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教室照明技术标准与应用质量探究

日期:2019/12/30

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摘  要:儿童青少年健康成长是每位家长最为关注的焦点,本文阐述我国教室照明的现状,分析照明对学生用眼的影响,相关质量标准函待规范的迫切性,以及对比国内外技术标准差距,探讨利用LED平板灯具改善教室照明的设计与系统方案,提出改善思路与途径,意在促进教室照明用灯具的质量提升。

关键词:教室;照明;健康;影响;标准;质量

中图分类号:TM923.4     文献标识码:A

引言

       随着半导体LED照明的成熟应用与技术发展,我国相继推出相应政策措施来推动产业发展,从产业规划、研发支持、财政激励、应用示范、标准体系建设等不同层面引导和推动照明产业的规范与技术提升。近年来,由于中小学生课内外负担加重,手机、电脑等电子产品的普及,用眼过度、用眼不卫生、缺乏体育锻炼和户外活动等因素,我国儿童青少年近视率居高不下、不断攀升,近视低龄化、重度化日益严重,已成为一个关系国家和民族未来的焦点问题。有待通过强制执行相应国家标准,规范教材、教辅材料、教室照明灯具和学习用台灯等产品的生产及质量要求,管理部门加强学习用品的监督管理,规范学习用品市场,更好地支持企业淘汰质量落后的产品,进一步促进我国儿童学习用品市场健康有序发展,更好地保护儿童青少年的视力健康。光是人类生活、学习和工作过程最重要的伙伴,驱逐黑暗的同时给予人们温馨的氛围。我们应倡导健康照明的理念,以满足人们对健康光品质及舒适光环境的追求,让爱眼护眼的话题越来越多地成为公众视野的焦点,让人们越来越强烈地感受到儿童青少年视力不仅要关爱,还要进行一场“全民视力保卫战”来呵护他们的视力及健康成长。2018年8月,教育部、国家卫生健康委员会(nationalhealth commission of the people′s republic of china,NHCPRC)等八部门联合印发了《综合防控儿童青少年近视实施方案》,要求教室照明等卫生标准100%达标,落实教室、宿舍和图书馆的采光与照明要求,并使用有利于视力健康的照明产品。教育部、NHCPRC与多个省级人民政府签订了《全面加强儿童青少年近视防控工作责任书》,对降低儿童青少年的近视率提出了明确要求,意在将近视防控上升为国家战略。

1 教室照明

1.1 教室照明现状

       一直以来,我国学校教室照明现状处于相对落后的状态,不被关注与重视,许多学校管理人员不了解照明灯光对学生视力的影响之重要性。NHCPRC等主管部门针对我国教室照明现状,由国家教育部教育装备研究与发展中心、国家灯具质量监督检验中心、学校照明环境研究中心及各省市教育装备管理部门于2016年对全国学校照明现状调研发现,我国学校教室照明达标率不足10%。正处于视力发育期的学生,特别是少儿学生,每天有约6-10小时是在教室或学习环境中,如果长时间处在不佳的照明光环境下紧张地学习,其视力必定会受到影响,因此学校教室照明的优劣对学生视力健康的影响尤为重要。NHCPRC会同教育部、财政部组织开展了2018年全国儿童青少年近视调查工作,结果显示全国儿童青少年总体近视率达到了53.6%,其中小学生占36%、初中学生占71.6%及高中学生占81%。除部分先天遗传因素外,不良的教室照明环境是导致学生视力下降的原因之一,我国青少年近视患病率已跃居世界第一位,如果不及时出台相应的政策进行干预,并对教室照明环境改造进行正确引导,这种影响儿童青少年健康成长的问题将更加严重。

1.2 照明对视力健康的影响

       相关研究表明,导致高近视率背后的因素很多,除了遗传、用眼过度、用眼习惯和缺乏锻炼等因素外,学习阶段照明环境对视力影响也是至关重要的,光环境不佳容易加快近视的程度,甚至会引起眼睛病理性病变。当长时间处在过强或过暗的照明环境中,人的眼睛调节瞳孔的肌肉会松弛而引起调节功能下降乃至丧失,我们眼中的世界就会变得越来越模糊,导致很多人隔着一层厚厚的镜片看书学习,而这种情况正广泛地在人群中蔓延,呈现出普遍化及低龄化的态势。世界卫生组织相关报告表明,目前我国近视患者有近6亿人,占人口总量的50%,其中6-18岁中小学生就超过一亿,我国青少年近视率居世界第一。按照现行标准都是以成年人站、坐时平视前方的眼睛高度作为基准进行测评,身型偏矮小的小学生眼睛高度就达不到1.2m,特别是采用可调节高度的座椅时小学生眼睛高度就更低,例如6岁身高116cm学生坐姿时眼睛高度约为90cm,这个高度与成年人坐姿下的眩光值(glare rating,GR)是不一样的。严格意义上来讲,GR的高低也取决于照明灯具的排布、截光角和环境因素的影响,在制定相关标准时应根据实际情况明确定义不同年龄段学生的眼睛高度值。

