教室的照明讲解Word格式.docx
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5.4.2教室照明设计……………………………………………13
5.4.3影响照明质量的各个因素的综合评价…………………14
5.4.4设计照明质量的层次分析检验…………………………16
六、优化方案…………………………………………………………17
6.1应用LED光源方案…………………………………………17
6.2黑板照明灯具安装优化方案………………………………18
6.3光源格局优化方案…………………………………………19
6.3.1调整光源列高度…………………………………………19
6.3.2调整光源强度…………………………………………19
6.4照明系统改进方案参考文献………………………………19
附录……………………………………………………………………20
一、问题重述
眼睛是心灵的窗户，拥有一双明亮的眼睛，我们的心灵更透明，我们的世界更光明。
但据报道，目前全国青少年近视率平均达40%，已排名世界第二位，而大学生的近视率甚至高达70%以上。
照明协会专家直指光污染已经成为青少年视力下降的最主要祸首。
知名眼科专家储仁远教授指出，我国青少年近视率高的主要原因,并非是用眼习惯所致,而是视觉环境受到污染，光污染对人眼的角膜和虹膜造成伤害,引起视疲劳和视力下降。
目前影响青少年视力的光污染包括眩光、闪烁光、红外光、紫外光等，而“过强或过弱的照度实际上也是一种光污染。
”储仁远教授说，“不管在白天和晚间均需在合理选用光源和采光、布光的前提下，对于单位面积照度高低、光照的均匀度、舒适度,要有一定的计量标准,也同人们服药的剂量一样,要有一定的范围，而目前我们却往往忽视这个‘度’”。
目前我校的教学楼内多使用日光灯照明。
选择某教学楼（如教学西楼、教学东楼等）的一间教室，介绍该教室内的照明情况。
试建立数学模型就教室内灯光的
（1）照度、
（2）光照的均匀度等（3）对灯具安装、布局的合理性进行讨论。
对于影响视力的情况，提出（4）改进方案。
二、问题分析
据统计，学生大约有60%的时间是在教室度过的。
若教室照明环境不良，学生为了适应这种照明环境，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，学生容易近视，因此教室照明环境良好与否对预防学生近视至关重要。
另外，人机工程学研究表明，在作业过程中，视觉的应用最为重要和普遍，大约80%以上的信息由视觉得到，因此科学合理的照明环境可以提高工效。
这一理论同样适用于学生的学习：
良好的照明环境可以缓解学生的视疲劳，有助于提高学生的学习效率。
可见，对于预防学生近视保护视力，以及提高学生学习效率，改善教室光环境都是非常必要的。
目前，教室普遍在照度、照明均匀度和照明稳定性方面都存在一定的问题。
但消除教室照度、照明稳定性方面的问题相对简单，如要提高照度，需增加光源数量或者提高光源的功率，但这必然会增加能耗;
要提高教室照明的均匀度，仅通过改变照明方式并不能很好地解决此类问题。
对于问题一，需要考虑的问题是单一灯管的照度，加上反光板之后对于照度的变化影响。
对于问题二，要将问题一单一灯管的结论运用到整间教室的环境中，叠加照度之后，计算得出照明均匀度。
对于问题三，需要进一步考虑眩光，反光等次要因素，与前两问的因素综合考虑，提出教室照明的改进方案。
在现有的研究中，多采用的是分析理想化的点光源的照度与均匀度，并推广到线光源，再考虑反光板与教室墙壁的反光，眩光，亮度等较次要因素的因素的研究，但是对于如何量化突出主要因素的影响，弱化次要因素的影响，没有确切的算法应用案例，对于教室灯管布置方案的优化，需要考虑以上的问题。
为此，本文对如何优化和改善教室照度和均匀度，同时考虑到较次要因素进行了研究，提出了教室照明的优化改进方案。
三、符号说明
E：
照度。
F：
总光通量。
