窗簾對中小學(xué)教室光環(huán)境的影響

劉 凱，曹 帆，程 敏，賀曉陽，魏子航，王兆文，

松下信夫1，貝羅姆3，鄒念育1

(1.大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所，遼寧 大連 116034；2.中認(rèn)尚動(上海)檢測技術(shù)有限公司，上海 200233；3.文萊達(dá)魯薩蘭大學(xué) 綜合技術(shù)學(xué)院，文萊達(dá)魯薩蘭國，甘東區(qū)東姑連道，BE1410)

引言

近年來，隨著近視率的上升與近視低齡化現(xiàn)象的出現(xiàn)，青少年視覺環(huán)境受到社會的廣泛關(guān)注。教室照明是影響青少年視覺發(fā)育和健康的重要因素，光環(huán)境質(zhì)量的好壞直接影響到學(xué)生的身體健康。而且學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性也通常與合理優(yōu)質(zhì)的教室光環(huán)境是分不開的，在質(zhì)量較高的光環(huán)境中學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生們的視覺感受更好，學(xué)習(xí)效率也會相應(yīng)提高。因此科學(xué)的設(shè)計(jì)教室光環(huán)境，對減少視覺疲勞和提高學(xué)習(xí)效率具有重要作用[1-8]。

窗簾作為教室內(nèi)的重要組成部分，在教室光環(huán)境中一直扮演著重要角色，它對調(diào)節(jié)照度水平和控制眩光影響有著不可忽視的作用。通過設(shè)置窗簾可以避免陽光直射，提高教室內(nèi)的照度均勻度，并且降低受到的眩光影響。因此，相關(guān)地方及團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)均對窗簾進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定[9，10]。但是，窗簾的安裝方式以及反射率、透射率對照度與眩光的具體影響卻鮮有提及。因此本文從窗簾入手，從光的照度水平與眩光影響兩方面，對比安裝窗簾與不安裝窗簾兩種情況的光環(huán)境，以此分析安裝窗簾后對教室光環(huán)境的改善情況。并通過改變窗簾的反射率和透射率，從而選出最佳的窗簾參數(shù)，為改善教室光環(huán)境提出實(shí)際的優(yōu)化建議，并對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的解讀給予參考。

1 教室窗簾的形式

窗簾的主要作用是與外界隔絕，避免外界環(huán)境對室內(nèi)的影響。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中小學(xué)教室所用窗簾種類主要為開合式與卷簾式兩類，分別如圖1和圖2所示。其中開合式的窗簾通常采用比較柔軟的遮光布料，避免受到外界光照射的影響。其主體由導(dǎo)軌、簾頭和簾身組成，導(dǎo)軌與窗簾通過布帶、鉤連接，連接后能使簾身左右自由移動，窗簾一般打褶或呈波浪型，立體感較好。而卷簾式的窗簾通常采用比較硬挺、平滑的透光布料，對外界光線有一定的透射作用。其主體是由導(dǎo)軌和簾身兩部分組成，通過導(dǎo)軌的輪、軸的轉(zhuǎn)動使簾身上下自由移動，并且窗簾的導(dǎo)軌可將簾身卷起收藏在導(dǎo)軌內(nèi)。

圖1 開合式窗簾Fig.1 Opening and closing curtain

圖2 卷簾式窗簾Fig.2 Shutter curtain

因此，本次仿真計(jì)算選取開合式與卷簾式兩種窗簾類型進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)T/CEEIA 365—2019《中小學(xué)校教室光環(huán)境設(shè)計(jì)及測試評價(jià)規(guī)范》對窗簾反射率的規(guī)定，將反射率從0.30～0.80，每0.10選取一個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行對比分析。并且由于卷簾式的窗簾對光線具有一定的透射作用，因此在反射率的基礎(chǔ)上，將透射率從0.05～0.45之間，每0.05選取一個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行對比分析。從光的照度水平與眩光影響兩方面，對窗簾的不同反射率與透射率在教室光環(huán)境中的影響進(jìn)行分析，為教室中窗簾的安裝給出合理建議。

2 教室光環(huán)境仿真

2.1 教室空間

用DIALux EVO軟件構(gòu)建一個(gè)尺寸為9.50 m×6.90 m×3.65 m的典型三維教室空間。并且根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對教室內(nèi)各表面反射率的規(guī)定，將天花板反射率設(shè)置為0.70，前墻反射率設(shè)置為0.50，側(cè)墻與后墻反射率設(shè)置為0.70，地面反射率設(shè)置為0.20[10]。

