莊慶瑞

(廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，福建 廈門 361000)

引言

隨著人們生活水平日益提高，對(duì)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(duì)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(qū)和學(xué)校對(duì)教室照明現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查研究[1,2]，有些還著手對(duì)傳統(tǒng)照明燈具進(jìn)行了改造，以期提高照明質(zhì)量[3,4]，保護(hù)學(xué)生視力[5]。這些改造工程中，照明測(cè)量和效果評(píng)價(jià)都是必要環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)中小學(xué)教室照明測(cè)量方法的規(guī)定仍存在不夠詳細(xì)、不夠合理等問題，導(dǎo)致可操作性、結(jié)果可對(duì)比性較差。本文將就中小學(xué)普通教室照明的具體測(cè)量細(xì)節(jié)展開討論。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況

目前教室照明質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)可分為以下4類：a)基本照明指標(biāo)：平均照度、照度均勻度。b)舒適性指標(biāo)：統(tǒng)一眩光指數(shù)(UGR)。c)能效指標(biāo)：照明功率密度。d)顏色指標(biāo)：相關(guān)色溫、顯色指數(shù)。對(duì)于這些指標(biāo)，我國在不同的標(biāo)準(zhǔn)中都進(jìn)行了規(guī)定，主要標(biāo)準(zhǔn)包括GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50099—2011《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 7793—2010《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》、DB 31/T 539—2011《中小學(xué)校及幼兒園教室照明設(shè)計(jì)規(guī)范》等。

這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)教室照明質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)以及測(cè)量方法的規(guī)定不盡相同，以普通教室為例，指標(biāo)限制及引用的方法標(biāo)準(zhǔn)如表1所示?？梢娺@些標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于相關(guān)指標(biāo)的測(cè)量方法，要么沒有明確闡述，要么直接引用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5700—2008《照明測(cè)量方法》。該方法標(biāo)準(zhǔn)中未涉及UGR的測(cè)量和計(jì)算，雖然規(guī)定了現(xiàn)場(chǎng)照度、色溫、顯色指數(shù)、電參數(shù)的測(cè)量，但規(guī)定不夠詳細(xì)，實(shí)際操作時(shí)往往容易產(chǎn)生分歧，導(dǎo)致結(jié)果缺乏可比性，同時(shí)有些方法不夠合理，這些都將影響相關(guān)指標(biāo)的測(cè)量和計(jì)算結(jié)果，也對(duì)照明設(shè)計(jì)造成困擾。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)普通教室照明質(zhì)量的要求Table 1 The lighting quality requirements of different standards for general classroom

2 照度測(cè)量區(qū)域的確定

照度測(cè)量區(qū)域是指用來測(cè)量和計(jì)算平均照度和照度均勻度的區(qū)域。GB/T 5700—2008未對(duì)照度測(cè)量區(qū)域進(jìn)行規(guī)定，實(shí)際測(cè)量課桌面照度時(shí)，測(cè)量區(qū)域的選取存在一定的隨意性，甚至將整個(gè)教室作為測(cè)量區(qū)域。教室內(nèi)除了學(xué)生課桌讀寫工作區(qū)域外，還有教室前后還有講臺(tái)、儲(chǔ)物低柜及其周邊等非讀寫工作區(qū)域，這些區(qū)域是否需要納入測(cè)量區(qū)域？在工作區(qū)域周邊至少0.5 m范圍內(nèi)稱為緊鄰區(qū)域，該區(qū)域的內(nèi)的照明應(yīng)在視場(chǎng)內(nèi)提供良好均衡的亮度分布，否則照度的顯著變化可能導(dǎo)致視疲勞和不舒適。出于節(jié)能等因素考慮，緊鄰區(qū)域的照度可以比工作區(qū)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(shí)，緊鄰區(qū)域的照度不宜低于200 lx；黑板維持平均照度為500 lx時(shí)，緊鄰區(qū)域的照度不宜低于300 lx[6]?？梢姡淌覂?nèi)除課桌外的其它非讀寫工作區(qū)域，水平照度可能比課桌區(qū)域低30%以上，將這些區(qū)域納入照度測(cè)量區(qū)域顯然不合適。課桌面照度測(cè)量區(qū)域應(yīng)為課桌擺放區(qū)域。

