教室不同位置的UGR測試與仿真分析

錢 承，程 敏，陳建秋

(1.中國合格評定國家認可中心，北京 100062；2.中認尚動(上海)檢測技術有限公司，上海 200233)

引言

隨著國家相關部門對托幼機構、校外培訓機構、學校照明采取“雙隨機”抽查以來，光環境檢測工作越來越廣泛的被引起重視。標準中對教室光環境評價的參數主要有教室維持平均照度、教室照度均勻度、書寫板維持平均照度、書寫板照度均勻度、顯色指數、相關色溫、照明功率密度和統一眩光值(UGR)[1]。大多數評價參數在GB/T 5700—2008《照明測量方法》[2]或GB 50034—2013《建筑照明設計標準》[3]中有說明如何進行測試。而對于UGR的測試，在GB 50034—2013《建筑照明設計標準》中雖然有提到，但是沒有詳細的測試指導方案，很多實驗室測試人員、廠家對標準中提到的方法理解較為模糊，對該參數的理解不盡相同，時常出現同一個布燈場景不同人員用相同設備測試下來差異較大的情況。

GB 50034—2013《建筑照明設計標準》中提到“UGR測試要求在坐姿1.2 m的高度下，觀測位置一般在縱向和橫向兩面墻的中點，視線水平朝前”。對于教室而言，正常的測量位置是位于教室后墻的中點上，而具體的位置，更多的人認為是越靠墻測試結果越嚴苛。很多實驗室都是靠墻測試(設備的位置離墻多數為0.6～0.8 m)，計算時都是按照測試點在后墻上，而當測試點的位置和計算點的位置不同的時候，計算得到的結果和實際情況難免會出現較大的差異。因此，本論文著重研究在不同觀測點測試UGR的數據差異性，通過對計算結果的分析，發現在標準中規定好合理的測試位置對UGR的合理評價是非常有必要的。

1 統一眩光值(UGR)

照明環境的不舒適眩光由CIE統一眩光值(UGR)圖表方法確定[4]，是CIE 117:1995推薦的評價直接眩光的方法，對應的計算公式為

(1)

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

大多照明環境所產生UGR值的范圍為10～30，其中30表示產生嚴重的不舒適眩光，10表示不太可能產生不舒適眩光，UGR值小于10的照明環境中認為沒有不舒適眩光[5]。UGR等級分為13/16/19/22/25/28，其中13代表可感知的最小不舒適眩光[4]，對于教室照明，國家標準的要求是UGR不大于19。對于一個已經布置好教室燈具和黑板燈具的教室，UGR測試除了量取燈具出光口面尺寸和燈具所在教室的坐標位置外，主要是指要用亮度計測試每個教室燈具的亮度和背景環境的亮度。如果整個照明環境由不同類型燈具組成，其光分布各異或燈具不同，或兩者兼有，則必須對每個光源/燈具組合在不同觀察者位置分別計算UGR值，應當將計算得到的最高UGR值作為整個照明環境的典型值，并且將所有確定UGR的計算條件進行說明[4]。

2 反射比的測量

依據GB/T 5700—2008《照明測量方法》[2]中的測量方法，照明現場反射比的測量可采用便攜式反射比測量儀器直接測量[2]，本文現場運用照度計對教室的相關背景設施(如書寫板、桌面、窗簾、地面和墻面)進行反射比直接測量。將照度計的探頭背面緊貼被測表面的某一位置，測其入射照度ER，然后將照度計探頭的接收面對準同一被測表面的原來位置，待照度穩定后讀取反射照度Ef，測量示意圖見圖1所示[2]。按照式(2)求出其單個點的反射比ρ，每個被測表面選取3～5個測量點，求出其算數平均值作為該表面的反射比。

(2)

式中，ρ為反射比；Ef為反射照度，單位為勒克斯(lx)；ER為入射照度，單位為勒克斯(lx)。

圖1 采用照度計間接測量反射比方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of indirect measurement of reflection with illuminometer

圖1中，1為被測表面；2為照度計接收探頭；3為照度計主機。

3 教室環境及測試條件的介紹

本文選取的典型教室的尺寸為長為9.52 m，寬為7.60 m，高為3.50 m。教室內布置9盞教室燈具，3盞書寫板燈具，教室燈具距離地面2.8 m，書寫板燈具距離地面2.5 m，桌面高為0.75 m。教室前后有墨綠色書寫板，墻體為白色石灰涂層，教室左右兩側基本被銀灰色布藝窗簾覆蓋，地面為灰色水磨石，桌椅為淺黃色?，F場測試所用設備有亮度計(設備型號：LMT L1009), 激光測距儀(設備型號：GLM7000)，教室布燈位置見圖2所示，現場布燈場景和教室相關設施如圖3所示。

圖2 布燈位置圖Fig.2 Luminaires distribution diagram

照片3 教室內窗簾實物 圖3 現場布燈場景和教室相關設施Fig.3 Lighting scene and classroom related facilities

教室燈具運用電鍍格柵來降低眩光，同時增加了燈具的上射光通量設計，燈具上射光通光通量占總光通量的23%，屬于半直接照明[6]，這樣對背景亮度的提升有很大的貢獻。燈具配光曲線見圖4。