教室朝向采用南北向的單側(cè)采光，光線自學(xué)生座位的左側(cè)射入，窗戶尺寸為2.90 m×2.10 m，窗戶底部距地面0.90 m。教室前后皆有門，尺寸為2.20 m×0.90 m。門上方設(shè)有尺寸為0.90 m×0.70 m的氣窗，且墻體中間設(shè)有尺寸為1.40 m×1.10 m的窗戶，窗戶底部距地面2.05 m，二者皆利于教室內(nèi)的空氣循環(huán)流通。

教室內(nèi)選用尺寸為4.00 m×1.20 m×0.10 m的墨綠色黑板，黑板面的反射率為0.20。黑板于前墻面居中安裝，黑板底部距地面1.00 m。教室內(nèi)放置雙人木制課桌24套，可以容納48名學(xué)生，桌面高0.75 m，反射率為0.45。仿真后的模型如圖3所示。

圖3 教室仿真圖Fig.3 Classroom simulation diagram

2.2 燈具選擇

教室內(nèi)的燈具均采用吊桿安裝方式[11]。黑板處選用3套黑板燈，燈具平行于黑板安裝，與黑板的平行間距為1.00 m，與黑板上緣的垂直距離為0.20 m；學(xué)生處選用9套教室燈，3×3矩形排列，與桌面的垂直距離為2.00 m，燈具的布燈方法如圖4所示。

圖4 布燈圖Fig.4 Luminaire distribution diagram

黑板燈選取敞開式的LED燈具，功率為37.5 W，光通量為3 201 lm，色溫為5 000 K；教室燈選取LED格柵燈，功率為36.8 W，光通量為3 486 lm，色溫為5 000 K，燈具的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。教室面積為65.55 m2，照明燈具為12套，其中黑板燈3套、教室燈9套，總功率為443.7 W，功率密度為6.77 W/m2，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對教室照明功率密度不得高于9 W/m2的規(guī)定[10]。

表1 燈具參數(shù)Table 1 Lighting parameters

2.3 天然光條件

教室受到的天然光設(shè)置為2019年8月1日上午11時(shí)上海市的天然光情況，天頂輝度、環(huán)境條件以及污染情況等參數(shù)均由DIALux EVO軟件計(jì)算得出，具體的天然光信息如表2所示。

表2 天然光信息Table 2 Daylight information

3 仿真計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 評判標(biāo)準(zhǔn)

以課桌面、黑板面為評判區(qū)域?qū)φ斩冗M(jìn)行評判，即對黑板表面的垂直照度以及以桌面高度為0.75 m的水平面為工作面的水平照度進(jìn)行評判。并且根據(jù)GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對統(tǒng)一眩光值的應(yīng)用條件中，坐姿觀察者眼睛的高度通常取1.20 m的規(guī)定，選取48個(gè)學(xué)生座位中心處1.20 m高度點(diǎn)為眩光評判點(diǎn)，對學(xué)生坐在座位時(shí)的眩光影響進(jìn)行評判[12]。最終根據(jù)T/CEEIA 365—2019《中小學(xué)校教室光環(huán)境設(shè)計(jì)及測試評價(jià)規(guī)范》對上述參數(shù)的規(guī)定進(jìn)行評判，評判標(biāo)準(zhǔn)如下：

1)課桌面的維持平均照度不低于300 lx，且照度均勻度不低于0.70。

2)黑板面的維持平均照度不低于500 lx，且照度均勻度不低于0.80。

3)學(xué)生觀察點(diǎn)的位置處的統(tǒng)一眩光值不高于16.0[10]。

3.2 窗簾反射率對照度的影響分析

因開合式的窗簾通常采用遮光布料，卷簾式的窗簾通常采用透光布料，所以只考慮開合式窗簾的反射率影響。選取不安裝窗簾與安裝開合式窗簾兩種照明環(huán)境進(jìn)行仿真計(jì)算，將窗簾反射率從0.30～0.80，每隔0.10選取一個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行對比分析。仿真后的照度變化情況如圖5所示，其中窗簾反射率為0代表不安裝窗簾。

