基于人因工程的教室照明设计

基于人因工程的教室照明设计小组成员：余琳张舒悦陈钧剑翟瑞胡旺指导老师：石欣学院：自动化专业班级：09物流工程01班基于人因工程的教室照明设计1、问题研究的背景科学合理的光环境对学生的学习生活是相当重要的，它不仅影响学生的学习效率，更重要的是对学生的眼睛也有很大的影响，特别是近年来学生近视处于居高不下的现状，教室照明存在的问题也备受广大家长和学生关注，于是我们通过对人因工程的学习，对中国计量学院教室日光灯照明进行了初步分析和研究，意在挖掘教室照明存在的问题并对此提出一些改进措施。2、需求分析现今社会,我们大部分人都要经历从幼儿园到大学近二十年的校园生活阶段,而在学校的绝大部分时间是在教室度过的。因此，学校教室采光照明设计便显得尤为重要。不合理的光照设计，不仅对学生的视力有害，也在很大程度上影响了学生的学习效率，同时也可能会给学生及教师造成不必要心理上的负担。研究表明，视觉功效是用来反应人借助视觉器官完成视觉工作的能力和效率的，它以完成视觉作业的速度和精确度来评价视觉能力，照明环境的好坏与人的视觉功效息息相关，而视觉功效是伴随人的心理、生理等生物效应指标来反应的。学生在教室的课业学习主要是视知觉活动和高级神经活动的过程。这期间，不论阅读或是参看教师展示的板书等内容，都受到光照环境的影响。研究教室的光照设计，主要有以下几个目的：（1）使学生有良好的视觉感受，保护学生视力在不合理的光照条件下，人眼会受到伤害，过强或过弱的光照都给眼睛带来不必要的负担。保证必要、适宜的照明质量，给学生提供舒适、准确的视觉条件，可以减少眼部疲劳，预防近视。在学生近视率不断攀升的今天，研究光照条件对人眼视力的影响，其重要度不言自明。（2）提高学生的学习效率如果照明环境不当，视知觉活动时人体的瞳孔和血压脉搏心率等生理指数就会发生不性变化，产生视觉疲劳，并引起脑力工作能力下降，导致视觉作业绩效的降低(如作业错误率增加、完成速度减慢、质量降低等)。相对的，在合适的照明环境下，学生不论生理或心理的感受都更舒适，这将有益于学习效率的提升。（3）帮助教师改善教学质量教室照明环境同时影响教师的教学。如教师讲课时必须向学生展示的板书，多媒体课件等，展示的内容都受到室内光照的影响。教学内容能否很好地展示给学生，直接关系到教学质量的好坏。如何设计照明工具和采光设施都成为很重要的课题。（4）调节师生教学过程中的不良情绪长时间处于不适宜的光照条件下，人的心理舒适度降低，会产生焦躁，注意力不集中等现象。这一点对师生都有负面的影响。因此，研究如何布置合理的照明工具，也是调节教师和学生在教学过程中的心理感受的重要手段之一。3、教室光环境的影响（1）使学生有良好的视觉感受，保护学生视力必要、适宜的照明质量，给学生提供舒适、准确的视觉感受，减少眼部疲劳，预防近视。（2）提高学生的学习效率如果照明环境不当，视知觉活动时人体的瞳孔和血压脉搏心率等生理指数就会发生变化，产生视觉疲劳，并引起脑力工作能力下降，导致视觉作业绩效的降低(如作业错误率增加、完成速度减慢、质量降低等。（3）帮助教师改善教学质量教室照明环境同时影响教师的教学，如板书，屏幕显示的内容能否很好地展示给学生，直接关系到教学质量的好坏。（4）调节师生教学过程中的不良情绪长时间处于不适宜的光照条件下，会产生焦躁，注意力不集中等现象，对教学造成负面的影响。4、目前教室照明主要存在的问题（1）教室照明并没有很好地参照国家标准配置灯具。安装,维护质量不理想。例：5教一些教室灯管损害后更换不及时，而有些教室吊灯亮度不一（质量问题），影响了学生的上课与自习。（2）教室内灯具分布不合理,造成同一教室桌面照度均匀度差〔南、北教度差则更大〕。例：5教教室靠窗自然光亮度较高，而灯具分布均匀，且由于开关设计原因不能控制单个灯管开关，造成教室靠窗一侧光照强烈，使学生看黑板时不舒适。（3）新建学校,教室亮度太高。而老学校教室灯管老化后，亮度严重下降，但没能得到及时更换。例：虎溪新校区的一些教室灯管亮度过亮，且灯具分布密集，造成教室亮度过高，使学生容易产生眩晕感，令教师站在讲台上面向学生时因光照强烈而感到不适。（4）靠窗一侧光照问题，白天太阳光直射学生桌面,反光加剧疲劳，严重影响教室的视觉环境,等等。例：虎溪综合教学楼外侧教室靠窗一侧在夏季光照强烈，而且直射学生面部，拉上窗帘又影响通风，使学生极为不适。（5）没有设专用黑板灯，或黑板灯装设不规范，如用普通的简式荧光灯当做黑板灯，不仅黑板照度低，视见度低，学生在观看黑板时，还可看到灯管的直接眩光，极易引起视觉疲劳。（6）一般都采用软吊，灯具又安装在吊扇的上方，吊扇与灯光同时开动时，存在严重的灯摆、灯光晃动的现象；例：夏季风扇工作时，扇叶转动造成光影重叠，在晚上尤为明显，影响学生自习质量。5、研究内容（1）光：是一种电磁辐射。可见光是电磁辐射的一部分，电池辐射包括微波、红外、紫外辐射、x射线和γ射线。在这些电磁辐射中，只有可见光波段是眼可见的。