智能控制在教室健康照明中的應(yīng)用

何 偉

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院；山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400045)

建設(shè)健康人居環(huán)境是“健康中國”發(fā)展戰(zhàn)略的主要任務(wù)之一，“以人為本”的光環(huán)境是建筑室內(nèi)環(huán)境的重要內(nèi)容，因此，健康照明成為室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量評價的重要內(nèi)容之一。建筑空間的照明可以影響空間的光照環(huán)境和其他物理特性，對于使用者來說，并不只是影響視覺功效，還在非視覺效應(yīng)方面有非常重要的作用，如調(diào)節(jié)生理節(jié)律、影響警覺性和心理情緒。教室作為學(xué)習(xí)的場所，學(xué)生每天很長時間在教室度過，教室空間的物理環(huán)境，包括聲音、熱舒適、光、通風等與學(xué)生的身體健康密切相關(guān)，其中光照是最重要的因素之一。一方面，照明對學(xué)生眼部健康有重要影響，相關(guān)規(guī)范和標準對照度、均勻度、顯色性、眩光、閃爍等照明指標有嚴格限制，通過多方面綜合考量保證教室空間的照明質(zhì)量。另一方面，教室光環(huán)境參數(shù)，包括照度、光譜分布、照明時間等，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、腦力工作能力和其他生理活動有重要的影響。健康的教室照明對保障學(xué)生視力健康和提高學(xué)習(xí)效率有重要意義。

LED照明光源越來越多地應(yīng)用于建筑空間的照明。與傳統(tǒng)照明光源相比，LED光源具有可控制、壽命長、啟動快、體積小等特點，這對于健康照明的動態(tài)控制和多樣化應(yīng)用具有重要意義。通過智能控制和LED光源的應(yīng)用，根據(jù)不同需求對建筑環(huán)境的光照進行調(diào)節(jié)控制，不僅可以提高教室空間的光照質(zhì)量，建立符合學(xué)生視覺健康的照明環(huán)境，還可以打造符合情緒和生理節(jié)律的健康照明空間，為光照環(huán)境的設(shè)計和使用提供更多可能。基于現(xiàn)行教室照明相關(guān)標準和健康照明要求，探討智能控制技術(shù)在教室健康照明中的應(yīng)用。

1 教室光照環(huán)境

教室空間內(nèi)影響學(xué)生視覺功能的因素包括照度、亮度、眩光、顏色、頻閃、亮度對比以及識別對象的特征等，不舒適的光照環(huán)境可能造成學(xué)生視力不良，誘發(fā)學(xué)生近視或加重近視程度。學(xué)生在長時間高度集中精神的狀態(tài)下近距離注視目標物，容易用眼過度，出現(xiàn)眼睛酸疼、腫脹、干澀等癥狀，并可能引起學(xué)生厭煩、注意力不集中、頭暈、效率低下等不良反應(yīng)，進而影響教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，因此，教室光環(huán)境質(zhì)量是影響學(xué)生視力和學(xué)習(xí)效率的重要因素。

普通教室光照環(huán)境受天然光、人工照明、教學(xué)顯示終端以及其他反射光的影響[1]。人眼生理功能根據(jù)環(huán)境光亮度的不同而變化。人眼的視覺舒適度是指觀看顯示屏幕時人的主觀舒適感受，具體表現(xiàn)在觀看屏幕一定時間后學(xué)生眼睛的疲勞程度、眨眼頻率、視力狀況等。教室光環(huán)境對人眼視覺舒適度有明顯影響，并影響視力健康。視覺舒適度評價標準如表1所示。

表1 視覺舒適度評價標準

教室室內(nèi)光環(huán)境變化是引起學(xué)生視覺疲勞的重要因素，在教學(xué)過程中，影響學(xué)生視覺功能的因素主要有以下幾方面。

1)天然光的變化

目前學(xué)校的普通教室大多是單側(cè)采光，由于教室的寬度通常在8～10 m，在關(guān)閉人工照明的情況下，教室空間橫向上的照明均勻度很差，靠近采光窗的一側(cè)照度高，而教室大部分區(qū)域的照度較低。晴天和陰天室外天然光照度和色溫有很大差別，同時，室外天然光隨時在變化，但教室人工照明的參數(shù)通常恒定不變，因此，教室空間的光照環(huán)境也隨時在變化，增加了教室照度數(shù)值的波動，容易導(dǎo)致學(xué)生的視覺疲勞。天然光直接照射在桌面上時，照度過高也會導(dǎo)致視疲勞的增加，天然光照射在黑板或顯示屏幕上還會形成反射眩光，導(dǎo)致看不清楚黑板或屏幕，影響視覺功效。

2)屏幕亮度變化

隨著信息化教學(xué)改革的推進，電子黑板、交互式電子白板等多媒體載體成為主要的教學(xué)設(shè)備，其自主發(fā)光特性與傳統(tǒng)黑板或投影屏幕不同。教學(xué)課件在演示過程中，圖片背景、動畫等內(nèi)容亮度的變化會對學(xué)生眼睛造成視覺刺激，為適應(yīng)屏幕不同的光環(huán)境，頻繁進行明暗狀態(tài)轉(zhuǎn)換會造成人眼視覺跳動和視覺刺激，形成視覺疲勞。

