大學(xué)階梯教室照度均勻度的分析與優(yōu)化

馬丙戌，文尚勝,2，陳穎聰,2

(1.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué) 發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510640)

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大學(xué)階梯教室照度均勻度的分析與優(yōu)化

馬丙戌1，文尚勝1,2，陳穎聰1,2

(1.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué) 發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510640)

為了改善現(xiàn)在大學(xué)教室照明環(huán)境部分指標(biāo)不達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的問(wèn)題，借助燈光照明設(shè)計(jì)和模擬軟件Dialux，將現(xiàn)在大學(xué)里普遍使用的格柵燈具替換為面板燈，并通過(guò)布置燈具的數(shù)量和排列方式，模擬出一個(gè)更適合學(xué)習(xí)更為節(jié)能環(huán)保的照明環(huán)境。模擬結(jié)果表明：提出的照明方案不僅能滿足學(xué)校教室照明國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而且優(yōu)化處理后的照明系統(tǒng)能有效地節(jié)約能源，全年每天8小時(shí)正常工作，對(duì)比現(xiàn)在大學(xué)普遍使用的照明系統(tǒng)，用電量能下降19%。不僅極大地改善了教室內(nèi)的照明環(huán)境而且還達(dá)到了節(jié)約能源的效果，對(duì)于改善階梯教室的照明環(huán)境、節(jié)能環(huán)保具有一定的借鑒意義。

階梯教室；照度均勻度；平均照度；Dialux；面板燈

引言

學(xué)校的采光和照明設(shè)計(jì)，不僅要滿足光的數(shù)量，還要要求優(yōu)質(zhì)的照明質(zhì)量，使師生有一個(gè)減少視覺(jué)疲勞和舒適愉快的光環(huán)境[1]。教室的照明環(huán)境不良，特別是如果教室照度均勻度達(dá)不到要求，會(huì)使學(xué)生為了適應(yīng)不均勻的照明環(huán)境，而產(chǎn)生視覺(jué)器官過(guò)度頻繁的調(diào)節(jié)，使得眼部肌肉過(guò)分緊張，易造成視力疲勞[2]，長(zhǎng)期在這種劣質(zhì)照明環(huán)境中學(xué)習(xí)，不僅會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生不適感，對(duì)學(xué)生的視力也將帶來(lái)不利的影響[3]。人機(jī)工程學(xué)研究表明在作業(yè)過(guò)程中，視覺(jué)的應(yīng)用最為重要和普遍，大約80%以上的信息由視覺(jué)得到，因此科學(xué)合理的照明環(huán)境可以提高工效[4]?？梢?jiàn)，良好的照明環(huán)境可以提高學(xué)習(xí)效率和減少視覺(jué)疲勞[5]。大學(xué)學(xué)生一天有超過(guò)60%的時(shí)間在教室里度過(guò)，為大學(xué)教室營(yíng)造一個(gè)優(yōu)質(zhì)的照明環(huán)境顯得尤為重要[6]。

孔益平等[2]借助C++編程計(jì)算和Matlab軟件構(gòu)建了優(yōu)化教室照明均勻度的數(shù)學(xué)模型，并得出了優(yōu)化方案：教室四周由于得不到足夠的光通量而照度值很低，所以可以將光源的位置向靠近教室四個(gè)角的方向進(jìn)行調(diào)整[2]。當(dāng)采用孔益平等提出的優(yōu)化方案對(duì)大學(xué)階梯教室的照明環(huán)境進(jìn)行改良時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將燈具向兩側(cè)移動(dòng)確實(shí)可以提高階梯教室各工作面的照度均勻度，但是當(dāng)照度均勻度達(dá)到最大時(shí)依舊達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的0.7 。這說(shuō)明孔益平等的結(jié)論具有一定的局限性。Dialux是一種用于照明分析計(jì)算的輔助設(shè)計(jì)軟件[2],為了進(jìn)一步提出更為完善的大學(xué)教室照度均勻度的優(yōu)化方案，本文借助燈光照明設(shè)計(jì)和模擬軟件Dialux，在孔益平等研究的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)下大學(xué)階梯教室的照明環(huán)境作進(jìn)一步研究與分析，并提出了更進(jìn)一步的優(yōu)化方案。

