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学校教室照明设计指南之理论篇

引言

近年来示范性中学对原有校舍进行改造,新建教学实验楼,特别是需要改善照明条件,为学生提供更好的学习环境,因此对电气设计也提出了更高的要求。

较好的教室照明设计应能满足学生生理和心理的需要,适合学生长时间的视觉作业的特点,不仅具有合适的照度值,而且照明质量的各项参数均应满足要求,才能提供较好的照明环境。由于照明设计在电气设计中仅占一部分,对其重视程度不够,设计时常常仅注明照度要求,对照明质量具体指标没有标明,这样使工程质量很难保证。

在我国,中学生的学习时间长、强度大,又正处于身体的发育阶段,照明环境的好坏对学生视力会产生很大的影响,照明环境差,极易造成视疲劳,降低学习效率,甚至造成终身近视。

我国中、小学生近视率一直居高不下,其中,教室照明照度不够、照明质量差是造成学生视力下降的主要原因之一。

教室照明设计需要考虑哪些因素,怎样做才能达到教室设计的目标:为学生提供舒适、准确、快速的视看条件,并有助于学生集中精力。4

1、学校教室照明设计的演变

我国的教室照明设计大致经历了以下几个阶段:

20世纪80年代以前,学校用电简单,教室照明照度低,对照明质量没有明确规定。

20世纪80年代以后,开始注意教室照明布灯方式、灯具配光,这时蝙蝠翼配光荧光灯具、黑板专用照明灯具出现。

1987年国家颁布了GBJ99-1986《中小学建筑设计规范》,对教室照度值规定为150lx,但经过十几年的发展,我国的经济、生活水平提高很快,这样的照度标准已不能满足教学与学生健康的要求,与国际标准相差太远(发达国家的照度值标准为300~500~750lx),不仅照度值过低,照明质量也亟待提高,不少教室的照明灯具是控照灯,甚至是盒式日光灯(灯管裸露),使眩光超标、光源色温没有选择、灯光偏蓝、显色指数不够、灯具配光不合理等。

2004年新颁布了《建筑照明设计标准》GB50034-2004并在2004年12月1日正式实施,该标准将教室照明照度值提高了1倍,达300lx,接近CIE国际标准,并对照明质量提出了较为全面的要求,又新增加了对光源颜色的要求。

2、教室照明设计需要考虑的因素

2.1 教室的视觉作业特点

学生的观察对象特点:简单和复杂、尺寸大小、方向变化、到眼睛的距离变化、对比度变化等。

1)需要较长时间集中精力。

2)所观察的物件尺寸是变化的,如字体大小。

3)由距离近的作业(看书写字、记笔记)到距离远的作业(看黑板、看投影幕)。

4)在有光纸或无光纸上作业。

5)在有限时间内看清黑板上或书本上的所需内容。

2.2 照度水平

根据教室的视觉作业特点确定照度值。兼顾照明舒适度、经济能力等。

美国照明工程研究学会(IERI)的研究表明:对于尺寸相似的物件,一个给定的视功能水平所要求的物件对比与亮度的关系不是线形的:对比大的物件在低照度下便有足够的能见度,随着物件对比的降低,物件的亮度(以及由此而来的物件照度)必须大幅提高以保持规定的视功能水平。

例如,质量好的书本,看清印刷符号要求1~3fc(11~32lx)等效球面照度;复印质量很差的材料,由于对比度低,要求2000fc(22000lx)等效球面照度,由于技术条件限制和成本过高,在设计过程中排除这种极端使用条件;标准的铅笔手稿需要的最小亮度为70fc(750lx) 等效球面照度。以上给出的等效球面照度值是假定不存在光幕反射、人的视力正常、一组观察人员中50%的人达到预先选定的视功能条件所需要的照度。

另外跟据西欧研究的成果:在没有眩光的一般荧光灯照明条件下,人的视觉满意程度:最满意的照度在1500~3000lx,但是这种取值在经济上是不现实的,选择适当的范围考虑的依据是选择中等大小的普通物件,不用特别费力就能把它们辨认出来,需要200lx,国际照明委员会CIE给出的建议是,以200lx作为连续工作用的房间内的最低容许水平照度值,推荐照度值为300~500~1000lx,随着照度的增加,视觉的轻松程度、速度和正确性增加。

