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LED应用于教室照明的最佳照度及色温分析  

2010-10-12 14:10:32|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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如何实现更精确的配光、提高LED照明系统的可靠性和稳定性、降低造价等都是LED全面进入教室照明领域需解决的问题。此外,LED光谱安全性问题更应当引起业界的高度重视。上述这些方面都需要我们进一步的研究和改进。

——访重庆大学建筑城规学院严永红教授

  目前,学生近视眼发病率居高不下,经调研发现,环境因素与近视眼发病率相当密切,其中教室照明是最重要的影响因素之一。为了改善这一状况,为学生提供健康的照明环境,自2008年起,重庆大学建筑城规学院教授严永红承担了国家自然科学基金项目《基于光生物效应的教室健康照明研究》。在近3年的时间,她所带领的项目组对三种光色的T5荧光灯、LED灯,在不同照度下受试人的心理、生理反应进行了测试研究。内容主要包括视功效、视疲劳、脑疲劳、学习效率测试以及脉搏、心跳、呼吸等基础生理指标测试;为进一步了解不同光照刺激对人大脑的影响,项目组还进行了脑电图测试。

  目前除脑电图分析结果尚未完成外,其余测试结果已完成。为进一步了解该项研究成果对产业的意义,本刊特此采访了负责该项目的重庆大学建筑城规学院教授、国家低碳照明研究建筑照明研究室主任严永红。

  LED照明尚未正式进入教室照明领域

  《半导体照明》 :教室作为一类特殊的室内照明场所,其用灯有着哪些特殊要求?

  严永红:教室照明不仅对学生视力健康有很大影响,由于眼睛的非视觉效应,不同色温光源的光谱、光强度差异还会影响到学生的生理节律,使之产生兴奋或疲劳,影响学习效率和心理、生理健康。因此,教室照明用灯不仅要考虑光源色温、照度对学生的影响,还应该特别注意光源的光谱安全性。

  《半导体照明》:LED照明应用于教室目前是一种怎样的现状?

  严永红:目前,教室照明主要还是以荧光灯光源为主,LED照明尚未正式进入教室照明领域。只是在一些实验性项目中采用了LED。目前比较常见的是以直管LED来替代老式的T8荧光灯管,以获得更高的光效。但由于很多学校已经采用了光效更高的T5荧光灯,因此,这种LED应用的思路在今后将会受到很大制约。由于LED光源目前的价格高于T5荧光灯,从光效来看,也不占优势。因此,如果仅以节能的概念去推广LED教室用灯,我个人认为前景并不太好。

  青少年高近视率与不良的照明关系密切

  《半导体照明》:在您看来,LED照明应用于教室的市场潜力有多大?

  严永红:目前我国青少年近视率居全球第二,特别是大学生的视力不良检出率高达82.68%,其原因与不良的教室照明有很大关系。与荧光灯相比,LED更容易满足光谱安全性的要求,我们的实验也证明了在相同色温、相同照度下,LED具有更好的视功效表现。因此,从有利于学生视力健康、缓解学生紧张情绪的角度来看,LED较荧光灯有较大的优势,具有非常大的市场潜力。

  《半导体照明》:您认为目前LED应用于教室照明具备哪些优势和不足?

  严永红:与传统荧光灯光源相比,LED光源的最大优势是光谱易于控制,可通过以传统的蓝光芯片配合不同荧光粉配方、或利用多个不同光谱芯片混光等多种形式来形成所需的特定光谱,具有很强的灵活性。而荧光灯光谱只能通过调配荧光灯粉配方这一方式实现,具有很大的局限性。

  此外,LED还具有响应快、可进行点对点控制、灵活调光等特点,可很方便地得到需要的照度。利用这一特点不仅可实现与天然光的联动,根据我们的最新研究成果,还可用于我们即将开发的动态健康照明系统。

  与传统荧光灯照明相比,LED照明也还存在着一些不足。如配光不如传统的荧光灯照明,可靠性和稳定性差,价格高。

  教室照明4000K左右光源视功效最好

  《半导体照明》:LED应用于教室照明还需要解决的难点?未来将从哪些方面去改进?

  严永红:如何实现更精确的配光、提高LED照明系统的可靠性和稳定性、降低造价等都是LED全面进入教室照明领域需解决的问题。此外,LED光谱安全性问题更应当引起业界的高度重视。上述这些方面都需要我们进一步的研究和改进。

  《半导体照明》:在由您展开的LED应用于教室照明的实验中,目前已取得了哪些结论?

