基于DIALux Evo仿真分析的中小學教室照明設計

曾 平，洪蕓蕓，張麗娟

(1.中節能晶和照明有限公司，江西 南昌 330096；2.江西省晶合光電有限公司，江西 南昌 330096)

引言

教室是學生學習環境中最重要的場所之一，照明質量的好壞直接影響到學生的身體健康[1]。由于教室自身采光不佳，或學校有時為節約照明而不開燈或者少開燈，因此教室照明出現了不達標的現象，而學生在近距離注視的條件下極易產生視力疲勞，對學生的視力帶來不利的影響[2-4]。近年來，我國學生視力不良率持續攀升并呈低齡化趨勢[5-7]。據《2014年全國學生體質與健康調研結果》顯示，我國大學生的視力不良率竟高達86.36%，而學生視力不良與教室照明環境有很大關系[8]。北京市《中小學生體質健康狀況調研報告》顯示，超六成學生視力不良[9]。而教室照明質量對青少年的視力具有顯著的影響，因此營造良好的教室舒適照明環境在照明工程設計中至關重要。

為解決以上問題，我們提出中小學教室舒適照明設計的一種方法，為學生提供一個高質量的教室照明環境，不僅可以更好地保護視力，減少視覺疲勞，還可以調動學生的上課熱情，提升課堂教學的效率。

1 南昌市中小學教室照明現狀的抽樣調查

中小學教室照明主要用于滿足課堂教學時教師與學生之間的交流，教師在講臺上看教案、觀察學生舉動、在黑板上書寫內容，學生在課桌上看書、寫作業、看黑板上的內容、注視教師的臉部等等的光環境需求，因此教室照明必須要滿足國家有關教室照明的標準要求。

2016年我們聯合南昌大學眼科醫院對南師附小、南昌二十八中、南昌二中等中小學校教室照明做了抽樣調查，發現大部分教室采用日光燈進行照明，我們使用照度計對教室的照度進行采集，結果如下：

1)絕大多數教室內均采用高色溫熒光日光燈，照度低、顯色指數低、光色偏冷，存在閃爍、眩光及光衰嚴重等問題。

2)根據對教室照度采集樣本數據顯示：目前絕大部分教室的照度在100～200 lx之間，遠低于國家標準的300～500 lx。

3)學校開燈無規律，隨意開關燈，不會因天氣原因而做出調整。為滿足節能要求，在晴天或陰天不開燈，不靠窗的課桌面照度達不到國家標準要求。或者為了達到照度要求，任何天氣都開燈。

4)少部分學校采用了未取得中國強制性產品認證(3C)的LED燈管，照明情況未真正得到改善。

2 中小學教室照明設計的仿真分析

2.1 中小學教室照明的要求

中小學教室照明區域包括：

1)課桌面照明。普通教室課桌布置是規律性排列，教室照明通常包括課桌面照明和黑板垂直照明。照明設計采用在天花板上均勻布燈的照明方式，為確保學生集中注意力，桌面和黑板的亮度為最高。為減少眩光區和反射區，燈具宜縱向布置，并與黑板垂直。燈具布置在垂直黑板、課桌和通道上空，使課桌形成兩側面來光，照明效果更好。燈具安裝高度對照明效果有一定影響，增加燈具安裝高度，照度下降，減小安裝高度，眩光增加，均勻度降低。普通教室燈具距地安裝高度一般為2.5～2.9 m，燈具距課桌一般為1.7～2.1 m。

2)黑板照明。黑板是垂直地掛在墻上，教室內如果僅靠一般照明燈具，黑板面的垂直照度是不夠的，必須要設置黑板專用燈具照明。對學生而言，黑板照明要求黑板不能產生反射眩光，學生容易看清黑板，黑板照明燈具的直射光不能射進學生眼中。對教師而言，教師上課時不感到眩光，且當教師在黑板上書寫時不應感到光源的反射眩光。

中小學教室照明指標要求如下：

1)照度。根據GB 50034—2013《建筑照明設計標準》的規定，教室的參考面(課桌面)水平照度標準值要求為300 lx，黑板垂直照度為500 lx。考慮到照明設施在使用過程要受到污染，光源要衰減，在照明設計時，初始照度也應根據維護系數相應提高。

2)視覺舒適度。學生長時間待在學習環境中，視覺舒適性很重要。現使用統一眩光(UGR)作為不舒適眩光的評價指標，GB 50034—2013《建筑照明設計標準》的規定，教室照明UGR不能超過19。

