改善中小学教室黑板照度均匀度的实验研究

勉丽娜，周晓云，汪 静，陈 辉，马莉蓉，韩 霄，焦欣然，杨 微

(北京市东城区疾病预防控制中心，北京 100009)

引言

根据《中小学校教室采光和照明卫生标准》(GB 7793—2010)的要求，黑板的平均照度不应低于500 lx,照度均匀度不应低于0.8。而从全国现有的数据来看，黑板照度均匀度合格率在0%～97.10%之间，并且大部分地区的合格率都在60%以下[1-9]，其中，北京市各区县的黑板照度均匀度合格率仅为0%～33.10%[6-9]。以上数据表明，中小学校教室黑板照明条件亟待改善。因此，本研究通过现场实验，探讨灯管功率、灯架有无反光板、灯具与黑板的平行距离、两灯具间的距离四个因素对黑板照度均匀度的影响，建立黑板照度均匀度与上述四个影响因素的回归模型，从而寻找一个最佳的拟合模型；同时也可以获取具体的改造数据以供学校照明改造时参考。

1 对象与方法

1.1 对象

将一间培训教室作为模拟教室，黑板尺寸为4 m×1 m。

1.2 方法

采用现场实验的方法，对模拟教室内的4 m×1 m的黑板按0.5 m×0.5 m布点，共布16个点；利用2个可移动支架分别支撑2个双灯管黑板灯具，将灯管功率、有无反光板、灯具与黑板的平行距离、两灯具间的距离四个因素进行组合，使用照度计进行照度检测。实验所需仪器为照度计、测距仪、钢卷尺，均于2019年通过中国计量科学研究院进行检定，并且达到了《学校卫生综合评价》(GB/T 18205—2012)及《照明测量方法》(GB/T 5700—2008)要求的仪器标准。

1.3 内容

本研究主要探讨了灯管功率、灯具与黑板的平行距离(后简称灯板间距)、两灯具间距(后简称灯灯间距)、有无反光板四个因素对黑板照度均匀度的影响。选取了三种灯管(18 W LED、28 W三基色荧光灯、36 W三基色荧光灯)进行了检测；灯板间距分别在700 mm、800 mm、900 mm及1 000 mm四个点位进行了检测；灯灯间距选取了700～1 500 mm范围内进行了检测。

1.4 相关定义

黑板平均照度是16个布点的照度的平均值；黑板照度均匀度是16个布点的照度的最低值与平均照度的比值。

1.5 统计方法

通过excel表录入数据，通过SPSS19.0进行数据分析，采用两独立样本t检验进行单因素分析，采用多元线性回归分析进行多因素分析。

2 结果

2.1 28 W荧光灯、无反光板时不同灯板间距及灯灯间距对黑板照度均匀度的影响

选取28 W荧光灯进行预实验，无反光板，固定灯具与地面的夹角为60°，夹角示例如图1的α角，灯板间距分别为700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm，灯灯间距在700～1 500 mm范围内选取，得到的照度均匀度结果如图2所示。

图1 灯具与地面垂直线的夹角示意图Fig.1 The diagrammatic drawing of the angle between light and ground

图2 28 W荧光灯、无反光板时灯灯间距、灯板间距对照度均匀度的影响Fig.2 Effect of the distance between lamp and blackboard and the distance between two lampshade on the illuminance uniformity of blackboard under the condition of 28 W fluorescent lamp and without illuminator

由图2可知，在一定范围内，随着灯灯间距的增加，均匀度呈上升趋势，但达到极值后又逐渐降低；随着灯板间距的增加，均匀度也呈上升趋势。

2.2 28 W荧光灯、无反光板时不同灯板间距及灯灯间距对平均照度的影响

由图3可知，随着灯灯间距的增加，平均照度呈下降趋势；随着灯板间距的增加，平均照度也呈下降趋势。

图3 28 W荧光灯、无反光板时灯灯间距、灯板间距对平均照度的影响Fig.3 Effect of the distance between lamp and blackboard and the distance between two lampshade on the mean illumination of blackboard under the condition of 28 W fluorescent lamp and without illuminator

2.3 反光板对黑板照度及均匀度的影响

本研究利用36 W荧光灯管开展了反光板对黑板平均照度及照度均匀度的影响。结果表明，无反光板的平均照度为636 lx，有反光板的平均照度为779 lx，差异有统计学意义(t=-6.603,p<0.01)；无反光板的照度均匀度为0.67，有反光板的为0.78，差异有统计学意义(t=-6.287,p<0.01)。

2.4 功率对黑板平均照度及照度均匀度的影响

本项目研究了18 W LED灯管及36 W荧光灯管对黑板平均照度及照度均匀度的影响。结果显示，18 W LED灯管的平均照度为466 lx，36 W荧光灯管的平均照度为779 lx，差异有统计学意义(t=-23.936,p<0.01),18 W LED灯管的照度均匀度为0.76，36 W荧光灯管的均匀度为0.78，差异无统计学意义(t=-1.703,p=0.107)。

2.5 黑板照度均匀度的多元线性回归模型

由于照度均匀度与两灯间距呈U形，因此本研究将灯板间距、灯灯间距、有无反光板、灯管功率及灯灯间距的平方五个变量纳入黑板照度均匀度的多元线性回归模型1，结果如表1所示。

表1 黑板照度均匀度的多元线性回归模型1Table 1 The multiple regression equation 1 of the illuminance uniformity of blackboard

