多媒体教室的天然采光优化分析研究

袁景玉，任 全，关高庆

(河北工业大学 建筑与艺术设计学院，天津 300402)

多媒体教室的天然采光优化分析研究

袁景玉，任 全，关高庆

(河北工业大学 建筑与艺术设计学院，天津 300402)

近年来多媒体教学形式逐渐成为学校教学的主要方式，但是大多数的多媒体教室基本上都是在原来普通教室的基础上，添加的多媒体设备，并没有考虑这样改装后的多媒体教室天然采光是否满足师生的需求。通过对天津地区高校多媒体教室进行调研，总结多媒体教室存在的天然采光问题，对其天然采光现状进行实测，并利用Radiance软件模拟数据与实测数据的对比，验证Radiance模拟可以对多媒体教室天然采光进行优化分析，以期提出多媒体教室的优化设计方案，改善其天然采光现状，对多媒体教室天然采光设计提供一定的指导。

多媒体教室； 自然采光； Radiance模拟分析； 优化设计

引言

在当今的社会之中，无论是高等院校, 还是中小学校, 多媒体教学都是教学改革的热门话题, 多媒体教学突破了原有传统的教学模式，可以给学生提供丰富多彩的图、文、声、像等信息, 使教学达到形象化的目的[1-2]。但众所周知，现在的多媒体教室大都是把原来的普通教室，装配上了多媒体设备，改装成了多媒体教室，然而这样的多媒体教室天然采光并不理想，存在着一定的问题。在多媒体教学过程中，天然采光既要满足桌面阅读、书写、笔记等传统的使用要求, 而且要保证黑板和多媒体屏幕的清晰度[3-4]。为了满足多媒体教室天然采光的要求，通过对天津地区高校多媒体教室天然采光现状的调研，总结其现存问题，利用实测数据与Radiance模拟进行对比，验证Radiance模拟可以对多媒体教室进行优化设计，并利用Radiance模拟从建筑平面和技术的角度对多媒体教室的天然采光提出设计优化设计方案，在此基础之上，试图对教学建筑的组团提出一种优化设想，改善现在多媒体教室存在的天然采光问题，并对其天然采光的设计提供一定的指导。

1 天津地区多媒体教室调研

1.1 多媒体教室天然采光现存问题

通过对天津工业大学、河北工业大学、天津大学和天津大学仁爱学院教学楼进行实地调研，如表1所示，得出现有多媒体教室中存在的问题主要有：

1)天然采光良好的白天多媒体教室内的电灯全部打开，使得天然光不能充分被利用，造成了能源的浪费；

2)由于对自然光缺乏控制，太阳光线强时室内容易出现眩光，造成多媒体教室内局部过亮的现象；

3)为了解决眩光，多数教室都采用遮阳窗帘等被动措施，使得桌面照度低，影响多媒体教室整体室内照度均匀度，降低了视觉舒适度；

4)遮阳窗帘的使用使得黑板区内的多媒体屏幕的照度值偏低，影响多媒体教室黑板区和多媒体屏幕的照度均匀度。

表1 多媒体教室自然采光调研照片总结

由上可见，这些问题都是不利于多媒体教学的重要因素，并会对师生的心理及生理健康等都带来不利的影响，同时会造成严重的建筑能耗[5-6]。

1.2 多媒体教室类型调研统计

依据教室功能和教室容量、面积等调研数据可以将现有教室分为：普通教室、普通多媒体教室、阶梯多媒体教室三类[7]，依次对河北工业大学、天津工业大学、天津大学、天津大学仁爱学院四所高校教室类型的统计如表2所示。

表2 天津地区几所高校教学楼多媒体教室统计

观察表格可以发现普通多媒体教室所占比重最多，说明普通多媒体教室具有一定的实用性研究价值，以下的实测和模拟都以普通多媒体教室作为主要研究对象。

2 多媒体教室天然采光的实测

2.1 测试地点

测试地点为天津市北辰区河北工业大学教学楼D区304多媒体教室。由于三层既受周围环境的影响，受室外直射光的影响也较大，所以作为中间楼层的三楼的采光情况是最为复杂的，研究也更有价值。304多媒体教室的尺寸为(长×宽×高)13.2 m×9 m×3.8 m，自然采光形式采用侧窗采光，南向墙体设置3组平开窗。

2.2 测试仪器

1)照度计：照度计的型号为TES-1335。

2)钢卷尺：钢卷尺的最大量程为10 m，其测量精度为0.01 m。

2.3 测试内容

选取春分日晴朗天空条件下进行测试，测试时间是从9：00—16：00，整点测量多媒体教室内桌面区和黑板区在各个测试点的照度值，照度测试点的布置[8]，如图1和图2所示。

