多媒體教室的天然采光優(yōu)化分析研究

袁景玉，任 全，關(guān)高慶

(河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津 300402)

多媒體教室的天然采光優(yōu)化分析研究

袁景玉，任 全，關(guān)高慶

(河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津 300402)

近年來(lái)多媒體教學(xué)形式逐漸成為學(xué)校教學(xué)的主要方式，但是大多數(shù)的多媒體教室基本上都是在原來(lái)普通教室的基礎(chǔ)上，添加的多媒體設(shè)備，并沒(méi)有考慮這樣改裝后的多媒體教室天然采光是否滿足師生的需求。通過(guò)對(duì)天津地區(qū)高校多媒體教室進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)多媒體教室存在的天然采光問(wèn)題，對(duì)其天然采光現(xiàn)狀進(jìn)行實(shí)測(cè)，并利用Radiance軟件模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證Radiance模擬可以對(duì)多媒體教室天然采光進(jìn)行優(yōu)化分析，以期提出多媒體教室的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，改善其天然采光現(xiàn)狀，對(duì)多媒體教室天然采光設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

多媒體教室； 自然采光； Radiance模擬分析； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

在當(dāng)今的社會(huì)之中，無(wú)論是高等院校, 還是中小學(xué)校, 多媒體教學(xué)都是教學(xué)改革的熱門(mén)話題, 多媒體教學(xué)突破了原有傳統(tǒng)的教學(xué)模式，可以給學(xué)生提供豐富多彩的圖、文、聲、像等信息, 使教學(xué)達(dá)到形象化的目的[1-2]。但眾所周知，現(xiàn)在的多媒體教室大都是把原來(lái)的普通教室，裝配上了多媒體設(shè)備，改裝成了多媒體教室，然而這樣的多媒體教室天然采光并不理想，存在著一定的問(wèn)題。在多媒體教學(xué)過(guò)程中，天然采光既要滿足桌面閱讀、書(shū)寫(xiě)、筆記等傳統(tǒng)的使用要求, 而且要保證黑板和多媒體屏幕的清晰度[3-4]。為了滿足多媒體教室天然采光的要求，通過(guò)對(duì)天津地區(qū)高校多媒體教室天然采光現(xiàn)狀的調(diào)研，總結(jié)其現(xiàn)存問(wèn)題，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與Radiance模擬進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證Radiance模擬可以對(duì)多媒體教室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并利用Radiance模擬從建筑平面和技術(shù)的角度對(duì)多媒體教室的天然采光提出設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在此基礎(chǔ)之上，試圖對(duì)教學(xué)建筑的組團(tuán)提出一種優(yōu)化設(shè)想，改善現(xiàn)在多媒體教室存在的天然采光問(wèn)題，并對(duì)其天然采光的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

1 天津地區(qū)多媒體教室調(diào)研

1.1 多媒體教室天然采光現(xiàn)存問(wèn)題

通過(guò)對(duì)天津工業(yè)大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)和天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院教學(xué)樓進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，如表1所示，得出現(xiàn)有多媒體教室中存在的問(wèn)題主要有：

1)天然采光良好的白天多媒體教室內(nèi)的電燈全部打開(kāi)，使得天然光不能充分被利用，造成了能源的浪費(fèi)；

2)由于對(duì)自然光缺乏控制，太陽(yáng)光線強(qiáng)時(shí)室內(nèi)容易出現(xiàn)眩光，造成多媒體教室內(nèi)局部過(guò)亮的現(xiàn)象；

3)為了解決眩光，多數(shù)教室都采用遮陽(yáng)窗簾等被動(dòng)措施，使得桌面照度低，影響多媒體教室整體室內(nèi)照度均勻度，降低了視覺(jué)舒適度；

4)遮陽(yáng)窗簾的使用使得黑板區(qū)內(nèi)的多媒體屏幕的照度值偏低，影響多媒體教室黑板區(qū)和多媒體屏幕的照度均勻度。

表1 多媒體教室自然采光調(diào)研照片總結(jié)

由上可見(jiàn)，這些問(wèn)題都是不利于多媒體教學(xué)的重要因素，并會(huì)對(duì)師生的心理及生理健康等都帶來(lái)不利的影響，同時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的建筑能耗[5-6]。