S：
发光面积。
I：
发光强度。
α：
平面法线方向与光源到A点连线之间的夹角。
l：
点光源O与被照明平面中心A的距离。
h：
日光灯距离所照平面的高度。
L：
日光灯管长度。
Φ：
日光灯的光通量。
f：
整条线光源的光源光通量密度（lm/m）；
e:
相对照度（lx/m2）。
e值，根据计算P点对灯具的相对位置，即e点的坐标，查相应的线光源的空间等照度曲线。
B：
光源的亮度（nt）；
ω：
光源的立体角（sr）；
P：
位置指数；
：
光源在眼睛上形成的直接照度和间接照度（lx）。
指定的照度。
A：
工作面面积。
n：
所需的灯数。
PHI：
所用灯型的光通。
UF：
工作面的利用系数。
四、模型假设
假设一：
考虑实际情况复杂，所有研究日光灯的模型均不考虑室外自然光的影响，即不考虑自然采光情况。
假设二：
将教室内的日光灯灯光抽象成线光源。
假设三：
教室中所有日光灯的规格均一致，且工作状态稳定。
假设四：
教室内所有墙壁的相对反射系数均相同，且不考虑黑板上方灯光对前排学生视觉以及前排灯光强度的影响。
假设五：
假设教室内人员视力水平一致。
假设六：
不考虑教室四壁和天花板对教室中所取的被照研究点的影响。
五、模型的建立与求解
5.1教室灯光设计标准
（一）照度水平
1º
照度标准
在规划一座现代化的校舍或者扩建一座现有的教学建筑时，应对各类教学场所进行一定的合理设置。
根据现行的照度标准对应其室内功能才能收到良好的效果。
尤其是学校里不同规模的阶梯教室和多功能厅室，便应在现行照度上提高一个档次，或在灯具布置和控制方面留有余地。
2º
均匀度标准
设计实践表明，学生视场内的照度应达到足够的均匀度。
特别是在教室中，课表桌面的照度均匀程度非常重要，当然绝对均匀的照明是难以实现的，但是如果空间的最小值和平均值的比值α≥0.7时，这样的均匀度被认为是可以接受的。
黑板上的照明均匀度β应满足≥0.8的要求。
（二）空间亮度分布
当师生的眼睛从一本书（一个亮度区域）移到黑板（另一个亮度区域）时，视觉器官立即调节到适应新的亮度水平。
当两个区域的亮度水平相差很大时，要使眼睛完全适应新环境就会有相当长的时间。
若亮度差别过于悬殊，瞳孔必须急骤变化来适应新的视觉环境。
如此反复的大起大落就会引起视觉疲劳，甚至导致眼睛发干发酸，长此以往对人的视觉影响很大。
为了避免这种现象，在面积大和要求视觉功能良好的地方，应当使亮度比保持在所规定的界限之内（在工作区不小于1/3，在整个教室不小于1/5），从而在教室里取得和谐舒适的照明效果。
（三）眩光限制
当学生视野内的亮度不过分高的话，视觉感到舒适，高亮度会使人走神，甚至降低能见度，室内不设窗帘，阳光透过窗户而入，尤其是接近正午的直射光造成部分高亮度的区域，而产生眩光，这种现象可运用于窗帘、百叶窗等透光率较低的材料来加以控制。
普通教室
日光灯的纵向布置，即灯具的长轴平行于学生的主视线并与黑板垂直，可减少眩光区和光幕反射区的范围，若条件必须要求将日光灯布置与黑板平行，则应该为日光灯配备特殊的灯罩以减少各种眩光。
2º
黑板照明
黑板灯不应对教师产生直接眩光以及对学生产生反射眩光。
应合理确定各灯具的悬挂高度以及与黑板的距离。
若教室内不可设置一般照明灯具，这会造成黑板上的垂直照度很低，均匀度很差。
因此对黑板宜采用具有非对称光强分布特性的专用灯具，在学生一侧的保护角应γ>
40º
，使教师及老师不感到直接眩光。
5.2单一灯管照度模型
5.2.1照明设计理论
由下方点光源照度物理模型进行分析，根据物理学公式，可以得出：
E=dF/dS=Icosα/L²
（1）
其中的照度，表面上一点的照明强度，等于入射到该表面包含这点的面源上的光通量与面元的面积之比。
5.2.2单一照明模型
由于实际情况，我们在研究单一光源对象时，将每个灯具内的两支灯管视为一个整体，即视其为合光源。
并且将教室光源的灯管抽象成线光源。
查找资料知线光源光强分布曲线如下图1所示。
