大学阶梯教室照度均匀度的分析与优化

马丙戌，文尚胜,2，陈颖聪,2

(1.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640；2.华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室,广东 广州 510640)



大学阶梯教室照度均匀度的分析与优化

马丙戌1，文尚胜1,2，陈颖聪1,2

(1.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640；2.华南理工大学 发光材料与器件国家重点实验室,广东 广州 510640)

为了改善现在大学教室照明环境部分指标不达国家标准要求的问题，借助灯光照明设计和模拟软件Dialux，将现在大学里普遍使用的格栅灯具替换为面板灯，并通过布置灯具的数量和排列方式，模拟出一个更适合学习更为节能环保的照明环境。模拟结果表明：提出的照明方案不仅能满足学校教室照明国家标准，而且优化处理后的照明系统能有效地节约能源，全年每天8小时正常工作，对比现在大学普遍使用的照明系统，用电量能下降19%。不仅极大地改善了教室内的照明环境而且还达到了节约能源的效果，对于改善阶梯教室的照明环境、节能环保具有一定的借鉴意义。

阶梯教室；照度均匀度；平均照度；Dialux；面板灯

引言

学校的采光和照明设计，不仅要满足光的数量，还要要求优质的照明质量，使师生有一个减少视觉疲劳和舒适愉快的光环境[1]。教室的照明环境不良，特别是如果教室照度均匀度达不到要求，会使学生为了适应不均匀的照明环境，而产生视觉器官过度频繁的调节，使得眼部肌肉过分紧张，易造成视力疲劳[2]，长期在这种劣质照明环境中学习，不仅会使学生产生不适感，对学生的视力也将带来不利的影响[3]。人机工程学研究表明在作业过程中，视觉的应用最为重要和普遍，大约80%以上的信息由视觉得到，因此科学合理的照明环境可以提高工效[4]。可见，良好的照明环境可以提高学习效率和减少视觉疲劳[5]。大学学生一天有超过60%的时间在教室里度过，为大学教室营造一个优质的照明环境显得尤为重要[6]。

孔益平等[2]借助C++编程计算和Matlab软件构建了优化教室照明均匀度的数学模型，并得出了优化方案：教室四周由于得不到足够的光通量而照度值很低，所以可以将光源的位置向靠近教室四个角的方向进行调整[2]。当采用孔益平等提出的优化方案对大学阶梯教室的照明环境进行改良时发现，通过将灯具向两侧移动确实可以提高阶梯教室各工作面的照度均匀度，但是当照度均匀度达到最大时依旧达不到国家标准要求的0.7 。这说明孔益平等的结论具有一定的局限性。Dialux是一种用于照明分析计算的辅助设计软件[2],为了进一步提出更为完善的大学教室照度均匀度的优化方案，本文借助灯光照明设计和模拟软件Dialux，在孔益平等研究的基础上，对当下大学阶梯教室的照明环境作进一步研究与分析，并提出了更进一步的优化方案。

1 某大学阶梯教室现有照明环境的分析

1.1 模型构建和工作面选定

选取某大学的阶梯教室在软件中进行建模，教室大小为12.7m(长)×11.3m(宽)，教室共5级台阶，每级台阶尺寸为11.3m(长)×1.5m(宽)×0.2m(高)；教室地板距天花板的最大距离为4.26m；最后一个台阶距天花板的垂直距离为3.26m，墙壁的反射比为50%。根据GB 50034—2013建筑照明设计标准[7]规定工作面高度为0.75米水平面，由于是阶梯教室，所以工作面的选定为高于每一阶台阶0.75m，将5级台阶及地面所对应的工作面依次编号为1～6。阶梯教室的3D模型和6个工作面在教室平面图中的分布如图1所示。

图1 某大学阶梯教室的3D模型和教室中各个工作面在空间中的分布Fig.1 The 3D model of the steps classroom and the arranging of the working face in the steps classroom

1.2 对教室内现有照明效果的模拟分析

我国的教室光源布置通常采用均匀等间距的排列的方式，且根据中小学校教室采光和照明卫生标准GB 7793—2010[8]规定教室照明不应采用裸灯照明，照明灯具的选择多为72瓦的T8格栅灯具。该教室内灯具分布有6行4列共24个格栅灯具，每一列之间间距相等，最外侧的两列距墙壁的垂直距离均为1.6m，灯具高度4.205m。选用三雄极光嵌入式格栅灯具：PAK160811 PAK-B01-236-JI，将灯具导入建立好的模型中，灯具参数如图2所示。导入灯具后，通过Dialux软件进行计算，输出各个工作面上的计算结果如表1所示，伪色图如图3所示。

