江苏新广联光电股份有限公司

胡锡兵  杨华利  华利生  李首伦

中认尚动（上海）检测技术有限公司  程敏

关键词：教室光环境  照明质量  UGR  视觉指标

　　良好的教室光环境可以提供学生最舒适的照明质量，提高学习效率的同时，减少视觉疲劳，利于维护师生健康。

　　学校教室的照明应以视觉的健康舒适作为考虑的要点。因为学生在教室进行学习活动时，几乎全是近距离的注视，为了适应教室环境，人的视觉器官地自行调节，而使眼部肌肉过分紧张；另一方面，学生课业负担严重，长期在不良的教室照明环境下学习，将造成视觉生理上的疾病。对学生而言，教室如果照明环境舒适，则可提高学习效率；针对老师而言，若处在舒适的照明环境中教室，更易收到事半功倍的教学效果。

　　评价照明质量的指标可以分为视觉维度和非视觉维度，其中，就现有照明发展技术水平以及学科跨界程度来说，视觉维度评价指标更切合当下的工程实际。在这些视觉评价指标中，包括照度、照度均匀度、UGR、色参数、光度学参数等等，本文着重研究UGR的干扰因素。

　　UGR是Unifited Glare Rating的简称，是统一眩光值的意思，是度量室内视觉环境中照明装置发出的光对人眼造成不舒适感主观反应的参量。

　　为了得到舒适、高质量的照明环境，通过改进灯具、照明设计条件或者优化环境等来抑制眩光十分有必要。早在1995年，CIE（国际照明委员会）已经提出防眩光的概念，并把UGR作为评价室内照明环境不舒适眩光的指标。随着LED芯片技术的发展，LED灯具亮度越来越高，不舒适眩光也越来越严重。因此，在2014年，欧盟将UGR作为灯具一个强制指标，而不是作为一个参考值。

　　灯具照明应用中，UGR值不同，照明效果差异明显，从而带来的视觉和心理差异也较大，按照人们对眩光值的主观感受有如下经典划分。以下列表格中列举了CIE规定的几类场所的UGR限值：

表1

　　（1）UGR=13，为刚刚感觉到眩光。这种状态下，光幕反射较少，空间顶棚较暗，给人阴郁的感觉。一般用于计算机室、监视室等。

　　（2）UGR<19，为刚刚可接受眩光范畴，处于舒适与不舒适临界点。有限控制眩光以及光幕反射是舒适办公空间照明设计的原则。一般用于普通、高档办公室、图书馆阅览室、医院、学校建筑等。

　　（3）UGR>19，为刚刚感受不舒适。这种状态下，照明空间充满活力但眩光、光幕反射引人在意。一般用于商业建筑照明、营业厅等。

　　而随着生活品质的提高，人们越来越追求更加舒适、友好型生活环境，照明行业同样面临着从之前的关注亮度到现在越来越关注照明的舒适性。

　　在进行室内照明设计时，预防眩光是一个很重要的任务。室内眩光主要有两类：直接眩光和反射眩光。直接眩光是由灯或灯具过高的亮度直接进入视野造成的。反射眩光是指由视野中的光泽表面反射所产生的眩光。我们预防直接眩光，其实就是限制视野内灯或灯具的亮度和亮度对比度。

　　UGR的测试结果一个系统的工程。其涉及到很多因子影响，比如说空间大小、背景亮度、观察者方向每个灯具的亮度、每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角、每个单独灯具的位置指数等。且这些因子相互作用、互相影响，最终牵动着UGR的测试值。

　　眩光评估用的统一眩光指数UGR（Unified Glare Rating）的计算示意图如下：

图1

　　：观察者（测点）方向第个灯具的亮度值

　　：观察者方向第个灯具的光强

　　：背景亮度，关闭被测灯具后所测得的亮度值，

　　：观察者方向的间接照度（Lux）

　　：第个灯具的位置系数，从观察者到灯具中心的距离，

　　：第个灯具距离观察者水平面的垂直高度

　　：第个灯具距离观察者的水平距离

　　：第个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角

　　：灯具发光部分对观察者眼睛所形成的投影面积

　　：灯具发光部分正面的投影面积

　　：以观察者位置为圆心的、半径为的圆球形表面积，

　　从UGR公式可以看出其关联因素，也为改善UGR提供了思路。

　　基于DIAlux照明设计软件，对UGR的影响因素进行参数化分析，选取标准教室并DIAlux建模以及输入条件的设置。

　　所选标准教室的基本信息如下：

图2

表2

　　通过改变各种照明设计条件、环境参数以及灯具参数等输入变量，以UGR为主要的优化变量，并以课桌面的平均照度、照度均匀度为基本前提。在这种情况下进行模拟计算并分析。

3.1  UGR测点的确定

　　参考《GB50099中小学教学楼设计规范》《CQC16-465199-2020教室优质照明光环境认证规则》《DB31T539-2020中小学校及幼儿园教室照明设计规范》等标准，确定UGR测点位置，最终DIAlux模拟测点为0m、0.3m、0.5m、0.64m、1.1m、1.2m六个位置。其位置如下图：

