中小學(xué)普通教室照明測量方法的研究

22中小學(xué)普通教室照明測量方法的研究引言隨著人們生活水平日益提高，對照明的要求已不滿足于基本的照亮功能，而是健康照明、舒適照明上提出了更高要求。教室照明燈具按被照對象分類可分為兩種：用于課桌照明的燈具和用于黑板（或書寫板）照明的燈具（也稱為黑板燈）。隨著LED這一新型光源的普及，越來越多地區(qū)和學(xué)校對教室照明現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查研究［1,2］，有些還著手對傳統(tǒng)照明燈具進(jìn)行了改造，以期提高照明質(zhì)量［3,4］，保護(hù)學(xué)生視力［5］。這些改造工程中，照明測量和效果評價(jià)都是必要環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對中小學(xué)教室照明測量方法的規(guī)定仍存在不夠詳細(xì)、不夠合理等問題，導(dǎo)致可操作性、結(jié)果可對比性較差。本文將就中小學(xué)普通教室照明的具體測量細(xì)節(jié)展開討論。1相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況目前教室照明質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo)可分為以下4類：a）基本照明指標(biāo)：平均照度、照度均勻度。b）舒適性指標(biāo)：統(tǒng)一眩光指數(shù)（UGR）。c）能效指標(biāo)：照明功率密度。d）顏色指標(biāo)：相關(guān)色溫、顯色指數(shù)。對于這些指標(biāo)，我國在不同的標(biāo)準(zhǔn)中都進(jìn)行了規(guī)定，主要標(biāo)準(zhǔn)包括GB50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB50099—2011《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB7793—2010《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》、DB31/T539—2011《中小學(xué)校及幼兒園教室照明設(shè)計(jì)規(guī)范》等。以植物為食的恐龍總是要小心地提防兇猛的食肉恐龍，于是植食性恐龍演化出了各種防御結(jié)構(gòu)，比如長角、頭盾和大爪子。在眾多植食性恐龍中，有一種恐龍的防御結(jié)構(gòu)顯得十分與眾不同——頭頂上長有厚厚的頭蓋骨。這就是練就了“鐵頭功”的腫頭龍。這些標(biāo)準(zhǔn)對教室照明質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)以及測量方法的規(guī)定不盡相同，以普通教室為例，指標(biāo)限制及引用的方法標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。可見這些標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于相關(guān)指標(biāo)的測量方法，要么沒有明確闡述，要么直接引用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5700—2008《照明測量方法》。該方法標(biāo)準(zhǔn)中未涉及UGR的測量和計(jì)算，雖然規(guī)定了現(xiàn)場照度、色溫、顯色指數(shù)、電參數(shù)的測量，但規(guī)定不夠詳細(xì)，實(shí)際操作時(shí)往往容易產(chǎn)生分歧，導(dǎo)致結(jié)果缺乏可比性，同時(shí)有些方法不夠合理，這些都將影響相關(guān)指標(biāo)的測量和計(jì)算結(jié)果，也對照明設(shè)計(jì)造成困擾。表1不同標(biāo)準(zhǔn)對普通教室照明質(zhì)量的要求Table1Thelightingqualityrequirementsofdifferentstandardsforgeneralclassroom沏fitsGI1玄鄧14GI3581099飾."