3)照度均勻度。照度均勻度對視覺效能影響較大，均勻的照度分布可以避免眼睛的瞬時適應，有利于視覺功效，減輕視覺疲勞。根據GB 50034—2013《建筑照明設計標準》的規定，教室桌面的照度均勻度U0不低于0.6，黑板照度均勻度不低于0.7。根據CQC 3155—2016《中小學校及幼兒園教室照明產品節能認證技術規范》的規定，教室桌面的照度均勻度U0不低于0.7。

4)燈具性能。根據CQC 3155—2016《中小學校及幼兒園教室照明產品節能認證技術規范》的規定，普通教室照明光源顯色指數不低于80，美術教室不低于90，無藍光危害。燈具頻閃要求為：①f≤10 Hz，波動深度限值為0.1%；②10 Hz3 125 Hz，波動深度免考核。

5)節能要求。照明節能采用一般照明的照明功率密度(LPD，其單位為W/m2)作為評價標準，根據CQC 3155—2016《中小學校及幼兒園教室照明產品節能認證技術規范》的規定，照明功率密度不超過8 W/m2。

根據上述照明指標要求，教室舒適照明相關要求如表1所示。

表1 教室舒適照明要求

2.2 仿真分析

照明設計以一間標準中小學普通教室為例，東經115°85′，北緯28°68′，坐北朝南，長9.3 m，寬6.3 m，天花板反射系數70%，四周墻面反射系數82.1%，地面反射系數22.4%。課桌高度0.72 m，長1.2 m，寬0.6 m，作為評估面使用。教室南北朝向，陽光射入面三開窗設計，人行走廊開高小窗設計，如圖1所示。教室照明，在學生區域采用9盞LED燈，3×3矩形排列，安裝高度2.9 m；黑板區域，采用2盞LED燈照明，安裝高度2.9 m，燈具布置如圖2所示。使用DIALux Evo軟件對教室照明進行仿真，取課桌面、黑板作為評估區域。軟件設置為無日光模式，即不考慮環境光線，燈具維護系數取值0.8。

圖1 普通教室示意圖Fig.1 Classroom schematic

圖2 燈具布置圖Fig.2 Lighting arrangement

1)一般照明設計。現有的教室照明，在學生區域采用9盞30×120 LED長條面板燈，黑板區域采用2盞30×120 LED長條面板燈照明，安裝高度2.9 m，燈具參數如圖3所示，課桌照明燈具，功率30 W，光通量：2 856 lm，色溫：3 991 K，顯色指數：84；黑板照明燈具，功率：36 W，光通量：4 058 lm，色溫：3 991 K，顯色指數：84。教室面積58.59 m2，總共使用11盞燈，總功率342 W，功率密度為5.83 W/m2，符合表1要求。

圖3 一般照明時燈具參數Fig.3 General lighting, lighting parameters

圖4 一般照明時課桌面水平照度等值線圖Fig.4 General lighting, the horizontal isograms of desk surface

由仿真結果知，9盞面板燈可滿足課桌面水平照度，課桌面水平照度等值線圖如圖4所示，所有課桌面的照度都達到300 lx，平均值為436 lx，滿足要求。課桌面及黑板的平均照度、均勻度如表2所示，所有課桌面的照度都達到300 lx，均勻度不小于0.7，符合表1要求。但是，黑板照明沒有采用專用的黑板照明燈具，效果不理想，垂直照度平均值為341 lx，沒有達到500 lx，均勻度為0.60，不符合表1要求。課桌面眩光指數如表3所示，UGR值為19.0，雖然符合表1要求，但是處于臨界值，舒適性不佳。并且，一般照明設計容差太小，可調整的空間有限，根據實際應用情況，數據溢出風險較高。

表2 一般照明時課桌面及黑板的平均照度和照度均勻度

表3 一般照明時課桌面眩光指數(UGR)

2)舒適照明設計。一般照明設計中，雖然課桌面的水平照度都符合標準要求，但是UGR值處于臨界值，舒適性不佳。而教室的舒適照明設計要求視覺舒適性好，避免學生視覺疲勞。避免過高的亮度和對比度，這是視覺疲勞或不舒適眩光的來源。現使用UGR作為不舒適眩光的評價指標。根據(1)式知，影響UGR值的因素有背景亮度Lb，觀察者方向每個燈具發光部分的亮度L，每個燈具發光部分對觀察者眼睛所形成的立體角ω，每個單獨燈具的位置指數p。從(1)式可知：降低UGR值，可以通過減小L、ω或增大Lb、p來實現。然而，改變觀察者方向每個燈具發光部分的亮度L，每個燈具發光部分對觀察者眼睛所形成的立體角ω及每個單獨燈具的位置指數p比較復雜，改造比較困難，花費大，而提高背景亮度Lb比較容易，只需提高教室天花板的背景亮度，就可以實現增大Lb值，降低UGR。

