基于真实环境下的中小学教室光环境现状调查研究

许 楠,霍晓蕊

(中科院建筑设计研究院有限公司，北京 100086)

引言

当下青少年儿童近视问题受到广泛关注，《综合防控儿童青少年近视实施方案》提出学校要改善视觉环境。在政策影响下，社会各界开始积极开展学校照明改造提升工程。开展这一工作的基础是要深入了解学校实际教学场景的光环境情况，才能发现真正问题，进行客观的评价，引导改造工作向正确的方向进行。

GB/T 5700—2008《照明测量方法》指出，教室照明测量是在没有天然光和其他非被测光源影响下测量桌面照度。因此各照明检测机构均遵照此方法测量并作为验证教室照明是否达标的依据。此前有关教室照明检测与调研的研究中，基本都是在排除天然光情况下的人工照明环境测量数据。但是，中小学校教学时间以白天为主，学生上课均是处于天然光与人工照明融合的环境中，其照明环境与单纯的人工照明的环境区别甚大，人工照明实测数据并不能反映真实环境下学生视觉作业的照明水平。

为了使调研能反映出教室使用时的光环境问题，本次调研选取白天主要课时点，关注每个学生作业区域的照明感受，以单独桌面进行实际照度进行测量，而不是以教室整体课桌区作为单一的评价中心。同时调查了教室的采光遮阳及控制方式，并将测量结果与遮光下的人工照明进行数据对比分析。

1 调研内容及方法

1)调研对象。本次调研对象为北京(Ⅲ类光气候区)6所中小学29间教室。其中3所学校采用荧光灯光源，另外3所采用LED光源。教室类型包含24间普通教室和5间专业教室。

2)测量条件。调研时间是每所学校挑选一个夏季晴天，测量学校教室一天内3个时段，上午(9:00—11:00)、下午(14:00—15:30)测量天然光加人工光模式(开灯、打开窗帘、有天然光影响)、晚间(20:00—22:00)测量人工照明(开灯、无天然光)。

3)测量方法。本次照度值测量点选择为教室的每个课桌中心点。同时，为了对比桌面中心点测量法和2 m×2 m测量法之间的区别，选择1所学校的4间教室(教室编号1～4)，按照两种不同的测量点进行了测量，测点选择示意如图1所示。

图1 测点选择Fig.1 Measuring point selection

4)测量设备。教室尺寸数据使用卷尺及测距仪。照度测量使用的是TES1330A数位照度计。

2 调查结果分析

2.1 教室采光状况

1)采光。调查的6所学校教学楼均为南北向布局，教室设南、北向单侧采光窗，但其中1所学校有部分教室为双侧开窗但无室外视野和采光(教室27和29)。有教室存在采光窗被植物、建筑等遮挡，其中一所学校的南向教室有校外建筑遮挡。测量并计算了每间教室的窗地比，窗地比最高为1∶4.5，最低为1∶12.3，达到GB 7793—2010要求1∶5的教室占21%，低于标准要求的教室占79%。

2)遮阳。6所学校窗帘形式分为两种，一种是电动卷帘(1所学校使用)，另一种是手动平开帘(5所学校使用)，见图2。6所学校均未设置室外遮阳设施。

图2 教室窗帘形式Fig.2 Classroom curtain form

2.2 桌面照度

GB 7793—2010要求桌面平均照度不低于300 lx，桌面照度均匀度不低于0.7。29间教室三个时段的调查结果如表1、表2所示。统计结果显示上午(9:00—11:00)时段桌面平均照度不足国家标准300 lx要求的占7%，满足要求的占93%，其中1000 lx以上占17%，最大桌面照度达5040 lx。上午时段29间教室桌面照度均匀度符合国家标准0.7的占14%，86%的教室桌面照度均匀度不满足国家标准。

