教室光环境评价方法及其影响因素的研究

华利生，胡锡兵，杨华利，陈 功

(江苏新广联光电股份有限公司，江苏 无锡 214192)

引言

近年来，社会各界对如何保护学生视力从多个方面展开了调查与研究[1-6]，并就教室照明制定了相关规范[7，8]。研究发现，教室光环境改善有利于减缓学生视力的下降速度，教室光环境差是造成学生视力下降的重要原因之一[9]。复旦大学林燕丹教授团队[10]通过设置不同的色温、照度的直接照明与间接照明的组合，探究了不同照明方式对学生的视觉任务的绩效以及视觉舒适性的影响。教室照明设计需要考虑多个因素，才能达到为学生提供舒适、准确、快速的视看条件，有助于学生集中精力的设计目的。较好的教室照明设计应能满足学生生理和心理的需要，适合学生长时间的视觉作业的特点，不仅要具有合适的照度值，而且照明质量的各项参数均应满足要求。

本文通过改变教室灯具的配光、教室灯具上照光的流明值、受光面顶棚的反射系数、教室灯具的安装高度等参数，对目标参量如学生区的平均照度、照度均匀度、UGR、垂直照度等进行DIALux模拟，分析这些参量的影响因素，为教室光环境的优化提参考。

1 教室照明设计中需要考虑的因素

1)视觉作业特点。长时间看桌面书本或者看桌面电脑屏幕；有限时间看清书写板以及投影幕内容上内容；在桌面书本与书写板之间来回切换。

2)教室照明质量要求。CQC 3155—2016《中小学校及幼儿园教室照明产品节能认证技术规范》，对相关照明质量指标都有明确的规定[7]。

(a)色度坐标。额定相关色温取3 500 K、4 000 K、5 000 K，色度坐标的目标值见表1，色度坐标的初始值应在色度坐标目标值5 SDCM之内。

表1 色度坐标

(b)显色指数。对于荧光灯，双端荧光灯Ra的初始值应不低于80，用于美术教室的Ra的初始值应不低于90。对于LED灯具，Ra的初始值应不低于80，用于美术教室的Ra的初始值应不低于90，R9应大于50。

(c)照明标准要求。教室照明相关参数要求如表2所示。

表2 教室照明标准值

3)间接照明在提高教室光环境效果中的作用。间接照明方式中光和介质相互作用的途径有两种：一是光被介质折射后作用于被照面；二是光通过介质部分透出作用于被照面，或者是两种途径相结合[14]。间接照明按照不同的照射角度和照射方式可以有不同的分类方式，但是归根到底都是为丰富空间环境、渲染空间气氛、增强空间立体感及体现空间环境的风格服务的[15]。本文从实际应用出发，介绍教室灯的安装高度、上射光比例、天花顶棚受光面反射系数与相关照明质量指标的关系，通过试验模拟的方式将间接照明的三要素加以阐释，剖析室内相关的灯光的处理手法。

2 不同的教室光环境配置对照明质量指标的影响

使用DIALux仿真软件，通过改变教室光环境配置，模拟计算出不同照明指标的变化。通过对拟采用的灯具配光曲线文件进行照度计算，得出一些关键的照明指标[4]，分析这些关键指标可以得出照明方案的合理性。

模拟仿真所选的教室长、宽、高分别为9 m、7 m、3.4 m。为便于数据统计，整个教室分为教师区和学生区，如图1所示。

图1 标准教室示意图Fig.1 Standard classroom effect map

2.1 不同灯具配光曲线所产生的影响

通过改变教室灯的配光曲线，来评价对课桌面平均照度、照度均匀度、UGR的影响。表3为4款灯具的参数特征，包括功率、光通量、上照光及下照光的比率等，图2为4款灯具的配光曲线。图3为4款灯具对课桌面照度、照度均匀度的影响；图4是不同配光对教室UGR的影响结果。

图2 灯具配光曲线Fig.2 Light distribution curve of luminaires

表3 灯具的基本参数

图3表明，学生区课桌面的平均照度主要取决于下照光通量；上照光对学生区课桌面的照度均匀度影响较大，增加教室灯的上照光通量，可以改善课桌面照度均匀度；图4则表明上照光对教室照明UGR影响较大，可以通过增加上照光来降低教室照明UGR。

图3 不同配光对课桌面平均照度、照度均匀度的影响Fig.3 Effect of different light distribution on the mean illumination and illumination uniformity of class desktop

图4 不同配光对教室UGR的影响Fig.4 Effect of different light distribution on UGR in classroom

2.2 教室灯安装高度的影响

选用表1中灯具2，且天花顶棚反射系数设置为0.7，地面的反射系数设置为0.15，灯具数量为9盏。通过改变教室灯的安装高度，来评价对课桌面平均照度、照度均匀度、UGR、垂直照度、天花顶棚的平均照度的影响。图5为教室灯不同安装高度对课桌面平均照度、照度均匀度的影响，图6为教室灯不同安装高度对学生区UGR和垂直照度的影响，图7为教室灯不同安装高度对天花顶棚照度均匀度、平均照度的影响。