(1)

提高天花板背景亮度，需要更多的向上光，因此，課桌照明可以采用30 cm×120 cm上下出光LED長條面板燈，雙面出光，不僅有向下的光，還有向上的光，提高教室天花板的亮度，降低UGR值，視覺舒適性好，有效緩解學生視覺疲勞，避免過高的對比度。

綜上所述，教室的舒適照明設計，在學生區域采用9盞30 cm×120 cm上下出光LED長條面板燈，黑板區域，采用2盞專用LED黑板燈照明，燈具參數如圖5所示。課桌照明燈具的功率為35 W，光通量為3 259 lm，色溫為3 991 K，顯色指數為84；黑板照明燈具的功率為36 W，光通量為4 058 lm，色溫為3 991 K，顯色指數為84。教室面積為58.59 m2，總共使用11盞燈，總功率為387 W，功率密度為6.6 W/m2，符合表1要求。采用上下出光LED長條面板燈，功率密度比一般照明設計要大，因為一般照明設計的燈具都是向下出光，所需光通量和功率要比舒適照明設計低一些。

圖5 舒適照明時的燈具參數Fig.5 Comfortable lighting, lighting parameters

由仿真結果知，9盞上下出光LED長條面板燈加上2盞LED黑板燈可滿足課桌面水平照度和黑板垂直照度。課桌面水平照度等值線圖如圖6所示，所有課桌面的照度都達到300 lx，平均值為418 lx，滿足要求。課桌面及黑板的平均照度、均勻度如表4所示，每個課桌面的照度都達到300 lx，均勻度不小于0.7，黑板垂直照度平均值為524 lx，均勻度為0.70，符合表1要求。課桌面眩光指數如表5所示，UGR值為16.6，符合表1要求，比一般照明的UGR值降低了2.4，視覺舒適性大大提高。

表4 舒適照明時課桌面及黑板的平均照度和均勻度

表5 舒適照明時課桌面眩光指數(UGR)

圖6 舒適照明時的課桌面水平照度等值線圖Fig.6 Comfortable y lighting, the horizontal isograms of desk surface

上述仿真結果表明：教室照明學生區域采用上下出光LED長條面板燈，大大提高視覺舒適性，比一般照明的UGR值降低了2.4；黑板照明采用非對稱配光的LED黑板燈，提高黑板垂直照度和均勻度，照明效果更好。

3)節能照明設計。在滿足功能照明的前提下，節能也是舒適照明的重要組成部分。照明節能的重點為照明設計節能，即在滿足照度和相關照明質量的標準之后，最有效地利用照明用電。

一般情況的照明設計，沒有考慮天氣影響，晴天、晴天多云和陰天的照明效果肯定是有差距的，并且現有的教室照明開燈沒有控制，比較隨意，沒有根據天氣變化和時間段進行調光控制。DIALux Evo軟件中有燈光場景模式，可以在燈光場景模式中設置不同的天氣、時間段，從0～100%對燈具進行調光，并且可控制燈具組的開關狀態，如圖7所示。在燈光場景模式中設計燈具的調光策略，模擬不同天氣、不同時間段，教室照明的效果。

在DIALux Evo中，可以設置時間、地區、天氣種類，系統根據對應地區自動導入相應的日光系數并進行計算，例如東經115°85′，北緯28°68′，晴天和晴轉多云的日光系數分別如圖8和圖9所示。

圖7 燈光場景模式Fig.7 Lighting scene mode

圖8 晴天日光系數Fig.8 The daylight factor of Sunny

圖9 晴轉多云日光系數Fig.9 The daylight factor of partly cloudy

在DIALux Evo軟件中，燈光場景設置為晴天，不開燈情況下，8點時教室照度等值線圖如圖10所示。從圖10可知，即使是晴天，如果不開燈，教室里大部分區域照度在300 lx以下，照度嚴重不足，不符合教室照度要求，極易引起學生視覺疲勞，影響學生視力，需要進行補光。晴天，如果全部開燈，教室照度較高，勢必造成浪費。

利用DIALux Evo軟件中燈光場景模式，不開燈，模擬不同天氣，不同時間的教室照明效果，結果如表6所示。表6為不同天氣、不同時間，教室中能夠達到目標照度的評估區域統計表。從表6可知：不開燈時，任何天氣、任何時間都存在課桌面或黑板照度不達標的現象，并且不同天氣，不同時間，課桌面和黑板照度都不盡相同。因此，需要針對不同天氣、不同時間的教室照明進行補光，對教室照明進行節能照明設計，在滿足照度和相關照明質量的標準之后，最有效地利用照明用電。

