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    LED照明燈具在教室照明中的優勢及應用
    來源:《行業通訊》 發布日期:2015-09-10 瀏覽人數:9347

      一、教室照明的標準要求

      現行有效的教室照明的標準要求匯總如表1,最早有上海市教委的文件,隨后又有上海市地方標準和多個國家標準的頒布。因為教室照明直接的主管部門是國家教委,但是建設部也是相關的部委,所以即使是國家標準,也出自不同的部委。但是這些標準的總體要求基本是一致的,主要指標是教室的平均照度和照度均勻度,黑板的平均照度和照度均勻度,統一眩光值,顯色指數,光源色溫,燈具效率和功率密度。前7個指標是教室照明的要求,后2個指標是節能的要求。這些標準存在一些指標上的差異,但現階段的工程建設和改造中應該按要求高的指標執行。

      除了以上的標準要求以外,學校的照明光的波動系數(頻閃)的問題也應重點關注,按新制定的國標燈具性能要求,學校的教室照明光的波動系數應該達到低風險級別,對于學校的網球館、乒乓球館和羽毛球館的照明光的波動系數應該達到無頻閃級別。對于所有的照明場合,應全面達到上述標準要求的才是教育系統需要的照明。

      二、LED照明燈具在教室照明中的優勢

      由于近年來LED照明產品技術的快速發展,LED照明產品的各項指標已經全面且穩定地超過了傳統三基色熒光燈的水平,主要優勢如下:

      1.光的利用率及燈具的能效

      傳統熒光燈在發光的圓柱面上是全發光的,

      表1

      這種特征對于安裝在室內頂面的燈具來說,是一個很大的缺點。因為熒光燈管發出的光只有不到40%的光是直接照到工作面上的,還有60%左右的光是通過燈具的反射器的反射后才到達工作面的,好的燈具的反射器一般也只有70%的反射效率。目前高效的三基色熒光燈管光效約為105lm/W,加高效的電子鎮流器的損耗,效率約為95lm/W,裝入燈具后,燈具的總效能僅為72 lm/W。但是,目前的高效LED照明燈具,在輸出很舒適的光(色溫4000K日光色;顯色指數≥80,R9>10)時,其綜合燈具效能可達95 lm/W~100 lm/W,也就是說,LED的燈具在保證光照的舒適性的前提下,因為其發光效率高且有方向發光造成的光利用率高,所以燈具的效能已明顯超過了傳統的三基色熒光燈具。

      2.黑板燈的照度均勻度

      對于中小學教室,黑板的寬度是早已確定的(單塊約2米),傳統熒光燈管的長度也是按國際統一標準固定的,例如32W/36W的發光體長度1.2米,58W的發光體長度為1.5米。用傳統熒光燈具對黑板進行照明就會發現,用2個T8 32W/36W的燈具,因為受燈管長度的限制,黑板的照明度及照度均勻度遠遠達不到GB50034-2013或DB31/539-2011的要求,如果用2個T8 58W的燈具來照明,照明度均勻度指標得到明顯改善,但仍有較大的不合格比例,并且能效指標,教室的照明功率密度變大,往往達不到9W/m2的指標值。作者所供職的單位測量過全國各地500多間教室,用傳統熒光燈照明的黑板照明均勻度項目合格率不足20%。LED燈具因為其光源的形狀和光分配可以是任意且精準的,所以可做到在保證照明功率密度達到要求的前提下,滿足黑板的照度及照度均勻度的要求。

      3.超長的使用壽命及很低的維護成本

      照明燈具的使用壽命和維護成本,對國家層面來講,關系到節能減排和建設節約型社會的大局,因為較短的使用壽命意味著燈管生產過程能耗和污染的增加。對使用單位來說,關系到使用維護的物力和人力的成本。傳統熒光燈具,雖然有燈管號稱使用壽命達8000~10000小時,但由于所配鎮流器的指標影響,在保持70%以上光輸出時的使用壽命僅為6000~7000小時,每年基本需換一次燈管。而LED燈具目前在保持70%以上光輸出的前提下使用壽命可達4萬~5萬小時,可實現5年才換一次。目前LED燈具的成本較傳統光源的燈具,也僅為1.1~1.2倍的價格,所以性能/價格比已具有非常明顯的優勢,已經使用3~5年的LED照明項目最明顯的特點是綜合維護成本僅為使用傳統光源燈具的20%左右。

