商志軍,李柯延,辛洪政,田 光
(國家電光源質量檢驗中心(北京),北京 100022)
近年來,我國青少年近視率高的情況已引起國家、領導人和社會各界的高度重視。2018年8月,教育部、國家衛生健康委員會等八部門聯合印發了《綜合防控兒童青少年近視實施方案》(教體藝〔2018〕3號)[1],方案指出: 學校要改善視覺環境,為學生提供符合用眼衛生要求的學習環境,學校教室照明衛生標準達標率100%。方案頒布后,學校教室照明改造、新學校教室照明建設在全國范圍內迅速展開,據行業預測,全國范圍內的教室照明升級改造將會在未來5年內全部完成,這對于各地教育相關部門和照明行業來說都是一項重大任務,同時也為教室照明標準的制修定創造了機會,為標準的限值參數設定提供了強大的數據支撐。
本次教室照明升級改造是全國范圍的工程,為了保證升級后照明效果統一性,改造工程需要嚴格按照標準執行,但是由于教室照明相關的標準數量多、各級標準共存、不同標準對相同技術指標要求不統一、標準內容滯后、測試方法不同等問題,造成各個地方在項目設計和驗收環節因依據標準不同,導致各學校教室照明效果不一致。本文對教室照明系列標準進行總結梳理,對各版本差異之處分別解讀,立足于教室照明測量積累的數據,結合當前主流照明產品性能特點,為教室照明的標準制修定提供參考依據。
經調研,目前涉及學校教室照明的主流標準有六個不同版本,這些標準的發布實施日期、歸口單位、標準性質都不相同,詳見表1。
表1 現行有效教室照明相關的標準匯總表
1.2.1 《建筑照明設計標準》(GB 50034—2013)
該標準為建筑照明標準,對所有建筑場所的照明設計進行規范,覆蓋照明場景比較全面,但對具體的場景缺少深入細致的要求。學校教室照明是眾多室內照明應用的場景之一,標準中與教室照明相關章節為6.3.7和5.3.7[2],分析如下:1)對教室的照度標準值(lx)和照明功率密度限值(W/m2)進行了強制性要求,其中教室照明照度平均值不小于300,主要是針對配用熒光燈照明產品時的最低要求,當時LED照明并不如現在這般普及;2)對于教室黑板建議照度標準值不小于500,該參數未做強制要求;3)對教室、辦公室、會議室等場所的統一眩光值(UGR)建議不超過19,但教室和其它室內場所的使用人群和對光環境的要求是不一樣的,眩光值的設定應考慮使用場所的長、寬、高、用途等因素;4)標準規定 “當選用發光二極管燈光源時,其色度應滿足下列要求: 長期工作或停留的房間或場所,色溫不宜高于 4 000 K”,根據現在科學研究結果顯示,4 000 K以下的暖色溫容易讓人產生倦意,有利于人的休息和睡眠,顯然該規定不適合教室[3]。
1.2.2 《中小學校教室采光和照明衛生標準》(GB 7793—2010)
這是一份被廣泛應用的國家強制衛生標準,在表1的六個標準中被引用的最多, 主要參數要求與GB 50034—2013基本一致,僅對教室照度均勻度和黑板照度均勻度兩個參數分別由原來的≥0.7和≥0.6提升至≥0.8和≥0.7。另該標準在5.5條款和5.6條款[4]特別指出“教室采用小于26 mm細管徑直管形稀土三基色熒光燈”、“教室照明熒光燈宜采用節能電感欽流器或電子鎮流器”,這兩個規定相當于對標準的適用范圍做了明確的限定。嚴格來說依據5.5條款和5.6條款LED照明產品是不適用于該標準的,因此在執行過程中特別容易引起爭議。
1.2.3 《中小學校設計規范》(GB 50099—2011)
該標準是在《中小學校建筑設計規范》(GBJ99—86)的基礎上修訂完成,主要針對中小學校設計,包括場地選擇、用房規范、安全疏散、室內環境、建筑設備等[5],照明是教學用建筑環境的一部分。標準所規定的教室照度、照度均勻度、顯色指數、統一眩光值、功率密度等要求均與GB 7793—2010要求一致,不同之處在于對教室照明燈具安裝方式等提出要求,要求燈具安裝高度距離桌面要≥1.7 m,該條規定也被后續的教室照明標準采納。
1.2.4 《中小學校普通教室照明設計安裝衛生要求》(GB/T 36876—2018)
