教室不同位置的UGR測(cè)試與仿真分析

錢(qián) 承，程 敏，陳建秋

(1.中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可中心，北京 100062；2.中認(rèn)尚動(dòng)(上海)檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海 200233)

引言

隨著國(guó)家相關(guān)部門(mén)對(duì)托幼機(jī)構(gòu)、校外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)、學(xué)校照明采取“雙隨機(jī)”抽查以來(lái)，光環(huán)境檢測(cè)工作越來(lái)越廣泛的被引起重視。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)教室光環(huán)境評(píng)價(jià)的參數(shù)主要有教室維持平均照度、教室照度均勻度、書(shū)寫(xiě)板維持平均照度、書(shū)寫(xiě)板照度均勻度、顯色指數(shù)、相關(guān)色溫、照明功率密度和統(tǒng)一眩光值(UGR)[1]。大多數(shù)評(píng)價(jià)參數(shù)在GB/T 5700—2008《照明測(cè)量方法》[2]或GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]中有說(shuō)明如何進(jìn)行測(cè)試。而對(duì)于UGR的測(cè)試，在GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中雖然有提到，但是沒(méi)有詳細(xì)的測(cè)試指導(dǎo)方案，很多實(shí)驗(yàn)室測(cè)試人員、廠家對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中提到的方法理解較為模糊，對(duì)該參數(shù)的理解不盡相同，時(shí)常出現(xiàn)同一個(gè)布燈場(chǎng)景不同人員用相同設(shè)備測(cè)試下來(lái)差異較大的情況。

GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中提到“UGR測(cè)試要求在坐姿1.2 m的高度下，觀測(cè)位置一般在縱向和橫向兩面墻的中點(diǎn)，視線水平朝前”。對(duì)于教室而言，正常的測(cè)量位置是位于教室后墻的中點(diǎn)上，而具體的位置，更多的人認(rèn)為是越靠墻測(cè)試結(jié)果越嚴(yán)苛。很多實(shí)驗(yàn)室都是靠墻測(cè)試(設(shè)備的位置離墻多數(shù)為0.6～0.8 m)，計(jì)算時(shí)都是按照測(cè)試點(diǎn)在后墻上，而當(dāng)測(cè)試點(diǎn)的位置和計(jì)算點(diǎn)的位置不同的時(shí)候，計(jì)算得到的結(jié)果和實(shí)際情況難免會(huì)出現(xiàn)較大的差異。因此，本論文著重研究在不同觀測(cè)點(diǎn)測(cè)試UGR的數(shù)據(jù)差異性，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定好合理的測(cè)試位置對(duì)UGR的合理評(píng)價(jià)是非常有必要的。

1 統(tǒng)一眩光值(UGR)

照明環(huán)境的不舒適眩光由CIE統(tǒng)一眩光值(UGR)圖表方法確定[4]，是CIE 117:1995推薦的評(píng)價(jià)直接眩光的方法，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為

(1)

式中，Lb為背景亮度(cd/m2)；La為觀察者方向每個(gè)燈具的亮度(cd/m2)；ω為每個(gè)燈具發(fā)光部分對(duì)觀察者眼睛所形成的立體角(sr)；P為每個(gè)單獨(dú)燈具的位置系數(shù)。

大多照明環(huán)境所產(chǎn)生UGR值的范圍為10～30，其中30表示產(chǎn)生嚴(yán)重的不舒適眩光，10表示不太可能產(chǎn)生不舒適眩光，UGR值小于10的照明環(huán)境中認(rèn)為沒(méi)有不舒適眩光[5]。UGR等級(jí)分為13/16/19/22/25/28，其中13代表可感知的最小不舒適眩光[4]，對(duì)于教室照明，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求是UGR不大于19。對(duì)于一個(gè)已經(jīng)布置好教室燈具和黑板燈具的教室，UGR測(cè)試除了量取燈具出光口面尺寸和燈具所在教室的坐標(biāo)位置外，主要是指要用亮度計(jì)測(cè)試每個(gè)教室燈具的亮度和背景環(huán)境的亮度。如果整個(gè)照明環(huán)境由不同類型燈具組成，其光分布各異或燈具不同，或兩者兼有，則必須對(duì)每個(gè)光源/燈具組合在不同觀察者位置分別計(jì)算UGR值，應(yīng)當(dāng)將計(jì)算得到的最高UGR值作為整個(gè)照明環(huán)境的典型值，并且將所有確定UGR的計(jì)算條件進(jìn)行說(shuō)明[4]。