图1线光源光强分布
5.2.2.1不考虑灯罩影响
以作业面为xoy平面建立空间直角坐标系，空间中有一日光灯源且其作用范围内无反光片，示意如图2所示：
图2单一日光灯的空间模型
日光灯上各点的位置是（1,0,h）对于地面上一点（x,y,0）。
由微元发可得到灯管上每一微小段（可以视作点光源）在该点的照度：
（2）
（3）
（4）
对整个线光源上个点进行积分，得到线光源AB对P点所产生的光照度总和：
（5）
5.2.2.2考虑反光片影响
在现实照明中，我们往往会在日光灯的上方安置灯罩。
给光源安装上灯罩是为了加强其在某个方向上光通量的输出，在有灯罩的情况下计算控件中某一点的光照度等于该点的直射光照度加上反射光照度。
而无灯罩的情况下，灯管光源强度的计算只用考虑直射光照度，故我们需要计算出反射光照度。
在教西的实地教室调研中，我们发现所研究的灯管上方有一拱形金属片起到了反光的效果，类似于常见蝙蝠翼式灯罩。
这样一来，实际中的光线反射作用会使日光灯射向下方的光通量增大一些。
继而使得计算出的数据要比实际小一点。
综合考虑下列因素:
1．考虑空间内各个光源对所取点的光强叠加；
2．定量设置灯罩对于光源照度的影响；
3．考虑维护系数，涉及到光源使用期限对光源的影响以及实际各大因素所造成的光通量的损失。
综合以上因素，得出线光源照度模型：
E=f.e.Kρ/1000.h（6）
其中Kρ是定量分析的灯罩对光源的影响。
5.2.2.3模型求解
对于两个关于单一光源所做出的光照度模型，对（5）（6）式编写模型来进行求解，并得出光照度曲线图，下图3,4。
图3有无反光板的情况下照度分布曲线
图4有无反光板的情况下照度分布三维图
得出结论，灯罩（反光片）的存在有着明显的反射作用机理，使得日光灯光通射向下方的管理明显增大。
5.3照明均匀度模型
5.3.1建立模型的理论依据及假设条件
建立模型的理论依据
光源在某一方向上的发光强度被定义为单位立体角内的光通量，可用来表示光通量的大小。
发光强度只取决于光源光通量密度的分布，与距离无关，也与外界条件无关。
照度是被照体表而每单位面积所接收可见光的光通量，即光通量与表面积的比值。
1）存在单个光源（球形灯）时的照度计算
若发光强度为Icd，则所发出的总光通量为4πI流明。
在以光源为中心、半径为r的球面上（球面总面积4π
），每单位面积上的照度为
（7）
即被照而与光源距离为r处的照度为
。
2）存在多个相同光源（球形灯）时的照度计算
由于照度是标量，可直接相加，因此当存在多个光源时，被照面上的照度值为每个光源单独存在时的照度的代数和，即对每个e求和，则有
（8）
（9）
第（9）式中:
x、y、z为被照点的坐标;
ai、bi、ci为第i个光源的坐标。
（二）建立模型的假设条件
1）计算时将荧光灯视为点光源。
2）不考虑教室四壁和顶棚反射光对教室中被照点的影响。
3）将每个光源的发光强度都设为1cd。
由于将发光强度设为1cd，虽然最小值与平均值和实际情况相差很大（实际光源的发光强度远远大于1cd），但照明均匀度为最小值与平均值的比值，最终计算结果中发光强度是被消去的，因此并不会影响根据照明均匀度得到的结论。
5.3.2教室的光源分布
普通教室大小为12m（长）×
7m（宽），则光源布置为12点光源，距离地而高度4m，桌而距离光源高度3.3m。
光源平面排布如图5所示，每一列光源之间的距离为3.3m，每一行光源之间的距离为1.6m。
图5教室的光源分布图
5.3.3对教室照明情况进行模拟
（一）模拟程序（见附件）
（二）模拟结果及分析
运行模拟程序得到的模拟结果见图6
图6教室桌而照度分布立体图
由图3可以看出:
中间高出的红色部分为教室照度值高的区域，四周较低的蓝色部分为教室照度值低的区域，可见照明均匀度约为0.76。
对此分析如下:
由于教室中同一平面内各被照点的照度是各个光源在这一点的照度的叠加，照度与光照强度（I）成正比，与距离光源的平方（r2）成反比，而教室中12个光源的发光强度（I）相同，因此照度大小只与距离相关;
