基于LED光源的教室照明改造设计与验证

宣浩，耿胜远，侯骏，李超

（1.安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

0 引言

建设“资源节约型、环境友好型社会”是我国的一项基本国策。中央财经领导小组在会议上提出了能源技术革命的问题，将能源安全提升到国家战略。学校是构成社会的重要部分，也是资源消耗严重的地方，“建设节约型学校”作为国家教育发展的战略之一已被写入《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020 年）》[1]。并且，当前传统教室照明灯具效能较低，照明质量较差，不利于教学，也对学生的视力及身心健康造成重要影响。LED 光源被称为第四代绿色光源，不仅节能环保，而且在照明质量方面优势明显。在此背景下，本文采用LED 灯具[2]对传统学校教室的照明进行改造设计，提升照明品质。

1 标准要求

根据《建筑照明设计标准》（GB 50034-2013）[3]及《教育建筑电气设计规范》（JGJ310-2013）[4]的要求，教育建筑中教室的照明标准如下：

①教室课桌面的平均照度值不应低于300 lx，其照度均匀度不应低于0.6；

②教室黑板的平均照度值不应低于500 lx，其照度均匀度不应低于0.7；

③教室照明功率密度值应不大于9 W/m2，目标值8W/m2；

④照明设计计算照度时，其维护系数取0.8；

⑤照明光源相关色温在3300K～5300K；

⑥统一眩光值（UGR）不应高于19。

该标准明确规定了教室内课桌面、黑板面的照度以及照度均匀度标准，并对照明光源的颜色参数做了相关规定。在保证教室照明质量的同时，对教室的功率密度值也做了明确要求，体现了国家节能减排的目标。

2 传统教室照明质量测量

2.1 传统教室照明现状

本文选取合肥长丰县某一学校的教室作为照明改造对象，该教室图纸如图1 所示。教室开间和进深分别为8.6m和8.8m，层高为3.7m。教室采用的灯具为双管三基色飞利浦T5 灯，单灯管功率为28W，共布置14 盏灯具，具体布置如图2 所示。在灯具数量布置较多的情况下，教室课桌面照度值较低，且灯管表面未经处理，直视黑板时受光源影响较大。为详细了解该教室的照明质量情况，本文对该教室进行了现场测量。

图1 教室图纸

图2 灯具布置图

2.2 照明测量结果

测量方法依据《照明测量方法》（GB/T 5700-2008）[4]，测点高度设置为课桌面高度。此次测量在教室课桌面均匀布置了8×8 个测点，以达到更加详细地了解教室各位置照度值分布情况的目的，各测点的测量结果如表1。

照度测量值（单位：lx） 表1

从各测点的测量结果中可以看出，课桌面5 个测点的照度值在300lx以上，最小照度值为170.9lx，平均照度值为244.8lx，仅为标准值的81.6%，照度均匀度为0.70，符合标准要求；黑板面平均照度值为393.6lx，照度均匀度为0.78，均不符合标准要求。为了解该教室照明系统的能源消耗情况，计算得出该教室照明总功率为784.0W，结合教室面积，该教室照明功率密度值为10.36W/m2，根据《建筑照明设计标准》（GB 50034-2013）的规定，教室内照明功率密度目标值应不大于8W/m2。综合上述，该教室能源消耗在超过标准目标值29.5%的情况下，课桌面及黑板面平均照度值均低于标准值，能源消耗严重且不利于学生的身心健康。为此，本文将对该教室的照明进行改造，力求节约能源，提高照明质量。

3 教室照明改造设计

3.1 设计背景

此次改造不改变原有的墙壁、窗户以及顶棚条件，仅改变灯具的型号以及灯具的布置。为了便于教室内照明设计，将室内空间划分为如图3 所示。灯具下沿面以上空间为顶棚空间，顶棚空间高0.55m。课桌面至灯具下沿面的空间为室空间，室空间高1.80m。地面至课桌面之间的空间为地板空间，地板空间高0.75m，室内各表面反射比见《照明设计手册》[5]。顶棚空间内墙为白色乳胶漆饰面，面积为15.66m2，表面反射比为70%；顶棚为白色乳胶漆饰面，面积为75.68m2，表面反射比为70%；室空间墙为白色乳胶漆饰面，面积为54.60m2，表面反射比为70%；窗户为普通玻璃，面积为22.00m2，表面反射比为8%；地面为彩色石子水磨石，面积为75.68m2，表面反射比为52%。

图3 教室空间划分图

3.2 灯具选择

LED 光源与传统T5 灯管相比，具有高效能、高显色指数等优点。因此此次改造采用了LED 光源的某一品牌照明灯具，灯具型号为LDP03036010-教室灯朗阅Ⅱ-微晶-36W-5000K，该灯具光通量为3060lm，功率为36W，显色指数为80，相关色温为5000K。灯具的配光曲线及利用系数表分别见图5和表2。

灯具利用系数表 表2

3.3 计算灯具数量

为获取最佳的灯具数量，按以下步骤计算。

①求室空间比

室空间比求解见公式1

式中：RCR为室空间比；hrc为室空间高，指灯具下沿到课桌面的高度；a，b分别为教室的开间和进深。

hrc=1.8；a=8.8；b=8.6

RCR=2.07

②求有效顶棚空间反射系数

图4 灯具配光曲线图

式中：ρcc为有效顶棚空间反射系数；ρca为顶棚空间平均反射比；ρc为顶棚表面反射比；ρwc为顶棚空间内表面墙反射比；为顶棚空间内表面窗户反射比；Ac为顶棚表面面积；Awc为顶棚空间内表面墙的面积；Ach为顶棚空间内表面窗户的面积。

