教室照明视觉功效与节能研究

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1、教室照明视觉功效与节能研究黄海静1.2陈纲1.2(1.重庆大学建筑城规学院重庆400045)(2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045)摘要：教室照明环境（背景照度、亮度对比、灯具布置、光源光色等）不仅对学生的用眼健康、视觉功效和学习效率等产生影响，还与节能息息相关。通过“教室照明瞳孔变化实验”研究显示，要达到相同视觉功效（即瞳孔面积相等）时，色温6500K荧光灯需要产生的亮度最少，耗电量最少，4000K荧光灯次之，2700K荧光灯耗电最多。即中、高色温荧光灯较低色温荧光灯的节能效果好。因此，从光源色温和视觉功效关系出发研究LED光源在教室中应用，才

2、能既满足教学活动的视觉要求，又减少照明能耗。关键词：教室照明光源色温视觉功效节能1.前言节能减排，提倡“低碳”生活是2009年12月哥本哈根“世界气候大会”的主题。发达国家照明用电约占总发电量的15％，我国照明耗电约占全国总电量的10%[1]。学校教室使用频繁，用电量高，照明节能非常重要。国内外多采用照明功率密度（LPD，单位面积上的照明安装功率）作为学校建筑的节能标准。据调查，我国大多数教室照明功率密度均在15W／m2以下[2]，比国外的规定值低。由于我国教室照度标准（3001x）远低于国外水平（5001x），因此，《标准》将教室照明功率密度定为11W／m2，目标值为9W

3、／m2（表1）[2]。表1国内外普通教室照明功率密度标准比较国别地区照明功率密度（W／m2）对应照度（1x）标准号及年代中国11300国标GB50034-2004中国北京13300北京市绿照规程DBJ01-607-2001美国17.22500北美照明学ASHRAE/-IESNA-90.1-1999俄罗斯20300俄罗斯MFCH2.01-98日本20500日本节能法1999[3]教室照明节能要求在降低照明功率密度的同时，保证甚至提高照明水平，除了采用高性能灯具设施外，正确的光源选用更是主要措施之一。因此，研究光源的发光效率，不同光源下的视觉功效、视觉舒适度等与照明水平的关系，

4、可以为高效节能的教室光源选择提供依据。2.不同光色光源与照明节能关系“教室照明瞳孔变化实验”[4]研究显示，由于教室照明属于明视觉的光亮度水平，在不同光色光源照明下，人眼瞳孔随背景亮度变化差异较大。对所有实验数据统计求平均值，得出3种色温荧光灯下的瞳孔面积值（表2）。表2三种色温荧光灯在不同背景亮度下的瞳孔面积背景照度E(lx)背景亮度Lb(cd/m2)6500K4000K2700K瞳孔面积Ap(mm2)瞳孔面积Ap(mm2)瞳孔面积Ap(mm2)10029.3415.0419.0121.4515044.0211.6014.3118.1630088.038.169.8312

5、.29750220.085.096.287.921000293.444.155.436.78表2显示同一背景照度（亮度）时，色温6500K荧光灯下的瞳孔面积最小，4000K荧光灯的次之，2700K荧光灯的最大。瞳孔面积的变化反应了不同色温光源的光生物效应和视觉功效。采用软件Datafit8.0对上述数据进行回归分析，得到3种色温荧光灯下的瞳孔变化值Ap与背景亮度Lb的拟合函数满足如下基本关系式：Ap=a+b*exp(-Lb/c)（1）式中：a，b，c——与光源光谱分布、背景亮度、视标大小和对比有关的系数。教室照明条件下，学生学习时的人眼视野远大于2°视场，因此人眼中的锥状感

6、光细胞和杆状感光细胞都要对瞳孔大小产生影响，感光细胞对瞳孔大小的影响与亮度有关。并且已有研究表明[5]，亮度与瞳孔面积A（mm2）的关系可由实验获得的经验公式表示：（2）式中：L′、L——分别是暗视觉亮度、明视觉亮度（cd/m2）；c、a、b——系数。由（2）式可得：（3）令g=a+b，则：（4）再令，则有，于是得：（5）令（6）则Lp为瞳孔亮度，单位(cd/m2)。式中系数c=3.36±0.47；g是瞳孔变化的放大系数，g=0.31±0.08；D=0.78±0.14[6]。根据“明视觉测算法”[7]，在“教室照明瞳孔变化实验”中，被试者的视看距离和视标的出现位置是不变的，

7、在同一实验条件下视标的大小是一定的，即可认为L与Φ成正比关系，由此可推导以下关系式：（7）通过测量明视觉光通量Φ和明视觉亮度L，计算暗视觉光通量Φ′，可求得暗视觉亮度L′。由公式（7）计算出三种色温荧光灯的暗视觉亮度值，如表3所示。表3三种色温荧光灯下的暗视觉亮度序列号明视觉亮度L(cd/m2)2700K4000K6500K暗视觉亮度L´(cd/m2)暗视觉亮度L´(cd/m2)暗视觉亮度L´(cd/m2)129.3427.7154.67107.31244.0241.5782.03161.00388.0383.14