窗帘对中小学教室光环境的影响

刘 凯，曹 帆，程 敏，贺晓阳，魏子航，王兆文，

松下信夫1，贝罗姆3，邹念育1

(1.大连工业大学 光子学研究所，辽宁 大连 116034；2.中认尚动(上海)检测技术有限公司，上海 200233；3.文莱达鲁萨兰大学 综合技术学院，文莱达鲁萨兰国，甘东区东姑连道，BE1410)

引言

近年来，随着近视率的上升与近视低龄化现象的出现，青少年视觉环境受到社会的广泛关注。教室照明是影响青少年视觉发育和健康的重要因素，光环境质量的好坏直接影响到学生的身体健康。而且学生学习的积极性也通常与合理优质的教室光环境是分不开的，在质量较高的光环境中学习时，学生们的视觉感受更好，学习效率也会相应提高。因此科学的设计教室光环境，对减少视觉疲劳和提高学习效率具有重要作用[1-8]。

窗帘作为教室内的重要组成部分，在教室光环境中一直扮演着重要角色，它对调节照度水平和控制眩光影响有着不可忽视的作用。通过设置窗帘可以避免阳光直射，提高教室内的照度均匀度，并且降低受到的眩光影响。因此，相关地方及团体标准均对窗帘进行了相关规定[9，10]。但是，窗帘的安装方式以及反射率、透射率对照度与眩光的具体影响却鲜有提及。因此本文从窗帘入手，从光的照度水平与眩光影响两方面，对比安装窗帘与不安装窗帘两种情况的光环境，以此分析安装窗帘后对教室光环境的改善情况。并通过改变窗帘的反射率和透射率，从而选出最佳的窗帘参数，为改善教室光环境提出实际的优化建议，并对相关标准的解读给予参考。

1 教室窗帘的形式

窗帘的主要作用是与外界隔绝，避免外界环境对室内的影响。经现场调研发现，中小学教室所用窗帘种类主要为开合式与卷帘式两类，分别如图1和图2所示。其中开合式的窗帘通常采用比较柔软的遮光布料，避免受到外界光照射的影响。其主体由导轨、帘头和帘身组成，导轨与窗帘通过布带、钩连接，连接后能使帘身左右自由移动，窗帘一般打褶或呈波浪型，立体感较好。而卷帘式的窗帘通常采用比较硬挺、平滑的透光布料，对外界光线有一定的透射作用。其主体是由导轨和帘身两部分组成，通过导轨的轮、轴的转动使帘身上下自由移动，并且窗帘的导轨可将帘身卷起收藏在导轨内。

图1 开合式窗帘Fig.1 Opening and closing curtain

图2 卷帘式窗帘Fig.2 Shutter curtain

因此，本次仿真计算选取开合式与卷帘式两种窗帘类型进行仿真分析，并根据T/CEEIA 365—2019《中小学校教室光环境设计及测试评价规范》对窗帘反射率的规定，将反射率从0.30～0.80，每0.10选取一个参考点进行对比分析。并且由于卷帘式的窗帘对光线具有一定的透射作用，因此在反射率的基础上，将透射率从0.05～0.45之间，每0.05选取一个参考点进行对比分析。从光的照度水平与眩光影响两方面，对窗帘的不同反射率与透射率在教室光环境中的影响进行分析，为教室中窗帘的安装给出合理建议。

2 教室光环境仿真

2.1 教室空间

用DIALux EVO软件构建一个尺寸为9.50 m×6.90 m×3.65 m的典型三维教室空间。并且根据相关标准对教室内各表面反射率的规定，将天花板反射率设置为0.70，前墙反射率设置为0.50，侧墙与后墙反射率设置为0.70，地面反射率设置为0.20[10]。

教室朝向采用南北向的单侧采光，光线自学生座位的左侧射入，窗户尺寸为2.90 m×2.10 m，窗户底部距地面0.90 m。教室前后皆有门，尺寸为2.20 m×0.90 m。门上方设有尺寸为0.90 m×0.70 m的气窗，且墙体中间设有尺寸为1.40 m×1.10 m的窗户，窗户底部距地面2.05 m，二者皆利于教室内的空气循环流通。

教室内选用尺寸为4.00 m×1.20 m×0.10 m的墨绿色黑板，黑板面的反射率为0.20。黑板于前墙面居中安装，黑板底部距地面1.00 m。教室内放置双人木制课桌24套，可以容纳48名学生，桌面高0.75 m，反射率为0.45。仿真后的模型如图3所示。

