陳 泉，李長庚，陳志濤，許毅欽，趙 歡,

(1.中南大學(xué)物理與電子學(xué)院，湖南 長沙 410000；2.廣東省半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510000)

基于自然采光的教室光環(huán)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(xué)物理與電子學(xué)院，湖南 長沙 410000；2.廣東省半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510000)

教室是學(xué)生上課學(xué)習(xí)的主要場(chǎng)所，教室光環(huán)境不僅影響學(xué)生的用眼健康，而且影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。自然光作為一種綠色能源，在改善教室光環(huán)境方面有著重要的作用。為了營造健康光環(huán)境，將矩陣分析與控制策略相結(jié)合，提出自然光與人工照明聯(lián)合控制模型。運(yùn)用DIALLUX軟件對(duì)教室空間進(jìn)行仿真，論證模型有效性，證明所提出的聯(lián)合控制模型可以很好控制教室內(nèi)的照度，營造舒適健康的教室光環(huán)境。

教室光環(huán)境；聯(lián)合控制；DIALUX

引言

光是人類賴以生存的必備條件,正是這種對(duì)光的依賴性，讓人們?cè)絹碓街匾晫?duì)光環(huán)境的研究。光環(huán)境對(duì)人的影響包括短期作用效應(yīng)和長期作用效應(yīng)，短期作用效應(yīng)是指8小時(shí)內(nèi)的光輻射所產(chǎn)生的影響，例如眼睛和皮膚的光化學(xué)紫外傷害等；長期作用效應(yīng)則主要包括閃爍、眩光及非視覺的生理節(jié)律影響等[1]。本文從光環(huán)境對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效率和健康的影響出發(fā)，分析自然采光的優(yōu)缺點(diǎn)并得出結(jié)論，相比較人工光源，自然光構(gòu)建的光環(huán)境對(duì)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(lián)合控制系統(tǒng)來對(duì)教室光照環(huán)境進(jìn)行改善。

1 教室健康照明研究及自然光的優(yōu)缺點(diǎn)

隨著光健康科學(xué)的研究與發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)光環(huán)境對(duì)人的生理和心理影響顯著[2]。同濟(jì)大學(xué)郝洛西、林丹丹課題組對(duì)上海市中小學(xué)視力健康與光照環(huán)境進(jìn)行了有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示色溫和照度水平對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的作業(yè)正確率有直接影響[3]。在滿足現(xiàn)行規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)照度300lx的光環(huán)境下，5 000 K和6 500 K的高色溫可以延緩學(xué)生的視覺疲勞，提高學(xué)習(xí)效率；在照度值大于500lx的光環(huán)境下學(xué)生的視覺作業(yè)效率較高，且視覺感受較好。天津工業(yè)大學(xué)牛萍娟、方晶璐等人研究不同的LED照明環(huán)境(色溫為2 700 K，4 500 K，6 700 K；照度值為300lx，500lx，800lx)對(duì)受試者生物節(jié)律的影響[4]。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在照度值一定時(shí)，色溫為4500 K的光環(huán)境下，受試者的工作效率最高，舒適度最強(qiáng)。研究表明，室內(nèi)照度值為500lx、色溫為4500 K最為合適，在該照明環(huán)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(gòu)造的教室光環(huán)境與學(xué)生的眼健康和學(xué)習(xí)效率有著密不可分的關(guān)系。

在人類長期進(jìn)化過程中，自然光是照明的主要來源。采用自然光照明的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

1)采用自然光進(jìn)行室內(nèi)照明，更有利于健康光環(huán)境的構(gòu)造。經(jīng)國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，在相同照度水平的情況下，人們?cè)谧匀还猸h(huán)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(dòng)態(tài)變化的光線，可以使室內(nèi)空間產(chǎn)生豐富的表現(xiàn)力，賦予人們開敞、凝縮、輕盈、含蓄等感覺。