图2 所选用格栅灯具的参数与配光曲线Fig.2 The grille lamp panel’s parameters and distribution curve flux

图3 大学阶梯教室的实际照明效果伪色图Fig.3 The practical lighting effect of the steps classroom

1.3 采用孔益平等的优化方案进行优化后的照明效果的模拟分析

根据孔益平等提出的优化方案对灯位进行调整，当同时将左边的两列灯具向左移0.4m，右边的两列灯具向右移动0.4m时整个阶梯教室内各个工作面上将获得最大的照度均匀度的，输出各个工作面上的计算结果如表2所示，伪色图如图4所示。

表1 该阶梯教室各个工作面上的计算结果Table 1 The simulation result of the steps classroom

表2 采用孔益平等提出的优化方案进行优化后各 工作面上的计算结果Table 2 The simulation result according to KONG Yiping’s scheme

图4 采用孔益平等提出的优化方案进行优化后 的照明效果伪色图Fig.4 The optimized lighting effect of the steps classroom according to KONG Yiping’s scheme

1.4 讨论模拟结果

从表1中我们知道，阶梯教室在采用传统布灯方式的情况下，各个工作面的照度均匀度(最小照度/平均照度)分别为0.727、0.712、0.710、0.678、0.522、0.456，4、5、6工作面的照度均匀度达不到0.7，从表2中我们发现4、5、6工作面的照度均匀度有所提升但是依旧达不到0.7的国家标准。针对这个问题，通常采用增加灯具数量或者灯具的功率来改善。但是，从表1和表2中发现两种情况下教室各个工作面上的照度平均值均已达到国家标准的300lx且远高于这一指标，若通过增加灯具数量去改变教室的均匀度必将带来一定的能源浪费。另外孔益平等在提出优化方案时也经过研究表明增加灯具的功率对照度均匀度的改善并不大，并且增加灯具的功率必定存在与上述相同的问题。因此可以得出结论：针对阶梯教室，孔益平等的优化方案虽然可以使得各个工作面上的照度均匀度有所提高，但是仍然不能使得各个工作面上的照度均匀度满足国家标准。教室里安装的灯具普遍大都采用市场上通用的，较少根据具体教室的不同设计需求来进行专门的灯具配光及照明设计[9]。因此为了进一步改善阶梯教室的照度均匀度需要选用性能更为优良的灯具对传统格栅灯具进行替换。

2 优化方案

面板灯由于其独特的设计，光经过高透光率的导光板后形成一种均匀的平面发光效果，照度均匀性好、光线柔和、舒适而不失明亮，可缓解眼疲劳[10]。近年来面板灯广泛的应用于办公场所，或者商业会所，随着其制作工艺的逐渐成熟，成本的逐渐下降，面板灯必将走进教室用于为教室提供更加优质的照明环境。因此可以选择用面板灯替换原有的格栅灯具已达到优化阶梯教室的照度均匀度的目的。

2.1 分析并提出优化方案

选用面板灯替换格栅灯具，保持灯具数量不变，选用三雄极光PAK161010 PAK-B01-318-GM型面板灯替换原有的格栅灯具，灯具参数见图5。上文已根据孔等的优化方案获得了采用格栅灯具获得照度均匀度最佳值时的灯位，因此为了减少变量简化研究过程直接在这个最佳灯位上对原有的格栅灯具进行替换，通过Dialux模拟计算并输出计算结果如表3所示，输出伪色图如图6所示。从表3中我们看到各个工作面上的均匀度基本上均达到了0.7，但是平均照度均低于300lx，其中1到4工作面上的照度在允许偏差10%的范围内，但是5、6工作面上的平均照度没有达到这个指标，为此有以下两种改善的方案：方案一：每一列增加一个灯具；方案二：改变布灯方式，范士娟等[11]通过对隧道照明中不同的布灯方式的照明效果进行研究后表明相比对称分布采用交错分布后工作面上将获得更大的平均照度并且照度均匀度基本不变，这一点同样适用于教室的照明，但不同的是范士娟等研究的受照面是一部分路段，而在本文中需要考虑整个空间内各个受照面上的照明效果，因此如果全部灯具均采用交错分布必将使得教室4个角的照度值不够，因此需要在采用交叉分布的基础上在四个角增添4个灯具。用dialux对两种方案进行仿真模拟，输出计算结果分别如表4和表5所示，伪色图如图7和图8所示。

