教育建筑中的智能照明集成：面向教室改造的气候响应与用户中心框架

《Environments》：Smart Lighting Integration in Educational Buildings: A Climate-Responsive and User-Centred Framework for Classroom Retrofit

　　

本研究开发并应用了一种基于气候、以用户为中心且数据驱动的框架，通过日光（Daylight）、高效发光二极管（LED）系统及智能照明控制的集成化应用，评估教育建筑中的照明性能。该研究以西班牙马德里某大学教室为案例，采用混合方法学，结合了现场照度测量、基于DIALux Evo 12.1的气候模拟、照明能耗评估及结构化的用户感知调查。研究主要目标在于量化日光可得性、人工照明需求与感知视觉舒适度之间的动态交互作用，同时评估日光响应控制策略的节能潜力。结果表明，现有LED系统能够满足当前照度要求，计算得出的照明功率密度（Lighting Power Density, LPD）值为4.38至12.47 W/m²。然而，分析同时揭示高日光可得性并不能保证更优的照明性能，因为过量或不均匀的日光可能产生空间失衡、眩光风险及视觉稳定性下降。调查结果证实了学生对日光和室外景观的强烈偏好，但同时也表明视觉任务清晰度和眩光控制对于以用户为中心的照明设计至关重要。总体而言，研究发现表明，有效的教室照明改造应超越单纯的LED替换，转向能够适应日光驱动且以用户为中心的控制策略，以在地中海气候条件下的教育建筑中实现降低能耗与维持视觉舒适的双重目标。

本研究于《Environments》期刊发表，针对教育建筑照明改造领域开展系统研究。在全球建筑脱碳进程加速、近零能耗建筑（nZEB）目标持续推进的背景下，照明系统作为教育建筑中占总能耗20%—40%的重要组成部分，其节能潜力与视觉舒适度的协同优化成为关键议题。现有研究多将日光利用、LED改造、智能控制、能耗表现及视觉舒适度割裂探讨，缺乏对日光与人工照明在实际运行条件下动态交互关系的整合分析，尤其针对地中海气候区高日光可得性带来的眩光、过度照明及亮度对比度问题，尚缺乏结合技术性能与用户感知的系统性评估框架。研究人员选取西班牙马德里理工大学森林与自然环境工程学院（Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Montes, Forestal y del Medio Natural, Universidad Politécnica de Madrid）的7间教室作为案例，这些教室具有北、南、东、西北及复合朝向等不同立面特征，均已完成从荧光灯向LED系统的改造。

研究采用混合方法学设计，核心技术方法包括四个层面：其一，现场照度测量，使用经校准的TES 1335便携式照度计在0.80 m工作面高度按16点网格进行序列化测量，覆盖纯日光、纯人工照明及混合照明三种工况，测量时段涵盖2月下旬至6月的不同日时刻以捕捉季节变异；其二，基于DIALux Evo 12.1的三维建模与气候模拟，输入几何尺寸、窗体配置、表面反射率、灯具布局及制造商提供的配光数据，采用典型气象年（TMY）数据生成全年日光指标，包括日光系数（Daylight Factor, DF）、有效日光照度（Useful Daylight Illuminance, UDI）、日光自主性（Daylight Autonomy, DA）及统一眩光值（Unified Glare Rating, UGR）；其三，能耗与碳排放评估，结合西班牙《技术建筑规范》CTE HE3标准，估算现有LED基线运行、日光贡献及日光响应控制策略下的年耗电量，并以0.357 kg CO₂/kWh的全国电力排放因子换算碳减排量；其四，结构化用户感知调查，对185名本科生及硕士生进行问卷调研，采用五点李克特量表评估照度充足性、眩光感知、视觉舒适度、照明类型关注度、日光对学业表现影响、日光偏好及室外景观视野偏好，并通过Q8题项分析座位选择行为的影响因素。

研究结果部分呈现如下：

**日光贡献与照度性能**：现场测量与模拟联合分析表明，各教室日光表现差异显著。北向教室（Projects教室及Classroom 13）表现最为稳定，平均天然照度381—624 lux，均匀度（U_m）0.62—0.81，DF 3.14%—3.44%，眩光风险低但需更多人工照明支持；南向教室（Classroom 2、Classroom 9）季节变异性强，Classroom 2因大面积南向窗户出现17,457—45,616 lux的极端峰值，均匀度低至0.05；Classroom 6的DF达4.87%，平均天然照度1,114—8,529 lux，峰值高达56,746—65,788 lux，空间均匀度差，需依赖有效遮阳与日光响应控制；西北向Classroom 7及南北向Classroom 8分别呈现方向性日光穿透和不对称日光行为。该部分结论强调，仅凭朝向无法预测实际日光渗透，平均照度、峰值照度、均匀度及DF需综合解读。