表1 教室桌面照度测量结果Table 1 Measurement results of classroom tabletop

表2 测量结果合格率统计Table 2 Pass rate of measurement results

统计结果显示下午(14:00—15:30)时段桌面平均照度不足GB 7793要求的占7%，满足要求的占93%，其中1000 lx以上占24%，最大桌面照度可达3040 lx。29间教室桌面照度均匀度符合GB 7793要求的仅占14%，86%的教室桌面照度均匀度不满足国家标准要求。

统计结果显示晚间(20：00—22：00)时段桌面平均照度不满足GB7793要求的占38%，满足要求的占62%。29间教室桌面照度均匀度符合GB7793要求的占55%，45%的均匀度不满足国家标准要求。

2.3 不同测量时间结果比较

同一教室三个时段的对应的照度测量结果如表1所示。27间有采光教室上午、下午的平均照度均高于晚间(教室27和29为无采光教室)。上午与晚间平均照度对比及天然光照度贡献率如图6所示，天然光的照度贡献率超过50%的有13间教室，最高可达87%。

图3 上午至晚间教室1～29桌面照度对比及天然光贡献率Fig.3 Illumination comparison and natural light contribution rate of tabletop from morning to evening in classrooms 1～29

2.4 不同测量间距结果比较

教室1～4分别按照桌面中心点测量和GB/T 5700—2008中推荐的2 m×2 m测点间距测量，并将结果进行比较。上午时段结果统计数据如表3、图4所示，2 m×2 m测法的测量结果比桌面中心点测法平均照度分别高出9%、8%、16%、10%，照度均匀度分别高出45%、41%、63%、31%。晚间时段结果统计数据如表4、图5所示，2 m×2 m测法的测量结果比桌面中心点测法平均照度分别高出13%、11%、13%、8%，照度均匀度分别高出54%、63%、70%、51%。2 m×2 m测法的测量结果明显优于课桌中心测量结果，且差异较大。

表3 上午时段课桌中心测法与2 m点测量法结果统计Table 3 Tabletop center measurement in the morning session and statistic of 2-metre point measurement results

图4 上午时段1～4教室两种测量方法平均照度、照度均匀度对比Fig.4 Comparison of average illuminance and illuminance uniformity between two measurement methods in classrooms 1～4 during the morning session

表4 晚间时段课桌中心测法与2 m点测量法结果统计Table 4 Tabletop center measurement in the evening session and statistic of 2-metre point measurement results

图5 晚间时段1～4教室两种测量方法平均照度、照度均匀度对比Fig.5 Comparison of average illuminance and illuminance uniformity between two measurement methods in classrooms 1～4 during the evening session

2.5 灯具与遮阳设施的控制方式和管理模式

6所学校人工照明的控制方式均采用分回路手动开关控制的形式，没有学校采用可调光或场景控制方式。使用电动窗帘的学校仅占调研学校总数的16.7%，电动窗帘为独立遥控器控制，通过手动控制开关。通过与学校管理者访谈得知，窗帘的控制者并无明确的指定人，一般是由教学的老师兼顾来选择控制开闭。不使用多媒体设备时，教室白天多为开灯开窗帘状态。教师或学生无法判断照度高低，因此为避免照度不够，则采取了既开灯也开窗帘的管理模式。

3 调研结果分析

1)白天时段与晚间时段评价结果差异大，真实教学时间段的桌面照度值远高于传统方法测量值，而均匀度远低于传统方法测量值。

晚间调研结果显示，满足照度标准值300 lx的教室占62%，而依托天然光的贡献，白天状态下的达标率为93%。说明趋近半数的中小学校的人工照明虽然不达标，但真实教学场景下白天教室光环境却大部分达标了，说明白天教室光环境的主要问题并非是照度低，天然光起到了重要补光作用。

但是，教室晴天时太阳光直射会造成近窗位置桌面照度过高，使教室整体课桌区均匀度降低。全开窗帘情况下29间教室上午、下午两个时段照度均匀度达到GB7793标准要求的仅占14%，南向教室普遍比北向教室均匀度更低。

