中小学普通教室照明测量方法的研究

庄庆瑞

(厦门市产品质量监督检验院，福建 厦门 361000)

引言

随着人们生活水平日益提高，对照明的要求已不满足于基本的照亮功能，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：用于课桌照明的灯具和用于黑板(或书写板)照明的灯具(也称为黑板灯)。随着LED这一新型光源的普及，越来越多地区和学校对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，以期提高照明质量[3,4]，保护学生视力[5]。这些改造工程中，照明测量和效果评价都是必要环节。目前国内相关标准对中小学教室照明测量方法的规定仍存在不够详细、不够合理等问题，导致可操作性、结果可对比性较差。本文将就中小学普通教室照明的具体测量细节展开讨论。

1 相关标准情况

目前教室照明质量的评价指标可分为以下4类：a)基本照明指标：平均照度、照度均匀度。b)舒适性指标：统一眩光指数(UGR)。c)能效指标：照明功率密度。d)颜色指标：相关色温、显色指数。对于这些指标，我国在不同的标准中都进行了规定，主要标准包括GB 50034—2013《建筑照明设计标准》、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标准》、DB 31/T 539—2011《中小学校及幼儿园教室照明设计规范》等。

这些标准对教室照明质量评价指标以及测量方法的规定不尽相同，以普通教室为例，指标限制及引用的方法标准如表1所示。可见这些标准中关于相关指标的测量方法，要么没有明确阐述，要么直接引用国家标准GB/T 5700—2008《照明测量方法》。该方法标准中未涉及UGR的测量和计算，虽然规定了现场照度、色温、显色指数、电参数的测量，但规定不够详细，实际操作时往往容易产生分歧，导致结果缺乏可比性，同时有些方法不够合理，这些都将影响相关指标的测量和计算结果，也对照明设计造成困扰。

表1 不同标准对普通教室照明质量的要求Table 1 The lighting quality requirements of different standards for general classroom

2 照度测量区域的确定

照度测量区域是指用来测量和计算平均照度和照度均匀度的区域。GB/T 5700—2008未对照度测量区域进行规定，实际测量课桌面照度时，测量区域的选取存在一定的随意性，甚至将整个教室作为测量区域。教室内除了学生课桌读写工作区域外，还有教室前后还有讲台、储物低柜及其周边等非读写工作区域，这些区域是否需要纳入测量区域？在工作区域周边至少0.5 m范围内称为紧邻区域，该区域的内的照明应在视场内提供良好均衡的亮度分布，否则照度的显著变化可能导致视疲劳和不舒适。出于节能等因素考虑，紧邻区域的照度可以比工作区域低一些，但不能过低，以普通教室为例，课桌维持平均照度为300 lx时，紧邻区域的照度不宜低于200 lx；黑板维持平均照度为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工作区域，水平照度可能比课桌区域低30%以上，将这些区域纳入照度测量区域显然不合适。课桌面照度测量区域应为课桌摆放区域。

对于课桌数量和位置不固定的教室，确定测量区域时应考虑课桌的最大可能摆放区域。课桌往往紧挨着教室左右墙面摆放，因此测量区域的宽度即为教室宽度。目前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，故测量区域前端应从讲台桌前沿开始。GB 50099—2011规定最后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距离约0.6 m，故测量区域后端应距离后墙面或固定家具1.7 m。

3 测量区域网格划分

GB/T 5700—2008规定将测量区域划分为若干个正方形网格(课桌面照度测量网格为2 m×2 m，黑板照度测量网格为0.5 m×0.5 m)，采用中心布点和四角布点两种布点方法。由于四角布点法测量点数较多，且当网格线与墙面等固定物重合时，实际无法测量，因此一般采用中心布点法，即测量每个网格中心点的照度。平均照度Eav通过式(1)计算：

(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)是基于每个网格中心点的照度值等于该网格每一点的照度(或平均照度)这个假设而得出的，因此要求网格为正方形，以使各个方向投射到该网格的光线占比尽量相等，保证其中心点照度能够代表该网格的照度。GB/T 5700—2008的网格划分和平均照度计算方法应用于教室照明测量时可能存在如下几个问题。

