基于光譜技術(shù)的教室照明設(shè)計(jì)研究

張燁，張明幫，劉燊，潘福喜，鄒楠，張日新

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 510642）

1 引言

教室是學(xué)校師生的主要學(xué)習(xí)場(chǎng)所，優(yōu)質(zhì)且節(jié)能的教室照明對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、保護(hù)學(xué)生視力和響應(yīng)高校節(jié)能減排均具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義[1]。隨著LED照明技術(shù)的發(fā)展，LED燈被廣泛應(yīng)用于學(xué)校教學(xué)照明之中[2]。

教室照明存在的突出問(wèn)題在于能耗高和燈光分布不合理[3-5]。教室照明一般采用長(zhǎng)度規(guī)格為1.2m的40瓦日光燈多點(diǎn)分布，其中央照明的單位能耗較高，而邊角照明質(zhì)量卻不達(dá)要求，整室照明的平均照度和照度均勻度均遠(yuǎn)低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3,6]。為此，本文引入LED燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)日光燈，基于光譜強(qiáng)度曲線定性分析了日光燈和LED燈對(duì)人眼視力的危害；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)煽顭艟叩男阅懿⒗L制照度等值線圖，定量分析教室各測(cè)試點(diǎn)最小照度值、最大照度值、兩端照度平均值、中間照度平均值、教室照度平均值和照明均勻度的分布規(guī)律；基于全生命周期成本理論，估算了傳統(tǒng)日光燈和綠色照明LED燈的經(jīng)濟(jì)效益，驗(yàn)證教室使用LED燈照明具有極高的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效果。

2 數(shù)學(xué)建模及理論分析

2.1 基于光纖光譜技術(shù)的照度數(shù)學(xué)模型

2.1.1 光纖光譜儀測(cè)試原理

試驗(yàn)儀器采用葡萄牙Sarspec公司生產(chǎn)的光纖光譜儀，型號(hào)為SPEC-STD，具體參數(shù)如表1所示。

表1 SPEC-STD光纖光譜儀性能參數(shù)

圖1 光纖光譜儀檢測(cè)原理

如圖1所示為光線光譜儀檢測(cè)原理。測(cè)量時(shí)，光纖光譜儀光纖探頭垂直于桌面方向向上固定，通過(guò)探頭連接器（1）采集教室測(cè)試點(diǎn)的光線，光線通過(guò)位于準(zhǔn)直鏡（4）焦點(diǎn)的狹縫（2），經(jīng)長(zhǎng)通濾波器（3）濾波后到達(dá)準(zhǔn)直鏡（4），準(zhǔn)直鏡（4）將光“分離”成不同波長(zhǎng)的衍射光柵投射到光柵（5）中，光柵（5）把衍射光柵的光反射到聚焦鏡（6），聚焦鏡（6）將所測(cè)光的光譜通過(guò)高階衍射濾光（7）和收集透鏡（8）過(guò)濾后，聚焦到探測(cè)器（9）上，最后通過(guò)系統(tǒng)讀取探測(cè)器（9）的光學(xué)模擬信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出測(cè)試點(diǎn)的光譜強(qiáng)度曲線，如圖2所示；對(duì)圖2曲線進(jìn)行定標(biāo)轉(zhuǎn)化后可得到測(cè)試點(diǎn)的輻照度值，完成一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的光譜測(cè)量。

2.1.2 照度數(shù)學(xué)模型

輻照度通過(guò)人眼視覺(jué)特性函數(shù)積分換算可獲得在試驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量教室光照度值[7,8]，輻照度和光照度的積分換算公式如式（1）所示，

式中，EV為教室測(cè)試點(diǎn)的光照度，lux；Km為最大光譜光視效能（常數(shù)），對(duì)于波長(zhǎng)為555nm的明視覺(jué)，Km=683lm/W；V（λ）為CIE推薦的平均人眼光譜光視效率，或稱視見函數(shù)，其函數(shù)值如圖3所示；Ee為教室測(cè)試點(diǎn)的輻照度，可通過(guò)光纖光譜儀測(cè)量得出，W/m2；λ 為波長(zhǎng)，nm。

由于教室照明以研究可視光為主，故式（1）中積分范圍λ∈[380，760]取 nm，則式（1）變?yōu)槭剑?），

圖3 光譜光視效率曲線

圖2 日光燈與LED燈光譜曲線

表2 日光燈和LED燈性能

2.2 全生命周期成本估算模型

全壽命周期成本（Life Cycle Cost，簡(jiǎn)稱 LCC）[9-12]，是指一個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備在全壽命周期內(nèi)，為購(gòu)置它和維持其正常運(yùn)行所需要支付的全部費(fèi)用，即產(chǎn)品（設(shè)備）在其壽命周期內(nèi)設(shè)計(jì)、研究與開發(fā)、制造、使用、維修和保障直至報(bào)廢所需的直接、簡(jiǎn)介、重復(fù)性、一次性和其他有關(guān)費(fèi)用之和。