ρc=0.7；Ac=75.7；ρwc=0.7；Awc=16.4；ρch=0.08；Ach=2.75

ρca=0.68

ρcc==0.63

③求墙面平均反射系数

式中：ρwa为墙面平均反射系数；

ρw为室空间除玻璃外的反射面的反射比；

ρg为室空间玻璃反射面反射比；Aw为室空间内表面积和；Ag为室空间内玻璃面积。

ρw=0.7；ρg=0.08；Ag=19.3m2Aw=62.6m2

ρwa=0.51

④确定利用系数KL

确定了室空间比、有效顶棚空间反射系数和墙面平均反射系数后，即可根据表5以及线性插值法求得利用系数：

KL1=0.89;KL2=0.93;RCR=2.1;RCR1=2.5;RCR1=2;

KL=0.92

⑤确定灯具维护系数K：

根据《建筑照明设计标准》（GB 50034-2013）的规定，教室维护系数值K取0.8。

⑥确定好灯具的利用系数KL 和维护系数K 后，根据公式7 计算教室所需要的灯具数量N。

其中，Ea为照度标准值；S为教室面积m2；Φ为单个灯具光通量。

Ea=300lx；S=75.7.0m2；

Φ=3060lm；Φ=1;N=11（盏）

因此，该教室所需要的灯具数量为11 盏，黑板面所需照度值较大，因此，本文在黑板面上布置了2 盏灯具，倾斜角设置为45°，具体布置如图5 所示。为了验证该灯具数量下教室照明情况，将进行理论计算。

图5 灯具布置图

3.4 计算结果

在3.3 节中计算出了该教室所需的灯具数量为11 盏，教室平均照度值以及功率密度值依据公式8 和公式9 做了如下计算：

式中：Φ为单个灯具的光通量；φ为灯具效率；S为教室面积。

N=11；Φ=3060lx；φ=1；S=75.7m2

E=327.3lx

LPD=5.23W/m2

从计算结果可知，该教室的平均照度值为327.3lx，高于标准值27.3lx 功率密度值为5.23W/m2，该结果符合《建筑照明设计标准》（GB 50034-2013）对于学校建筑中教室课桌面平均照度值标准要求和功率密度值目标值要求。为了进一步验证该结果，下节对该模型进行软件模拟计算。

3.5 模拟仿真

本文采用软件Dialux EVO 10.0[6]对该教室进行建模，并将该房间各表面的反射比设置为3.1 中数值，灯具的选择为3.1 中的型号，布置依照图5。仿真结果如图6和图7所示。

图6 灯具配光曲线图

图7 教室伪色图

此次仿真在教室课桌面布置了8×8个照度值采样点，黑板面布置了3×4 个照度值采样点，各个采样点的平均照度值如图8 和图9 所示。该教室课桌面最小照度值为249lx，最大照度值为419lx，平均照度值为337.0lx，与上一节的计算结果基本相符，照度均匀度为0.74。与标准值相比，平均照度值高出37lx，照度均匀度高出0.14。而黑板区域平均照度值为543lx，照度均匀度为0.88，均满足标准要求。

图9 黑板面照度值分布图

3.6 实际改造

经过理论的计算以及软件的模拟，该教室的改造方案满足《建筑照明设计标准》（GB 50034-2013）标准要求。为了验证该方案的实际改造效果，本文对该教室照明进行实体改造，图8 为改造后的教室图片。改造后教室的照明质量测量方法及测点位置依照2.2。

图8 课桌面照度值分布图

图10 改造后教室图片

此次还对教室的显色指数及统一眩光值进行的测量，测量结果如表3 所示，该教室课桌面及黑板面平均照度值及照度均匀度与改造方案计算值基本相符，且均符合标准要求。与改造前教室的实测值相比，课桌面和黑板面平均照度值分别提高了34.8%和37.0%，均匀度值分别提升了7.1%和7.7%。经计算，功率密度值为5.23W/m2，相比改造前，不仅平均照度值及照度均匀度值符合标准，且能耗值减少了一半。而此次也对教室的平均显色指数与统一眩光值进行了测量，测量值分别为83 和2.1，也均符合《建筑照明设计标准》（GB 50034-2013）标准的要求。

照度实测值 表3

分析改进的原因：①LED 灯具能效高，本项目LED 灯具的能效值为80lm/W，在相同光通量的情况下，该LED 灯具相比T5 灯管能量消耗减少了50%左右；②LED 为点光源，LED 灯具光源一般包含多个LED 颗粒，可以设计成点、线、面、立体形状，比传统灯具形式更多样，更小巧灵活，在该项目中，LED 作为面光源替代了传统节能灯的线光源，在灯具安装数量减少的情况下，实现了更好的均匀度；且该LED 灯具发光面设置为格栅状，统一眩光值更低。从健康照明的角度来看，LED 灯具只含少量紫外线、红外线，辐射量比T5 灯管少，对保护视力有利。

4 结束语

当前，能源问题日益突出，减少能源消耗成为当今社会亟待解决的问题。①LED 光源是继白炽灯、气体放电灯之后的第三代新型光源，节能效果明显。②教室作为孩子学习的重要场所，在照明质量方面有着严格要求，LED 光源显色指数高、色温可调、频闪低等优点，在教室照明上有着广泛应用。③本文采用了LED 灯具对传统教室的照明进行改造，经过计算、仿真以及实际改造，不仅照明质量符合学校建筑标准，且节能效果明显，也希望通过此次改造能够对教室的扩建、新建及改造等在照明工作上提供参考。