對(duì)于課桌數(shù)量和位置不固定的教室，確定測(cè)量區(qū)域時(shí)應(yīng)考慮課桌的最大可能擺放區(qū)域。課桌往往緊挨著教室左右墻面擺放，因此測(cè)量區(qū)域的寬度即為教室寬度。目前有些學(xué)校為容納更多學(xué)生，會(huì)將最前排課桌緊挨著講臺(tái)桌擺放，故測(cè)量區(qū)域前端應(yīng)從講臺(tái)桌前沿開始。GB 50099—2011規(guī)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(cè)量區(qū)域后端應(yīng)距離后墻面或固定家具1.7 m。

3 測(cè)量區(qū)域網(wǎng)格劃分

GB/T 5700—2008規(guī)定將測(cè)量區(qū)域劃分為若干個(gè)正方形網(wǎng)格(課桌面照度測(cè)量網(wǎng)格為2 m×2 m，黑板照度測(cè)量網(wǎng)格為0.5 m×0.5 m)，采用中心布點(diǎn)和四角布點(diǎn)兩種布點(diǎn)方法。由于四角布點(diǎn)法測(cè)量點(diǎn)數(shù)較多，且當(dāng)網(wǎng)格線與墻面等固定物重合時(shí)，實(shí)際無法測(cè)量，因此一般采用中心布點(diǎn)法，即測(cè)量每個(gè)網(wǎng)格中心點(diǎn)的照度。平均照度Eav通過式(1)計(jì)算：

(1)

式中Ei為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的照度；M為縱向測(cè)點(diǎn)數(shù)；N為橫向測(cè)點(diǎn)數(shù)。

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

3.1 網(wǎng)格尺寸對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

理論上，網(wǎng)格尺寸越小、數(shù)量越多，測(cè)量的數(shù)據(jù)越多，越不容易遺漏重要位置的數(shù)據(jù)(如最小照度和最大照度)，結(jié)果越準(zhǔn)確。

1)黑板照度測(cè)試。當(dāng)前LED黑板燈越來越普及，該類燈具一般被設(shè)計(jì)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(cè)布燈的方式，這種布燈方式下光束斜照向黑板后通常導(dǎo)致黑板面靠近上沿或下沿附近照度特別低。圖2是一個(gè)黑板中央4 m×1 m照度測(cè)量區(qū)域的照度分布，表2是該區(qū)域在網(wǎng)格劃分為0.5 m×0.5 m和0.2 m×0.2 m情況下的結(jié)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，而后者照度均勻度僅為0.59，不符合表1任何標(biāo)準(zhǔn)的要求，同樣的黑板和照明燈具布置，僅網(wǎng)格大小不同，測(cè)量結(jié)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(wǎng)格測(cè)點(diǎn)間距過大，導(dǎo)致所測(cè)得的最小照度明顯大于0.2 m×0.2 m 網(wǎng)格，相應(yīng)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(cè)量區(qū)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(cè)量區(qū)域不同網(wǎng)格劃分的結(jié)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(cè)量區(qū)域不同網(wǎng)格劃分的鄰近網(wǎng)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(cè)試。中小學(xué)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(wǎng)格，則網(wǎng)格數(shù)很少，且網(wǎng)格尺寸與燈具間距相近，結(jié)果會(huì)存在一定誤差。表4列出了一個(gè)6 m×6 m的課桌面照度測(cè)量區(qū)域(燈具布置周期為2.375 m×2.485 m)在不同網(wǎng)格劃分尺寸下的結(jié)果，可見2 m×2 m 網(wǎng)格尺寸測(cè)得的照度均勻度偏離0.5 m×0.5 m網(wǎng)格約7%。與黑板照明相比，由于課桌照明燈具布置對(duì)稱性好，燈具光束較寬，照度梯度變化較小，故由網(wǎng)格大小劃分產(chǎn)生的誤差也相對(duì)較小。

