多媒體教室的天然采光優化分析研究

袁景玉，任 全，關高慶

(河北工業大學 建筑與藝術設計學院，天津 300402)

多媒體教室的天然采光優化分析研究

袁景玉，任 全，關高慶

(河北工業大學 建筑與藝術設計學院，天津 300402)

近年來多媒體教學形式逐漸成為學校教學的主要方式，但是大多數的多媒體教室基本上都是在原來普通教室的基礎上，添加的多媒體設備，并沒有考慮這樣改裝后的多媒體教室天然采光是否滿足師生的需求。通過對天津地區高校多媒體教室進行調研，總結多媒體教室存在的天然采光問題，對其天然采光現狀進行實測，并利用Radiance軟件模擬數據與實測數據的對比，驗證Radiance模擬可以對多媒體教室天然采光進行優化分析，以期提出多媒體教室的優化設計方案，改善其天然采光現狀，對多媒體教室天然采光設計提供一定的指導。

多媒體教室； 自然采光； Radiance模擬分析； 優化設計

引言

在當今的社會之中，無論是高等院校, 還是中小學校, 多媒體教學都是教學改革的熱門話題, 多媒體教學突破了原有傳統的教學模式，可以給學生提供豐富多彩的圖、文、聲、像等信息, 使教學達到形象化的目的[1-2]。但眾所周知，現在的多媒體教室大都是把原來的普通教室，裝配上了多媒體設備，改裝成了多媒體教室，然而這樣的多媒體教室天然采光并不理想，存在著一定的問題。在多媒體教學過程中，天然采光既要滿足桌面閱讀、書寫、筆記等傳統的使用要求, 而且要保證黑板和多媒體屏幕的清晰度[3-4]。為了滿足多媒體教室天然采光的要求，通過對天津地區高校多媒體教室天然采光現狀的調研，總結其現存問題，利用實測數據與Radiance模擬進行對比，驗證Radiance模擬可以對多媒體教室進行優化設計，并利用Radiance模擬從建筑平面和技術的角度對多媒體教室的天然采光提出設計優化設計方案，在此基礎之上，試圖對教學建筑的組團提出一種優化設想，改善現在多媒體教室存在的天然采光問題，并對其天然采光的設計提供一定的指導。

1 天津地區多媒體教室調研

1.1 多媒體教室天然采光現存問題

通過對天津工業大學、河北工業大學、天津大學和天津大學仁愛學院教學樓進行實地調研，如表1所示，得出現有多媒體教室中存在的問題主要有：

1)天然采光良好的白天多媒體教室內的電燈全部打開，使得天然光不能充分被利用，造成了能源的浪費；

2)由于對自然光缺乏控制，太陽光線強時室內容易出現眩光，造成多媒體教室內局部過亮的現象；

3)為了解決眩光，多數教室都采用遮陽窗簾等被動措施，使得桌面照度低，影響多媒體教室整體室內照度均勻度，降低了視覺舒適度；

4)遮陽窗簾的使用使得黑板區內的多媒體屏幕的照度值偏低，影響多媒體教室黑板區和多媒體屏幕的照度均勻度。

表1 多媒體教室自然采光調研照片總結

由上可見，這些問題都是不利于多媒體教學的重要因素，并會對師生的心理及生理健康等都帶來不利的影響，同時會造成嚴重的建筑能耗[5-6]。

1.2 多媒體教室類型調研統計

依據教室功能和教室容量、面積等調研數據可以將現有教室分為：普通教室、普通多媒體教室、階梯多媒體教室三類[7]，依次對河北工業大學、天津工業大學、天津大學、天津大學仁愛學院四所高校教室類型的統計如表2所示。

表2 天津地區幾所高校教學樓多媒體教室統計

觀察表格可以發現普通多媒體教室所占比重最多，說明普通多媒體教室具有一定的實用性研究價值，以下的實測和模擬都以普通多媒體教室作為主要研究對象。

2 多媒體教室天然采光的實測

2.1 測試地點

測試地點為天津市北辰區河北工業大學教學樓D區304多媒體教室。由于三層既受周圍環境的影響，受室外直射光的影響也較大，所以作為中間樓層的三樓的采光情況是最為復雜的，研究也更有價值。304多媒體教室的尺寸為(長×寬×高)13.2 m×9 m×3.8 m，自然采光形式采用側窗采光，南向墻體設置3組平開窗。

