LED在学校照明中的应用探讨

徐 华

(清华大学建筑设计研究院有限公司，北京 100084)

0 引言

LED在照明领域的深入，具有耗电量低、电光功率转换接近100%、使用寿命长等优点的LED给照明带来了无限的可能性，在室外、道路照明方面基本上取代了传统光源，在室内照明领域发展也十分迅速。但在学校照明方面的应用还处于步履蹒跚的阶段，主要是基于对学生用眼安全方面的顾虑。本文拟对LED在学校照明中的应用进行探讨，以期能够抛砖引玉。

1 LED的蓝光危害问题

电光源产生的对人眼有害的光辐射主要有：紫外线、蓝光和红外线。

紫外线是电磁波谱中波长从100～380nm辐射的总称。紫外线的波长愈短，对人眼的危害越大。过量的紫外线引起光化学反应，可使人体机能发生一系列变化，尤其是对人体的皮肤、眼睛以及免疫系统等造成危害。眼睛是对紫外线最为敏感的部位，紫外线能对晶状体造成损伤，是老年性白内障的致病因素之一。波长250～320nm紫外线的照射可引起角膜炎、结膜炎，过强的紫外线还可造成眼底损伤。紫外线照射哺乳动物可引起基因突变，导致皮肤癌。

波长在780nm～1mm的光辐射称为红外线。红外线的频率接近多数物质分子的固有振动频率，极易被物质所吸收并产生热效应。过量红外线辐射人眼会造成伤害，波长800～1 200nm的短波红外线可透过角膜进入眼球、房水、虹膜、晶状体和玻璃体液，吸收而导致的白内障称之为“红外线白内障”,该症状多见于玻璃制造工人和钢铁冶炼工人，红外线能加速人眼泪液的蒸发，导致干眼症。

目前采用的白光LED，绝大部分是采用450nm左右的蓝光激发荧光粉产生白光，它的光谱波长范围为380～780nm，不产生380nm以下的紫外光和780nm以上的红外光，仅存在380～500nm的蓝光，在无红外线和紫外线方面，LED较常规电光源有较强的优越性。

波长500nm左右的光通常称为蓝光，蓝光会损伤视网膜细胞的线粒体，特别是线粒体DNA。蓝光主要是对色素起损害作用，而这种色素仅蓄积在视网膜细胞中。过量蓝光进入视网膜,引发视网膜感光能力大幅提升,当视网膜捕获的光子达到一定量之后,视网膜细胞开始死亡,从而造成视网膜损伤。另外，蓝光在进入人眼之后还会影响褪黑素的生成，褪黑素是人脑松果体产生的一种激素,目前已知的作用是促进睡眠、调节时差等功能,也就是人体的生物钟，过量辐射的蓝光的确具有伤害性，应当引起重视。

传统光源同样含有蓝光成分，笔者参考了中国航空规划发展有限公司陈寅生先生2013年住建部课题2013-K1-64《LED照明在民用建筑中的应用研究》和国家电光源质量监督检验中心(上海)副主任俞安琪先生对市场产品测试分析，得出的结论是，市场上合格的LED光源与同色温三基色荧光灯光源进行“蓝光”能量比较，在波峰和380～500nm波段处，LED照明光源的“蓝光”能量均

蓝光危害并不专属于LED灯具，金卤灯和荧光灯早就存在蓝光，对于室内用LED照明产品只能使用蓝光危害分类在1类及以下的灯具；对于特殊人群(糖尿病人和光敏药物影响的人)或者可能处于特殊体位(例如婴幼儿)能直接看到LED灯的情况，则应该使用0类(无危害)产品。

根据测试数据统计分析，LED照明蓝光占可见光能量的比例与色温相关，基本符合公式：PB=0.005·λ(PB为蓝光能量占可见光能量的百分比；λ为LED照明灯的色温)。

由此可见，色温越低，蓝光能量越低，室内LED照明产品的色温一般不超过4 000K，一般显色指数应达到80以上，特殊显色指数R9>0，基本可避免富蓝LED照明产品对人体健康可能存在的不利影响。

2 关于照明标准

GB 50034-2013《建筑照明设计标准》对LED的使用提出了基本要求，长期工作或停留的房间和场所，色温一般不宜超过4 000K，一般显色指数应达到80以上，特殊显色指数R9应大于零，色容差不应大于5SDCM，既避免了蓝光危害，也满足了视觉舒适性的要求。