3.1 网格尺寸对测量结果的影响

理论上，网格尺寸越小、数量越多，测量的数据越多，越不容易遗漏重要位置的数据(如最小照度和最大照度)，结果越准确。

1)黑板照度测试。当前LED黑板灯越来越普及，该类灯具一般被设计成垂直方向的光束较集中(图1)，采用在黑板上沿的前方位置单侧布灯的方式，这种布灯方式下光束斜照向黑板后通常导致黑板面靠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照度测量区域的照度分布，表2是该区域在网格划分为0.5 m×0.5 m和0.2 m×0.2 m情况下的结果，可见两者平均照度值很接近，但前者照度均匀度为0.76，符合表1中至少2个标准的要求，而后者照度均匀度仅为0.59，不符合表1任何标准的要求，同样的黑板和照明灯具布置，仅网格大小不同，测量结果却有很大差异。由于黑板灯投射在黑板上的光线较集中，照度梯度变化较大(表4)，0.5 m×0.5 m 网格测点间距过大，导致所测得的最小照度明显大于0.2 m×0.2 m 网格，相应的照度均匀度也明显偏大。

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

图2 4 m×1 m黑板测量区域照度分布示意图Fig.2 Schematic diagram of illumination distribution of 4 m×1 m blackboard measurement area

表2 4 m×1 m黑板照度测量区域不同网格划分的结果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均将照度均匀度定义为最小照度/平均照度

表3 4 m×1 m黑板照度测量区域不同网格划分的邻近网格最大偏差Table 3 Maximum deviation of adjacent grids in different meshes of 4 m×1 m blackboard illumination measurement area

2)课桌面照度测试。中小学教室一般为9 m×7 m左右的矩形，灯具纵向布置3～4盏，横向布置2～3盏，如果按2 m×2 m划分网格，则网格数很少，且网格尺寸与灯具间距相近，结果会存在一定误差。表4列出了一个6 m×6 m的课桌面照度测量区域(灯具布置周期为2.375 m×2.485 m)在不同网格划分尺寸下的结果，可见2 m×2 m 网格尺寸测得的照度均匀度偏离0.5 m×0.5 m网格约7%。与黑板照明相比，由于课桌照明灯具布置对称性好，灯具光束较宽，照度梯度变化较小，故由网格大小划分产生的误差也相对较小。

3.2 实际测量区域对测量结果的影响

实际测量区域尺寸一般不是GB/T 5700—2008所规定网格尺寸的整数倍，GB/T 5700—2008标准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课桌面照度测量区域不同网格划分的结果Table 4 Results of different meshes of 6 m×6 m class desktop illuminance measurement area

方法一：为了能够划分出整数个网格而缩小测量区域，依据GB/T 5700—2008规定的网格尺寸，将四周无法凑足整数网格的区域直接排除，而将测量区域设置在前后(或上下)和左右方向各自居中的位置。显然，这种方法很可能丢失一些重要的测量点(如最小照度点)。

当前生猪养殖业对猪瘟、猪繁殖与呼吸综合征等病毒病的防疫十分重视，反而对猪链球菌病疏于防范，就临床而言，猪链球菌病在各种猪场传染病中占很大比例，特别是气候湿热的季节是猪链球病传染高发季节。近期本地部分生猪养殖场有部分生猪出现了发热，关节肿胀，败血症和神经症状为特征的急性传染病，对病料进行实验室诊断确定此次疫情的病原为链球菌。

方法二：不排除任何应测量区域，而是改变网格尺寸。EN 12464—1：2011中规定了一种根据测量区域尺寸来确定网格尺寸的方法。

首先，计算最大网格尺寸p(单位：m)：

p=0.2×5log10d

(2)

式中d一般为测量区域的较长边，当测量区域的较长边为较短边的2倍或以上时，d取测量区域的较短边。

其次，取最接近d/p的整数为该边方向上的网格数，并计算该方向上的网格尺寸L。

最后，取最接近d′/L的整数为测量区域另一方向上的网格数(d′为该方向的长度)，并计算出该方向上的网格尺寸。

这种方法确定的网格尺寸一般不是正方形而是接近正方形的矩形，但它使得测量区域不再受固定的网格尺寸的限制。

图3是一个10 m×7 m的典型教室的灯具布置案例示意图，按照前文的阐述，该教室课桌照度测量区域应为6.7 m×7 m；黑板照度测量区域应为4 m×1.22 m。表2～表4中第一行数据是按照方法一测量的结果。

