DIALux对阶梯教室照明环境的设计和优化

官旭军，徐 永

(福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350000)

DIALux对阶梯教室照明环境的设计和优化

官旭军，徐 永

(福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350000)

通过采用DIALux并参考实地测量数对某高校阶梯教室进行模拟和分析，找出其在照明方面所存在的问题，主要是讲台桌的桌面照度较低以及存在光能浪费问题。同时，通过更换灯具并调整灯具的布局，用DIALux对现有的照明环境进行了改善和优化。结果表明，优化后整个教室的照明功率仅为原来的82.52%，且均匀性更好。

阶梯教室；照明环境；照明优化；DIALux

引言

对于学生群体而言，近视不仅影响日常生活，降低学习效率，而且还危害眼健康。造成学生近视的因素有很多，其中教室照明环境是一个重要因素。孔益平等[1]认为，学生约有60%的时间是在教室度过的，若教室照明环境不良，学生的视觉器官会过度频繁的调节而使眼部肌肉过分紧张，易造成视力疲劳，长期在这种劣质照明环境中学习，容易造成近视。赖德铭[2]也认为学生视力的下降与教室的照明环境息息相关。

教室的照明环境不仅会影响学生的视力，而且还关乎着上课的效率。那红宇等[3]通过日本学者大山正曾的实验得出光照度与学习效率、视力有很大关联和影响的结论。黄海静等[4]通过对具体教室照明环境进行测量以及有针对性地发放问卷得出结论，教室的照明不应当只注重灯具数量和视觉的感受，更应当提高照明质量，这样不仅能够有利于学生的健康成长，而且还可以提高学习效率。因此，一个高质量的教室照明环境，不仅可以更好地保护视力，减少视觉上的疲劳，还可以提高学生的上课热情、促进学生思维转动，提升课堂效率。

1 DIALux软件简介

DIALux是一款由德国DIAL专业软件公司开发的用于照明设计、分析和计算的专业照明设计软件，用户可以免费使用，世界各大灯具公司都有提供支持DIALux格式的灯具数据库[5]。目前，与DIALux合作的伙伴共有209家照明公司，其中就包括了三雄极光照明、飞利浦照明、嘉美照明、欧普照明等知名照明品牌公司。对于灯具商家而言，DIALux是一个很好的平台，可以更好地推销其的产品，并且通过仿真设计服务于大众的需求。软件操作简单且易懂易学，还可满足强大的空间设计和照明需求的功能。

没有使用软件的手工设计一般较多地要依赖设计师的主观感觉和经验，而使用DIALux进行设计可以较为直观地展示照明环境的状况，还能精确地算出具体的数值，对照明进行量化和可视化，可以较为直观地展示照明环境的状况以便进一步的分析和优化，还可以通过自设工作面来对特定的工作面进行相关数据的计算并输出结果。有助于进一步的分析和改善。并且，该软件使用的是灯具商家提供的数据，使得计算输出的结果更为准确。本文借助最新版DIALux evo 5.2版本对某高校阶梯教室的照明环境进行设计、分析和优化。

2 教室现有照明环境分析

2.1 教室照明环境仿真

根据实测数据，在DIALux中构造出一个长15.05m、宽10.70 m、高4.50 m的三维空间。同时，构造出7级阶梯，每级阶梯高度均为12 cm，前6阶宽度均为90 cm；并在最后排设置后门进口处的阶梯，共6级阶梯，每级均高14 cm；在讲台处设置一个宽度为80 cm，高度为20 cm的黑板专用台阶。而后，放置课桌，离地面高度均为78 cm，从第五排开始置放在阶梯中，即第五排在一级阶梯中，第六排在二级阶梯中，以此类推。最后，放置讲台桌，便形成教室的初步构造。

接下来在DIALux软件中，对桌面、地板、墙壁以及天花板赋予材质，使之与实际教室更为吻合。在完成教室设置后，便可开始照明的仿真设计，即导入灯具以及灯具分布等。根据实地测量可知，阶梯教室均采用三雄·极光的LED灯具。由DIALux灯具网得到[6]，型号：PAK-A02-236-DZ-LA，额定功率：2×15 W，总光通量：2 466 lm，长：1 233 mm，宽：165 mm，高：810 mm。灯体采用优质冷轧钢板，外形简洁，反光效果好。导入灯具及相应的灯具分布后，便完成了对阶梯教室照明环境的仿真构建。具体的平面图和3D图，如图1和图2所示。

图1 教室照明环境仿真平面图Fig.1 Layout of classroom lighting environment for simulations

图2 教室照明环境仿真3DFig.2 3D diagram of classroom lighting environment for simulations

2.2 教室照明环境现状分析

2.2.1 桌面照明现状分析

对于教室的照明环境而言，桌面的照明尤为重要，因为对于学生而言，使用最重要且最频繁的毋庸置疑便是桌面，每一位学生都要在桌面上听课和自习。所以，一个较好的桌面照明条件，不仅可以增加学生的学习热情，放松情绪，还可以更好地保护视力，减少视觉疲劳。

