广州计量院｜以精准教室照明环境测量保护青少年视力健康
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近年来，我国中小学生视力不良率居高不下，并呈现上升趋势，而教室照明的不达标是造成学生视力不良的重要原因之一。为了更好的保护学生的视力、身心健康，对教室的照明环境提出了更高的要求。 从2018年开始，全国各地陆续开展了教室照明的改造工程，目的就是能够营造一个舒适、明亮的用眼环境，以此守护学生的视力健康。 但改造过程中，在传统荧光灯和LED灯具的选择上则出现了比较大的分歧，不少校方和家长对教室照明的标准不了解，又对LED存在危害的说法有着本能的抗拒，导致各地方教室照明改造质量参差不齐，甚至有些改造后效果更不理想。 我院长期从事工程照明环境的检测工作，拥有丰富的经验，同时也参与很多照明环境的标准制定工作，我们就从国家标准入手，以实测数据为准则，分析不同光源用于教室照明对学生用眼健康的影响。 一、教室照明的国家标准 在目前教室照明相关国家标准中，选取两个有代表性的标准：GB50034-2013《建筑照明设计标准》、GB7793-2010《中小学教室采光和照明卫生标准》。 标准中对于照明灯具可考核的参数包括：桌面和黑板的维持平均照度;照度均匀度(规定平面上照度最小值和平均照度之比);光源色温;光源显色指数;统一眩光值(UGR)等。如表1所示。另外还包括相关建筑设计参数，如墙面反射比、灯具设计高度等。
二、教室用LED灯具和普通灯具能效及颜色参数对比 国家标准中涉及学生视力健康最关键的参数就是平均照度和照度均匀度，影响视觉舒适性的是眩光，以及光源色温和显色指数。但从“明亮”的角度，也就是课桌面照度水平来看，传统光源和LED光源都能够达到标准要求的效果。但在满足照度的同时，也要满足其他条件就有一定的难度了。而通常印象里，用LED灯具把环境照亮很容易，但是要让环境舒适就很难，也就是颜色显示是LED的短板。 由于其发光原理，光谱有明显缺失，导致很长一段时间里很难应用到用于读写的光环境中。但随着技术的不断发展，LED已经突破了很多技术难点，我们通过实验数据来具体分析。 1、灯具能效的对比 教室照明灯具是整个照明环境的核心，目前绝大多数教室都是使用直接照明的方式。传统荧光灯光源灯具由于是全方向发光，通过反射器合理的利用光源光通量，提高课桌方向的照度，这样灯具效率会受到影响。而LED自身特点就是基本全部向下发光，而且通过格栅还可以有效的控制眩光，整个灯具的效率得到很大提升。 我院实验室检测过相关格栅灯具，并通过数据来比较。LED光源灯具使用的是2根18W的LED灯管，传统灯具采用的是2根36W的双端荧光灯，灯具均是敞开式格栅。如表2所示，可以看到LED灯具的效能比普通光源灯具要高，但是灯具的光通量却相对低。
因为教室灯具最主要的目的是提供课桌表面照度，从数据对比来看，LED灯具是可以起到替代作用的，只不过由于光通量相对低些，要想达到相同的照明标准需要适当增加数量或提高光源功率，但是即便如此，LED光源依然可以起到节能的效果，提供更好的照明功率密度。 2.灯具颜色特性对比 GB7793-2010中规定“教室宜采用3300K～5500K色温的光源，光源的显色指数不宜小于80。”光源的色度指标对于学生用眼的舒适性有很大的影响，标准规定的色温范围相对合适，教室既不会显得太冷白(大于6000K)，也不会显得太暖暗(小于3000K)。显色指数影响的是物体色的还原程度，作为标准的A光源属于全光谱色域，我们看到的物体色以此为参考，如果光源显色指数过低，看到的物体色会产生很大的色差，看起来也会很不舒服。对于LED光源，由于光谱是缺失的，一直以来显色性相对较低(60～70左右)，所以之前一直作为装饰用灯。不过近两年随着技术的发展，产品质量的提升，LED的颜色指标进步很快，很多产品显色指数均达到了80以上。目前很多大品牌LED光源显色性甚至做到90以上，所以在颜色特性上LED已经可以满足教室用灯需要了。 三、LED灯具蓝光辐射测试分析 LED存在蓝光辐射危害一直是人们关注的问题，教室用灯更是关乎学生的用眼健康，不能忽视。有几个问题需先予以说明： 首先，LED光源的辐射危害主要来源于蓝光，所谓蓝光危害由波长主要介于(400~500)nm的辐射照射后引起的光化学作用，导致视网膜损伤的潜能。此伤害机理主要是超过10s的热损伤生理反应。 其次，所谓蓝光危害并不是LED光源产品特有的，某些金卤灯和荧光灯一直存在此类特性。 第三，要正确区分蓝光危害和“富蓝化”照明产生的影响，蓝光危害主要指蓝光的辐射亮度达到相关标准规定的条件时，会在较短时间对人眼造成的伤害(GB/T 20145-2006《灯和灯系统的光生物安全性》)。而含有“富蓝化”的照明(蓝光LED，以及部分高色温光源)则是影响人的生理规律，对人体生理方面的影响需要长时间才好有所体现，目前这方面还没有相关的考量标准。 最后，蓝光是组成白色光的重要组成部分，所以在正常情况下滤掉蓝光的说法是片面的，按人的生理时辰节律选择光照成份和质量，才是合理可靠的。 1、LED灯具光辐射危害标准及部分检测数据 对于LED的光辐射危害检测，国外属于强制检测项目，我国最新的标准GB7000.1《灯具第1部分：一般要求与试验》已经列入，国内执行的检测标准为GB/T20145-2006。依据GB/T20145-2006，蓝光视网膜危害分类： ①无危险(辐亮度≤100 W·m-2·sr-1)：无危害类是灯对于本标准在极限条件下也不造成任何光生物危害。 ②低危险(1类)(辐亮度≤1×104 W·m-2·sr-1)：在曝光正常条件限定下，灯不产生危害。 ③中危险(2类)(辐亮度≤4×106W·m-2·sr-1)：灯不产生对强光和温度的不适反映的危害。 ④高危险(3类)(辐亮度>4×106W·m-2·sr-1)：灯在更短瞬间造成危害。
