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LED照明灯具在教室照明中的优势及应用
来源:《行业通讯》 发布日期:2015-09-10 浏览人数:4344

  一、教室照明的标准要求

  现行有效的教室照明的标准要求汇总如表1,最早有上海市教委的文件,随后又有上海市地方标准和多个国家标准的颁布。因为教室照明直接的主管部门是国家教委,但是建设部也是相关的部委,所以即使是国家标准,也出自不同的部委。但是这些标准的总体要求基本是一致的,主要指标是教室的平均照度和照度均匀度,黑板的平均照度和照度均匀度,统一眩光值,显色指数,光源色温,灯具效率和功率密度。前7个指标是教室照明的要求,后2个指标是节能的要求。这些标准存在一些指标上的差异,但现阶段的工程建设和改造中应该按要求高的指标执行。

  除了以上的标准要求以外,学校的照明光的波动系数(频闪)的问题也应重点关注,按新制定的国标灯具性能要求,学校的教室照明光的波动系数应该达到低风险级别,对于学校的网球馆、乒乓球馆和羽毛球馆的照明光的波动系数应该达到无频闪级别。对于所有的照明场合,应全面达到上述标准要求的才是教育系统需要的照明。

  二、LED照明灯具在教室照明中的优势

  由于近年来LED照明产品技术的快速发展,LED照明产品的各项指标已经全面且稳定地超过了传统三基色荧光灯的水平,主要优势如下:

  1.光的利用率及灯具的能效

  传统荧光灯在发光的圆柱面上是全发光的,

  表1

  这种特征对于安装在室内顶面的灯具来说,是一个很大的缺点。因为荧光灯管发出的光只有不到40%的光是直接照到工作面上的,还有60%左右的光是通过灯具的反射器的反射后才到达工作面的,好的灯具的反射器一般也只有70%的反射效率。目前高效的三基色荧光灯管光效约为105lm/W,加高效的电子镇流器的损耗,效率约为95lm/W,装入灯具后,灯具的总效能仅为72 lm/W。但是,目前的高效LED照明灯具,在输出很舒适的光(色温4000K日光色;显色指数≥80,R9>10)时,其综合灯具效能可达95 lm/W~100 lm/W,也就是说,LED的灯具在保证光照的舒适性的前提下,因为其发光效率高且有方向发光造成的光利用率高,所以灯具的效能已明显超过了传统的三基色荧光灯具。

  2.黑板灯的照度均匀度

  对于中小学教室,黑板的宽度是早已确定的(单块约2米),传统荧光灯管的长度也是按国际统一标准固定的,例如32W/36W的发光体长度1.2米,58W的发光体长度为1.5米。用传统荧光灯具对黑板进行照明就会发现,用2个T8 32W/36W的灯具,因为受灯管长度的限制,黑板的照明度及照度均匀度远远达不到GB50034-2013或DB31/539-2011的要求,如果用2个T8 58W的灯具来照明,照明度均匀度指标得到明显改善,但仍有较大的不合格比例,并且能效指标,教室的照明功率密度变大,往往达不到9W/m2的指标值。作者所供职的单位测量过全国各地500多间教室,用传统荧光灯照明的黑板照明均匀度项目合格率不足20%。LED灯具因为其光源的形状和光分配可以是任意且精准的,所以可做到在保证照明功率密度达到要求的前提下,满足黑板的照度及照度均匀度的要求。

  3.超长的使用寿命及很低的维护成本

  照明灯具的使用寿命和维护成本,对国家层面来讲,关系到节能减排和建设节约型社会的大局,因为较短的使用寿命意味着灯管生产过程能耗和污染的增加。对使用单位来说,关系到使用维护的物力和人力的成本。传统荧光灯具,虽然有灯管号称使用寿命达8000~10000小时,但由于所配镇流器的指标影响,在保持70%以上光输出时的使用寿命仅为6000~7000小时,每年基本需换一次灯管。而LED灯具目前在保持70%以上光输出的前提下使用寿命可达4万~5万小时,可实现5年才换一次。目前LED灯具的成本较传统光源的灯具,也仅为1.1~1.2倍的价格,所以性能/价格比已具有非常明显的优势,已经使用3~5年的LED照明项目最明显的特点是综合维护成本仅为使用传统光源灯具的20%左右。

