不同配光设计的LED黑板灯照明对老师产生的眩光分析

程 敏,俞浙铭,陈国秋

(1.中认尚动(上海)检测技术有限公司，上海 200233；2.中华人民共和国黄埔海关，广东 广州 510730)

引言

为贯彻落实习近平总书记关于学生近视问题的重要指示精神，切实加强新时代儿童青少年近视防控工作，教育部会同国家卫生健康委员会等八部门制定了《综合防控儿童青少年近视实施方案》[1]。为满足教室、宿舍、图书馆(阅览室)等对采光和照明的要求，使用有利于视力健康的照明设备成为重要方面，同时合理设计照明光环境也是必不可少的辅助性条件。

近年来，全国各地陆续展开了教室灯光改造的试点工作。同时，教室照明灯具产品的设计以及教室光环境设计也引起各大厂家的重视。教室灯具的防眩设计主要有两大类：一是以格栅为主的防眩设计方案，一是以微晶面板为主的防眩设计方案。而教室光环境改造的主要难点就是黑板灯具的设计，从教室现场来看，其主要问题是因为灯具的光束角较大，使得更多的光直接照射到老师的视野里，对老师产生过大的眩光，也有部分研究证明传统黑板灯具对黑板面上不同高度点产生眩光[2]。本研究重点选取当前不同类型的LED黑板灯具进行测试并作模拟分析，得出不同出光角度灯具在满足国家标准要求的同时，对老师产生的眩光的影响情况，并给出优化设计方向。

1 统一眩光值(UGR)

照明环境的不舒适眩光由国际照明委员会(CIE)统一眩光值(UGR)图表方法确定[3]，它是CIE 117:1995推荐的评价直接眩光的方法，对应的计算公式如式(1)所示。

(1)

式中，Lb为背景亮度(cd/m2)；La为观察者方向每个灯具的亮度(cd/m2)；ω为每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角(sr)；P为每个单独灯具的位置系数。

大多照明环境所产生UGR值的范围为10～30，其中30表示产生严重的不舒适眩光，10表示不太可能产生不舒适眩光，UGR值小于10的照明环境中认为没有不舒适眩光[4]。UGR等级分为13/16/19/22/25/28，其中13代表可感知的最小不舒适眩光[3]。对于教室照明，国家标准的要求是UGR不大于19。对于一个已经布置好教室灯具和黑板灯具的教室，UGR测量除了量取灯具出光口面尺寸和灯具所在教室的坐标位置外，主要是指要用亮度计测量每个教室灯具的亮度和背景环境的亮度。如果整个照明环境由不同类型灯具组成，其光分布各异或灯具不同，或两者兼有，则必须对每个光源/灯具组合在不同观察者位置分别计算UGR值，应当将计算得到的最高UGR值作为整个照明环境的典型值，并且将所有确定UGR的计算条件进行说明[3]。

2 灯具配光测试

基于LED光源发光面积小、光效高、显色性好等特点，厂家通过采用各种非对称的光学设计来提高黑板照明的照度及均匀度。当前黑板灯主流的光学系统有塑料棱镜、塑料棱镜外加乳白色平板透光罩、乳白色透光罩外加金属反射板、塑料棱镜加透光罩再加格栅等四种。针对以上四种情况，我们选取了六款典型黑板灯具进行配光测试，测试结果如表1所示。

表1 常见黑板灯具配光测试结果

续表1

六款灯具中1号为塑料棱镜加透光罩外加格栅类型，2号和3号为塑料棱镜外加乳白色平板透光罩类型，4号为乳白色透光罩外加金属反射板类型，5号和6号为塑料棱镜类型。从表1可以看出，带有格栅的灯具可以很好地减小C0/180面(侧面)上光束角[5]，只有棱镜处理的黑板灯具在C0/180面上光束角会比较大。另外在C90/270面(正面)上光束角的离散性比较大。

3 模拟仿真计算

在光学设计的同时，大多厂家都考虑到将灯具尽可能地安装在距离黑板较近的位置上，这样也可以避免老师正面(C90/270面)直接眩光的影响，为此，本文的黑板灯具安装是按照标准T/CEEIA 365—2019《中小学校教室光环境设计及测试评价规范》中的要求进行的，如图1所示[6]，图中m为灯具出光后边缘与黑板面的水平距离，n为灯具出光下边缘到黑板上边缘的垂直距离，h为为黑板下边缘离讲台面的垂直距离。仿真计算中灯具的水平和垂直安装距离满足标准要求，如式(2)所示。

m

(2)

