DIALux對(duì)階梯教室照明環(huán)境的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

官旭軍，徐 永

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350000)

DIALux對(duì)階梯教室照明環(huán)境的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

官旭軍，徐 永

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350000)

通過(guò)采用DIALux并參考實(shí)地測(cè)量數(shù)對(duì)某高校階梯教室進(jìn)行模擬和分析，找出其在照明方面所存在的問(wèn)題，主要是講臺(tái)桌的桌面照度較低以及存在光能浪費(fèi)問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)更換燈具并調(diào)整燈具的布局，用DIALux對(duì)現(xiàn)有的照明環(huán)境進(jìn)行了改善和優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化后整個(gè)教室的照明功率僅為原來(lái)的82.52%，且均勻性更好。

階梯教室；照明環(huán)境；照明優(yōu)化；DIALux

引言

對(duì)于學(xué)生群體而言，近視不僅影響日常生活，降低學(xué)習(xí)效率，而且還危害眼健康。造成學(xué)生近視的因素有很多，其中教室照明環(huán)境是一個(gè)重要因素。孔益平等[1]認(rèn)為，學(xué)生約有60%的時(shí)間是在教室度過(guò)的，若教室照明環(huán)境不良，學(xué)生的視覺(jué)器官會(huì)過(guò)度頻繁的調(diào)節(jié)而使眼部肌肉過(guò)分緊張，易造成視力疲勞，長(zhǎng)期在這種劣質(zhì)照明環(huán)境中學(xué)習(xí)，容易造成近視。賴德銘[2]也認(rèn)為學(xué)生視力的下降與教室的照明環(huán)境息息相關(guān)。

教室的照明環(huán)境不僅會(huì)影響學(xué)生的視力，而且還關(guān)乎著上課的效率。那紅宇等[3]通過(guò)日本學(xué)者大山正曾的實(shí)驗(yàn)得出光照度與學(xué)習(xí)效率、視力有很大關(guān)聯(lián)和影響的結(jié)論。黃海靜等[4]通過(guò)對(duì)具體教室照明環(huán)境進(jìn)行測(cè)量以及有針對(duì)性地發(fā)放問(wèn)卷得出結(jié)論，教室的照明不應(yīng)當(dāng)只注重?zé)艟邤?shù)量和視覺(jué)的感受，更應(yīng)當(dāng)提高照明質(zhì)量，這樣不僅能夠有利于學(xué)生的健康成長(zhǎng)，而且還可以提高學(xué)習(xí)效率。因此，一個(gè)高質(zhì)量的教室照明環(huán)境，不僅可以更好地保護(hù)視力，減少視覺(jué)上的疲勞，還可以提高學(xué)生的上課熱情、促進(jìn)學(xué)生思維轉(zhuǎn)動(dòng)，提升課堂效率。

1 DIALux軟件簡(jiǎn)介

DIALux是一款由德國(guó)DIAL專業(yè)軟件公司開發(fā)的用于照明設(shè)計(jì)、分析和計(jì)算的專業(yè)照明設(shè)計(jì)軟件，用戶可以免費(fèi)使用，世界各大燈具公司都有提供支持DIALux格式的燈具數(shù)據(jù)庫(kù)[5]。目前，與DIALux合作的伙伴共有209家照明公司，其中就包括了三雄極光照明、飛利浦照明、嘉美照明、歐普照明等知名照明品牌公司。對(duì)于燈具商家而言，DIALux是一個(gè)很好的平臺(tái)，可以更好地推銷其的產(chǎn)品，并且通過(guò)仿真設(shè)計(jì)服務(wù)于大眾的需求。軟件操作簡(jiǎn)單且易懂易學(xué)，還可滿足強(qiáng)大的空間設(shè)計(jì)和照明需求的功能。