圖4 教室燈具配光曲線Fig.4 Light distribution curve ofluminaire

亮度測試位置如圖5所示，測試時，雖然都是靠近墻面來操作設備，但是不同體格大小的人，測試時設備距離后墻面的位置也不盡相同。GB 50099—2011《中小學校設計規范》中規定普通教室最后排座椅之后應設橫向疏散走道，自最后排課桌后沿至后墻面或固定家具的凈距不應小于1.10 m[7]。結合標準和實際測試情況，當靠近后墻面測試時，最大極限的考慮人和設備自身的尺寸后，觀測點距后墻面水平距離X有0.6 m，然后按照0.1 m間隔往前移動設備，分別在距離后墻面0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m和1.1 m六個點位上測試燈具亮度和背景亮度，亮度具體測試布點方式按照標準T/CEEIA 365—2019《中小學校教室光環境設計及測試評價規范》[1]的要求進行，結合燈具位置、尺寸計算出UGR大小。

圖5 UGR測試位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of UGR testing location

4 UGR現場測試結果分析

將現場觀測和實際測試進行對比分析，對于電鍍格柵燈具，在不同位置觀察，其燈具的亮度差異較大。結合教室現場的實際環境，如吊扇、投影儀、橫梁等硬件設施，按照其他光環境參數都滿足國家標準的前提下安裝布置教室燈具(典型安裝方式)，不同的燈具布燈位置對UGR的影響也很大。因為燈具的布燈位置直接關系到參與UGR計算的位置系數，不同的位置系數計算得到的UGR是成倍變化的。本文在不同觀測位置測試燈具和背景的亮度，得到如表1～表6所示的數據，UGR計算的結果如表7所示。

表1 0.6 m處測試的亮度數據Table 1 Luminance data at 0.6 m

表2 0.7 m處測試的亮度數據Table 2 Luminance data at 0.7 m

表3 0.8 m處測試的亮度數據Table 3 Luminance data at 0.8 m

表4 0.9 m處測試的亮度數據Table 4 Luminance data at 0.9 m

表5 1.0 m處測試的亮度數據Table 5 Luminance data at 1.0 m

表6 1.1 m處測試的亮度數據Table 6 Luminance data at 1.1 m

表7 不同位置點測試計算得到的UGR值Table 7 UGR value calculated by different position point test

從表1～表6的測試結果可以清晰地看出，在不同位置下，背景亮度的變化不會很大。對于現場安裝的帶電鍍格柵的9盞教室燈具而言，影響UGR的關鍵燈具是8號燈具，如果將其安裝在位置系數不考慮的位置范圍內，那么UGR的計算結果會有40%以上的下降；隨著測試位置的前移，雖然整體的位置系數會增加，但是燈具的亮度同樣呈增加趨勢，所以計算得到的UGR又會呈上升趨勢。

5 UGR模擬結果分析

根據以上介紹的反射比測量方法，將現場主要的背景設施測量得到的反射比應用到仿真軟件的相關參數設置中，如墨綠色書寫板的反射比為20%，白色石灰墻體的反射比為70%，教室左右兩側銀灰色布藝窗簾的反射比為35%，灰色水磨石地面的反射比為35%，淺黃色桌椅的反射比為60%。建模完成后，模擬計算的仿真效果如圖6所示。為了證明格柵燈在不同位置點測量的UGR的變化情況，仿真時同現場測試選取相同位置點進行模擬計算，并得到如表8所示的仿真結果。

圖6 模擬計算的仿真圖Fig.6 Simulation in software

表8 不同位置點仿真計算得到的UGR值Table 8 UGR simulation results in different position

因為軟件本身設置的問題，當UGR小于10時，不體現具體數值大小，這種體現方式同CIE 117:1995的表述一致(當UGR值低于10時，認為照明系統不會引起不舒適，所以在全球范圍內都可以用UGR<10來定性它們[5])。

從模擬結果可以清晰的看出，整體UGR值的變化趨勢同現場實測一致，隨著計算位置的前移，UGR值先減小后增加，也就是說眩光的影響同燈具的安裝是有緊密聯系的，并非產品光學設計一個方面來控制。另外，只要背景參數設置和燈具的測試較為準確，教室燈具的安裝可以參考前期的仿真設計結果，這樣可以避免安裝完成后因為測試的不合格而返工整改。

6 結論與建議

本文通過實際現場測試和仿真設計，將不同位置測試和模擬計算得到的結果進行分析，發現電鍍格柵教室燈具對教室眩光的抑制有很好的效果，很好的詮釋了“見光不見燈”的效果，值得推崇和應用。對于其他防眩方式的燈具，有待后續的測試與分析。

綜上，針對目前教室光環境UGR測試評價，有以下幾點結論與建議：

1)由于學生桌椅和學生自身體格的差異，測試位置應該按照教室現場的實際情況進行，需要考慮設備和測試人與人員自身不可避免的尺寸需求，從現場測試的數據來看，測試位置應在0.6～1.1 m之間進行，選取測量結果最大者更為合理；

2)UGR的計算應該基于測試點位置查找位置系數進行計算，應當避免測試點數據同計算點數據不統一的情況；

3)從實際測試結果來看，并非越靠近教室后墻的情況下UGR越高，實際結果要結合燈具的安裝位置和燈具的配光曲線；

4)教室燈具的安裝對于光環境品質的提高有著非常重要的作用，如果盡可能多的將教室后排燈具安裝在不考慮其位置系數的空間范圍內，那么教室光環境的品質會有很大的提高。