图5 所选面板灯的参数及其配光曲线Fig.5 The panel lights’parameters and distribution curve flux表3 将灯具替换为面板灯后各个工作面上的计算结果Table 3 The simulation result after using panel lights

编号名称平均照度/lx最小照度/lx最大照度/lx最小照度/平均照度最小照度/最大照度1工作面12922513200.8610.7842工作面22982543320.8530.7673工作面33002563390.8530.7564工作面42962463440.8330.7165工作面52651993310.7510.6016工作面62581823050.7040.596

表4 根据方案一优化后各个工作面上的计算结果Table 4 The simulation result of the first scheme

表5 根据方案二优化后各个工作面上的计算结果Table 5 The simulation result of the second scheme

图6 替换为面板灯后的阶梯教室照明伪色图Fig.6 The optimized lighting effect of the steps classroom after using panel lights

图7 根据方案一优化后的阶梯教室照明效果伪色图Fig.7 The optimized lighting effect of the steps classroom according to the first scheme

图8 根据方案二优化后的阶梯教室照明效果伪色图Fig.8 The optimized lighting effect of the steps classroom according to the second scheme

2.2 对两种优化方案的计算结果进行对比与分析

对比表3和表4，采取方案一进行优化后，工作面5上的平均照度提高了14%，达到了满足要求的301lx；工作面6上的平均照度提高了17%达到了满足要求的303lx；对比表1与表4，采用方案一进行优化后，4～6工作面上的照度均匀度相比原来提高了23%、44%、54%，使得4～6工作面上的照度均匀度达到了国家标准规定的0.7 。

对比表3与表5，采取方案二进行优化后，工作面5上的平均照度提高了12%，达到296lx,工作面6上的平均照度提高了7%,平均照度达到275，方案二优化后，5、6工作面的平均照度虽然依旧低于300lx，但是相比原来有了较大的提升且使得满足10%偏差，因此符合国家要求；对比表1与表5， 采用方案二进行优化后，4～6工作面上的照度均匀度相比原来提高了22%、43%、52%，使得4～6工作面上的照度均匀度达到了国家标准的0.7。

由此可以看出两个优化方案均可以使得在各工作面的平均照度满足国家标准要求的基础上使得照度均匀度提高到符合国家标准，达到了优化的目的。

2.3 功耗对比

假设全年平均每天阶梯教室内安装的灯具需要工作8个小时，且默认每个灯具全年均可正常工作。经过计算：

该大学教室现在采用24个T8格栅灯具按照6行4列进行布灯，全年共耗电：72×24×365×8=5045760(千瓦时)。替换为面板灯并采用优化方案一进行照明，此时有28个54W面板灯，全年共耗电：54×28×365×8=4415040(千瓦时)。替换为面板灯并采用优化方案二进行照明，此时有26个54W面板灯，全年共耗电：54×26×365×8=4099680(千瓦时)。

由此可见采用方案一全年可使每个教室照明用电量下降12.5%；采用方案二可使教室照明用电量下降19%。优化后不仅极大地改善了教室内的照明环境而且还达到了节约能源的效果。

3 结论

本文在采用孔益平等提出的优化方案对大学阶梯教室的照明环境进行优化时,发现虽然孔益平等提出的优化方案有助于提高教室内各个工作面上的照度均匀度，但是依然无法使得教室内的各工作面上的照度均匀度达到国家标准的0.7，因此为了进一步优化大学阶梯教室的照明环境以使其照度均匀度符合国家标准，本文借助灯光照明设计和模拟软件Dialux在孔益平等研究的基础上进行了进一步研究，发现传统的格栅灯具很难使得阶梯教室内各工作面同时获得满足国家标准的照度均匀度，因此本文提出了通过将格栅灯具更换为面板灯来提高阶梯教室照度均匀度的方案。

进一步为使得阶梯教室在获得符合标准的照度均匀度的同时其平均照度也符合标准，本文提出了通过增补灯具和改变布灯方式的两个优化方案，通过Dialux软件的模拟结果，两个方案均使得各工作面上的照度均匀度达到了0.7的国家标准，并且使得平均照度满足300lx±10%的标准。并且在对比功耗后发现方案一全年可使每个教室照明用电量下降12.5%；方案二可使教室照明用电量下降19%，优化后不仅极大地改善了教室内的照明环境而且还达到了节约能源的效果，为对环境更加友好的照明方案。

[1] 高帅.教室光环境研究综述[J].照明工程学报,2013, 24(增刊)：94-100.

