基于自然采光的教室光环境研究

陈 泉，李长庚，陈志涛，许毅钦，赵 欢,

(1.中南大学物理与电子学院，湖南 长沙 410000；2.广东省半导体产业技术研究院，广东 广州 510000)

基于自然采光的教室光环境研究

陈 泉1，2，李长庚1，陈志涛2，许毅钦2，赵 欢1,2

(1.中南大学物理与电子学院，湖南 长沙 410000；2.广东省半导体产业技术研究院，广东 广州 510000)

教室是学生上课学习的主要场所，教室光环境不仅影响学生的用眼健康，而且影响学生的学习效率。自然光作为一种绿色能源，在改善教室光环境方面有着重要的作用。为了营造健康光环境，将矩阵分析与控制策略相结合，提出自然光与人工照明联合控制模型。运用DIALLUX软件对教室空间进行仿真，论证模型有效性，证明所提出的联合控制模型可以很好控制教室内的照度，营造舒适健康的教室光环境。

教室光环境；联合控制；DIALUX

引言

光是人类赖以生存的必备条件,正是这种对光的依赖性，让人们越来越重视对光环境的研究。光环境对人的影响包括短期作用效应和长期作用效应，短期作用效应是指8小时内的光辐射所产生的影响，例如眼睛和皮肤的光化学紫外伤害等；长期作用效应则主要包括闪烁、眩光及非视觉的生理节律影响等[1]。本文从光环境对学生学习效率和健康的影响出发，分析自然采光的优缺点并得出结论，相比较人工光源，自然光构建的光环境对人的健康更为有利。由于单纯的自然光照明很难满足教室照度要求，所以本文提出一种教室联合控制系统来对教室光照环境进行改善。

1 教室健康照明研究及自然光的优缺点

随着光健康科学的研究与发展，人们发现光环境对人的生理和心理影响显著[2]。同济大学郝洛西、林丹丹课题组对上海市中小学视力健康与光照环境进行了有关实验研究，结果显示色温和照度水平对学生在实验过程中的作业正确率有直接影响[3]。在满足现行规定标准照度300lx的光环境下，5 000 K和6 500 K的高色温可以延缓学生的视觉疲劳，提高学习效率；在照度值大于500lx的光环境下学生的视觉作业效率较高，且视觉感受较好。天津工业大学牛萍娟、方晶璐等人研究不同的LED照明环境(色温为2 700 K，4 500 K，6 700 K；照度值为300lx，500lx，800lx)对受试者生物节律的影响[4]。通过实验发现，在照度值一定时，色温为4500 K的光环境下，受试者的工作效率最高，舒适度最强。研究表明，室内照度值为500lx、色温为4500 K最为合适，在该照明环境下，办公人员的工作效率最高，疲劳程度最低。种种研究表明，不论是自然光还是人工光，其所构造的教室光环境与学生的眼健康和学习效率有着密不可分的关系。

在人类长期进化过程中，自然光是照明的主要来源。采用自然光照明的优势主要体现在两个方面：

1)采用自然光进行室内照明，更有利于健康光环境的构造。经国内外研究发现，在相同照度水平的情况下，人们在自然光环境下的视觉功效比在人工照明条件下的高5%～20%。自然光是自然界中动态变化的光线，可以使室内空间产生丰富的表现力，赋予人们开敞、凝缩、轻盈、含蓄等感觉。

2)采用自然光进行室内照明，更有利于节能减排，就照明而言，自然光是一种良好的绿色能源[5]。建筑物具有良好的自然采光可以最大限度地利用自然光代替人工照明，减少相应的照明能耗，缓解能源危机。

然而自然光是不可控光，首先，由于建筑存在一定的窗墙比，使得自然光很难均匀、有效的照射到整个室内空间；另外，阴天时太阳光弱，室内照度低，晴天时太阳光强，室内照度较强，因此出现课室内照度变化且分布不均的情况，不适合学生的学习生活。

2 教室天然采光情况分析

本文选用DIALUX软件进行仿真，教室模型为长9米、宽8米的矩形，两侧开窗如图1所示。

图1 教室模型Fig.1 Classroom model

设置参数，墙壁的反射系数为50%；地板反射系数为63%；窗户的反射系数为10%，透过率为90%。设置时间为2016年5月12日上午10:00，广州东经113度北纬23度，天空模型选择为多云天空模型进行仿真。其灰阶等照度图如图2所示。