图3

　　本案例的模拟分析中，以教室课桌面维持平均照度450lx、照度均匀度0.86为先决条件，进行UGR的计算。

3.2  灯具上照光对UGR的影响

　　其它照明设计等条件不变的同时，将教室灯具下照光通量保持恒定，改变上照光光通输出比值，分别为0、10%、20%、50%、100%，求解UGR值。

图4

　　从上图可以看出，随着上照光比值的增加，UGR呈下降趋势。以1.2m处UGR值变化来看，上照光10%时，UGR降低2.6%；上照光20%时，UGR下降5.3%；上照光50%时，UGR下降11.8%；上照光100%时，UGR下降19.7%。

3.3  书写板灯的开关状态对UGR的影响

　　分别以在书写板灯开与关两种状态下，计算各点的UGR。

图5

　　从上图可以看出，书写板灯关闭状态下，UGR呈下降趋势。以1.2m处UGR值变化来看，下降5.7%。

3.4  有无窗帘对UGR的影响

　　评估有无窗帘对UGR的影响，还需考虑窗户大小，即窗帘面积，还有窗帘的反射系数等，这也是决定对UGR影响大小的关键因素。

图6

　　从上图可以看出，有窗帘时，UGR相较于无窗帘时要低，本案例中，窗户玻璃反射系数为7%，窗帘反射系数为70%。以1.2m处UGR值变化来看，下降2%。

3.5  灯具安装高度对UGR的影响

　　教室灯具安装高度分别取2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9五种情形进行模拟分析。

图7

　　评估教室灯具安装高度对UGR的影响，与UGR测点选取有密切关系。从上图可以看出，随着灯具安装高度的变化，教室光环境中UGR会随之变化，从结果可以看出，随着灯具高度的增加，UGR呈减小趋势。

3.6  改变反射系数对UGR的影响

　　评估墙面或者窗帘的反射系数对UGR的影响，根据《GB50099中小学教学楼设计规范》中规定，教室墙面反射系数限值如下。

　　本案例中，仅仅以反射系数的环境实测值以及标准规定的上下限值为输入条件进行模拟计算，计算结果如下。

表3  教学用房室内各表面的反射比值（GB50099）

表4

图8

　　从上图可以看出，环境墙面的反射系数对UGR的影响较大。以1.2m处UGR值变化来看，以上述反射系数3设置相较于反射系数1设置时，UGR下降24.1%。

3.7  配光曲线对UGR的影响

　　灯具本身对UGR的影响表现在表面亮度、配光曲线以及发光状态等几个方面。本案例分别以如下三种配光曲线为输入条件进行模拟计算。

表5

图9

　　从上图可以看出，配光曲线二对UGR影响不大，配光曲线三对UGR影响较大，相于配光曲线1来说，UGR下降4.8%。

　　本文基于DIAlux分析UGR的干扰因素，获得了一些有益的结论，得出了环境UGR受照明设计、灯具配光、视野内各种亮度以及对比度、环境反射比、位置等因素影响的一些定量化结论。关于教室照明的现行标准，都是针对其中单个点进行UGR的测量与分析，并认为是UGR最糟糕的点，这样的简化方式的确具有很强工程意义，然而，不一定能全面反应教室光环境中的UGR，比如标准教室环境中，需要关注每个学生的眩光感受，这就需要评估多点UGR，其本质上属于多目标优化问题，干扰因素将会更加复杂，需要进一步探讨。

参考文献

[1] 华利生,胡锡兵,杨华利等.教室光环境评价方法以及影响因素的研究.照明工程学报,202031(3):145-150.

[2] 程敏,俞浙铭,陈国秋.不同配光设计的LED黑板灯照明对老师产生的眩光分析.[J].照明工程学报,2020,31(2).

[3] CQC3155-2016中小学校及幼儿园教室照明产品节能认证技术规范.

[4] 高帅.教室光环境研究综述.照明工程学报,2013(10).

[5] 陈超中,韩冰.关注教室黑板与课桌面亮度比.照明工程学报,2012(04).