於IJRWT澤烘血范時(shí)平均蒯曙1*M炯M300^1).6凱7刖7黒拒淮訐平掃嗦世沖K)一、則>500熬址駅廈血?jiǎng)蚨裙こ鸲∫?MJYMN]一3JLNJ'SMH(JtiS)孑盹3跡｛光懼）切0d^S-O<VIOOh1c]{fl￡l9圧19物理量GB50034GB50099GB7793DB31/T539課桌面維持平均照度/lx#300230023002300課桌面照度均勻度20.620.720.720.7黑板維持平均照度/lx2500—25002500黑板照度均勻度20.7—20.820.7相關(guān)色溫/K3300?5300—3300?5500（光源）一顯色指數(shù)280280上80(光源)280照明功率密度/(W/m2)W8.0W8.0W9W3/100lxUGRW19W19W19W162照度測量區(qū)域的確定照度測量區(qū)域是指用來測量和計(jì)算平均照度和照度均勻度的區(qū)域。GB/T5700—2008未對照度測量區(qū)域進(jìn)行規(guī)定，實(shí)際測量課桌面照度時(shí)，測量區(qū)域的選取存在一定的隨意性，甚至將整個(gè)教室作為測量區(qū)域。教室內(nèi)除了學(xué)生課桌讀寫工作區(qū)域外，還有教室前后還有講臺(tái)、儲(chǔ)物低柜及其周邊等非讀寫工作區(qū)域，這些區(qū)域是否需要納入測量區(qū)域？在工作區(qū)域周邊至少0.5m范圍內(nèi)稱為緊鄰區(qū)域，該區(qū)域的內(nèi)的照明應(yīng)在視場內(nèi)提供良好均衡的亮度分布，否則照度的顯著變化可能導(dǎo)致視疲勞和不舒適。出于節(jié)能等因素考慮，緊鄰區(qū)域的照度可以比工作區(qū)域低一些，但不能過低，以普通教室為例，課桌維持平均照度為300lx時(shí)，緊鄰區(qū)域的照度不宜低于200lx；黑板維持平均照度為500lx時(shí)，緊鄰區(qū)域的照度不宜低于300lx[6]。可見，教室內(nèi)除課桌外的其它非讀寫工作區(qū)域，水平照度可能比課桌區(qū)域低30%以上，將這些區(qū)域納入照度測量區(qū)域顯然不合適。課桌面照度測量區(qū)域應(yīng)為課桌擺放區(qū)域。對于課桌數(shù)量和位置不固定的教室，確定測量區(qū)域時(shí)應(yīng)考慮課桌的最大可能擺放區(qū)域。課桌往往緊挨著教室左右墻面擺放，因此測量區(qū)域的寬度即為教室寬度。目前有些學(xué)校為容納更多學(xué)生，會(huì)將最前排課桌緊挨著講臺(tái)桌擺放，故測量區(qū)域前端應(yīng)從講臺(tái)桌前沿開始。GB50099—2011規(guī)定最后排座椅后沿與后墻面或固定家具的凈距不小于1.1m,—般課桌后沿與座椅后沿距離約0.6m,故測量區(qū)域后端應(yīng)距離后墻面或固定家具1.7m。3測量區(qū)域網(wǎng)格劃分GB/T5700—2008規(guī)定將測量區(qū)域劃分為若干個(gè)正方形網(wǎng)格（課桌面照度測量網(wǎng)格為2mX2m,黑板照度測量網(wǎng)格為0.5mX0.5m）,采用中心布點(diǎn)和四角布點(diǎn)兩種布點(diǎn)方法。由于四角布點(diǎn)法測量點(diǎn)數(shù)較多,且當(dāng)網(wǎng)格線與墻面等固定物重合時(shí),實(shí)際無法測量,因此一般采用中心布點(diǎn)法，即測量每個(gè)網(wǎng)格中心點(diǎn)的照度。平均照度Eav通過式（1）計(jì)算：避雨拱棚搭建方法：在原葡萄架水泥立柱頂端加固1根長0.8m的支柱，使其高度達(dá)到2.5m,水泥立柱頂端加固1根1.5?1.7m的橫梁,橫梁兩端和立柱頂端各拉1道10#鐵絲,用竹片做拱,跨度1.6m,竹拱兩端固定在鐵絲上，竹拱間距0.6?1.2m。竹拱與竹拱間用鐵絲連接并扶正,每畝需碗口粗的竹竿10根,用于地兩頭水泥柱的固定。兩頭用地錨拉緊固定。薄膜用竹片加壓以及拉繩固定在搭架的竹拱上,膜的兩側(cè)卷細(xì)竹竿捆在拉緊的鐵絲上。每間隔7m,用布條將棚膜固定在葡萄老藤蔓上，防止風(fēng)大揭棚。搭建完成后，行與行的空隙為30cm，這樣可保證東西向的陽光照到葡萄樹。(1)式中Ei為第i個(gè)測點(diǎn)的照度；M為縱向測點(diǎn)數(shù)；N為橫向測點(diǎn)數(shù)?？梢?，式(1)是基于每個(gè)網(wǎng)格中心點(diǎn)的照度值等于該網(wǎng)格每一點(diǎn)的照度(或平均照度)這個(gè)假設(shè)而得出的，因此要求網(wǎng)格為正方形，以使各個(gè)方向投射到該網(wǎng)格的光線占比盡量相等，保證其中心點(diǎn)照度能夠代表該網(wǎng)格的照度。