最新頒布的國家推薦標準《中小學校普通教室照明設計安裝衛生要求》,相當于在上述標準基礎上,增加了調光系統和黑板燈的安裝要求。教室和黑板平均照度、照度均勻度、光源類型、顯色指數、統一眩光值(UGR)等要求與GB 7793—2010 要求一致,燈具距離課桌面的最低懸掛高度等技術要求與GB 50099—2011要求一致。主要新增內容[6]:1)教室燈具和黑板燈具采用吊桿安裝方式; 2)教室照明燈具宜采用懸掛式格柵燈具,黑板燈具采用非對稱光強分布的專用黑板燈具; 3)黑板照明燈具控制系統要求每個燈具應由單獨回路開關控制。
在實際改造過程中發現,使用熒光燈作為黑板燈光源,要同時滿足該標準中光環境參數和安裝距離兩項要求,在技術上非常難以實現。設計施工單位為了滿足上述要求,一是讓黑板燈遠離黑板,但這樣使眩光對老師的視覺造成嚴重影響;二是增加黑板燈的數量,但不易滿足功率密度要求。
1.2.5 《中小學校及幼兒園教室照明設計規范》(DB31/T 539—2011)
該標準為上海市地標,因其更能體現實際情況也被經常使用。該標準在秉承上述標準的基礎上主要有以下改進: 1)首次將LED光源納入教室照明光源的考核范圍;2)將統一眩光值指標提高到≤16,對燈具保護角及表面亮度和書寫黑板等做出限定;3)為防止頻閃效應和閃爍現象,要求熒光燈應使用40kHz以上的電子鎮流器,燈具光電流的峰谷值之比不宜超過1.2,燈具出光面應低于教室的風扇葉面,應使用剛性安裝[7];4)對有視覺顯示終端的教室照明如視頻設備等提出要求;5)對照明裝置的維護和運行提出了具體的要求。這是第一份將LED光源、頻閃納入教室照明考核的標準,相較之前的標準有了極大進步,具有重大意義。
1.2.6 《中小學教室照明技術規范》(T/JYBZ 005—2018)
該標準是由中國教育裝備行業協會發布的團體標準,其指標要求與DB31/T 539—2011更接近。標準中關于教室桌面和黑板平均照度、照度均勻度、顯色指數、燈具距離課桌面的最低懸掛高度等技術要求與上述國標一致,主要新增和修改的內容有:1)對光源不再進行限定,新增LED光源;2)燈具新增視網膜藍光危害、有毒有害物質限值、頻閃等技術要求;3)提高了統一眩光值(UGR)的要求值,將眩光指標提高為≤16;4)除普通教室和黑板場所外,新增了科學教室等功能室的照明標準值和功率密度值[8];5)最重要的一點,標準附錄A給出照度的不同測量評價方法。
通過對上述標準關聯性和差異的分析,將各標準技術要求和指標參數列出,以便于直觀比較對照,具體見表2。
根據各教室照明相關標準的分析,每個標準之間都是相互關聯和引用的,教室照明所關注的主要技術要求為桌面平均照度、桌面照度均勻度、黑板平均照度、黑板照度均勻度、統一眩光值(UGR)、相關色溫、功率密度、燈具安裝高度,但由于各標準范圍和關注重點不同其具體參數規定不一樣,這樣就對標準使用者造成了一定的障礙,影響教室照明改造效果的一致性。
表2 教室照明標準主要技術要求和指標參數對照表
教室照明標準的主要指標中,桌面照度均勻度、黑板照度均勻度、統一眩光值(UGR)、相關色溫、功率密度、燈具安裝高度的測量計算方法是固定統一的,在實際運用中沒有出現過爭議,但是對于桌面平均照度、黑板平均照度這兩個指標,由于依據的測量標準不同有時會引起爭議。對于桌面平均照度、黑板平均照度的測量最常用的是中心布點法,在國標《照明測量方法》(GB/T 5700—2008)和團標《中小學教室照明技術規范》(T/JYBZ 005—2018)中都采用了中心布點法,但是兩標準對布點的規則有不同的要求,本文通過實驗分析在兩個標準不同布點規則下測量結果的差異。
2.1.1 中心布點法
在照度測量的區域一般將測量區域劃分成矩形網格,網格宜為正方形,應在矩形網格中心點測量照度,如圖1所示,該布點方法適用于水平照度、垂直照度或攝像機方向的垂直照度的測量,垂直照度應標明照度測量面的法線方向[9]。
圖1 在網格中心布點示意圖Fig.1 Schematic diagram of arranging points in the center of the grid
中心布點法的平均照度按式(1)計算
(1)
式中:Eav——平均照度,單位為勒克斯(lx);
Ei——在第i個測點上的照度,單位為勒克斯(lx);
M——縱向測點數;
N——橫向測點數。
2.1.2 《照明測量方法》(GB/T 5700—2008)布點規則