全壽命周期成本包括初始化成本和未來(lái)成本。初始化成本是在設(shè)備獲得之前將要發(fā)生的成本，包括設(shè)備購(gòu)買和安裝的成本。未來(lái)成本是指從設(shè)備開始運(yùn)營(yíng)使用到設(shè)備拆除期間所發(fā)生的成本，包括運(yùn)行使用成本、維護(hù)和修理成本、替換成本和剩余值。

基于全生命周期成本理論探討教室照明系統(tǒng)改造，可獲得教室照明系統(tǒng)的全生命周期成本估算模型，如式（3）所示，

式中，LCC為照明系統(tǒng)的全生命周期成本，元；I0為初始化成本，即燈具的購(gòu)買成本和安裝成本，元；U為燈具一天的使用成本，元/天；t1為燈具的使用時(shí)間，天；M為燈具維護(hù)和修理成本，元/次；t2為燈具維護(hù)和修理的次數(shù)，次；R為燈具的替換成本，元/次；t3為燈具周期內(nèi)替換的次數(shù)，次；S為燈具拆除時(shí)的剩余價(jià)值，元。

通過(guò)計(jì)算日光燈和LED燈在全生命周期內(nèi)各部分的成本，利用全生命周期成本估算模型，可獲得一段時(shí)間周期內(nèi)教室照明系統(tǒng)使用日光燈和LED燈的經(jīng)濟(jì)效益。

3 試驗(yàn)材料和方法

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)地和材料

試驗(yàn)于2016年12月3日在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)第三教學(xué)樓201教室進(jìn)行，教室照明區(qū)域的長(zhǎng)度為9.5m，寬度為9.55m；教室燈具燈柵共16個(gè)（不含黑板燈），每個(gè)燈柵安裝有2支1.2米燈管，燈柵以4排4列分布于書桌上方。試驗(yàn)選取傳統(tǒng)日光燈和LED燈進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，經(jīng)工業(yè)和信息化部電子第五研究所（中國(guó)賽寶實(shí)驗(yàn)室）檢測(cè)，燈具性能如表2所示，在合理的光通量、色溫、顯色指數(shù)范圍以及光生物安全達(dá)標(biāo)條件下[13-16]，LED燈光效為日光燈的2.56倍，其功率僅為日光燈的37.5%，節(jié)能效果顯著。

試驗(yàn)根據(jù)教室內(nèi)書桌的布置確定照度測(cè)試點(diǎn)的分布，通過(guò)測(cè)量日光燈和LED燈照明時(shí)各測(cè)試點(diǎn)的照度值，繪制其照度等值線圖，并分析教室內(nèi)橫向光照度分布規(guī)律。測(cè)試點(diǎn)分布如圖4所示，整個(gè)教室90個(gè)測(cè)試點(diǎn)分布為10行9列，R代表行，C代表列；教室照度測(cè)試點(diǎn)由兩端照度測(cè)試點(diǎn)和中間照度測(cè)試點(diǎn)兩部分組成，兩端照度測(cè)試點(diǎn)由C1、C2、C8和C9組成，中間照度測(cè)試點(diǎn)由C3、C4、C5、C6和C7組成，兩測(cè)試區(qū)域間隔寬為1460mm的走廊；測(cè)試點(diǎn)橫向間隔為1020mm，縱向間隔為1000mm。

圖4 教室照度測(cè)試點(diǎn)分布圖

3.2 試驗(yàn)方法

測(cè)量時(shí)，教室內(nèi)所有燈具（不含黑板燈）開啟，所有門窗關(guān)閉，測(cè)試人員通過(guò)光纖光譜儀測(cè)量教室書桌面各測(cè)試點(diǎn)的光譜曲線，經(jīng)計(jì)算機(jī)換算可獲得教室內(nèi)書桌面測(cè)試點(diǎn)的光照度分布，通過(guò)對(duì)比分析書桌面測(cè)試點(diǎn)的最小照度值、最大照度值、兩端照度平均值、中間照度平均值、教室照度平均值和照明均勻度，判斷傳統(tǒng)日光燈照明和LED燈照明是否滿足國(guó)家建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；通過(guò)繪制照度等值線圖，定量分析教室照度均勻度的分布規(guī)律；基于全生命周期成本估算模型，評(píng)估教室照明系統(tǒng)使用日光燈和LED燈的經(jīng)濟(jì)效益。