2.2 測試儀器

1)照度計：照度計的型號為TES-1335。

2)鋼卷尺：鋼卷尺的最大量程為10 m，其測量精度為0.01 m。

2.3 測試內容

選取春分日晴朗天空條件下進行測試，測試時間是從9：00—16：00，整點測量多媒體教室內桌面區和黑板區在各個測試點的照度值，照度測試點的布置[8]，如圖1和圖2所示。

圖1 桌面區的照度測試選取點分布圖Fig.1 Distribution of illuminance test in the desktop area

圖2 黑板區的照度測試選取點分布圖Fig.2 The blackboard area of the intensity of the test selection point distribution

2.4 測試結果

在春分日晴朗天空條件下多媒體教室內不同測試點的桌面區照度值分布曲線，如圖3所示，以及黑板區照度值分布曲線，如圖4所示。

圖3 春分日晴天桌區面照度值分布曲線Fig.3 The equinox sunny table area illuminance distribution curve

圖4 春分日晴天黑板區照度值分布曲線Fig.4 The equinox sunny area blackboard illumination value distribution curve

對晴天天空條件下的多媒體教室內桌面區、黑板區的照度水平分別進行了測試并進行了分析，得出以下幾方面關于多媒體教室的天然采光特點規律：

1)在9：00—12：00之間，桌面區與黑板區的照度值普遍處于一個較高水平；

2)當13：00以后，桌面區與黑板區的照度值開始出現較大幅度的下降；

3)當15：00以后，桌面區與黑板區的照度值均下降到一個較低的水平；

4)整體教室桌面與黑板區的照度值分布呈現隨著與窗口距離增大而減小的規律。

3 多媒體教室天然采光的模擬分析

3.1 模擬結果

3.1.1 桌面區照度分布模擬結果與實測結果對比分析

經過Radiance模擬計算后得出桌面區照度值，并與實測數據進行數據對比分析，得出如下對比分析曲線圖，如圖5所示。

3.1.2 黑板區照度分布模擬結果與實測結果對比分析

經過Radiance模擬計算后得出黑板區照度值，并與實測數據進行數據對比分析，得出如下對比分析曲線圖，如圖6所示。

圖5 桌面區模擬數據與實測數據對比曲線圖Fig.5 Comparison of simulated data and measured data in the desktop area

圖6 黑板區模擬數據與實測數據對比曲線圖Fig.6 Comparison of the simulated data and the measured data in the blackboard area

3.2 數據分析

通過將Radiance模擬與實測數據對比分析得到，無論是桌面區還是黑板區模擬數據與實測數據對比得出兩者的變化趨勢一致：

1)桌面區：靠近窗口的桌面測試點的照度值比遠離窗口的桌面測試點的照度值大，而且教室整個桌面區出現最大照度值和最小照度值的位置是一樣的。

2)黑板區：隨著與南側窗口距離的增加各表面點的照度值逐漸減少的趨勢，照度值變化與實測差距也在誤差允許范圍內。

通過模型的建立，參數的設置，最終得到模擬結果，并與實測結果進行比較，驗證了Radiance模擬軟件對多媒體教室天然采光現狀分析的可靠性，為接下來的優化設計提供思路與方法。

4 多媒體教室天然采光優化方案設計

4.1 多媒體教室平面優化設計

從建筑平面的角度，通過改變多媒體教室平面形狀進行Radiance模擬，分析不同平面情況下多媒體教室桌面區和黑板區的天然采光狀況，由于多媒體的教室均為側窗采光，大面積開窗使室外光線投射到黑板區上，降低了多媒體教室內黑板區的清晰度，因此，針對建筑平面改變的優化設計，就主要是對多媒體教室的南側墻體形狀的變化進行的優化設計。經過多種優化方案的模擬對比，同時保證多媒體教室基本功能要求，對多媒體儀器、采光口的設置進行了一定的設計，考慮采光口應使桌面照度達到要求，而多媒體屏幕與之形成照度對比，來改善多媒體教室內的照度分布狀況。通過大量反復模擬多媒體教室平面的優化設計方案，最終確定一種將南側墻體旋轉45°的平面形式，如圖7所示，優化后的多媒體教室內天然采光狀況經過模擬更有利于多媒體教學，基本滿足了多媒體教室的天然采光需求。

