教室照明视觉功效与节能研究.doc

教室照明视觉功效与节能研究黄海静1.2 陈纲1.2(1.重庆大学建筑城规学院 重庆 400045)(2. 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室 重庆 400045)摘要：教室照明环境（背景照度、亮度对比、灯具布置、光源光色等）不仅对学生的用眼健康、视觉功效和学习效率等产生影响，还与节能息息相关。通过“教室照明瞳孔变化实验”研究显示，要达到相同视觉功效（即瞳孔面积相等）时，色温6500K荧光灯需要产生的亮度最少，耗电量最少，4000K荧光灯次之，2700K荧光灯耗电最多。即中、高色温荧光灯较低色温荧光灯的节能效果好。因此，从光源色温和视觉功效关系出发研究LED光源在教室中应用，才能既满足教学活动的视觉要求，又减少照明能耗。关键词：教室照明 光源色温 视觉功效 节能1.前言节能减排，提倡“低碳”生活是2009年12月哥本哈根“世界气候大会”的主题。发达国家照明用电约占总发电量的15，我国照明耗电约占全国总电量的10%1。学校教室使用频繁，用电量高，照明节能非常重要。国内外多采用照明功率密度（LPD，单位面积上的照明安装功率）作为学校建筑的节能标准。据调查，我国大多数教室照明功率密度均在15Wm2以下2，比国外的规定值低。由于我国教室照度标准（3001x）远低于国外水平（5001x），因此，标准将教室照明功率密度定为11Wm2，目标值为9Wm2（表1）2。表1 国内外普通教室照明功率密度标准比较国别地区照明功率密度（Wm2）对应照度（1x）标准号及年代中国11300国标GB50034-2004中国北京13300北京市绿照规程DBJ01-607-2001美国17.22500北美照明学ASHRAE/-IESNA-90.1-1999俄罗斯20300俄罗斯MFCH2.01-98日本20500日本节能法19993教室照明节能要求在降低照明功率密度的同时，保证甚至提高照明水平，除了采用高性能灯具设施外，正确的光源选用更是主要措施之一。因此，研究光源的发光效率，不同光源下的视觉功效、视觉舒适度等与照明水平的关系，可以为高效节能的教室光源选择提供依据。2.不同光色光源与照明节能关系“教室照明瞳孔变化实验” 4研究显示，由于教室照明属于明视觉的光亮度水平，在不同光色光源照明下，人眼瞳孔随背景亮度变化差异较大。对所有实验数据统计求平均值，得出3种色温荧光灯下的瞳孔面积值（表2）。表2三种色温荧光灯在不同背景亮度下的瞳孔面积背景照度E(lx)背景亮度Lb(cd/m2)6500K4000K2700K瞳孔面积Ap(mm2)瞳孔面积Ap(mm2)瞳孔面积Ap(mm2)10029.3415.0419.0121.4515044.0211.6014.3118.1630088.038.169.8312.29750220.085.096.287.921000293.444.155.436.78表2显示同一背景照度（亮度）时，色温6500K荧光灯下的瞳孔面积最小，4000K荧光灯的次之，2700K荧光灯的最大。瞳孔面积的变化反应了不同色温光源的光生物效应和视觉功效。采用软件Datafit8.0对上述数据进行回归分析，得到3种色温荧光灯下的瞳孔变化值Ap与背景亮度Lb的拟合函数满足如下基本关系式：Ap=a+b*exp (-Lb/c) （1）式中：a，b，c与光源光谱分布、背景亮度、视标大小和对比有关的系数。教室照明条件下，学生学习时的人眼视野远大于2视场，因此人眼中的锥状感光细胞和杆状感光细胞都要对瞳孔大小产生影响，感光细胞对瞳孔大小的影响与亮度有关。并且已有研究表明5，亮度与瞳孔面积A（mm2）的关系可由实验获得的经验公式表示： （2）式中：L、L分别是暗视觉亮度、明视觉亮度（cd/m2）； c、a、b系数。由（2）式可得： （3）令g=a+b，则： （4）再令，则有，于是得： （5）令 （6）则Lp为瞳孔亮度，单位(cd/m2)。