中心区域由于距离各个光源的距离都相对较近（即r2比较小），因此叠加后的照度值很高，而四周区域距离一个或几个光源较近，所以叠加后的照度值较低。
5.4模型三：
设计方案模型
5.4.1教室灯光设计的标准
1）照度标准
在规划一座现代化的校舍或改扩建一座现有的学校建筑时，应对各类教学场所进行合理的设置。
根据现行的照度标准对应其室内功能才会收到良好的效果。
尤其是学校里不同规模的阶梯教室和多功能厅室，便应在现行照度上提高一个档次，或在灯具布置和控制方面留有余地。
2）照度均匀度
特别是在教室中，课桌表面的照度均匀非常重要，当然绝对均匀的照明是难以实现的，但是如果空间内的最小值和平均值的比≥0.7时，这样的均匀程度被认为是可以接受的。
黑板上的照度均匀度应≥0.8。
当师生的眼睛从一本书（一个亮度区域）移到黑板（另一个亮度区域）时，视觉器官立即调节到适应新的亮度水平。
当两个区域的亮度水平相差很大，要使眼睛完全适应新环境就会有相当长的时间。
若亮度差别过于悬殊，瞳孔必须急骤变化来适应。
反复的大起大落极易引起视觉疲劳而发酸发干，长期这样将会引起近视。
为了避免这种现象，在面积大和要求视觉功能良好的地方，应当使亮度比保持在所规定的界限之内（在工作区不小于1/3，在整个教室不小于1/5），从而在教室里取得和谐舒适的照明效果。
当学生视野内的亮度不过分高时，视觉感到舒适，高亮度会使人走神，甚至降低能见度，室内不设窗帘，阳光透过窗户进入，尤其是接近正午的直射光造成部分高亮度的区域，而产生眩光，这种现象可运用窗帘、百叶窗等透光率低的材料来加以控制。
1）普通教室
荧光灯的纵向布置，即灯具的长轴平行于学生的主视线并与黑板垂直，可减少眩光区和光幕反射区，若条件必须要求将荧光灯布置与黑板平行，则应该为荧光灯配备特殊的灯罩以减少各种眩光。
2）黑板照明
应合理确定灯具的悬挂高度及与黑板的距离。
若教室内不可设置一般照明灯具，这会造成黑板上的垂直照度很低，均匀度差。
因此对黑板宜采用具有非对称光强分布特性的专用灯具，在学生一则的保护角宜＞40°
，使教师及学生不感到直接眩光。
5.4.2教室照明设计
在对教室采光的设计方面，我们着重考虑了以下条件
（一）满足采光标准要求，保证足够的亮度
根据设计亮度要求可求出所需灯管的数目：
（10）
由（10）式，可以得到若要为普通教室照明平均照度达到150lx，必须安置18-20盏荧光灯。
因此，模型二中我们每排用四盏灯，得出的结果与18－20盏灯的要求十分吻合。
我们的模型也是十分合理的。
所以，在设计教室灯管数目及排布的时候，先算出教室中所需要的灯管数目，再对其进行排布。
（二）均匀的照度分布
为使工作面照度处于比较均匀的状态，要求做到：
1）局部工作面的照度值最好不大于平均值的25％（CIE指南）。
2）一般照度中的最小照度与平均照度之比规定在0.7以上
（三）避免眩光
对不舒适眩光有许多评价方法，根据国际照明委员会提出的眩光指数（CGI）计算方法，有如下计算式：
（11）
式中
光源的亮度（nt）。
光源的立体角（sr）。
P：
位置指数。
：
分析上式我们得出下面的结论：
1）光源的亮度越高，眩光越明显；
2）光源的位置越接近视线，眩光越显著；
3）光源表观面积越大、光源数目越多，眩光越明显；
4）周围的环境亮度越暗，眼睛的适应亮度很低，眩光也就明显。
5.4.3影响照明质量的各个因素的综合评价
模糊数学的层次分析法是系统工程中对非定量事件作定量分析时常采用的一种简便方法。
此法确定权重的原理是借用层次结构模型中的任一层次上各因子两两比较,构造比较判断矩阵,然后求解而得权重[3～5]。
因模糊数学方法有严格的逻辑性,故可以对确定的权重进行滤波和修复处理,从而尽可能地剔除了主观成分,所以其确定的权重符合客观事实。
（1）确定目标和评价因素集U
（2）构造判断矩阵
以A表示目标,iu表示评价因素,（i=1,2,3,…,n）.
