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教室照明環境設計實務與應用
從人因工程看自然光與人工光的互補

【作者: 趙偉成,姜雅惠】   2014年08月05日 星期二

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背景、動機與目的

教室照明系統應以人為中心設計,同時考量視覺效應、生理效應及心理效應,如圖1所示,教室照明品質優劣將影響視覺舒適度、心理情緒、生理狀態、專注力及學習績效等。因此,中華民國國家標準CNS12112與國際ANSI於IESNARP-3-00 Lighting for Educational Facilities分別針對教室照明之照度、均勻度與眩光品質提出建議與規範。


然而,根據教育部於民國101年所發行學校照明節能改善參考手冊與本研究於台灣教室場域光品質實境調查顯示,在視覺方面,校園教室照明通常因為刺眼之眩光、閃爍的光線、照度不足、藍害及日光與人工光並存等因素,造成視力衰退或損害,以及近視急速上升等視覺上的問題。在生理方面,人類在白天與夜間所需的照明條件不同,白天需要讓人警醒的照明條件,夜間則需要讓人放鬆的照明條件。因此,教室照明環境應搭配生理時鐘調控不同生理刺激的人工光照明。


圖一 : 現有學校照明融合日光與人工光
圖一 : 現有學校照明融合日光與人工光

根據文獻回顧可知,光源強度會影響人的視覺感受,光源頻譜會影響人的生理狀態,為開發教室照明所需的高色溫(高覺醒)低藍害(低視網膜傷害)光源,本研究利用LED具備頻譜可控優勢,以同色異譜原理設計出較傳統T8光源具高覺醒與無藍害之健康教室光源-健康安全雙色溫LED T8光源,白天建議使用色溫6500K之0級藍害LED特殊頻譜光源,此光源不但具高發光效率>120lm/W,且經過人因測試證實具高專注力、低視覺疲勞功效,夜間照明則是建議使用色溫3000K之LED特殊頻譜,此頻譜經過人因測試證實具備低生理刺激、高工作績效。


除此之外,教室光環境並存日光與人工光,不當日光會造成均勻度不佳、高眩光,容易產生視覺疲勞,本研究利用LED人工光容易調控明暗優勢,可依照日光動態變化而主動調控不同光強度人工光照明,以便控制照度與均勻度之穩定性,且透過此人工光適當調控機制,約可達到23%節能效果。



圖二 : 日光採集系統能夠節約照明消耗能源
圖二 : 日光採集系統能夠節約照明消耗能源

然而,LED光源指向性高,可依光環境需求設計不同配光角度,教室光環境因不同位置觀看黑板之視角不同,容易產生眩光品質不一,本研究針對LED燈管半周光發光特性,選配示售不同燈具系統,控制LED燈具系統發光角度,達到教室不同位置之眩光品質<19要求,提供教室光環境低眩光品質,提供學生低疲勞之教室光環境品質。


最後,為驗證本研究設計開發之健康LED智慧教室照明系統可落實於學校場域,特別於大葉大學建置示範應用點,並進行一般照明與此照明之使用滿意度人因測試,此兼具健康人因、智慧與節能之LED教室照明系統,提升教室照明品質,減少長時間學習因照明品質不佳引起視覺與生理疲勞,並同時達到節能功效。


研究方法

本研究實施可分成兩個起始點:


起始點1:先測試現有教室光環境品質,並找出尚未滿足的需求。


起始點2:設計開發無藍害與健康LED光源,並規劃應用於教室照明,之後再針對現有教室光環境品質不佳問題,提出技術與改善對策,需要改善內容大致包含:開發符合健康與安全之LED雙色溫燈具系統、建構日光模擬模型、設計模擬LED照明配光滿足無眩光之教室光環境、設計模擬日光與人工光共存之智慧照明調控系統設計開發,最後在進行學校教室照明人因測試分析與比較,確定本研究開發之LED智慧教室人因照明系統具備健康人因、智慧調控與節能功效。