1.2 多媒體教室類型調(diào)研統(tǒng)計(jì)

依據(jù)教室功能和教室容量、面積等調(diào)研數(shù)據(jù)可以將現(xiàn)有教室分為：普通教室、普通多媒體教室、階梯多媒體教室三類[7]，依次對(duì)河北工業(yè)大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、天津大學(xué)仁愛(ài)學(xué)院四所高校教室類型的統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 天津地區(qū)幾所高校教學(xué)樓多媒體教室統(tǒng)計(jì)

觀察表格可以發(fā)現(xiàn)普通多媒體教室所占比重最多，說(shuō)明普通多媒體教室具有一定的實(shí)用性研究?jī)r(jià)值，以下的實(shí)測(cè)和模擬都以普通多媒體教室作為主要研究對(duì)象。

2 多媒體教室天然采光的實(shí)測(cè)

2.1 測(cè)試地點(diǎn)

測(cè)試地點(diǎn)為天津市北辰區(qū)河北工業(yè)大學(xué)教學(xué)樓D區(qū)304多媒體教室。由于三層既受周圍環(huán)境的影響，受室外直射光的影響也較大，所以作為中間樓層的三樓的采光情況是最為復(fù)雜的，研究也更有價(jià)值。304多媒體教室的尺寸為(長(zhǎng)×寬×高)13.2 m×9 m×3.8 m，自然采光形式采用側(cè)窗采光，南向墻體設(shè)置3組平開(kāi)窗。

2.2 測(cè)試儀器

1)照度計(jì)：照度計(jì)的型號(hào)為T(mén)ES-1335。

2)鋼卷尺：鋼卷尺的最大量程為10 m，其測(cè)量精度為0.01 m。

2.3 測(cè)試內(nèi)容

選取春分日晴朗天空條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間是從9：00—16：00，整點(diǎn)測(cè)量多媒體教室內(nèi)桌面區(qū)和黑板區(qū)在各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的照度值，照度測(cè)試點(diǎn)的布置[8]，如圖1和圖2所示。

圖1 桌面區(qū)的照度測(cè)試選取點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of illuminance test in the desktop area

圖2 黑板區(qū)的照度測(cè)試選取點(diǎn)分布圖Fig.2 The blackboard area of the intensity of the test selection point distribution

2.4 測(cè)試結(jié)果

在春分日晴朗天空條件下多媒體教室內(nèi)不同測(cè)試點(diǎn)的桌面區(qū)照度值分布曲線，如圖3所示，以及黑板區(qū)照度值分布曲線，如圖4所示。

圖3 春分日晴天桌區(qū)面照度值分布曲線Fig.3 The equinox sunny table area illuminance distribution curve

圖4 春分日晴天黑板區(qū)照度值分布曲線Fig.4 The equinox sunny area blackboard illumination value distribution curve

對(duì)晴天天空條件下的多媒體教室內(nèi)桌面區(qū)、黑板區(qū)的照度水平分別進(jìn)行了測(cè)試并進(jìn)行了分析，得出以下幾方面關(guān)于多媒體教室的天然采光特點(diǎn)規(guī)律：

1)在9：00—12：00之間，桌面區(qū)與黑板區(qū)的照度值普遍處于一個(gè)較高水平；

2)當(dāng)13：00以后，桌面區(qū)與黑板區(qū)的照度值開(kāi)始出現(xiàn)較大幅度的下降；

3)當(dāng)15：00以后，桌面區(qū)與黑板區(qū)的照度值均下降到一個(gè)較低的水平；

4)整體教室桌面與黑板區(qū)的照度值分布呈現(xiàn)隨著與窗口距離增大而減小的規(guī)律。

3 多媒體教室天然采光的模擬分析

3.1 模擬結(jié)果

3.1.1 桌面區(qū)照度分布模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)Radiance模擬計(jì)算后得出桌面區(qū)照度值，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出如下對(duì)比分析曲線圖，如圖5所示。

3.1.2 黑板區(qū)照度分布模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)Radiance模擬計(jì)算后得出黑板區(qū)照度值，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出如下對(duì)比分析曲線圖，如圖6所示。

