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教室照明环境设计实务与应用
从人因工程看自然光与人工光的互补

【作者: 趙偉成,姜雅惠】2014年08月05日 星期二

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背景、动机与目的

教室照明系统应以人为中心设计,同时考虑视觉效应、生理效应及心理效应,如图1所示,教室照明质量优劣将影响视觉舒适度、心理情绪、生理状态、专注力及学习绩效等。因此,中华民国国家标准CNS12112与国际ANSI于IESNARP-3-00 Lighting for Educational Facilities分别针对教室照明之照度、均匀度与眩光质量提出建议与规范。


然而,根据教育部于民国101年所发行学校照明节能改善参考手册与本研究于台湾教室场域光质量实境调查显示,在视觉方面,校园教室照明通常因为刺眼之眩光、闪烁的光线、照度不足、蓝害及日光与人工光并存等因素,造成视力衰退或损害,以及近视急速上升等视觉上的问题。在生理方面,人类在白天与夜间所需的照明条件不同,白天需要让人警醒的照明条件,夜间则需要让人放松的照明条件。因此,教室照明环境应搭配生理时钟调控不同生理刺激的人工光照明。


图一 : 现有学校照明融合日光与人工光
图一 : 现有学校照明融合日光与人工光

根据文献回顾可知,光源强度会影响人的视觉感受,光源频谱会影响人的生理状态,为开发教室照明所需的高色温(高觉醒)低蓝害(低视网膜伤害)光源,本研究利用LED具备频谱可控优势,以同色异谱原理设计出较传统T8光源具高觉醒与无蓝害之健康教室光源-健康安全双色温LED T8光源,白天建议使用色温6500K之0级蓝害LED特殊频谱光源,此光源不但具高发光效率120lm/W,且经过人因测试证实具高专注力、低视觉疲劳功效,夜间照明则是建议使用色温3000K之LED特殊频谱,此频谱经过人因测试证实具备低生理刺激、高工作绩效。


除此之外,教室光环境并存日光与人工光,不当日光会造成均匀度不佳、高眩光,容易产生视觉疲劳,本研究利用LED人工光容易调控明暗优势,可依照日光动态变化而主动调控不同光强度人工光照明,以便控制照度与均匀度之稳定性,且透过此人工光适当调控机制,约可达到23%节能效果。



图二 : 日光采集系统能够节约照明消耗能源
图二 : 日光采集系统能够节约照明消耗能源

然而,LED光源指向性高,可依光环境需求设计不同配光角度,教室光环境因不同位置观看黑板之视角不同,容易产生眩光质量不一,本研究针对LED灯管半周光发光特性,选配示售不同灯具系统,控制LED灯具系统发光角度,达到教室不同位置之眩光质量


最后,为验证本研究设计开发之健康LED智能教室照明系统可落实于学校场域,特别于大叶大学建置示范应用点,并进行一般照明与此照明之使用满意度人因测试,此兼具健康人因、智能与节能之LED教室照明系统,提升教室照明质量,减少长时间学习因照明质量不佳引起视觉与生理疲劳,并同时达到节能功效。


研究方法

本研究实施可分成两个起始点:


起始点1:先测试现有教室光环境质量,并找出尚未满足的需求。


起始点2:设计开发无蓝害与健康LED光源,并规划应用于教室照明,之后再针对现有教室光环境质量不佳问题,提出技术与改善对策,需要改善内容大致包含:开发符合健康与安全之LED双色温灯具系统、建构日光仿真模型、设计仿真LED照明配光满足无眩光之教室光环境、设计仿真日光与人工光共存之智能照明调控系统设计开发,最后在进行学校教室照明人因测试分析与比较,确定本研究开发之LED智能教室人因照明系统具备健康人因、智能调控与节能功效。


起始点1

1.先测试现有教室光环境质量,并找出尚未满足的需求

为了解台湾学校照明现况急需改善的问题,本研究先进行现有教室光环境质量调查,然后将调查数据与国内、外教室照明相关规范比较分析。现有教室光环境质量调查部分,先抽测1所小学及2所大学教室照明,其量测项目包含纯人工光之照度、色温、均匀度与眩光质量,及不同时段之日光与人工光共存之照度、色温、均匀度与眩光质量。


教室光环境法规与现况调查比较分析部分,台湾国家标准局定义室内照明规范CNS12112,定义教室照明之黑板照度750lux、桌面照度介于500~750lux、眩光值UGR≦19、作业面均匀度≧0.7、环境光均匀度≧0.5。国际ANSI于IESNARP-3-00 lighting for educational facilities除规定桌面与黑板照度外,也要求垂直照度,如图4所示以便可清楚观看脸部表情。眩光值需留意阶梯教室不同位置差异,如图5所示,越后方位置越容易察觉更多灯具产生眩光不舒适感受。现实教室场域,同时存在日光与人工光,照度与均匀度规范要求不该只针对人工照明,须规范涵盖日光与人工光之整体光环境。眩光规范须对不同位置观看黑板都要满足UGR≦19,如此才能提升教室照明整体质量,进而减少视觉疲劳与提升学习力。


依据实际量测国内大学与小学之教室光环境质量,普遍发现人工光之均匀度与照度约处于规范边缘,但当日光进入室内后,教室光环境质量无法满足规范要求的照度、均匀度,有关眩光质量因衡量教室不同位置观看黑板视角不同,经由量测后,每个位置的眩光质量几乎都无法满足UGR


2.日光仿真模型建构

日光仿真需考虑参数,本研究之日光仿真工具以DIALux软件为主,此软件可快速建构建筑物几何尺寸,并可定义建筑物的经纬度、开窗位置,也可分析不同日期与时段的日光、晴天与阴天的日光,这些工具已经提供完整仿真模型,设计者只需建立仿真经验法则,并衡量哪些设计因子影响设计误差,让设计仿真预估可接近实际量测值,如此一来可由助设计者的仿真来进行预测。