沒(méi)有使用軟件的手工設(shè)計(jì)一般較多地要依賴設(shè)計(jì)師的主觀感覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)，而使用DIALux進(jìn)行設(shè)計(jì)可以較為直觀地展示照明環(huán)境的狀況，還能精確地算出具體的數(shù)值，對(duì)照明進(jìn)行量化和可視化，可以較為直觀地展示照明環(huán)境的狀況以便進(jìn)一步的分析和優(yōu)化，還可以通過(guò)自設(shè)工作面來(lái)對(duì)特定的工作面進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算并輸出結(jié)果。有助于進(jìn)一步的分析和改善。并且，該軟件使用的是燈具商家提供的數(shù)據(jù)，使得計(jì)算輸出的結(jié)果更為準(zhǔn)確。本文借助最新版DIALux evo 5.2版本對(duì)某高校階梯教室的照明環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化。

2 教室現(xiàn)有照明環(huán)境分析

2.1 教室照明環(huán)境仿真

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在DIALux中構(gòu)造出一個(gè)長(zhǎng)15.05m、寬10.70 m、高4.50 m的三維空間。同時(shí)，構(gòu)造出7級(jí)階梯，每級(jí)階梯高度均為12 cm，前6階寬度均為90 cm；并在最后排設(shè)置后門進(jìn)口處的階梯，共6級(jí)階梯，每級(jí)均高14 cm；在講臺(tái)處設(shè)置一個(gè)寬度為80 cm，高度為20 cm的黑板專用臺(tái)階。而后，放置課桌，離地面高度均為78 cm，從第五排開始置放在階梯中，即第五排在一級(jí)階梯中，第六排在二級(jí)階梯中，以此類推。最后，放置講臺(tái)桌，便形成教室的初步構(gòu)造。

接下來(lái)在DIALux軟件中，對(duì)桌面、地板、墻壁以及天花板賦予材質(zhì)，使之與實(shí)際教室更為吻合。在完成教室設(shè)置后，便可開始照明的仿真設(shè)計(jì)，即導(dǎo)入燈具以及燈具分布等。根據(jù)實(shí)地測(cè)量可知，階梯教室均采用三雄·極光的LED燈具。由DIALux燈具網(wǎng)得到[6]，型號(hào)：PAK-A02-236-DZ-LA，額定功率：2×15 W，總光通量：2 466 lm，長(zhǎng)：1 233 mm，寬：165 mm，高：810 mm。燈體采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，外形簡(jiǎn)潔，反光效果好。導(dǎo)入燈具及相應(yīng)的燈具分布后，便完成了對(duì)階梯教室照明環(huán)境的仿真構(gòu)建。具體的平面圖和3D圖，如圖1和圖2所示。

圖1 教室照明環(huán)境仿真平面圖Fig.1 Layout of classroom lighting environment for simulations

圖2 教室照明環(huán)境仿真3DFig.2 3D diagram of classroom lighting environment for simulations

2.2 教室照明環(huán)境現(xiàn)狀分析

2.2.1 桌面照明現(xiàn)狀分析

對(duì)于教室的照明環(huán)境而言，桌面的照明尤為重要，因?yàn)閷?duì)于學(xué)生而言，使用最重要且最頻繁的毋庸置疑便是桌面，每一位學(xué)生都要在桌面上聽課和自習(xí)。所以，一個(gè)較好的桌面照明條件，不僅可以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，放松情緒，還可以更好地保護(hù)視力，減少視覺(jué)疲勞。

表1 教室桌面照度實(shí)地測(cè)量值

在實(shí)地測(cè)量中，我們選擇在夜間，并拉上窗簾，關(guān)好門窗后進(jìn)行測(cè)量，以盡可能減少其他光照對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。使用照度計(jì)對(duì)桌面進(jìn)行照度的測(cè)量，得到了表1的數(shù)據(jù)，由此算出教室的均勻度為：0.7985。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[7]，對(duì)于教室的一般照明均勻度的要求是在0.75m水平面的參考平面或課桌面應(yīng)達(dá)到大于或等于0.6的水平，該教室的照明均勻度顯然已經(jīng)達(dá)到國(guó)標(biāo)的要求。

