教室光環(huán)境評(píng)價(jià)方法及其影響因素的研究

華利生，胡錫兵，楊華利，陳 功

(江蘇新廣聯(lián)光電股份有限公司，江蘇 無錫 214192)

引言

近年來，社會(huì)各界對(duì)如何保護(hù)學(xué)生視力從多個(gè)方面展開了調(diào)查與研究[1-6]，并就教室照明制定了相關(guān)規(guī)范[7，8]。研究發(fā)現(xiàn)，教室光環(huán)境改善有利于減緩學(xué)生視力的下降速度，教室光環(huán)境差是造成學(xué)生視力下降的重要原因之一[9]。復(fù)旦大學(xué)林燕丹教授團(tuán)隊(duì)[10]通過設(shè)置不同的色溫、照度的直接照明與間接照明的組合，探究了不同照明方式對(duì)學(xué)生的視覺任務(wù)的績(jī)效以及視覺舒適性的影響。教室照明設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)因素，才能達(dá)到為學(xué)生提供舒適、準(zhǔn)確、快速的視看條件，有助于學(xué)生集中精力的設(shè)計(jì)目的。較好的教室照明設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足學(xué)生生理和心理的需要，適合學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間的視覺作業(yè)的特點(diǎn)，不僅要具有合適的照度值，而且照明質(zhì)量的各項(xiàng)參數(shù)均應(yīng)滿足要求。

本文通過改變教室燈具的配光、教室燈具上照光的流明值、受光面頂棚的反射系數(shù)、教室燈具的安裝高度等參數(shù)，對(duì)目標(biāo)參量如學(xué)生區(qū)的平均照度、照度均勻度、UGR、垂直照度等進(jìn)行DIALux模擬，分析這些參量的影響因素，為教室光環(huán)境的優(yōu)化提參考。

1 教室照明設(shè)計(jì)中需要考慮的因素

1)視覺作業(yè)特點(diǎn)。長(zhǎng)時(shí)間看桌面書本或者看桌面電腦屏幕；有限時(shí)間看清書寫板以及投影幕內(nèi)容上內(nèi)容；在桌面書本與書寫板之間來回切換。

2)教室照明質(zhì)量要求。CQC 3155—2016《中小學(xué)校及幼兒園教室照明產(chǎn)品節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》，對(duì)相關(guān)照明質(zhì)量指標(biāo)都有明確的規(guī)定[7]。

(a)色度坐標(biāo)。額定相關(guān)色溫取3 500 K、4 000 K、5 000 K，色度坐標(biāo)的目標(biāo)值見表1，色度坐標(biāo)的初始值應(yīng)在色度坐標(biāo)目標(biāo)值5 SDCM之內(nèi)。

表1 色度坐標(biāo)

(b)顯色指數(shù)。對(duì)于熒光燈，雙端熒光燈Ra的初始值應(yīng)不低于80，用于美術(shù)教室的Ra的初始值應(yīng)不低于90。對(duì)于LED燈具，Ra的初始值應(yīng)不低于80，用于美術(shù)教室的Ra的初始值應(yīng)不低于90，R9應(yīng)大于50。

(c)照明標(biāo)準(zhǔn)要求。教室照明相關(guān)參數(shù)要求如表2所示。

表2 教室照明標(biāo)準(zhǔn)值

3)間接照明在提高教室光環(huán)境效果中的作用。間接照明方式中光和介質(zhì)相互作用的途徑有兩種：一是光被介質(zhì)折射后作用于被照面；二是光通過介質(zhì)部分透出作用于被照面，或者是兩種途徑相結(jié)合[14]。間接照明按照不同的照射角度和照射方式可以有不同的分類方式，但是歸根到底都是為豐富空間環(huán)境、渲染空間氣氛、增強(qiáng)空間立體感及體現(xiàn)空間環(huán)境的風(fēng)格服務(wù)的[15]。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，介紹教室燈的安裝高度、上射光比例、天花頂棚受光面反射系數(shù)與相關(guān)照明質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系，通過試驗(yàn)?zāi)M的方式將間接照明的三要素加以闡釋，剖析室內(nèi)相關(guān)的燈光的處理手法。