標準說明了教室和黑板的布點位置,對于教室照度測點高度為桌面(0.75 m)或地面,照度測點間距為2.0 m×2.0 m 或 4.0 m×4.0 m,橫線以最前排課桌前沿離黑板水平距離2.5 m畫一條直線,以此直線為基準線向后排每間隔2.0 m或4.0 m畫一條直線,直到不足2.0 m或4.0 m為止,除特大教室外,實際測量選擇照度測點間距2.0 m ×2.0 m,對于黑板照度測點位置為黑板面,照度測點間距為 0.5 m×0.5 m。
2.1.3 《中小學教室照明技術規范》(T/JYBZ 005—2018)布點規則
標準規定教室照度的測量區域,橫線以最前排課桌前沿離黑板水平距離2.2 m畫一條直線,以此直線為基準線向后排每間隔1 m畫一條直線,直到不足1 m為止;豎線第一條線距左墻面的距離是教室的寬度去整數后除以2,每間隔1 m畫一條線,直到不足1 m為止,畫出的1.0 m×1.0 m正方形網格為測量區域,網格中心位置為測量點,測點高度為桌面(0.75 m)。對于黑板照度測點位置為黑板面,照度測點間距為 0.4 m×0.4 m。
選取同一標準教室作為測量對象,在相同的實驗環境和條件下,分別按照兩個標準規定進行布點,對測量數據進行比較分析。
2.2.1 實驗用教室介紹
選取的實驗教室具體描述如表3、圖2和圖3所示。
表3 實驗教室介紹
圖2 實際照明效果圖Fig.2 Actual lighting effect diagram
圖3 DIALUX-EVO模擬實驗教室光分布圖Fig.3 DIALUX-EVO simulation experiment classroom light distribution map
2.2.2 依據《照明測量方法》(GB/T 5700—2008)測量
黑板照度測量布點(0.5 m×0.5 m)如圖4所示,測量數據(0.5 m×0.5 m)見表4。
圖4 黑板照度測量布點示意圖Fig.4 Schematic diagram of the layout of the blackboard illuminance measurement
表4 黑板照度測量值
教室桌面照度測量布點(2.0 m×2.0 m)如圖5所示,測量數據(2.0 m×2.0 m)見表5。
圖5 教室桌面照度測量布點示意圖Fig.5 Schematic diagram of layout of classroom desktop illuminance measurement
2.2.3 依據《中小學教室照明技術規范》(T/JYBZ 005—2018)測量
黑板照度測量布點(0.4 m×0.4 m)如圖6所示,測量數據(0.4 m×0.4 m)見表6。
表5 教室桌面照度測量值
圖6 黑板照度測量布點示意圖Fig.6 Schematic diagram of the layout of the blackboard illuminance measurement
表6 黑板照度測量值
教室桌面照度測量布點(1.0 m×1.0 m)如圖7所示,測量數據(1.0 m×1.0 m)見表7。
圖7 教室桌面照度測量布點示意圖Fig.7 Schematic diagram of layout of classroom desktop illuminance measurement
表7 教室桌面照度測量值
2.2.4 測量結果對比分析
將兩種不同測量方法所獲得的數據進行分析,如表8所示。
表8 教室和黑板測量數據比較表
圖8 教室桌面平均照度測試數據比較圖Fig.8 Comparison diagram of average illumination test data of classroom desktop
圖9 黑板平均照度測試數據比較圖Fig.9 Comparison diagram of average illumination test data of blackboard