1.3 照明改善行动

       总书记习近平作出重要指示,我国学生近视呈现高发、低龄化趋势,严重影响孩子们的身心健康,这是一个关系国家和民族未来的大问题,必须高度重视,不能任其发展。由NHCPRC提出及归口的国家标准《儿童青少年学习用品近视防控卫生要求》于近期报批,该强制性标准明确了教室照明灯具及读写作业台灯的相应要求,针对照明光环境的维持平均照度在GB50034基础上提升到≥500lx,同时设置上限及进行分级管控,并明确了相关色温的上限及统一眩光值等要求。该标准的发布将对保护儿童视力健康,促进我国照明灯具行业的规范化发展发挥重要作用,并成为教室照明设计及照明改造的基准依据。

       作为中国特色社会主义先行示范区的深圳市,2017-2018学年常见病检测结果显示,根据深圳市疾病预防控制中心的视力普查报告,中小学学生视力不良率达50.76%。深圳市于2019年4月22日成立了深圳市儿童青少年近视防控中心,同时全市40多家医院共同成立了深圳市儿童青少年近视防控联盟医院。为了更好地保护孩子们的视力,中心要求各校签订协议,把近视防治干预日常化,并提出教室照明需符合相关国家标准要求,中小学校教学和布置作业不依赖电子产品,纸质作业时长应占80%以上等硬指标。2019年市政府民生实事项目新增了对幼儿园大班、学前班儿童和中小学学龄青少年开展免费近视筛查并干预。由市、区近视防控联盟医院组成的近视筛查队将进到校园,全面开展为儿童青少年免费查视力、健全眼睛健康档案及大数据平台等,有效推动近视高危早期预警及干预机制。典型如图1为教室照明改善前后的效果对比。照明企业对某学校进行了照明环境改造,并与5所未改造学校进行对比,排除视力干扰等因素,对所有学生视力状况进行追踪,并结合对5000多名学生近三年体检数据进行分析表明,影响儿童青少年近视的因素不仅仅是教室照明,比如长时间使用电子设备、坐姿不正确等,教室照明是为数不多的“可控因素”,通过教室照明环境改造将有效提升教室的照明质量,对减缓儿童青少年视力不良具有促进作用。


(图1 教室照明改善效果对比图)

1.4 健康照明应用与推广

       教育大计,照明先行。提升照明质量应已成为照明行业关注的焦点,针对儿童青少年学习的教室照明及学习照明用灯,劣质产品已成为青少年视力问题加重的原因之一,并影响学生的视觉效果与健康成长。随着LED照明的推广与成熟应用,健康照明也得到越来越多的关注与认知,健康照明指用于照明的人造光源光谱应尽可能接近太阳可见光谱,场景照明在满足场所功能性照明要求的同时还应考虑人们的心理要求。判断一个照明场景是否为健康照明,照明灯具除了显色指数、相关色温、照度、亮度和频闪等指标符合相应标准要求以外,一个极其重要的判定依据应该是其光谱与太阳光光谱的吻合度,这就是目前在照明行业推广应用的全光谱LED健康照明。第29届全国节能宣传周活动围绕“绿色发展节能先行”这一主题,开展节能走进校园的系列活动,教室是学生进行学习的主要场所,照明要充分考虑读写所需的照度,选择光源接近自然光、无频闪和低眩光的全光谱LED照明灯具,无疑是学生提高学习舒适性及保护视力健康的最佳选择。该技术从照明用光源本质上降低短波蓝光的损伤及降低视觉疲劳,还结合如教室、书房等特定场所的需要,适宜地调整照明光的光谱来保护眼睛和提高视觉舒适度。1.5 智能系统应用