2 反射比的測(cè)量

依據(jù)GB/T 5700—2008《照明測(cè)量方法》[2]中的測(cè)量方法，照明現(xiàn)場(chǎng)反射比的測(cè)量可采用便攜式反射比測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量[2]，本文現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用照度計(jì)對(duì)教室的相關(guān)背景設(shè)施(如書(shū)寫(xiě)板、桌面、窗簾、地面和墻面)進(jìn)行反射比直接測(cè)量。將照度計(jì)的探頭背面緊貼被測(cè)表面的某一位置，測(cè)其入射照度ER，然后將照度計(jì)探頭的接收面對(duì)準(zhǔn)同一被測(cè)表面的原來(lái)位置，待照度穩(wěn)定后讀取反射照度Ef，測(cè)量示意圖見(jiàn)圖1所示[2]。按照式(2)求出其單個(gè)點(diǎn)的反射比ρ，每個(gè)被測(cè)表面選取3～5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，求出其算數(shù)平均值作為該表面的反射比。

(2)

式中，ρ為反射比；Ef為反射照度，單位為勒克斯(lx)；ER為入射照度，單位為勒克斯(lx)。

圖1 采用照度計(jì)間接測(cè)量反射比方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of indirect measurement of reflection with illuminometer

圖1中，1為被測(cè)表面；2為照度計(jì)接收探頭；3為照度計(jì)主機(jī)。

3 教室環(huán)境及測(cè)試條件的介紹

本文選取的典型教室的尺寸為長(zhǎng)為9.52 m，寬為7.60 m，高為3.50 m。教室內(nèi)布置9盞教室燈具，3盞書(shū)寫(xiě)板燈具，教室燈具距離地面2.8 m，書(shū)寫(xiě)板燈具距離地面2.5 m，桌面高為0.75 m。教室前后有墨綠色書(shū)寫(xiě)板，墻體為白色石灰涂層，教室左右兩側(cè)基本被銀灰色布藝窗簾覆蓋，地面為灰色水磨石，桌椅為淺黃色。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所用設(shè)備有亮度計(jì)(設(shè)備型號(hào)：LMT L1009), 激光測(cè)距儀(設(shè)備型號(hào)：GLM7000)，教室布燈位置見(jiàn)圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)布燈場(chǎng)景和教室相關(guān)設(shè)施如圖3所示。

圖2 布燈位置圖Fig.2 Luminaires distribution diagram

照片3 教室內(nèi)窗簾實(shí)物 圖3 現(xiàn)場(chǎng)布燈場(chǎng)景和教室相關(guān)設(shè)施Fig.3 Lighting scene and classroom related facilities

教室燈具運(yùn)用電鍍格柵來(lái)降低眩光，同時(shí)增加了燈具的上射光通量設(shè)計(jì)，燈具上射光通光通量占總光通量的23%，屬于半直接照明[6]，這樣對(duì)背景亮度的提升有很大的貢獻(xiàn)。燈具配光曲線見(jiàn)圖4。

圖4 教室燈具配光曲線Fig.4 Light distribution curve ofluminaire

亮度測(cè)試位置如圖5所示，測(cè)試時(shí)，雖然都是靠近墻面來(lái)操作設(shè)備，但是不同體格大小的人，測(cè)試時(shí)設(shè)備距離后墻面的位置也不盡相同。GB 50099—2011《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定普通教室最后排座椅之后應(yīng)設(shè)橫向疏散走道，自最后排課桌后沿至后墻面或固定家具的凈距不應(yīng)小于1.10 m[7]。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際測(cè)試情況，當(dāng)靠近后墻面測(cè)試時(shí)，最大極限的考慮人和設(shè)備自身的尺寸后，觀測(cè)點(diǎn)距后墻面水平距離X有0.6 m，然后按照0.1 m間隔往前移動(dòng)設(shè)備，分別在距離后墻面0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m和1.1 m六個(gè)點(diǎn)位上測(cè)試燈具亮度和背景亮度，亮度具體測(cè)試布點(diǎn)方式按照標(biāo)準(zhǔn)T/CEEIA 365—2019《中小學(xué)校教室光環(huán)境設(shè)計(jì)及測(cè)試評(píng)價(jià)規(guī)范》[1]的要求進(jìn)行，結(jié)合燈具位置、尺寸計(jì)算出UGR大小。

圖5 UGR測(cè)試位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of UGR testing location

4 UGR現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

將現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)際測(cè)試進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)于電鍍格柵燈具，在不同位置觀察，其燈具的亮度差異較大。結(jié)合教室現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境，如吊扇、投影儀、橫梁等硬件設(shè)施，按照其他光環(huán)境參數(shù)都滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的前提下安裝布置教室燈具(典型安裝方式)，不同的燈具布燈位置對(duì)UGR的影響也很大。因?yàn)闊艟叩牟紵粑恢弥苯雨P(guān)系到參與UGR計(jì)算的位置系數(shù)，不同的位置系數(shù)計(jì)算得到的UGR是成倍變化的。本文在不同觀測(cè)位置測(cè)試燈具和背景的亮度，得到如表1～表6所示的數(shù)據(jù)，UGR計(jì)算的結(jié)果如表7所示。

