基于自然采光的教室光環境研究

陳 泉，李長庚，陳志濤，許毅欽，趙 歡,

(1.中南大學物理與電子學院，湖南 長沙 410000；2.廣東省半導體產業技術研究院，廣東 廣州 510000)

基于自然采光的教室光環境研究

陳 泉1，2，李長庚1，陳志濤2，許毅欽2，趙 歡1,2

(1.中南大學物理與電子學院，湖南 長沙 410000；2.廣東省半導體產業技術研究院，廣東 廣州 510000)

教室是學生上課學習的主要場所，教室光環境不僅影響學生的用眼健康，而且影響學生的學習效率。自然光作為一種綠色能源，在改善教室光環境方面有著重要的作用。為了營造健康光環境，將矩陣分析與控制策略相結合，提出自然光與人工照明聯合控制模型。運用DIALLUX軟件對教室空間進行仿真，論證模型有效性，證明所提出的聯合控制模型可以很好控制教室內的照度，營造舒適健康的教室光環境。

教室光環境；聯合控制；DIALUX

引言

光是人類賴以生存的必備條件,正是這種對光的依賴性，讓人們越來越重視對光環境的研究。光環境對人的影響包括短期作用效應和長期作用效應，短期作用效應是指8小時內的光輻射所產生的影響，例如眼睛和皮膚的光化學紫外傷害等；長期作用效應則主要包括閃爍、眩光及非視覺的生理節律影響等[1]。本文從光環境對學生學習效率和健康的影響出發，分析自然采光的優缺點并得出結論，相比較人工光源，自然光構建的光環境對人的健康更為有利。由于單純的自然光照明很難滿足教室照度要求，所以本文提出一種教室聯合控制系統來對教室光照環境進行改善。

1 教室健康照明研究及自然光的優缺點

隨著光健康科學的研究與發展，人們發現光環境對人的生理和心理影響顯著[2]。同濟大學郝洛西、林丹丹課題組對上海市中小學視力健康與光照環境進行了有關實驗研究，結果顯示色溫和照度水平對學生在實驗過程中的作業正確率有直接影響[3]。在滿足現行規定標準照度300lx的光環境下，5 000 K和6 500 K的高色溫可以延緩學生的視覺疲勞，提高學習效率；在照度值大于500lx的光環境下學生的視覺作業效率較高，且視覺感受較好。天津工業大學牛萍娟、方晶璐等人研究不同的LED照明環境(色溫為2 700 K，4 500 K，6 700 K；照度值為300lx，500lx，800lx)對受試者生物節律的影響[4]。通過實驗發現，在照度值一定時，色溫為4500 K的光環境下，受試者的工作效率最高，舒適度最強。研究表明，室內照度值為500lx、色溫為4500 K最為合適，在該照明環境下，辦公人員的工作效率最高，疲勞程度最低。種種研究表明，不論是自然光還是人工光，其所構造的教室光環境與學生的眼健康和學習效率有著密不可分的關系。

在人類長期進化過程中，自然光是照明的主要來源。采用自然光照明的優勢主要體現在兩個方面：

1)采用自然光進行室內照明，更有利于健康光環境的構造。經國內外研究發現，在相同照度水平的情況下，人們在自然光環境下的視覺功效比在人工照明條件下的高5%～20%。自然光是自然界中動態變化的光線，可以使室內空間產生豐富的表現力，賦予人們開敞、凝縮、輕盈、含蓄等感覺。

2)采用自然光進行室內照明，更有利于節能減排，就照明而言，自然光是一種良好的綠色能源[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，減少相應的照明能耗，緩解能源危機。

然而自然光是不可控光，首先，由于建筑存在一定的窗墻比，使得自然光很難均勻、有效的照射到整個室內空間；另外，陰天時太陽光弱，室內照度低，晴天時太陽光強，室內照度較強，因此出現課室內照度變化且分布不均的情況，不適合學生的學習生活。

2 教室天然采光情況分析

本文選用DIALUX軟件進行仿真，教室模型為長9米、寬8米的矩形，兩側開窗如圖1所示。

圖1 教室模型Fig.1 Classroom model

設置參數，墻壁的反射系數為50%；地板反射系數為63%；窗戶的反射系數為10%，透過率為90%。設置時間為2016年5月12日上午10:00，廣州東經113度北緯23度，天空模型選擇為多云天空模型進行仿真。其灰階等照度圖如圖2所示。