2)局部区域桌面照度过高，学生长时间定点视看条件下，存在视疲劳隐患。

上午时段，教室中桌面照度最大值超过2000 lx的有6间教室，最高达5040 lx。下午时段，教室中桌面照度最大值超过2000 lx的有3间教室，最高达3040 lx，教室存在局部桌面照度过高问题。照度过高对于中小学生室内学习光照并非越高越好。

尽管越长时间暴露在大于1000 lx的户外光照下越可减缓近视发展[1]，但长时间近距离定焦视觉作业与户外活动的游离性视觉作业有本质差别。中小学课堂视觉作业特点是需要连续每节课40 min时间集中精力使视线聚焦并迅速看清书本或黑板上内容，且视线须在书本和讲台之间往复，照度过高会加剧学生的视疲劳，从而导致不利于眼睛健康的结果。北美照明学会标准中同样的视觉作业，低于25岁的使用者需要的照度更低，仅为25岁以上使用者的一半[2]。GB 50034—2013编制说明中指出100～2000 lx为合适照度，大于2000 lx为照度过高[3]。文献[4]中指出，200～2000 lx是大多数大学生在天然光下学习所喜好的照度范围。

3)受天然光影响，教室桌面照度与黑板照度之间存在较大反差，呈现黑板暗、桌面亮的普遍现象。

调研显示大多数教室的黑板照度低于桌面照度，且黑板的深色表面使其亮度更低，桌面亮度过高与黑板亮度过低产生强烈对比反差。学生视线在不同区域往复，就要不停地适应亮度，会造成睫状肌紧张状态，长时间处于这种状态下，会导致睫状肌失去弹性以致影响视力[5]。调研29间教室中有20间教室黑板的平均照度低于桌面平均照度，教室桌面照度最大值远高于黑板照度，如图6所示，室内亮度分布不合理的问题较为严重。

图6 上午时段，教室1～29桌面平均照度、最大值与黑板平均照度对比Fig.6 Comparison of average illuminance,maximum value and blackboard average illuminance from tabletop in classrooms 1～29 in the morning session

4)遮阳方式和控制系统形式单一、技术落后，对室内照明环境有较大不利影响。

调研的6所学校的遮阳设施和控制系统存在形式单一、技术落后、管控模式随机的问题。6所学校均未设置室外遮阳设施，5所学校使用的是手动平开窗帘，1所为电动卷帘。平开窗帘的优点是操作简单，但缺点是只有开窗帘和关窗帘两种模式。全开窗帘情况下会产生照度高、均匀度差的问题。关闭窗帘情况下完全遮蔽天然光，学生白天在人工照明的模式下学习，没有发挥天然光对于学习及健康的有益作用，且增加不必要电能消耗。

此外，天然光随时间、季节、天气状况动态变化，由教师或学生主观手动控制窗帘的方式具有极大的随机性，往往无法及时发现局部课桌区的学生感受，关注到日照过度问题，而失去了及时和准确遮阳，从而使近窗侧位置的桌面照度过高成为普遍常态。

5)测点间距2 m×2 m的测量结果偏高，有待改善提高准确性。

教室1～4实际测量的结果对比显示，2 m×2 m测点的桌面平均照度值较桌面中心点的平均照度值偏高。李江山和韩冰[6]的研究表示GB/T 5700—2008的测量方法在实际教室测量中最多也就只能测6～9个点，测试点数过少，在对应测点安装灯具即可提高照度以达到标准值。汪统岳等[7]提出通过室形指数确定测量点数量的方法中指出，当测量点数量等于灯具数量时应当增加测量点数。根据本次调研6所学校典型普通教室尺寸按2 m×2 m间距选择测点的结果如表5所示，测点数为6～9个，有4间与教室灯的数量相等，应增加测点数。另外在GB 50099—2011《中小学校设计规范》中规定普通教室单人课桌面的平均尺寸应为0.60 m×0.40 m，排距不宜小于0.90 m，纵向走道宽不应小于0.6 m。根据标准中要求，单桌中心点之间间隔1.2 m×1.3 m，明显小于2 m×2 m间距。综上所述应该减小测点间距，提高测量数据的准确性。

