基于自主调光的大学教室光环境研究.doc

基于自主调光的大学教室光环境研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：高帅指导教师：严永红教授专业：建筑技术科学学科门类：工学重庆大学建筑城规学院二 O一四年五月 Study on University Classroom Lighting Based on Self-dimming A Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theMasters Degree of EngineeringByGao ShuaiSupervised by Prof. Yan YonghongSpecialty：Architecture Technology and ScienceCollege of Architecture and Urban Planning of Chongqing University, Chongqing, China May, 2014 中文摘要摘要本论文依托国家自然科学基金项目教室光环境光生物安全性研究（批准号51178483），在已建立的人工光综合模型基础上，研究动态光环境的优势；通过被试者自主调光方式对 LED光源色温、光强度的取值范围进行拓展；研究影响人体自主调节偏好光源色温、光强度的因素；作为建立合理动态光环境及完善人工光综合模型的基础研究。论文在大量调研国内外相关研究的基础上，介绍了国内外教室光环境、光生物效应、动态光环境及健康照明等相关领域的研究动态，分析了教室照明的优缺点和教室照明要求的各种指标。最后确定了本论文所要解决的主要问题和研究方向，即通过主观偏好光环境调光方式，对人体偏好的光环境数据进行取样，再对光环境数据进行评价。本论文研究分两个部分，包含三个试验：第一部分为 LED固定光环境与动态光环境下学生学习绩效对比实验；第二部分为 LED光源下多样本主观偏好光环境调光实验；第三部分为 LED光源下全天分时段主观偏好光环境调光实验，并采集情绪量表、KSS量表、注意力评价量表、生理指标等数据；最后基于主观偏好光环境数据的分析结果及量表、指标评价的研究结果为大学教室动态光环境的研究及人工光混合模型的研究提供合理化建议。固定光环境与动态光环境学习绩效对比部分：LED光源下，对比学生在固定与动态光环境下学习后体力、脑力、绩效指标，验证动态光环境的优势。自主调光实验部分：LED光源下，采集学生主观偏好的光环境数据。研究影响学生偏好色温、偏好照度选择的因素。探究色温、照度的筛选方法。量表评价部分：通过多种量表的评价，对学生主观偏好光环境的取值进行测评，观察情绪、困意、生理指标等对偏好光环境选择的影响。通过以上实验研究，在论文最后对整个实验过程进行回顾和总结，综合分析学生偏好光环境选择与室外天然光环境、实验灯具限制、生理节律、性别差异及情绪、困意等因素的关系，论证建立动态光环境的重要性，为课题中完善人工光综合模型及天光人工光混合动态光环境的建立提出合理建议。关键词：光生物效应，教室照明，LED，生理节律，主观调光I 重庆大学硕士学位论文II 英文摘要ABSTRACT Supported by National Natural Science Fund Project Light environment of theclassroom research on bio-security (Grant No. 51178483), this paper has researched onthe advantage of dynamic light environment based on the artificial light integratedmodel which has been established; Through the subjectsindependent dimming mode ofthe LED light source , the ranges of light colour temperature and light intensity areextended; It studied the factors which could have an effect on human preferences forcolor temperature , light intensity; Then it can provide reasonable suggestions for theestablishment of a reasonable dynamic light environment and can improve thecomprehensive model of artificial light as the basic research.First, the paper introduces the research trends of the classroom dynamic lightenvironment at home and abroad and analyzes the advantages and disadvantages ofLED lighting used in the classroom and the classroom lighting requirements of variousindicators on the basis of a large number of research papers of relevant research at homeand abroad.Finally, it is determined the main issues and the direction of research in thispaper . Namely, by dimming of light environment for subjective preferences, samplingthe light environmental data,then the paper evaluates the light environmental data.This paper is divided into two parts, including three tests: The first part is thecomparison experiment on studentslearning performance under the static LED lightenvironment and the dynamic light environment; The second part is multi-sampledimming experiment of the subjective preferences for the LED light environment ; Thethird part is the dimming experiment of the subjective preferences in seperate timethroughout the day,and collecting mood Scale, KSS scale, attention rating scale,physiological indicators and other data; Finally, it can provide reasonable suggestionsfor the research on the lighting environment of the universitiesclassrooms and theartificial light hybrid model of dynamic light environments based on the analysis resultsof the data which is from scales and index evaluation .Parts of the comparison of studentslearning performance between the static lightenvironment with the dynamic light environment : Under LED light source, aftercomparing studentsphysical, mental, performance indicators under static and dynamiclight environment , the paper verifies the advantages of dynamic light environment.Parts of