       随着智能控制及物联网技术的成熟应用,学校的多媒体、照明、控制和实验设备的系统管理,让照明光可动态调整亮度和色温的智能照明系统已得到成熟应用。将智能面板(开关插座)集成为智能系统的入口,并对教室的照明及设备进行系统管理,典型的智能控制系统采用单片机作为控制模块,利用热释电红外人体传感器感知学生在教室的留存情况,光敏传感器对环境光进行检测,控制系统通过运算与精准控制,对教室场所照明灯具进行调配,实现人来灯亮、人走灯灭的管控模式,以及对窗帘、空调和教学设备进行系统管理,并在移动端远程查看教室设施状况进行管控,达到有效管理和节能的最佳效果。图2为教室照明用智能控制恒照度系统示意图,系统利用光敏传感器实时监测教室内学生桌面照度及收集教室外部照度,通过控制窗帘有效利用外部光照或避免杂散光的干扰,通过控制系统调整灯具的亮度使学生课桌面的照度保持在500 lx以上。在管理便利性方面,可以通过手机或平板电脑的APP管理系统软件来操作,一键快速切换预设的照明场景模式,并在教室内配置无源触控面板,方便老师及管理者根据授课需要切换教室的灯光场景。

(图2  智能控制恒照度系统示意图)

2 教室照明质量与标准

2.1 教室照明产品质量基准

       基于LED光源的各种特性、具体使用场景和使用者个体差异等因素,LED平板灯以LED光源及平面发光的一种典型照明灯具,产品具有设计简洁、照度均匀、光线舒适、高效节能和照明效果良好的特点,在教育、办公、商业及家居等照明领域已逐步取代传统格栅荧光灯具。在我国照明电器标准化方面,随着LED在照明灯具的成熟应用,2015年修订发布的国家标准GB7000.1-2015《灯具第1部分:一般要求与试验》,对技术要求进行了相应修订与完善,增加了对使用LED光源的相应要求。2015年发布的行业标准QB/T4847-2015《LED平板灯具》明确了电源电压不超过250V的LED平板灯具的定义、分类、一般要求、光电性能和试验方法等相应性能要求。

2.2 教室照明国际对标

       良好的照明环境有利于学生的健康与学习效率的提高。针于教室内桌面和黑板的维持平均照度,欧美国家标准要求≥500 lx且≤800 lx,俄罗斯国家标准要求≥400 lx且≤ 600 lx,并强制要求低于标准值的学校不准开课。我国现行教育照明相关标准中,教室桌面维持平均照度要求≥300 lx,书写黑板的维持平均照度要求≥500 lx。据相关调研信息显示,目前欧美国家中小学生近视率仅为10%,而我国小学生近视率超过40%,中学生甚至超过80%,严峻的是我国能达到该标准的学校所占比例很低。儿童青少年的眼睛正处于发育期,易导致眼部睫状肌疲劳及眼球前后径发生病变而诱发近视,教室照明灯具照度低将影响学生看书用眼,事实表明,我国教室相关标准与先进发达国家存在一定差距,不良的照明光环境将影响儿童青少年的健康成长。

2.3 闪烁与蓝光危害

       因亮度或光谱分布随时间的变化造成的视觉和非视觉影响被称为闪烁,照明产品的频闪越来越受到人们的关注,通常荧光灯和LED灯在高频电流条件下工作才会出现频闪效应,并取决于电源方案设计的优劣性。北美电气和电子工程师协会在IEEEStd 1789标准中将闪烁分为三类:无影响类、低风险类和高风险类,电源的调制深度、频率、占空比及波形等方面对闪烁效应具有明显的影响,在照明产品研发阶段就应考虑此问题的有效解决,严格按照IEEE Std 1789-2015标准要求评估照明产品方案,有效控制闪烁对照明光质量的影响。通常蓝光对人眼的危害与距离有关,将引起眼睛紧张、疲劳,长时间照射可能对视网膜造成损伤。国际电工委员会发布的国际标准IEC/TR62778将蓝光危害分类为无限制类(RG0)、低限制类(RG1)、中等限制类(RG2)和高限制类(RG3),我国对照明灯具的蓝光危害是按照国家标准GB7000.1-2015第4.24.2章节进行合格性测评,并规定了照明产品不预期使用蓝光危害类别大于RG2的光源。由于教室灯具在使用中与人的距离较远,固RG0类和RG1类照明产品是可以接受的,教室场所用照明灯具和学习用灯具均明确规定不应超过RG0类。2.4 国家能效标准我国LED照明产品能效标准研制与现阶段市场发展的迫切需求相比明显滞后,不能满足当前LED照明行业发展和照明领域节能工作的能效标准支撑,急需完善LED照明产品能效标准的研究、制定和实施,以弥补LED照明标准体系建设中的短板。由中国标准化研究院、旭宇光电(深圳)股份有限公司等照明企业牵头成立LED平板灯能效标准工作组,通过对照明行业调研、相关数据分析及标准会议研讨,在格栅荧光灯具能效标准的基础上,完成了《普通照明用LED平板灯能效限定值及能效等级》国家能效标准的制定,经归口技术委员会审核后于2019年6月上报国家标准化管理委员会批准中。该标准针对使用LED光源的LED平板灯的能效、信息标识和分级进行了规定及要求,意在通过对能效等级限制来降低能源消耗,有效促进照明用LED平板灯的能效水平提升,引导企业节能技术创新与进步,让LED平板灯产品健康发展,加快推进主要应用市场如教室照明等场所的节能改造,增强LED平板灯产品国际竞争力,为我国照明领域实施能效标识制度提供标准依据。