表1 教室桌面照度实地测量值

在实地测量中，我们选择在夜间，并拉上窗帘，关好门窗后进行测量，以尽可能减少其他光照对测量结果的影响。使用照度计对桌面进行照度的测量，得到了表1的数据，由此算出教室的均匀度为：0.7985。根据国家标准[7]，对于教室的一般照明均匀度的要求是在0.75m水平面的参考平面或课桌面应达到大于或等于0.6的水平，该教室的照明均匀度显然已经达到国标的要求。

从各个工作面上的照度来看，第一排的照度在300lx左右，第二组的照度水平较一、二组为好。从总体上看，教室共有139个桌面，照度分布在295lx～427lx之间，其中照度小于300lx的有2个桌面；在300lx～400lx之间的有120个桌面；大于等于400lx的有17个桌面，总平均值为367.24lx，根据《建筑照明设计标准》[7]对多媒体教室照明的规定，桌面上的照度标准值为300lx，故该教室桌面的平均照度已达到该标准。

通过使用DIALux进行计算，可以得到表2的输出数据，由此算出教室均匀度为：0.748 2，平均值为380.40lx。由于实际测量中可能受灯管老化的影响，导致实地测量值与DIALux的输出不尽相同，但相差不大。因此，可以用DIALux近似代替实测数据进行仿真分析。

表2 DIALux软件得到的教室桌面照度值

2.2.2 教室整体工作面照明分析

把教室整个当成一个工作面，图3为DIALux输出的教室工作面的伪色图。显然，越接近光源的地带，光照度也越大，讲台离光源较远，光照度也较小，且光分布也较不均匀。从伪色图中可以看出，在讲台桌附近区域，光分布主要在150～230lx之间。李振霞等[8]的分析认为投影仪周围的光照度较低时，投影的效果较佳，故在讲台处需要较低的光照度。并且桌面的照明均匀度达到了国家的标准值0.6，所以可以认为在教室的照明均匀度方面的光照环境的设计是合理的。

从DIALux中建立一个工作面置放于讲台桌面上，测出讲台的平均照度为202lx，最小值为187lx，最大值为202lx。从伪色图中也可以看出，讲台桌面的照度在170～210lx区域。显然，讲台上的光照情况是不合理的，因为教师在上课时也要经常看讲台上的讲稿，所以讲台上的照明应当高一些。照明环境不仅会影响学生上课的效率，还会影响教师授课的热情。

图3 教室工作面伪色分布Fig.3 Pseudo color distribution of working faces in the classroom

3 教室现照明环境的优化

从以上照明环境的分析中，可以看出教室在光照均匀度及光照强度方面都是比较合理的，但仔细分析后可以发现以下两个问题：①讲台桌面上的光照度较弱，会影响教师的教学热情，应当适当提高；②有些地带的光照较强，可以适度降低以达到节能的效果。对此，用DIALux软件进行模拟仿真，找出解决的对策。

3.1 教室讲台桌面光照的优化

由于讲台桌面的照度较低，所以我们按以下方式进行优化。①先将灯具整体向讲台方向前移25 cm；②将1盏型号为PAK-LED-OT8-18WB-40-ZL的灯具放置于讲台桌面中间位置，高度与教室前三排灯具一致，即3.280 m。

根据DIALux灯具介绍[9]，PAK-LED-OT8-18WB-40-ZL为玻璃管壳体，水性环保扩光涂料，高透光率，全角度扩光；功率：18W，光源：SMD LED，色温：有4 000 K和6 500 K可供选择，显色性：Ra80+，光源总输出:1 800lm。

图4给出了优化前后讲台桌面及周围照度的分布。从图4中可以看出，优化后讲台桌面的光照度明显提高了，桌面照度的平均值达到了305.4 lx，最大326 lx，最小285 lx。相比于未调整前的平均照度为202 lx，调整后平均照度提高了103.4 lx，高出51.2%。故本次的调整得到了较好的改善。同时，在调整后，讲台桌周围的照度情况与未调整前变动不大，在投影屏处的照度与之前的差异也不大。

综合而言，通过增加一个灯具，不仅使讲台桌面的光照度增大，而且对周围光照影响也不大，使得整体的光照环境得到了较大的优化，更有益于教师的授课。

图4 优化后讲台桌面及周围照度的分布Fig.4 Distribution of the illumination on the desktop before and after the optimization

3.2 教室节能优化

前面的数据表明，中间组4到7排的光照强度较大，且大于400 lx，左右两组的4到7排的光照度也较大。从整体上看，这样的光照模式并不符合当代环保节能的总要求。在满足国家标准[7]的前提下，可以对教室的灯具进行合理的调整，使之更加节能。

通过观察、比较数据，并通过DIALux进行具体的仿真后，对灯具进行如下调整：①除第一排两边的两个外，其它灯具均换成双PAK-LED-T5-12WD-830灯具；②更换灯具后，适当调整一下位置，使整体布局更为美观，如图5所示。