圖10 不開燈時，晴天8點教室水平照度等值線圖Fig.10 The horizontal isograms of classroom at 8 o’clock of sunny, without lighting

在DIALux Evo軟件中，燈光場景設置為晴天，對11盞燈進行調光控制，模擬不同時間的教室舒適照明效果。晴天8點時，在燈光場景模式中進行對燈具調光策略控制，經過模擬可知，只需打開燈具2、3、5～9、11，調光80%，可以滿足所有課桌面和黑板的照度、均勻度及眩光要求。晴天8點時，課桌面水平照度等值線圖如圖11所示，對應的課桌面及黑板的平均照度、均勻度如表7所示，課桌面眩光指數如表8所示。由圖11及表7和表8可知：

表6 不開燈時，不同天氣、不同時間，達到目標照度的評估區域統計表

圖11 節能照明時，晴天8點課桌面水平照度等值線圖Fig.11 Energy-saving lighting, the horizontal isograms of desk surface at 8 o’clock of sunny day

所有課桌面的照度都達到300 lx，均勻度不小于0.7，眩光指數為17.3，黑板垂直照度為595 lx，均勻度為0.70，符合表1要求的同時，最有效地利用照明用電。

同樣地，在DIALux Evo軟件燈光場景模式，分別對不同天氣、不同時間的教室舒適照明進行燈具調光策略控制，不同天氣、不同時間下滿足教室舒適照明的燈具調光策略表如表9所示。

一般情況的照明設計，沒有考慮天氣影響，為了課桌面和黑板達到照度要求，在不同天氣、不同時間，將教室內所有的燈都打開，沒有根據天氣變化和時間進行調光控制，一定程度上不節能，造成浪費。

假設中小學教室每天從8點到18點用電，一年9個月，每個月30天，那么全部開燈情況下一間教室一年的用電量為T1=923.4 kW·h。

根據氣象統計，東經115°85′，北緯28°68′地區，從2011年1月至2017年10月的天氣變化統計如圖12所示，除去暑假和寒假3個月。將雨、雪天氣視為陰天，一年的天氣中晴天占比為27.91%，多云占比為25.96%，陰天占比為46.13%。

表7 節能照明時晴天8點課桌面及黑板的平均照度和均勻度

表8 節能照明時晴天8點，課桌面眩光指數(UGR)

表9 不同天氣、不同時間，滿足教室舒適照明的燈具調光策略表

依據調光策略對教室照明進行調光，一間教室不同天氣時一天的用電量如表10所示。采用調光策略對教室照明進行調光，根據不同天氣占比，一間教室一年的用電量為T2≈646.2 kW·h。

圖12 2011年1月—2017年10月天氣變化統計Fig.12 The weather change statistics from January 2011 to October 2017

根據T1、T2的值可知，采用調光控制策略后，一間教室可節電277.2 kW·h，節電約為30%。

上述仿真結果表明：針對不同天氣、不同時間制定教室節能照明的燈具調光控制策略，在對應的天氣、對應的時間，進行對應的燈具調光，滿足照度和相關照明質量標準的同時，為師生營造健康、舒適的照明環境，有效避免學生視覺疲勞，保護學生視力，且最有效地利用照明用電，采用調光控制策略，節電約為30%，降低了照明用電量。

表10 一間教室不同天氣時一天的用電量

3 結語

我們對中小學教室舒適照明進行設計，從舒適照明要求的角度出發，分析照度、視覺舒適度、均勻度等評價指標對照明效果的影響，并制定出教室舒適照明的目標值。運用DIALux Evo軟件，首先對中小學教室一般照明設計進行仿真，其次再對中小學教室照明進行分析和改善，在學生區域采用上下出光LED長條面板燈，在黑板上方單獨布置黑板照明燈，進行舒適照明設計及仿真。仿真結果表明，采用上下出光LED長條面板燈，大大提高視覺舒適性，比一般照明的UGR值降低了2.4；黑板照明采用非對稱配光的LED黑板燈，提高黑板垂直照度和均勻度，照明效果更好，教室照明整體布置合理，符合舒適照明要求，為師生提供一個舒適和節能的照明環境。在舒適照明設計的基礎上，進一步進行節能分析。在DIALux Evo軟件的燈光場景模式，模擬不同天氣、不同時間的教室舒適照明效果，并針對不同天氣、不同時間制定出相應的燈具調光控制策略，不僅可以滿足舒適照明要求，而且大大節約教室照明用電，節電30%左右。我們只是對中小學教室舒適節能照明設計進行了仿真分析，實際應用數據正在收集，仿真結果與實際應用的誤差還需進一步的分析，同時對于燈具波動深度、燈具光譜對舒適節能照明影響的研究還需繼續深入。