  4.在智能化和人性化高效照明方面具有独特的优势

  LED灯具的最大优势是优良的调控功能,是实现智能化及人性化的照明的最佳选择。虽然传统电子镇流器和荧光灯管的组合也能实现调光和控制,但是当灯光下调后,系统效率下降并且荧光灯因电极温度太低而使寿命大幅下降。但是LED的调光几乎可实现0~100%的调光,响应快,而且在光输出下调运行时还能大大延长使用寿命。如果用微处理系统调控时,可以实现人离开时,可自动调整到1~3%左右的光照,即能看清周边障碍物,又能明显节电,当有人进入时,立刻上升到正常照明。另外还能实现按需要进行的调光和调色温的控制及远程遥控的功能等,这无疑对提高照明质量,体现智能化和人性化及实现调控节能等,都有着广阔及诱人的前景。

  三、LED照明蓝光的视觉危害和蓝光的司辰视觉影响

  对于蓝光,目前有一个看起来通俗的名称为“蓝光溢出”,这其实是一个很不科学并且概念混乱的提法。对蓝光准确的描述应该分为蓝光的视觉危害和蓝光的司辰视觉影响

  1. 蓝光危险来自于辐射亮度

  对我们眼睛能造成危险的是发光体发出光的辐射亮度,通俗地讲就是光源发出的光的亮度,所以这种危害一定是发生在人们眼睛直接看光源或发光体的时候。又因为人眼睛对蓝光的耐受能力较其他可见光明显弱,所以在可见光中对蓝光危害的防护也特别引起人们的重视。

  依据国内外统一的GB/T 20145-2006/IEC62471标准,蓝光视网膜危险可分类为:

  (1)无危险(0类,辐亮度≤100 W·m-2·sr-1):当灯的蓝光辐亮度在此限值下时,无危险类的科学基础是人们对着灯观察很长时间的情况下也不造成任何光生物危险;

  (2)低危险(1类,辐亮度≤1×104 W·m-2·sr-1):当灯的蓝光辐射亮度在此限值下时,人们对着灯观察较长时间(100s~10000s)的情况下灯不产生危险;

  (3)中危险(2类,辐亮度≤4×106W·m-2·sr-1):灯产生的光不会使人明显感到强光和温度的不适反应,但是在对着灯观察10s~100s的情况下就会对眼睛产生伤害。

  (4)高危险(3类,辐亮度>4×106W·m-2·sr-1):灯在很短瞬间造成危害,但目前市面上没有此类照明光源和灯具;

  (5)该标准又提到,对于白光,光源表面亮度≤10000cd/m2时可豁免,属于无危险级。

  根据近年大量的国家及省市级的监督抽查结果来看,目前市场上的LED灯具的蓝光视网膜危险基本都属于0类或1类的,有少数灯或灯具在去掉或打碎透光扩散罩时,能达到2类。

  对于未成年的中小学生来讲,由于其眼睛的晶体对蓝光的透过率较高所以应该用辐射亮度属于豁免类或0类的照明灯具。传统的T8荧光灯点亮时表面亮度为8000cd/m2,属于豁免类的,而T5荧光灯点亮时表面亮度为(10000~12000)cd/m2,稍微高于豁免条件,但基本仍属于0类。

  目前LED的管灯表面亮度≤10000cd/m2,也属于豁免类的,至于LED平板灯,因为其发光面积大并且均匀,所以其表面亮度仅为(200~1000)cd/m2,它们的蓝光辐射亮度指标明显优于传统光源,并且其眩光指数也很好。