图3 教室仿真图Fig.3 Classroom simulation diagram

2.2 灯具选择

教室内的灯具均采用吊杆安装方式[11]。黑板处选用3套黑板灯，灯具平行于黑板安装，与黑板的平行间距为1.00 m，与黑板上缘的垂直距离为0.20 m；学生处选用9套教室灯，3×3矩形排列，与桌面的垂直距离为2.00 m，灯具的布灯方法如图4所示。

图4 布灯图Fig.4 Luminaire distribution diagram

黑板灯选取敞开式的LED灯具，功率为37.5 W，光通量为3 201 lm，色温为5 000 K；教室灯选取LED格栅灯，功率为36.8 W，光通量为3 486 lm，色温为5 000 K，灯具的详细参数如表1所示。教室面积为65.55 m2，照明灯具为12套，其中黑板灯3套、教室灯9套，总功率为443.7 W，功率密度为6.77 W/m2，满足相关标准中对教室照明功率密度不得高于9 W/m2的规定[10]。

表1 灯具参数Table 1 Lighting parameters

2.3 天然光条件

教室受到的天然光设置为2019年8月1日上午11时上海市的天然光情况，天顶辉度、环境条件以及污染情况等参数均由DIALux EVO软件计算得出，具体的天然光信息如表2所示。

表2 天然光信息Table 2 Daylight information

3 仿真计算与结果分析

3.1 评判标准

以课桌面、黑板面为评判区域对照度进行评判，即对黑板表面的垂直照度以及以桌面高度为0.75 m的水平面为工作面的水平照度进行评判。并且根据GB 50034—2013《建筑照明设计标准》对统一眩光值的应用条件中，坐姿观察者眼睛的高度通常取1.20 m的规定，选取48个学生座位中心处1.20 m高度点为眩光评判点，对学生坐在座位时的眩光影响进行评判[12]。最终根据T/CEEIA 365—2019《中小学校教室光环境设计及测试评价规范》对上述参数的规定进行评判，评判标准如下：

1)课桌面的维持平均照度不低于300 lx，且照度均匀度不低于0.70。

2)黑板面的维持平均照度不低于500 lx，且照度均匀度不低于0.80。

3)学生观察点的位置处的统一眩光值不高于16.0[10]。

3.2 窗帘反射率对照度的影响分析

因开合式的窗帘通常采用遮光布料，卷帘式的窗帘通常采用透光布料，所以只考虑开合式窗帘的反射率影响。选取不安装窗帘与安装开合式窗帘两种照明环境进行仿真计算，将窗帘反射率从0.30～0.80，每隔0.10选取一个参考点进行对比分析。仿真后的照度变化情况如图5所示，其中窗帘反射率为0代表不安装窗帘。

图5 窗帘反射率对照度的影响Fig.5 Effect of curtain reflectance on illuminance

由图5可见，当不安装窗帘时，由于受到阳光照射，黑板与桌面的平均照度分别为1 297 lx与1 122 lx，可照度均匀度却只有0.79与0.60，不满足上文3.1中对黑板的照度均匀度不低于0.80、桌面的照度均匀度不低于0.70的规定。然而当安装窗帘后，仅管黑板的平均照度降低到800 lx左右，可照度均匀度却提高到了0.80以上；桌面的平均照度降低到500 lx左右，可照度均匀度从0.60提高到0.84，相对提高了40%。可见虽然安装窗帘可能会使平均照度降低，但却可以大大提高照度均匀度，而这对整体的照明效果有着明显的改善作用。并且通过提高窗帘的反射率，平均照度分别提高了17 lx和21 lx，相对提高了2%和4%；照度均匀度有所降低，黑板与桌面的照度均匀度均降低了0.01，但降低后仍满足3.1节对黑板的照度均匀度不低于0.80、桌面的照度均匀度不低于0.70的规定。由此可见，随着窗帘反射率的提高，平均照度随之提高，照度均匀度随之降低，但变化幅度都不是很大。通过改变窗帘反射率，对照度影响并不明显。

通过以上分析表明，通过安装窗帘，避免了阳光影响，虽然降低了平均照度，但却使桌面的照度均匀度从0.60提高到0.84，大大提高了其照度均匀度。并且随着窗帘反射率的提高，平均照度随之提高，照度均匀度随之降低，尽管效果不是很明显，但却可以在一定程度上对教室的照明效果进行改善。