**季节行为与照明性能启示**：时间演化分析显示，冬春之交低日光贡献增加人工照明依赖，春夏之交直射日光导致照度峰值剧增、均匀度下降及眩光风险上升。图5揭示不同教室平均天然照度的季节性波动，图6及时变热力图显示高日光可得性常伴随降低的均匀度。早期夏季部分教室因太阳高度角升高而照度分布趋于均衡，证实太阳几何形态是决定日光作为有用资源还是不适源的关键因素。

**学生调查结果：视觉舒适与偏好**：63%学生评价工作面照度充足，49%报告低眩光感知，47%表示高视觉舒适度满意。62%高度关注天然光与人工照明类型差异，79%认为天然光提升学业表现，75%偏好高日光可得性教室，86%偏好具有植被景观视野的教室。座位选择行为分析（Q8）显示，40%首要考虑板书及教学材料的无遮挡视野，24%选择靠近窗户以获取日光，仅4%对座位位置无特定偏好。均值分析表明，照度充足性感知（M = 3.73，SD = 0.92）、视觉舒适度（M = 3.41，SD = 0.91）、日光对学业表现影响（M = 4.01，SD = 1.01）、日光偏好（M = 4.08，SD = 1.08）及景观视野偏好（M = 4.37，SD = 0.92）均处于较高水平，而眩光感知得分最低（M = 2.54，SD = 0.96）。

**能耗与环境影响**：现有LED系统LPD值4.38—12.47 W/m²，年照明能耗因教室而异。图10展示代表性教室全年日光暴露与照明能耗的逆相关关系。基线运行下，LED系统已提供重要效率改进，但进一步节能需依赖自适应控制。

**照明控制系统的节能潜力**：日光响应控制策略模拟显示，年节能率27%—47%，平均约37%，分析教室总潜在年减排2,685 kWh。单教室年节能307—669 kWh，对应CO₂减排110—239 kg/年，成本节约30.70—66.90欧元/年。Projects教室节能669 kWh/年（37%减排，239 kg CO₂/年，投资回收期3.81年），Classroom 8节能627 kWh/年（46%减排，224 kg CO₂/年，回收期4.07年）。Classroom 9因日光可得性有限而回收期较长，证实经济可行性强烈依赖教室特定日光条件。

讨论部分，研究人员强调能效与视觉舒适不应作为分离目标处理。现有LED系统虽满足照度要求，但在直射日光暴露空间中的补偿能力有限，需结合建筑遮阳、眩光控制措施与日光响应策略。LPD值的显著变异性证实LED改造需配套教室特定设计与控制策略。用户反馈为自适应控制提供了操作准则，确保节能策略与感知视觉舒适及教室使用需求对齐。研究的方法论贡献在于整合了日光分析、LED性能、控制策略评估、能源/CO₂评估及用户感知，形成支持循证照明改造决策的综合框架。

研究结论部分翻译如下：本研究对西班牙马德里理工大学森林与自然环境工程学院大学教室的日光性能、LED照明行为、能效及用户感知进行了整合评估。通过结合现场照度测量、基于气候的日光模拟、照明能耗评估及学生调查，研究对照明条件及其对视觉舒适、能耗和可持续性的影响进行了全面评价。结果表明，分析教室具有显著的日光潜力，尤其在靠近立面区域，但日光分布高度依赖于朝向、房间几何形态、窗体配置及外部遮挡。多个案例中，高日光可得性产生了不均匀的照度模式、局部眩光风险及房间深处的照度不足。这些发现证实，日光不应仅按可得性来评估，还应按空间分布、均匀度和视觉舒适度来评价。现有LED系统改善了照度水平并促进了照明要求的合规，但其在直射日光暴露空间补偿日光失衡的能力有限，过量亮度对比可能超出人工照明的校正能力。LPD值的变异性证实了LED改造应配套教室特定的照明设计和控制策略以优化能效和视觉舒适。能耗评估确认现有LED安装提供了相关的效率基线，而自适应照明控制可实现额外节能。日光响应调光及基于占位的策略可减少27%—47%的照明电力消耗，对应分析教室每年2,685 kWh的潜在减排，单教室CO₂减排约110—239 kg/年，支持机构脱碳目标。学生反馈明确偏好天然光和室外景观，79%受访者认为天然照明改善学业表现，强化了日光对学习环境中健康、注意力及满意度的相关性。然而，特定条件下的不适报告表明日光获取必须仔细平衡眩光控制和视觉稳定性。用户反馈因此为自适应照明控制提供了操作准则，确保节能策略与感知视觉舒适及教室使用要求保持一致。超越具体结果，该研究通过应用整合框架提供了方法论贡献，该框架在真实大学教室中结合日光分析、LED照明性能、控制策略评估、能源/CO₂评估及用户感知。研究的主要价值不仅在于案例发现，更在于将现场测量、基于气候的模拟、LED运行、节能和学生感知相联系的整合评估方法，以支持循证的照明改造决策。总体而言，结果表明能效和视觉舒适在教室照明设计中不应作为分离目标处理。这些发现暗示教室照明改造应从基于组件的替换策略向能够平衡能效、视觉舒适和真实使用条件的自适应、日光驱动且以用户为中心的系统演进。