基于LED光源的教室照明改造設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

宣浩，耿勝遠(yuǎn)，侯駿，李超

（1.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

0 引言

建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”是我國的一項(xiàng)基本國策。中央財(cái)經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組在會(huì)議上提出了能源技術(shù)革命的問題，將能源安全提升到國家戰(zhàn)略。學(xué)校是構(gòu)成社會(huì)的重要部分，也是資源消耗嚴(yán)重的地方，“建設(shè)節(jié)約型學(xué)校”作為國家教育發(fā)展的戰(zhàn)略之一已被寫入《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020 年）》[1]。并且，當(dāng)前傳統(tǒng)教室照明燈具效能較低，照明質(zhì)量較差，不利于教學(xué)，也對(duì)學(xué)生的視力及身心健康造成重要影響。LED 光源被稱為第四代綠色光源，不僅節(jié)能環(huán)保，而且在照明質(zhì)量方面優(yōu)勢(shì)明顯。在此背景下，本文采用LED 燈具[2]對(duì)傳統(tǒng)學(xué)校教室的照明進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，提升照明品質(zhì)。

1 標(biāo)準(zhǔn)要求

根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034-2013）[3]及《教育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ310-2013）[4]的要求，教育建筑中教室的照明標(biāo)準(zhǔn)如下：

①教室課桌面的平均照度值不應(yīng)低于300 lx，其照度均勻度不應(yīng)低于0.6；

②教室黑板的平均照度值不應(yīng)低于500 lx，其照度均勻度不應(yīng)低于0.7；

③教室照明功率密度值應(yīng)不大于9 W/m2，目標(biāo)值8W/m2；

④照明設(shè)計(jì)計(jì)算照度時(shí)，其維護(hù)系數(shù)取0.8；

⑤照明光源相關(guān)色溫在3300K～5300K；

⑥統(tǒng)一眩光值（UGR）不應(yīng)高于19。

該標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了教室內(nèi)課桌面、黑板面的照度以及照度均勻度標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)照明光源的顏色參數(shù)做了相關(guān)規(guī)定。在保證教室照明質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)教室的功率密度值也做了明確要求，體現(xiàn)了國家節(jié)能減排的目標(biāo)。

2 傳統(tǒng)教室照明質(zhì)量測(cè)量

2.1 傳統(tǒng)教室照明現(xiàn)狀

本文選取合肥長豐縣某一學(xué)校的教室作為照明改造對(duì)象，該教室圖紙如圖1 所示。教室開間和進(jìn)深分別為8.6m和8.8m，層高為3.7m。教室采用的燈具為雙管三基色飛利浦T5 燈，單燈管功率為28W，共布置14 盞燈具，具體布置如圖2 所示。在燈具數(shù)量布置較多的情況下，教室課桌面照度值較低，且燈管表面未經(jīng)處理，直視黑板時(shí)受光源影響較大。為詳細(xì)了解該教室的照明質(zhì)量情況，本文對(duì)該教室進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

圖1 教室圖紙

圖2 燈具布置圖

2.2 照明測(cè)量結(jié)果

測(cè)量方法依據(jù)《照明測(cè)量方法》（GB/T 5700-2008）[4]，測(cè)點(diǎn)高度設(shè)置為課桌面高度。此次測(cè)量在教室課桌面均勻布置了8×8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，以達(dá)到更加詳細(xì)地了解教室各位置照度值分布情況的目的，各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果如表1。

照度測(cè)量值（單位：lx） 表1

從各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果中可以看出，課桌面5 個(gè)測(cè)點(diǎn)的照度值在300lx以上，最小照度值為170.9lx，平均照度值為244.8lx，僅為標(biāo)準(zhǔn)值的81.6%，照度均勻度為0.70，符合標(biāo)準(zhǔn)要求；黑板面平均照度值為393.6lx，照度均勻度為0.78，均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。為了解該教室照明系統(tǒng)的能源消耗情況，計(jì)算得出該教室照明總功率為784.0W，結(jié)合教室面積，該教室照明功率密度值為10.36W/m2，根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034-2013）的規(guī)定，教室內(nèi)照明功率密度目標(biāo)值應(yīng)不大于8W/m2。綜合上述，該教室能源消耗在超過標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)值29.5%的情況下，課桌面及黑板面平均照度值均低于標(biāo)準(zhǔn)值，能源消耗嚴(yán)重且不利于學(xué)生的身心健康。為此，本文將對(duì)該教室的照明進(jìn)行改造，力求節(jié)約能源，提高照明質(zhì)量。