图1 桌面区的照度测试选取点分布图Fig.1 Distribution of illuminance test in the desktop area

图2 黑板区的照度测试选取点分布图Fig.2 The blackboard area of the intensity of the test selection point distribution

2.4 测试结果

在春分日晴朗天空条件下多媒体教室内不同测试点的桌面区照度值分布曲线，如图3所示，以及黑板区照度值分布曲线，如图4所示。

图3 春分日晴天桌区面照度值分布曲线Fig.3 The equinox sunny table area illuminance distribution curve

图4 春分日晴天黑板区照度值分布曲线Fig.4 The equinox sunny area blackboard illumination value distribution curve

对晴天天空条件下的多媒体教室内桌面区、黑板区的照度水平分别进行了测试并进行了分析，得出以下几方面关于多媒体教室的天然采光特点规律：

1)在9：00—12：00之间，桌面区与黑板区的照度值普遍处于一个较高水平；

2)当13：00以后，桌面区与黑板区的照度值开始出现较大幅度的下降；

3)当15：00以后，桌面区与黑板区的照度值均下降到一个较低的水平；

4)整体教室桌面与黑板区的照度值分布呈现随着与窗口距离增大而减小的规律。

3 多媒体教室天然采光的模拟分析

3.1 模拟结果

3.1.1 桌面区照度分布模拟结果与实测结果对比分析

经过Radiance模拟计算后得出桌面区照度值，并与实测数据进行数据对比分析，得出如下对比分析曲线图，如图5所示。

3.1.2 黑板区照度分布模拟结果与实测结果对比分析

经过Radiance模拟计算后得出黑板区照度值，并与实测数据进行数据对比分析，得出如下对比分析曲线图，如图6所示。

图5 桌面区模拟数据与实测数据对比曲线图Fig.5 Comparison of simulated data and measured data in the desktop area

图6 黑板区模拟数据与实测数据对比曲线图Fig.6 Comparison of the simulated data and the measured data in the blackboard area

3.2 数据分析

通过将Radiance模拟与实测数据对比分析得到，无论是桌面区还是黑板区模拟数据与实测数据对比得出两者的变化趋势一致：

1)桌面区：靠近窗口的桌面测试点的照度值比远离窗口的桌面测试点的照度值大，而且教室整个桌面区出现最大照度值和最小照度值的位置是一样的。

2)黑板区：随着与南侧窗口距离的增加各表面点的照度值逐渐减少的趋势，照度值变化与实测差距也在误差允许范围内。

通过模型的建立，参数的设置，最终得到模拟结果，并与实测结果进行比较，验证了Radiance模拟软件对多媒体教室天然采光现状分析的可靠性，为接下来的优化设计提供思路与方法。

4 多媒体教室天然采光优化方案设计

4.1 多媒体教室平面优化设计

从建筑平面的角度，通过改变多媒体教室平面形状进行Radiance模拟，分析不同平面情况下多媒体教室桌面区和黑板区的天然采光状况，由于多媒体的教室均为侧窗采光，大面积开窗使室外光线投射到黑板区上，降低了多媒体教室内黑板区的清晰度，因此，针对建筑平面改变的优化设计，就主要是对多媒体教室的南侧墙体形状的变化进行的优化设计。经过多种优化方案的模拟对比，同时保证多媒体教室基本功能要求，对多媒体仪器、采光口的设置进行了一定的设计，考虑采光口应使桌面照度达到要求，而多媒体屏幕与之形成照度对比，来改善多媒体教室内的照度分布状况。通过大量反复模拟多媒体教室平面的优化设计方案，最终确定一种将南侧墙体旋转45°的平面形式，如图7所示，优化后的多媒体教室内天然采光状况经过模拟更有利于多媒体教学，基本满足了多媒体教室的天然采光需求。

4.2 采光口反光板优化设计

从建筑技术的角度，对多媒体教室内的采光口增设反光板，同时将窗台高度降低，解决多媒体教室内天然采光的分布不均匀、平均采光系数过小以及潜在的不舒适眩光问题。通过利用Radiance模拟，反复模拟了几种不同的采光口反光板的形式，得到了多媒体教室内采光口反光板的优化设计方案，当设置一组内置水平+一组外置水平+一组外置竖向长反光板+两组内置竖向长反光板的形式时，使多媒体教室的天然采光状况基本上都达到了天然采光要求，结合多媒体教室平面优化设计方案，最终得出了多媒体教室的优化方案，如图8所示。

4.3 优化模拟对比分析

将原来河北工业大学D-304多媒体教室与优化后的多媒体教室进行Radiance模拟对比，模拟时间设定在4月30日9：00，天空状态是晴天的状态，分别从桌面区的照度分布如图9所示，黑板区的照度分布如图10所示，多媒体教室室内三维分布图如图11、图12所示，三个方面进行Radiance模拟对比分析。

