智能控制在教室健康照明中的应用

何 伟

(重庆大学 建筑城规学院；山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

建设健康人居环境是“健康中国”发展战略的主要任务之一，“以人为本”的光环境是建筑室内环境的重要内容，因此，健康照明成为室内环境质量评价的重要内容之一。建筑空间的照明可以影响空间的光照环境和其他物理特性，对于使用者来说，并不只是影响视觉功效，还在非视觉效应方面有非常重要的作用，如调节生理节律、影响警觉性和心理情绪。教室作为学习的场所，学生每天很长时间在教室度过，教室空间的物理环境，包括声音、热舒适、光、通风等与学生的身体健康密切相关，其中光照是最重要的因素之一。一方面，照明对学生眼部健康有重要影响，相关规范和标准对照度、均匀度、显色性、眩光、闪烁等照明指标有严格限制，通过多方面综合考量保证教室空间的照明质量。另一方面，教室光环境参数，包括照度、光谱分布、照明时间等，对学生的学习效率、脑力工作能力和其他生理活动有重要的影响。健康的教室照明对保障学生视力健康和提高学习效率有重要意义。

LED照明光源越来越多地应用于建筑空间的照明。与传统照明光源相比，LED光源具有可控制、寿命长、启动快、体积小等特点，这对于健康照明的动态控制和多样化应用具有重要意义。通过智能控制和LED光源的应用，根据不同需求对建筑环境的光照进行调节控制，不仅可以提高教室空间的光照质量，建立符合学生视觉健康的照明环境，还可以打造符合情绪和生理节律的健康照明空间，为光照环境的设计和使用提供更多可能。基于现行教室照明相关标准和健康照明要求，探讨智能控制技术在教室健康照明中的应用。

1 教室光照环境

教室空间内影响学生视觉功能的因素包括照度、亮度、眩光、颜色、频闪、亮度对比以及识别对象的特征等，不舒适的光照环境可能造成学生视力不良，诱发学生近视或加重近视程度。学生在长时间高度集中精神的状态下近距离注视目标物，容易用眼过度，出现眼睛酸疼、肿胀、干涩等症状，并可能引起学生厌烦、注意力不集中、头晕、效率低下等不良反应，进而影响教学质量和学生的学习效率，因此，教室光环境质量是影响学生视力和学习效率的重要因素。

普通教室光照环境受天然光、人工照明、教学显示终端以及其他反射光的影响[1]。人眼生理功能根据环境光亮度的不同而变化。人眼的视觉舒适度是指观看显示屏幕时人的主观舒适感受，具体表现在观看屏幕一定时间后学生眼睛的疲劳程度、眨眼频率、视力状况等。教室光环境对人眼视觉舒适度有明显影响，并影响视力健康。视觉舒适度评价标准如表1所示。

表1 视觉舒适度评价标准

教室室内光环境变化是引起学生视觉疲劳的重要因素，在教学过程中，影响学生视觉功能的因素主要有以下几方面。

1)天然光的变化

目前学校的普通教室大多是单侧采光，由于教室的宽度通常在8～10 m，在关闭人工照明的情况下，教室空间横向上的照明均匀度很差，靠近采光窗的一侧照度高，而教室大部分区域的照度较低。晴天和阴天室外天然光照度和色温有很大差别，同时，室外天然光随时在变化，但教室人工照明的参数通常恒定不变，因此，教室空间的光照环境也随时在变化，增加了教室照度数值的波动，容易导致学生的视觉疲劳。天然光直接照射在桌面上时，照度过高也会导致视疲劳的增加，天然光照射在黑板或显示屏幕上还会形成反射眩光，导致看不清楚黑板或屏幕，影响视觉功效。