图2 自然光下教室灰阶等照度图Fig.2 Classroom gray-scale illuminance contour diagram under natural light conditions

照度计算点选择为从距离黑板0.25米开始，每隔0.5米进行测量，横向均匀的选择8个测量点，教室点照度表如表1所示。

从仿真结果可知，教室左右两边靠窗的照度值较高，最大照度为6 671 lx，平均照度1 802 lx，远远高于教室照明标准的300 lx；而靠近黑板的前排位置照度值较低，最小照度为155 lx，平均照度220 lx，远低于教室照明标准的300 lx；教室照度均匀度即最小照度和平均照度的比值为0.154，均匀度极差。综上所述，在自然状态下教室的照度均匀度差，窗户附近出现照度过高，有眩光危害，离窗户较远的位置照度值太低，影响学生视力，这样的教室光环境不利于学生的学习。

表1 教室点照度表

在现实生活中，为了解决太阳光直射教室引起照度过高的情况，一般都是采用窗帘直接遮挡，然后通过室内人工灯光满足教室照明需求，这样没有充分利用自然光的优势，而且需要消耗较多的电能，不符合绿色可持续发展的需求。针对这种情况，本文提出了自然光与人工照明相结合的联合控制系统，通过加入百叶窗控制太阳光进入室内的角度及数量，避免太阳的直射，在照度不足的地方，采用人工照明补光达到照明要求。这样不仅可以利用天然光均匀、光质好、照度高且节约能源等优点，同时利用人工照明可以弥补自然光随昼夜、气候和季节而变化的不稳定性，缓解照明角度和眩光等问题，从而营造出最为舒适健康的教室光环境。

3 自然光与人工照明相结合的联合控制系统

室内的照度包含两部分：一部分为天然采光引起的昼光照度，另一部分为人工照明引起的人工照度。本文通过建立教室昼光照明模型以及人工照明模型，得到自然采光与人工照明的联合控制模型。

3.1 昼光照明模型

某一特定的建筑物的窗地面积比、采光口位置、窗总透射比、窗沿高度等参数均为确定值，因此其天然采光系数仅与遮阳措施以及室内进深长度有关。也就是说，在室内某一进深处，当遮阳措施选用百叶遮阳时，天然采光系数是百叶角度的函数。本文引入天然采光系数函数矩阵[6]，矩阵的每一元素均为天然采光系数——百叶角度函数，不同的矩阵元素代表室内不同进深处的天然采光系数函数，根据天然采光系数的概念，可以得到室内昼光照度式(1)，其中，n为房间进深；Gn(w)为进深为n处的天然采光系数函数；Ew昼为室内昼光照度矩阵。

(1)

3.2 人工照明模型

根据光通传递理论可以得到室内照度点的人工照度矩阵如式(2)所示。其中g为光通传递函数矩阵，光通传递函数矩阵的元素gij为光源j对点i的光出射比(或光通传递函数)。在光源位置确定的情况下，gij是不变化的，不随光源输出光通量的变化而变化。

(2)

一个空间内灯具安装好以后其光通传递函数矩阵是确定不变的，便可根据矩阵知识求得式(2)的最小二乘解为：

(3)

3.3 自然光与人工照明联合控制模型及策略

教室内工作面上某一点的照度由两部分组成，一部分为由于室外自然光引起的昼光照度，另一部分则为室内人工照明产生的人工照度，室内照度计算点的照度公式为：E=Ew+Ew昼如公式(4)。式中E为室内参考点的照度矩阵；En为参考工作点的照度；Ew为室内人工照度矩阵；Ew昼为室内昼光照度矩阵；E昼为室外天然光照度，通过室外照度传感器测得。

(4)

教室联合照明控制系统的控制策略就是充分的利用自然光提供教室照明，通过调节百叶窗的角度避免太阳直射和最大限度的提供自然光对教室的贡献值，减少人工照明，达到节能的目的。当百叶窗的最优角度确定后，那么室内昼光照度矩阵就确定，通过标准照度矩阵和Ew昼室内昼光照度矩阵的差值，即可求Ew室内人工照度矩阵，根据矩阵论知识可以求得相对应的光源光通输出值，实现按需补光。

4 模型的建立与仿真结果

实验模型还是采用本文第3节中提到的教室模型。教室空间采用15根某公司生产的LEDT8灯管，光通量为4 800lm。灯管均匀分布，面对黑板第一排从左至右为1～3号，第二排从左至右为4～6号，以此类推。