  2.蓝光的司辰视觉影响

  (1)司辰视觉

  以前人们一直认为人类眼睛上只存在视觉作用的两种感光细胞:锥状细胞和杆状细胞。在2002年,美国Brown大学的David Berson发现第三类感光细胞:司辰细胞,才找到让人们疑惑很久的光如何通过视网膜作用SCN产生光生物效应的“丢失的链接”。司辰视觉( cirtopic )这也成为2002年世界十大发明(见图1)。蓝光的波长在450nm 左右,正好与人体的司辰视觉最相关,它有较强的抑制人分泌褪黑色素的能力。

  图1

  (2)相同色温灯的光谱对比


  图2

  看左边图2a和图2c的冷色调(高色温)对比,LED灯色温低1000K,光谱中红色和绿色光的比例差不多, LED灯的蓝色比还比三基色荧光灯略低。再看右边图2b和图2d的暖色调(低色温)对比,LED灯色温高300K,三基色荧光灯的红色比明显高,但是蓝色比LED灯反而略低。可见,目前的技术水平制造的LED灯只要保持显色指数大于80,在相同的色温时其蓝光成分的比例是不会高于同类的三基色荧光灯的。在LED灯的制造中再提高红色的成分R9,使高色温灯R9>10,使低色温灯R9>18,那么LED灯照出来的物体的色彩会达到三基色荧光灯相同的水平。目前采用红、绿、蓝三色(RGB)方式组成的LED照明灯其显色指数可>95,在画图室照明中效果明显优于三基色荧光灯。

  (3)符合自然规律的照明光色才是正确的

  对照明知识的不足以及一些商家别有用心的宣传使得一个时期人们谈蓝光色变,很多人至今仍心有余悸。但是科学证明,无论是自然界的7色光以及人工合成的3基色光,没有蓝光,就没有白光。在高纬度地区,因为冬季长期得不到太阳光的照明,一些人会产生季节性忧郁症,这时采用高照度且富含蓝光的光照明能明显改善季节性忧郁症甚至能治愈。每天早晨(见图3),随着太阳光色由暖白光向冷白光变化,我们的精神会变得饱满,反应的敏捷性也明显提高,学习和工作的效率也最高。

  图3

  但是到了晚上,随着照明太阳光的色温由高色温向低色温的转换,人们被压抑的褪黑色素逐步恢复分泌,人们在家庭用灯时间大都是在晚上,所以需要低色温的灯光,以给人们生理上的提示,快接近休息时间了。如果这时仍旧采用高色温且较高照度的光照明(例如色温6500k,光照度达到300lx以上),人就不容易入睡,长久以往容易造成失眠症,司辰节律的紊乱是导致免疫力降低的重要因素。

  综上所述,不要把蓝光“妖魔化”,荧光灯内是253.7nm的紫外线,对人的危害更厉害,但制造使用得当一样可安全使用至今。返璞归真,在合适的时间和应用场合用合适的光,模拟自然条件下的光照、光色及变化,是照明产品设计、制造及照明设计和实施的最高境界,在这一方面,LED照明是最有可为的。

  结束语

  作者曾作为上海市教委中小学教室照明改造的技术评审组长,参加了上海市中小学教室照明改造方案的制定和验收工作。在4年前是不支持LED照明灯具在教室照明中应用的,因为那时LED照明产品的各项技术水平还远没有达到传统三基色荧光灯的水平。但是由于近年来LED照明产品技术的快速发展,LED照明产品的各项指标已经全面且稳定地超过了传统三基色荧光灯的水平,预计将会逐步取代传统照明产品而广泛应用在教室中, LED照明的安全、高效、智能化和人性化的优势也将得到充分的发挥,所以特推荐用于教室照明。不过因为我国现阶段只要有好的行业显露,各方面都会一哄而起,具不完全统计,LED照明成品的生产企业有几千家,产品质量良莠不齐的情况很明显,所以在使用时必须按光源和灯具产品标准进行严格的检验,检验合格后并在应用时,还必须检查实际使用产品是否与检验合格产品的一致性,再加上良好的照明设计及按教室照明标准验收合格,这样才能保证教室照明的优质高效且智能化和人性化。

  国家电光源质量监督检验中心(上海)俞安琪

  厦门立达信照明有限公司许建兴

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