图3 教室灯具布置示意图Fig.3 Schematic diagram of classroom lighting

表5和表6中第一行数据是根据方法二测量的结果，可见方法二和方法一相比，由于增加了边沿部分的测量区域，测得了更小的最小照度，结果更接近真实情况，因此方法二比方法一更佳。

表5 4 m×1.22 m黑板照度测量区域测量结果Table 5 Measurement result of 4 m×1.22 m blackboard illumination measurement area

表6 6.7 m×7 m课桌面照度测量区域测量结果Table 6 Measurement result of 6.7 m×7 m class desktop illuminance measurement area

从表5和表6可见，网格划分越小，越能测到靠近测量区域边界的点，测得的最小照度越小，就此而言方法二所确定的网格尺寸并不足够小。但是同时，网格划分越小，测点就越多，工作量增大，且无限减小网格并不可行，因此在对测量结果影响不大的情况下，可根据实际情况考虑网格的大小。对于黑板照度测量，考虑目前照度探头的最大尺寸约7 cm(含探头周边的机身部分)，且学生视线距离较远，故网格尺寸选取在0.2 m左右较合适。对于课桌面照度测量，中小学生桌面尺寸一般为0.6 m×0.4 m左右，由于教室照明灯具光束较宽，布灯均匀，照度梯度较小，可将网格尺寸选为0.6 m左右。

我们可以对方法二作如下调整以使其更适用于中小学普通教室照明的测量。首先，取最接近d/p的整数为相应方向上的网格数，并计算该方向上的网格尺寸L。其中d一般为测量区域的较长边，当测量区域的较长边为较短边的2倍或以上时，d取测量区域的较短边；p取0.2 m(黑板照度)或0.6 m(课桌面照度)；然后，取最接近d′/L的整数为测量区域另一方向上的网格数(d′为该方向的长度)，并计算出该方向上的网格尺寸。

4 现场色温和显色指数的测量

GB/T 5700—2008规定每个场地测量点数量不应少于9个(住宅单个房间可不少于3个)，然后取算术平均值作为现场的色温和显色指数。对于中小学普通教室，由于现在越来越广泛采用的LED灯具相比传统光源，存在颜色不均匀度可能较大的问题，因此仅测量少数几个点且未规定布点方式，其测量结果无法真实反映被照场所的颜色分布，结果也不具有可比性和可重复性。可按照前文所述照度测量的布点方式确定颜色测量点，并增加计算所有测点间色差异[7]的最大值以评价被测场所的颜色不均匀度。

5 照明功率密度的计算

照明功率密度(LPD)是指单位面积上照明实际消耗的功率，单位是W/m2,计算公式为

(3)

式中Pi为被测量照明场所中第i个照明灯具的输入功率，S为被测量照明场所的面积。相关标准中未指明照明场所面积的范围是只包括课桌面/黑板照度测量区域还是指整个教室面积，是只计算课桌面照明灯具还是也包括黑板灯具。作为节能指标，教室的LPD体现的应是整个教室单位面积内所有照明灯具(也包含黑板灯)的能耗水平，因此应计算所有灯具的功率和整个教室的面积。

目前，还有另一种LPD密度的定义，即单位面积上每产生100 lx照度所消耗的功率，单位是W/m2/100 lx，其计算公式为

(4)

式中，Eav为受照区域的平均照度。可见式(4)将节能指标与照明效果结合在一起，可适用于计算某一特定受照区域内或某单一类型灯具照明的节能效果。如课桌的LPD应通过课桌照明灯具及课桌照度测量的面积和平均照度进行计算。

6 结束语

我们通过案例分析、方法比较和原理讨论，从照度测量区域、网格划分、现场色温和显色指数、照明功率密度等几个方面研究了现有中小学普通教室课桌和黑板照明测量标准中存在的问题，讨论了网格尺寸选取以及实际测量区域选取的不同对测量结果的影响，并提出了更合理、更具有可操作性的测量区域和网格尺寸的选取方法。