3 教室照明改造設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)背景

此次改造不改變?cè)械膲Ρ凇⒋皯粢约绊斉飾l件，僅改變燈具的型號(hào)以及燈具的布置。為了便于教室內(nèi)照明設(shè)計(jì)，將室內(nèi)空間劃分為如圖3 所示。燈具下沿面以上空間為頂棚空間，頂棚空間高0.55m。課桌面至燈具下沿面的空間為室空間，室空間高1.80m。地面至課桌面之間的空間為地板空間，地板空間高0.75m，室內(nèi)各表面反射比見《照明設(shè)計(jì)手冊(cè)》[5]。頂棚空間內(nèi)墻為白色乳膠漆飾面，面積為15.66m2，表面反射比為70%；頂棚為白色乳膠漆飾面，面積為75.68m2，表面反射比為70%；室空間墻為白色乳膠漆飾面，面積為54.60m2，表面反射比為70%；窗戶為普通玻璃，面積為22.00m2，表面反射比為8%；地面為彩色石子水磨石，面積為75.68m2，表面反射比為52%。

圖3 教室空間劃分圖

3.2 燈具選擇

LED 光源與傳統(tǒng)T5 燈管相比，具有高效能、高顯色指數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。因此此次改造采用了LED 光源的某一品牌照明燈具，燈具型號(hào)為LDP03036010-教室燈朗閱Ⅱ-微晶-36W-5000K，該燈具光通量為3060lm，功率為36W，顯色指數(shù)為80，相關(guān)色溫為5000K。燈具的配光曲線及利用系數(shù)表分別見圖5和表2。

燈具利用系數(shù)表 表2

3.3 計(jì)算燈具數(shù)量

為獲取最佳的燈具數(shù)量，按以下步驟計(jì)算。

①求室空間比

室空間比求解見公式1

式中：RCR為室空間比；hrc為室空間高，指燈具下沿到課桌面的高度；a，b分別為教室的開間和進(jìn)深。

hrc=1.8；a=8.8；b=8.6

RCR=2.07

②求有效頂棚空間反射系數(shù)

圖4 燈具配光曲線圖

式中：ρcc為有效頂棚空間反射系數(shù)；ρca為頂棚空間平均反射比；ρc為頂棚表面反射比；ρwc為頂棚空間內(nèi)表面墻反射比；為頂棚空間內(nèi)表面窗戶反射比；Ac為頂棚表面面積；Awc為頂棚空間內(nèi)表面墻的面積；Ach為頂棚空間內(nèi)表面窗戶的面積。

ρc=0.7；Ac=75.7；ρwc=0.7；Awc=16.4；ρch=0.08；Ach=2.75

ρca=0.68

ρcc==0.63

③求墻面平均反射系數(shù)

式中：ρwa為墻面平均反射系數(shù)；

ρw為室空間除玻璃外的反射面的反射比；

ρg為室空間玻璃反射面反射比；Aw為室空間內(nèi)表面積和；Ag為室空間內(nèi)玻璃面積。

ρw=0.7；ρg=0.08；Ag=19.3m2Aw=62.6m2

ρwa=0.51

④確定利用系數(shù)KL

確定了室空間比、有效頂棚空間反射系數(shù)和墻面平均反射系數(shù)后，即可根據(jù)表5以及線性插值法求得利用系數(shù)：

KL1=0.89;KL2=0.93;RCR=2.1;RCR1=2.5;RCR1=2;

KL=0.92

⑤確定燈具維護(hù)系數(shù)K：

根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034-2013）的規(guī)定，教室維護(hù)系數(shù)值K取0.8。

⑥確定好燈具的利用系數(shù)KL 和維護(hù)系數(shù)K 后，根據(jù)公式7 計(jì)算教室所需要的燈具數(shù)量N。

其中，Ea為照度標(biāo)準(zhǔn)值；S為教室面積m2；Φ為單個(gè)燈具光通量。

Ea=300lx；S=75.7.0m2；

Φ=3060lm；Φ=1;N=11（盞）

因此，該教室所需要的燈具數(shù)量為11 盞，黑板面所需照度值較大，因此，本文在黑板面上布置了2 盞燈具，傾斜角設(shè)置為45°，具體布置如圖5 所示。為了驗(yàn)證該燈具數(shù)量下教室照明情況，將進(jìn)行理論計(jì)算。

圖5 燈具布置圖

3.4 計(jì)算結(jié)果

在3.3 節(jié)中計(jì)算出了該教室所需的燈具數(shù)量為11 盞，教室平均照度值以及功率密度值依據(jù)公式8 和公式9 做了如下計(jì)算：