      4.在智能化和人性化高效照明方面具有獨特的優勢

      LED燈具的最大優勢是優良的調控功能,是實現智能化及人性化的照明的最佳選擇。雖然傳統電子鎮流器和熒光燈管的組合也能實現調光和控制,但是當燈光下調后,系統效率下降并且熒光燈因電極溫度太低而使壽命大幅下降。但是LED的調光幾乎可實現0~100%的調光,響應快,而且在光輸出下調運行時還能大大延長使用壽命。如果用微處理系統調控時,可以實現人離開時,可自動調整到1~3%左右的光照,即能看清周邊障礙物,又能明顯節電,當有人進入時,立刻上升到正常照明。另外還能實現按需要進行的調光和調色溫的控制及遠程遙控的功能等,這無疑對提高照明質量,體現智能化和人性化及實現調控節能等,都有著廣闊及誘人的前景。

      三、LED照明藍光的視覺危害和藍光的司辰視覺影響

      對于藍光,目前有一個看起來通俗的名稱為“藍光溢出”,這其實是一個很不科學并且概念混亂的提法。對藍光準確的描述應該分為藍光的視覺危害和藍光的司辰視覺影響

      1. 藍光危險來自于輻射亮度

      對我們眼睛能造成危險的是發光體發出光的輻射亮度,通俗地講就是光源發出的光的亮度,所以這種危害一定是發生在人們眼睛直接看光源或發光體的時候。又因為人眼睛對藍光的耐受能力較其他可見光明顯弱,所以在可見光中對藍光危害的防護也特別引起人們的重視。

      依據國內外統一的GB/T 20145-2006/IEC62471標準,藍光視網膜危險可分類為:

      (1)無危險(0類,輻亮度≤100 W·m-2·sr-1):當燈的藍光輻亮度在此限值下時,無危險類的科學基礎是人們對著燈觀察很長時間的情況下也不造成任何光生物危險;

      (2)低危險(1類,輻亮度≤1×104 W·m-2·sr-1):當燈的藍光輻射亮度在此限值下時,人們對著燈觀察較長時間(100s~10000s)的情況下燈不產生危險;

      (3)中危險(2類,輻亮度≤4×106W·m-2·sr-1):燈產生的光不會使人明顯感到強光和溫度的不適反應,但是在對著燈觀察10s~100s的情況下就會對眼睛產生傷害。

      (4)高危險(3類,輻亮度>4×106W·m-2·sr-1):燈在很短瞬間造成危害,但目前市面上沒有此類照明光源和燈具;

      (5)該標準又提到,對于白光,光源表面亮度≤10000cd/m2時可豁免,屬于無危險級。

      根據近年大量的國家及省市級的監督抽查結果來看,目前市場上的LED燈具的藍光視網膜危險基本都屬于0類或1類的,有少數燈或燈具在去掉或打碎透光擴散罩時,能達到2類。

      對于未成年的中小學生來講,由于其眼睛的晶體對藍光的透過率較高所以應該用輻射亮度屬于豁免類或0類的照明燈具。傳統的T8熒光燈點亮時表面亮度為8000cd/m2,屬于豁免類的,而T5熒光燈點亮時表面亮度為(10000~12000)cd/m2,稍微高于豁免條件,但基本仍屬于0類。

      目前LED的管燈表面亮度≤10000cd/m2,也屬于豁免類的,至于LED平板燈,因為其發光面積大并且均勻,所以其表面亮度僅為(200~1000)cd/m2,它們的藍光輻射亮度指標明顯優于傳統光源,并且其眩光指數也很好。

      2.藍光的司辰視覺影響

      (1)司辰視覺

      以前人們一直認為人類眼睛上只存在視覺作用的兩種感光細胞:錐狀細胞和桿狀細胞。在2002年,美國Brown大學的David Berson發現第三類感光細胞:司辰細胞,才找到讓人們疑惑很久的光如何通過視網膜作用SCN產生光生物效應的“丟失的鏈接”。司辰視覺( cirtopic )這也成為2002年世界十大發明(見圖1)。藍光的波長在450nm 左右,正好與人體的司辰視覺最相關,它有較強的抑制人分泌褪黑色素的能力。