图1 黑板灯具的安装示意图Fig.1 Diagram of blackboard lamp’s installation position

为了充分说明黑板灯具在不同位置和不同方向上对老师产生眩光的现象，根据GB 7793—2010《中小学校教室采光和照明卫生标准》中对黑板照明的要求[7]，结合GB/T 5700—2008《照明测量方法》所提出的测量方法[8]，将测试结果得到的IES文件按照同一安装位置运用DIALux软件对老师在讲台不同位置的正面(C90/270面)和侧面(C0/180面)进行眩光模拟计算。

模拟计算所选取的典型教室长、宽、高分别为8.7 m、7.2 m、3.5 m，黑板长、宽、厚为4.0 m、1.2 m、0.1 m，黑板灯具安装中心间距为1.7 m。除了黑板灯具配光不一致，其他室内参数和教室灯具参数设置均一致，如图2所示。

图2 教室光环境模拟分析图Fig.2 Simulation analysis diagram of classroom light environment

按照标准GB/T 5700—2008中的要求，黑板照度布点间距为0.5 m×0.5 m[8]，按照中心布点法[8]，布点方式如图3所示。所选六款灯具在满足照度及均匀度的前提条件下，按照m=0.6 m，n=0.2 m，h=1.0 m，w=1.2 m，教师观察点高1.72 m，观察点距黑板水平距离0.3 m的条件进行仿真计算。另外，UGR计算点位置同照度计算点在同一竖直线上，共8个计算点，横向相邻两点的间距0.5 m，布点方式如图4所示，图中9～16代表8个观察点，水平向右观察箭头的方向表示C90/270面，竖直向上观察箭头表示C0/180面。其模拟计算结果如表2～表4所示。

图3 黑板面上照度测试布点示意图Fig.3 Diagram of illuminance test points on blackboard

图4 UGR仿真计算布点示意图Fig.4 Diagram of simulation calculation point of UGR

表2 不同黑板灯具在相同位置下模拟计算结果

注：安装角α取灯具水平安装时的角度为0°，出光口面向下转动为+

表3 C90/270面上不同位置上黑板灯具对老师产生的UGR模拟计算结果

表4 C0/180面上不同位置上黑板灯具对老师产生的UGR模拟计算结果

通过对六款不同设计类型的黑板灯具进行模拟仿真计算，在相同安装位置下，每款灯具的黑板照明效果都能满足国家标准的要求。同时，黑板灯具在满足标准T/CEEIA 365—2019《中小学校教室光环境设计及测试评价规范》中安装位置的要求下[6]，在C90/270面方向上产生的UGR均低于国家标准要求值19，并且根据模拟计算得出的眩光值在满足标准要求的前提下降低11%。另外，黑板灯具在标准要求的安装位置范围内，C0/180面光束角为72.4°时，老师在讲台上感受到眩光的情况会适当减少；在大于或等于78.5°的情况下，整个讲台在该方向上UGR大于19的位置比例超过87.5%；C90/270面光束角和该方向的UGR没有一定的线性关系，如图5所示。结合表1～表4分析得出，黑板灯具光通量在2829～3744 lm范围内和眩光没有呈现一定的线性关系。

图5 C90/270面光束角和UGR关系图Fig.5 Relationship of beam angle in C90/270 direction and UGR

4 结论

通过对六款不同配光类型的LED黑板灯具在相同的教室环境中进行光环境模拟计算分析得出，在满足相应标准的安装要求下，黑板照明能够满足国家标准的要求，并且在C90/270面上能够很好的抑制住眩光对老师正面的影响。从配光测试和模拟计算的结果可以看出，在黑板灯具水平安装距离确定的情况下，黑板灯具C90/270面光束角在24.6°～48.9°内变化时对老师产生的眩光变化不大，均可以低于国家标准要求；另外，黑板灯具通过减小C90/270面光束角的设计来抑制老师正面的眩光影响意义不大。在C0/180面上对老师侧面方向上的眩光影响会随着光束角的减小而降低，如果能将C0/180面上光束角降低到72.4°以下，老师所感受到的眩光会明显减小。综上所述，可以通过单个透镜或者增加格栅的方式来控制黑板灯具C0/180面光束角，以达到减小侧面眩光的目的。