LED在學(xué)校照明中的應(yīng)用探討

徐 華

(清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100084)

0 引言

LED在照明領(lǐng)域的深入，具有耗電量低、電光功率轉(zhuǎn)換接近100%、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的LED給照明帶來(lái)了無(wú)限的可能性，在室外、道路照明方面基本上取代了傳統(tǒng)光源，在室內(nèi)照明領(lǐng)域發(fā)展也十分迅速。但在學(xué)校照明方面的應(yīng)用還處于步履蹣跚的階段，主要是基于對(duì)學(xué)生用眼安全方面的顧慮。本文擬對(duì)LED在學(xué)校照明中的應(yīng)用進(jìn)行探討，以期能夠拋磚引玉。

1 LED的藍(lán)光危害問(wèn)題

電光源產(chǎn)生的對(duì)人眼有害的光輻射主要有：紫外線、藍(lán)光和紅外線。

紫外線是電磁波譜中波長(zhǎng)從100～380nm輻射的總稱。紫外線的波長(zhǎng)愈短，對(duì)人眼的危害越大。過(guò)量的紫外線引起光化學(xué)反應(yīng)，可使人體機(jī)能發(fā)生一系列變化，尤其是對(duì)人體的皮膚、眼睛以及免疫系統(tǒng)等造成危害。眼睛是對(duì)紫外線最為敏感的部位，紫外線能對(duì)晶狀體造成損傷，是老年性白內(nèi)障的致病因素之一。波長(zhǎng)250～320nm紫外線的照射可引起角膜炎、結(jié)膜炎，過(guò)強(qiáng)的紫外線還可造成眼底損傷。紫外線照射哺乳動(dòng)物可引起基因突變，導(dǎo)致皮膚癌。

波長(zhǎng)在780nm～1mm的光輻射稱為紅外線。紅外線的頻率接近多數(shù)物質(zhì)分子的固有振動(dòng)頻率，極易被物質(zhì)所吸收并產(chǎn)生熱效應(yīng)。過(guò)量紅外線輻射人眼會(huì)造成傷害，波長(zhǎng)800～1 200nm的短波紅外線可透過(guò)角膜進(jìn)入眼球、房水、虹膜、晶狀體和玻璃體液，吸收而導(dǎo)致的白內(nèi)障稱之為“紅外線白內(nèi)障”,該癥狀多見(jiàn)于玻璃制造工人和鋼鐵冶煉工人，紅外線能加速人眼淚液的蒸發(fā)，導(dǎo)致干眼癥。

目前采用的白光LED，絕大部分是采用450nm左右的藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光，它的光譜波長(zhǎng)范圍為380～780nm，不產(chǎn)生380nm以下的紫外光和780nm以上的紅外光，僅存在380～500nm的藍(lán)光，在無(wú)紅外線和紫外線方面，LED較常規(guī)電光源有較強(qiáng)的優(yōu)越性。

波長(zhǎng)500nm左右的光通常稱為藍(lán)光，藍(lán)光會(huì)損傷視網(wǎng)膜細(xì)胞的線粒體，特別是線粒體DNA。藍(lán)光主要是對(duì)色素起損害作用，而這種色素僅蓄積在視網(wǎng)膜細(xì)胞中。過(guò)量藍(lán)光進(jìn)入視網(wǎng)膜,引發(fā)視網(wǎng)膜感光能力大幅提升,當(dāng)視網(wǎng)膜捕獲的光子達(dá)到一定量之后,視網(wǎng)膜細(xì)胞開(kāi)始死亡,從而造成視網(wǎng)膜損傷。另外，藍(lán)光在進(jìn)入人眼之后還會(huì)影響褪黑素的生成，褪黑素是人腦松果體產(chǎn)生的一種激素,目前已知的作用是促進(jìn)睡眠、調(diào)節(jié)時(shí)差等功能,也就是人體的生物鐘，過(guò)量輻射的藍(lán)光的確具有傷害性，應(yīng)當(dāng)引起重視。