其中，定義兩端照度平均值為教室兩端照度測(cè)試點(diǎn)的照度平均值，中間照度平均值為教室中間照度測(cè)試點(diǎn)的照度平均值，照度均勻度為測(cè)試點(diǎn)最小照度值與教室所有測(cè)試點(diǎn)的照度平均值的商，如式（4）～（7）所示，

表3 日光燈和LED燈照度值對(duì)比

式中，EAVE兩端為教室兩端測(cè)試點(diǎn)照度平均值，lux；EAVE中間為教室中間測(cè)試點(diǎn)照度平均值，lux；EC1～EC9代表各列測(cè)試點(diǎn)的照度值總和，lux；EAVE為教室所有測(cè)試點(diǎn)照度平均值，lux；Emin代表教室內(nèi)所有測(cè)試點(diǎn)照度的最小值，lux；ε為照度均勻度，%；AVERAGE代表算數(shù)平均值計(jì)算函數(shù)，i，j分別代表行變量和列變量。

4 日光燈與LED燈光譜曲線分析

通過(guò)光纖光譜儀試驗(yàn)獲得日光燈和LED燈具的光譜強(qiáng)度曲線，如圖2所示，其中點(diǎn)A、B、C、E、F為日光燈曲線峰值點(diǎn)，點(diǎn)D為L(zhǎng)ED燈曲線峰值點(diǎn)。由圖2可以看出，在紫外光-紫光-藍(lán)光340～480nm范圍內(nèi)，日光燈存在A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)三個(gè)特征峰，LED燈存在D點(diǎn)一個(gè)特征峰，其中A點(diǎn)波長(zhǎng)為366nm，B點(diǎn)波長(zhǎng)為406nm，C點(diǎn)波長(zhǎng)為436nm，D點(diǎn)波長(zhǎng)為450nm。

根據(jù)光能定義可知，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，能量越?。徊ㄩL(zhǎng)越短，能量越高，則對(duì)人眼鏡刺激越大，傷害越大，人眼光危害主要分紫光危害和藍(lán)光危害。日光燈和LED燈在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)出含有大量不規(guī)則頻率的短波紫光和藍(lán)光，在紫外光-紫光的短波長(zhǎng)范圍內(nèi)，日光燈存在兩個(gè)明顯的特征峰A和B；在紫光-藍(lán)光的短波長(zhǎng)范圍內(nèi)，日光燈存在特征峰C，LED燈存在特征峰D，但C點(diǎn)的波長(zhǎng)仍比D點(diǎn)波長(zhǎng)短。由此可定性說(shuō)明通過(guò)光譜檢測(cè)曲線觀察，日光燈產(chǎn)生的光線對(duì)人眼危害較高，LED燈能起到保護(hù)人眼視力的作用。

在綠光-黃光480～600nm范圍內(nèi)，日光燈存在E點(diǎn)和F點(diǎn)兩個(gè)特征峰，LED燈光譜曲線較為圓緩，無(wú)明顯特征峰點(diǎn)，表明在綠光-黃光范圍內(nèi)，日光燈和LED燈均對(duì)人眼刺激較小。

5 結(jié)果與討論

5.1 教室照度值測(cè)量及分析

教室內(nèi)日光燈和LED燈照度對(duì)比結(jié)果如表3所示。由表3可知，在日光燈照明條件下，教室兩端照度偏低，其平均值為200.7lux，而中間照度相對(duì)較高，其平均值為320.0lux，教室照度平均值為266.9lux＜300lux，不符合中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[17]；照明均勻度為48.3%＜70%，表明教室光線分布不均勻，不符合建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[18]；在LED照明條件下，教室整體照度提高，兩端照度、中間照度及教室照度平均值分別為 513.4lux、587.3lux、554.4lux，其值均大于 300lux，符合國(guó)家建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；照明均勻度為70.3%＞70%，表明教室光線分布較合理，基本符合建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 照度等值線圖分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制照度等值線圖，如圖5、圖6所示，其中圖5、圖6分別為日光燈和LED燈照明的教室照度等值線圖。由圖例可知，紅色代表照度較大的區(qū)域，藍(lán)色代表照度較小的區(qū)域，由藍(lán)色到紅色表示照度值逐漸增大，即圖中教室中間紅橙色部分為照度值高的區(qū)域，兩端藍(lán)綠色部分為教室照度值低的區(qū)域，這與實(shí)測(cè)的教室桌面照度值分布情況基本相符。