3)屏幕與背景亮度對比變化

顯示屏幕的亮度比投影屏幕和黑板教學(xué)的反射光亮度更高，人眼對屏幕圖像的對比度要求較高，圖像對比度太低，學(xué)生無法看清內(nèi)容，特別是顯示彩色圖像內(nèi)容時，人眼對屏幕對比度要求更高。在多媒體教學(xué)中，天然光、人工照明和教室背景的反射光對投影屏幕的光環(huán)境亮度有直接影響。傳統(tǒng)教室照明通常采用關(guān)閉或開啟教室照明來調(diào)節(jié)屏幕與背景的亮度對比，使學(xué)生獲得更好的視覺效果。但降低教室環(huán)境照度不僅影響學(xué)生做筆記和閱讀，長時間在這樣的光環(huán)境下人眼容易產(chǎn)生疲勞，影響視力健康。學(xué)生高度集中注視投影屏幕，時間久了易產(chǎn)生視覺疲勞。當拉開教室窗簾，打開教室照明時，人眼在短時間難以適應(yīng)教室光環(huán)境的變化，不同環(huán)境亮度的劇烈變化容易造成人眼視覺疲勞和視覺刺激。

教室空間天然光和顯示屏幕的光隨時在變化，但人工照明的參數(shù)始終恒定不變，造成教室空間不同區(qū)域的照度值有很大差別，影響學(xué)生視覺舒適性，增加眼部疲勞。

2 教室照明的控制要求

近年來，關(guān)于教室照明質(zhì)量要求的規(guī)范和標準密集出臺，明確提出智能控制教室空間照明，打造適于教室光照環(huán)境特點的照明控制系統(tǒng)，如表2所示。

表2 部分標準對教室照明控制的要求

《中小學(xué)普通教室照明設(shè)計安裝衛(wèi)生要求》(GB 36876—2018)[2]規(guī)定，中小學(xué)校教室空間的照明在不同氣象條件時，宜隨室外天然光變化調(diào)節(jié)不同區(qū)域的照明、照度。

中國照明學(xué)會近期發(fā)布的《中小學(xué)教室健康照明設(shè)計標準》提出，在天然光充分的情況下，根據(jù)不同場景需求采用調(diào)光控制對人工照明進行調(diào)節(jié)控制。

四川省地方標準《中小學(xué)健康教室建設(shè)規(guī)范》(DB 51/T 1956—2015)提出，有條件的教室，按該教室照度要求，結(jié)合天然采光自動開關(guān)燈及選用智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)光。

上海市地方標準《中小學(xué)校及幼兒園教室照明設(shè)計規(guī)范》(DB 31T539—2020)也要求有條件的場所宜結(jié)合天然采光選用智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)光。

中國建筑學(xué)會發(fā)布的《健康建筑評價標準》(T/ASC 02—2016)[3]是目前比較完善的民用建筑健康性能標準，該標準第6節(jié)對光照控制的應(yīng)用進行評分，在《建筑采光設(shè)計標準》《建筑照明設(shè)計標準》等現(xiàn)行標準的基礎(chǔ)上，對充分利用天然光、日間和夜間生理等效照度、照射時數(shù)，以及照明控制的調(diào)節(jié)照度和色溫分別進行評分。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和綠色照明、健康照明意識的提高，教室的照明水平有待進一步改善。

深圳市發(fā)布的《室內(nèi)健康照明設(shè)計規(guī)范 第5部分：教室照明》(T/ LSA 024.5—2019)，基于全光譜LED和智能照明控制技術(shù)，根據(jù)教室空間不同場景的照明需求，通過LED光源和智能控制提升光照質(zhì)量，打造健康教室光環(huán)境。

3 結(jié)論

視覺疲勞及視覺舒適度是教室光照環(huán)境研究的重要內(nèi)容，信息化教學(xué)中，教室光照環(huán)境與普通教室和投影多媒體教室有很大差別，教室光環(huán)境受天然光、人工照明和顯示屏幕的影響，顯示屏幕光的變化、屏幕對比度的變化以及天然光變化，都是造成學(xué)生視覺疲勞的原因。教室人工照明需結(jié)合天然光、顯示屏幕光進行動態(tài)化控制，提供穩(wěn)定、均勻和適宜的光照環(huán)境。結(jié)合天然光和顯示屏幕光照變化，對教室人工照明智能控制要求作分析和討論，根據(jù)不同教學(xué)場景，應(yīng)用傳感技術(shù)和智能控制技術(shù)提升教室光照質(zhì)量，減少學(xué)生視覺疲勞，同時，通過智能控制實現(xiàn)教室空間照明的動態(tài)變化，符合健康光照的需求。