图5 节能优化调整后的灯具布局Fig.5 Lamp layout after the adjustment through the emergy-saving optimization

根据DIALux灯具介绍[10]，PPAK-LED-T5-12WD-830是三雄极光照明公司生产的LED灯具，功率：12W，光源：SMD LED，色温：有3 000 K、4 000 K及6 500 K可选；产品尺寸：长1.02m，宽22mm。调整后，通过DIALux软件计算出教室整体的照度情况，并输出优化后教室整体的伪色图，如图6所示。

从伪色图可以看出，优化后的光分布更为均匀，且减少了光能浪费。伪色图中160～370lx区域的色彩占绝大部分。其中，在投影仪处的色彩集中在160～225x区域，这也符合多媒体教室的教学需求。

图6 节能优化后教室整体伪色分布Fig.6 Overall pseudo color distribution in the classroom after the energy-saving optimization

调整了灯具的种类和分布后，通过DIALux软件计算出教室桌面的照度值，如表3所示。从表中可以看出，没有一处大于400lx，也没有一处小于300lx。同时，优化后的教室照明均匀度为0.928 1，远大于国家标准的0.6，表明调整后的光分布更为均匀；平均照度值为338.74lx，也高于国家标准的300lx。由此可以看出，经过优化后教室的照明更为均匀，也减少了光能浪费，且整体的光照度也符合国标。

表3 节能优化后桌面照度情况

在计入讲台新增灯具的前提下，优化前教室照明的总功率为618W，优化后的总功率为510W，故经过本轮优化后，整个教室的照明功率为原来的82.52%。以每天使用10h计，每年可节约电能约394.2度。若将一所高校内的教室及其它照明用电都进行类似的优化，每年节约的电能就十分可观。同时，照明的均匀度提高了24.04%。

4 结语

本文通过对阶梯教室实地测量与利用DIALux软件计算得到的数据，进行分析和比较，发现两者的吻合程度较好，可使用DIALux软件来对教室进行具体地分析和改善，更好地优化现教室的照明环境。

在分析中发现，现有教室照明的整体布置合理，且大体上也满足国家对于教室照明的要求，但还存在两个问题，即讲台桌面的光照度不够，存在光能浪费。在此分析的基础上，通过在讲台桌位置上方增加灯具，能够解决讲台桌面照度问题；通过更换节能灯具以及适度调整灯具布局，可以达到节能，减少光能浪费的目的。整体上，均能够优化现阶梯教室的光照环境，为师生上课提供一个舒适的光照环境。

本文的分析和优化表明，DIALux是一款功能强大且计算精度较高的照明设计软件，它不仅可以用来对一个照明系统进行初始的设计，还可以对任一系统的照明进行改进和优化，以达到舒适和节能的目的。

[1] 孔益平，赵云胜，吕奎.优化教室照明均匀度的模型构建与求解[J].安全与环境工程，2012,(2)：61-62.

[2] 赖德铭.为学生设计优质的教室照明[J].中国照明电器，2008，(8):19-20.

[3] 那红宇，江豫新.大学教室照明设计的现状和新构想[J].光源与照明，2004，(1):4-5.

[4] 黄海静,陈纲.大学教室照明现状及视觉环境主观评价分析[J].灯与照明，2010，34(15):22-26.

[5] 罗奕，付强.大专院校照明设计与DIALux软件应用[J].建筑电气，2010，29(7)：61-62.[6] DIAL有限公司.产品资料[EB/OL]. http://lumsearch.com/zh/article/UMHgl97gRKaJDXrvOaHi6w, 2016-02-24.

[7] 建筑照明设计标准:GB 50034—2013[S].北京：中国建筑工业出版社, 2014.

[8] 李振霞，沈天行.多媒体教室的光环境实测调查[J].照明工程学报，2009，20(2):46-50.

[9] DIAL有限公司.产品资料[EB/OL]. http://lumsearch.com/zh/article/ dPqLvS8ZTMOY5f7Q7J2MiQ, 2016-02-24.

[10] DIAL有限公司.产品资料[EB/OL]. http://lumsearch.com/zh/article/ Ibfrbxo8Rz6arpioZRKJ1g, 2016-02-24.

Design and Optimization of the Lighting Environment for A Laddered Classroom

GUAN Xujun, XU Yong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350000, China)

By adopting the DIALux for simulation and analysis of a laddered classroom with reference to the field measurement data, the problems in the existing lighting system were identified, which include the low illuminance on the desktop and the waste of light energy. At the same time, by changing the lamps and adjusting the layout of the lamps, the existing lighting environment was improved and optimized by using DIALux. The results showed that the illumination power of the whole classroom after optimization is only 82.52% of the origin and the uniformity is also better.

laddered classroom; lighting environment; lighting optimization; DIALux

徐永，E-mail: y.xu@fafu.edu.cn 基金项目：福建省科技重大专项“现代智能设施农业系统关键技术研究与示范”(No.2014NZ0002-2)

TM923.01

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.008