3.3 窗帘反射率对眩光的影响分析

眩光是影响照明品质的重要因素，因此在进行教室照明规划时，对于眩光的防治相当值得注意[13]。眩光是由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜，或存在极端的对比，以致引起不舒适感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象。按照其评价的方法对于视觉的影响不同，后者称为失能眩光，前者称为不舒适眩光，本文所讨论的眩光均为不舒适眩光[14]。根据GB 50034—2013 《建筑照明设计标准》的规定，室内照明的不舒适眩光采用统一眩光值(UGR)来评价，值越大代表眩光影响越严重，值越小代表眩光影响越小。且由其对眩光值的算法的规定可知：

(1)

式中：Lb为背景亮度；La为观察者方向每个灯具的亮度；ω为每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角；P为每个单独灯具的位置系数[12]。本次仿真计算即采用此算法对学生观察点处的UGR进行计算。

对48个学生座位处1.20 m高观察点的UGR值进行评判，其中不安装窗帘时的数据如表3所示。

表3 不安装窗帘时学生所在位置的UGRTable 3 UGR of student when the curtains are not installed

由表3可见，学生座位分布为6行8列，其中第1列为靠近窗户一侧，第8列为靠近门一侧。其中第1行、第3行和第6行，各有2处观察点受到的眩光影响过小，无法计算出具体数据，因此以<10进行表示。经计算，48个学生UGR的平均值为15.1，满足3.1节对于学生观察点的位置处的统一眩光值不高于16.0的规定。但某些位置的眩光值大于16.0，其中第2行的观察点受到的眩光影响最为严重，有6个观察点的眩光值都在16.0或16.0以上。其中第2行第2列处的UGR达到了16.6，为48个学生观察点UGR的最高值。且因受到阳光影响，靠窗四列的数据值偏高，部分区域受到的眩光影响较严重。

安装窗帘后，48个学生观察点UGR平均值随反射率的变化情况如图6所示，其中反射率为0代表不安装窗帘。

图6 窗帘反射率对学生观察点UGR的影响Fig.6 Effect of curtain reflectance on UGR of student observation points

由图6可见，安装窗帘后，UGR会随之降低，且随着反射率的提高，UGR的降低程度也越高。当反射率为0.30时，UGR与不安装窗帘时相比仅降低0.2；而当反射率为0.80时，UGR与不安装窗帘时相比则降低0.7。两种反射率的UGR平均值相差0.5。由式(1)可知，当其余条件不变时，只提高背景亮度Lb时，UGR值将会降低。安装窗帘后，La、ω与P均不发生变化，原本经窗户折射出的光照射到窗帘上，提高了整体的背景亮度，从而降低了UGR。并且随着窗帘反射率的提高，Lb随之提高，UGR随之降低，学生受到的眩光影响也就越小。因此，窗帘反射率越高，眩光值越低，对眩光的改善效果越好。

因窗帘反射率为0.80时，学生观察点受到的眩光影响最低。因此，对比安装反射率为0.80的窗帘与不安装窗帘两种情况的UGR值，以此来分析安装窗帘后对眩光的改善作用。安装反射率为0.80的窗帘时，48个学生观察点的UGR值如表4所示。

表4 安装反射率为0.80的窗帘时学生所在位置的UGRTable 4 UGR of student when installed curtains with a reflectivity of 0.80

经计算，安装反射率为0.80的窗帘时，48个学生UGR的平均值为14.4，相比不安装窗帘时平均每个位置降低了0.7，之前所有高于16.0的观察点处的UGR均降低至16.0以下。为了方便对数据进行分析，对两种情况每行的UGR平均值和每列的UGR平均值进行比较，结果分别如图7所示。

图7 UGR平均值变化情况Fig.7 Change situation in the average of the UGR

由图7可见，安装窗帘后，每行的UGR平均值降低的幅度大致保持相同，基本都控制在0.6左右，而每列的UGR平均值降低的幅度则比较波动。靠窗的四列，每列基本都降低1.0左右，其中靠窗最近的第一列平均每个位置降低了1.2，极大减弱了眩光的影响。而靠门的四列，每行只降低0.3左右，对眩光的改善作用较小。因此，安装窗帘后，靠窗一侧对眩光的改善效果要比靠门一侧的要好得多。

结合窗帘反射率对照度水平与眩光影响两方面的数据，教室安装窗帘时，窗帘的反射率越高对光环境的改善效果越好。因此，推荐教室安装窗帘时，尽量选取反射率较高的窗帘。

3.4 窗帘透射率对照度的影响分析

由于开合式窗帘通常采用比较柔软的遮光布料，而卷帘式窗帘通常采用硬挺、平滑的透光布料，因此只考虑卷帘式窗帘的透射率影响。选取反射率0.30、0.50和0.80的窗帘，将窗帘透射率从0.05开始，每次提升0.05进行仿真计算，以此分析透射率对教室光环境的影响。当窗帘反射率为0.80时，仅选取0.05、0.10及0.15三种不同透射率进行仿真。而当窗帘反射率为0.30和0.50时，选取从0.05～0.45九种不同透射率进行仿真。仿真后的照度水平如图8所示。