圖5 窗簾反射率對照度的影響Fig.5 Effect of curtain reflectance on illuminance

由圖5可見，當(dāng)不安裝窗簾時(shí)，由于受到陽光照射，黑板與桌面的平均照度分別為1 297 lx與1 122 lx，可照度均勻度卻只有0.79與0.60，不滿足上文3.1中對黑板的照度均勻度不低于0.80、桌面的照度均勻度不低于0.70的規(guī)定。然而當(dāng)安裝窗簾后，僅管黑板的平均照度降低到800 lx左右，可照度均勻度卻提高到了0.80以上；桌面的平均照度降低到500 lx左右，可照度均勻度從0.60提高到0.84，相對提高了40%?？梢婋m然安裝窗簾可能會使平均照度降低，但卻可以大大提高照度均勻度，而這對整體的照明效果有著明顯的改善作用。并且通過提高窗簾的反射率，平均照度分別提高了17 lx和21 lx，相對提高了2%和4%；照度均勻度有所降低，黑板與桌面的照度均勻度均降低了0.01，但降低后仍滿足3.1節(jié)對黑板的照度均勻度不低于0.80、桌面的照度均勻度不低于0.70的規(guī)定。由此可見，隨著窗簾反射率的提高，平均照度隨之提高，照度均勻度隨之降低，但變化幅度都不是很大。通過改變窗簾反射率，對照度影響并不明顯。

通過以上分析表明，通過安裝窗簾，避免了陽光影響，雖然降低了平均照度，但卻使桌面的照度均勻度從0.60提高到0.84，大大提高了其照度均勻度。并且隨著窗簾反射率的提高，平均照度隨之提高，照度均勻度隨之降低，盡管效果不是很明顯，但卻可以在一定程度上對教室的照明效果進(jìn)行改善。

3.3 窗簾反射率對眩光的影響分析

眩光是影響照明品質(zhì)的重要因素，因此在進(jìn)行教室照明規(guī)劃時(shí)，對于眩光的防治相當(dāng)值得注意[13]。眩光是由于視野中的亮度分布或亮度范圍的不適宜，或存在極端的對比，以致引起不舒適感覺或降低觀察細(xì)部或目標(biāo)的能力的視覺現(xiàn)象。按照其評價(jià)的方法對于視覺的影響不同，后者稱為失能眩光，前者稱為不舒適眩光，本文所討論的眩光均為不舒適眩光[14]。根據(jù)GB 50034—2013 《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，室內(nèi)照明的不舒適眩光采用統(tǒng)一眩光值(UGR)來評價(jià)，值越大代表眩光影響越嚴(yán)重，值越小代表眩光影響越小。且由其對眩光值的算法的規(guī)定可知：

(1)

式中：Lb為背景亮度；La為觀察者方向每個(gè)燈具的亮度；ω為每個(gè)燈具發(fā)光部分對觀察者眼睛所形成的立體角；P為每個(gè)單獨(dú)燈具的位置系數(shù)[12]。本次仿真計(jì)算即采用此算法對學(xué)生觀察點(diǎn)處的UGR進(jìn)行計(jì)算。

對48個(gè)學(xué)生座位處1.20 m高觀察點(diǎn)的UGR值進(jìn)行評判，其中不安裝窗簾時(shí)的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不安裝窗簾時(shí)學(xué)生所在位置的UGRTable 3 UGR of student when the curtains are not installed

由表3可見，學(xué)生座位分布為6行8列，其中第1列為靠近窗戶一側(cè)，第8列為靠近門一側(cè)。其中第1行、第3行和第6行，各有2處觀察點(diǎn)受到的眩光影響過小，無法計(jì)算出具體數(shù)據(jù)，因此以<10進(jìn)行表示。經(jīng)計(jì)算，48個(gè)學(xué)生UGR的平均值為15.1，滿足3.1節(jié)對于學(xué)生觀察點(diǎn)的位置處的統(tǒng)一眩光值不高于16.0的規(guī)定。但某些位置的眩光值大于16.0，其中第2行的觀察點(diǎn)受到的眩光影響最為嚴(yán)重，有6個(gè)觀察點(diǎn)的眩光值都在16.0或16.0以上。其中第2行第2列處的UGR達(dá)到了16.6，為48個(gè)學(xué)生觀察點(diǎn)UGR的最高值。且因受到陽光影響，靠窗四列的數(shù)據(jù)值偏高，部分區(qū)域受到的眩光影響較嚴(yán)重。

安裝窗簾后，48個(gè)學(xué)生觀察點(diǎn)UGR平均值隨反射率的變化情況如圖6所示，其中反射率為0代表不安裝窗簾。

圖6 窗簾反射率對學(xué)生觀察點(diǎn)UGR的影響Fig.6 Effect of curtain reflectance on UGR of student observation points