      圖1

      (2)相同色溫燈的光譜對比


      圖2

      看左邊圖2a和圖2c的冷色調(高色溫)對比,LED燈色溫低1000K,光譜中紅色和綠色光的比例差不多, LED燈的藍色比還比三基色熒光燈略低。再看右邊圖2b和圖2d的暖色調(低色溫)對比,LED燈色溫高300K,三基色熒光燈的紅色比明顯高,但是藍色比LED燈反而略低??梢?,目前的技術水平制造的LED燈只要保持顯色指數大于80,在相同的色溫時其藍光成分的比例是不會高于同類的三基色熒光燈的。在LED燈的制造中再提高紅色的成分R9,使高色溫燈R9>10,使低色溫燈R9>18,那么LED燈照出來的物體的色彩會達到三基色熒光燈相同的水平。目前采用紅、綠、藍三色(RGB)方式組成的LED照明燈其顯色指數可>95,在畫圖室照明中效果明顯優于三基色熒光燈。

      (3)符合自然規律的照明光色才是正確的

      對照明知識的不足以及一些商家別有用心的宣傳使得一個時期人們談藍光色變,很多人至今仍心有余悸。但是科學證明,無論是自然界的7色光以及人工合成的3基色光,沒有藍光,就沒有白光。在高緯度地區,因為冬季長期得不到太陽光的照明,一些人會產生季節性憂郁癥,這時采用高照度且富含藍光的光照明能明顯改善季節性憂郁癥甚至能治愈。每天早晨(見圖3),隨著太陽光色由暖白光向冷白光變化,我們的精神會變得飽滿,反應的敏捷性也明顯提高,學習和工作的效率也最高。

      圖3

      但是到了晚上,隨著照明太陽光的色溫由高色溫向低色溫的轉換,人們被壓抑的褪黑色素逐步恢復分泌,人們在家庭用燈時間大都是在晚上,所以需要低色溫的燈光,以給人們生理上的提示,快接近休息時間了。如果這時仍舊采用高色溫且較高照度的光照明(例如色溫6500k,光照度達到300lx以上),人就不容易入睡,長久以往容易造成失眠癥,司辰節律的紊亂是導致免疫力降低的重要因素。

      綜上所述,不要把藍光“妖魔化”,熒光燈內是253.7nm的紫外線,對人的危害更厲害,但制造使用得當一樣可安全使用至今。返璞歸真,在合適的時間和應用場合用合適的光,模擬自然條件下的光照、光色及變化,是照明產品設計、制造及照明設計和實施的最高境界,在這一方面,LED照明是最有可為的。

      結束語

      作者曾作為上海市教委中小學教室照明改造的技術評審組長,參加了上海市中小學教室照明改造方案的制定和驗收工作。在4年前是不支持LED照明燈具在教室照明中應用的,因為那時LED照明產品的各項技術水平還遠沒有達到傳統三基色熒光燈的水平。但是由于近年來LED照明產品技術的快速發展,LED照明產品的各項指標已經全面且穩定地超過了傳統三基色熒光燈的水平,預計將會逐步取代傳統照明產品而廣泛應用在教室中, LED照明的安全、高效、智能化和人性化的優勢也將得到充分的發揮,所以特推薦用于教室照明。不過因為我國現階段只要有好的行業顯露,各方面都會一哄而起,具不完全統計,LED照明成品的生產企業有幾千家,產品質量良莠不齊的情況很明顯,所以在使用時必須按光源和燈具產品標準進行嚴格的檢驗,檢驗合格后并在應用時,還必須檢查實際使用產品是否與檢驗合格產品的一致性,再加上良好的照明設計及按教室照明標準驗收合格,這樣才能保證教室照明的優質高效且智能化和人性化。

      國家電光源質量監督檢驗中心(上海)俞安琪

      廈門立達信照明有限公司許建興

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