4.2 采光口反光板優化設計

從建筑技術的角度，對多媒體教室內的采光口增設反光板，同時將窗臺高度降低，解決多媒體教室內天然采光的分布不均勻、平均采光系數過小以及潛在的不舒適眩光問題。通過利用Radiance模擬，反復模擬了幾種不同的采光口反光板的形式，得到了多媒體教室內采光口反光板的優化設計方案，當設置一組內置水平+一組外置水平+一組外置豎向長反光板+兩組內置豎向長反光板的形式時，使多媒體教室的天然采光狀況基本上都達到了天然采光要求，結合多媒體教室平面優化設計方案，最終得出了多媒體教室的優化方案，如圖8所示。

4.3 優化模擬對比分析

將原來河北工業大學D-304多媒體教室與優化后的多媒體教室進行Radiance模擬對比，模擬時間設定在4月30日9：00，天空狀態是晴天的狀態，分別從桌面區的照度分布如圖9所示，黑板區的照度分布如圖10所示，多媒體教室室內三維分布圖如圖11、圖12所示，三個方面進行Radiance模擬對比分析。

圖7 多媒體教室優化方案平面圖Fig.7 Multimedia classroom optimization plan

圖8 多媒體教室優化方案效果圖Fig.8 Effect of multimedia classroom

通過模擬對比可以發現優化方案中的桌面區照度要比原來的多媒體教室要高，而黑板區的照度卻低得多，在多媒體教室三維分布圖的對比中，更能夠直觀的得出優化后的多媒體教室更有利于多媒體教學的進行，更滿足師生對多媒體教室天然采光的需求。

圖9 D-304多媒體教室與優化方案桌面區照度分布曲線圖對比Fig.9 D-304 multimedia classroom and optimization program desktop area illumination distribution contrast

圖12 D-304多媒體教室與優化方案多媒體教室(后)三維分布圖對比Fig.12 D-304 multimedia classroom and the optimization of multimedia classroom (after) three dimensional distribution comparison

4.4 優化方案

通過對建筑平面和采光口反光板的優化設計，最終得出多媒體教室天然采光的設計方案，再由優化后的多媒體教室設計方案構成建筑組團，如圖13所示，對教學建筑設計中的多媒體教室天然采光設計具有可參考性和指導意義。

圖13 多媒體教室構成的建筑組團樣圖Fig.13 Multimedia classroom building tour map

5 結語

本文基于天津地區高校對多媒體教室的天然采光現狀進行了調研，發現多媒體教室現存的采光問題，并以河北工業大學教學樓多媒體教室為例進行了實測，了解多媒體教室的天然采光現狀，對其進行Radiance模擬與實測數據進行對比，驗證Radiance模擬可以對多媒體教室進行優化設計，提供了對多媒體教室天然采光的研究方法。通過對多媒體教室的平面和采光口反光板設置進行了大量的Radiance模擬優化設計分析，經過與現有多媒體教室天然采光進行Radiance模擬對比，我們最終提出了將多媒體教室南側墻體旋轉45°的平面形式和設置一組內置水平+一組外置水平+一組外置豎向長反光板+兩組內置豎向長反光板的形式的優化設計方案，并以優化方案為基礎，對教學建筑組團提出了設想，對改善多媒體教室天然采光進行了初步的探索研究。但是在對多媒體教室天然采光影響因素的設定上，并沒有考慮多媒體教室內不同材質、梁柱、窗形式等建筑構件對于多媒體教室天然采光的影響，因此，對于多媒體教室天然采光的研究還需不斷深入。

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[12] 關高慶.多媒體教室分區化自然采光設計研究[D].天津：河北工業大學,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