GB/T5700—2008的網(wǎng)格劃分和平均照度計(jì)算方法應(yīng)用于教室照明測量時(shí)可能存在如下幾個(gè)問題。特別地，如果g(X)二ax+b,aH0則對于的極值1,GMC(Y|X)g(X)a.s.；若g是一對一的可測函數(shù)，貝UGMC(Y|X)二GMC(X|Y)=1,若g不是一對一的，則GMC(Y|X)=1>GMC(X|Y)20。3.1網(wǎng)格尺寸對測量結(jié)果的影響理論上，網(wǎng)格尺寸越小、數(shù)量越多，測量的數(shù)據(jù)越多，越不容易遺漏重要位置的數(shù)據(jù)(如最小照度和最大照度)，結(jié)果越準(zhǔn)確。1)黑板照度測試。當(dāng)前LED黑板燈越來越普及，該類燈具一般被設(shè)計(jì)成垂直方向的光束較集中(圖1)，采用在黑板上沿的前方位置單側(cè)布燈的方式，這種布燈方式下光束斜照向黑板后通常導(dǎo)致黑板面靠近上沿或下沿附近照度特別低。圖2是一個(gè)黑板中央4mX1m照度測量區(qū)域的照度分布，表2是該區(qū)域在網(wǎng)格劃分為0.5mX0.5m和0.2mX0.2m情況下的結(jié)果，可見兩者平均照度值很接近，但前者照度均勻度為0.76，符合表1中至少2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，而后者照度均勻度僅為0.59，不符合表1任何標(biāo)準(zhǔn)的要求，同樣的黑板和照明燈具布置，僅網(wǎng)格大小不同，測量結(jié)果卻有很大差異。由于黑板燈投射在黑板上的光線較集中，照度

梯度變化較大（表4）,0.5mX0.5m網(wǎng)格測點(diǎn)間距過大，導(dǎo)致所測得的最小照度明顯大于0.2mX0.2m網(wǎng)格，相應(yīng)的照度均勻度也明顯偏大。出門去洗水果，有位阿姨跟了出來，說：“孩子，你真大度?！蔽艺f：“也不是大度，我婆婆實(shí)際對我挺好的，不過喜歡激將我而已。我以前的做法不像家人，是我不對。既然是一家人，就得說家人該說的話，做家人該做的事嘛?！?0590'=9(尸7575CJ40060rj60800145°00()200300°3010590'=9(尸7575CJ40060rj60800145°00()200300°3015°cd/klni-—C0-CI80C90-C270圖1黑板燈配光曲線Fig.1LightdistributioncurveofBlackboardluminaire

640790950640790950圖24mX1m黑板測量區(qū)域照度分布示意圖Fig.2Schematicdiagramofilluminationdistributionof4mX1mblackboardmeasurementarea表24mX1m黑板照度測量區(qū)域不同網(wǎng)格劃分的結(jié)果Table2Differentresultsofdifferentmeshesof4mX1mblackboardilluminancemeasurementarea網(wǎng)ffix'j-Jft小MS/h瞬廈均勻nr0.5irticO-5in機(jī)1^750.630.2rnxO..2an20x50.丹0.47網(wǎng)格尺寸網(wǎng)格數(shù)平均照度/lx最小照度/lx最大照度/lx照度均勻度最小照度/最大照度0.5mX0.5m8X28066119750.760.630.2mX0.2m20X57964699930.590.47*——GB/T50034、GB/T7793和DB31/T539均將照度均勻度定義為最小照度/平均照度表34mX1m黑板照度測量區(qū)域不同網(wǎng)格劃分的鄰近網(wǎng)格最大偏差Table3Maximumdeviationofadjacentgridsindifferentmeshesof4mX1mblackboardilluminationmeasurementarea網(wǎng)格尺寸相鄰網(wǎng)格最大偏差/lx相鄰網(wǎng)格最大偏差/平均照度0.5mxO.5in21326.8%0.2mxO.2in15819.9%網(wǎng)格尺寸相鄰網(wǎng)格最大偏差/lx相鄰網(wǎng)格最大偏差/平均照度0.5mX0.5m21326.8%0.2mX0.2ml5819.9%2）課桌面照度測試。中小學(xué)教室一般為9mX7m左右的矩形，燈具縱向布置3?4盞，橫向布置2?3盞，如果按2mX2m劃分網(wǎng)格，則網(wǎng)格數(shù)很少，且網(wǎng)格尺寸與燈具間距相近，結(jié)果會(huì)存在一定誤差。