1 某大學(xué)階梯教室現(xiàn)有照明環(huán)境的分析

1.1 模型構(gòu)建和工作面選定

選取某大學(xué)的階梯教室在軟件中進(jìn)行建模，教室大小為12.7m(長(zhǎng))×11.3m(寬)，教室共5級(jí)臺(tái)階，每級(jí)臺(tái)階尺寸為11.3m(長(zhǎng))×1.5m(寬)×0.2m(高)；教室地板距天花板的最大距離為4.26m；最后一個(gè)臺(tái)階距天花板的垂直距離為3.26m，墻壁的反射比為50%。根據(jù)GB 50034—2013建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[7]規(guī)定工作面高度為0.75米水平面，由于是階梯教室，所以工作面的選定為高于每一階臺(tái)階0.75m，將5級(jí)臺(tái)階及地面所對(duì)應(yīng)的工作面依次編號(hào)為1～6。階梯教室的3D模型和6個(gè)工作面在教室平面圖中的分布如圖1所示。

圖1 某大學(xué)階梯教室的3D模型和教室中各個(gè)工作面在空間中的分布Fig.1 The 3D model of the steps classroom and the arranging of the working face in the steps classroom

1.2 對(duì)教室內(nèi)現(xiàn)有照明效果的模擬分析

我國(guó)的教室光源布置通常采用均勻等間距的排列的方式，且根據(jù)中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB 7793—2010[8]規(guī)定教室照明不應(yīng)采用裸燈照明，照明燈具的選擇多為72瓦的T8格柵燈具。該教室內(nèi)燈具分布有6行4列共24個(gè)格柵燈具，每一列之間間距相等，最外側(cè)的兩列距墻壁的垂直距離均為1.6m，燈具高度4.205m。選用三雄極光嵌入式格柵燈具：PAK160811 PAK-B01-236-JI，將燈具導(dǎo)入建立好的模型中，燈具參數(shù)如圖2所示。導(dǎo)入燈具后，通過(guò)Dialux軟件進(jìn)行計(jì)算，輸出各個(gè)工作面上的計(jì)算結(jié)果如表1所示，偽色圖如圖3所示。

圖2 所選用格柵燈具的參數(shù)與配光曲線Fig.2 The grille lamp panel’s parameters and distribution curve flux

圖3 大學(xué)階梯教室的實(shí)際照明效果偽色圖Fig.3 The practical lighting effect of the steps classroom

1.3 采用孔益平等的優(yōu)化方案進(jìn)行優(yōu)化后的照明效果的模擬分析

根據(jù)孔益平等提出的優(yōu)化方案對(duì)燈位進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)同時(shí)將左邊的兩列燈具向左移0.4m，右邊的兩列燈具向右移動(dòng)0.4m時(shí)整個(gè)階梯教室內(nèi)各個(gè)工作面上將獲得最大的照度均勻度的，輸出各個(gè)工作面上的計(jì)算結(jié)果如表2所示，偽色圖如圖4所示。

表1 該階梯教室各個(gè)工作面上的計(jì)算結(jié)果Table 1 The simulation result of the steps classroom

表2 采用孔益平等提出的優(yōu)化方案進(jìn)行優(yōu)化后各 工作面上的計(jì)算結(jié)果Table 2 The simulation result according to KONG Yiping’s scheme

圖4 采用孔益平等提出的優(yōu)化方案進(jìn)行優(yōu)化后 的照明效果偽色圖Fig.4 The optimized lighting effect of the steps classroom according to KONG Yiping’s scheme