新颁布的《建筑照明设计标准》GB50034-2004(下面简称《新标准》)给出普通教室照明照度标准值为300lx,目前设计时可按《新标准》要求,并根据工程具体情况进行调整,在经济条件、产品技术条件允许的情况下,适当考虑照度舒适度要求。

2.3 照明质量要求

视觉功能并不仅仅取决于照度水平,而且与由照明装置所造成的光环境的其他物理特性有关。视觉功能实质上是人们分辨要看的细节亮度和背景亮度的能力的函数。必须考虑影响视觉作业——影响对比感觉的因素,这些因素包括照度均匀度、亮度比、光分布、直射眩光、反射眩光、光幕反射、颜色、光源显色性等。这些因素处理不好会使视觉不舒适或减少视度。

2.3.1 亮度关系:

当眼睛从一个亮度区域(如书本)移到另一个亮度区域时(如黑板),眼睛就要适应新的亮度水平,亮度差别过大,极易引起视疲劳,长时间过度用眼使睫状肌处于高度紧张状态,导致调节紧张或痉挛,久之,睫状肌失去弹性、灵活性减退,影响牵引晶状体的能力,从而损坏视力。

美国学校照明国家标准指南给出推荐亮度比:

1)教室中较大表面的亮度不得超过工作物件;

2)临近表面的亮度应低于工作物件,但不应低于其亮度的1/3;

3)任何重要的表面,其最低的允许亮度不得小于工作物件的1/3,最高的允许亮度亦不应超过工作物件的5倍。

为满足以上的亮度比,室内空间表面应选择合适的室内表面反射系数,《新标准》给出了顶棚、墙面、地面、作业面反射系数推荐值。

天花板:0.6~0.9

墙 壁:0.3~0.8

地 面:0.1~0.5

工作面:0.2~0.6

结合学校教室照明特点,以上反射系数不宜取下限值。

课桌面应是无光泽的浅色表面,以防止对窗户和头顶上方光源的反射。黑板照明可以提高能见度,提高黑板与周围表面的亮度对比。

教室空间各个表面对视觉明亮感的影响是不同的,下面是采用不同照明灯具所获得的不同效果。方案二利用顶棚具有的较高反射系数,进一步提高照度均匀度。

2.3.2 眩光限制

应避免和减少直射眩光、反射眩光和光幕反射。

1)照明系统和工作区的关系按照理想应当使工作物件(如书本)都不要位于任一光源同眼睛形成的镜面反射角内,也不要在其附近。

2)采用能够很好地控制直射眩光的灯具。

《新标准》给出了统一眩光值UGR为19,设计时要满足这一数值的要求。

2.3.3 光源的颜色特性

光源的颜色特性包括:

1)色温:灯本身的色度;

2)显色指数:决定被照物体颜色的显色性能。

色温:照明光源色度,按光源颜色外观效果分为三组:

暖色(<3300K)

中间色(3300~5000K)

冷色(>5000K)

光的颜色外观效果舒适度评价和照度有一定的对应关系,由试验得知,在低照度下,以暖色(<3300K)为好,随着照度的增加,光源的色温应当提高。

显色指数:所看物体的颜色外观与光源的光谱功率分布有关,并不取决于光的颜色外貌。由于不同光谱组成的光源所照射的有颜色的物体,人感觉的颜色不同,对这一影响用显色指数表示,将一些试样在给定的光源下看到的颜色,与这些试样在规定的参考光源下看到的颜色进行比较得到的颜色重现精确度。

这一指标对教室照明是比较主要的,显色性越高越好,但限于产品的技术条件,显色性过高,光效降低。新型高光效灯管对显色性有很大改进,在给定照度下,获得较好显色性,又未过多使用能源。

综上所述,为满足教室视觉作业要求,合适的照度值选定、满足照明质量各项要求缺一不可,最终落实在灯具选型、布灯方式、光源选择的照明设计工作。

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