高校宿舍組合床空間光環境研究

康善之，馬 婕，馬晨鐘

（重慶大學 建筑城規學院，重慶 400030）

重慶市屬于第V類光氣候區，采光情況較差，據《重慶市日照時數變化規律和特征分析》一文中提供的數據可知[1]，重慶日照百分率僅為25%～35%，為中國年日照最少的地區之一，室內光環境也受此影響，照度常年不足，冬、春季尤為明顯（見表1）。加之宿舍空間在設計時對空間集約化的考慮，大部分宿舍僅有很小面積的采光面，導致宿舍白天采光環境較差，幾乎沒有自然光環境。

近年來，隨著電子產品的廣泛應用，高校學生長期、高頻率接觸各類電子產品。多數電腦、LED燈等宿舍用電子產品本身存在較強的藍光輻射，加之宿舍自然光環境差且燈具布置不合理，大學生眼部健康情況不斷惡化。據不完全統計，中國大學生近視發病率已高達90%。《大學宿舍光環境調研及分析——以重慶大學為例》[2]一文中也指出了宿舍在采光、照明方面存在的問題。

表1 南方城市冬季平均日照

隨著LED技術的發展，照明理念從宏觀的節能環保，逐步向以人為本的舒適健康發展。現階段對健康照明的定義通常為綠色節能、安全舒適，有益于提高生產、工作、學習效率和生活質量，保護身心健康的照明（見圖1）。在合適的時間、合適的地點，提供合適強度和光譜的照明，從而在保證視覺工效的同時，為人們創造安全、舒適、健康的光環境。

健康照明要求照明系統的照度、色溫均可調節，強調與天然光混合后的照度及色溫。同時提出生理等效照度的概念，一方面將傳統照明設計中水平照度的要求拓展到空間照度的要求，另一方面提出光源色溫的要求，可以控制生理等效照度，從而提供一個相對健康的照明環境[3]。

1 調研

項目前期針對高校宿舍空間光環境現狀、組合床工作空間的用光需求兩方面內容進行了綜合研究。調研采用問卷調查、抽樣調查、文獻調查、統計調查和訪談等多種形式，作為支撐整個項目的背景展開研究。

1.1 高校宿舍光環境現狀調研

項目組針對高校大學生，采用訪談和問卷調查的方式進行宿舍光環境主觀感受測評。統計結果顯示（見圖2），高校學生對宿舍空間的使用時長普遍達到每天12 h以上，平均有8～9 h在組合床空間進行工作學習等活動。在宿舍組合床空間進行3 h工作學習后，67%的學生出現眼睛酸癢、流淚及疼痛的狀況，眼疲勞癥狀較為明顯。而與此同時，長期處于不合理光環境之下間接影響大學生睡眠和情緒，甚至會發展出抑郁、狂躁的癥疾。

項目組選取重慶大學B區4舍和12舍作為對象進行實地抽樣調查，以不同樓層、不同朝向、不同組合床位置、不同時間段為變量開展光環境測試，分析采樣點照度、照度均勻度以及宿舍整體環境輝度。數據采集結果顯示，受宿舍空間單向、小采光面積的影響，組合床工作空間桌面照度及照度均勻度普遍不足（與相關標準比較），光環境質量差（圖3～圖4）。

項目組通過實地觀察還發現，使用電腦等電子產品時存在正壁面與屏幕亮度反差較大的問題，另外，燈具的不合理選用和擺放導致眩光，影響正常的工作學習。

調研中發現的上述問題已對高校大學生視覺健康和工作學習效率產生較大影響。針對這部分調研，項目組排除不必要的變量影響，著手于宿舍單元組合床，從上述幾點用光問題切入思考。

為評測、對比4個床位的光空間質量，選取宿舍光環境最不利點，測試整個宿舍空間的照度均勻度及宿舍環境整體輝度（見圖5），確定遠離采光口且右側自然光來光的②號床位為最不利床位，并選定為實驗模擬對象，建立光空間模型，進行優化模擬設計。

1.2 宿舍組合床用光需求

為使宿舍組合床工作空間光環境設計方案更加符合學生在宿舍的活動需求，通過問卷調查的方式對宿舍組合床工作空間的活動類型和模式進行了研究。由低至高5個量級劃分與統計各行為發生頻率。大學生對宿舍組合床的用光需求如圖6所示，“紙質材料上的書寫或閱讀”“使用電腦工作或娛樂”“使用平板電腦或手機工作或娛樂”這3類活動的第5量級占比較大。根據各活動頻率量級及用光類型，項目組確定了組合床裝置照明方案的3種主要模式，即“依托不發光工作面進行的活動”“依托自發光設備進行的活動”及“其他活動”，在光環境設計中將考慮一定的調節彈性，來滿足其需求。