图7 多媒体教室优化方案平面图Fig.7 Multimedia classroom optimization plan

图8 多媒体教室优化方案效果图Fig.8 Effect of multimedia classroom

通过模拟对比可以发现优化方案中的桌面区照度要比原来的多媒体教室要高，而黑板区的照度却低得多，在多媒体教室三维分布图的对比中，更能够直观的得出优化后的多媒体教室更有利于多媒体教学的进行，更满足师生对多媒体教室天然采光的需求。

图9 D-304多媒体教室与优化方案桌面区照度分布曲线图对比Fig.9 D-304 multimedia classroom and optimization program desktop area illumination distribution contrast

图12 D-304多媒体教室与优化方案多媒体教室(后)三维分布图对比Fig.12 D-304 multimedia classroom and the optimization of multimedia classroom (after) three dimensional distribution comparison

4.4 优化方案

通过对建筑平面和采光口反光板的优化设计，最终得出多媒体教室天然采光的设计方案，再由优化后的多媒体教室设计方案构成建筑组团，如图13所示，对教学建筑设计中的多媒体教室天然采光设计具有可参考性和指导意义。

图13 多媒体教室构成的建筑组团样图Fig.13 Multimedia classroom building tour map

5 结语

本文基于天津地区高校对多媒体教室的天然采光现状进行了调研，发现多媒体教室现存的采光问题，并以河北工业大学教学楼多媒体教室为例进行了实测，了解多媒体教室的天然采光现状，对其进行Radiance模拟与实测数据进行对比，验证Radiance模拟可以对多媒体教室进行优化设计，提供了对多媒体教室天然采光的研究方法。通过对多媒体教室的平面和采光口反光板设置进行了大量的Radiance模拟优化设计分析，经过与现有多媒体教室天然采光进行Radiance模拟对比，我们最终提出了将多媒体教室南侧墙体旋转45°的平面形式和设置一组内置水平+一组外置水平+一组外置竖向长反光板+两组内置竖向长反光板的形式的优化设计方案，并以优化方案为基础，对教学建筑组团提出了设想，对改善多媒体教室天然采光进行了初步的探索研究。但是在对多媒体教室天然采光影响因素的设定上，并没有考虑多媒体教室内不同材质、梁柱、窗形式等建筑构件对于多媒体教室天然采光的影响，因此，对于多媒体教室天然采光的研究还需不断深入。

[1] 夏广军.教学光环境探究[J].宁夏工程技术,2009,8(3):239.

[2] 王玲,郎可夫.高等工程教育研究 [J].科技信息,2006,(6):117.

[3] 李振霞,沈天行.高校多媒体教室的天然光环境问题调查与对策研究[J].河北工业大学学报,2009,20(2):47-48.

[4] GREGG D Ander. Daylighting Performance and Design [M].Hoboken New Jersey: John wiley & Sons Inc., 2003: 29-31.

[5] LITTLEFAIR PJ. Light shelves: computer assessment of daylighting performance[J]. Lighting Research and Technology,1995(27):79-91.

[6] HATHAWAY WE. Effects of School Lighting on Physical Development and School Performance[J]. The Journal of Educational Research, 1995(4): 88.

[7] 方仲贤,刘煜.浅析西安地区高校教室自然采光设计—— 以西北工业大学长安校区为例[J].华中建筑,2010.(5):110-114.

[8] 柳孝图.建筑物理(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.7

[9] 建筑采光设计标准:GB 50033—2013[S].北京：中国建筑工业出版社,2013.

[10] 云朋.建筑光环境模拟[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[11] 戴立飞,高辉,谢贤文.反光板在建筑自然采光中的应用[J].工业建筑,2007,37(12)：54-56.

[12] 关高庆.多媒体教室分区化自然采光设计研究[D].天津：河北工业大学,2015.

Optimization Analysis of Natural Lighting in Multimedia Classroom

YUAN Jingyu， REN Quan， GUAN Gaoqing

(School of Architecture and Art Design，Hebei University of Technology， Tianjin 300402, China)

In recent years, multimedia teaching has gradually become the main mode of teaching in colleges and universities, but most of the multimedia classrooms basically were built upon the original ordinary classroom, by simply adding multimedia equipments, without considering whether its daylighting meets the needs of teachers and students. Through the research of Tianjin University multimedia classroom, the article summarizes existing multimedia classroom problems of natural lighting. The natural daylight conditions were measured, and the measured data was compared with the simulation data by the Radiance software to verify the Radiance simulation can be applied for optimization of multimedia classroom daylighting. The purpose is to put forward optimization scheme of multimedia classroom, improve the natural daylight condition and provide some guidance for the natural lighting design in the multimedia classroom.

multimedia classroom; natural lighting; radiance simulation analysis; optimization design

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.009