由圖6可見，安裝窗簾后，UGR會隨之降低，且隨著反射率的提高，UGR的降低程度也越高。當(dāng)反射率為0.30時(shí)，UGR與不安裝窗簾時(shí)相比僅降低0.2；而當(dāng)反射率為0.80時(shí)，UGR與不安裝窗簾時(shí)相比則降低0.7。兩種反射率的UGR平均值相差0.5。由式(1)可知，當(dāng)其余條件不變時(shí)，只提高背景亮度Lb時(shí)，UGR值將會降低。安裝窗簾后，La、ω與P均不發(fā)生變化，原本經(jīng)窗戶折射出的光照射到窗簾上，提高了整體的背景亮度，從而降低了UGR。并且隨著窗簾反射率的提高，Lb隨之提高，UGR隨之降低，學(xué)生受到的眩光影響也就越小。因此，窗簾反射率越高，眩光值越低，對眩光的改善效果越好。

因窗簾反射率為0.80時(shí)，學(xué)生觀察點(diǎn)受到的眩光影響最低。因此，對比安裝反射率為0.80的窗簾與不安裝窗簾兩種情況的UGR值，以此來分析安裝窗簾后對眩光的改善作用。安裝反射率為0.80的窗簾時(shí)，48個(gè)學(xué)生觀察點(diǎn)的UGR值如表4所示。

表4 安裝反射率為0.80的窗簾時(shí)學(xué)生所在位置的UGRTable 4 UGR of student when installed curtains with a reflectivity of 0.80

經(jīng)計(jì)算，安裝反射率為0.80的窗簾時(shí)，48個(gè)學(xué)生UGR的平均值為14.4，相比不安裝窗簾時(shí)平均每個(gè)位置降低了0.7，之前所有高于16.0的觀察點(diǎn)處的UGR均降低至16.0以下。為了方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對兩種情況每行的UGR平均值和每列的UGR平均值進(jìn)行比較，結(jié)果分別如圖7所示。

圖7 UGR平均值變化情況Fig.7 Change situation in the average of the UGR

由圖7可見，安裝窗簾后，每行的UGR平均值降低的幅度大致保持相同，基本都控制在0.6左右，而每列的UGR平均值降低的幅度則比較波動。靠窗的四列，每列基本都降低1.0左右，其中靠窗最近的第一列平均每個(gè)位置降低了1.2，極大減弱了眩光的影響。而靠門的四列，每行只降低0.3左右，對眩光的改善作用較小。因此，安裝窗簾后，靠窗一側(cè)對眩光的改善效果要比靠門一側(cè)的要好得多。

結(jié)合窗簾反射率對照度水平與眩光影響兩方面的數(shù)據(jù)，教室安裝窗簾時(shí)，窗簾的反射率越高對光環(huán)境的改善效果越好。因此，推薦教室安裝窗簾時(shí)，盡量選取反射率較高的窗簾。

3.4 窗簾透射率對照度的影響分析

由于開合式窗簾通常采用比較柔軟的遮光布料，而卷簾式窗簾通常采用硬挺、平滑的透光布料，因此只考慮卷簾式窗簾的透射率影響。選取反射率0.30、0.50和0.80的窗簾，將窗簾透射率從0.05開始，每次提升0.05進(jìn)行仿真計(jì)算，以此分析透射率對教室光環(huán)境的影響。當(dāng)窗簾反射率為0.80時(shí)，僅選取0.05、0.10及0.15三種不同透射率進(jìn)行仿真。而當(dāng)窗簾反射率為0.30和0.50時(shí)，選取從0.05～0.45九種不同透射率進(jìn)行仿真。仿真后的照度水平如圖8所示。

圖8 窗簾透射率對照度的影響Fig.8 Effect of curtain transmittance on illuminance uniformity

可見，隨著透射率的提升，三種不同反射率的窗簾的變化趨勢相同。黑板面與桌面的平均照度均有提升，且提升幅度較高；照度均勻度均隨之降低，黑板面的照度均勻度降低幅度較低，降低幅度僅為0.02，且最低點(diǎn)也滿足3.1節(jié)中黑板面照度均勻度不低于0.80的規(guī)定。桌面照度均勻度的降低幅度較高，當(dāng)透射率為0.45時(shí)的照度均勻度低于0.70，不滿足3.1節(jié)對桌面度均勻度不低于0.70的規(guī)定。