2)采用自然光進(jìn)行室內(nèi)照明，更有利于節(jié)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(yīng)的照明能耗，緩解能源危機(jī)。

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(gè)室內(nèi)空間；另外，陰天時(shí)太陽光弱，室內(nèi)照度低，晴天時(shí)太陽光強(qiáng)，室內(nèi)照度較強(qiáng)，因此出現(xiàn)課室內(nèi)照度變化且分布不均的情況，不適合學(xué)生的學(xué)習(xí)生活。

2 教室天然采光情況分析

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

圖1 教室模型Fig.1 Classroom model

設(shè)置參數(shù)，墻壁的反射系數(shù)為50%；地板反射系數(shù)為63%；窗戶的反射系數(shù)為10%，透過率為90%。設(shè)置時(shí)間為2016年5月12日上午10:00，廣州東經(jīng)113度北緯23度，天空模型選擇為多云天空模型進(jìn)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(jì)算點(diǎn)選擇為從距離黑板0.25米開始，每隔0.5米進(jìn)行測(cè)量，橫向均勻的選擇8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，教室點(diǎn)照度表如表1所示。

從仿真結(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于教室照明標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)低于教室照明標(biāo)準(zhǔn)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(tài)下教室的照度均勻度差，窗戶附近出現(xiàn)照度過高，有眩光危害，離窗戶較遠(yuǎn)的位置照度值太低，影響學(xué)生視力，這樣的教室光環(huán)境不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)。

表1 教室點(diǎn)照度表

在現(xiàn)實(shí)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(nèi)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(yōu)勢(shì)，而且需要消耗較多的電能，不符合綠色可持續(xù)發(fā)展的需求。針對(duì)這種情況，本文提出了自然光與人工照明相結(jié)合的聯(lián)合控制系統(tǒng)，通過加入百葉窗控制太陽光進(jìn)入室內(nèi)的角度及數(shù)量，避免太陽的直射，在照度不足的地方，采用人工照明補(bǔ)光達(dá)到照明要求。這樣不僅可以利用天然光均勻、光質(zhì)好、照度高且節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)利用人工照明可以彌補(bǔ)自然光隨晝夜、氣候和季節(jié)而變化的不穩(wěn)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(huán)境。

3 自然光與人工照明相結(jié)合的聯(lián)合控制系統(tǒng)

室內(nèi)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(lián)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(shù)均為確定值，因此其天然采光系數(shù)僅與遮陽措施以及室內(nèi)進(jìn)深長度有關(guān)。也就是說，在室內(nèi)某一進(jìn)深處，當(dāng)遮陽措施選用百葉遮陽時(shí)，天然采光系數(shù)是百葉角度的函數(shù)。本文引入天然采光系數(shù)函數(shù)矩陣[6]，矩陣的每一元素均為天然采光系數(shù)——百葉角度函數(shù)，不同的矩陣元素代表室內(nèi)不同進(jìn)深處的天然采光系數(shù)函數(shù)，根據(jù)天然采光系數(shù)的概念，可以得到室內(nèi)晝光照度式(1)，其中，n為房間進(jìn)深；Gn(w)為進(jìn)深為n處的天然采光系數(shù)函數(shù)；Ew晝?yōu)槭覂?nèi)晝光照度矩陣。

(1)

3.2 人工照明模型

根據(jù)光通傳遞理論可以得到室內(nèi)照度點(diǎn)的人工照度矩陣如式(2)所示。其中g(shù)為光通傳遞函數(shù)矩陣，光通傳遞函數(shù)矩陣的元素gij為光源j對(duì)點(diǎn)i的光出射比(或光通傳遞函數(shù))。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(gè)空間內(nèi)燈具安裝好以后其光通傳遞函數(shù)矩陣是確定不變的，便可根據(jù)矩陣知識(shí)求得式(2)的最小二乘解為：

(3)