式中系数c=3.360.47；g是瞳孔变化的放大系数，g=0.310.08；D=0.780.146。根据“明视觉测算法”7，在“教室照明瞳孔变化实验”中，被试者的视看距离和视标的出现位置是不变的，在同一实验条件下视标的大小是一定的，即可认为L与成正比关系，由此可推导以下关系式： （7）通过测量明视觉光通量和明视觉亮度L，计算暗视觉光通量，可求得暗视觉亮度L。由公式（7）计算出三种色温荧光灯的暗视觉亮度值，如表3所示。表3三种色温荧光灯下的暗视觉亮度序列号明视觉亮度L(cd/m2)2700K4000K6500K暗视觉亮度L(cd/m2)暗视觉亮度L(cd/m2)暗视觉亮度L(cd/m2)129.3427.7154.67107.31244.0241.5782.03161.00388.0383.14164.04321.964220.08207.85410.11804.935293.44277.13546.811073.24由公式（5），取最佳系数值时（即c=3.36，g=0.31，D=0.78）6，就可计算出三种色温荧光灯的瞳孔亮度值和瞳孔面积值，如表4所示。表4三种色温荧光灯下瞳孔亮度与瞳孔面积变化背景照度E(lx)2700K4000K6500K瞳孔亮度Lp(cd/m2)瞳孔面积A（mm2）瞳孔亮度Lp(cd/m2)瞳孔面积A（mm2）瞳孔亮度Lp(cd/m2)瞳孔面积A（mm2）10028.0610.2447.688.6980.677.3815042.109.0371.537.66121.046.5130084.197.28143.056.18242.055.25750210.485.48357.624.65605.143.951000280.645.02476.834.26806.863.62从表4看到在相同照明水平时，色温6500K荧光灯下的瞳孔亮度最大，4000K的次之，2700K的最小。就是说要达到相同瞳孔亮度，色温越高的荧光灯所需的背景亮度越小，也就越节能。此外，为得到三种色温荧光灯时瞳孔面积A值的变化范围，由公式（5）可知，系数c和g值是一定的，因此只需求出公式（5）中的最大值和最小值。首先对进行求导，令，则有： （8）由于函数Y=lnx是增函数，所以：1）当LL时，B0，故函数，在系数D=0.780.14的范围内为增函数，所以，B分别在D=0.92和D=0.64处取得最大值和最小值；2）当LL时，B0，故函数，在系数D=0.780.14的范围内为减函数，所以，B分别在D=0.64和D=0.92处取得最大值和最小值。因此，由公式（5），分别取系数相应的极限值（即c=3.83，g=0.39，D=0.92和c=2.89，g=0.23，D=0.64）6，计算出三种色温荧光灯的瞳孔面积值变化范围，如表5所示。表5三种色温荧光灯下瞳孔面积值变化范围序列号背景亮度Lb(cd/m2)2700K4000K6500K瞳孔面积A（mm2）瞳孔面积A（mm2）瞳孔面积A（mm2）129.344.8921.433.8519.323.0317.50244.024.1719.523.2917.602.5815.94388.033.1816.652.5115.011.9713.594220.082.2313.481.7612.161.3811.015293.441.9912.621.5711.381.2310.30表4和表5清楚显示，三种色温荧光灯下，瞳孔面积都随亮度的增大而减小，且色温6500K荧光灯时的瞳孔面积最小，4000K的次之，2700K的最大。这一计算结果与实验结果（表1）吻合，进一步说明瞳孔面积大小与亮度有关。因此，根据上述函数公式（1），通过图解法（图1），即可得到相同瞳孔面积下，色温6500K、4000K和2700K荧光灯下对应的背景亮度值X1、X2、X3。也就是说要获得相同视觉功效和瞳孔面积，不同色温荧光灯所需的亮度是不同的，本文采用基于瞳孔变化的亮度对比系数来表达这种关系。