中小学教室照明空间光分布的研究_魏彬.pdf

2023 年 2 月第 34 卷第 1 期照明工程学报ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOFeb2023Vol.34No.1中小学教室照明空间光分布的研究魏彬1，丁文超1，刘燕娟1，朱奕光1，戴奇2，胡治国2(1.佛山电器照明股份有限公司，广东 佛山528000;2.复旦大学工程与应用技术研究院超越照明研究所，上海200433)摘要:本研究提供了中小学教室照明空间光分布的三种照明灯具技术方案，可根据不同的产品市场定位和需求，针对性地开发相应产品。通过动态配光、局部调光、固定配光三种方式，可以有效调节教室照明的空间明亮度和节律刺激，兼顾照明指标需求和能耗的考虑，实现更加健康、舒适、节能的教室照明环境。关键词:教室照明;空间光分布;空间视亮度;节律刺激中图分类号:TU113.4文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2023.01.015esearch on Spatial Light Distribution of Classroom Lightingin Primary and Secondary SchoolsWEI Bin1，DING Wenchao1，LIU Yanjuan1，ZHU Yiguang1，DAI Qi2，HU Zhiguo2(1.Foshan Electrical and Lighting Co Ltd，Foshan528000，China;2.Institute of Future Lighting，Academy for Engineering Technology，Fudan University，Shanghai200433，China)Abstract:This study provides three technical solutions of spatial light distribution for classroom lighting inprimary and secondary schools，and corresponding products can be developed according to different productmarket positioning and needsThrough dynamic lighting distribution，local dimming and fixed lightdistribution，the spatial visual brightness and rhythm stimulation of classroom lighting can be effectivelyadjusted，taking into account the needs of lighting indicators and energy consumption，and achieving a morehealthy，comfortable and energy-saving classroom lighting environmentKey words:classroom lighting;spatial light distribution;spatial visual brightness;rhythmic stimulation通信作者:魏彬，E-mail:bin.wei 引言随着社会经济的发展，人们对光环境的舒适性和健康性要求在逐步提高，室内照明关注和发展的重点也逐渐拓展到了空间整体光环境和光品质方面。室内照明行业对空间光环境的设计越来越重视，希望通过合理的光学设计来营造出良好的室内空间氛围1。而随着手机、电脑等较多电子产品的普及，人们出现了用眼过度、用眼不卫生、缺乏体育锻炼和户外活动等多种不健康的现象，尤其是青少年儿童的近视率居高不下、不断攀升，已成为影响国家和民族未来发展的大问题2。伴随着国家“十四五”规划中的新内容新指导，我们需要对青少年的成长教育环境提出更高的要求。教室是青少年儿童日常学习、生活最主要的场所之一，因此，有利于视觉健康的教室照明已成为当前普遍关注的热点话题3。教室照明应更加关注健康、舒适、科学的照明环境，保护学生视力，提升学习效率，促进中小学生身心健康发展4。然而，囿于诸多因素的限制，现有的教室照明依然存在众多问题，如缺乏统筹的光环境设计、空98照明工程学报2023 年 2 月间光分布不均匀、空间视亮度不足。尤其是在教室照明设计中，通常采用固定的照度和色温，造成学生的视觉舒适度难以保证;同时，单一的光环境破坏昼夜节律。基于以上难题，本文研究如何兼顾节能环保和空间明亮感，避免学生陷入视力下降的困扰，通过优质的教室照明设计保证室内具有充足的光线5，为学生提供舒适、健康、安全的学习光环境。同时，本文提出了中小学教室照明空间光分布的三种照明灯具技术方案，通过动态配光、局部调光、固定配光三种方式，可以有效调节教室照明的空间视亮度和节律刺激，兼顾照明指标需求和能耗考虑，实现更加健康、舒适、节能的教室照明环境。1空间光分布与人眼刺激的关系教室照明空间环境的光分布会直接影响中小学生的眼部刺激，主要体现在视觉维度和节律维度两方面。1.1视觉维度人类的视觉系统具有较大的自我调节能力，但这种调节需要在一个合理的范围内进行，短暂或长期超出这种范围将会对视觉造成不同程度、不可逆的损伤。能引起视觉响应的最低光亮度，称为视觉亮度阈限。针对目标物的大小和颜色不同，亮度阈限也会不同。另外，盯着目标物的时间长短，也会影响视觉系统的视觉亮度阈限。光的明适应和暗适应的过程都是在调节我们的视觉亮度阈限，如果环境光线经常不稳定，就会引起视觉系统的频繁调节，使视觉系统处于一种过度调节的状态，轻则造成视觉疲劳，重则导致视力下降。因此，我们要避免使用太亮、太暗及不稳定的照明灯具，尽量让我们的视觉系统处于一种安全、健康、稳定的光环境当中。