基于DIALux Evo仿真分析的中小学教室照明设计

曾 平，洪芸芸，张丽娟

(1.中节能晶和照明有限公司，江西 南昌 330096；2.江西省晶合光电有限公司，江西 南昌 330096)

引言

教室是学生学习环境中最重要的场所之一，照明质量的好坏直接影响到学生的身体健康[1]。由于教室自身采光不佳，或学校有时为节约照明而不开灯或者少开灯，因此教室照明出现了不达标的现象，而学生在近距离注视的条件下极易产生视力疲劳，对学生的视力带来不利的影响[2-4]。近年来，我国学生视力不良率持续攀升并呈低龄化趋势[5-7]。据《2014年全国学生体质与健康调研结果》显示，我国大学生的视力不良率竟高达86.36%，而学生视力不良与教室照明环境有很大关系[8]。北京市《中小学生体质健康状况调研报告》显示，超六成学生视力不良[9]。而教室照明质量对青少年的视力具有显著的影响，因此营造良好的教室舒适照明环境在照明工程设计中至关重要。

为解决以上问题，我们提出中小学教室舒适照明设计的一种方法，为学生提供一个高质量的教室照明环境，不仅可以更好地保护视力，减少视觉疲劳，还可以调动学生的上课热情，提升课堂教学的效率。

1 南昌市中小学教室照明现状的抽样调查

中小学教室照明主要用于满足课堂教学时教师与学生之间的交流，教师在讲台上看教案、观察学生举动、在黑板上书写内容，学生在课桌上看书、写作业、看黑板上的内容、注视教师的脸部等等的光环境需求，因此教室照明必须要满足国家有关教室照明的标准要求。

2016年我们联合南昌大学眼科医院对南师附小、南昌二十八中、南昌二中等中小学校教室照明做了抽样调查，发现大部分教室采用日光灯进行照明，我们使用照度计对教室的照度进行采集，结果如下：

1)绝大多数教室内均采用高色温荧光日光灯，照度低、显色指数低、光色偏冷，存在闪烁、眩光及光衰严重等问题。

2)根据对教室照度采集样本数据显示：目前绝大部分教室的照度在100～200 lx之间，远低于国家标准的300～500 lx。

3)学校开灯无规律，随意开关灯，不会因天气原因而做出调整。为满足节能要求，在晴天或阴天不开灯，不靠窗的课桌面照度达不到国家标准要求。或者为了达到照度要求，任何天气都开灯。

4)少部分学校采用了未取得中国强制性产品认证(3C)的LED灯管，照明情况未真正得到改善。

2 中小学教室照明设计的仿真分析

2.1 中小学教室照明的要求

中小学教室照明区域包括：

1)课桌面照明。普通教室课桌布置是规律性排列，教室照明通常包括课桌面照明和黑板垂直照明。照明设计采用在天花板上均匀布灯的照明方式，为确保学生集中注意力，桌面和黑板的亮度为最高。为减少眩光区和反射区，灯具宜纵向布置，并与黑板垂直。灯具布置在垂直黑板、课桌和通道上空，使课桌形成两侧面来光，照明效果更好。灯具安装高度对照明效果有一定影响，增加灯具安装高度，照度下降，减小安装高度，眩光增加，均匀度降低。普通教室灯具距地安装高度一般为2.5～2.9 m，灯具距课桌一般为1.7～2.1 m。

2)黑板照明。黑板是垂直地挂在墙上，教室内如果仅靠一般照明灯具，黑板面的垂直照度是不够的，必须要设置黑板专用灯具照明。对学生而言，黑板照明要求黑板不能产生反射眩光，学生容易看清黑板，黑板照明灯具的直射光不能射进学生眼中。对教师而言，教师上课时不感到眩光，且当教师在黑板上书写时不应感到光源的反射眩光。

中小学教室照明指标要求如下：

1)照度。根据GB 50034—2013《建筑照明设计标准》的规定，教室的参考面(课桌面)水平照度标准值要求为300 lx，黑板垂直照度为500 lx。考虑到照明设施在使用过程要受到污染，光源要衰减，在照明设计时，初始照度也应根据维护系数相应提高。

2)视觉舒适度。学生长时间待在学习环境中，视觉舒适性很重要。现使用统一眩光(UGR)作为不舒适眩光的评价指标，GB 50034—2013《建筑照明设计标准》的规定，教室照明UGR不能超过19。