情况一：在夜晚，室外无太阳光情况下，只能靠人工光提供照明，这种情况下打开所有的灯光看是否达到照明要求。用DIALUX进行模拟，其教室内工作面的灰阶等照度图如图3所示。此时平均照度为395lx，照度均匀度达到0.75，从图3中可看出只有墙壁附近照度较低在300lx左右，其它部分都达到了教室照明的需要。所以夜晚在学生上晚自习时人工照明可以满足需求。

图3 人工照明情况下教室灰阶等照度图Fig.3 Classroom gray-scale illuminance contour diagram under artificial lighting conditions

情况二：室外照度为6 000lx时，根据模型设置的日期，时间，经、纬度，房屋朝向借助人工神经网络，采用人工神经网络中的BP算法(逆推学习法)来预测最佳百叶窗角度，求得百叶窗的最优角度为48°。得到Ew昼为[163 421 860 926 800 892 732 563 272 162 339 823 810 798 925 769 419 270]T，相对应的人工补光照度矩阵为[337 79 0 0 0 0 0 0 228 338 161 0 0 0 0 0 81 230]T。根据3.3章节中的(3)可以求得光源输出矩阵为:[2 605 1 206 2 850 0 0 0 2 230 1 568 0 0 1 200 0 0 3 260 0]T，即只需将1,2,3,7,8,11,14七盏灯的功率分别为54%，25%，59%，46%，33%，25%，68%，即可满足需求。理论值求得后，利用DIALUX软件进行效果测试。当室外照度为6 000lx以及百叶角度为48°时，得到的教室内照度分布如表2所示。

由表2可知，采用联合控制策略后，室内的平均照度为541lx，最小照度为403 lx，照度均匀度达到了0.74，除去两侧窗户处的照度为1 000 lx左右，其他工作面基本都在500lx左右符合标准要求，利用此控制策略达到了很好的效果。

表2 联合控制模型仿真值

5 结论与展望

本文介绍了一些现有教室光环境研究的成果，以及自然采光的优缺点，然后DIALUX仿真分析当前教室采光的情况，针对教室照度不均匀的情况本文提出昼光模型和人工照明模型，并将它们联合起来，提出联合控制策略。最后将得到的联合控制模型运用到实际的教室模型中，进行仿真与效果分析，得出结论：本文的控制策略可以很好的运用自然光，并能够使教室工作面的照度恒定在500 lx左右。

本文将更多的自然光引进到室内，然后通过人工照明补光达到照度均匀。但是就教室光环境而言，评价其好坏的有许多指标，照度和照度均匀度只是其中两个，还有眩光、色温、显色指数等等，所以后续还需考虑其他因素完善模型。

[1] 罗勇军,牟同升,温晓芳. 光健康与国际标准化的进展[J]. 照明工程学报,2013,24(增刊):14-18.

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

[3] 林丹丹. 上海市中小学生视力健康与光照环境的分析研究[D].上海：同济大学,2008.

[4] 牛萍娟,方晶璐,田会娟,梁立君. 基于光生物效应的LED办公照明环境研究[J]. 照明工程学报,2014,25(4):23-28.

[5] 张泽,王立鑫,杨晖. 大学教室光环境实验研究[J]. 照明工程学报,2015,26(6):19-21.

[6] 曾礼强. 昼间人工照明特性及其控制策略研究[D].重庆：重庆大学,2007.

Research on Light Environment of Classroom Based on Natural Lighting

CHEN Quan1，2, LI Changgeng1, CHEN Zhitao2, XU Yiqin2, ZHAO Huan1,2

(1. College of Physics and Electronics of Central South University,Changsha 410000,China;2.GuangdongInstituteofSemiconductorIndustrialTechnology,Guangzhou510000,China)

The classroom is the main place for students to study,light environment not only affects the students eye health, but also affect their learning efficiency. Natural light as a kind of green energy, has an important role in improving the classroom light environment. To construct healthy light environment, we need to combine matrix analysis and control strategy,and then build a model controlled by natural light and artificial illumination. Using DIALLUX software to simulation the classroom space, demonstrate the validity of the model.According to the simulation，it can effectively control the indoor illuminance and create a comfortable and healthy light environment of classroom.

light environment of classroom; joint control; DIALUX

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.006