起始點1

1.先測試現有教室光環境品質,並找出尚未滿足的需求

為瞭解台灣學校照明現況急需改善的問題,本研究先進行現有教室光環境品質調查,然後將調查數據與國內、外教室照明相關規範比較分析。現有教室光環境品質調查部分,先抽測1所小學及2所大學教室照明,其量測項目包含純人工光之照度、色溫、均勻度與眩光品質,及不同時段之日光與人工光共存之照度、色溫、均勻度與眩光品質。


教室光環境法規與現況調查比較分析部分,台灣國家標準局定義室內照明規範CNS12112,定義教室照明之黑板照度750lux、桌面照度介於500~750lux、眩光值UGR≦19、作業面均勻度≧0.7、環境光均勻度≧0.5。國際ANSI於IESNARP-3-00 lighting for educational facilities除規定桌面與黑板照度外,也要求垂直照度,如圖4所示以便可清楚觀看臉部表情。眩光值需留意階梯教室不同位置差異,如圖5所示,越後方位置越容易察覺更多燈具產生眩光不舒適感受。現實教室場域,同時存在日光與人工光,照度與均勻度規範要求不該只針對人工照明,須規範涵蓋日光與人工光之整體光環境。眩光規範須對不同位置觀看黑板都要滿足UGR≦19,如此才能提升教室照明整體品質,進而減少視覺疲勞與提升學習力。


依據實際量測國內大學與小學之教室光環境品質,普遍發現人工光之均勻度與照度約處於規範邊緣,但當日光進入室內後,教室光環境品質無法滿足規範要求的照度、均勻度,有關眩光品質因衡量教室不同位置觀看黑板視角不同,經由量測後,每個位置的眩光品質幾乎都無法滿足UGR<19要求。


2.日光模擬模型建構

日光模擬需考量參數,本研究之日光模擬工具以DIALux軟體為主,此軟體可快速建構建築物幾何尺寸,並可定義建築物的經緯度、開窗位置,也可分析不同日期與時段的日光、晴天與陰天的日光,這些工具已經提供完整模擬模型,設計者只需建立模擬經驗法則,並衡量哪些設計因數影響設計誤差,讓設計模擬預估可接近實際量測值,如此一來可由助設計者的模擬來進行預測。



圖三 : 日光模擬預測參考因數
圖三 : 日光模擬預測參考因數

3.日光與人工光共存之智慧照明調控系統設計開發

因考量日光隨時序不同,進入室內的照度品質不同,經由日光模擬分析得知此大葉大學教室的日光變化大致可分為上午-漫射光、下午-西曬光,且日光進入室內區域大致分佈於教室左前方區域,且因人工光燈等間距安置於教室內,為有效因日光變化調控人工光照明,整體燈具智慧調控分成10個調控區域,左前方區域因白天日光照度比例高,人工光照明可調降光強度,維持整體照度品質與均勻度,並達到節能功效。


中間區域因人工光重疊性高,可調降人工光亮度。教室後半區因白色牆面對光之反射比例高,亦可調降人工光亮度。並衡量無線智慧調控系統之建置成本,區隔光強度調控一致的區域為一群組,如此將以最少建置成本達到最佳功效。推估因LED人工光因日光調控光強度,於白天使用時段約可節能40-50%,且可維持光照度符合規範要求500-750lux與作業面均勻度≧0.7。



圖四 : 模擬不同季節與時序之日光入室內之分佈
圖四 : 模擬不同季節與時序之日光入室內之分佈
圖五 : 燈具智慧調控分成不同區域
圖五 : 燈具智慧調控分成不同區域

起始點2

1.設計開發無藍害與健康LED光源

利用LED作為取代傳統一般照明光源,優點包含節能、環保,但由於LED 使用藍光450-460nm作為激發光源,光源的波峰與IEC-62471藍光危害光譜中接近,若在高亮度環境下,作為光源應用,LED 光譜與所發出的的輻射強度具有傷害視網膜的淺在可能性。本研究以LED頻譜進行設計藍害等級0級 LED 光源,並進行光生物安全測試,樣品完成後,委由廠商生產,作為學校照明光源的應用。