3)照度均匀度。照度均匀度对视觉效能影响较大，均匀的照度分布可以避免眼睛的瞬时适应，有利于视觉功效，减轻视觉疲劳。根据GB 50034—2013《建筑照明设计标准》的规定，教室桌面的照度均匀度U0不低于0.6，黑板照度均匀度不低于0.7。根据CQC 3155—2016《中小学校及幼儿园教室照明产品节能认证技术规范》的规定，教室桌面的照度均匀度U0不低于0.7。

4)灯具性能。根据CQC 3155—2016《中小学校及幼儿园教室照明产品节能认证技术规范》的规定，普通教室照明光源显色指数不低于80，美术教室不低于90，无蓝光危害。灯具频闪要求为：①f≤10 Hz，波动深度限值为0.1%；②10 Hz3 125 Hz，波动深度免考核。

5)节能要求。照明节能采用一般照明的照明功率密度(LPD，其单位为W/m2)作为评价标准，根据CQC 3155—2016《中小学校及幼儿园教室照明产品节能认证技术规范》的规定，照明功率密度不超过8 W/m2。

根据上述照明指标要求，教室舒适照明相关要求如表1所示。

表1 教室舒适照明要求

2.2 仿真分析

照明设计以一间标准中小学普通教室为例，东经115°85′，北纬28°68′，坐北朝南，长9.3 m，宽6.3 m，天花板反射系数70%，四周墙面反射系数82.1%，地面反射系数22.4%。课桌高度0.72 m，长1.2 m，宽0.6 m，作为评估面使用。教室南北朝向，阳光射入面三开窗设计，人行走廊开高小窗设计，如图1所示。教室照明，在学生区域采用9盏LED灯，3×3矩形排列，安装高度2.9 m；黑板区域，采用2盏LED灯照明，安装高度2.9 m，灯具布置如图2所示。使用DIALux Evo软件对教室照明进行仿真，取课桌面、黑板作为评估区域。软件设置为无日光模式，即不考虑环境光线，灯具维护系数取值0.8。

图1 普通教室示意图Fig.1 Classroom schematic

图2 灯具布置图Fig.2 Lighting arrangement

1)一般照明设计。现有的教室照明，在学生区域采用9盏30×120 LED长条面板灯，黑板区域采用2盏30×120 LED长条面板灯照明，安装高度2.9 m，灯具参数如图3所示，课桌照明灯具，功率30 W，光通量：2 856 lm，色温：3 991 K，显色指数：84；黑板照明灯具，功率：36 W，光通量：4 058 lm，色温：3 991 K，显色指数：84。教室面积58.59 m2，总共使用11盏灯，总功率342 W，功率密度为5.83 W/m2，符合表1要求。

图3 一般照明时灯具参数Fig.3 General lighting, lighting parameters

图4 一般照明时课桌面水平照度等值线图Fig.4 General lighting, the horizontal isograms of desk surface

由仿真结果知，9盏面板灯可满足课桌面水平照度，课桌面水平照度等值线图如图4所示，所有课桌面的照度都达到300 lx，平均值为436 lx，满足要求。课桌面及黑板的平均照度、均匀度如表2所示，所有课桌面的照度都达到300 lx，均匀度不小于0.7，符合表1要求。但是，黑板照明没有采用专用的黑板照明灯具，效果不理想，垂直照度平均值为341 lx，没有达到500 lx，均匀度为0.60，不符合表1要求。课桌面眩光指数如表3所示，UGR值为19.0，虽然符合表1要求，但是处于临界值，舒适性不佳。并且，一般照明设计容差太小，可调整的空间有限，根据实际应用情况，数据溢出风险较高。

表2 一般照明时课桌面及黑板的平均照度和照度均匀度

表3 一般照明时课桌面眩光指数(UGR)

2)舒适照明设计。一般照明设计中，虽然课桌面的水平照度都符合标准要求，但是UGR值处于临界值，舒适性不佳。而教室的舒适照明设计要求视觉舒适性好，避免学生视觉疲劳。避免过高的亮度和对比度，这是视觉疲劳或不舒适眩光的来源。现使用UGR作为不舒适眩光的评价指标。根据(1)式知，影响UGR值的因素有背景亮度Lb，观察者方向每个灯具发光部分的亮度L，每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角ω，每个单独灯具的位置指数p。从(1)式可知：降低UGR值，可以通过减小L、ω或增大Lb、p来实现。然而，改变观察者方向每个灯具发光部分的亮度L，每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角ω及每个单独灯具的位置指数p比较复杂，改造比较困难，花费大，而提高背景亮度Lb比较容易，只需提高教室天花板的背景亮度，就可以实现增大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，课桌照明可以采用30 cm×120 cm上下出光LED长条面板灯，双面出光，不仅有向下的光，还有向上的光，提高教室天花板的亮度，降低UGR值，视觉舒适性好，有效缓解学生视觉疲劳，避免过高的对比度。

