江苏新广联光电股份有限公司　胡锡兵　张琦　华利生　杨华利　李首伦

欧司朗光电半导体(中国)有限公司　李静静

中认尚动(上海)检测技术有限公司　程敏

摘　要：关键词：教室光环境　照明质量　UGR　视觉指标

引言

教室环境中提供舒适的照明质量可以提高学生的学习效率，减少视觉疲劳，利于维护师生健康。评价照明质量的指标可以分为视觉维度^[1-2]和非视觉维度^[3-4]，其中，就现有照明发展技术水平以及学科跨界程度来说，视觉维度评价指标更切合当下的工程实际。视觉评价指标包括照度、照度均匀度、眩光、色度、光度学参数等等。在进行教室照明设计时，通过改进灯具、照明设计条件或者优化环境等来抑制眩光十分必要。统一眩光值（Unified Glare Rating，UGR）^[5-7]是照明规范中常用于评价室内照明环境不舒适眩光的指标。本文着重研究标准教室场景中UGR的一些干扰因素。

1　UGR的影响因素

UGR是度量室内视觉环境中照明装置发出的光对人眼造成不舒适感主观反应的参量，UGR的测试结果一个系统的工程。其涉及到很多因子影响，比如:空间大小、背景亮度、观察者方向每个灯具的亮度、每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角、每个单独灯具的位置指数等。且这些因子相互作用、互相影响，最终牵动着UGR的测试值。图1为UGR的计算示意图

图1　UGR的计算示意图 

 式中：：观察者（测点）方向第i个灯具的亮度值（cd/㎡），；

 观察者方向第i个灯具的光强（cd）

背景亮度（cd/㎡），关闭被测灯具后所测得的亮度值，；

 观察者方向的间接照度（lx）；

 第i个灯具的位置系数，从观察者到灯具中心的距离，第i个灯具距离观察者水平面的垂直高度；

  第i个灯具距离观察者的水平距离；

  第i个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角（sr）

灯具发光部分对观察者眼睛所形成的投影面积；

以观察者位置为圆心的、半径为P的圆球形表面积，。

从UGR公式可以看出其关联因素，也为UGR改善提供了思路。

2　案例

基于DIALux照明设计软件，对UGR的影响因素进行参数化分析，选取标准教室并DIALux建模以及输入条件的设置。

所选标准教室的基本信息见图2和表1。

图2　标准教室示意图

表1　标准教室环境参数

通过改变各种照明设计条件、环境参数以及灯具参数等输入变量，以UGR为主要的优化变量，并以课桌面的平均照度、照度均匀度为基本前提。在这种情况下进行模拟计算并分析。

2.1　UGR测点的确定

参考GB50099《中小学校设计规范》、CQC16－465199－2020《教室优质照明光环境认证规则》、DB31/T539－2020《中小学校及幼儿园教室照明设计规范》等标准［8］，确定UGR测点位置，最终DIALux模拟测点为0，0.3，0.5，0.64，1.1，1.2m六个位置。如图3所示。

图3　UGR测点布置图

本案例的模拟分析中，以教室课桌面维持平均照度450lx、照度均匀度0.86为先决条件，进行UGR的计算。

2.2灯具上照光对UGR的影响

其他照明设计等条件不变的同时，将教室灯具下照光通量保持恒定，改变上照光光通输出比值，分别为0、10%、20%、50%、100%，求解UGR值。

图4教室灯具上照光对UGR的影响

从图4可以看出，随着上照光比值的增加，UGR呈下降趋势。以1.2m处UGR值变化来看，上照光10%时，UGR降低2.6%；上照光20%时，UGR下降5.3%;上照光50%时，UGR下降11.8%;上照光100%时，UGR下降19.7%。从前述UGR的公式来看，增加背景亮度将会改善环境UGR，而增加上照光有利于增加背景亮度。