1.4 討論模擬結(jié)果

從表1中我們知道，階梯教室在采用傳統(tǒng)布燈方式的情況下，各個(gè)工作面的照度均勻度(最小照度/平均照度)分別為0.727、0.712、0.710、0.678、0.522、0.456，4、5、6工作面的照度均勻度達(dá)不到0.7，從表2中我們發(fā)現(xiàn)4、5、6工作面的照度均勻度有所提升但是依舊達(dá)不到0.7的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，通常采用增加燈具數(shù)量或者燈具的功率來(lái)改善。但是，從表1和表2中發(fā)現(xiàn)兩種情況下教室各個(gè)工作面上的照度平均值均已達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的300lx且遠(yuǎn)高于這一指標(biāo)，若通過(guò)增加燈具數(shù)量去改變教室的均勻度必將帶來(lái)一定的能源浪費(fèi)。另外孔益平等在提出優(yōu)化方案時(shí)也經(jīng)過(guò)研究表明增加燈具的功率對(duì)照度均勻度的改善并不大，并且增加燈具的功率必定存在與上述相同的問(wèn)題。因此可以得出結(jié)論：針對(duì)階梯教室，孔益平等的優(yōu)化方案雖然可以使得各個(gè)工作面上的照度均勻度有所提高，但是仍然不能使得各個(gè)工作面上的照度均勻度滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。教室里安裝的燈具普遍大都采用市場(chǎng)上通用的，較少根據(jù)具體教室的不同設(shè)計(jì)需求來(lái)進(jìn)行專門(mén)的燈具配光及照明設(shè)計(jì)[9]。因此為了進(jìn)一步改善階梯教室的照度均勻度需要選用性能更為優(yōu)良的燈具對(duì)傳統(tǒng)格柵燈具進(jìn)行替換。

2 優(yōu)化方案

面板燈由于其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，光經(jīng)過(guò)高透光率的導(dǎo)光板后形成一種均勻的平面發(fā)光效果，照度均勻性好、光線柔和、舒適而不失明亮，可緩解眼疲勞[10]。近年來(lái)面板燈廣泛的應(yīng)用于辦公場(chǎng)所，或者商業(yè)會(huì)所，隨著其制作工藝的逐漸成熟，成本的逐漸下降，面板燈必將走進(jìn)教室用于為教室提供更加優(yōu)質(zhì)的照明環(huán)境。因此可以選擇用面板燈替換原有的格柵燈具已達(dá)到優(yōu)化階梯教室的照度均勻度的目的。

2.1 分析并提出優(yōu)化方案

選用面板燈替換格柵燈具，保持燈具數(shù)量不變，選用三雄極光PAK161010 PAK-B01-318-GM型面板燈替換原有的格柵燈具，燈具參數(shù)見(jiàn)圖5。上文已根據(jù)孔等的優(yōu)化方案獲得了采用格柵燈具獲得照度均勻度最佳值時(shí)的燈位，因此為了減少變量簡(jiǎn)化研究過(guò)程直接在這個(gè)最佳燈位上對(duì)原有的格柵燈具進(jìn)行替換，通過(guò)Dialux模擬計(jì)算并輸出計(jì)算結(jié)果如表3所示，輸出偽色圖如圖6所示。從表3中我們看到各個(gè)工作面上的均勻度基本上均達(dá)到了0.7，但是平均照度均低于300lx，其中1到4工作面上的照度在允許偏差10%的范圍內(nèi)，但是5、6工作面上的平均照度沒(méi)有達(dá)到這個(gè)指標(biāo)，為此有以下兩種改善的方案：方案一：每一列增加一個(gè)燈具；方案二：改變布燈方式，范士娟等[11]通過(guò)對(duì)隧道照明中不同的布燈方式的照明效果進(jìn)行研究后表明相比對(duì)稱分布采用交錯(cuò)分布后工作面上將獲得更大的平均照度并且照度均勻度基本不變，這一點(diǎn)同樣適用于教室的照明，但不同的是范士娟等研究的受照面是一部分路段，而在本文中需要考慮整個(gè)空間內(nèi)各個(gè)受照面上的照明效果，因此如果全部燈具均采用交錯(cuò)分布必將使得教室4個(gè)角的照度值不夠，因此需要在采用交叉分布的基礎(chǔ)上在四個(gè)角增添4個(gè)燈具。用dialux對(duì)兩種方案進(jìn)行仿真模擬，輸出計(jì)算結(jié)果分別如表4和表5所示，偽色圖如圖7和圖8所示。

圖5 所選面板燈的參數(shù)及其配光曲線Fig.5 The panel lights’parameters and distribution curve flux表3 將燈具替換為面板燈后各個(gè)工作面上的計(jì)算結(jié)果Table 3 The simulation result after using panel lights

編號(hào)名稱平均照度/lx最小照度/lx最大照度/lx最小照度/平均照度最小照度/最大照度1工作面12922513200.8610.7842工作面22982543320.8530.7673工作面33002563390.8530.7564工作面42962463440.8330.7165工作面52651993310.7510.6016工作面62581823050.7040.596