表1 0.6 m處測(cè)試的亮度數(shù)據(jù)Table 1 Luminance data at 0.6 m

表2 0.7 m處測(cè)試的亮度數(shù)據(jù)Table 2 Luminance data at 0.7 m

表3 0.8 m處測(cè)試的亮度數(shù)據(jù)Table 3 Luminance data at 0.8 m

表4 0.9 m處測(cè)試的亮度數(shù)據(jù)Table 4 Luminance data at 0.9 m

表5 1.0 m處測(cè)試的亮度數(shù)據(jù)Table 5 Luminance data at 1.0 m

表6 1.1 m處測(cè)試的亮度數(shù)據(jù)Table 6 Luminance data at 1.1 m

表7 不同位置點(diǎn)測(cè)試計(jì)算得到的UGR值Table 7 UGR value calculated by different position point test

從表1～表6的測(cè)試結(jié)果可以清晰地看出，在不同位置下，背景亮度的變化不會(huì)很大。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)安裝的帶電鍍格柵的9盞教室燈具而言，影響UGR的關(guān)鍵燈具是8號(hào)燈具，如果將其安裝在位置系數(shù)不考慮的位置范圍內(nèi)，那么UGR的計(jì)算結(jié)果會(huì)有40%以上的下降；隨著測(cè)試位置的前移，雖然整體的位置系數(shù)會(huì)增加，但是燈具的亮度同樣呈增加趨勢(shì)，所以計(jì)算得到的UGR又會(huì)呈上升趨勢(shì)。

5 UGR模擬結(jié)果分析

根據(jù)以上介紹的反射比測(cè)量方法，將現(xiàn)場(chǎng)主要的背景設(shè)施測(cè)量得到的反射比應(yīng)用到仿真軟件的相關(guān)參數(shù)設(shè)置中，如墨綠色書(shū)寫(xiě)板的反射比為20%，白色石灰墻體的反射比為70%，教室左右兩側(cè)銀灰色布藝窗簾的反射比為35%，灰色水磨石地面的反射比為35%，淺黃色桌椅的反射比為60%。建模完成后，模擬計(jì)算的仿真效果如圖6所示。為了證明格柵燈在不同位置點(diǎn)測(cè)量的UGR的變化情況，仿真時(shí)同現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試選取相同位置點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算，并得到如表8所示的仿真結(jié)果。

圖6 模擬計(jì)算的仿真圖Fig.6 Simulation in software

表8 不同位置點(diǎn)仿真計(jì)算得到的UGR值Table 8 UGR simulation results in different position

因?yàn)檐浖旧碓O(shè)置的問(wèn)題，當(dāng)UGR小于10時(shí)，不體現(xiàn)具體數(shù)值大小，這種體現(xiàn)方式同CIE 117:1995的表述一致(當(dāng)UGR值低于10時(shí)，認(rèn)為照明系統(tǒng)不會(huì)引起不舒適，所以在全球范圍內(nèi)都可以用UGR<10來(lái)定性它們[5])。

從模擬結(jié)果可以清晰的看出，整體UGR值的變化趨勢(shì)同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)一致，隨著計(jì)算位置的前移，UGR值先減小后增加，也就是說(shuō)眩光的影響同燈具的安裝是有緊密聯(lián)系的，并非產(chǎn)品光學(xué)設(shè)計(jì)一個(gè)方面來(lái)控制。另外，只要背景參數(shù)設(shè)置和燈具的測(cè)試較為準(zhǔn)確，教室燈具的安裝可以參考前期的仿真設(shè)計(jì)結(jié)果，這樣可以避免安裝完成后因?yàn)闇y(cè)試的不合格而返工整改。

6 結(jié)論與建議

本文通過(guò)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和仿真設(shè)計(jì)，將不同位置測(cè)試和模擬計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電鍍格柵教室燈具對(duì)教室眩光的抑制有很好的效果，很好的詮釋了“見(jiàn)光不見(jiàn)燈”的效果，值得推崇和應(yīng)用。對(duì)于其他防眩方式的燈具，有待后續(xù)的測(cè)試與分析。

綜上，針對(duì)目前教室光環(huán)境UGR測(cè)試評(píng)價(jià)，有以下幾點(diǎn)結(jié)論與建議：

1)由于學(xué)生桌椅和學(xué)生自身體格的差異，測(cè)試位置應(yīng)該按照教室現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行，需要考慮設(shè)備和測(cè)試人與人員自身不可避免的尺寸需求，從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)來(lái)看，測(cè)試位置應(yīng)在0.6～1.1 m之間進(jìn)行，選取測(cè)量結(jié)果最大者更為合理；

2)UGR的計(jì)算應(yīng)該基于測(cè)試點(diǎn)位置查找位置系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)當(dāng)避免測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)同計(jì)算點(diǎn)數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的情況；

3)從實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)看，并非越靠近教室后墻的情況下UGR越高，實(shí)際結(jié)果要結(jié)合燈具的安裝位置和燈具的配光曲線；

4)教室燈具的安裝對(duì)于光環(huán)境品質(zhì)的提高有著非常重要的作用，如果盡可能多的將教室后排燈具安裝在不考慮其位置系數(shù)的空間范圍內(nèi)，那么教室光環(huán)境的品質(zhì)會(huì)有很大的提高。