基于光谱技术的教室照明设计研究

张烨，张明帮，刘燊，潘福喜，邹楠，张日新

（华南农业大学，广州 510642）

1 引言

教室是学校师生的主要学习场所，优质且节能的教室照明对提高学生学习兴趣、保护学生视力和响应高校节能减排均具有重要的社会和经济意义[1]。随着LED照明技术的发展，LED灯被广泛应用于学校教学照明之中[2]。

教室照明存在的突出问题在于能耗高和灯光分布不合理[3-5]。教室照明一般采用长度规格为1.2m的40瓦日光灯多点分布，其中央照明的单位能耗较高，而边角照明质量却不达要求，整室照明的平均照度和照度均匀度均远低于相关标准[3,6]。为此，本文引入LED灯代替传统日光灯，基于光谱强度曲线定性分析了日光灯和LED灯对人眼视力的危害；通过现场测量两款灯具的性能并绘制照度等值线图，定量分析教室各测试点最小照度值、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的分布规律；基于全生命周期成本理论，估算了传统日光灯和绿色照明LED灯的经济效益，验证教室使用LED灯照明具有极高的经济效益和节能效果。

2 数学建模及理论分析

2.1 基于光纤光谱技术的照度数学模型

2.1.1 光纤光谱仪测试原理

试验仪器采用葡萄牙Sarspec公司生产的光纤光谱仪，型号为SPEC-STD，具体参数如表1所示。

表1 SPEC-STD光纤光谱仪性能参数

图1 光纤光谱仪检测原理

如图1所示为光线光谱仪检测原理。测量时，光纤光谱仪光纤探头垂直于桌面方向向上固定，通过探头连接器（1）采集教室测试点的光线，光线通过位于准直镜（4）焦点的狭缝（2），经长通滤波器（3）滤波后到达准直镜（4），准直镜（4）将光“分离”成不同波长的衍射光栅投射到光栅（5）中，光栅（5）把衍射光栅的光反射到聚焦镜（6），聚焦镜（6）将所测光的光谱通过高阶衍射滤光（7）和收集透镜（8）过滤后，聚焦到探测器（9）上，最后通过系统读取探测器（9）的光学模拟信号，将模拟信号转化为数字信号输出测试点的光谱强度曲线，如图2所示；对图2曲线进行定标转化后可得到测试点的辐照度值，完成一个测试点的光谱测量。

2.1.2 照度数学模型

辐照度通过人眼视觉特性函数积分换算可获得在试验中通过测量教室光照度值[7,8]，辐照度和光照度的积分换算公式如式（1）所示，

式中，EV为教室测试点的光照度，lux；Km为最大光谱光视效能（常数），对于波长为555nm的明视觉，Km=683lm/W；V（λ）为CIE推荐的平均人眼光谱光视效率，或称视见函数，其函数值如图3所示；Ee为教室测试点的辐照度，可通过光纤光谱仪测量得出，W/m2；λ 为波长，nm。

由于教室照明以研究可视光为主，故式（1）中积分范围λ∈[380，760]取 nm，则式（1）变为式（2），

图3 光谱光视效率曲线

图2 日光灯与LED灯光谱曲线

表2 日光灯和LED灯性能

2.2 全生命周期成本估算模型

全寿命周期成本（Life Cycle Cost，简称 LCC）[9-12]，是指一个系统或设备在全寿命周期内，为购置它和维持其正常运行所需要支付的全部费用，即产品（设备）在其寿命周期内设计、研究与开发、制造、使用、维修和保障直至报废所需的直接、简介、重复性、一次性和其他有关费用之和。

全寿命周期成本包括初始化成本和未来成本。初始化成本是在设备获得之前将要发生的成本，包括设备购买和安装的成本。未来成本是指从设备开始运营使用到设备拆除期间所发生的成本，包括运行使用成本、维护和修理成本、替换成本和剩余值。

基于全生命周期成本理论探讨教室照明系统改造，可获得教室照明系统的全生命周期成本估算模型，如式（3）所示，

式中，LCC为照明系统的全生命周期成本，元；I0为初始化成本，即灯具的购买成本和安装成本，元；U为灯具一天的使用成本，元/天；t1为灯具的使用时间，天；M为灯具维护和修理成本，元/次；t2为灯具维护和修理的次数，次；R为灯具的替换成本，元/次；t3为灯具周期内替换的次数，次；S为灯具拆除时的剩余价值，元。

通过计算日光灯和LED灯在全生命周期内各部分的成本，利用全生命周期成本估算模型，可获得一段时间周期内教室照明系统使用日光灯和LED灯的经济效益。

3 试验材料和方法

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。

图4 教室照度测试点分布图

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。

其中，定义两端照度平均值为教室两端照度测试点的照度平均值，中间照度平均值为教室中间照度测试点的照度平均值，照度均匀度为测试点最小照度值与教室所有测试点的照度平均值的商，如式（4）～（7）所示，

表3 日光灯和LED灯照度值对比

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 教室照度值测量及分析

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。

表4 日光灯和LED灯的全生命周期成本

图5 日光灯照度等值线图

图6 LED灯照度等值线图

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。