independent dimming experiment: Under LED light source, the lightIII 重庆大学硕士学位论文environment data of studentssubjective preference has been collected. The factorswhich effect the color temperature and illumination that the students preferred wereanalysed.The method to filter the color temperature and illumination has been explored.Parts of attention Scale Evaluation: by evaluating a variety of scales, it valuesstudent subjective preference for light environment and observes the influence of mood,sleepy, physiological indicators for students subjective preference for lightenvironment .Through the above experimental study, at last in the paper for the entireexperimental process is reviewed and summarized under the comprehensive analysis ofa classroom full of artificial LED light environment, the relation with studentspreference of light natural light environment outdoor, restrictions of experimentallighting , circadian rhythms , gender differences and attention evaluation indicators. Itcan provide evidence for improving artificial light integrated model and Establishmentof natural light - artificial light integrated model.It also can provide reasonable basis forthe establishment of hybrid dynamic environment of Skylight-artificial light.Keywords: Cirtopic, Classroom lighting, LED，Circadian rhythms，Subjective dimmingIV 目录目录摘要.IABSTRACT.III录. V目图表目录. VII1绪论.11.1论文研究的背景及意义. 11.1.1研究的背景. 11.1.2研究的意义. 11.2论文的研究对象. 31.3相关文献综述. 31.3.1国内外关于教室光环境的研究. 31.3.2国内外关于光生物效应的研究. 51.3.3国内关于外动态光环境的研究. 81.3.4国内外关于健康照明的研究. 91.4论文研究的内容和方法. 121.4.1研究内容. 121.4.2研究方法、技术路线. 131.5论文拟解决的关键问题. 132 LED照明与教室照明设计相关理论研究及进展.152.1 LED照明的特点 . 152.1.1 LED应用于教室照明的优点 . 152.1.2 LED应用于教室照明的存在的问题 . 162.2教室照明的要求. 172.2.1照明数量指标要求. 172.2.2照明质量指标要求. 182.2.3照明节能指标要求. 202.3国内外关于光环境相关指标研究进展 . 202.3.1心理评价. 202.3.2视功效. 212.3.3疲劳效率. 232.3.4生理节律. 24V 重庆大学硕士学位论文3 LED固定光环境与动态光环境下学生学习绩效对比实验.273.1实验概述. 273.1.1实验目的. 273.1.2实验原理. 273.1.3实验条件. 283.1.4实验步骤. 293.2结果分析及结论. 293.3小结. 324 LED光源下多样本主观偏好光环境调光实验.354.1国外相关实验及研究成果. 354.2实验概述. 374.2.1实验目的. 374.2.2实验原理. 374.2.3实验条件. 374.2.4实验步骤. 414.3研究方法. 424.4数据统计处理. 434.5结果分析及讨论. 494.6小结. 575 LED光源下全天分时段主观偏好光环境调光实验.595.1实验概述. 595.1.1实验目的. 595.1.2实验原理. 595.1.3实验条件. 605.1.4实验过程. 615.2结果分析及讨论. 635.3小结. 696总结与展望.716.1本研究的主要结论. 716.2展望. 73致谢.75参考文献.77附录.83VI 插图目录图表目录图目录：图 1. 1 2000年2010年学生视力不良检出率（%）. 2图 1. 2 Cirtopic光生物效应视觉过程示意图. 6图 1. 3明视觉、暗视觉和光生物效应下的光谱响应曲线图 . 6图 1. 4典型人体体温、褪黑激素、皮质醇及人体活跃性的 24h周期节律. 7图 1. 5研究技术路线图 . 14图 2. 1ruithof照明舒适度曲线 . 21图 2. 2中国成年人视觉功效曲线 . 21图 2. 3不同视标条件下，不同背景光源识别率曲线图 . 22图 2. 4 2视标条件下，不同色温 T5荧光灯光色配比识别率曲线. 23图 3. 1指针量表取样图 . 27图 3. 2实验室布置图 . 29图 3. 3固定光环境下测评指标与时间关系曲线图 . 30图 3. 4动态光环境下测评指标与时间关系曲线图 . 32图 4. 1偏好照度与照度量程中间值的关系图 . 35图 4. 2实验室布置图 . 38图 4. 3可调式灯具支架 . 39图 4. 4 OSRAM DALI Professional软件. 39图 4. 5实验过程照片 . 40图 4. 6光环境测量仪器 . 41图 4. 7空气质量测试仪 . 41图 4. 8偏好色温、偏好照度频率分布直方图 . 46图 4. 9偏好色温、偏好照度标准 Q-Q图 . 47图 4. 10 SA Fotios80实验调节平均照度与量程中间值关系图. 51图 4. 11男女生偏好色温对比箱体图 . 52图 4. 12男女生偏好色温随时间变化对比图 . 53图 4. 13偏好色温-照度数据分布散点图. 54VII 重庆大学硕士学位论文图 5. 1可调式灯具支架装置. 60图 5. 2实验过程照片. 61图 5. 3男生偏好色温均值变化曲线. 64图 5. 4女生偏好色温均值变化曲线. 64图 5. 5男女生 KSS量表指标平均值变化曲线. 65图 5. 6男女生情绪量表指标变化曲线. 66图 5. 7男女生偏好色温均值变化曲线. 67图 5. 8男女生偏好照度均值变化曲线. 68图 5. 9男女生偏好照度均值变化曲线. 69图 5. 10男女生各时段远视力平均值数据变化曲线 . 69图 6. 1优势光环境筛选模型.72表目录：表 1. 1 2000年， 2005年，2010年我国学生视力不良检出率 . 1表 2. 1国内外教室照度标准对比. 18表 2. 2我国学校建筑照明功率密度值. 20表 2. 3不同光谱、色温的光源其最佳照度值. 24表 3. 1调整光环境色温与重庆地区天光色温随时间变化对比表.33表 4. 1数据有效性检测结果表.43表 4. 2数据描述性统计量分析结果表.44表 4. 3数据极值分析结果表.45表 4. 4频数分析结果表.45表 4. 5正态性验证结果表.47表 4. 6 Kendall秩相关系数相关性分析结果表.48表 4. 7 Spearman等级关系数相关性分析结果表.49表 4.8偏好色温照度数值相关性分析结果表.50表 4.9偏好照度均值与照度量程中间值对比表.50表 4.10正态性验证统计量表51表 4.11男女生偏好色温统计量对比表52表 4.12初始聚类中心统计表.55VIII 插图目录表 4.13迭代历史记录统计表55表 4.14最终聚类中心统计表55表 4.15最终聚类中心间的距离统计表55表 4.16个聚类中的案例数统计表56表 4.17分类为四时最终聚类中心统计表56表 4.18分类为五时最终聚类中心统计表56表 5. 1偏好色温均值与当天室外天光色温对比表63IX 重庆大学硕士学