中小學普通教室照明測量方法的研究

莊慶瑞

(廈門市產品質量監督檢驗院，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，越來越多地區和學校對教室照明現狀進行了調查研究[1,2]，有些還著手對傳統照明燈具進行了改造，以期提高照明質量[3,4]，保護學生視力[5]。這些改造工程中，照明測量和效果評價都是必要環節。目前國內相關標準對中小學教室照明測量方法的規定仍存在不夠詳細、不夠合理等問題，導致可操作性、結果可對比性較差。本文將就中小學普通教室照明的具體測量細節展開討論。

1 相關標準情況

目前教室照明質量的評價指標可分為以下4類：a)基本照明指標：平均照度、照度均勻度。b)舒適性指標：統一眩光指數(UGR)。c)能效指標：照明功率密度。d)顏色指標：相關色溫、顯色指數。對于這些指標，我國在不同的標準中都進行了規定，主要標準包括GB 50034—2013《建筑照明設計標準》、GB 50099—2011《中小學校設計規范》、GB 7793—2010《中小學校教室采光和照明衛生標準》、DB 31/T 539—2011《中小學校及幼兒園教室照明設計規范》等。

這些標準對教室照明質量評價指標以及測量方法的規定不盡相同，以普通教室為例，指標限制及引用的方法標準如表1所示。可見這些標準中關于相關指標的測量方法，要么沒有明確闡述，要么直接引用國家標準GB/T 5700—2008《照明測量方法》。該方法標準中未涉及UGR的測量和計算，雖然規定了現場照度、色溫、顯色指數、電參數的測量，但規定不夠詳細，實際操作時往往容易產生分歧，導致結果缺乏可比性，同時有些方法不夠合理，這些都將影響相關指標的測量和計算結果，也對照明設計造成困擾。

表1 不同標準對普通教室照明質量的要求Table 1 The lighting quality requirements of different standards for general classroom

2 照度測量區域的確定

照度測量區域是指用來測量和計算平均照度和照度均勻度的區域。GB/T 5700—2008未對照度測量區域進行規定，實際測量課桌面照度時，測量區域的選取存在一定的隨意性，甚至將整個教室作為測量區域。教室內除了學生課桌讀寫工作區域外，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域，這些區域是否需要納入測量區域？在工作區域周邊至少0.5 m范圍內稱為緊鄰區域，該區域的內的照明應在視場內提供良好均衡的亮度分布，否則照度的顯著變化可能導致視疲勞和不舒適。出于節能等因素考慮，緊鄰區域的照度可以比工作區域低一些，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，緊鄰區域的照度不宜低于300 lx[6]。可見，教室內除課桌外的其它非讀寫工作區域，水平照度可能比課桌區域低30%以上，將這些區域納入照度測量區域顯然不合適。課桌面照度測量區域應為課桌擺放區域。

對于課桌數量和位置不固定的教室，確定測量區域時應考慮課桌的最大可能擺放區域。課桌往往緊挨著教室左右墻面擺放，因此測量區域的寬度即為教室寬度。目前有些學校為容納更多學生，會將最前排課桌緊挨著講臺桌擺放，故測量區域前端應從講臺桌前沿開始。GB 50099—2011規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，故測量區域后端應距離后墻面或固定家具1.7 m。

3 測量區域網格劃分

GB/T 5700—2008規定將測量區域劃分為若干個正方形網格(課桌面照度測量網格為2 m×2 m，黑板照度測量網格為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較多，且當網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；N為橫向測點數。

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

3.1 網格尺寸對測量結果的影響

理論上，網格尺寸越小、數量越多，測量的數據越多，越不容易遺漏重要位置的數據(如最小照度和最大照度)，結果越準確。

1)黑板照度測試。當前LED黑板燈越來越普及，該類燈具一般被設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布燈的方式，這種布燈方式下光束斜照向黑板后通常導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照度測量區域的照度分布，表2是該區域在網格劃分為0.5 m×0.5 m和0.2 m×0.2 m情況下的結果，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個標準的要求，而后者照度均勻度僅為0.59，不符合表1任何標準的要求，同樣的黑板和照明燈具布置，僅網格大小不同，測量結果卻有很大差異。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 網格測點間距過大，導致所測得的最小照度明顯大于0.2 m×0.2 m 網格，相應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黑板照度測量區域不同網格劃分的結果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黑板照度測量區域不同網格劃分的鄰近網格最大偏差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劃分網格，則網格數很少，且網格尺寸與燈具間距相近，結果會存在一定誤差。表4列出了一個6 m×6 m的課桌面照度測量區域(燈具布置周期為2.375 m×2.485 m)在不同網格劃分尺寸下的結果，可見2 m×2 m 網格尺寸測得的照度均勻度偏離0.5 m×0.5 m網格約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，故由網格大小劃分產生的誤差也相對較小。