1.2节律维度人类的昼夜节律紧密跟随日出而作日落而息的动态变化，因此，光照环境是影响昼夜节律变化的直接因素。光照环境的变化对人体分泌褪黑素有直接影响，而褪黑素是一种引导人类入睡的生理激素，褪黑素的浓度直接影响我们的睡眠质量。褪黑素浓度越高，我们的睡意会越浓。事实上，随着科技的进步，人类受手机、电视、电脑等电子产品的干扰，大量非自然光入侵我们的生活，较多不合理不舒适的光照导致昼夜节律紊乱，影响我们的睡眠健康。如果想保持健康的昼夜节律与睡眠质量，需要在白天多接触自然光，减少褪黑素分泌，使大脑处于兴奋及工作状态;而在夜晚的时候，则需要减少电子产品的接触和光照的刺激，促进褪黑素的释放，获得良好的睡眠质量6。昼夜节律同时影响人类的情绪，如夜间时间长、光照时间短的人群，容易患季节性抑郁。因此，医学上也会利用光照环境的变化来调节患者的昼夜节律，从而治疗情绪与睡眠问题。光照环境会影响人类的视觉维度和节律刺激，而光的空间分布直接影响光照环境，并影响到达眼部的光照刺激强度，其中眼部垂直照度是关键指标7。综上所述，对照明灯具的光空间分布进行合理的优化设计，可有效控制人眼的光照刺激强度，有利于提高室内空间的整体明亮感受和视觉舒适性。通过调节灯具光照环境指标的变化，调控光照的节律刺激强度，有利于中小学生的节律作息调节，进而满足一天中不同的视觉维度和节律刺激的需求。2空间光分布设计方案2.1设计方案规划从光的空间分布优化角度，提出提升中小学教室照明视觉、节律健康指标的教室照明灯具产品技术方案。本研究主要提出三种配光方案:(1)动态配光，即上下出光均可调节的教室照明灯具方案。此方案优势是灯具可实现不同的水平照度和眼部垂直照度比值组合，且调节范围广、可实现的参数组合多，并且可同时满足白天较高的空间视亮度和节律刺激，以及夜间较低光照节律刺激的照明需求。(2)局部调光，即固定下出光、动态调节上出光的教室照明灯具技术方案。此方案优势是可实现不同的水平照度和眼部垂直照度比值组合，在相对于方案(1)经济实惠、成本较低的前提下，可同时满足白天需要较高的空间视亮度和节律刺激，以及在夜间提供较低光照节律刺激的照明需求。由于仅考虑上照通道调节，方案更加高效和切实可行，便于广泛运用于未来教室、办公空间当中。第 34 卷第 1 期魏彬等:中小学教室照明空间光分布的研究99(3)固定配光，即按照既定上下出光比例组合的教室照明灯具方案。此方案优势是实现既定的水平照度和眼部垂直照度比值，在比值下可满足大部分的夜间和日间照明需求(眼部垂直照度、水平工作面照度)，且成本相对较低。2.2教室模拟场景如图 1 所示，采用标准教室的长、宽、高分别为 9.0 m、6.0 m 和 3.6 m 进行模拟计算，并按照规范要求，以第一排座位前端距离黑板 2.2 m 开始布置灯具(图 1)。采用尺寸为 300 mm 80 mm 1 200 mm 的灯具进行 3 行 3 列方式布灯，单灯光通量为 2 500 lm。通过调整灯具上下出光的比例，以探究不同光的空间分布下，眼部垂直照度与水平工作面照度的变化关系，进而在满足规范要求的基础之上，提出有利于教室照明视觉、节律维度的灯具配光技术方案。图 1教室场景模拟上下出光示意图Fig.1Simulation diagram of classroom upper and lower light output2.3测点分布计算在模拟软件中，依据相关规范，如中小学校教室 照 明 质 量 分 级 评 价(T/SIEATA0000012020)8、中小学校及幼儿园教室照明设计规范(DB31/T 5392020)9、中小学校普通教室照明设计安装卫生要求(GB/T 368762018)10 等，选取合理的计算平面，并按照要求对测量点位进行布置，其中，眼部垂直照度/课桌面水平照度均以距书写板(黑板)2.2 m 处开始，以 1 m 为间隔对教室空间进行划分，并以1 m 1 m 的方格中心点作为测点进行测量。眼部垂直照度采用的测量平面高度为 1.2 m，即人眼坐姿视线高度、课桌面水平照度均采用一般的课桌面高度 0.75 m 作为基准。3教室照灯具产品技术方案理论上，当灯具配光、空间物理参数固定时，水平照度和眼部垂直照度均会随着灯具总输出光通量的增加而呈线性增加趋势，而水平照度和眼部垂直照度之间则会随着上下出光比例的调整出现不同的比例关系，则定义水平照度(Eh)和眼部垂直照度(Ev)之间的比例关系为:Eh=kEv(1)其中，k 表示该线性关系下，水平照度和眼部垂直照度的比值。3.1动态配光方案本研究对不同上下出光比例下的水平照度(Eh)和眼部垂直照度(Ev)的变化规律进行比较。在标准教室空间中，以采用教室墙面反射率为 0.7时的情况为例，得到的结果如图 2 所示。在不同上下出光比例的条件下，当教室灯具发出的光通量逐渐增加，水平照度(Eh)和眼部垂直照度(Ev)的比值 k 均满足一定的规律:当灯具全部下照时，即下照 100%时，满足 k=2.7，接近 3 1的比值关系;当灯具上照和下照比例分别为 30%和 70%时，满足k=2.5;当灯具上照和下照比例分别为 50%时，满足 k=2.4;当灯具上照和下照比例分别为 70%和30%时，满足 k=2.2;当灯具全部上照时，即上照100%时，满足 k=1.9，即接近 2 1的比值关系。上述结果表明，通过改变上下出光的比例，可实现不同的水平照度与眼部垂直照度比值。对于白天而言，若采用全部上照，可实现 500 lx 的水平照度、250 lx 的眼部垂直照度，即2 1的比值关系;对于夜间而言，若全部采用下照，则可实现 300 lx 的水平照度 100 lx 的眼部垂直照度，即 3 1的比值关系。这一变化规律也意味着针对不同时段，采用不同的配光方案，可实现水平照度和眼部垂直照度的组合。此方案优势明显，可针对不同应用场景的需求，实现不同的视觉、节律照明组合，可同时满足白天较高的空间视亮度和节律刺激，以及夜间较低100照明工程学报2023 年 2 月的空间视亮度和节律刺激的照明需求。图 2不同上下出光