3.2 實(shí)際測(cè)量區(qū)域?qū)y(cè)量結(jié)果的影響

實(shí)際測(cè)量區(qū)域尺寸一般不是GB/T 5700—2008所規(guī)定網(wǎng)格尺寸的整數(shù)倍，GB/T 5700—2008標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量區(qū)域不同網(wǎng)格劃分的結(jié)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(shù)個(gè)網(wǎng)格而縮小測(cè)量區(qū)域，依據(jù)GB/T 5700—2008規(guī)定的網(wǎng)格尺寸，將四周無法湊足整數(shù)網(wǎng)格的區(qū)域直接排除，而將測(cè)量區(qū)域設(shè)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(cè)量點(diǎn)(如最小照度點(diǎn))。

當(dāng)前生豬養(yǎng)殖業(yè)對(duì)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(duì)豬鏈球菌病疏于防范，就臨床而言，豬鏈球菌病在各種豬場(chǎng)傳染病中占很大比例，特別是氣候濕熱的季節(jié)是豬鏈球病傳染高發(fā)季節(jié)。近期本地部分生豬養(yǎng)殖場(chǎng)有部分生豬出現(xiàn)了發(fā)熱，關(guān)節(jié)腫脹，敗血癥和神經(jīng)癥狀為特征的急性傳染病，對(duì)病料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(yīng)測(cè)量區(qū)域，而是改變網(wǎng)格尺寸。EN 12464—1：2011中規(guī)定了一種根據(jù)測(cè)量區(qū)域尺寸來確定網(wǎng)格尺寸的方法。

首先，計(jì)算最大網(wǎng)格尺寸p(單位：m)：

p=0.2×5log10d

(2)

式中d一般為測(cè)量區(qū)域的較長(zhǎng)邊，當(dāng)測(cè)量區(qū)域的較長(zhǎng)邊為較短邊的2倍或以上時(shí)，d取測(cè)量區(qū)域的較短邊。

其次，取最接近d/p的整數(shù)為該邊方向上的網(wǎng)格數(shù)，并計(jì)算該方向上的網(wǎng)格尺寸L。

最后，取最接近d′/L的整數(shù)為測(cè)量區(qū)域另一方向上的網(wǎng)格數(shù)(d′為該方向的長(zhǎng)度)，并計(jì)算出該方向上的網(wǎng)格尺寸。

這種方法確定的網(wǎng)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(cè)量區(qū)域不再受固定的網(wǎng)格尺寸的限制。

圖3是一個(gè)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(cè)量區(qū)域應(yīng)為6.7 m×7 m；黑板照度測(cè)量區(qū)域應(yīng)為4 m×1.22 m。表2～表4中第一行數(shù)據(jù)是按照方法一測(cè)量的結(jié)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(shù)據(jù)是根據(jù)方法二測(cè)量的結(jié)果，可見方法二和方法一相比，由于增加了邊沿部分的測(cè)量區(qū)域，測(cè)得了更小的最小照度，結(jié)果更接近真實(shí)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(cè)量區(qū)域測(cè)量結(jié)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(cè)量區(qū)域測(cè)量結(jié)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(wǎng)格劃分越小，越能測(cè)到靠近測(cè)量區(qū)域邊界的點(diǎn)，測(cè)得的最小照度越小，就此而言方法二所確定的網(wǎng)格尺寸并不足夠小。但是同時(shí)，網(wǎng)格劃分越小，測(cè)點(diǎn)就越多，工作量增大，且無限減小網(wǎng)格并不可行，因此在對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大的情況下，可根據(jù)實(shí)際情況考慮網(wǎng)格的大小。對(duì)于黑板照度測(cè)量，考慮目前照度探頭的最大尺寸約7 cm(含探頭周邊的機(jī)身部分)，且學(xué)生視線距離較遠(yuǎn)，故網(wǎng)格尺寸選取在0.2 m左右較合適。對(duì)于課桌面照度測(cè)量，中小學(xué)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(wǎng)格尺寸選為0.6 m左右。