根據表8測量結果結合圖8、圖9,可以得出教室現場測量在兩種標準不同的布點方式下測量的結果不同,教室平均照度差異2.2%這個范圍尚可接受,黑板平均照度差異達到了5.6%,尤其是黑板照度均勻度,用GB/T 5700—2008規定的布點方式測得黑板照度均勻度為0.8,用T/JYBZ 005—2018規定的布點方式測得黑板照度均勻度為0.7,除GB 50034—2013外其余標準中黑板照度均勻度的限值均≥0.8,因此按照GB/T 5700—2008規定的布點方式測得結果合格,用T/JYBZ 005—2018規定的布點方式測得結果不合格,這對教室照明的科學評價影響嚴重。
因此教室照明測量必須要統一標準測量方法,中心布點法的指導思路是通過測量多點的照度值來推算整個面的平均照度值,故測量過程中選取的測量點越多測量結果越接近真值,同一教室按照不同的布點方式最終獲得的測量點相差1倍,按照T/JYBZ 005—2018規定布點方式的測量結果理論上比按照GB/T 5700—2008規定布點方式的測量結果更精確。同時,布點數量多還可以有效防止施工過程取巧,避免將燈具安裝在測量點上方,既可保證照度值,又可保證照度均勻度。
雖然現階段GB/T 5700—2008使用更為廣泛,但是通過以上分析,在教室照明現場測量過程中,T/JYBZ 005—2018規定的測量布點方式(教室1.0 m×1.0 m布點,黑板0.4 m×0.4 m)更適用。
根據本次教室照明改造工程的測量數據,可以對照明標準的制定提供大量的數據支撐。照明改造工程啟動至今累計測量教室200余間,這200余間教室改造后全部使用熒光燈燈具或者LED光源燈具,無其它類型。現分別選取安裝LED光源燈具和熒光燈燈具教室各10間,對測量數據進行分析,驗證現階段教室照明實際情況與標準規定各指標參數的符合程度。教室選取原則,在所測量的200余間教室中隨機抽取,同時盡可能覆蓋不同地區學校、不同品牌型號、不同生產廠家。
雖然T/JYBZ 005—2018規定的測量布點方式(教室1.0 m×1.0 m布點,黑板0.4 m×0.4 m)更適用,但國標GB/T 5700—2008在長時間內被更為廣泛的應用,本章節所選的數據也通過GB/T 5700—2008規定的測量布點方式獲得。
所選取的10間教室測量數據見表9(采用GB/T 5700—2008中心布點法測試)。
3.1.1 對表9桌面平均照度和黑板平均照度分析
根據測量10間教室的桌面平均照度和黑板平均照度數據分別作圖分析(見圖10和圖11)。由圖10可知,所測量10間教室的桌面平均照度全部高于現在標準規定的限值(300 lx),教室4桌面平均照度最低,其測量數據也要高出標準限值109 lx,將所測10間教室數據取平均值,可以發現平均值要遠高于“標準限值”,兩者相差165 lx,高出標準限值的55%。
表9 安裝熒光燈燈具教室測量數據表
同樣由圖11可知,所測量10間教室的黑板平均照度全部高于現在標準規定的限值(500 lx),教室6黑板平均照度最低,但其測量數據仍高出標準限值183 lx,將所測10間教室數據取平均值,可以發現平均值也遠高于“標準限值”,兩者相差232 lx,高出標準限值46%。
圖10 安裝熒光燈燈具教室桌面照度分析圖Fig.10 Illumination analysis diagram of the desktop in the classroom with fluorescent lamps
圖11 安裝熒光燈燈具教室黑板照度分析圖Fig.11 Illumination analysis diagram of the blackboard in the classroom with fluorescent lamps
10間教室測量數據的平均值在一定程度上客觀體現了當前安裝熒光燈燈具的教室照明水平,意味著現在教室照明效果普遍超出標準的規定,結合上述分析,新建或者改造后的教室在設計和驗收時,將桌面平均照度限值提升為≥400 lx、黑板平均照度限值提升為≥600 lx,應更能體現現階段照明產品的光學指標。
3.1.2 對表9桌面平均照度均勻度和黑板平均照度均勻度分析