2 不同的教室光環(huán)境配置對(duì)照明質(zhì)量指標(biāo)的影響

使用DIALux仿真軟件，通過改變教室光環(huán)境配置，模擬計(jì)算出不同照明指標(biāo)的變化。通過對(duì)擬采用的燈具配光曲線文件進(jìn)行照度計(jì)算，得出一些關(guān)鍵的照明指標(biāo)[4]，分析這些關(guān)鍵指標(biāo)可以得出照明方案的合理性。

模擬仿真所選的教室長(zhǎng)、寬、高分別為9 m、7 m、3.4 m。為便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，整個(gè)教室分為教師區(qū)和學(xué)生區(qū)，如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)教室示意圖Fig.1 Standard classroom effect map

2.1 不同燈具配光曲線所產(chǎn)生的影響

通過改變教室燈的配光曲線，來評(píng)價(jià)對(duì)課桌面平均照度、照度均勻度、UGR的影響。表3為4款燈具的參數(shù)特征，包括功率、光通量、上照光及下照光的比率等，圖2為4款燈具的配光曲線。圖3為4款燈具對(duì)課桌面照度、照度均勻度的影響；圖4是不同配光對(duì)教室UGR的影響結(jié)果。

圖2 燈具配光曲線Fig.2 Light distribution curve of luminaires

表3 燈具的基本參數(shù)

圖3表明，學(xué)生區(qū)課桌面的平均照度主要取決于下照光通量；上照光對(duì)學(xué)生區(qū)課桌面的照度均勻度影響較大，增加教室燈的上照光通量，可以改善課桌面照度均勻度；圖4則表明上照光對(duì)教室照明UGR影響較大，可以通過增加上照光來降低教室照明UGR。

圖3 不同配光對(duì)課桌面平均照度、照度均勻度的影響Fig.3 Effect of different light distribution on the mean illumination and illumination uniformity of class desktop

圖4 不同配光對(duì)教室UGR的影響Fig.4 Effect of different light distribution on UGR in classroom

2.2 教室燈安裝高度的影響

選用表1中燈具2，且天花頂棚反射系數(shù)設(shè)置為0.7，地面的反射系數(shù)設(shè)置為0.15，燈具數(shù)量為9盞。通過改變教室燈的安裝高度，來評(píng)價(jià)對(duì)課桌面平均照度、照度均勻度、UGR、垂直照度、天花頂棚的平均照度的影響。圖5為教室燈不同安裝高度對(duì)課桌面平均照度、照度均勻度的影響，圖6為教室燈不同安裝高度對(duì)學(xué)生區(qū)UGR和垂直照度的影響，圖7為教室燈不同安裝高度對(duì)天花頂棚照度均勻度、平均照度的影響。

圖5 教室燈不同安裝高度對(duì)課桌面平均照度、照度均勻度的影響Fig.5 Effects of different installation heights of classroom lamps on the average illumination and illumination uniformity of classroom desktop

圖6 教室燈不同安裝高度對(duì)學(xué)生區(qū)UGR的影響Fig.6 Effects of different installation heights of classroom lamps on UGR and vertical illumination in student areas

圖7 教室燈不同安裝高度對(duì)天花頂棚照度均勻度和平均照度的影響Fig.7 Effect of different installation heights of classroom lamps on illumination uniformity and the average illumination of ceiling Roof

圖5表明燈具安裝高度越高，課桌面的照度越低，基本上呈現(xiàn)線性關(guān)系；隨著安裝高度的增加，課桌面照度均勻度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；圖6表明上照光對(duì)教室照明UGR影響較大，可以通過增加上照光來降低教室照明UGR；隨著燈具安裝高度增加，特定目標(biāo)面上的垂直照度隨之降低；圖7則表明安裝高度對(duì)頂棚天花板相關(guān)參數(shù)的影響。

2.3 不同的上受光面的反射系數(shù)產(chǎn)生的影響

選用表1中燈具2，且燈具安裝高度設(shè)置為0.7，燈具數(shù)量為9盞。通過改變上受光面天花頂棚反射系數(shù)，來評(píng)價(jià)對(duì)課桌面平均照度、照度均勻度、UGR、垂直照度、天花頂棚的平均照度及其照度均勻度的影響。圖8為不同天花頂棚反射系數(shù)對(duì)課桌面照度均勻度和平均照度的影響，圖9為不同天花頂棚反射系數(shù)對(duì)學(xué)生區(qū)垂直照度和UGR的影響，圖10不同天花頂棚反射系數(shù)對(duì)天花頂棚平均照度和照度均勻度的影響。