從各個(gè)工作面上的照度來(lái)看，第一排的照度在300lx左右，第二組的照度水平較一、二組為好。從總體上看，教室共有139個(gè)桌面，照度分布在295lx～427lx之間，其中照度小于300lx的有2個(gè)桌面；在300lx～400lx之間的有120個(gè)桌面；大于等于400lx的有17個(gè)桌面，總平均值為367.24lx，根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[7]對(duì)多媒體教室照明的規(guī)定，桌面上的照度標(biāo)準(zhǔn)值為300lx，故該教室桌面的平均照度已達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)使用DIALux進(jìn)行計(jì)算，可以得到表2的輸出數(shù)據(jù)，由此算出教室均勻度為：0.748 2，平均值為380.40lx。由于實(shí)際測(cè)量中可能受燈管老化的影響，導(dǎo)致實(shí)地測(cè)量值與DIALux的輸出不盡相同，但相差不大。因此，可以用DIALux近似代替實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。

表2 DIALux軟件得到的教室桌面照度值

2.2.2 教室整體工作面照明分析

把教室整個(gè)當(dāng)成一個(gè)工作面，圖3為DIALux輸出的教室工作面的偽色圖。顯然，越接近光源的地帶，光照度也越大，講臺(tái)離光源較遠(yuǎn)，光照度也較小，且光分布也較不均勻。從偽色圖中可以看出，在講臺(tái)桌附近區(qū)域，光分布主要在150～230lx之間。李振霞等[8]的分析認(rèn)為投影儀周圍的光照度較低時(shí)，投影的效果較佳，故在講臺(tái)處需要較低的光照度。并且桌面的照明均勻度達(dá)到了國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)值0.6，所以可以認(rèn)為在教室的照明均勻度方面的光照環(huán)境的設(shè)計(jì)是合理的。

從DIALux中建立一個(gè)工作面置放于講臺(tái)桌面上，測(cè)出講臺(tái)的平均照度為202lx，最小值為187lx，最大值為202lx。從偽色圖中也可以看出，講臺(tái)桌面的照度在170～210lx區(qū)域。顯然，講臺(tái)上的光照情況是不合理的，因?yàn)榻處熢谏险n時(shí)也要經(jīng)常看講臺(tái)上的講稿，所以講臺(tái)上的照明應(yīng)當(dāng)高一些。照明環(huán)境不僅會(huì)影響學(xué)生上課的效率，還會(huì)影響教師授課的熱情。

圖3 教室工作面?zhèn)紊植糉ig.3 Pseudo color distribution of working faces in the classroom

3 教室現(xiàn)照明環(huán)境的優(yōu)化

從以上照明環(huán)境的分析中，可以看出教室在光照均勻度及光照強(qiáng)度方面都是比較合理的，但仔細(xì)分析后可以發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)問(wèn)題：①講臺(tái)桌面上的光照度較弱，會(huì)影響教師的教學(xué)熱情，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高；②有些地帶的光照較強(qiáng)，可以適度降低以達(dá)到節(jié)能的效果。對(duì)此，用DIALux軟件進(jìn)行模擬仿真，找出解決的對(duì)策。

3.1 教室講臺(tái)桌面光照的優(yōu)化

由于講臺(tái)桌面的照度較低，所以我們按以下方式進(jìn)行優(yōu)化。①先將燈具整體向講臺(tái)方向前移25 cm；②將1盞型號(hào)為PAK-LED-OT8-18WB-40-ZL的燈具放置于講臺(tái)桌面中間位置，高度與教室前三排燈具一致，即3.280 m。

根據(jù)DIALux燈具介紹[9]，PAK-LED-OT8-18WB-40-ZL為玻璃管殼體，水性環(huán)保擴(kuò)光涂料，高透光率，全角度擴(kuò)光；功率：18W，光源：SMD LED，色溫：有4 000 K和6 500 K可供選擇，顯色性：Ra80+，光源總輸出:1 800lm。