2 燈光裝置設計

2.1 健康光環境基礎參數

根據《建筑照明設計標準》（GB 50034—2013）等資料，項目組制定了一套健康用光參數系統，包括組合床書桌面的照度值、組合床書桌面的照度均勻度、頂棚和壁面照度、環境色溫及組合床桌面的照度分布情況（工作面與周邊環境的照度比值）等，這些參數是后續照明方案的重要參考數據。

2.2 宿舍組合床空間模型

組合床工作空間的尺寸及前部、側面3個反射面的材質是空間光環境的重要影響因素。項目組通過重慶大學校內男女生宿舍測繪和組合床尺寸調研發現，目前市面上組合床的工作空間長度、寬度、高度大多分布在120～200 cm、60～90 cm、80～110 cm區間內，而組合床前部墻面以抹灰墻面和大面積的粗糙壁紙或木板為主，其比例均在40%以上，而前部墻面多采用淺色材料，占調查數據的81%。通過調研數據的分析，項目組確定了一個典型宿舍組合床空間模型作為研究基礎（見圖7），模型中的組合床工作空間尺寸設定為160 cm×80 cm×100 cm，接近市面上大多數組合床產品的參數，以保證設計的普適性。

2.3 光環境優化裝置概念設計

針對宿舍用光問題，裝置的核心解決策略是圍繞總結了3類活動模式，通過面狀光源照明，并通過光源的分區控制，為不同的活動類型提供適宜的健康光空間。裝置主要分為構架系統、頂部光源系統和側面補充光源系統。頂部光源系統是裝置的核心部分，大部分光線由該系統提供，該系統通過分區控制優化工作面的照度值、照度均勻度、色溫等參數，側面補充光源系統可投射45°的左側光線，模擬側窗自然光照，優化組合床空間舒適度。

2.4 光源方案比選

在上述設計框架下，項目組進行了光源方案的設計比選（見圖8）。其中，頂部燈光裝置I等效為6塊燈盤，平行于桌面拼裝在頂部，通過升降進行照度控制。頂部燈光裝置II等效為12塊燈盤，各塊燈盤設置可活動百葉，可獨立進行照度調節（后續深化過程中簡化為6塊燈盤，且通過燈具自身的電流控制系統代替百葉調節照度）。頂部燈光裝置III為一體化光源，側面燈光裝置A等效為2塊燈盤，傾斜45°，安裝于左上及右上方，側面燈光裝置B由7個條狀燈組構成，設置擋板控制眩光，布置于左側。項目組對上述燈光裝置的照明效果進行了交叉分析，綜合考慮照度均勻度、適應性、造價等因素，最終采用Ⅲ-B。

3 基于DIALux-evo模擬計算的照明方案設計

3.1 軟件說明與實驗方法概述

實驗依托DIALux-evo平臺開展（見圖9），以確定3種模式下最優的照明方案。DIALux-evo是一款專業照明設計軟件，持有DIALux許可證的廠家提供可調參數模擬燈具，為實驗提供基礎支撐。實驗的主要變量為6個光源分區（等效為燈盤）的亮度和色溫，主要輸出項目包括組合床桌面照度值、桌面照度均勻度、組合床作業面照度值、組合床作業面照度均勻度、組合床桌面等值線、主光源比色數據、組合床桌面偽色圖與數值系統等，項目組將調節各個分區的參數組合，并對輸出數據進行分析，以確立最優的照明方案。

3.2 模式一：依托不發光工作面進行的活動

該模式含紙質材料閱讀、書寫和繪畫，通過墨水屏設備閱讀及手工制作等活動，參考平面為0.75 m水平面，照度標準值為500 lx，照度均勻度標準值為0.60。該模式下工作面自身不發光，進入人眼的光線主要是反射光，活動過程需要對紙質物、墨水屏上的內容和手工制作的細節進行清晰識別。裝置調節為該模式時，光源將轉換為中間色溫（3 300～5 300 K），同時提供柔和的頂部光線和左側光線，避免桌面陰影的形成（圖10～圖11）。

3.3 模式二：依托自發光設備進行的活動

該模式主要考慮通過LED/LCD等電腦屏幕進行的活動及通過手機、平板等的LED屏幕進行的活動（電腦屏幕中心的參考高度取1.05 m），參考平面為0.75 m水平面，照度標準值為500 lx，照度均勻度標準值為0.60。除滿足相關光環境標準，還需考慮屏幕和正向壁面對比度的控制（實驗中液晶屏幕亮度為常規值500 cd/m2），避免反差過大對眼睛造成傷害。項目組線下主觀舒適度調查顯示，壁面亮度接近但略低于屏幕亮度時較為宜人。裝置調節為該模式時，靠后的3個燈盤亮度將適度提高，使屏幕周圍環境（背景壁面）的照度達到1 000 lx，形成較為適宜的對比度（圖12～圖13）。