  严永红:大体有以下一些结论:首先,在心理实验及调查方面的调研结果显示,学生对色温的偏好并非一成不变,而是随教室功能、照度水平而变化,以此作为教室照明色温选择的依据并不可靠。评价一种光源是否是好的教室照明光源,除考虑学生的主观评价外,还必须考虑学生长时间处在特定光谱环境下,大量刺激所带来的疲劳累积对学生生理健康的影响。

  其次,在视功效测试方面的结论主要体现在以下三个方面,第一,应避免教室一般照明与黑板照明采用同色温光源;第二,无论是荧光灯组还是LED组,4000K左右光源的识别率曲线稳定性最好、识别率最高,表明其视功效表现最好;第三,目前我国南方大学教室使用最普遍的6500K荧光灯光源,其视功效表现最差;且当电压不稳定而使作业面照度发生微妙变化时,可能引起学生视觉工作效率的突然降低。

  教室照明中应避免色温——照度组合

  《半导体照明》:在应用于教室照明的产品中,通过试验您是否有一些可以供业界参考的指标?您下一步将会在哪些方面展开研究?

  严永红:学习效率及视疲劳、脑疲劳实验中,我们得出的结论有,第一,最佳推荐色温:在教室照明光源选择中,应以4000K左右中等色温的荧光灯、LED作为主要光源。而高、低色温光源,可加重学生的脑疲劳和视疲劳,降低学习效率,不应作为教室主光源。

  第二,最佳照度建议值:不同色温的光源,其最佳照度值并不相同,荧光灯与LED组相同色温的光源,其最佳照度值也不完全相同。我们以综合指数排序(见表1、2)来反映各色温组光源不同照度段受试人学习效率γ、视疲劳δ、脑疲劳η三者的综合指标ε,以“>”表示“优于”;以基准标识Ψ分项未达标总数来反映该光环境是否具有明显缺陷,即在综合指标ε较高的情况下,γ、δ、η三项中是否存在未达标的情况。此外,以平均综合指数ε来反映各色温组光环境的平均表现。

  对比表1、2可以看出,LED总体综合指数及分项达标情况优于荧光灯组;4000K组光源未达标数最少,表现最为突出。

  第三,教室照明中应避免色温——照度组合。根据实验结果,不考虑色温,盲目提高教室平均照度,不仅不能改善光环境,反而会降低学生的学习效率,影响其健康。

  实验还证明,在色温相同的情况下,光谱差异对综合指数ε、基准标识Ψ均有显著影响。因此,应对教室光源光谱进行改进。在测试中发现,某些厂家的LED室内光源中含有数量不等的紫外光,还有一些厂家的产品会明显地加重受试人的视、脑疲劳。如果不对LED光谱的安全性进行深入的研究,尽快制订出相关的行业标准,这样的产品一旦大量进入市场,其后果不堪设想。因此,课题组下一步的工作重点会在LED健康光谱筛选、LED动态健康照明系统研究等方面更深入地展开。

  表1 荧光灯组不同色温综合指数排序


色温(K)

综合指数排序

平均综合指数ε

基准标识Ψ分项未达标总数(个)

2700

300lx>1000lx>500lx>750lx

1.117

8

4000

1000lx>750lx>500lx>300lx

2.016

3

6500

750lx>300lx>500lx>1000lx

1.1016

10

  表2 LED组不同色温综合指数排序


色温(K)

综合指数排序

平均综合指数ε

基准标识Ψ分项未达标总数(个)

2700

300lx>750lx>500lx>1000lx

1.336

7

4000

750lx>1000lx>300lx>500lx

1.994

3

6500

500lx>300lx>750lx>1000lx

1.497

8

  教授、博士生导师,国家建筑技术科学系主任、国家低碳照明研究中心建筑照明研究室主任、中国照明学会理事。主要研究城市照明规划、建筑室内外照明、生态建筑技术研究等领域。完成国家、省部级研究项目十余项,由其主要负责的课题有:国家自然科学基金项目《基于光生物效应的教室健康照明研究》;亚热带国家重点实验室开放课题《教室典型光源对人体光生物效应影响研究》;重庆市自然科学基金项目《基于LED标准的模块式生态屋面关键技术研究》等。

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