表5 六所学校普通教室2 m×2 m测点与教室灯数量情况表Table 5 The number of 2 m×2 m measuring points and classroom lights in ordinary classrooms of six schools

4 结论

教室光环境是由天然光和人工照明融合于一体的，不应脱离考虑，针对真实场景的调研和评价才能切入问题关键，对于教室现状调研，也应融合二者分析。此外，真正做到以人为本，研究对象应关注每个学生个体的感受，而不应一间教室的笼统的一个平均照度指标作为代表。因为一间教室测量加权的平均照度只是综合平均值，而不反映40个学生中每个人的桌面照明状态是否合理，每个人的视觉感受差异甚大。

教室照明标准指标值的制定目的是为了真实环境中达到预期指标，但是由于不同出发点、不同标准之间存在条块分割，照明设计与检测的实际操作中易导致忽略对使用者真实感受到结果的关注。使用者控制习惯具有很高程度的随意性，白天时段大多是窗帘打开同时开灯的状态，本次调研发现，多数教室人工照明的桌面照度值趋近300 lx，表面上来看合理达标，但实际上受天然光影响，一天中学生桌面实际照度可达600～1 200 lx，甚至局部的桌面更高，达到2 000～5 000 lx。那么这种结果是否有利于青少年长时间的课堂视觉作业，是否会加剧视疲劳程度，是否是确定照度值的初衷，值得深入探究。标准的贯彻落实应以结果为导向，关注指标的落地落实，在教室照明研究中，必须结合天然光进行统筹考量，不应孤立的专注人工照明的维度。

文献[8]中明确指出，“照明是天然光和人工照明”，文献[2]中对于标准中推荐照度值的解释是“天然光和或人工照明的照度”，文献[9]中建议光环境设计时以天然光为主要光源，人工照明作为必要时的补充。以上标准均强调了教室照明的混光特点和优先使用天然光原则是正确认识照度值指标的前提。排除天然光测量照度的方法，只适用于人工照明工程验收，不适合全面探究真实场景下的多元化因素，易导致教室光环境改造聚焦于单纯的灯具替换，而忽视天然光的优化利用与防控。

综上所述，针对中小学教室照明标准编制、修订以及教室光环境品质提升，提出以下建议：

1)教室光环境的调研，除了测量评价人工照明质量外，同时也应增加基于天然光与人工照明共同作用的系统调研评价，教室光环境的品质提升应结合各影响因素提出的整体性的精细化设计方案。

2)中小学教室照明标准应增加照度上限值，且上限值应为天然光与人工照明共同作用的融合值，单纯制定照明的上限值无法对天然光产生的局部过高照度有限制作用。上限值的高低应根据青少年儿童的生理特征和视觉作业特点、空间使用功能分类研究确定，有待于进一步探讨。

3)在标准中应进一步加强对天然光有效利用和防控天然光眩光的技术手段、措施、控制模式的引导。避免陷入单纯更新灯具的改造方式。研究显示，学生在有天然光的环境中学习效率更高，并且考试成绩相对较好[10]。对使用者来说天然光和视野都很重要，天然光可以提高房间表面亮度并更容易看清任务目标、通过窗户放松眼睛以及有助于人的生理节律和免疫系统健康[9]。但天然光会导致眩光或均匀度低，因此充分利用天然光的优点与限制天然光的缺点同等重要。科学的遮阳设施不仅可以阻隔直射阳光，还可将光线反射至室内顶棚，提高均匀度，并保留有外部视野的窗口。

4)增加测量点数量，缩小测点间距。对于防控近视和促进青少年儿童的更高视觉健康为目的下，测量重点是更加准确、更为关注每一个学生个体的感受，而不是以室内空间整体为单一对象来研讨平均照度。因为对于一个面积达60 m2的教室空间来说，以1个教室整体平均照度作为评价单元过于笼统，9～12个点的测量也不能反映近40个学生每个桌面的巨大照度差异。为了使测量结果更真实准确地反映作业面照度水平，建议缩小测量点间距，根据教室灯具布置情况采用课桌中心法或1 m×1 m间距测量。