表示
对
的相对重要性数值（j=1,2,3,…,n）,
的取值依表1进行.
表1黑板照明灯具的位置和高度
根据上述符号的意义得判断矩阵P
矩阵P称之为A—U判断矩阵。
（3）计算重要性排序
根据A—U判断矩阵,求出最大特征方根
所对应的特征向量ω.所求特征向量即为各评价因子的权重分配.
对其进行归一化，即得
的权重
:
（4）检验
得到的特征向量即为所求权重.权重分配是否合理,需要对判断矩阵进行一致性检验.检验使用公式为:
CR=CI/RI（12）
式中：
CR—判断矩阵的随机一致性比率;
CI—判断矩阵的一般一致性指标,它由下式给出:
（13）
RI—判断矩阵的平均随机一致性指标,对于1～9阶判断矩阵的RI见表2。
n
1
2
3
4
5
6
7
8
9
RI值
0.00
0.58
0.90
1.12
1.24
1.32
1.41
1.45
表2平均随机一致性指标RI值
当CR<
0.10时,即认为判断矩阵具有满意的一致性,说明权重的分配是合理的;
否则,就要调整判断矩阵,直到取得符合的一致性的要求为止。
5.4.4设计照明质量的层次分析检验
（1）建立层次结构模型
目标层：
合理分布教室照明质量。
对象层：
照度（
），照度均匀度（
），眩光（
），闪烁光（
），物体和背景的亮度比（
）
（2）构造成对比较矩阵
经过检验，得出归一化后的五个影响因子的权重：
ω=（0.8560,0.4475,0.2572,0.0485,0.0932）
因此，得到各个因素权重为：
）：
0.8560，照度均匀度（
0.4475，眩光（
0.2572，闪烁光（
0.0485，物体和背景的亮度比（
0.0932
六、优化方案
6.1应用LED光源方案
考虑到目前校园教室内照明灯具的单一，以及常用照明灯具所存在的光源老化、灯具污染、房间污染等问题，我们计划对现有照明格局进行一定的改变。
LED光源作为目前目前新兴的照明用具，具有高光效、长寿命、维护成本低等一系列优点。
在保持传统光源的教室基层上，应用一些低色温的LED光源，并且针对黑板照明应该加入专门的黑板灯具，以使教室照明效果达到最优，双端荧光灯和双端LED灯管的配光曲线如下图所示。
图7双端荧光灯和双端LED灯管的配光曲线示意图
6.2黑板照明灯具安装优化方案
眩光的出现会不同程度的影响接受者的视觉效能，因此我们要对教室实际情况下的炫光现象进行一定的优化，以保护接受者的视觉效能。
考虑到实际灯光的炫光效果，需同时顾及到对光源高度的限制，光源的合理分布以及教室光照亮度对比，并且在此基础上注意灯具的安装布局，还需要考虑到一定的保护角，观察点的眩光角度区域如图8所示。
图8观察点的眩光角度区域
首先，灯具安装要与黑板垂直。
其次，为了不受眩光干扰，老师在授课的时候，黑板所配备的的照明灯具应该安装在学生水平视线45º
仰角以上位置。
黑板照明要求照射黑板的灯具光源不能直接射入学生的眼中而产生直接眩光，也不能受到照射黑板所产生的反射眩光的影响，还要考虑到不能是老师在面对学生和面对黑板时分别产生直接眩光与反射眩光。
为了同时满足老师和学生的照明需求，黑板灯具应采用非对称配光型的斜照型荧光灯具，下表3是黑板照明的参数。
从地面到光源的高度h/m
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
3.2
3.4
从黑板到光源的水平距离l/m
0.6
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