圖2 自然光下教室灰階等照度圖Fig.2 Classroom gray-scale illuminance contour diagram under natural light conditions

照度計算點選擇為從距離黑板0.25米開始，每隔0.5米進行測量，橫向均勻的選擇8個測量點，教室點照度表如表1所示。

從仿真結果可知，教室左右兩邊靠窗的照度值較高，最大照度為6 671 lx，平均照度1 802 lx，遠遠高于教室照明標準的300 lx；而靠近黑板的前排位置照度值較低，最小照度為155 lx，平均照度220 lx，遠低于教室照明標準的300 lx；教室照度均勻度即最小照度和平均照度的比值為0.154，均勻度極差。綜上所述，在自然狀態下教室的照度均勻度差，窗戶附近出現照度過高，有眩光危害，離窗戶較遠的位置照度值太低，影響學生視力，這樣的教室光環境不利于學生的學習。

表1 教室點照度表

在現實生活中，為了解決太陽光直射教室引起照度過高的情況，一般都是采用窗簾直接遮擋，然后通過室內人工燈光滿足教室照明需求，這樣沒有充分利用自然光的優勢，而且需要消耗較多的電能，不符合綠色可持續發展的需求。針對這種情況，本文提出了自然光與人工照明相結合的聯合控制系統，通過加入百葉窗控制太陽光進入室內的角度及數量，避免太陽的直射，在照度不足的地方，采用人工照明補光達到照明要求。這樣不僅可以利用天然光均勻、光質好、照度高且節約能源等優點，同時利用人工照明可以彌補自然光隨晝夜、氣候和季節而變化的不穩定性，緩解照明角度和眩光等問題，從而營造出最為舒適健康的教室光環境。

3 自然光與人工照明相結合的聯合控制系統

室內的照度包含兩部分：一部分為天然采光引起的晝光照度，另一部分為人工照明引起的人工照度。本文通過建立教室晝光照明模型以及人工照明模型，得到自然采光與人工照明的聯合控制模型。

3.1 晝光照明模型

某一特定的建筑物的窗地面積比、采光口位置、窗總透射比、窗沿高度等參數均為確定值，因此其天然采光系數僅與遮陽措施以及室內進深長度有關。也就是說，在室內某一進深處，當遮陽措施選用百葉遮陽時，天然采光系數是百葉角度的函數。本文引入天然采光系數函數矩陣[6]，矩陣的每一元素均為天然采光系數——百葉角度函數，不同的矩陣元素代表室內不同進深處的天然采光系數函數，根據天然采光系數的概念，可以得到室內晝光照度式(1)，其中，n為房間進深；Gn(w)為進深為n處的天然采光系數函數；Ew晝為室內晝光照度矩陣。

(1)

3.2 人工照明模型

根據光通傳遞理論可以得到室內照度點的人工照度矩陣如式(2)所示。其中g為光通傳遞函數矩陣，光通傳遞函數矩陣的元素gij為光源j對點i的光出射比(或光通傳遞函數)。在光源位置確定的情況下，gij是不變化的，不隨光源輸出光通量的變化而變化。

(2)

一個空間內燈具安裝好以后其光通傳遞函數矩陣是確定不變的，便可根據矩陣知識求得式(2)的最小二乘解為：

(3)

3.3 自然光與人工照明聯合控制模型及策略

教室內工作面上某一點的照度由兩部分組成，一部分為由于室外自然光引起的晝光照度，另一部分則為室內人工照明產生的人工照度，室內照度計算點的照度公式為：E=Ew+Ew晝如公式(4)。式中E為室內參考點的照度矩陣；En為參考工作點的照度；Ew為室內人工照度矩陣；Ew晝為室內晝光照度矩陣；E晝為室外天然光照度，通過室外照度傳感器測得。

(4)