2)屏幕亮度变化

随着信息化教学改革的推进，电子黑板、交互式电子白板等多媒体载体成为主要的教学设备，其自主发光特性与传统黑板或投影屏幕不同。教学课件在演示过程中，图片背景、动画等内容亮度的变化会对学生眼睛造成视觉刺激，为适应屏幕不同的光环境，频繁进行明暗状态转换会造成人眼视觉跳动和视觉刺激，形成视觉疲劳。

3)屏幕与背景亮度对比变化

显示屏幕的亮度比投影屏幕和黑板教学的反射光亮度更高，人眼对屏幕图像的对比度要求较高，图像对比度太低，学生无法看清内容，特别是显示彩色图像内容时，人眼对屏幕对比度要求更高。在多媒体教学中，天然光、人工照明和教室背景的反射光对投影屏幕的光环境亮度有直接影响。传统教室照明通常采用关闭或开启教室照明来调节屏幕与背景的亮度对比，使学生获得更好的视觉效果。但降低教室环境照度不仅影响学生做笔记和阅读，长时间在这样的光环境下人眼容易产生疲劳，影响视力健康。学生高度集中注视投影屏幕，时间久了易产生视觉疲劳。当拉开教室窗帘，打开教室照明时，人眼在短时间难以适应教室光环境的变化，不同环境亮度的剧烈变化容易造成人眼视觉疲劳和视觉刺激。

教室空间天然光和显示屏幕的光随时在变化，但人工照明的参数始终恒定不变，造成教室空间不同区域的照度值有很大差别，影响学生视觉舒适性，增加眼部疲劳。

2 教室照明的控制要求

近年来，关于教室照明质量要求的规范和标准密集出台，明确提出智能控制教室空间照明，打造适于教室光照环境特点的照明控制系统，如表2所示。

表2 部分标准对教室照明控制的要求

《中小学普通教室照明设计安装卫生要求》(GB 36876—2018)[2]规定，中小学校教室空间的照明在不同气象条件时，宜随室外天然光变化调节不同区域的照明、照度。

中国照明学会近期发布的《中小学教室健康照明设计标准》提出，在天然光充分的情况下，根据不同场景需求采用调光控制对人工照明进行调节控制。

四川省地方标准《中小学健康教室建设规范》(DB 51/T 1956—2015)提出，有条件的教室，按该教室照度要求，结合天然采光自动开关灯及选用智能控制系统实现自动调光。

上海市地方标准《中小学校及幼儿园教室照明设计规范》(DB 31T539—2020)也要求有条件的场所宜结合天然采光选用智能控制系统实现自动调光。

中国建筑学会发布的《健康建筑评价标准》(T/ASC 02—2016)[3]是目前比较完善的民用建筑健康性能标准，该标准第6节对光照控制的应用进行评分，在《建筑采光设计标准》《建筑照明设计标准》等现行标准的基础上，对充分利用天然光、日间和夜间生理等效照度、照射时数，以及照明控制的调节照度和色温分别进行评分。随着经济的发展和绿色照明、健康照明意识的提高，教室的照明水平有待进一步改善。

深圳市发布的《室内健康照明设计规范 第5部分：教室照明》(T/ LSA 024.5—2019)，基于全光谱LED和智能照明控制技术，根据教室空间不同场景的照明需求，通过LED光源和智能控制提升光照质量，打造健康教室光环境。

3 结论

视觉疲劳及视觉舒适度是教室光照环境研究的重要内容，信息化教学中，教室光照环境与普通教室和投影多媒体教室有很大差别，教室光环境受天然光、人工照明和显示屏幕的影响，显示屏幕光的变化、屏幕对比度的变化以及天然光变化，都是造成学生视觉疲劳的原因。教室人工照明需结合天然光、显示屏幕光进行动态化控制，提供稳定、均匀和适宜的光照环境。结合天然光和显示屏幕光照变化，对教室人工照明智能控制要求作分析和讨论，根据不同教学场景，应用传感技术和智能控制技术提升教室光照质量，减少学生视觉疲劳，同时，通过智能控制实现教室空间照明的动态变化，符合健康光照的需求。