我們可以對(duì)方法二作如下調(diào)整以使其更適用于中小學(xué)普通教室照明的測(cè)量。首先，取最接近d/p的整數(shù)為相應(yīng)方向上的網(wǎng)格數(shù)，并計(jì)算該方向上的網(wǎng)格尺寸L。其中d一般為測(cè)量區(qū)域的較長(zhǎng)邊，當(dāng)測(cè)量區(qū)域的較長(zhǎng)邊為較短邊的2倍或以上時(shí)，d取測(cè)量區(qū)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(shù)為測(cè)量區(qū)域另一方向上的網(wǎng)格數(shù)(d′為該方向的長(zhǎng)度)，并計(jì)算出該方向上的網(wǎng)格尺寸。

4 現(xiàn)場(chǎng)色溫和顯色指數(shù)的測(cè)量

GB/T 5700—2008規(guī)定每個(gè)場(chǎng)地測(cè)量點(diǎn)數(shù)量不應(yīng)少于9個(gè)(住宅單個(gè)房間可不少于3個(gè))，然后取算術(shù)平均值作為現(xiàn)場(chǎng)的色溫和顯色指數(shù)。對(duì)于中小學(xué)普通教室，由于現(xiàn)在越來越廣泛采用的LED燈具相比傳統(tǒng)光源，存在顏色不均勻度可能較大的問題，因此僅測(cè)量少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)且未規(guī)定布點(diǎn)方式，其測(cè)量結(jié)果無法真實(shí)反映被照?qǐng)鏊念伾植?，結(jié)果也不具有可比性和可重復(fù)性?？砂凑涨拔乃稣斩葴y(cè)量的布點(diǎn)方式確定顏色測(cè)量點(diǎn)，并增加計(jì)算所有測(cè)點(diǎn)間色差異[7]的最大值以評(píng)價(jià)被測(cè)場(chǎng)所的顏色不均勻度。

5 照明功率密度的計(jì)算

照明功率密度(LPD)是指單位面積上照明實(shí)際消耗的功率，單位是W/m2,計(jì)算公式為

(3)

式中Pi為被測(cè)量照明場(chǎng)所中第i個(gè)照明燈具的輸入功率，S為被測(cè)量照明場(chǎng)所的面積。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中未指明照明場(chǎng)所面積的范圍是只包括課桌面/黑板照度測(cè)量區(qū)域還是指整個(gè)教室面積，是只計(jì)算課桌面照明燈具還是也包括黑板燈具。作為節(jié)能指標(biāo)，教室的LPD體現(xiàn)的應(yīng)是整個(gè)教室單位面積內(nèi)所有照明燈具(也包含黑板燈)的能耗水平，因此應(yīng)計(jì)算所有燈具的功率和整個(gè)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(chǎn)生100 lx照度所消耗的功率，單位是W/m2/100 lx，其計(jì)算公式為

(4)

式中，Eav為受照區(qū)域的平均照度?？梢娛?4)將節(jié)能指標(biāo)與照明效果結(jié)合在一起，可適用于計(jì)算某一特定受照區(qū)域內(nèi)或某單一類型燈具照明的節(jié)能效果。如課桌的LPD應(yīng)通過課桌照明燈具及課桌照度測(cè)量的面積和平均照度進(jìn)行計(jì)算。

6 結(jié)束語

我們通過案例分析、方法比較和原理討論，從照度測(cè)量區(qū)域、網(wǎng)格劃分、現(xiàn)場(chǎng)色溫和顯色指數(shù)、照明功率密度等幾個(gè)方面研究了現(xiàn)有中小學(xué)普通教室課桌和黑板照明測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中存在的問題，討論了網(wǎng)格尺寸選取以及實(shí)際測(cè)量區(qū)域選取的不同對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并提出了更合理、更具有可操作性的測(cè)量區(qū)域和網(wǎng)格尺寸的選取方法。