图5 教室灯不同安装高度对课桌面平均照度、照度均匀度的影响Fig.5 Effects of different installation heights of classroom lamps on the average illumination and illumination uniformity of classroom desktop

图6 教室灯不同安装高度对学生区UGR的影响Fig.6 Effects of different installation heights of classroom lamps on UGR and vertical illumination in student areas

图7 教室灯不同安装高度对天花顶棚照度均匀度和平均照度的影响Fig.7 Effect of different installation heights of classroom lamps on illumination uniformity and the average illumination of ceiling Roof

图5表明灯具安装高度越高，课桌面的照度越低，基本上呈现线性关系；随着安装高度的增加，课桌面照度均匀度呈现下降趋势；图6表明上照光对教室照明UGR影响较大，可以通过增加上照光来降低教室照明UGR；随着灯具安装高度增加，特定目标面上的垂直照度随之降低；图7则表明安装高度对顶棚天花板相关参数的影响。

2.3 不同的上受光面的反射系数产生的影响

选用表1中灯具2，且灯具安装高度设置为0.7，灯具数量为9盏。通过改变上受光面天花顶棚反射系数，来评价对课桌面平均照度、照度均匀度、UGR、垂直照度、天花顶棚的平均照度及其照度均匀度的影响。图8为不同天花顶棚反射系数对课桌面照度均匀度和平均照度的影响，图9为不同天花顶棚反射系数对学生区垂直照度和UGR的影响，图10不同天花顶棚反射系数对天花顶棚平均照度和照度均匀度的影响。

图8 不同天花顶棚反射系数对课桌面平均照度和照度均匀度的影响Fig.8 Effect of reflection coefficient of different ceiling roofs on average illumination and illumination uniformity of class desktop

图9 不同天花顶棚反射系数对学生区垂直照度的影响Fig.9 Effect of reflection coefficient of different ceiling roofs on vertical illumination and UGR in student areas

图8表明随着天花顶棚反射系数提高，课桌面平均照度也会提高，两者基本上呈现线性关系；改变天花顶棚反射系数对课桌面均匀度几乎无影响。图9表明特定目标面垂直照度随着天花顶棚反射系数提高而提高；天花顶棚反射系数是UGR的改善的关键因素之一。图10表明天花顶棚反射系数于与天花顶棚表明平均照度、照度均匀度呈正相关关系。

图10 不同天花顶棚反射系数对天花顶棚平均照度和照度均匀度的影响Fig.10 Effect of reflection coefficient of different ceiling roof on average illumination and illumination uniformityof ceiling roof

2.4 灯具上照光通量变化带来的影响

保持灯具的下照光通量为3 154 lm，且天花顶棚的反射系数设置为0.7，安装高度设置为2.8 m，灯具数量为9盏。通过改变教室灯上照光通量大小，来评价对课桌面平均照度、UGR、垂直照度、天花顶棚的平均照度的影响。图11为上照光对课桌面和天花顶棚平均照度的影响，图12为上照光对学生区1.2 m水平面UGR的影响，图13为上照光对1.2 m水平面垂直照度的影响。

图11 上照光对课桌面和天花顶棚平均照度的影响Fig.11 The influence of illumination on the average illumination of desktop and ceiling roof

图12 上照光对学生区1.2 m水平面UGR的影响Fig.12 Effect of upper light on UGR at 1.2 m horizontal level in student areas

图13 上照光对1.2 m水平面垂直照度的影响Fig.13 Effect of upper illumination on vertical illumination of 1.2 m horizontal plane

图11、图13表明上照光与桌面平均照度、1.2 m水平面垂直照度、天花顶棚平均照度呈正比例关系；图12表明上照光与UGR呈现负比例关系，增加上照光可以作为改善UGR的重要途径之一。

3 结束语

本文通过对标准教室模型的DIALux模拟分析，获得如下结论：增加上照光光通量、提高灯具的安装高度以及增加天花顶棚反射系数等手段可以降低UGR；提高课桌面照度均匀度，除了优化灯具的排布位置之外，也可通过增加灯具的安装高度来实现；通过提高天花顶棚的反射系数可以提高垂直照度。

目前，照度均匀度、照明强弱比被用来作为衡量照明设计效果的重要指标，但是这两个参数之间存在着不确定性，比如照度均匀度最大时照明强弱比并非为最小值(照明强弱比越小表明照明越均匀)。本文仅从提高照度均匀度的角度来评判教室照度分布是否合理，并未对照明强弱比的影响进行评估，而照明强弱比指标对优化整个教室光环境同样重要，会直接影响到教室灯具的排布优化，今后将进一步研究这个问题。