图8 窗帘透射率对照度的影响Fig.8 Effect of curtain transmittance on illuminance uniformity

可见，随着透射率的提升，三种不同反射率的窗帘的变化趋势相同。黑板面与桌面的平均照度均有提升，且提升幅度较高；照度均匀度均随之降低，黑板面的照度均匀度降低幅度较低，降低幅度仅为0.02，且最低点也满足3.1节中黑板面照度均匀度不低于0.80的规定。桌面照度均匀度的降低幅度较高，当透射率为0.45时的照度均匀度低于0.70，不满足3.1节对桌面度均匀度不低于0.70的规定。

通过以上分析表明，提升窗帘的透射率可以提高黑板面与桌面的平均照度，但却使照度均匀度降低。且窗帘透射率不应超过0.45，一旦超过此值，则照度水平无法满足3.1节对照度水平的规定。

3.5 窗帘透射率对靠窗一列桌面照度的影响分析

是否安装窗帘对窗口处的光环境影响较大，因此选择图3中靠窗一列的6张桌子的水平照度进行仿真计算。选取反射率为0.50的窗帘，将透射率从0.05～0.45，每隔0.05选取一个参考点进行对比分析，并与不安装窗帘时的照度情况进行比较，仿真结果如图9所示。

图9 窗帘透射率对靠窗一列桌面照度的影响Fig.9 Effect of curtain transmittance on desktop illumination by the window

可见，安装窗帘后，桌面平均照度大幅度降低，最多降低1 673 lx，最少降低849 lx，且透射率越高，平均照度降低的越少；照度均匀度大幅度提高，最多提高0.14，最少提高0.05，且透射率越低，照度均匀度提高的越多。与上文图8中教室内整体的桌面照度水品相比，靠窗一列的平均照度随透射率提升的幅度要高于整体的提升幅度，照度均匀度随透射率降低的程度低于整体的降低幅度。因此，安装窗帘后，对靠窗一列桌面照度水平的改善情况优于对整体的改善情况。

3.6 窗帘透射率对眩光的影响分析

48个学生观察点UGR平均值随透射率的变化情况如图10所示。

图10 窗帘透射率对学生观察点UGR的影响Fig.10 Effect of curtain transmittance on UGR of student observation points

由图10所示，随着透射率的提升，48个学生观察点处受到的眩光影响变化范围较低，均值不足0.1。因此，随着窗帘透射率的提升，学生受到的眩光影响无明显变化。

通过以上分析表明，通过提升窗帘的透射率，可以提高黑板面与桌面的平均照度，降低二者的照度均匀度，然而对眩光无明显改善作用。因此在选择窗帘时，根据不同的照明情况，选取合适透射率的窗帘材质来调节照度水平，以此提高整体的照明效果。

4 结论

本文针对不同类型、反射率与透射率的窗帘在中小学教室照明中的影响，通过DIALux EVO软件进行仿真计算。从桌面的平均照度与照度均匀度、黑板面的平均照度与照度均匀度，以及48个学生座位中心处观察点的UGR五个评价指标的变化来评判窗帘对教室光环境的影响。

通过以上分析表明，两种窗帘均可对教室光环境有良好的改善作用，且对靠窗一侧的改善作用优于靠门一侧。当教室安装窗帘后，虽然降低了平均照度，却提高了照度均匀度，并且降低了学生处受到的眩光影响，这对整体的照明效果有着明显的改善作用。通过对不同反射率的窗帘进行仿真计算发现，随着窗帘反射率的提高，平均照度随之提高，对受到的眩光影响的改善效果也越来越好，仅管照度均匀度随之降低，但降低幅度较小，可以在一定程度上对教室的整体照明效果进行改善。并且通过对不同透射率的窗帘进行仿真计算发现，随着窗帘透射率的提高，平均照度随之提高，照度均匀度随之降低，且二者的升降幅度较高，所以可以根据不同的照明情况，选取具有合适透射率的窗帘材质，对教室的照度水平进行改善。

所以结合照度水平与眩光影响两方面的数据，安装窗帘对教室的整体照明效果有着良好的改善作用。因此，推荐教室安装窗帘时，根据教室环境、窗户的大小等客观条件选取合适的窗帘类型。在帘身的选择上，尽量选择反射率高的窗帘，并根据整体的照明效果选择合适的透射率，为师生提供舒适的教室光环境。