3 知识产权风险与应对

       基于LED平板灯的推广应用与教室照明需求增长,蕴含的巨大市场商机也引发了照明企业在该领域的知识产权之争与布局。用LED和LED灯具作为关键词检索到国内LED产业共申请专利约为43.36万余条,其中发明专利占30 %,实用新型专利约为58.8%,外观设计专利占11.2%。由于我国LED产业以中下游封装和照明应用企业为主,故LED产业的专利申请重点也集中在中下游,其中应用产品占65%,封装产品占25%。照明企业在消化与吸收国外先进技术的同时,通过获得国外技术发展的脉络识别重要技术创新方向,规划教室照明应用产品需求策划研发战略和专利布局,由于我国LED企业大多数规模和实力有限,同时也缺乏处理涉外法律诉讼的能力,一旦发生纠纷时,企业去应对无疑是“以卵击石”。企业应建立应对知识产权风险的创新机制,加强技术专利的共享、整合和互补,企业之间通过合作的形式共同规避相关专利诉讼。

4 教室照明方案优化

       针对教室照明设计方案,对光照本身而言主要的考虑是产品应在满足安全、电磁兼容和可靠性为基础,除了对应用地理位置和环境因素的考虑之外,应聚焦照明环境下视觉是否看得清楚,应更多地关注照明条件下不疲劳与舒适性。研发人员根据市场需求追求高能效比没有错,在研发阶段评估产品质量及确定方案时,应考虑LED光源本身的提升空间,有的设计工程师在设计产品方案时为了追求高光效,将电源的功率效率用到极限,同时也把LED的功率效率余量降到最低,基于成本考虑将所有材料的极限用到极致,这样的结果将导致可靠性降低成为必然。为了让产品光品质更好,应重点研究照明“光配方”的剂量,关键器件的匹配和智能控制系统搭配进行最佳优选,让照明更好地满足中小学生教室照明光环境的评价指标。

结语

       学校的教学内容越来越丰富,而单一照明方案已不能满足教学的需求,这种需求变化给教室照明设计方案拓展了创新的空间,也对教室照明质量研究提出了新的需求。我国正在健全统一协调、运行高效、政府与市场共治的标准化管理体制,形成多方参与和协同推进的标准化工作格局,有效支撑与统一教育体系的建设,让标准成为对质量的“硬约束”。教室照明用LED平板灯已不再是局限于单一产品生产或技术研究,而应将照明质量与智能控制有效融合应用,有利于学生用眼舒适的需求。照明企业通过跨领域及跨学科的合作研究,产品以高效节能为基准,致力于护眼、光品质和精细节研究,推出更多有利于学生健康成长的照明产品及系统解决方案,有效解决教室照明质量达标工作中的具体问题。为学校优化教室照明设计及照明产品设计提供技术支撑,营造优质教室照明光环境保护儿童青少年健康成长。


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作者简介:曹小兵,高级工程师,旭宇光电(深圳)股份有限公司董事副总经理,全国标准化原理与方法标准化技术委员会标准化评价分技术委员会(SAC/TC286/SC1)委员,全国城市公共设施服务标准化技术委员会(SAC/TC537)委员,全国照明电器标准化技术委员会灯具分技术委员会(SAC/ TC224/SC2)委员,主要从事照明技术及其标准化研究。

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