表4 根據(jù)方案一優(yōu)化后各個(gè)工作面上的計(jì)算結(jié)果Table 4 The simulation result of the first scheme

表5 根據(jù)方案二優(yōu)化后各個(gè)工作面上的計(jì)算結(jié)果Table 5 The simulation result of the second scheme

圖6 替換為面板燈后的階梯教室照明偽色圖Fig.6 The optimized lighting effect of the steps classroom after using panel lights

圖7 根據(jù)方案一優(yōu)化后的階梯教室照明效果偽色圖Fig.7 The optimized lighting effect of the steps classroom according to the first scheme

圖8 根據(jù)方案二優(yōu)化后的階梯教室照明效果偽色圖Fig.8 The optimized lighting effect of the steps classroom according to the second scheme

2.2 對(duì)兩種優(yōu)化方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析

對(duì)比表3和表4，采取方案一進(jìn)行優(yōu)化后，工作面5上的平均照度提高了14%，達(dá)到了滿足要求的301lx；工作面6上的平均照度提高了17%達(dá)到了滿足要求的303lx；對(duì)比表1與表4，采用方案一進(jìn)行優(yōu)化后，4～6工作面上的照度均勻度相比原來(lái)提高了23%、44%、54%，使得4～6工作面上的照度均勻度達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.7 。

對(duì)比表3與表5，采取方案二進(jìn)行優(yōu)化后，工作面5上的平均照度提高了12%，達(dá)到296lx,工作面6上的平均照度提高了7%,平均照度達(dá)到275，方案二優(yōu)化后，5、6工作面的平均照度雖然依舊低于300lx，但是相比原來(lái)有了較大的提升且使得滿足10%偏差，因此符合國(guó)家要求；對(duì)比表1與表5， 采用方案二進(jìn)行優(yōu)化后，4～6工作面上的照度均勻度相比原來(lái)提高了22%、43%、52%，使得4～6工作面上的照度均勻度達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的0.7。

由此可以看出兩個(gè)優(yōu)化方案均可以使得在各工作面的平均照度滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上使得照度均勻度提高到符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

2.3 功耗對(duì)比

假設(shè)全年平均每天階梯教室內(nèi)安裝的燈具需要工作8個(gè)小時(shí)，且默認(rèn)每個(gè)燈具全年均可正常工作。經(jīng)過(guò)計(jì)算：

該大學(xué)教室現(xiàn)在采用24個(gè)T8格柵燈具按照6行4列進(jìn)行布燈，全年共耗電：72×24×365×8=5045760(千瓦時(shí))。替換為面板燈并采用優(yōu)化方案一進(jìn)行照明，此時(shí)有28個(gè)54W面板燈，全年共耗電：54×28×365×8=4415040(千瓦時(shí))。替換為面板燈并采用優(yōu)化方案二進(jìn)行照明，此時(shí)有26個(gè)54W面板燈，全年共耗電：54×26×365×8=4099680(千瓦時(shí))。

由此可見(jiàn)采用方案一全年可使每個(gè)教室照明用電量下降12.5%；采用方案二可使教室照明用電量下降19%。優(yōu)化后不僅極大地改善了教室內(nèi)的照明環(huán)境而且還達(dá)到了節(jié)約能源的效果。

3 結(jié)論

本文在采用孔益平等提出的優(yōu)化方案對(duì)大學(xué)階梯教室的照明環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化時(shí),發(fā)現(xiàn)雖然孔益平等提出的優(yōu)化方案有助于提高教室內(nèi)各個(gè)工作面上的照度均勻度，但是依然無(wú)法使得教室內(nèi)的各工作面上的照度均勻度達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的0.7，因此為了進(jìn)一步優(yōu)化大學(xué)階梯教室的照明環(huán)境以使其照度均勻度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，本文借助燈光照明設(shè)計(jì)和模擬軟件Dialux在孔益平等研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的格柵燈具很難使得階梯教室內(nèi)各工作面同時(shí)獲得滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的照度均勻度，因此本文提出了通過(guò)將格柵燈具更換為面板燈來(lái)提高階梯教室照度均勻度的方案。

