基于光谱技术的教室照明设计研究

材料和方法

3.1 试验场地和材料

试验于2016年12月3日在华南农业大学第三教学楼201教室进行，教室照明区域的长度为9.5m，宽度为9.55m；教室灯具灯栅共16个（不含黑板灯），每个灯栅安装有2支1.2米灯管，灯栅以4排4列分布于书桌上方。试验选取传统日光灯和LED灯进行对比测试，经工业和信息化部电子第五研究所（中国赛宝实验室）检测，灯具性能如表2所示，在合理的光通量、色温、显色指数范围以及光生物安全达标条件下[13-16]，LED灯光效为日光灯的2.56倍，其功率仅为日光灯的37.5%，节能效果显著。

试验根据教室内书桌的布置确定照度测试点的分布，通过测量日光灯和LED灯照明时各测试点的照度值，绘制其照度等值线图，并分析教室内横向光照度分布规律。测试点分布如图4所示，整个教室90个测试点分布为10行9列，R代表行，C代表列；教室照度测试点由两端照度测试点和中间照度测试点两部分组成，两端照度测试点由C1、C2、C8和C9组成，中间照度测试点由C3、C4、C5、C6和C7组成，两测试区域间隔宽为1460mm的走廊；测试点横向间隔为1020mm，纵向间隔为1000mm。

3.2 试验方法

测量时，教室内所有灯具（不含黑板灯）开启，所有门窗关闭，测试人员通过光纤光谱仪测量教室书桌面各测试点的光谱曲线，经计算机换算可获得教室内书桌面测试点的光照度分布，通过对比分析书桌面测试点的最小照度值、最大照度值、两端照度平均值、中间照度平均值、教室照度平均值和照明均匀度，判断传统日光灯照明和LED灯照明是否满足国家建筑照明设计标准；通过绘制照度等值线图，定量分析教室照度均匀度的分布规律；基于全生命周期成本估算模型，评估教室照明系统使用日光灯和LED灯的经济效益。

式中，EAVE两端为教室两端测试点照度平均值，lux；EAVE中间为教室中间测试点照度平均值，lux；EC1～EC9代表各列测试点的照度值总和，lux；EAVE为教室所有测试点照度平均值，lux；Emin代表教室内所有测试点照度的最小值，lux；ε为照度均匀度，%；AVERAGE代表算数平均值计算函数，i，j分别代表行变量和列变量。

4 日光灯与LED灯光谱曲线分析

通过光纤光谱仪试验获得日光灯和LED灯具的光谱强度曲线，如图2所示，其中点A、B、C、E、F为日光灯曲线峰值点，点D为LED灯曲线峰值点。由图2可以看出，在紫外光-紫光-蓝光340～480nm范围内，日光灯存在A点、B点和C点三个特征峰，LED灯存在D点一个特征峰，其中A点波长为366nm，B点波长为406nm，C点波长为436nm，D点波长为450nm。

根据光能定义可知，波长越长，能量越小；波长越短，能量越高，则对人眼镜刺激越大，伤害越大，人眼光危害主要分紫光危害和蓝光危害。日光灯和LED灯在使用过程中会发出含有大量不规则频率的短波紫光和蓝光，在紫外光-紫光的短波长范围内，日光灯存在两个明显的特征峰A和B；在紫光-蓝光的短波长范围内，日光灯存在特征峰C，LED灯存在特征峰D，但C点的波长仍比D点波长短。由此可定性说明通过光谱检测曲线观察，日光灯产生的光线对人眼危害较高，LED灯能起到保护人眼视力的作用。

在绿光-黄光480～600nm范围内，日光灯存在E点和F点两个特征峰，LED灯光谱曲线较为圆缓，无明显特征峰点，表明在绿光-黄光范围内，日光灯和LED灯均对人眼刺激较小。

5 结果与讨论

5.1 教室照度值測量及分析

教室内日光灯和LED灯照度对比结果如表3所示。由表3可知，在日光灯照明条件下，教室两端照度偏低，其平均值为200.7lux，而中间照度相对较高，其平均值为320.0lux，教室照度平均值为266.9lux<300lux，不符合中小学校教室采光和照明卫生标准[17]；照明均匀度为48.3%<70%，表明教室光线分布不均匀，不符合建筑照明设计标准[18]；在LED照明条件下，教室整体照度提高，两端照度、中间照度及教室照度平均值分别为513.4lux、587.3lux、554.4lux，其值均大于300lux，符合国家建筑照明设计标准；照明均匀度为70.3%>70%，表明教室光线分布较合理，基本符合建筑照明设计标准要求。