由表1可知，灯灯间距与灯灯间距2存在明显的共线性，因此，将灯灯间距-灯灯间距均值(1.03 m)进行了变量变换后，将灯板间距、灯灯间距减均值、有无反光板、灯管功率及灯灯间距减均值2五个变量纳入黑板照度均匀度的多元线性回归模型2，结果如表2所示。

表2 黑板照度均匀度的多元线性回归模型2Table 2 The multiple regression equation 2 of the illuminance uniformity of blackboard

表2结果表明，经过变量变换后，有效地解决了共线性的问题。

2.6 多元线性回归模型对黑板照度均匀度的预测

将灯灯间距减均值及灯灯间距减均值2与黑板照度均匀度建立线性方程，得到方程Y=0.724+0.035X-1.34X2,根据此方程可得出灯灯间距为1.04 m时，黑板照度均匀度可得到最大值。同时，由预实验和正式实验结果可知，灯板距离为1 m时均匀度最佳，有反光板时均匀度更高。因此，将灯板距离为1.0 m、灯灯间距1.04 m减均值1.03 m、有反光板、采用36 W荧光灯及(灯灯间距1.04减均值1.03 m)2带入多元线性回归模型后，可得出四种因素的最佳组合方式的均匀度为0.83。

3 讨论

所谓照度均匀度，是指在工作面上最低照度与平均照度之比。在上课时，如果黑板面照度差异太大，学生视觉器官会过度频繁调节，而使眼部肌肉过分紧张，造成视疲劳。长此以往，会使眼睛屈光系统产生变化，导致近视发生。因此，提供适宜的黑板照明条件对保护中小学生视力至关重要。

近几年来，很多学校已经开始重视教室照明的改造，但改造的结果却并不尽如人意，黑板平均照度及照度均匀度合格率依然很低，原因之一是由于黑板照明的标准要求较高，而黑板平均照度及照度均匀度的影响因素很多，诸如灯架结构、灯管类型、灯管功率、灯管数量、安装位置等因素，因此改造难度确实较大；另一方面，是施工方对现有尤其是最新的普通教室照明改造相关标准掌握不足，导致没有形成一套比较成熟的改造方案。以上两方面是导致目前学校普通教室黑板照度均匀度合格率较低的主要原因。因此，在优化普通教室黑板照明方面，除了需要加强对学校及施工单位普及学校卫生相关法律法规的同时，更需要为普通教室黑板照明改造提供数据和方案支持。

然而，目前大多数研究者的研究重点都在不同光环境对视觉[10-14]、血压、体温调节[15]、生物节律[16]等健康方面及学习效率[17]的影响，而针对改善普通教室黑板照度均匀度的研究寥寥无几，仅少数研究者通过运用DIALux软件，从教室灯管布置、模型照明功率密度值、模型照度等方面提出了优化策略[18-20]。本研究采用现场实验的方式，选择了学校常用的灯具类型和灯管功率，并且在《中小学校普通教室照明设计安装卫生要求》的范围内，对各因素进行了组合，得到了比较满意的结果。

3.1 灯管类型及功率对黑板照度均匀度的影响

《中小学校普通教室照明设计安装卫生要求》中规定，黑板照明的光源宜采用色温3 300～5 300 K的三基色荧光灯，而本研究除了使用三基色荧光灯外还使用了LED灯管，因为虽然LED灯管不在《中小学校普通教室照明设计安装卫生要求》的范围内，但也不是强制条件，并且随着照明工业的发展，LED正在逐步取代荧光灯，目前许多学校也均已安装了LED灯，因此，将LED灯管纳入本研究的范围也为今后相关标准的制定提供了科学数据。

研究结果表明，4×18 W LED灯管的平均照度在灯板距离为1 m时虽然照度均匀度可以达到0.8以上，但平均照度达不到500 lx的要求，因此，需适度提高LED灯管的功率，满足要求的最小功率尚需进一步研究；4×36 W荧光灯的平均照度在灯板距离为1 m时可以达到500 lx的要求，同时也能满足照度均匀度为0.8以上的要求。

3.2 灯板距离对黑板照度均匀度的影响

《中小学校普通教室照明设计安装卫生要求》中规定，黑板灯具平行于黑板安装，距黑板平行间距d=700～1 000 mm，距黑板上缘垂直距离h=100～200 mm。由于本研究所用的模拟教室的黑板距地面1.228 m，黑板高度为1 m，而受实验教室房顶距地面的距离及本次制作的移动支架支撑高度的影响，本研究将灯具距黑板上缘垂直距离定为100 mm。在灯具和黑板的平行距离700～1 000 mm的范围内，结果显示距离越远照度均匀度越好，平均照度则正好相反。由于平均照度在灯管功率足够的情况下比较容易达到要求，因此，灯板距离的选择应该以照度均匀度为重点考量，建议最佳灯具和黑板的平行距离以1 m为宜。

3.3 线性回归模型有助于确定两灯间的最佳距离

由预实验结果可知，黑板照度均匀度与灯灯间距呈现的是先上升后下降的关系，因此，如何寻找极值就显得非常重要。本研究通过线性回归方程较好地得到了两灯间距的极值点。但由于此值是模型拟合的结果，与实测值会有一定的偏差，因此，学校在进行黑板照明改造的过程中可以将1.04 m作为参考，通过细微的调整确保达到更好的均匀度。