圖4給出了優(yōu)化前后講臺(tái)桌面及周圍照度的分布。從圖4中可以看出，優(yōu)化后講臺(tái)桌面的光照度明顯提高了，桌面照度的平均值達(dá)到了305.4 lx，最大326 lx，最小285 lx。相比于未調(diào)整前的平均照度為202 lx，調(diào)整后平均照度提高了103.4 lx，高出51.2%。故本次的調(diào)整得到了較好的改善。同時(shí)，在調(diào)整后，講臺(tái)桌周圍的照度情況與未調(diào)整前變動(dòng)不大，在投影屏處的照度與之前的差異也不大。

綜合而言，通過(guò)增加一個(gè)燈具，不僅使講臺(tái)桌面的光照度增大，而且對(duì)周圍光照影響也不大，使得整體的光照環(huán)境得到了較大的優(yōu)化，更有益于教師的授課。

圖4 優(yōu)化后講臺(tái)桌面及周圍照度的分布Fig.4 Distribution of the illumination on the desktop before and after the optimization

3.2 教室節(jié)能優(yōu)化

前面的數(shù)據(jù)表明，中間組4到7排的光照強(qiáng)度較大，且大于400 lx，左右兩組的4到7排的光照度也較大。從整體上看，這樣的光照模式并不符合當(dāng)代環(huán)保節(jié)能的總要求。在滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[7]的前提下，可以對(duì)教室的燈具進(jìn)行合理的調(diào)整，使之更加節(jié)能。

通過(guò)觀察、比較數(shù)據(jù)，并通過(guò)DIALux進(jìn)行具體的仿真后，對(duì)燈具進(jìn)行如下調(diào)整：①除第一排兩邊的兩個(gè)外，其它燈具均換成雙PAK-LED-T5-12WD-830燈具；②更換燈具后，適當(dāng)調(diào)整一下位置，使整體布局更為美觀，如圖5所示。

圖5 節(jié)能優(yōu)化調(diào)整后的燈具布局Fig.5 Lamp layout after the adjustment through the emergy-saving optimization

根據(jù)DIALux燈具介紹[10]，PPAK-LED-T5-12WD-830是三雄極光照明公司生產(chǎn)的LED燈具，功率：12W，光源：SMD LED，色溫：有3 000 K、4 000 K及6 500 K可選；產(chǎn)品尺寸：長(zhǎng)1.02m，寬22mm。調(diào)整后，通過(guò)DIALux軟件計(jì)算出教室整體的照度情況，并輸出優(yōu)化后教室整體的偽色圖，如圖6所示。

從偽色圖可以看出，優(yōu)化后的光分布更為均勻，且減少了光能浪費(fèi)。偽色圖中160～370lx區(qū)域的色彩占絕大部分。其中，在投影儀處的色彩集中在160～225x區(qū)域，這也符合多媒體教室的教學(xué)需求。

圖6 節(jié)能優(yōu)化后教室整體偽色分布Fig.6 Overall pseudo color distribution in the classroom after the energy-saving optimization

調(diào)整了燈具的種類和分布后，通過(guò)DIALux軟件計(jì)算出教室桌面的照度值，如表3所示。從表中可以看出，沒(méi)有一處大于400lx，也沒(méi)有一處小于300lx。同時(shí)，優(yōu)化后的教室照明均勻度為0.928 1，遠(yuǎn)大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的0.6，表明調(diào)整后的光分布更為均勻；平均照度值為338.74lx，也高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的300lx。由此可以看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后教室的照明更為均勻，也減少了光能浪費(fèi)，且整體的光照度也符合國(guó)標(biāo)。

表3 節(jié)能優(yōu)化后桌面照度情況

在計(jì)入講臺(tái)新增燈具的前提下，優(yōu)化前教室照明的總功率為618W，優(yōu)化后的總功率為510W，故經(jīng)過(guò)本輪優(yōu)化后，整個(gè)教室的照明功率為原來(lái)的82.52%。以每天使用10h計(jì)，每年可節(jié)約電能約394.2度。若將一所高校內(nèi)的教室及其它照明用電都進(jìn)行類似的優(yōu)化，每年節(jié)約的電能就十分可觀。同時(shí)，照明的均勻度提高了24.04%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)階梯教室實(shí)地測(cè)量與利用DIALux軟件計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和比較，發(fā)現(xiàn)兩者的吻合程度較好，可使用DIALux軟件來(lái)對(duì)教室進(jìn)行具體地分析和改善，更好地優(yōu)化現(xiàn)教室的照明環(huán)境。