圖8 不同天花頂棚反射系數(shù)對(duì)課桌面平均照度和照度均勻度的影響Fig.8 Effect of reflection coefficient of different ceiling roofs on average illumination and illumination uniformity of class desktop

圖9 不同天花頂棚反射系數(shù)對(duì)學(xué)生區(qū)垂直照度的影響Fig.9 Effect of reflection coefficient of different ceiling roofs on vertical illumination and UGR in student areas

圖8表明隨著天花頂棚反射系數(shù)提高，課桌面平均照度也會(huì)提高，兩者基本上呈現(xiàn)線性關(guān)系；改變天花頂棚反射系數(shù)對(duì)課桌面均勻度幾乎無影響。圖9表明特定目標(biāo)面垂直照度隨著天花頂棚反射系數(shù)提高而提高；天花頂棚反射系數(shù)是UGR的改善的關(guān)鍵因素之一。圖10表明天花頂棚反射系數(shù)于與天花頂棚表明平均照度、照度均勻度呈正相關(guān)關(guān)系。

圖10 不同天花頂棚反射系數(shù)對(duì)天花頂棚平均照度和照度均勻度的影響Fig.10 Effect of reflection coefficient of different ceiling roof on average illumination and illumination uniformityof ceiling roof

2.4 燈具上照光通量變化帶來的影響

保持燈具的下照光通量為3 154 lm，且天花頂棚的反射系數(shù)設(shè)置為0.7，安裝高度設(shè)置為2.8 m，燈具數(shù)量為9盞。通過改變教室燈上照光通量大小，來評(píng)價(jià)對(duì)課桌面平均照度、UGR、垂直照度、天花頂棚的平均照度的影響。圖11為上照光對(duì)課桌面和天花頂棚平均照度的影響，圖12為上照光對(duì)學(xué)生區(qū)1.2 m水平面UGR的影響，圖13為上照光對(duì)1.2 m水平面垂直照度的影響。

圖11 上照光對(duì)課桌面和天花頂棚平均照度的影響Fig.11 The influence of illumination on the average illumination of desktop and ceiling roof

圖12 上照光對(duì)學(xué)生區(qū)1.2 m水平面UGR的影響Fig.12 Effect of upper light on UGR at 1.2 m horizontal level in student areas

圖13 上照光對(duì)1.2 m水平面垂直照度的影響Fig.13 Effect of upper illumination on vertical illumination of 1.2 m horizontal plane

圖11、圖13表明上照光與桌面平均照度、1.2 m水平面垂直照度、天花頂棚平均照度呈正比例關(guān)系；圖12表明上照光與UGR呈現(xiàn)負(fù)比例關(guān)系，增加上照光可以作為改善UGR的重要途徑之一。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)教室模型的DIALux模擬分析，獲得如下結(jié)論：增加上照光光通量、提高燈具的安裝高度以及增加天花頂棚反射系數(shù)等手段可以降低UGR；提高課桌面照度均勻度，除了優(yōu)化燈具的排布位置之外，也可通過增加燈具的安裝高度來實(shí)現(xiàn)；通過提高天花頂棚的反射系數(shù)可以提高垂直照度。

目前，照度均勻度、照明強(qiáng)弱比被用來作為衡量照明設(shè)計(jì)效果的重要指標(biāo)，但是這兩個(gè)參數(shù)之間存在著不確定性，比如照度均勻度最大時(shí)照明強(qiáng)弱比并非為最小值(照明強(qiáng)弱比越小表明照明越均勻)。本文僅從提高照度均勻度的角度來評(píng)判教室照度分布是否合理，并未對(duì)照明強(qiáng)弱比的影響進(jìn)行評(píng)估，而照明強(qiáng)弱比指標(biāo)對(duì)優(yōu)化整個(gè)教室光環(huán)境同樣重要，會(huì)直接影響到教室燈具的排布優(yōu)化，今后將進(jìn)一步研究這個(gè)問題。