傳統(tǒng)光源同樣含有藍(lán)光成分，筆者參考了中國(guó)航空規(guī)劃發(fā)展有限公司陳寅生先生2013年住建部課題2013-K1-64《LED照明在民用建筑中的應(yīng)用研究》和國(guó)家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(上海)副主任俞安琪先生對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)品測(cè)試分析，得出的結(jié)論是，市場(chǎng)上合格的LED光源與同色溫三基色熒光燈光源進(jìn)行“藍(lán)光”能量比較，在波峰和380～500nm波段處，LED照明光源的“藍(lán)光”能量均

藍(lán)光危害并不專屬于LED燈具，金鹵燈和熒光燈早就存在藍(lán)光，對(duì)于室內(nèi)用LED照明產(chǎn)品只能使用藍(lán)光危害分類在1類及以下的燈具；對(duì)于特殊人群(糖尿病人和光敏藥物影響的人)或者可能處于特殊體位(例如嬰幼兒)能直接看到LED燈的情況，則應(yīng)該使用0類(無(wú)危害)產(chǎn)品。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，LED照明藍(lán)光占可見(jiàn)光能量的比例與色溫相關(guān)，基本符合公式：PB=0.005·λ(PB為藍(lán)光能量占可見(jiàn)光能量的百分比；λ為L(zhǎng)ED照明燈的色溫)。

由此可見(jiàn)，色溫越低，藍(lán)光能量越低，室內(nèi)LED照明產(chǎn)品的色溫一般不超過(guò)4 000K，一般顯色指數(shù)應(yīng)達(dá)到80以上，特殊顯色指數(shù)R9>0，基本可避免富藍(lán)LED照明產(chǎn)品對(duì)人體健康可能存在的不利影響。

2 關(guān)于照明標(biāo)準(zhǔn)

GB 50034-2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)LED的使用提出了基本要求，長(zhǎng)期工作或停留的房間和場(chǎng)所，色溫一般不宜超過(guò)4 000K，一般顯色指數(shù)應(yīng)達(dá)到80以上，特殊顯色指數(shù)R9應(yīng)大于零，色容差不應(yīng)大于5SDCM，既避免了藍(lán)光危害，也滿足了視覺(jué)舒適性的要求。

在JGJ 310-2013《教育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《教規(guī)》)中，基于當(dāng)時(shí)LED的技術(shù)條件，在對(duì)光源和燈具進(jìn)行選擇時(shí)，沒(méi)有對(duì)LED進(jìn)行推薦。由于LED技術(shù)發(fā)展迅速、節(jié)能效果顯著，用于學(xué)校照明已經(jīng)成熟，但在應(yīng)用過(guò)程中如果不加以限定和引導(dǎo)，也會(huì)帶來(lái)危害。在2017年，住建部組織對(duì)建筑行業(yè)提高標(biāo)準(zhǔn)的課題研究時(shí)，對(duì)學(xué)校采用LED燈的要求提出了具體規(guī)定，把《教規(guī)》中的第8.4.3條、8.4.5條做了如下修訂(修訂部分見(jiàn)斜體字)：

【8.4.3】教育建筑照明設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按下列規(guī)定選擇光源：

1閱覽室、書(shū)庫(kù)、教室、會(huì)議室、辦公室等宜采用細(xì)管徑三基色直管形熒光燈、發(fā)光二極管(LED)燈。

2休息室、超市等宜采用細(xì)管徑直管形熒光燈、緊湊型熒光燈、發(fā)光二極管(LED)燈或小功率的金屬鹵化物燈。

3風(fēng)雨操場(chǎng)、體育場(chǎng)館宜采用金屬鹵化物燈、發(fā)光二極管(LED)燈，也可根據(jù)建筑高度不同，采用大功率細(xì)管徑熒光燈。

4校園照明宜采用緊湊型熒光燈、發(fā)光二極管(LED)燈、高壓鈉燈或金屬鹵化物燈。

5應(yīng)急照明應(yīng)選用熒光燈、發(fā)光二極管(LED)燈等能快速點(diǎn)燃的光源。

6閱覽室、書(shū)庫(kù)、教室、會(huì)議室、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用的LED燈色溫不應(yīng)高于4 000K，顯色指數(shù)(Ra)不應(yīng)小于80，特殊顯色指數(shù)R9應(yīng)大于零，色容差不應(yīng)大于5SDCM，黑板用LED燈的色容差不應(yīng)大于3SDCM。(新增)