圖六 :  LED光源的波峰與IEC-62471藍光危害光譜比較
圖六 : LED光源的波峰與IEC-62471藍光危害光譜比較

2.符合健康與安全之LED雙色溫燈具系統設計開發

考量教室光環境有白天與夜間需求,且目前教室照明大都以螢光燈管與燈具呈現,因此本研究於T8燈管內設計適合白天使用之6500K與夜間使用之3000K LED,並以本研究所開發的無藍害與健康LED光源,以1200mm的T8為開發標的,傳統T8燈管之亮度約為3000lm,因傳統燈管為全周光,約有一半亮度需經反射罩反射才能進入有效光照區域,因LED燈管可設計為半周光,因此可避開因反射罩反射造成的亮度損失,因此LED T8燈管約2000lm即可等效傳統T8燈管。


3.無眩光之教室光環境設計模擬

CIE117對眩光UGR (unified glare rating)定義與計算方式十分複雜,光源發光強度、配光角度、燈具尺寸相對觀察點的立體角、燈具與觀察點相對位置、背景光—等條件,都會影響眩光品質。教室照明混雜人工光與日光,眩光品質會因日光呈現動態變化,因此先針對人工光配光曲線對眩光品質分析,而後再針對教室場域不同位置之人工光的眩光進行模擬與分析比較,最後在針對日光+人工光進行眩光品質分析比較。


學校教室照明人因測試分析與比較

本研究主要目的為測試學校照明使用者對於本研究新設計之LED光模組實際之人因感知,為了評估改善學校教室光環境前後之優劣,採用選定大葉大學某教室空間執行實際改善前人因實驗,之後將新燈具裝上後再執行改善後人因實驗,兩次實驗光環境參數各有四種。



圖七 :  教室照明人因實驗之光環境參數
圖七 : 教室照明人因實驗之光環境參數

結論與建議

本研究針對教室光環境因日光與人工光共存而產生照度過高、均勻度不佳與眩光問題,提出技術與改善對策,實際產出可隨日光調控均勻光環境之智慧LED健康照明系統並應用於學校教室照明,技術內涵包含:


1. 適合白天高專注與覺醒之0級藍害@100lm/W@5700K(LED光源6500K)與夜間使用之低生理刺激3500K(LED光源3000K)之雙色溫LED T8燈具系統,本研究開發6500K LED光源較6500K FL具高覺醒、低藍害,3000K LED光源較3000K FL有低生理刺激與低藍害之健康議題。此6500K之低藍害LED光源依據IEC62471測試規範,證實無藍害風險(0級)。


2. 隨日光調控人工光之智慧控制系統與光環境模擬:模擬不同季節與時序之日光入室內之分佈,依據日光模擬預測結果設計人工光強度調控範圍與控制區域,讓人工光可隨日光動態調控光強度,依據日光動態變化範圍,設計燈具調控群組,以較少控制群組達到均勻光環境調控,可減少控制系統建置成本,也因隨日光強度調控人工光而達到約節能50%功效。


3. 無眩光教室光環境設計模擬:燈具配光與教室位置影響眩光品質,教室中後位置眩光較前方位置嚴重,藉由收斂燈具配光角度改善整體眩光品質,模擬顯示燈具配光角度<40度的空間眩光<19,此眩光品質對視覺疲勞影響小。


4. 教室光環境之人因測試:控制LED照明系統隨日光調控均勻光照度品質,比較無智慧調控FL與智慧調控LED於不同日光影響之光環境對學習績效影響,人因測試得知A區之心理、生理認知與學習績效表現優於其他位置,原因可能來至A區之光品質不受日光影響且眩光品質較其他區低,較不易產生視覺疲勞,所以隨日光調控LED照明系統達到均勻光環境對學習品質與視覺有正向幫助。


(本文作者皆任職於工業技術研究院電子與光電研究所)


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