根據測量10間教室的桌面平均照度均勻度和黑板平均照度均勻度數據分別作圖分析(見圖12和圖13),由表2可知桌面照度均勻度和黑板照度均勻度的限值,除GB 50034—2013設定為≥0.6、≥0.7外,其他標準都將指標提升為≥0.7、≥0.8。除了圖12教室10桌面照度均勻度低于0.7、圖13教室4黑板照度均勻度低于0.8外,其他教室都滿足限值要求,整體來看測量數據基本分布在限值附近,沒有整體偏離太大,在實際運用中,均勻度往往取小數點后一位,這樣0.05的值域使限值范圍更趨于合理,結合上述分析,新建或者改造后的教室在設計和驗收時,將桌面平均照度均勻度限值限定為≥0.7,黑板平均照度均勻度限值定為≥0.8,更能體現現階段照明產品的光學指標。
圖12 安裝熒光燈燈具教室桌面照度均勻度分析圖Fig.12 Analyzing the uniformity of illuminance on the desktop of the classroom with fluorescent lamps
圖13 安裝熒光燈燈具教室黑板照度均勻度分析圖Fig.13 Analyzing the uniformity of the illumination uniformity of the blackboard in the classroom with fluorescent lamps
3.1.3 對表9功率密度、統一眩光值(UGR)分析
由圖14可知,實際測量數據低于標準限值≤19或≤16(DB31/T 539—2011、T/JYBZ 005—2018標準要求),教室4值最大為11,計算可知10間教室的 UGR(統一眩光值)平均值為9。由于教室的眩光是考核人眼感受的一個指標,當統一眩光值為16時眩光對人眼基本上沒有影響,所以標準將統一眩光值(UGR)定為16是科學合理的。
圖15中教室2、教室10功率密度分別為9.3 W/m2、9.7 W/m2介于兩個不同標準限值之間,其他教室都能同時滿足≤11 W/m2或≤9 W/m2的要求,結合上述分析,新建或者改造后的教室在設計和驗收時,教室照明功率密度限值采用≤9 W/m2,應更能體現現階段照明產品的性能指標。
圖14 安裝熒光燈燈具教室統一眩光值分析圖Fig.14 Analysis of uniform glare value in classrooms with fluorescent lamp
圖15 安裝熒光燈燈具教室功率密度分析圖Fig.15 Analytical diagram of power density in classrooms with fluorescent lamps
所選取的10間教室測量數據見表10(采用GB/T 5700—2008中心布點法測試)。
表10 安裝LED光源燈具教室測量數據表
3.2.1 對表10桌面平均照度和黑板平均照度分析
根據測量10間教室的桌面平均照度和黑板平均照度數據分別作圖分析(見圖16和圖17)。由圖16可知,所測量10間教室的桌面平均照度全部高于現在標準規定的限值(300 lx),教室1桌面平均照度最低,其測量數據也要高出標準限值255 lx,將所測10間教室數據取平均值,可以發現平均值要遠高于“標準限值”,兩者相差397 lx,高出標準限值131%。
同樣由圖17可知,所測量10間教室的黑板平均照度全部高于現在標準規定的限值(500 lx),教室1黑板平均照度最低,其測量數據高出標準限值260 lx,將所測10間教室數據取平均值,可以發現平均值也遠高于“標準限值”,兩者相差585 lx,高出標準限值117%。
圖16 安裝LED光源燈具教室桌面照度分析圖Fig.16 The illuminance analysis diagram of the classroom desktop LED light source lamps
圖17 安裝LED光源燈具教室黑板照度分析圖Fig.17 The illuminance analysis diagram of the blackboard in the classroom with the installation of LED light source lamps
10間教室測量數據的平均值在一定程度上客觀體現了當前安裝LED光源燈具的教室照明水平,其真實照明效果遠超標準限值,并且比安裝熒光燈燈具的教室照明效果好很多,結合上述分析,新建或者改造后的教室在設計和驗收時,將安裝LED光源燈具的教室桌面平均照度限值提升為≥500 lx、黑板平均照度限值提升為≥700 lx,應更能體現現階段照明產品的光學指標。