可见光波段包括波长380-780纳米（1纳米=10-9米）的电磁波段。可见范围之内，眼睛的敏感度随波长的变化而强烈变化。例如，在很好的照明条件下（明视觉），眼睛对550nm波长的光（黄光）的敏感程度是红光或蓝光的20倍。在低照明水平下（暗视觉）敏感度的峰值下降为500nm，接近于光谱的蓝光一端。（2）光通量：光源每秒钟发出的光的总量。光通量表示的是光源发光的能力，类似于抽水机的流量，抽水机的流量越大，表示抽水机的抽水能力越强。同样，光通量越大，表示光源发光能力越强。（3）光效：某一光源发出的光通量与其消耗功率的比值。光效表明光源发光的效率，也就是说，每消耗1瓦电功率，能产生多少流明的光。这是一个与节能有关的指标，光效越高的光源越节能。（4）光强（Iv,I）：光源在给定方向上的单位立体角中发射的光通量。光强表示的是光源（点光源）有多亮，是光源本身的特征，与观察者离光源的距离无关。同一灯具，在不同方向的光强是不同的。（5）亮度（L）：光源在某一方向上的亮度是光源的单位面积、在该方向上单位立体角中发射的光通量。亮度是对于面光源的一个特征指标，这个面光源通常是一个反光面，也可以是发光面（如荧光灯的表面，或灯箱的表面）。它表示这个发光表面有多亮。与光强一样，也是与观察者离光源的距离无关。显然，发光面的面积越大发光能力越强，为了准确表示发光面的特征，所以用单位面积的光强来表示发光面有多亮。（6）照度(E)：照射到表面一点处的面元上的光通量除以该面元的面积。通俗一点说，若1流明的光通量均匀投射在1平方米的面积上，那么这个面上的照度就是1勒克斯。照度表示被照物体照得有多亮，它是照明设计中一个重要的指标，照明设计中对不同的场所和不同的工种要求的照度不同。（7）光的方向性和扩散性：由于光照射到对象上的方向不同，在对象上产生的阴影、反射状况和亮度分布也不相同，从而会使人产生满意和不满意两种情况。1、满意的状态对于需要清楚表现出室内人和对象物形态的立体视觉工作对象，当形成事宜的阴影时，则可改善其可见度。为此，光不能从几个方向来照射，而几乎是由一个方向照射来实现，而且当立体的明亮部分同最暗部分亮度比为3:1时，是形成立体感的最理想的照明条件。2、不满意的状态当视觉工作对象产生阴影时，则使对象的亮度和亮度对比降低。在工作面上产生手或身体的阴影，或者人脸由逆光照明所形成的阴影，都不能令人满意。如将照明器做成扩散性的，并在布置上加以注意，可防止产生这种现象。（8）眩光：由于亮度分布或范围的不合理分配或空间或时间上的强烈反差，而引起的不舒适视觉条件或观察能力的下降。下图中，工作者前方水平方向上下150范围内射向眼睛的光如果比背景光强时，就会感觉刺眼，这就是眩光。因此，眩光应该尽力加以避免和限制。对于由天然光或强烈的人工光源而引起的直接眩光，可以通过减少引起眩光的高亮度的面积；增加视线和眩光源间的角度；提高眩光源周围地区的亮度等方法来加以限制。对于由视野内的天花板、墙壁、机器或其他表面反射而产生的反射眩光，则可以通过降低光源亮度、改变光源位置或改变作业对象的位置，使反射眩光避开观察者的眼睛；或变更反射物体表面的性质，使之不产生或少产生反射；也可以提高周围环境亮度，以减少反射物与周围环境之间的亮度对比来限制反射光。眩光限制等级表8.灯具的种类及相关参数8、教室的照明的国家标准(GB7793-87)：（1）凡教室均应装设人工照明。（2）教室课桌面上的平均照度值不应低于150lx，其照度均匀度不应低于0.7。（3）教室黑板应设局部照明灯，其平均垂直照度不应低于200lx，照度均匀度不应低于0.7。（4）教室照明宜采用荧光灯。（5）为了减少照明引起的直接眩光，教室不宜采用裸灯照明。灯具距课桌面的最低悬挂不应该低于1.7m。灯管排列宜采用其长轴垂直于黑板面布置。对于阶梯教室，前排灯不应对后排学生产生的直接眩光。（6）照明设计计算照度时，照度补偿系数取1.3。6、论证过程1．设计的方案的原则（1）合理的照度平均水平，同一环境中，亮度和照度不应过高或过低，也不要过于一致而产生单调。（2）光线的方向和扩散要合理，避免产生干扰阴影，但可以保留必要阴影，使物体有立体感。（3）不让光线直接照射眼睛，避免产生眩光，而应让光源线照射物体或物体附近，只让反射光线进入人眼，以防止晃眼（4）光源光色要合理，光源光谱要有再现各种颜色的特征。（5）让照明和色相协调，是气氛令人满意。（6）创造理想的照明环境不能忽视经济条件的制约，因而必须考虑成本。2、设计方案的方案（以重庆大学第五教学大楼为例）：（1）黑板灯具：选择单管小格栅灯具最佳，安装于黑板正上方。（2）照明灯具：选择40瓦左右的日光灯为教室照明灯具为最佳，具体的数量可有教室面积确定（一般在6~12盏），采取两列或者四列的布置方法为宜。（3）其他：教室的窗帘及玻璃建议选用深色为主，以此减少自然光对教室灯光的干扰。参考文献《人因工程》孙林岩；《几种照度计算方法和改进》李运江等2003；《数学实验》李继承等；《照明优化方案浅谈》汪钢；附录