综上所述，教室的舒适照明设计，在学生区域采用9盏30 cm×120 cm上下出光LED长条面板灯，黑板区域，采用2盏专用LED黑板灯照明，灯具参数如图5所示。课桌照明灯具的功率为35 W，光通量为3 259 lm，色温为3 991 K，显色指数为84；黑板照明灯具的功率为36 W，光通量为4 058 lm，色温为3 991 K，显色指数为84。教室面积为58.59 m2，总共使用11盏灯，总功率为387 W，功率密度为6.6 W/m2，符合表1要求。采用上下出光LED长条面板灯，功率密度比一般照明设计要大，因为一般照明设计的灯具都是向下出光，所需光通量和功率要比舒适照明设计低一些。

图5 舒适照明时的灯具参数Fig.5 Comfortable lighting, lighting parameters

由仿真结果知，9盏上下出光LED长条面板灯加上2盏LED黑板灯可满足课桌面水平照度和黑板垂直照度。课桌面水平照度等值线图如图6所示，所有课桌面的照度都达到300 lx，平均值为418 lx，满足要求。课桌面及黑板的平均照度、均匀度如表4所示，每个课桌面的照度都达到300 lx，均匀度不小于0.7，黑板垂直照度平均值为524 lx，均匀度为0.70，符合表1要求。课桌面眩光指数如表5所示，UGR值为16.6，符合表1要求，比一般照明的UGR值降低了2.4，视觉舒适性大大提高。

表4 舒适照明时课桌面及黑板的平均照度和均匀度

表5 舒适照明时课桌面眩光指数(UGR)

图6 舒适照明时的课桌面水平照度等值线图Fig.6 Comfortable y lighting, the horizontal isograms of desk surface

上述仿真结果表明：教室照明学生区域采用上下出光LED长条面板灯，大大提高视觉舒适性，比一般照明的UGR值降低了2.4；黑板照明采用非对称配光的LED黑板灯，提高黑板垂直照度和均匀度，照明效果更好。

3)节能照明设计。在满足功能照明的前提下，节能也是舒适照明的重要组成部分。照明节能的重点为照明设计节能，即在满足照度和相关照明质量的标准之后，最有效地利用照明用电。

一般情况的照明设计，没有考虑天气影响，晴天、晴天多云和阴天的照明效果肯定是有差距的，并且现有的教室照明开灯没有控制，比较随意，没有根据天气变化和时间段进行调光控制。DIALux Evo软件中有灯光场景模式，可以在灯光场景模式中设置不同的天气、时间段，从0～100%对灯具进行调光，并且可控制灯具组的开关状态，如图7所示。在灯光场景模式中设计灯具的调光策略，模拟不同天气、不同时间段，教室照明的效果。

在DIALux Evo中，可以设置时间、地区、天气种类，系统根据对应地区自动导入相应的日光系数并进行计算，例如东经115°85′，北纬28°68′，晴天和晴转多云的日光系数分别如图8和图9所示。

图7 灯光场景模式Fig.7 Lighting scene mode

图8 晴天日光系数Fig.8 The daylight factor of Sunny

图9 晴转多云日光系数Fig.9 The daylight factor of partly cloudy

在DIALux Evo软件中，灯光场景设置为晴天，不开灯情况下，8点时教室照度等值线图如图10所示。从图10可知，即使是晴天，如果不开灯，教室里大部分区域照度在300 lx以下，照度严重不足，不符合教室照度要求，极易引起学生视觉疲劳，影响学生视力，需要进行补光。晴天，如果全部开灯，教室照度较高，势必造成浪费。

利用DIALux Evo软件中灯光场景模式，不开灯，模拟不同天气，不同时间的教室照明效果，结果如表6所示。表6为不同天气、不同时间，教室中能够达到目标照度的评估区域统计表。从表6可知：不开灯时，任何天气、任何时间都存在课桌面或黑板照度不达标的现象，并且不同天气，不同时间，课桌面和黑板照度都不尽相同。因此，需要针对不同天气、不同时间的教室照明进行补光，对教室照明进行节能照明设计，在满足照度和相关照明质量的标准之后，最有效地利用照明用电。

图10 不开灯时，晴天8点教室水平照度等值线图Fig.10 The horizontal isograms of classroom at 8 o’clock of sunny, without lighting