图三 : 日光仿真预测参考因子
图三 : 日光仿真预测参考因子

3.日光与人工光共存之智能照明调控系统设计开发

因考虑日光随时序不同,进入室内的照度质量不同,经由日光仿真分析得知此大叶大学教室的日光变化大致可分为上午-漫射光、下午-西晒光,且日光进入室内区域大致分布于教室左前方区域,且因人工光灯等间距安置于教室内,为有效因日光变化调控人工光照明,整体灯具智能调控分成10个调控区域,左前方区域因白天日光照度比例高,人工光照明可调降光强度,维持整体照度质量与均匀度,并达到节能功效。


中间区域因人工光重迭性高,可调降人工光亮度。教室后半区因白色墙面对光之反射比例高,亦可调降人工光亮度。并衡量无线智能调控系统之建置成本,区隔光强度调控一致的区域为一群组,如此将以最少建置成本达到最佳功效。推估因LED人工光因日光调控光强度,于白天使用时段约可节能40-50%,且可维持光照度符合规范要求500-750lux与作业面均匀度≧0.7。



图四 : 仿真不同季节与时序之日光入室内之分布
图四 : 仿真不同季节与时序之日光入室内之分布
图五 : 灯具智能调控分成不同区域
图五 : 灯具智能调控分成不同区域

起始点2

1.设计开发无蓝害与健康LED光源

利用LED作为取代传统一般照明光源,优点包含节能、环保,但由于LED 使用蓝光450-460nm作为激发光源,光源的波峰与IEC-62471蓝光危害光谱中接近,若在高亮度环境下,作为光源应用,LED 光谱与所发出的的辐射强度具有伤害视网膜的浅在可能性。本研究以LED频谱进行设计蓝害等级0级 LED 光源,并进行光生物安全测试,样品完成后,委由厂商生产,作为学校照明光源的应用。



图六 : LED光源的波峰与IEC-62471蓝光危害光谱比较
图六 : LED光源的波峰与IEC-62471蓝光危害光谱比较

2.符合健康与安全之LED双色温灯具系统设计开发

考虑教室光环境有白天与夜间需求,且目前教室照明大都以荧光灯管与灯具呈现,因此本研究于T8灯管内设计适合白天使用之6500K与夜间使用之3000K LED,并以本研究所开发的无蓝害与健康LED光源,以1200mm的T8为开发标的,传统T8灯管之亮度约为3000lm,因传统灯管为全周光,约有一半亮度需经反射罩反射才能进入有效光照区域,因LED灯管可设计为半周光,因此可避开因反射罩反射造成的亮度损失,因此LED T8灯管约2000lm即可等效传统T8灯管。


3.无眩光之教室光环境设计仿真

CIE117对眩光UGR (unified glare rating)定义与计算方式十分复杂,光源发光强度、配光角度、灯具尺寸相对观察点的立体角、灯具与观察点相对位置、背景光—等条件,都会影响眩光质量。教室照明混杂人工光与日光,眩光质量会因日光呈现动态变化,因此先针对人工光配光曲线对眩光质量分析,而后再针对教室场域不同位置之人工光的眩光进行仿真与分析比较,最后在针对日光+人工光进行眩光质量分析比较。


学校教室照明人因测试分析与比较

本研究主要目的为测试学校照明用户对于本研究新设计之LED光模块实际之人因感知,为了评估改善学校教室光环境前后之优劣,采用选定大叶大学某教室空间执行实际改善前人因实验,之后将新灯具装上后再执行改善后人因实验,两次实验光环境参数各有四种。



图七 : 教室照明人因实验之光环境参数
图七 : 教室照明人因实验之光环境参数

结论与建议

本研究针对教室光环境因日光与人工光共存而产生照度过高、均匀度不佳与眩光问题,提出技术与改善对策,实际产出可随日光调控均匀光环境之智能LED健康照明系统并应用于学校教室照明,技术内涵包含:


1. 适合白天高专注与觉醒之0级蓝害@100lm/W@5700K(LED光源6500K)与夜间使用之低生理刺激3500K(LED光源3000K)之双色温LED T8灯具系统,本研究开发6500K LED光源较6500K FL具高觉醒、低蓝害,3000K LED光源较3000K FL有低生理刺激与低蓝害之健康议题。此6500K之低蓝害LED光源依据IEC62471测试规范,证实无蓝害风险(0级)。


2. 随日光调控人工光之智能控制系统与光环境仿真:仿真不同季节与时序之日光入室内之分布,依据日光仿真预测结果设计人工光强度调控范围与控制区域,让人工光可随日光动态调控光强度,依据日光动态变化范围,设计灯具调控群组,以较少控件组达到均匀光环境调控,可减少控制系统建置成本,也因随日光强度调控人工光而达到约节能50%功效。


3. 无眩光教室光环境设计仿真:灯具配光与教室位置影响眩光质量,教室中后位置眩光较前方位置严重,藉由收敛灯具配光角度改善整体眩光质量,仿真显示灯具配光角度


4. 教室光环境之人因测试:控制LED照明系统随日光调控均匀光照度质量,比较无智能调控FL与智能调控LED于不同日光影响之光环境对学习绩效影响,人因测试得知A区之心理、生理认知与学习绩效表现优于其他位置,原因可能来至A区之光质量不受日光影响且眩光质量较其他区低,较不易产生视觉疲劳,所以随日光调控LED照明系统达到均匀光环境对学习质量与视觉有正向帮助。


(本文作者皆任职于工业技术研究院电子与光电研究所)


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