圖5 桌面區(qū)模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線圖Fig.5 Comparison of simulated data and measured data in the desktop area

圖6 黑板區(qū)模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線圖Fig.6 Comparison of the simulated data and the measured data in the blackboard area

3.2 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)將Radiance模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析得到，無(wú)論是桌面區(qū)還是黑板區(qū)模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比得出兩者的變化趨勢(shì)一致：

1)桌面區(qū)：靠近窗口的桌面測(cè)試點(diǎn)的照度值比遠(yuǎn)離窗口的桌面測(cè)試點(diǎn)的照度值大，而且教室整個(gè)桌面區(qū)出現(xiàn)最大照度值和最小照度值的位置是一樣的。

2)黑板區(qū)：隨著與南側(cè)窗口距離的增加各表面點(diǎn)的照度值逐漸減少的趨勢(shì)，照度值變化與實(shí)測(cè)差距也在誤差允許范圍內(nèi)。

通過(guò)模型的建立，參數(shù)的設(shè)置，最終得到模擬結(jié)果，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了Radiance模擬軟件對(duì)多媒體教室天然采光現(xiàn)狀分析的可靠性，為接下來(lái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供思路與方法。

4 多媒體教室天然采光優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

4.1 多媒體教室平面優(yōu)化設(shè)計(jì)

從建筑平面的角度，通過(guò)改變多媒體教室平面形狀進(jìn)行Radiance模擬，分析不同平面情況下多媒體教室桌面區(qū)和黑板區(qū)的天然采光狀況，由于多媒體的教室均為側(cè)窗采光，大面積開(kāi)窗使室外光線投射到黑板區(qū)上，降低了多媒體教室內(nèi)黑板區(qū)的清晰度，因此，針對(duì)建筑平面改變的優(yōu)化設(shè)計(jì)，就主要是對(duì)多媒體教室的南側(cè)墻體形狀的變化進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)多種優(yōu)化方案的模擬對(duì)比，同時(shí)保證多媒體教室基本功能要求，對(duì)多媒體儀器、采光口的設(shè)置進(jìn)行了一定的設(shè)計(jì)，考慮采光口應(yīng)使桌面照度達(dá)到要求，而多媒體屏幕與之形成照度對(duì)比，來(lái)改善多媒體教室內(nèi)的照度分布狀況。通過(guò)大量反復(fù)模擬多媒體教室平面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最終確定一種將南側(cè)墻體旋轉(zhuǎn)45°的平面形式，如圖7所示，優(yōu)化后的多媒體教室內(nèi)天然采光狀況經(jīng)過(guò)模擬更有利于多媒體教學(xué)，基本滿足了多媒體教室的天然采光需求。

4.2 采光口反光板優(yōu)化設(shè)計(jì)

從建筑技術(shù)的角度，對(duì)多媒體教室內(nèi)的采光口增設(shè)反光板，同時(shí)將窗臺(tái)高度降低，解決多媒體教室內(nèi)天然采光的分布不均勻、平均采光系數(shù)過(guò)小以及潛在的不舒適眩光問(wèn)題。通過(guò)利用Radiance模擬，反復(fù)模擬了幾種不同的采光口反光板的形式，得到了多媒體教室內(nèi)采光口反光板的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，當(dāng)設(shè)置一組內(nèi)置水平+一組外置水平+一組外置豎向長(zhǎng)反光板+兩組內(nèi)置豎向長(zhǎng)反光板的形式時(shí)，使多媒體教室的天然采光狀況基本上都達(dá)到了天然采光要求，結(jié)合多媒體教室平面優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最終得出了多媒體教室的優(yōu)化方案，如圖8所示。

4.3 優(yōu)化模擬對(duì)比分析

將原來(lái)河北工業(yè)大學(xué)D-304多媒體教室與優(yōu)化后的多媒體教室進(jìn)行Radiance模擬對(duì)比，模擬時(shí)間設(shè)定在4月30日9：00，天空狀態(tài)是晴天的狀態(tài)，分別從桌面區(qū)的照度分布如圖9所示，黑板區(qū)的照度分布如圖10所示，多媒體教室室內(nèi)三維分布圖如圖11、圖12所示，三個(gè)方面進(jìn)行Radiance模擬對(duì)比分析。