進(jìn)一步為使得階梯教室在獲得符合標(biāo)準(zhǔn)的照度均勻度的同時(shí)其平均照度也符合標(biāo)準(zhǔn)，本文提出了通過(guò)增補(bǔ)燈具和改變布燈方式的兩個(gè)優(yōu)化方案，通過(guò)Dialux軟件的模擬結(jié)果，兩個(gè)方案均使得各工作面上的照度均勻度達(dá)到了0.7的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并且使得平均照度滿足300lx±10%的標(biāo)準(zhǔn)。并且在對(duì)比功耗后發(fā)現(xiàn)方案一全年可使每個(gè)教室照明用電量下降12.5%；方案二可使教室照明用電量下降19%，優(yōu)化后不僅極大地改善了教室內(nèi)的照明環(huán)境而且還達(dá)到了節(jié)約能源的效果，為對(duì)環(huán)境更加友好的照明方案。

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Green Lighting 2015(北京)國(guó)際智能照明及其標(biāo)準(zhǔn)化研討會(huì)通知

在過(guò)去的幾年中，世界見(jiàn)證了半導(dǎo)體照明的快速發(fā)展。為了更好地發(fā)揮半導(dǎo)體照明的優(yōu)勢(shì)，滿足應(yīng)用需求，促進(jìn)半導(dǎo)體照明的廣泛應(yīng)用，2012年11月ISO新成立TC274(光與照明)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)。ISO/TC274與國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)在應(yīng)用領(lǐng)域照明的標(biāo)準(zhǔn)化形成互補(bǔ)。國(guó)際組織ISO/TC274第三次全體工作會(huì)議將于2015年4月21日在北京舉行。

聯(lián)合國(guó)大會(huì)已宣布2015年為國(guó)際光年，希望以此紀(jì)念千年來(lái)人類在光領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展、解決能源、教育、農(nóng)業(yè)和衛(wèi)生等世界性問(wèn)題的光技術(shù)的重要性。為了迎接2015年國(guó)際光年的到來(lái)，中國(guó)照明學(xué)會(huì)、國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟將于2015年4月22日舉辦“Green Lighting 2015(北京)國(guó)際智能照明及其標(biāo)準(zhǔn)化研討會(huì)”。屆時(shí)參加TC274標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)議的國(guó)際專家將出席研討會(huì)，并發(fā)表演講。

研討會(huì)以健康的光環(huán)境為核心關(guān)注點(diǎn)，集中探討智能照明的標(biāo)準(zhǔn)化、照明設(shè)計(jì)、創(chuàng)新應(yīng)用等焦點(diǎn)話題。本次會(huì)議由中國(guó)照明學(xué)會(huì)、國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(CSA)主辦。

本次會(huì)議聯(lián)系方式：

1.中國(guó)照明學(xué)會(huì) 聯(lián)絡(luò)咨詢：高飛 電話：86-10-65830997

2.國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(CSA) 聯(lián)絡(luò)：李輝，狄留成，于海春 電話：86-10-82382880/7380/6080

3.雅式展覽服務(wù)有限公司 聯(lián)絡(luò)咨詢：武京京 電話：86-10-51293366轉(zhuǎn)835

Analysis and Optimization for the Uniformity of Illumination in the University’s Steps Classroom

Ma Bingxu1, Wen Shangsheng1,2, Chen Yingcong1,2

(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China；2.StateKeyLaboratoryofLuminescenceMaterialsandDevices,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

This paper aims to improve classroom lighting environment and solve the problem that some indicators of the lighting environment do not meet the national standards. Light designing and simulation software DIAlux is used to simulate a lighting environment which is more suitable for learning and more energy efficient by changing the grille lamp panel to panel lights, and changing the lamps’ array methods and the number of lamps. The simulation results show that the proposed lighting system can not only meet the national standards of school classroom lighting but also effectively save energy by optimization, compared to the current lighting system. Assuming the lamps work 8 hours a day throughout the year, the electricity consumption will drop by 19%. It not only greatly improves the classroom lighting environment but also achieves the effect of saving energy, which hopefully contributes to the practice of energy saving and improving the ladder classroom’s lighting environment.

steps classroom; uniformity of illumination;average illumination; Dialux; panel lights

廣東省科技廳重大科技專項(xiàng)(2011A080801016)，廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)(2011A081301017,2012A080304012,2012A080304001)，廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013J4300021)

文尚勝，E-mail：shshwen@scut.edu.cn

TM923.01

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.013