LED智慧健康教室人因光環境

2019-07-10

  教室學習場域為半開放場域,室內的光、溫濕度與空氣品質為動態變化,導入可感應與回饋控制環境的光、溫溼度與空氣品質智慧裝置,收集分析使用者對環境變化感知與喜好度,依使用者需求調控最適化光環境品質,提供健康舒適學習環境。

  照明光環境品質,窗邊因日照影響為動態變化,造成光環境照度均勻度不佳(1200-150 lux),窗邊導入光感應器,迴控窗邊人工照明強度(500 lux),維持桌面照度品質並達節能50%。照明色溫影響生理與心理感知,針對上課、課堂休息與午修提供不同LED照明色溫5000-6000K、4000K與3000K,此照明色溫較5700K FL具有明亮的、寬敞的、愉悅的、放鬆的、不刺眼的,整體喜好度由54%提昇為75%。智慧感測與回饋包含溫濕度感應並回控風扇與空調、CO2感應與濃度過高提醒、PM2.5過高提醒,讓學習環境兼顧健康與舒適。

1.介紹:

  學生在教室的時間約占一天的1/3,教室照明光環境影響視覺績效與健康,光照度要求>500 lux(CNS12112)、照度均勻度>50%(ANSI/IES RP-3-13)、UGR<19(CNS12112)。教室場域一般為左右開窗,戶外自然光為全頻譜健康光源,一般建議教室場域需存在日光,日光為動態變化,隨太陽與對外窗方位,左右窗邊的日光變化大,易造成亮暗變化大與均勻度變差,這將造成視覺疲勞與不舒適。教室內的人工照明除了可隨日光變化調節照明強度外,投影機已成為教室必備教學工具,人工照明需搭配投影機使用,調控適合照明光環境。照明色溫影響情緒,高色溫具有冷靜與專注效益,低色溫具放鬆紓壓,教室照明色溫可依上課、下課、午修與上課內容不同,可由照明色溫變化調節情緒。教室內CO2濃度太高會影響精神狀況(室內CO2<700ppm 定義為乾淨空氣,參考GB/T18883-2002標準),室內溫濕度也會影響舒適度,考量節能與舒適度,臺灣室內的溫濕度建議夏天為26-28度、濕度30-60%,冬天建議為15-19度、濕度30-60%。教室內的光品質、空氣品質與溫濕度若考量環境因子、使用者需求,需以可感測環境品質並回饋調控系統,才能提供兼具健康與舒適學習環境。

2.方法:

  本論文以AVIN智慧健康教室照明系統(映興電子)安置於教室場域,此系統可隨窗外日光自動調節室內照明強度、感測室內CO2濃度與溫濕度並主動調控空調系統,維持教室場域環境品質在標準建議內。依時序自動調控上課照明色溫(5000K-6000K)(500 lux)、課堂休息模式(4000K)(250lux)、午休色溫(3000K)(250Lux),此系統依上課情境設定為一般上課、投影機課程、自修模式、創意課程的光環境品質。圖1為上課、課堂休息、午休的照明光譜。智慧照明燈具空間佈置如圖2所示,於長8.76m及寬8.41m的教室內共安裝13盞可調光強度與色溫的照明燈具,紅色為燈具、黑色為空調出口、藍色為風扇,此照明燈具共成5個群組控燈,群組1為黑板燈、群組2為教室前1/3的燈具(搭配投影機課程可調控此區亮度)、群組3與群組5分別為左右靠窗的照明燈具(可依左右窗的日光強度自動調控此區照明燈具亮度)、群組4為教室中後區的照明燈具。圖3為此教室在晴天與陰天下的室內桌面的自然光強度,自然光強度分佈於窗邊變化大,當自然光不足500 LUX時,可依群組3、4、5區分別調整人工光,當窗邊自然光超過500LUX,可適時以窗簾遮檔過亮自然光,這樣可維持桌面照度在500LUX與整體光環境均勻度>80%。隨日光強度調整人工光照明,於晴天條件下可節能達到50%。

3.調查

  比對智慧健康教室光環境與原教室照明之使用者人因感知研究,測試者為此教室使用者50人,光環境自變項為上課模式(5000K-6000K)(500 lux)、課堂休息模式(4000K)(250lux)、午休模式(3000K)(250Lux)與使用投影機模式,問卷含基本資料(性別、年齡、位置、是否靠窗),Q1教室給你的感覺,Q2教室光環境感覺,Q3整體喜好度。研究調查後發現新的照明光環境較原本螢光燈照明具有自然的、愉快的、照明水平足夠的、視覺舒適度適當的、燈光是亮的,如圖4所示。教室光環境提高正向情緒具放鬆的、愉悅的,且此光環境較不刺眼,如圖5所示。此可隨上課情境調控不同照明光環境系統較原本照明的使用喜好度由54%提高為75%,如圖6所示。

4.結論

教室為人口密度高的室內場域,且需長期使用精密視覺,照明光環境品質將影響視覺績效、視覺舒適與視覺低疲勞,本研究利用可偵測窗邊日光感測器並回饋控制教室內人工照明,讓教室內照明維持500LUX照度,讓教室內的光環境均勻度維持>80%,且針對晴天使用狀態還可達到50%照明節能,經使用者測試此照明光環境給人自然的、愉快的、照明亮的、視覺舒適的,教室照明光環境針對上課、課堂休息、午休與投影機課程提供不同色溫與照度,這樣的照明光環境設定提供使用者達到放鬆的、愉悅的、不刺眼的正向情緒,此考量環境動態變化、上課使用需求而主動調整照明光環境、溫濕度與CO2濃度的智慧健康教室系統對使用者喜好度由原本狀態54%提昇為75%。

5.參考

1.CNS12112 Recommended Levels of Illumination
2.ANSI/IES RP-3-13 American National Standard Practice on Lighting for Educational Facilities
3. GB/T18883-2002 Indoor air quality standard

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