通過以上分析表明，提升窗簾的透射率可以提高黑板面與桌面的平均照度，但卻使照度均勻度降低。且窗簾透射率不應(yīng)超過0.45，一旦超過此值，則照度水平無法滿足3.1節(jié)對照度水平的規(guī)定。

3.5 窗簾透射率對靠窗一列桌面照度的影響分析

是否安裝窗簾對窗口處的光環(huán)境影響較大，因此選擇圖3中靠窗一列的6張桌子的水平照度進(jìn)行仿真計(jì)算。選取反射率為0.50的窗簾，將透射率從0.05～0.45，每隔0.05選取一個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行對比分析，并與不安裝窗簾時(shí)的照度情況進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 窗簾透射率對靠窗一列桌面照度的影響Fig.9 Effect of curtain transmittance on desktop illumination by the window

可見，安裝窗簾后，桌面平均照度大幅度降低，最多降低1 673 lx，最少降低849 lx，且透射率越高，平均照度降低的越少；照度均勻度大幅度提高，最多提高0.14，最少提高0.05，且透射率越低，照度均勻度提高的越多。與上文圖8中教室內(nèi)整體的桌面照度水品相比，靠窗一列的平均照度隨透射率提升的幅度要高于整體的提升幅度，照度均勻度隨透射率降低的程度低于整體的降低幅度。因此，安裝窗簾后，對靠窗一列桌面照度水平的改善情況優(yōu)于對整體的改善情況。

3.6 窗簾透射率對眩光的影響分析

48個(gè)學(xué)生觀察點(diǎn)UGR平均值隨透射率的變化情況如圖10所示。

圖10 窗簾透射率對學(xué)生觀察點(diǎn)UGR的影響Fig.10 Effect of curtain transmittance on UGR of student observation points

由圖10所示，隨著透射率的提升，48個(gè)學(xué)生觀察點(diǎn)處受到的眩光影響變化范圍較低，均值不足0.1。因此，隨著窗簾透射率的提升，學(xué)生受到的眩光影響無明顯變化。

通過以上分析表明，通過提升窗簾的透射率，可以提高黑板面與桌面的平均照度，降低二者的照度均勻度，然而對眩光無明顯改善作用。因此在選擇窗簾時(shí)，根據(jù)不同的照明情況，選取合適透射率的窗簾材質(zhì)來調(diào)節(jié)照度水平，以此提高整體的照明效果。

4 結(jié)論

本文針對不同類型、反射率與透射率的窗簾在中小學(xué)教室照明中的影響，通過DIALux EVO軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。從桌面的平均照度與照度均勻度、黑板面的平均照度與照度均勻度，以及48個(gè)學(xué)生座位中心處觀察點(diǎn)的UGR五個(gè)評價(jià)指標(biāo)的變化來評判窗簾對教室光環(huán)境的影響。

通過以上分析表明，兩種窗簾均可對教室光環(huán)境有良好的改善作用，且對靠窗一側(cè)的改善作用優(yōu)于靠門一側(cè)。當(dāng)教室安裝窗簾后，雖然降低了平均照度，卻提高了照度均勻度，并且降低了學(xué)生處受到的眩光影響，這對整體的照明效果有著明顯的改善作用。通過對不同反射率的窗簾進(jìn)行仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著窗簾反射率的提高，平均照度隨之提高，對受到的眩光影響的改善效果也越來越好，僅管照度均勻度隨之降低，但降低幅度較小，可以在一定程度上對教室的整體照明效果進(jìn)行改善。并且通過對不同透射率的窗簾進(jìn)行仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著窗簾透射率的提高，平均照度隨之提高，照度均勻度隨之降低，且二者的升降幅度較高，所以可以根據(jù)不同的照明情況，選取具有合適透射率的窗簾材質(zhì)，對教室的照度水平進(jìn)行改善。

所以結(jié)合照度水平與眩光影響兩方面的數(shù)據(jù)，安裝窗簾對教室的整體照明效果有著良好的改善作用。因此，推薦教室安裝窗簾時(shí)，根據(jù)教室環(huán)境、窗戶的大小等客觀條件選取合適的窗簾類型。在簾身的選擇上，盡量選擇反射率高的窗簾，并根據(jù)整體的照明效果選擇合適的透射率，為師生提供舒適的教室光環(huán)境。