3.4 模式三：其他活動

該模式對應的活動用眼強度不高，對于照度均勻度等數據的要求相對較低，但具有較為差異化的光環境需求，項目組對不同活動進行了研究測試，制定對應的照明方案。在這些照明參數的基礎上，使用者可進一步根據自身的偏好和需求調整照度、色溫等。“其他活動”含有多種拓展模式，僅列舉“拷圖板模式”“用餐模式”“娛樂氛圍光模式”3例。

3.4.1 拷圖板模式

該模式主要適用于拷圖板的使用，參考平面為0.75 m水平面，照度標準值為50 lx，照度均勻度標準值為0.40。為讓使用者能看清置于拷圖板上多層紙面的信息內容，裝置將適度降低頂部及側面光源的整體亮度，保證下部拷圖版光線的主導性，以使紙面信息具有較高的清晰度（圖14～圖15）。此外，調研表明，學生在使用拷圖板時常有輔助材料閱讀的需求，因此，該模式下桌面靠近衣柜側照度較低，用以放置拷圖板，而靠近日光模擬系統一側照度較高，可供使用者進行輔助材料閱讀。

3.4.2 用餐模式

該模式主要適用于用餐，參考平面為0.75 m水平面，照度標準值為150 lx，照度均勻度標準值為0.40。此類宿舍活動用眼程度較低，對照度均勻度和對比度要求不高，重點在于營造溫和舒適的光環境。色彩心理學領域的研究表明，暖色的燈光（如黃色、橙色）能有效促進用餐者的食欲。該模式下裝置將提供低色溫光線（3 000 K以下），用以營造溫暖適宜的用餐空間氛圍。此模式下的色溫、亮度等參數可以根據使用者喜好和需求手動調整（圖16～圖17）。

3.4.3 娛樂氛圍光模式

該模式主要適用于日常用眼強度不大而對空間氛圍有特殊要求的娛樂活動（聽音樂、聚會游戲等）。該模式下，各燈盤的亮度、色溫等參數可以根據使用者的需求手動調整，且可動態變化，營造豐富多變的光環境。裝置將內置一些預設的主題氛圍，使用者也可通過裝置的配套APP定制個性化的燈光方案（見圖18）。

3.5 實驗總結

通過光空間定量實驗，項目組為不同的活動模式確定了對應的照明方案，方案的光源參數將被輸入控制系統（見表2）。使用者可一鍵遙控，裝置將根據當前活動調節光源參數、轉換照明方案，通過6個光源分區的靈活組合，使光空間中的各項光學參數達到健康照明標準，為使用者提供健康適宜的光環境。

4 組合床燈光裝置的技術實施

4.1 適應性支架系統

宿舍組合床燈光裝置除主體照明系統外，其支架系統也有重要作用。不同尺寸組合床要求支架系統具有一定可調性和靈活性，為裝置的推廣應用提供了可能。經過前期對重慶大學校內宿舍調研及組合床的測量統計，組合床燈具支架系統的總尺寸在長120～200 cm、寬60～90 cm、高80～110 cm范圍內實現伸縮調節，調節基本模數為5 cm，長向可調范圍為80 cm，寬向可調范圍為30 cm，高向可調范圍為30 cm（見圖19）。

表2 各模式重要標準值及輸出參數統計

4.2 一體化裝配設計

考慮到組合床燈光裝置在不同宿舍空間中的適應性、燈具安裝的便利性及對其他使用需求的兼容性，裝置設計中除采用靈活可調的適應性支架系統外，還通過一體化設計方式，結合燈具安裝要求和組合床空間儲物等需求設計了標準化、模塊化的裝配系統（見圖20），并對支架系統進行連接點構造設計（見圖21）。裝配系統采用懸掛、海綿膠粘貼、螺釘固定3種連接方式，其中燈具安裝采用了螺釘固定的方式。根據上述設計，項目組制作了1：3實體模型（見圖22）。

5 結論

健康照明日漸成為建筑照明研究的重要話題，因此，項目在設計研究初期就融入健康照明理念，并通過計算機模擬軟件改進照明設計，優化產品選型，控制照明策略。該設計不但滿足了大學生的健康照明需求，實現照明樣式的美觀，同時也提升了照明系統節能環保性能。項目設計的宿舍組合床燈光裝置在健康照明的核心理念下，對宿舍光環境起到了明顯的改善作用，從安全、高效的照明延伸到舒適、健康照明。同時 LED 與智能控制為健康照明提供技術支撐，實現節能環保、高效管理與高品質光環境控制的照明目標。