在JGJ 310-2013《教育建筑电气设计规范》(以下简称《教规》)中，基于当时LED的技术条件，在对光源和灯具进行选择时，没有对LED进行推荐。由于LED技术发展迅速、节能效果显著，用于学校照明已经成熟，但在应用过程中如果不加以限定和引导，也会带来危害。在2017年，住建部组织对建筑行业提高标准的课题研究时，对学校采用LED灯的要求提出了具体规定，把《教规》中的第8.4.3条、8.4.5条做了如下修订(修订部分见斜体字)：

【8.4.3】教育建筑照明设计时应按下列规定选择光源：

1阅览室、书库、教室、会议室、办公室等宜采用细管径三基色直管形荧光灯、发光二极管(LED)灯。

2休息室、超市等宜采用细管径直管形荧光灯、紧凑型荧光灯、发光二极管(LED)灯或小功率的金属卤化物灯。

3风雨操场、体育场馆宜采用金属卤化物灯、发光二极管(LED)灯，也可根据建筑高度不同，采用大功率细管径荧光灯。

4校园照明宜采用紧凑型荧光灯、发光二极管(LED)灯、高压钠灯或金属卤化物灯。

5应急照明应选用荧光灯、发光二极管(LED)灯等能快速点燃的光源。

6阅览室、书库、教室、会议室、实验室内采用的LED灯色温不应高于4 000K，显色指数(Ra)不应小于80，特殊显色指数R9应大于零，色容差不应大于5SDCM，黑板用LED灯的色容差不应大于3SDCM。(新增)

【8.4.5】教育建筑的灯具选择应符合下列规定：

5阅览室、书库、教室、会议室、实验室采用直接型LED灯时，灯具遮光角不应小于30°。(新增)

由于当时《教规》中没有推荐LED灯，在目前的学校照明设计中，还遇到采用LED灯被审图单位判定不满足规范的情况，是十分不应该的。

3 关于LED照明应用

在学校照明中，尤其是教室和阅览室，对光环境的要求应该十分严苛，应关注色温、显色性、色容差等参数，满足了这些基本参数，基本上可以避免蓝光危害，但除此之外，对视力影响较大的还有眩光和频闪。

产生眩光的主要因素：光源的亮度(亮度越高，眩光越显著)；光源的位置(越接近视线，眩光越显著)；光源的数量(光源数目越多，眩光越显著)；周围的环境(环境亮度越暗，眼睛适应亮度越低，眩光也就越显著)。由于LED是直接发光，光的方向性很强，效率高，GB 50034-2013《建筑照明设计标准》限制眩光的措施中，是根据光源表面平均亮度，规定灯具遮光角的，在光源平均亮度≥500kcd/m2时，灯具遮光角不应<30°，因此不论LED灯表面亮度如何，要求在学校阅览室、书库、教室、会议室、实验室中的直接性LED灯具遮光角不应<30°，更有利于防止眩光。目前有不少带防眩格栅的LED灯，既有很大的遮光角，灯具表面亮度也很低，防眩效果很好，见图1。

图1 防眩格栅LED灯

LED平面灯具(也称面板灯)设计独特，光经过高透光率的导光板后形成一种均匀的平面发光效果，表面亮度不高，照明均匀性好、光线柔和、舒适，可有效缓解眼疲劳，比较适合用于学校照明。面板灯样式见图2。

图2 面板灯

频闪是指电光源光通量波动的深度。光通量波动深度越大，频闪越严重，电光源光通量波动深度大小与电光源的技术品质有直接关系。电光源频闪效应对青少年的眼睛伤害很大。理论上使用交流电的光源都有频闪，而市面上宣称没有频闪的护眼灯只是将普通的交流电的频闪通过特殊装置变成更高的频闪频率，减少对人眼的影响，但频闪还是存在的，并且高频处理会产生高强度的电磁波，

对人体也会有害。真正没有频闪的只有使用直流电的LED灯(直流电不存在频闪问题)，但目前给直流供电的驱动电源是交流变直流，驱动电源质量也会引起LED灯的频闪(有时频闪还是十分严重的)，在学校照明中应引起重视。

另外，色温与人的兴奋度、注意力集中与否密切相关，如在课堂上适当提高色温能够激发学生的兴奋点、集中注意力，课间休息时适当降低色温，让学生精神放松、合理休息，图3是不同色温下的课堂状态，对于采用LED灯实现色温的调节是很容易的。

图3 不同色温下的课堂状态

4 结束语