【8.4.5】教育建筑的燈具選擇應(yīng)符合下列規(guī)定：

5閱覽室、書(shū)庫(kù)、教室、會(huì)議室、實(shí)驗(yàn)室采用直接型LED燈時(shí)，燈具遮光角不應(yīng)小于30°。(新增)

由于當(dāng)時(shí)《教規(guī)》中沒(méi)有推薦LED燈，在目前的學(xué)校照明設(shè)計(jì)中，還遇到采用LED燈被審圖單位判定不滿足規(guī)范的情況，是十分不應(yīng)該的。

3 關(guān)于LED照明應(yīng)用

在學(xué)校照明中，尤其是教室和閱覽室，對(duì)光環(huán)境的要求應(yīng)該十分嚴(yán)苛，應(yīng)關(guān)注色溫、顯色性、色容差等參數(shù)，滿足了這些基本參數(shù)，基本上可以避免藍(lán)光危害，但除此之外，對(duì)視力影響較大的還有眩光和頻閃。

產(chǎn)生眩光的主要因素：光源的亮度(亮度越高，眩光越顯著)；光源的位置(越接近視線，眩光越顯著)；光源的數(shù)量(光源數(shù)目越多，眩光越顯著)；周?chē)沫h(huán)境(環(huán)境亮度越暗，眼睛適應(yīng)亮度越低，眩光也就越顯著)。由于LED是直接發(fā)光，光的方向性很強(qiáng)，效率高，GB 50034-2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》限制眩光的措施中，是根據(jù)光源表面平均亮度，規(guī)定燈具遮光角的，在光源平均亮度≥500kcd/m2時(shí)，燈具遮光角不應(yīng)<30°，因此不論LED燈表面亮度如何，要求在學(xué)校閱覽室、書(shū)庫(kù)、教室、會(huì)議室、實(shí)驗(yàn)室中的直接性LED燈具遮光角不應(yīng)<30°，更有利于防止眩光。目前有不少帶防眩格柵的LED燈，既有很大的遮光角，燈具表面亮度也很低，防眩效果很好，見(jiàn)圖1。

圖1 防眩格柵LED燈

LED平面燈具(也稱面板燈)設(shè)計(jì)獨(dú)特，光經(jīng)過(guò)高透光率的導(dǎo)光板后形成一種均勻的平面發(fā)光效果，表面亮度不高，照明均勻性好、光線柔和、舒適，可有效緩解眼疲勞，比較適合用于學(xué)校照明。面板燈樣式見(jiàn)圖2。

圖2 面板燈

頻閃是指電光源光通量波動(dòng)的深度。光通量波動(dòng)深度越大，頻閃越嚴(yán)重，電光源光通量波動(dòng)深度大小與電光源的技術(shù)品質(zhì)有直接關(guān)系。電光源頻閃效應(yīng)對(duì)青少年的眼睛傷害很大。理論上使用交流電的光源都有頻閃，而市面上宣稱沒(méi)有頻閃的護(hù)眼燈只是將普通的交流電的頻閃通過(guò)特殊裝置變成更高的頻閃頻率，減少對(duì)人眼的影響，但頻閃還是存在的，并且高頻處理會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度的電磁波，

對(duì)人體也會(huì)有害。真正沒(méi)有頻閃的只有使用直流電的LED燈(直流電不存在頻閃問(wèn)題)，但目前給直流供電的驅(qū)動(dòng)電源是交流變直流，驅(qū)動(dòng)電源質(zhì)量也會(huì)引起LED燈的頻閃(有時(shí)頻閃還是十分嚴(yán)重的)，在學(xué)校照明中應(yīng)引起重視。

另外，色溫與人的興奮度、注意力集中與否密切相關(guān)，如在課堂上適當(dāng)提高色溫能夠激發(fā)學(xué)生的興奮點(diǎn)、集中注意力，課間休息時(shí)適當(dāng)降低色溫，讓學(xué)生精神放松、合理休息，圖3是不同色溫下的課堂狀態(tài)，對(duì)于采用LED燈實(shí)現(xiàn)色溫的調(diào)節(jié)是很容易的。

圖3 不同色溫下的課堂狀態(tài)

4 結(jié)束語(yǔ)