在分析中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有教室照明的整體布置合理，且大體上也滿足國(guó)家對(duì)于教室照明的要求，但還存在兩個(gè)問(wèn)題，即講臺(tái)桌面的光照度不夠，存在光能浪費(fèi)。在此分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)在講臺(tái)桌位置上方增加燈具，能夠解決講臺(tái)桌面照度問(wèn)題；通過(guò)更換節(jié)能燈具以及適度調(diào)整燈具布局，可以達(dá)到節(jié)能，減少光能浪費(fèi)的目的。整體上，均能夠優(yōu)化現(xiàn)階梯教室的光照環(huán)境，為師生上課提供一個(gè)舒適的光照環(huán)境。

本文的分析和優(yōu)化表明，DIALux是一款功能強(qiáng)大且計(jì)算精度較高的照明設(shè)計(jì)軟件，它不僅可以用來(lái)對(duì)一個(gè)照明系統(tǒng)進(jìn)行初始的設(shè)計(jì)，還可以對(duì)任一系統(tǒng)的照明進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以達(dá)到舒適和節(jié)能的目的。

[1] 孔益平，趙云勝，呂奎.優(yōu)化教室照明均勻度的模型構(gòu)建與求解[J].安全與環(huán)境工程，2012,(2)：61-62.

[2] 賴德銘.為學(xué)生設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)的教室照明[J].中國(guó)照明電器，2008，(8):19-20.

[3] 那紅宇，江豫新.大學(xué)教室照明設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀和新構(gòu)想[J].光源與照明，2004，(1):4-5.

[4] 黃海靜,陳綱.大學(xué)教室照明現(xiàn)狀及視覺(jué)環(huán)境主觀評(píng)價(jià)分析[J].燈與照明，2010，34(15):22-26.

[5] 羅奕，付強(qiáng).大專院校照明設(shè)計(jì)與DIALux軟件應(yīng)用[J].建筑電氣，2010，29(7)：61-62.[6] DIAL有限公司.產(chǎn)品資料[EB/OL]. http://lumsearch.com/zh/article/UMHgl97gRKaJDXrvOaHi6w, 2016-02-24.

[7] 建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):GB 50034—2013[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2014.

[8] 李振霞，沈天行.多媒體教室的光環(huán)境實(shí)測(cè)調(diào)查[J].照明工程學(xué)報(bào)，2009，20(2):46-50.

[9] DIAL有限公司.產(chǎn)品資料[EB/OL]. http://lumsearch.com/zh/article/ dPqLvS8ZTMOY5f7Q7J2MiQ, 2016-02-24.

[10] DIAL有限公司.產(chǎn)品資料[EB/OL]. http://lumsearch.com/zh/article/ Ibfrbxo8Rz6arpioZRKJ1g, 2016-02-24.

Design and Optimization of the Lighting Environment for A Laddered Classroom

GUAN Xujun, XU Yong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350000, China)

By adopting the DIALux for simulation and analysis of a laddered classroom with reference to the field measurement data, the problems in the existing lighting system were identified, which include the low illuminance on the desktop and the waste of light energy. At the same time, by changing the lamps and adjusting the layout of the lamps, the existing lighting environment was improved and optimized by using DIALux. The results showed that the illumination power of the whole classroom after optimization is only 82.52% of the origin and the uniformity is also better.

laddered classroom; lighting environment; lighting optimization; DIALux

徐永，E-mail: y.xu@fafu.edu.cn 基金項(xiàng)目：福建省科技重大專項(xiàng)“現(xiàn)代智能設(shè)施農(nóng)業(yè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(No.2014NZ0002-2)

TM923.01

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.008