表4列出了一個(gè)6mX6m的課桌面照度測量區(qū)域（燈具布置周期為2.375mX2.485m）在不同網(wǎng)格劃分尺寸下的結(jié)果，可見2mX2m網(wǎng)格尺寸測得的照度均勻度偏離0.5mX0.5m網(wǎng)格約7%。與黑板照明相比，由于課桌照明燈具布置對稱性好，燈具光束較寬，照度梯度變化較小，故由網(wǎng)格大小劃分產(chǎn)生的誤差也相對較小。譯文：這對異族男女（丈夫是白人，妻子是黑人）八年前結(jié)的婚。對此，雙方的家庭都曾十分震驚，而且都不贊成這樁婚事。不相識(shí)的人總以驚異的眼光打量他倆，還說些難聽的話。所有這一切他倆都挺過來了。（何剛強(qiáng)：36）3.2實(shí)際測量區(qū)域?qū)y量結(jié)果的影響實(shí)際測量區(qū)域尺寸一般不是GB/T5700—2008所規(guī)定網(wǎng)格尺寸的整數(shù)倍，GB/T5700—2008標(biāo)準(zhǔn)中未提及這種情況如何處理。一般有如下兩種做法。表46mX6m課桌面照度測量區(qū)域不同網(wǎng)格劃分的結(jié)果Table4Resultsofdifferentmeshesof6mX6mclassdesktopilluminancemeasurementarea陶搭尺寸說小靈.哎晟小削.度/皆玄冊度2ntm2;in42^ny?0.911tiiX|in6K6396359A320_910.S30.$luMD.5m12x12:m3554510.^a79網(wǎng)格尺寸網(wǎng)格數(shù)平均照度/lx最小照度/lx最大照度/lx照度均勻度最小照度/最大照度2mX2m3X34023894290.970.911mX1m6X63963594320.910.830.5mX0.5m12X123943554510.900.79方法一：為了能夠劃分出整數(shù)個(gè)網(wǎng)格而縮小測量區(qū)域，依據(jù)GB/T5700—2008規(guī)定的網(wǎng)格尺寸，將四周無法湊足整數(shù)網(wǎng)格的區(qū)域直接排除，而將測量區(qū)域設(shè)置在前后（或上下）和左右方向各自居中的位置。顯然，這種方法很可能丟失一些重要的測量點(diǎn)（如最小照度點(diǎn)）。方法二：不排除任何應(yīng)測量區(qū)域，而是改變網(wǎng)格尺寸。EN12464—1：2011中規(guī)定了一種根據(jù)測量區(qū)域尺寸來確定網(wǎng)格尺寸的方法。首先，計(jì)算最大網(wǎng)格尺寸p（單位：m）:p=0.2X5log10d（2）式中d—般為測量區(qū)域的較長邊，當(dāng)測量區(qū)域的較長邊為較短邊的2倍或以上時(shí)，d取測量區(qū)域的較短邊。其次，取最接近d/p的整數(shù)為該邊方向上的網(wǎng)格數(shù)，并計(jì)算該方向上的網(wǎng)格尺寸L。最后，取最接近d'/L的整數(shù)為測量區(qū)域另一方向上的網(wǎng)格數(shù)（d‘為該方向的長度），并計(jì)算出該方向上的網(wǎng)格尺寸。這種方法確定的網(wǎng)格尺寸一般不是正方形而是接近正方形的矩形，但它使得測量區(qū)域不再受固定的網(wǎng)格尺寸的限制。圖3是一個(gè)10mX7m的典型教室的燈具布置案例示意圖，按照前文的闡述，該教室課桌照度測量區(qū)域應(yīng)為6.7mX7m；黑板照度測量區(qū)域應(yīng)為4mX1.22m。表2?表4中第一行數(shù)據(jù)是按照方法一測量的結(jié)果。圖3教室燈具布置示意圖Fig.3Schematicdiagramofclassroomlighting表5和表6中第一行數(shù)據(jù)是根據(jù)方法二測量的結(jié)果，可見方法二和方法一相比，由于增加了邊沿部分的測量區(qū)域，測得了更小的最小照度，結(jié)果更接近真實(shí)情況，因此方法二比方法一更佳。我國新一輪高考改革是順應(yīng)新時(shí)代對人才需求而開啟的，旨在為每一個(gè)學(xué)生提供自主發(fā)展的機(jī)會(huì)以培養(yǎng)全面發(fā)展的人。因此，我們需要客觀看待新高考改革中高中英語教學(xué)中存在現(xiàn)實(shí)問題，打破常規(guī)，尋求新的發(fā)展突破點(diǎn)，探索提高英語教學(xué)效率的可行性路徑。