在DIALux Evo软件中，灯光场景设置为晴天，对11盏灯进行调光控制，模拟不同时间的教室舒适照明效果。晴天8点时，在灯光场景模式中进行对灯具调光策略控制，经过模拟可知，只需打开灯具2、3、5～9、11，调光80%，可以满足所有课桌面和黑板的照度、均匀度及眩光要求。晴天8点时，课桌面水平照度等值线图如图11所示，对应的课桌面及黑板的平均照度、均匀度如表7所示，课桌面眩光指数如表8所示。由图11及表7和表8可知：

表6 不开灯时，不同天气、不同时间，达到目标照度的评估区域统计表

图11 节能照明时，晴天8点课桌面水平照度等值线图Fig.11 Energy-saving lighting, the horizontal isograms of desk surface at 8 o’clock of sunny day

所有课桌面的照度都达到300 lx，均匀度不小于0.7，眩光指数为17.3，黑板垂直照度为595 lx，均匀度为0.70，符合表1要求的同时，最有效地利用照明用电。

同样地，在DIALux Evo软件灯光场景模式，分别对不同天气、不同时间的教室舒适照明进行灯具调光策略控制，不同天气、不同时间下满足教室舒适照明的灯具调光策略表如表9所示。

一般情况的照明设计，没有考虑天气影响，为了课桌面和黑板达到照度要求，在不同天气、不同时间，将教室内所有的灯都打开，没有根据天气变化和时间进行调光控制，一定程度上不节能，造成浪费。

假设中小学教室每天从8点到18点用电，一年9个月，每个月30天，那么全部开灯情况下一间教室一年的用电量为T1=923.4 kW·h。

根据气象统计，东经115°85′，北纬28°68′地区，从2011年1月至2017年10月的天气变化统计如图12所示，除去暑假和寒假3个月。将雨、雪天气视为阴天，一年的天气中晴天占比为27.91%，多云占比为25.96%，阴天占比为46.13%。

表7 节能照明时晴天8点课桌面及黑板的平均照度和均匀度

表8 节能照明时晴天8点，课桌面眩光指数(UGR)

表9 不同天气、不同时间，满足教室舒适照明的灯具调光策略表

依据调光策略对教室照明进行调光，一间教室不同天气时一天的用电量如表10所示。采用调光策略对教室照明进行调光，根据不同天气占比，一间教室一年的用电量为T2≈646.2 kW·h。

图12 2011年1月—2017年10月天气变化统计Fig.12 The weather change statistics from January 2011 to October 2017

根据T1、T2的值可知，采用调光控制策略后，一间教室可节电277.2 kW·h，节电约为30%。

上述仿真结果表明：针对不同天气、不同时间制定教室节能照明的灯具调光控制策略，在对应的天气、对应的时间，进行对应的灯具调光，满足照度和相关照明质量标准的同时，为师生营造健康、舒适的照明环境，有效避免学生视觉疲劳，保护学生视力，且最有效地利用照明用电，采用调光控制策略，节电约为30%，降低了照明用电量。

表10 一间教室不同天气时一天的用电量

3 结语

我们对中小学教室舒适照明进行设计，从舒适照明要求的角度出发，分析照度、视觉舒适度、均匀度等评价指标对照明效果的影响，并制定出教室舒适照明的目标值。运用DIALux Evo软件，首先对中小学教室一般照明设计进行仿真，其次再对中小学教室照明进行分析和改善，在学生区域采用上下出光LED长条面板灯，在黑板上方单独布置黑板照明灯，进行舒适照明设计及仿真。仿真结果表明，采用上下出光LED长条面板灯，大大提高视觉舒适性，比一般照明的UGR值降低了2.4；黑板照明采用非对称配光的LED黑板灯，提高黑板垂直照度和均匀度，照明效果更好，教室照明整体布置合理，符合舒适照明要求，为师生提供一个舒适和节能的照明环境。在舒适照明设计的基础上，进一步进行节能分析。在DIALux Evo软件的灯光场景模式，模拟不同天气、不同时间的教室舒适照明效果，并针对不同天气、不同时间制定出相应的灯具调光控制策略，不仅可以满足舒适照明要求，而且大大节约教室照明用电，节电30%左右。我们只是对中小学教室舒适节能照明设计进行了仿真分析，实际应用数据正在收集，仿真结果与实际应用的误差还需进一步的分析，同时对于灯具波动深度、灯具光谱对舒适节能照明影响的研究还需继续深入。