3.2.2 對表10桌面平均照度均勻度和黑板平均照度均勻度分析
根據測量10間教室的桌面平均照度均勻度和黑板平均照度均勻度數據分別作圖分析(見圖18和圖19),整體來看測量數據基本分布在限值附近,沒有整體偏離太大,結合本章3.1.2分析認為,新建或者改造后的教室在設計和驗收時,將安裝LED光源燈具的教室桌面平均照度均勻度限值限定為≥0.7,黑板平均照度均勻度限值定為≥0.8,更能體現現階段照明產品的性能指標。
圖18 安裝LED光源燈具教室桌面照度均勻度分析圖Fig.18 Analyzing the uniformity of illumination on the desktop of the classroom with LED light source lamps
圖19 安裝LED光源燈具教室黑板照度均勻度分析圖Fig.19 Analyzing the uniformity of illuminance on the blackboard in the classroom where LED light source lamps
3.2.3 對表10功率密度、統一眩光值(UGR)分析
參考圖20和圖14,安裝LED光源燈具的教室產生的眩光要普遍高于安裝熒光燈燈具的教室,圖20中教室2和教室4測量的統一眩光值達到16,剛滿足DB31/T 539—2011、T/JYBZ 005—2018標準規定限值≤16要求,結合本章3.1.3的分析,安裝LED光源燈具的教室應該特別注重眩光影響,符合統一眩光值≤16標準要求。
參考圖21和圖15,安裝LED光源燈具的教室功率密度要普遍低于安裝熒光燈燈具的教室,10間教室功率密度都沒有超出標準,且距離較為寬松的標準限值≤9 W/m2尚有較大空間,這是由LED產品的高光效特性決定的。結合上述分析,新建或者改造后的教室在設計和驗收時,將限值適當提升到≤8W/m2,應更能體現現階段照明產品的性能指標。
圖20 安裝LED光源燈具教室統一眩光值分析圖Fig.20 Analysis of uniform glare value in classrooms with LED light source lamps
圖21 安裝LED光源燈具教室功率密度分析圖Fig.21 The power density analysis diagram of the classroom with LED light source lamps
綜上,隨著照明產品的更新換代,照明產品的質量和性能遠遠超出之前的照明產品,現代教室照明呈現的效果也遠超以前,不難理解上述教室照明標準對部分關鍵參數的規定已經滯后于當前照明環境的評價。本文通過對照明標準和實際測量數據的分析,結合當前教室照明改造實際情況對照明標準指標參數提供數據參考,建議對教室照明的桌面平均照度、黑板平均照度限值、安裝LED光源燈具的教室功率密度適當提高,UGR(統一眩光值)、桌面照度均勻度、黑板照度均勻度、安裝熒光燈燈具的教室功率密度采用T/JYBZ 005—2018標準中規定的限值,詳細建議(安裝高度需結合教室的布局情況,相關色溫主要影響人的情緒和感受,在此不討論)參數見表11,希望對教室照明設計和項目驗收標準編寫有所幫助。
表11 教室照明關鍵指標建議限值
本文基于當前教室照明設計、施工、驗收工作中,面臨的標準技術要求滯后、標準選用不一致以及不同標準測量方法不統一等問題,首先對6個教室照明相關標準的關聯性和差異進行了梳理,匯總出標準中對于教室照明評價的關鍵指標參數,結合實際測量數據對各指標參數比較分析,提出應適當提高教室桌面平均照度、黑板平均照度、功率密度、統一眩光指數(UGR)等指標要求的建議,并且根據不同的照明產品分別提出不同建議指標。建議內容充分考慮了教室照明發展的現狀,隨著照明產品性能和質量提高,其照明效果必然優于幾年前的產品,配合先進的照明設計理念和技術手段,教室照明光環境質量有了巨大的提升,因此需要更高的標準要求進行評價。
本文通過實驗測量,對國標GB/T 5700—2008和團標T/JYBZ 005—2018兩個標準中規定的測量方法進行了比較,認為T/JYBZ 005—2018規定的測量方法更加適合現階段教室照明質量的評估。