由圖5可知，日光燈照明下，教室整體照度極不均勻，照度值范圍為120～390lux，其中中間照度范圍為259～382lux，兩端照度值范圍為129～280lux，照度值不滿足教室建筑照明設(shè)計(jì)要求；照度值較低區(qū)域主要分布在教室的左右兩端，即C1、C2、C8和C9四列，從教室兩端到中間照度呈逐層遞增趨勢(shì)，但教室最大照度值處在教室中間偏下區(qū)域，正中間區(qū)域照度值僅基本符合教室采光標(biāo)準(zhǔn)[17,18]，表明教室照明燈具布局不合理，有待進(jìn)行整改。

由圖6可知，LED燈照明下，教室整體照度均勻度顯著提高，照度值范圍為400～640lux，其中中間照度范圍為518～631lux，兩端照度值范圍為401～629lux；教室最大照度基本集中在中間區(qū)域，兩端照度低于中間照度，但仍高于國(guó)家教室照明標(biāo)準(zhǔn)；經(jīng)LED燈具改造后，照明情況得到明顯改善，教室照度水平顯著提高，優(yōu)于教室建筑照明標(biāo)準(zhǔn)。

表4 日光燈和LED燈的全生命周期成本

圖5 日光燈照度等值線圖

圖6 LED燈照度等值線圖

5.3 全生命周期成本估算模型分析

教室照明系統(tǒng)的日光燈和LED燈全生命周期成本如表4所示。一支日光燈的購(gòu)買成本為3.5元，安裝成本為5元，即初始化成本為8.5元；LED燈的購(gòu)買和安裝成本為40元；按照教室每天上課開燈的時(shí)間為 15 小時(shí)（8：00～23：00），年開燈天數(shù)為300天，日光燈的功率為40W，LED燈的功率為15W，學(xué)校每千瓦時(shí)電費(fèi)為0.647元，則日光燈和LED燈的一天使用成本分別為0.3882元和0.1456元，LED燈日耗電量?jī)H為日光燈的37.5%；教室照明燈具在使用過(guò)程中，若出現(xiàn)損壞，直接更換和替換，不存在維護(hù)和修理成本，故維護(hù)和修理成本為0；日光燈的使用壽命為1000小時(shí)，折算一年需要4.5支日光燈；LED燈的使用壽命不低于25000小時(shí)，折算一支LED燈具可使用5年；由于燈具壞了直接進(jìn)行替換，不存在剩余價(jià)值，故剩余價(jià)值為0。以5年作為使用周期，則日光燈需要使用22.5支，LED燈使用1支，使用時(shí)間為1500天，代入式（3）可計(jì)算出日光燈和LED燈的全生命周期成本。

由式（8）和（9）可發(fā)現(xiàn)，在教室使用LED燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)日光燈，以5年為一個(gè)周期計(jì)算，一支LED燈可節(jié)省515.15元，一間教室共有32支燈具，則一間教室可節(jié)省16484.8元，即一間教室一年平均可節(jié)省3296.96元。由此可表明，在相同照明使用情況下，LED燈能耗低、照度高，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效果。

6 結(jié)語(yǔ)

①通過(guò)對(duì)比日光燈和LED燈具光譜強(qiáng)度曲線，定性分析了日光燈對(duì)人眼造成危害的原因，說(shuō)明良好的LED燈具對(duì)人眼刺激較小，能起到保護(hù)人眼視力的作用。

②相比于原有日光燈照明，教室經(jīng)LED照明改造后，其整體照度均勻提高，其中兩端照度、中間照度及教室照度平均值分別為 513.4lux、587.3lux、554.4lux，照明均勻度為 70.3%＞70%，均符合國(guó)家建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

③對(duì)比照度等值線圖可知，LED燈照明下，教室整體照度均勻度顯著提高，照度值范圍為400～640lux，其中中間照度范圍為518～631lux，兩端照度值范圍為401～629lux；教室中間及兩端區(qū)域照明均勻性明顯提升，教室整體照度水平優(yōu)于教室建筑照明標(biāo)準(zhǔn)。

④基于全生命周期成本估算模型分析可知，LED燈的日耗電量?jī)H為日光燈的37.5%，以5年為一個(gè)周期計(jì)算，一支LED燈可節(jié)省515.15元，一間教室一年平均可節(jié)約電費(fèi)3296.96元，教室使用LED燈照明代替?zhèn)鹘y(tǒng)日光燈照明，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效果。