5.2 照度等值线图分析

根据试验结果绘制照度等值线图，如图5、图6所示，其中图5、图6分别为日光灯和LED灯照明的教室照度等值线图。由图例可知，红色代表照度较大的区域，蓝色代表照度较小的区域，由蓝色到红色表示照度值逐渐增大，即图中教室中间红橙色部分为照度值高的区域，两端蓝绿色部分为教室照度值低的区域，这与实测的教室桌面照度值分布情况基本相符。

由图5可知，日光灯照明下，教室整体照度极不均匀，照度值范围为120～390lux，其中中间照度范围为259～382lux，两端照度值范围为129～280lux，照度值不满足教室建筑照明设计要求；照度值较低区域主要分布在教室的左右两端，即C1、C2、C8和C9四列，从教室两端到中间照度呈逐层递增趋势，但教室最大照度值处在教室中间偏下区域，正中间区域照度值仅基本符合教室采光标准[17， 18]，表明教室照明灯具布局不合理，有待进行整改。

由图6可知，LED灯照明下，教室整体照度均匀度显著提高，照度值范围为400～640lux，其中中间照度范围为518～631lux，两端照度值范围为401～629lux；教室最大照度基本集中在中间区域，两端照度低于中间照度，但仍高于国家教室照明标准；经LED灯具改造后，照明情况得到明显改善，教室照度水平显著提高，优于教室建筑照明标准。

5.3 全生命周期成本估算模型分析

教室照明系统的日光灯和LED灯全生命周期成本如表4所示。一支日光灯的购买成本为3.5元，安装成本为5元，即初始化成本为8.5元；LED灯的购买和安装成本为40元；按照教室每天上课开灯的时间为15小时（8：00～23：00），年开灯天数为300天，日光灯的功率为40W，LED灯的功率为15W，学校每千瓦时电费为0.647元，则日光灯和LED灯的一天使用成本分别为0.3882元和0.1456元，LED灯日耗电量仅为日光灯的37.5%；教室照明灯具在使用过程中，若出现损坏，直接更换和替换，不存在维护和修理成本，故维护和修理成本为0；日光灯的使用寿命为1000小时，折算一年需要4.5支日光灯；LED灯的使用寿命不低于25000小时，折算一支LED灯具可使用5年；由于灯具坏了直接进行替换，不存在剩余价值，故剩余价值为0。以5年作为使用周期，则日光灯需要使用22.5支，LED灯使用1支，使用时间为1500天，代入式（3）可计算出日光灯和LED灯的全生命周期成本。

由式（8）和（9）可发现，在教室使用LED灯代替传统日光灯，以5年为一个周期计算，一支LED灯可节省515.15元，一间教室共有32支灯具，则一间教室可节省16484.8元，即一间教室一年平均可节省3296.96元。由此可表明，在相同照明使用情况下，LED灯能耗低、照度高，具有巨大的经济效益和节能减排效果。

6 结语

①通过对比日光灯和LED灯具光谱强度曲线，定性分析了日光灯对人眼造成危害的原因，说明良好的LED灯具对人眼刺激较小，能起到保护人眼视力的作用。

②相比于原有日光灯照明，教室经LED照明改造后，其整体照度均匀提高，其中两端照度、中间照度及教室照度平均值分别为513.4lux、587.3lux、554.4lux，照明均匀度为70.3%>70%，均符合国家建筑照明设计标准。

③对比照度等值线图可知，LED灯照明下，教室整体照度均匀度显著提高，照度值范围为400～640lux，其中中间照度范围为518～631lux，两端照度值范围为401～629lux；教室中间及两端区域照明均匀性明显提升，教室整体照度水平优于教室建筑照明标准。

④基于全生命周期成本估算模型分析可知，LED灯的日耗电量仅为日光灯的37.5%，以5年为一个周期计算，一支LED灯可节省515.15元，一间教室一年平均可节约电费3296.96元，教室使用LED灯照明代替传统日光灯照明，具有极高的经济效益和节能减排效果。

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