表54mX1.22m黑板照度測量區(qū)域測量結(jié)果Table5Measurementresultof4mX1.22mblackboardilluminationmeasurementarea址小ffl［盛山帕IS網(wǎng)勻度鍛小肺度/■最大酬喘0.25mxQ,>44m776424a■鮎0.430l200mxO.203m20x677544)10,520.41網(wǎng)格尺寸網(wǎng)格數(shù)平均照度/lx最小照度/lx最大照度/lx照度均勻度最小照度/最大照度0.25mX0.244m16X57764249890.550.430.200mX0.203m20X67754019900.520.41表66.7mX7m課桌面照度測量區(qū)域測量結(jié)果Table6Measurementresultof6.7mX7mclassdesktopilluminancemeasurementarea平肉購?fù)k址小愿直小從牌、時(shí)h師小黑世館K愿莊0.744IHSO-778血3843214590.840.700?609mxO,583血11x12383M74+30.30網(wǎng)格尺寸網(wǎng)格數(shù)平均照度/lx最小照度/lx最大照度/lx照度均勻度最小照度/最大照度0.744mX0.778m9X93843214590.840.700.609mX0.583m11X123833074430.800.69從表5和表6可見，網(wǎng)格劃分越小，越能測到靠近測量區(qū)域邊界的點(diǎn)，測得的最小照度越小，就此而言方法二所確定的網(wǎng)格尺寸并不足夠小。但是同時(shí)，網(wǎng)格劃分越小，測點(diǎn)就越多，工作量增大，且無限減小網(wǎng)格并不可行，因此在對測量結(jié)果影響不大的情況下，可根據(jù)實(shí)際情況考慮網(wǎng)格的大小。對于黑板照度測量，考慮目前照度探頭的最大尺寸約7cm（含探頭周邊的機(jī)身部分），且學(xué)生視線距離較遠(yuǎn)，故網(wǎng)格尺寸選取在0.2m左右較合適。對于課桌面照度測量，中小學(xué)生桌面尺寸一般為0.6mX0.4m左右，由于教室照明燈具光束較寬，布燈均勻，照度梯度較小，可將網(wǎng)格尺寸選為0.6m左右。我們可以對方法二作如下調(diào)整以使其更適用于中小學(xué)普通教室照明的測量。首先，取最接近d/p的整數(shù)為相應(yīng)方向上的網(wǎng)格數(shù)，并計(jì)算該方向上的網(wǎng)格尺寸L。其中d—般為測量區(qū)域的較長邊，當(dāng)測量區(qū)域的較長邊為較短邊的2倍或以上時(shí)，d取測量區(qū)域的較短邊；p取0.2m（黑板照度）或0.6m（課桌面照度）；然后，取最接近d'/L的整數(shù)為測量區(qū)域另一方向上的網(wǎng)格數(shù)（d'為該方向的長度），并計(jì)算出該方向上的網(wǎng)格尺寸。4現(xiàn)場色溫和顯色指數(shù)的測量GB/T5700—2008規(guī)定每個(gè)場地測量點(diǎn)數(shù)量不應(yīng)少于9個(gè)（住宅單個(gè)房間可不少于3個(gè)），然后取算術(shù)平均值作為現(xiàn)場的色溫和顯色指數(shù)。對于中小學(xué)普通教室，由于現(xiàn)在越來越廣泛采用的LED燈具相比傳統(tǒng)光源，存在顏色不均勻度可能較大的問題，因此僅測量少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)且未規(guī)定布點(diǎn)方式，其測量結(jié)果無法真實(shí)反映被照場所的顏色分布，結(jié)果也不22(4)2(4)2具有可比性和可重復(fù)性。可按照前文所述照度測量的布點(diǎn)方式確定顏色測量點(diǎn)，并增加計(jì)算所有測點(diǎn)間色差異［7］的最大值以評價(jià)被測場所的顏色不均勻度。5照明功率密度的計(jì)算照明功率密度(LPD)是指單位面積上照明實(shí)際消耗的功率，單位是W/m2,計(jì)算公式為LPD=LPD=(3)式中Pi為被測量照明場所中第i個(gè)照明燈具的輸入功率，S為被測量照明場所的面積。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中未指明照明場所面積的范圍是只包括課桌面/黑板照度測量區(qū)域還是指整個(gè)教室面積，是只計(jì)算課桌面照明燈具還是也包括黑板燈具。作為節(jié)能指標(biāo)，教室的LPD體現(xiàn)的應(yīng)是整個(gè)教室單位面積內(nèi)所有照明燈具(也包含黑板燈)的能耗水平，因此應(yīng)計(jì)算所有