2.3　书写板灯的开关状态对UGR的影响

分别以在书写板灯开与关两种状态下，计算各点的UGR。

图5　书写板灯开关状态对UGR的影响

从图5可以看出，书写板灯关闭状态下，UGR呈下降趋势。以1.2m处UGR值变化来看，下降5.7%。书写板灯点亮与关闭状态将影响前墙的表面亮度，进而影响到UGR。

2.4　有无窗帘对UGR的影响

评估有无窗帘对UGR的影响，还需考虑窗户大小，即窗帘面积，还有窗帘的反射系数等，这也是决定对UGR影响大小的关键因素。

图6　有无窗帘对UGR的影响

从图6可以看出，有窗帘时，UGR相较于无窗帘时要低，本案例中，窗户玻璃反射系数为7%，窗帘反射系数为70%。以1.2m处UGR值变化来看，下降2%。布艺窗帘相较于墙面反射比者玻璃来说，在反射比反面存在一定的差异，将带来表面亮度的改变，进而影响到UGR。

2.5　灯具安装高度对UGR的影响

教室灯具安装高度分别取2.4，2.5，2.6，2.7，2.8，2.9m五种情形进行模拟分析。

图7　灯具安装高度对UGR的影响

评估教室灯具安装高度对UGR的影响，与UGR测点选取有密切关系。从图7可以看出，随着灯具安装高度的变化，教室光环境中UGR会随之变化，从结果可以看出，随着灯具高度的增加，UGR呈减小趋势。教室灯安装高度与UGR测试点的位置角密切相关，根据UGR公式，位置角是影响UGR的因素之一。

2.6　改变反射系数对UGR的影响

评估墙面或者窗帘的反射系数对UGR的影响，根据GB50099《中小学校设计规范》中规定，教室墙面反射系数限值如表2。

表2　教学用房室内各表面的反射比值(GB50099)

本案例中，仅仅以反射系数的环境实测值以及标准规定的上下限值为输入条件进行模拟计算，如表3。计算结果如图8。

从图8可以看出，环境墙面的反射系数对UGR的影响较大。以1.2m处UGR值变化来看，以上述反射系数3设置相较于反射系数1设置时，UGR下降24.1%。墙体的反射系数直接决定着表面亮度，进而影响到UGR。

表3　标准教室的3种反射系数设置

图8　改变反射系数对UGR的影响

2.7　配光曲线对UGR的影响

灯具本身对UGR的影响表现在表面亮度、配光曲线以及发光状态等几个方面。本案例分别以如表4中三种配光曲线为输入条件进行模拟计算。

表4　三种配光曲线

图9　配光曲线对UGR的影响

从图9可以看出，配光曲线二对UGR影响不大，配光曲线三对UGR影响较大，相对于配光曲线一来说，UGR下降4.8%。配光曲线将决定着光的空间分布，与空间亮度切切相关，进而影响到UGR。

3　展望

本文基于DIALux分析UGR的干扰因素，获得了一些有益的结论，得出了环境UGR受照明设计、灯具配光、视野内各种亮度以及对比度、环境反射比、位置等因素影响的一些定量化结论。经模拟优化，发现UGR并非单一与灯具参数，比如配光曲线、光通量等有关，还与安装的环境参数有关。关于教室照明的现行标准，都是针对其中单个点进行UGR的测量与分析，并认为是UGR最糟糕的点，这样的简化方式的确具有很强工程意义，然而，不一定能全面反应教室光环境中的UGR，比如标准教室环境中，需要关注每个学生的眩光感受，这就需要评估多点UGR，其本质上属于多目标优化问题，干扰因素将会更加复杂，需要进一步探讨。

参考文献

[1]华文娟,伍晓艳,姜旋,等.教室光环境改善与中小学生视力变化的关系[J].中华预防医学杂志,2015,49(2):147-151.

[2]翁梓馨,保文宇,林燕丹,等.教室光分布对视觉绩效及视觉感受的影响[J].照明工程学报,2019,30(3):1-6.

[3]黄海静,陈纲,严永红.教室照明条件下瞳孔大小变化规律[J].重庆大学学报,2013,36(1):140-144.

[4]关杨,严永红.改善学生亚健康的教室环境动态照明研究进展[J].照明工程学报,2019,30(3):19-23+33.

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[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑照明设计标准:GB50034-2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[7]中国质量认证中心.中小学校及幼儿园教室照明产品节能认证技术规范:CQC3155-2016[S].2016

[8]姚迎宪,华利生.对《CQC3155-2016》中照度标准的一些看法和建议[C]//中国LED照明论坛论文集.2018:138-141