式中：Φ為單個(gè)燈具的光通量；φ為燈具效率；S為教室面積。

N=11；Φ=3060lx；φ=1；S=75.7m2

E=327.3lx

LPD=5.23W/m2

從計(jì)算結(jié)果可知，該教室的平均照度值為327.3lx，高于標(biāo)準(zhǔn)值27.3lx 功率密度值為5.23W/m2，該結(jié)果符合《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034-2013）對(duì)于學(xué)校建筑中教室課桌面平均照度值標(biāo)準(zhǔn)要求和功率密度值目標(biāo)值要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)果，下節(jié)對(duì)該模型進(jìn)行軟件模擬計(jì)算。

3.5 模擬仿真

本文采用軟件Dialux EVO 10.0[6]對(duì)該教室進(jìn)行建模，并將該房間各表面的反射比設(shè)置為3.1 中數(shù)值，燈具的選擇為3.1 中的型號(hào)，布置依照?qǐng)D5。仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 燈具配光曲線圖

圖7 教室偽色圖

此次仿真在教室課桌面布置了8×8個(gè)照度值采樣點(diǎn)，黑板面布置了3×4 個(gè)照度值采樣點(diǎn)，各個(gè)采樣點(diǎn)的平均照度值如圖8 和圖9 所示。該教室課桌面最小照度值為249lx，最大照度值為419lx，平均照度值為337.0lx，與上一節(jié)的計(jì)算結(jié)果基本相符，照度均勻度為0.74。與標(biāo)準(zhǔn)值相比，平均照度值高出37lx，照度均勻度高出0.14。而黑板區(qū)域平均照度值為543lx，照度均勻度為0.88，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 黑板面照度值分布圖

3.6 實(shí)際改造

經(jīng)過理論的計(jì)算以及軟件的模擬，該教室的改造方案滿足《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034-2013）標(biāo)準(zhǔn)要求。為了驗(yàn)證該方案的實(shí)際改造效果，本文對(duì)該教室照明進(jìn)行實(shí)體改造，圖8 為改造后的教室圖片。改造后教室的照明質(zhì)量測(cè)量方法及測(cè)點(diǎn)位置依照2.2。

圖8 課桌面照度值分布圖

圖10 改造后教室圖片

此次還對(duì)教室的顯色指數(shù)及統(tǒng)一眩光值進(jìn)行的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表3 所示，該教室課桌面及黑板面平均照度值及照度均勻度與改造方案計(jì)算值基本相符，且均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。與改造前教室的實(shí)測(cè)值相比，課桌面和黑板面平均照度值分別提高了34.8%和37.0%，均勻度值分別提升了7.1%和7.7%。經(jīng)計(jì)算，功率密度值為5.23W/m2，相比改造前，不僅平均照度值及照度均勻度值符合標(biāo)準(zhǔn)，且能耗值減少了一半。而此次也對(duì)教室的平均顯色指數(shù)與統(tǒng)一眩光值進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量值分別為83 和2.1，也均符合《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034-2013）標(biāo)準(zhǔn)的要求。

照度實(shí)測(cè)值 表3

分析改進(jìn)的原因：①LED 燈具能效高，本項(xiàng)目LED 燈具的能效值為80lm/W，在相同光通量的情況下，該LED 燈具相比T5 燈管能量消耗減少了50%左右；②LED 為點(diǎn)光源，LED 燈具光源一般包含多個(gè)LED 顆粒，可以設(shè)計(jì)成點(diǎn)、線、面、立體形狀，比傳統(tǒng)燈具形式更多樣，更小巧靈活，在該項(xiàng)目中，LED 作為面光源替代了傳統(tǒng)節(jié)能燈的線光源，在燈具安裝數(shù)量減少的情況下，實(shí)現(xiàn)了更好的均勻度；且該LED 燈具發(fā)光面設(shè)置為格柵狀，統(tǒng)一眩光值更低。從健康照明的角度來看，LED 燈具只含少量紫外線、紅外線，輻射量比T5 燈管少，對(duì)保護(hù)視力有利。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，能源問題日益突出，減少能源消耗成為當(dāng)今社會(huì)亟待解決的問題。①LED 光源是繼白熾燈、氣體放電燈之后的第三代新型光源，節(jié)能效果明顯。②教室作為孩子學(xué)習(xí)的重要場(chǎng)所，在照明質(zhì)量方面有著嚴(yán)格要求，LED 光源顯色指數(shù)高、色溫可調(diào)、頻閃低等優(yōu)點(diǎn)，在教室照明上有著廣泛應(yīng)用。③本文采用了LED 燈具對(duì)傳統(tǒng)教室的照明進(jìn)行改造，經(jīng)過計(jì)算、仿真以及實(shí)際改造，不僅照明質(zhì)量符合學(xué)校建筑標(biāo)準(zhǔn)，且節(jié)能效果明顯，也希望通過此次改造能夠?qū)淌业臄U(kuò)建、新建及改造等在照明工作上提供參考。