圖7 多媒體教室優(yōu)化方案平面圖Fig.7 Multimedia classroom optimization plan

圖8 多媒體教室優(yōu)化方案效果圖Fig.8 Effect of multimedia classroom

通過(guò)模擬對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案中的桌面區(qū)照度要比原來(lái)的多媒體教室要高，而黑板區(qū)的照度卻低得多，在多媒體教室三維分布圖的對(duì)比中，更能夠直觀的得出優(yōu)化后的多媒體教室更有利于多媒體教學(xué)的進(jìn)行，更滿足師生對(duì)多媒體教室天然采光的需求。

圖9 D-304多媒體教室與優(yōu)化方案桌面區(qū)照度分布曲線圖對(duì)比Fig.9 D-304 multimedia classroom and optimization program desktop area illumination distribution contrast

圖12 D-304多媒體教室與優(yōu)化方案多媒體教室(后)三維分布圖對(duì)比Fig.12 D-304 multimedia classroom and the optimization of multimedia classroom (after) three dimensional distribution comparison

4.4 優(yōu)化方案

通過(guò)對(duì)建筑平面和采光口反光板的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得出多媒體教室天然采光的設(shè)計(jì)方案，再由優(yōu)化后的多媒體教室設(shè)計(jì)方案構(gòu)成建筑組團(tuán)，如圖13所示，對(duì)教學(xué)建筑設(shè)計(jì)中的多媒體教室天然采光設(shè)計(jì)具有可參考性和指導(dǎo)意義。

圖13 多媒體教室構(gòu)成的建筑組團(tuán)樣圖Fig.13 Multimedia classroom building tour map

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于天津地區(qū)高校對(duì)多媒體教室的天然采光現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)多媒體教室現(xiàn)存的采光問(wèn)題，并以河北工業(yè)大學(xué)教學(xué)樓多媒體教室為例進(jìn)行了實(shí)測(cè)，了解多媒體教室的天然采光現(xiàn)狀，對(duì)其進(jìn)行Radiance模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證Radiance模擬可以對(duì)多媒體教室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供了對(duì)多媒體教室天然采光的研究方法。通過(guò)對(duì)多媒體教室的平面和采光口反光板設(shè)置進(jìn)行了大量的Radiance模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，經(jīng)過(guò)與現(xiàn)有多媒體教室天然采光進(jìn)行Radiance模擬對(duì)比，我們最終提出了將多媒體教室南側(cè)墻體旋轉(zhuǎn)45°的平面形式和設(shè)置一組內(nèi)置水平+一組外置水平+一組外置豎向長(zhǎng)反光板+兩組內(nèi)置豎向長(zhǎng)反光板的形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并以優(yōu)化方案為基礎(chǔ)，對(duì)教學(xué)建筑組團(tuán)提出了設(shè)想，對(duì)改善多媒體教室天然采光進(jìn)行了初步的探索研究。但是在對(duì)多媒體教室天然采光影響因素的設(shè)定上，并沒(méi)有考慮多媒體教室內(nèi)不同材質(zhì)、梁柱、窗形式等建筑構(gòu)件對(duì)于多媒體教室天然采光的影響，因此，對(duì)于多媒體教室天然采光的研究還需不斷深入。

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Optimization Analysis of Natural Lighting in Multimedia Classroom

YUAN Jingyu， REN Quan， GUAN Gaoqing

(School of Architecture and Art Design，Hebei University of Technology， Tianjin 300402, China)

In recent years, multimedia teaching has gradually become the main mode of teaching in colleges and universities, but most of the multimedia classrooms basically were built upon the original ordinary classroom, by simply adding multimedia equipments, without considering whether its daylighting meets the needs of teachers and students. Through the research of Tianjin University multimedia classroom, the article summarizes existing multimedia classroom problems of natural lighting. The natural daylight conditions were measured, and the measured data was compared with the simulation data by the Radiance software to verify the Radiance simulation can be applied for optimization of multimedia classroom daylighting. The purpose is to put forward optimization scheme of multimedia classroom, improve the natural daylight condition and provide some guidance for the natural lighting design in the multimedia classroom.

multimedia classroom; natural lighting; radiance simulation analysis; optimization design

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.009