3.2 實際測量區域對測量結果的影響

實際測量區域尺寸一般不是GB/T 5700—2008所規定網格尺寸的整數倍，GB/T 5700—2008標準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課桌面照度測量區域不同網格劃分的結果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個網格而縮小測量區域，依據GB/T 5700—2008規定的網格尺寸，將四周無法湊足整數網格的區域直接排除，而將測量區域設置在前后(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)。

當前生豬養殖業對豬瘟、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是豬鏈球病傳染高發季節。近期本地部分生豬養殖場有部分生豬出現了發熱，關節腫脹，敗血癥和神經癥狀為特征的急性傳染病，對病料進行實驗室診斷確定此次疫情的病原為鏈球菌。

方法二：不排除任何應測量區域，而是改變網格尺寸。EN 12464—1：2011中規定了一種根據測量區域尺寸來確定網格尺寸的方法。

首先，計算最大網格尺寸p(單位：m)：

p=0.2×5log10d

(2)

式中d一般為測量區域的較長邊，當測量區域的較長邊為較短邊的2倍或以上時，d取測量區域的較短邊。

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

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

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

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域應為6.7 m×7 m；黑板照度測量區域應為4 m×1.22 m。表2～表4中第一行數據是按照方法一測量的結果。

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

表5和表6中第一行數據是根據方法二測量的結果，可見方法二和方法一相比，由于增加了邊沿部分的測量區域，測得了更小的最小照度，結果更接近真實情況，因此方法二比方法一更佳。

表5 4 m×1.22 m黑板照度測量區域測量結果Table 5 Measurement result of 4 m×1.22 m blackboard illumination measurement area

表6 6.7 m×7 m課桌面照度測量區域測量結果Table 6 Measurement result of 6.7 m×7 m class desktop illuminance measurement area

從表5和表6可見，網格劃分越小，越能測到靠近測量區域邊界的點，測得的最小照度越小，就此而言方法二所確定的網格尺寸并不足夠小。但是同時，網格劃分越小，測點就越多，工作量增大，且無限減小網格并不可行，因此在對測量結果影響不大的情況下，可根據實際情況考慮網格的大小。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)，且學生視線距離較遠，故網格尺寸選取在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，可將網格尺寸選為0.6 m左右。

我們可以對方法二作如下調整以使其更適用于中小學普通教室照明的測量。首先，取最接近d/p的整數為相應方向上的網格數，并計算該方向上的網格尺寸L。其中d一般為測量區域的較長邊，當測量區域的較長邊為較短邊的2倍或以上時，d取測量區域的較短邊；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的整數為測量區域另一方向上的網格數(d′為該方向的長度)，并計算出該方向上的網格尺寸。

4 現場色溫和顯色指數的測量

GB/T 5700—2008規定每個場地測量點數量不應少于9個(住宅單個房間可不少于3個)，然后取算術平均值作為現場的色溫和顯色指數。對于中小學普通教室，由于現在越來越廣泛采用的LED燈具相比傳統光源，存在顏色不均勻度可能較大的問題，因此僅測量少數幾個點且未規定布點方式，其測量結果無法真實反映被照場所的顏色分布，結果也不具有可比性和可重復性。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。相關標準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。作為節能指標，教室的LPD體現的應是整個教室單位面積內所有照明燈具(也包含黑板燈)的能耗水平，因此應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為受照區域的平均照度。可見式(4)將節能指標與照明效果結合在一起，可適用于計算某一特定受照區域內或某單一類型燈具照明的節能效果。如課桌的LPD應通過課桌照明燈具及課桌照度測量的面積和平均照度進行計算。

6 結束語

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