3.3 自然光與人工照明聯(lián)合控制模型及策略

教室內(nèi)工作面上某一點(diǎn)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(nèi)人工照明產(chǎn)生的人工照度，室內(nèi)照度計(jì)算點(diǎn)的照度公式為：E=Ew+Ew晝?nèi)绻?4)。式中E為室內(nèi)參考點(diǎn)的照度矩陣；En為參考工作點(diǎn)的照度；Ew為室內(nèi)人工照度矩陣；Ew晝?yōu)槭覂?nèi)晝光照度矩陣；E晝?yōu)槭彝馓烊还庹斩?，通過室外照度傳感器測(cè)得。

(4)

教室聯(lián)合照明控制系統(tǒng)的控制策略就是充分的利用自然光提供教室照明，通過調(diào)節(jié)百葉窗的角度避免太陽直射和最大限度的提供自然光對(duì)教室的貢獻(xiàn)值，減少人工照明，達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)百葉窗的最優(yōu)角度確定后，那么室內(nèi)晝光照度矩陣就確定，通過標(biāo)準(zhǔn)照度矩陣和Ew晝室內(nèi)晝光照度矩陣的差值，即可求Ew室內(nèi)人工照度矩陣，根據(jù)矩陣論知識(shí)可以求得相對(duì)應(yīng)的光源光通輸出值，實(shí)現(xiàn)按需補(bǔ)光。

4 模型的建立與仿真結(jié)果

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€是采用本文第3節(jié)中提到的教室模型。教室空間采用15根某公司生產(chǎn)的LEDT8燈管，光通量為4 800lm。燈管均勻分布，面對(duì)黑板第一排從左至右為1～3號(hào)，第二排從左至右為4～6號(hào)，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(dá)到照明要求。用DIALUX進(jìn)行模擬，其教室內(nèi)工作面的灰階等照度圖如圖3所示。此時(shí)平均照度為395lx，照度均勻度達(dá)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(dá)到了教室照明的需要。所以夜晚在學(xué)生上晚自習(xí)時(shí)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(shí)，根據(jù)模型設(shè)置的日期，時(shí)間，經(jīng)、緯度，房屋朝向借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的BP算法(逆推學(xué)習(xí)法)來預(yù)測(cè)最佳百葉窗角度，求得百葉窗的最優(yōu)角度為48°。得到Ew晝?yōu)閇163 421 860 926 800 892 732 563 272 162 339 823 810 798 925 769 419 270]T，相對(duì)應(yīng)的人工補(bǔ)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(jù)3.3章節(jié)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(jìn)行效果測(cè)試。當(dāng)室外照度為6 000lx以及百葉角度為48°時(shí)，得到的教室內(nèi)照度分布如表2所示。

由表2可知，采用聯(lián)合控制策略后，室內(nèi)的平均照度為541lx，最小照度為403 lx，照度均勻度達(dá)到了0.74，除去兩側(cè)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(biāo)準(zhǔn)要求，利用此控制策略達(dá)到了很好的效果。

表2 聯(lián)合控制模型仿真值

5 結(jié)論與展望

本文介紹了一些現(xiàn)有教室光環(huán)境研究的成果，以及自然采光的優(yōu)缺點(diǎn)，然后DIALUX仿真分析當(dāng)前教室采光的情況，針對(duì)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(lián)合起來，提出聯(lián)合控制策略。最后將得到的聯(lián)合控制模型運(yùn)用到實(shí)際的教室模型中，進(jìn)行仿真與效果分析，得出結(jié)論：本文的控制策略可以很好的運(yùn)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(jìn)到室內(nèi)，然后通過人工照明補(bǔ)光達(dá)到照度均勻。但是就教室光環(huán)境而言，評(píng)價(jià)其好壞的有許多指標(biāo)，照度和照度均勻度只是其中兩個(gè)，還有眩光、色溫、顯色指數(shù)等等，所以后續(xù)還需考慮其他因素完善模型。

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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