X2X3X1图1三种色温荧光灯的亮度对比系数计算示意图 “基于瞳孔变化的亮度对比系数”R(L)P的定义是，瞳孔面积相等时某一光源对参照光源的亮度值对比。同样将色温6500K的荧光灯作为参照光源，则色温4000K和2700K的荧光灯的亮度值对比系数计算式分别如下：R(L)PLb 4000K / Lb 6500K (9-a)R(L)PLb 2700K / Lb 6500K (9-b)式中：R(L)P色温4000K、2700K荧光灯对色温6500K荧光灯的亮度对比系数；Lb 6500K瞳孔面积相等时色温6500K荧光灯对应的背景亮度；Lb 4000K瞳孔面积相等时色温4000K荧光灯对应的背景亮度；Lb 2700K瞳孔面积相等时色温2700K荧光灯对应的背景亮度。3种色温荧光灯下的亮度对比系数R(L)P的计算结果，见表6。表6三种色温荧光灯下的亮度对比系数背景照度E(lx)6500K4000K2700K背景亮度Lb(cd/m2)背景亮度Lb(cd/m2)亮度对比系数R(L)P背景亮度Lb(cd/m2)亮度对比系数R(L)P10029.3446.04491.569466.58692.269515044.0260.87021.382889.35362.029830088.03112.80891.2815193.21162.1948表6显示，在实验设置的亮度（照度）水平范围内，色温4000K和2700K荧光灯对色温6500K荧光灯下的亮度对比系数R(L)均大于1。例如，当瞳孔面积为8.16mm2时，用6500K荧光灯只需背景亮度为88.03cd/m2（照度300 lx）；用4000K荧光灯需112.81cd/m2（即照度384 lx）；而用2700K荧光灯则需达到193.21cd/m2（即照度658 lx）。人眼瞳孔大小变化不仅反应人的生理舒适状况，也与视觉功效相关。这就是说，要达到相同视觉功效（即瞳孔面积相等）时，色温6500K荧光灯需要产生的亮度最少，因而耗电量最少。同时也看到，4000K荧光灯需要的亮度与6500K的接近（仅多24.78cd/m2，即照度84 lx）。因此可以认为，中、高色温的荧光灯节能效果较好。3.展望教室是学生用眼的重要场所，在保证教室照明质量，满足教学活动的视觉要求前提下，选用高效的、光色适宜的电光源，减少照明系统的能耗，才是科学的照明节能方法。因此，教室照明必须综合考虑人眼视觉功效、瞳孔变化特点及照明节能要求，新光源应加强短波方向的光谱连续，因为趋向短波的蓝绿色光更能加强人眼的光生物效应；同时弥补荧光灯在长波范围的不足，最大可能地接近天然光的水平。当前，LED灯作为一种显色性好、光效高、能耗低、寿命长的新型光源，在道路、景观等室外照明中逐渐普及使用，但在室内照明中应用依然需谨慎8。白光LED灯作为一种趋向短波的新型光源，定量研究其光源光色与视觉功效的关系，解决其色温漂移、光谱不连续和眩光等问题，可为未来LED灯在教室中的开发和应用提供依据。参 考 文 献1 赵跃进. 能效标准在中国绿色照明工程中的作用J. 中国照明. 2007 (9): 80-81.2 GB500342004建筑照明设计标准S. 北京:中国建筑工业出版社. 2004, 5.3 日照明学会编李农，杨燕译照明手册（原书第二版）M北京：科学出版社，2005.4 黄海静. 大学教室照明中的光生物效应研究D. 重庆:重庆大学博士论文, 20105 S. 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Through the experiment on pupil change in the classroom lighting, the paper shows that the fluorescent lighting of 6500K color temperature need to produce the least luminance and power consumption, the 4000K is the se