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教室护眼灯的标准检测方法

2021-02-03 16:14:32 

随着人们生活水平日益进步,对照明的要求已不满足于根本的照亮功能,而是健康照明、舒适照明上提出了更高要求。教室照明灯具按被照对象分类可分为两种:用于课桌照明的教室护眼灯和用于黑板(或书写板)照明的灯具(也称为教室黑板灯)。随着LED这一新式光源的遍及,越来越多区域和学校正教室照明现状进行了调查研究[1,2],有些还着手对传统照明灯具进行了改造,以期进步照明质量[3,4],维护学生视力[5]。这些改造工程中,照明检测和作用点评都是必要环节。现在国内相关规范对中小学教室照明检测办法的规则仍存在不行详细、不行合理等问题,导致可操作性、成果可比照性较差。本文迁就中小学一般教室照明的具体检测细节展开评论。

教室护眼灯


现在教室照明质量的点评目标可分为以下4类:a)根本照明目标:均匀照度、照度均匀度。b)舒适性目标:统一眩光指数(UGR)。c)能效目标:照明功率密度。d)色彩目标:相关色温、显色指数。关于这些目标,我国在不同的规范中都进行了规则,主要规范包括GB 50034—2013《修建照明设计规范》、GB 50099—2011《中小学校设计规范》、GB 7793—2010《中小学校教室采光和照明卫生规范》、DB 31/T 539—2011《中小学校及幼儿园教室照明设计规范》等。
这些规范对教室照明质量点评目标以及检测办法的规则不尽相同,以一般教室为例,目标约束及引证的办法规范如表1所示。可见这些规范中关于相关目标的检测办法,要么没有明确阐述,要么直接引证国家规范GB/T 5700—2008《照明检测办法》。该办法规范中未涉及UGR的检测和核算,尽管规则了现场照度、色温、显色指数、电参数的检测,但规则不行详细,实践操作时往往容易发生分歧,导致成果缺少可比性,同时有些办法不行合理,这些都将影响相关目标的检测和核算成果,也对照明设计形成困扰。
表1 不同规范对一般教室照明质量的要求Table 1 The lighting quality requirements of different standards for general classroom

物理量GB 50034GB 50099GB 7793DB31/T 539课桌面保持均匀照度/lx≥300≥300≥300≥300课桌面照度均匀度≥0.6≥0.7≥0.7≥0.7黑板保持均匀照度/lx≥500—≥500≥500黑板照度均匀度≥0.7—≥0.8≥0.7相关色温/K3 300~5 300—3 300~5 500(光源)—显色指数≥80≥80≥80(光源)≥80照明功率密度/(W/m2)≤8.0≤8.0≤9≤3/100 lxUGR≤19≤19≤19≤16
照度检测区域是指用来检测和核算均匀照度和照度均匀度的区域。GB/T 5700—2008未对照度检测区域进行规则,实践检测课桌面照度时,检测区域的选取存在必定的随意性,乃至将整个教室作为检测区域。教室内除了学生课桌读写作业区域外,还有教室前后还有讲台、储物低柜及其周边等非读写作业区域,这些区域是否需求归入检测区域?在作业区域周边至少0.5 m规模内称为紧邻区域,该区域的内的照明应在视场内供给良好均衡的亮度散布,否则照度的显着改动或许导致视疲惫和不舒适。出于节能等因素考虑,紧邻区域的照度可以比作业区域低一些,但不能过低,以一般教室为例,课桌保持均匀照度为300 lx时,紧邻区域的照度不宜低于200 lx;黑板保持均匀照度为500 lx时,紧邻区域的照度不宜低于300 lx[6]。可见,教室内除课桌外的其它非读写作业区域,水平照度或许比课桌区域低30%以上,将这些区域归入照度检测区域显然不适宜。课桌面照度检测区域应为课桌摆放区域。
关于课桌数量和方位不固定的教室,确认检测区域时应考虑课桌的最大或许摆放区域。课桌往往紧挨着教室左右墙面摆放,因而检测区域的宽度即为教室宽度。现在有些学校为容纳更多学生,会将最前排课桌紧挨着讲台桌摆放,故检测区域前端应从讲台桌前沿开端。GB 50099—2011规则最终排座椅后沿与后墙面或固定家具的净距不小于1.1 m,一般课桌后沿与座椅后沿间隔约0.6 m,故检测区域后端应间隔后墙面或固定家具1.7 m。
GB/T 5700—2008规则将检测区域区分为若干个正方形网格(课桌面照度检测网格为2 m×2 m,黑板照度检测网格为0.5 m×0.5 m),选用中心布点和四角布点两种布点办法。因为四角布点法检测点数较多,且当网格线与墙面等固定物重合时,实践无法检测,因而一般选用中心布点法,即检测每个网格中心点的照度。均匀照度Eav经过式(1)核算:

(1)
式中Ei为第i个测点的照度;M为纵向测点数;N为横向测点数。
可见,式(1)是依据每个网格中心点的照度值等于该网格每一点的照度(或均匀照度)这个假设而得出的,因而要求网格为正方形,以使各个方向投射到该网格的光线占比尽量相等,确保其中心点照度能够代表该网格的照度。GB/T 5700—2008的网格区分和均匀照度核算办法应用于教室照明检测时或许存在如下几个问题。
特别地,如果g(X)=ax+b,a≠0则关于的极值1,GMC(Y|X)?g(X)a.s.;若g是1对1的可测函数,则GMC(Y|X)=GMC(X|Y)=1,若g不是1对1的,则GMC(Y|X)=1>GMC(X|Y)≥0。
理论上,网格尺度越小、数量越多,检测的数据越多,越不容易遗失重要方位的数据(如最小照度和最大照度),成果越精确。
1)黑板照度测试。当前LED教室黑板灯越来越遍及,该类灯具一般被设计成笔直方向的光束较会集(图1),选用在黑板上沿的前方方位单侧布灯的办法,这种布灯办法下光束斜照向黑板后通常导致黑板面挨近上沿或下沿附近照度特别低。图2是一个黑板中央4 m×1 m照度检测区域的照度散布,表2是该区域在网格区分为0.5 m×0.5 m和0.2 m×0.2 m情况下的成果,可见两者均匀照度值很挨近,但前者照度均匀度为0.76,符合表1中至少2个规范的要求,而后者照度均匀度仅为0.59,不符合表1任何规范的要求,相同的黑板和照明灯具安置,仅网格巨细不同,检测成果却有很大差异。因为黑板灯投射在黑板上的光线较会集,照度梯度改动较大(表4),0.5 m×0.5 m 网格测点间隔过大,导致所测得的最小照度显着大于0.2 m×0.2 m 网格,相应的照度均匀度也显着偏大。

图1 教室黑板灯配光曲线Fig.1 Light distribution curve of Blackboard luminaire

图2 4 m×1 m黑板检测区域照度散布示意图Fig.2 Schematic diagram of illumination distribution of 4 m×1 m blackboard measurement area
表2 4 m×1 m黑板照度检测区域不同网格区分的成果Table 2 Different results of different meshes of 4 m×1 m blackboard illuminance measurement area

网格尺度网格数均匀照度/lx最小照度/lx最大照度/lx照度均匀度∗最小照度/最大照度0.5 m×0.5 m8×28066119750.760.630.2 m×0.2 m20×57964699930.590.47
*——GB/T 50034、GB/T 7793和DB31/T 539均将照度均匀度定义为最小照度/均匀照度
表3 4 m×1 m黑板照度检测区域不同网格区分的邻近网格最大差错Table 3 Maximum deviation of adjacent grids in different meshes of 4 m×1 m blackboard illumination measurement area

网格尺度相邻网格最大差错/lx相邻网格最大差错/均匀照度0.5 m×0.5 m21326.8%0.2 m×0.2 m15819.9%
2)课桌面照度测试。中小学教室一般为9 m×7 m左右的矩形,教室护眼灯纵向安置3~4盏,横向安置2~3盏,如果按2 m×2 m区分网格,则网格数很少,且网格尺度与教室护眼灯间隔附近,成果会存在必定差错。表4列出了一个6 m×6 m的课桌面照度检测区域(灯具安置周期为2.375 m×2.485 m)在不同网格区分尺度下的成果,可见2 m×2 m 网格尺度测得的照度均匀度违背0.5 m×0.5 m网格约7%。与黑板照明比较,因为课桌照明灯具安置对称性好,灯具光束较宽,照度梯度改动较小,故由网格巨细区分发生的差错也相对较小。
实践检测区域尺度一般不是GB/T 5700—2008所规则网格尺度的整数倍,GB/T 5700—2008规范中未提及这种情况如何处理。一般有如下两种做法。
表4 6 m×6 m课桌面照度检测区域不同网格区分的成果Table 4 Results of different meshes of 6 m×6 m class desktop illuminance measurement area

网格尺度网格数均匀照度/lx最小照度/lx最大照度/lx照度均匀度最小照度/最大照度2 m×2 m3×34023894290.970.911 m×1 m6×63963594320.910.830.5 m×0.5 m12×123943554510.900.79
办法一:为了能够区分出整数个网格而缩小检测区域,依据GB/T 5700—2008规则的网格尺度,将四周无法凑足整数网格的区域直接排除,而将检测区域设置在前后(或上下)和左右方向各自居中的方位。显然,这种办法很或许丢掉一些重要的检测点(如最小照度点)。
办法二:不排除任何应检测区域,而是改动网格尺度。EN 12464—1:2011中规则了一种依据检测区域尺度来确认网格尺度的办法。
首要,核算最大网格尺度p(单位:m):
p=0.2×5log10d
(2)
式中d一般为检测区域的较长边,当检测区域的较长边为较短边的2倍或以上时,d取检测区域的较短边。
其次,取最挨近d/p的整数为该边方向上的网格数,并核算该方向上的网格尺度L。
最终,取最挨近d′/L的整数为检测区域另一方向上的网格数(d′为该方向的长度),并核算出该方向上的网格尺度。
这种办法确认的网格尺度一般不是正方形而是挨近正方形的矩形,但它使得检测区域不再受固定的网格尺度的约束。
图3是一个10 m×7 m的典型教室护眼灯安置事例示意图,依照前文的阐述,该教室课桌照度检测区域应为6.7 m×7 m;黑板照度检测区域应为4 m×1.22 m。表2~表4中第一行数据是依照办法一检测的成果。