从表3的检测结果看，对于LED产品的辐射危害并无太大规律可循，更多地需要取决产品的防护措施和产品自身质量。 测试产品中部分色温远远高于6500K，这种LED产品已经超出常规照明产品使用的白光色温的上限，其中蓝光成分占有相当比例，虽然本次检测样品的LED模块的功率相对较小，但已不适合用作一般照明，长期使用此类产品将危害人的生理规律，影响睡眠，造成生物钟的紊乱，进而降低人的免疫力。 “日出而作，日落而息”，这种生理反映是靠人的司辰视觉细胞提供给大脑信息的。人们主要家庭用灯时间大都在晚上，所以用低色温的光，给予生理上的提示，有利于睡眠，符合生理规律。而对于容易失眠的人来说，即使是色温在(5000 ～ 6000)K范围的照明产品，也不适合晚上使用。 2、教室用LED光源与荧光灯光谱对比
图1是LED灯与荧光灯的光谱对比图，图左边一列是冷色调灯的光谱图比对，LED光源色温低(1000K左右)，在保持光效时才能勉强达到显色指数的要求，两种光源的光谱中红色和绿色光比例差不多， LED灯的蓝色比还比荧光灯略低一些。 图右边一列是暖色调灯的光谱图比对，LED灯色温高出300K，荧光灯的红色比明显高，但是蓝色比还是LED灯略低。由此可知，目前技术条件下生产的LED光源只要保持显色指数大于80，色温保持在不高于4500K，其蓝光的成分是不会高于同类的荧光灯的。 四、教室用LED灯具与荧光灯炫光(UGR)对比 眩光是指在观察视场中由于照明亮度分布不均匀，存在明显或极端的亮度对比，从而导致观察者视觉不舒适或者被观察物体可见度降低的照明现象。 评价眩光的方法有很多，统一眩光值(UGR)是目前与主观评价相关系数最高的眩光表征方法，在室内眩光测量上有广泛的应用。教室照明产生的眩光也是用UGR来进行评价。 我国现行国家标准中，教室的UGR限值为19，相对是比较宽松的。目前很多地方标准的UGR限值为16，相对严苛一些。我们通过实地检测来对比常规荧光灯照明的教室和LED灯具照明的教室在眩光这项参数上的表现如何。 我们选取了中山市某小学的两间教室，规格相同，布灯方式也相同，分别采用了传统荧光灯照明，和LED灯具照明，其中荧光灯功率为20W/支，LED灯具为36W/支。
传统荧光灯照明的教室环境，课桌面的平均维持照度只有233 lx，低于国家标准的300 lx，显色指数86.8，现场色温7236 K，也超过了国家标准的要求。新改造的使用LED光源照明的教室环境，课桌面的平均维持照度达到了461 lx，显色指数97.0，现场色温4572 K，均满足了国家标准要求。再进行眩光测试，测量结果如表4所示。
我国标准教室统一眩光值不大于19，从结果可看出，两间教室都是符合标准要求的，而且LED照明的教室眩光值更低，整体的光环境更好。从教室的亮度分布图中我们也能看出，虽然荧光灯照明的教室相对较暗，原则上眩光应该不高，但是却明暗对比较为强烈，从而产生可察觉的眩光。LED照明教室这边，光源功率更高，亮度强，但是得益于LED灯具优异的可塑性，做了很好的补光措施，致使整个环境没有明显的明暗对比，整体感受舒适。 五、总结和建议 通过对教室用灯具国家标准的解读，并以实测数据分析，我们梳理给出以下建议： ①教室照明用LED灯具在照度、色温、显色性、统一眩光值等方面已经完全可以达到相关标准，并且还稍具优势，如能效更高，启动速度快，眩光更易控制，寿命大幅提高等等。 ②蓝光危害问题是客观存在的，但不能一概而论，更不能“妖魔化”。首先通常说的蓝光危害是指瞬时危害，是可以通过产品质量控制，产品检测剔除危险品从而避免的。另外更需要关注的应该是“蓝化”的照明对学生生理司辰规律带来的影响，这一点要说明的是首先蓝光是白光的组成部分，正常生活中一定是有蓝光存在的，不能通过滤掉蓝光来避免。另外高色温的LED长时间会对人的生理规律造成影响，而国家标准中规定的色温标准(3300～5500)K是相对温和的，并不会有不适感。 ③LED产品无论从产品质量还是标准体系都日渐完善，作为新型节能型光源，针对不同人群、不同场合，调节出合理的光谱和光色，正是LED的优势所在，逐渐替代传统光源应该是一个趋势。 ④教室照明环境改造要做好产品质量监督工作，严格对教室照明用灯具进行检测，尤其是光度、色度、辐射安全方面的测试。同时要加大对中小学教室的风险监测，定期进行照明环境的检测，包括照度、均匀度、色温、眩光等。 呵护青少年就是呵护我们的未来，学生们长期在学校生活，明亮舒适的照明能够有效地保护视力。用准确的测量数据，助力打造优良的教室照明环境，用心呵护学生的身心健康是计量大的职责所在。
来源：光研究市场 |
