書桌面測試點的最小照度值、最大照度值、兩端照度平均值、中間照度平均值、教室照度平均值和照明均勻度，判斷傳統日光燈照明和LED燈照明是否滿足國家建筑照明設計標準；通過繪制照度等值線圖，定量分析教室照度均勻度的分布規律；基于全生命周期成本估算模型，評估教室照明系統使用日光燈和LED燈的經濟效益。

式中，EAVE兩端為教室兩端測試點照度平均值，lux；EAVE中間為教室中間測試點照度平均值，lux；EC1～EC9代表各列測試點的照度值總和，lux；EAVE為教室所有測試點照度平均值，lux；Emin代表教室內所有測試點照度的最小值，lux；ε為照度均勻度，%；AVERAGE代表算數平均值計算函數，i，j分別代表行變量和列變量。

4 日光燈與LED燈光譜曲線分析

通過光纖光譜儀試驗獲得日光燈和LED燈具的光譜強度曲線，如圖2所示，其中點A、B、C、E、F為日光燈曲線峰值點，點D為LED燈曲線峰值點。由圖2可以看出，在紫外光-紫光-藍光340～480nm范圍內，日光燈存在A點、B點和C點三個特征峰，LED燈存在D點一個特征峰，其中A點波長為366nm，B點波長為406nm，C點波長為436nm，D點波長為450nm。

根據光能定義可知，波長越長，能量越小；波長越短，能量越高，則對人眼鏡刺激越大，傷害越大，人眼光危害主要分紫光危害和藍光危害。日光燈和LED燈在使用過程中會發出含有大量不規則頻率的短波紫光和藍光，在紫外光-紫光的短波長范圍內，日光燈存在兩個明顯的特征峰A和B；在紫光-藍光的短波長范圍內，日光燈存在特征峰C，LED燈存在特征峰D，但C點的波長仍比D點波長短。由此可定性說明通過光譜檢測曲線觀察，日光燈產生的光線對人眼危害較高，LED燈能起到保護人眼視力的作用。

在綠光-黃光480～600nm范圍內，日光燈存在E點和F點兩個特征峰，LED燈光譜曲線較為圓緩，無明顯特征峰點，表明在綠光-黃光范圍內，日光燈和LED燈均對人眼刺激較小。

5 結果與討論

5.1 教室照度值測量及分析

教室內日光燈和LED燈照度對比結果如表3所示。由表3可知，在日光燈照明條件下，教室兩端照度偏低，其平均值為200.7lux，而中間照度相對較高，其平均值為320.0lux，教室照度平均值為266.9lux<300lux，不符合中小學校教室采光和照明衛生標準[17]；照明均勻度為48.3%<70%，表明教室光線分布不均勻，不符合建筑照明設計標準[18]；在LED照明條件下，教室整體照度提高，兩端照度、中間照度及教室照度平均值分別為513.4lux、587.3lux、554.4lux，其值均大于300lux，符合國家建筑照明設計標準；照明均勻度為70.3%>70%，表明教室光線分布較合理，基本符合建筑照明設計標準要求。

5.2 照度等值線圖分析

根據試驗結果繪制照度等值線圖，如圖5、圖6所示，其中圖5、圖6分別為日光燈和LED燈照明的教室照度等值線圖。由圖例可知，紅色代表照度較大的區域，藍色代表照度較小的區域，由藍色到紅色表示照度值逐漸增大，即圖中教室中間紅橙色部分為照度值高的區域，兩端藍綠色部分為教室照度值低的區域，這與實測的教室桌面照度值分布情況基本相符。

由圖5可知，日光燈照明下，教室整體照度極不均勻，照度值范圍為120～390lux，其中中間照度范圍為259～382lux，兩端照度值范圍為129～280lux，照度值不滿足教室建筑照明設計要求；照度值較低區域主要分布在教室的左右兩端，即C1、C2、C8和C9四列，從教室兩端到中間照度呈逐層遞增趨勢，但教室最大照度值處在教室中間偏下區域，正中間區域照度值僅基本符合教室采光標準[17， 18]，表明教室照明燈具布局不合理，有待進行整改。

由圖6可知，LED燈照明下，教室整體照度均勻度顯著提高，照度值范圍為400～640lux，其中中間照度范圍為518～631lux，兩端照度值范圍為401～629lux；教室最大照度基本集中在中間區域，兩端照度低于中間照度，但仍高于國家教室照明標準；經LED燈具改造后，照明情況得到明顯改善，教室照度水平顯著提高，優于教室建筑照明標準。

5.3 全生命周期成本估算模型分析

教室照明系統的日光燈和LED燈全生命周期成本如表4所示。一支日光燈的購買成本為3.5元，安裝成本為5元，即初始化成本為8.5元；LED燈的購買和安裝成本為40元；按照教室每天上課開燈的時間為15小時（8：00～23：00），年開燈天數為300天，日光燈的功率為40W，LED燈的功率為15W，學校每千瓦時電費為0.647元，則日光燈和LED燈的一天使用成本分別為0.3882元和0.1456元，LED燈日耗電量僅為日光燈的37.5%；教室照明燈具在使用過程中，若出現損壞，直接更換和替換，不存在維護和修理成本，故維護和修理成本為0；日光燈的使用壽命為1000小時，折算一年需要4.5支日光燈；LED燈的使用壽命不低于25000小時，折算一支LED燈具可使用5年；由于燈具壞了直接進行替換，不存在剩余價值，故剩余價值為0。以5年作為使用周期，則日光燈需要使用22.5支，LED燈使用1支，使用時間為1500天，代入式（3）可計算出日光燈和LED燈的全生命周期成本。

由式（8）和（9）可發現，在教室使用LED燈代替傳統日光燈，以5年為一個周期計算，一支LED燈可節省515.15元，一間教室共有32支燈具，則一間教室可節省16484.8元，即一間教室一年平均可節省3296.96元。由此可表明，在相同照明使用情況下，LED燈能耗低、照度高，具有巨大的經濟效益和節能減排效果。

6 結語

①通過對比日光燈和LED燈具光譜強度曲線，定性分析了日光燈對人眼造成危害的原因，說明良好的LED燈具對人眼刺激較小，能起到保護人眼視力的作用。

②相比于原有日光燈照明，教室經LED照明改造后，其整體照度均勻提高，其中兩端照度、中間照度及教室照度平均值分別為513.4lux、587.3lux、554.4lux，照明均勻度為70.3%>70%，均符合國家建筑照明設計標準。

③對比照度等值線圖可知，LED燈照明下，教室整體照度均勻度顯著提高，照度值范圍為400～640lux，其中中間照度范圍為518～631lux，兩端照度值范圍為401～629lux；教室中間及兩端區域照明均勻性明顯提升，教室整體照度水平優于教室建筑照明標準。

④基于全生命周期成本估算模型分析可知，LED燈的日耗電量僅為日光燈的37.5%，以5年為一個周期計算，一支LED燈可節省515.15元，一間教室一年平均可節約電費3296.96元，教室使用LED燈照明代替傳統日光燈照明，具有極高的經濟效益和節能減排效果。

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