图3 教室灯具安置示意图Fig.3 Schematic diagram of classroom lighting
表5和表6中第一行数据是依据办法二检测的成果,可见办法二和办法一比较,因为添加了边缘部分的检测区域,测得了更小的最小照度,成果更挨近实在情况,因而办法二比办法一更佳。
表5 4 m×1.22 m黑板照度检测区域检测成果Table 5 Measurement result of 4 m×1.22 m blackboard illumination measurement area

网格尺度网格数均匀照度/lx最小照度/lx最大照度/lx照度均匀度最小照度/最大照度0.25 m×0.244 m16×57764249890.550.430.200 m×0.203 m20×67754019900.520.41
表6 6.7 m×7 m课桌面照度检测区域检测成果Table 6 Measurement result of 6.7 m×7 m class desktop illuminance measurement area

教室护眼灯


网格尺度网格数均匀照度/lx最小照度/lx最大照度/lx照度均匀度最小照度/最大照度0.744 m×0.778 m9×93843214590.840.700.609 m×0.583 m11×123833074430.800.69
从表5和表6可见,网格区分越小,越能测到挨近检测区域边界的点,测得的最小照度越小,就此而言办法二所确认的网格尺度并不满足小。但是同时,网格区分越小,测点就越多,作业量增大,且无限减小网格并不可行,因而在对检测成果影响不大的情况下,可依据实践情况考虑网格的巨细。关于黑板照度检测,考虑现在照度探头的最大尺度约7 cm(含探头周边的机身部分),且学生视线间隔较远,故网格尺度选取在0.2 m左右较适宜。关于课桌面照度检测,中小学生桌面尺度一般为0.6 m×0.4 m左右,因为教室照明灯具光束较宽,布灯均匀,照度梯度较小,可将网格尺度选为0.6 m左右。
咱们可以对办法二作如下调整以使其更适用于中小学一般教室照明的检测。首要,取最挨近d/p的整数为相应方向上的网格数,并核算该方向上的网格尺度L。其中d一般为检测区域的较长边,当检测区域的较长边为较短边的2倍或以上时,d取检测区域的较短边;p取0.2 m(黑板照度)或0.6 m(课桌面照度);然后,取最挨近d′/L的整数为检测区域另一方向上的网格数(d′为该方向的长度),并核算出该方向上的网格尺度。
GB/T 5700—2008规则每个场所检测点数量不该少于9个(住所单个房间可不少于3个),然后取算术均匀值作为现场的色温文显色指数。关于中小学一般教室,因为现在越来越广泛选用的LED教室护眼灯,因而仅检测少量几个点且未规则布点办法,其检测成果无法实在反映被照场所的色彩散布,成果也不具有可比性和可重复性。可依照前文所述照度检测的布点办法确认色彩检测点,并添加核算一切测点间色差异[7]的最大值以点评被测场所的色彩不均匀度。
照明功率密度(LPD)是指单位面积上照明实践消耗的功率,单位是W/m2,核算公式为

(3)
式中Pi为被检测照明场所中第i个照明灯具的输入功率,S为被检测照明场所的面积。相关规范中未指明照明场所面积的规模是只包括课桌面/黑板照度检测区域仍是指整个教室面积,是只核算课桌面照明灯具仍是也包括黑板灯具。作为节能目标,教室的LPD表现的应是整个教室单位面积内一切教室护眼灯(也包括教室黑板灯)的能耗水平,因而应核算一切灯具的功率和整个教室的面积。
现在,还有另一种LPD密度的定义,即单位面积上每发生100 lx照度所消耗的功率,单位是W/m2/100 lx,其核算公式为

(4)
式中,Eav为受照区域的均匀照度。可见式(4)将节能目标与照明作用结合在一起,可适用于核算某一特定受照区域内或某单一类型灯具照明的节能作用。如课桌的LPD应经过课桌照明灯具及课桌照度检测的面积和均匀照度进行核算。
咱们经过事例分析、办法比较和原理评论,从照度检测区域、网格区分、现场色温文显色指数、照明功率密度等几个方面研究了现有中小学一般教室课桌和黑板照明检测规范中存在的问题,评论了网格尺度选取以及实践检测区域选取的不同对检测成果的影响,并提出了更合理、更具有可操作性的检测区域和网格尺度的选取办法。

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