教室聯合照明控制系統的控制策略就是充分的利用自然光提供教室照明，通過調節百葉窗的角度避免太陽直射和最大限度的提供自然光對教室的貢獻值，減少人工照明，達到節能的目的。當百葉窗的最優角度確定后，那么室內晝光照度矩陣就確定，通過標準照度矩陣和Ew晝室內晝光照度矩陣的差值，即可求Ew室內人工照度矩陣，根據矩陣論知識可以求得相對應的光源光通輸出值，實現按需補光。

4 模型的建立與仿真結果

實驗模型還是采用本文第3節中提到的教室模型。教室空間采用15根某公司生產的LEDT8燈管，光通量為4 800lm。燈管均勻分布，面對黑板第一排從左至右為1～3號，第二排從左至右為4～6號，以此類推。

情況一：在夜晚，室外無太陽光情況下，只能靠人工光提供照明，這種情況下打開所有的燈光看是否達到照明要求。用DIALUX進行模擬，其教室內工作面的灰階等照度圖如圖3所示。此時平均照度為395lx，照度均勻度達到0.75，從圖3中可看出只有墻壁附近照度較低在300lx左右，其它部分都達到了教室照明的需要。所以夜晚在學生上晚自習時人工照明可以滿足需求。

圖3 人工照明情況下教室灰階等照度圖Fig.3 Classroom gray-scale illuminance contour diagram under artificial lighting conditions

情況二：室外照度為6 000lx時，根據模型設置的日期，時間，經、緯度，房屋朝向借助人工神經網絡，采用人工神經網絡中的BP算法(逆推學習法)來預測最佳百葉窗角度，求得百葉窗的最優角度為48°。得到Ew晝為[163 421 860 926 800 892 732 563 272 162 339 823 810 798 925 769 419 270]T，相對應的人工補光照度矩陣為[337 79 0 0 0 0 0 0 228 338 161 0 0 0 0 0 81 230]T。根據3.3章節中的(3)可以求得光源輸出矩陣為:[2 605 1 206 2 850 0 0 0 2 230 1 568 0 0 1 200 0 0 3 260 0]T，即只需將1,2,3,7,8,11,14七盞燈的功率分別為54%，25%，59%，46%，33%，25%，68%，即可滿足需求。理論值求得后，利用DIALUX軟件進行效果測試。當室外照度為6 000lx以及百葉角度為48°時，得到的教室內照度分布如表2所示。

由表2可知，采用聯合控制策略后，室內的平均照度為541lx，最小照度為403 lx，照度均勻度達到了0.74，除去兩側窗戶處的照度為1 000 lx左右，其他工作面基本都在500lx左右符合標準要求，利用此控制策略達到了很好的效果。

表2 聯合控制模型仿真值

5 結論與展望

本文介紹了一些現有教室光環境研究的成果，以及自然采光的優缺點，然后DIALUX仿真分析當前教室采光的情況，針對教室照度不均勻的情況本文提出晝光模型和人工照明模型，并將它們聯合起來，提出聯合控制策略。最后將得到的聯合控制模型運用到實際的教室模型中，進行仿真與效果分析，得出結論：本文的控制策略可以很好的運用自然光，并能夠使教室工作面的照度恒定在500 lx左右。

本文將更多的自然光引進到室內，然后通過人工照明補光達到照度均勻。但是就教室光環境而言，評價其好壞的有許多指標，照度和照度均勻度只是其中兩個，還有眩光、色溫、顯色指數等等，所以后續還需考慮其他因素完善模型。

[1] 羅勇軍,牟同升,溫曉芳. 光健康與國際標準化的進展[J]. 照明工程學報,2013,24(增刊):14-18.

[2] 高帥. 教室光環境研究綜述[J]. 照明工程學報,2013,24(增刊):94-100.

[3] 林丹丹. 上海市中小學生視力健康與光照環境的分析研究[D].上海：同濟大學,2008.

[4] 牛萍娟,方晶璐,田會娟,梁立君. 基于光生物效應的LED辦公照明環境研究[J]. 照明工程學報,2014,25(4):23-28.

[5] 張澤,王立鑫,楊暉. 大學教室光環境實驗研究[J]. 照明工程學報,2015,26(6):19-21.

[6] 曾禮強. 晝間人工照明特性及其控制策略研究[D].重慶：重慶大學,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