[2] 孔益平，赵云胜，刘磊.优化教室照明均匀度的模型构建与求解[J].安全与环境工程,2012,19(2)：61-65.

[3] 姚远.教室照明设计的几个问题[J].照明工程学报，2004,15(2)：59-61.

[4] 李红杰，鲁顺清.安全人机工程学[M].武汉：中国地质大学出版社，2006：150-155.

[5] 陈小琴，姚加飞.重庆市部分中小学校教室光环境调查与分析[J].照明工程学报，2011 ，22(2)：25-30.

[6] 那红宇，江豫新.大学教室照明设计的现状和新构想[J].光源与照明，2004(1)：4-6.

[7] 中华人民共和国住房与城乡建设部. GB 50034—2013 建筑照明设计标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2013.

[8] 中华人民共和国住房与城乡建设部. GB 7793—2010 中小学校教室采光和照明卫生标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[9] 黄欢, 韩学林, 章道波.LED 在教室照明中的应用[J].照明工程学报,2011,22(6)：69-73.

[10] 房海明.LED照明设计与案例精选[M].北京: 北京航空航天大学出版社,2012：220-222.

[11] 范士娟,杨超.布灯方式对隧道照明的影响[J].井冈山大学学报(自然科学版),2013，34(3)：50-53.

Green Lighting 2015(北京)国际智能照明及其标准化研讨会通知

在过去的几年中，世界见证了半导体照明的快速发展。为了更好地发挥半导体照明的优势，满足应用需求，促进半导体照明的广泛应用，2012年11月ISO新成立TC274(光与照明)标准化技术委员会。ISO/TC274与国际照明委员会(CIE)在应用领域照明的标准化形成互补。国际组织ISO/TC274第三次全体工作会议将于2015年4月21日在北京举行。

联合国大会已宣布2015年为国际光年，希望以此纪念千年来人类在光领域的重大发现，强调推动可持续发展、解决能源、教育、农业和卫生等世界性问题的光技术的重要性。为了迎接2015年国际光年的到来，中国照明学会、国家半导体照明工程研发及产业联盟将于2015年4月22日举办“Green Lighting 2015(北京)国际智能照明及其标准化研讨会”。届时参加TC274标准化会议的国际专家将出席研讨会，并发表演讲。

研讨会以健康的光环境为核心关注点，集中探讨智能照明的标准化、照明设计、创新应用等焦点话题。本次会议由中国照明学会、国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)主办。

本次会议联系方式：

1.中国照明学会 联络咨询：高飞 电话：86-10-65830997

2.国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA) 联络：李辉，狄留成，于海春 电话：86-10-82382880/7380/6080

3.雅式展览服务有限公司 联络咨询：武京京 电话：86-10-51293366转835

Analysis and Optimization for the Uniformity of Illumination in the University’s Steps Classroom

Ma Bingxu1, Wen Shangsheng1,2, Chen Yingcong1,2

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China；2.StateKeyLaboratoryofLuminescenceMaterialsandDevices,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

This paper aims to improve classroom lighting environment and solve the problem that some indicators of the lighting environment do not meet the national standards. Light designing and simulation software DIAlux is used to simulate a lighting environment which is more suitable for learning and more energy efficient by changing the grille lamp panel to panel lights, and changing the lamps’ array methods and the number of lamps. The simulation results show that the proposed lighting system can not only meet the national standards of school classroom lighting but also effectively save energy by optimization, compared to the current lighting system. Assuming the lamps work 8 hours a day throughout the year, the electricity consumption will drop by 19%. It not only greatly improves the classroom lighting environment but also achieves the effect of saving energy, which hopefully contributes to the practice of energy saving and improving the ladder classroom’s lighting environment.

steps classroom; uniformity of illumination;average illumination; Dialux; panel lights

广东省科技厅重大科技专项(2011A080801016)，广东省战略性新兴产业专项(2011A081301017,2012A080304012,2012A080304001)，广州市科技计划项目(2013J4300021)

文尚胜，E-mail：shshwen@scut.edu.cn

TM923.01

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.013