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教室照明视觉功效与节能研究


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 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 15W/m2 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 11W/m2,目标值为 9W/m2(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 中国 中国北京 美国 俄罗斯 日本 照明功率密度(W /m2) 11 13 17.22 20 20 对应照度 (1x) 300 300 500 300 500 标准号及年代 国标 GB50034-2004 北京市绿照规程 DBJ01-607-2001 北美照明学 ASHRAE/-IESNA-90.1-1999 俄罗斯 MFCH2.01-98 日本节能法 1999
[3]

光源色温

视觉功效

节能

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) 100 150 300 750 1000 背景亮度 Lb(cd/m ) 29.34 44.02 88.03 220.08 293.44
2

6500K 瞳孔面积 Ap(mm ) 15.04 11.60 8.16 5.09 4.15
2

4000K 瞳孔面积 Ap(mm ) 19.01 14.31 9.83 6.28 5.43
2

2700K 瞳孔面积 Ap(mm2) 21.45 18.16 12.29 7.92 6.78

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:
ln A = c-a ln L'-b ln L
(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:

ln A = c-ln(L'a ?Lb )
令 g=a+b,则:
a b

(3)

ln A = c-g ln(L' a +b ?La +b ) a b 再令 D = ,则有 1-D = ,于是得: a+b a +b

(4)

ln A = c-g ln(L'D ?L1-D ) = c-g ln[L( L' L)D ]
令 Lp = L(L' L)
D

(5) (6)

则 Lp 为瞳孔亮度,单位(cd/m )。式中系数 c=3.36±0.47;g 是瞳孔变化的放大系 数,g=0.31±0.08;D=0.78±0.14[6]。 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 Φ 成正比关系,由此可推导以下关系式: L L' = Φ Φ' 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) 29.34 44.02 88.03 220.08 293.44 2700K 暗视觉亮度 L? (cd/m ) 27.71 41.57 83.14 207.85 277.13
2

2

(7)

通过测量明视觉光通量 Φ 和明视觉亮度 L,计算暗视觉光通量 Φ ′,可求得暗视

4000K 暗视觉亮度 L? (cd/m ) 54.67 82.03 164.04 410.11 546.81
2

6500K 暗视觉亮度 L? (cd/m2) 107.31 161.00 321.96 804.93 1073.24

1 2 3 4 5

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) 100 150 300 750 1000 2700K 瞳孔亮度 Lp(cd/m ) 28.06 42.10 84.19 210.48 280.64
2

4000K 瞳孔亮度 Lp(cd/m ) 47.68 71.53 143.05 357.62 476.83
2

6500K 瞳孔亮度 Lp(cd/m ) 80.67 121.04 242.05 605.14 806.86
2

瞳孔面积 A (mm ) 10.24 9.03 7.28 5.48 5.02
2

瞳孔面积 A (mm ) 8.69 7.66 6.18 4.65 4.26
2

瞳孔面积 A (mm2) 7.38 6.51 5.25 3.95 3.62

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) l( L'D ?L1-D ) 的最大值和最小值。 中n 首先对 ln(L' D ?L1-D ) 进行求导,令 B = ln(L'D ?L1-D ) ,则有:

B' =

1 ( L'D ? L1-D ) L' ? L1-D
D

=

1 D 1-D ? ln L'-L' D ? L1-D ? ln L) 1-D ( L ' ? L L' ? L
D

= ln L'-ln L

(8)

由于函数 Y=lnx 是增函数,所以: 1)当 L′>L 时,B′>0,故函数 B = ln(L' D ?L1-D ) ,在系数 D=0.78±0.14 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 L′<L 时,B′<0,故函数 B = ln(L' D ?L1-D ) ,在系数 D=0.78±0.14 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 1 2 3 4 5 背景亮度 Lb(cd/m ) 29.34 44.02 88.03 220.08 293.44
2

2700K 瞳孔面积 A(mm ) 4.89~21.43 4.17~19.52 3.18~16.65 2.23~13.48 1.99~12.62
2

4000K 瞳孔面积 A(mm ) 3.85~19.32 3.29~17.60 2.51~15.01 1.76~12.16 1.57~11.38
2

6500K 瞳孔面积 A(mm2) 3.03~17.50 2.58~15.94 1.97~13.59 1.38~11.01 1.23~10.30

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。

25 20 15 10 5 0 0
X1 X2 100 X3

瞳孔面积 A p ( mm2 )

2700K 4000K 6500K

200

300

400

图 1 三种色温荧光灯的亮度对比系数计算示意图

背景亮度 L b (cd/m 2 )

“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)P=Lb 4000K / Lb 6500K R(L)P=Lb 2700K / Lb 6500K 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) 100 150 300 6500K 背景亮度 Lb(cd/m ) 29.34 44.02 88.03
2

(9-a) (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;

4000K 背景亮度 Lb(cd/m ) 46.0449 60.8702 112.8089
2

2700K 背景亮度 Lb(cd/m ) 66.5869 89.3536 193.2116
2

亮度对比系数 R(L)P 1.5694 1.3828 1.2815

亮度对比系数 R(L)P 2.2695 2.0298 2.1948

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] GB50034-2004 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, 2010 [5] S. M. Berman ect.Spectral Determinants of Steady-State Pupil Size with Full Field of View[J].IES21(2)1992:3~13. [6] 陈仲林,杨春宇,刘炜.绿色照明设计研究[J].灯与照明,2001(6). [7] 陈仲林,胡英奎,翁季.用司辰视觉研究道路照明安全[J].照明工程学报,2007,18(1) [8] 赵建平. LED 在室内照明中应用问题探讨 [C] /2011 四直辖市照明科技论坛(天津). 天 / 津, 2011: 45-49.

Study on Visual Performance and Energy Saving in Classroom Lighting
Huang Hai-Jing 1,2, Chen Gang 1,2 (1. Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University , Chongqing,400045, P.R.China) (2.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Chongqing University , Chongqing,400045, P.R.China)

Abstract: The artificial lighting environment relate to background illuminance, luminance contrast, arrangement of lamps and illuminant color, etc. The classroom lighting not only produces influence on eyes health, visual performance and learning efficiency, but also has close relationship with energy saving. 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 second and the 2700 K is the most. That means the high and medium color temperature fluorescent have better energy saving effect than the low color temperature fluorescent. Therefore, the research of LED light source used in the classroom should be based on the relationship between illuminant color and visual performance, in order to satisfy the visual requirement of study and reduce the energy consumption of lighting. Keywords: Classroom Lighting; Illuminant Color; Visual Performance; Energy-Saving

基金项目:国家自然科学基金项目(51108479) 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室开放课题项目(2012KB19) 作者简介:黄海静(1974-) ,女,博士,博导,副教授,主要研究方向建筑采光与照明,绿 色建筑设计及技术科学。电话:13658305855,E-mail:cqhhj@126.com


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