黔西北地区中小学教室光环境现状调研及实地工程改造示范

高 闻，邹念育，，曹 帆，贺晓阳，张克英，杨苗苗，李 健，何启鹏

(1.大连工业大学 光子学研究所，辽宁 大连 116034；2.贵州致福光谷投资管理有限公司光创服务中心，贵州 毕节 551700)

引言

数据显示我国儿童青少年总体近视率为53.6%，并且近视增长率较快，小学阶段从一年级的15.7%增长到六年级的59.0%，初中阶段从初一年级的64.9%增长到初三年级的77.0%。近视患病率总体呈现低龄化趋势[1]，近视率与生活学习环境有着一定联系，浙江省、上海市、江苏省等沿海等地均有对当地的教室照明情况的数据采集和调查分析[2-4]，但中国僻远地区缺乏相关机构对学校教室光环境情况进行调研分析，导致学校教室光环境等数据较为匮乏，对制定地方标准、技术研究以及教室光环境优化等近视防控工作造成一定的困难。因此为了改善这一现状，大连工业大学光子学研究所联合贵州光创服务中心立足贵州黔西北地区，对教室照明情况进行检测、记录，形成数据库。并且选取了当地一间中学教室，提出了光环境设计方案，进行了模拟仿真，并在此基础上，进行了工程改造，经第三方检测机构检测验收，各项指标均达到了国家标准，并与模拟数据基本吻合，证实了此前的光环境设计方案可行性。

1 实地调研

1.1 调研对象

为最大限度了解此地区中小学校教室照明客观情况，历时两个月，采取实地数据采集的方式，共调研了中、小学校各5所。每所学校选取3间教室，对共计30间教室进行实地测试，为保证数据的客观性，选取覆盖城市与乡村的不同学校，尽量选取不同学校教学楼、不同楼层、不同朝向、不同位置的教室进行测量。对30间教室的课桌面水平照度、黑板面垂直照度、采光系数等数据进行采集，在对实际客观数据采集过程中，对10所学校灯具的功率、光源类别、安装布置方式等现场情况进行调研分析。

1.2 测试方法

依据GB 50033全国光气候区的划分，贵州属于V区，年日光照量1 100 h左右，采光系数的高低变得尤为重要。本文应用GB/T 5699—2017采光测试方法，对教室采光情况进行检测，在采光系数测量结束后，对室内照明环境进行测试，测试均选择在14：00—17：00进行，在测试全程拉紧窗帘，开启教室内部所有照明光源，根据GB/T 5700—2008照明测量方法，采用中心布点测试方法[5]，对教室的书写板、课桌面照度、照度均匀度进行检测。具体实施方法为：在课桌面照度测试方面，以方格1 m×1 m的方式均匀布点，测量高度选取课桌面高度；对于黑板面垂直照度的测量以0.4 m×0.4 m方式在黑板面均匀布点(图1)，在数据采集完成后，对数据进行整合分析，与国家标准进行比对，统计合格率，并在测试过程中对现场灯具的功率、布置方式、光源类别进行记录。

图1 运用中心布点法对黑板面照度测试示意图Fig.1 Schematic diagram of the illumination test on the blackboard surface by using the center point method

2 测试结果分析

本文对教室的采光系数、黑板面照度与照度均匀度、课桌面照度与照度均匀度进行测试，并对采集数据进行分析，以期对当地的中小学教室照明情况有一定了解。共抽检当地中、小学校各5所，每所学校抽检3间教室，共计30间教室。下列数据图片中，教室编号1～15号为中学教室，16～30号为小学教室，相关国家评测标准如表1所示。

表1 中小学教室部分照明标准[6，7]

2.1 采光现状

采光系数：在室内给定平面上的某一点，采光系数为该点的照度与同一时间的室外无遮拦水平面上产生的天空漫射光照度之比，以%表示，是衡量某处空间对自然光利用情况的客观数据。日光在教室照明中具有重要的作用，日光不足对于学生学习会造成负面影响[8]，因此良好的采光十分重要。黔西北地区位于Ⅴ类采光地域，采光国家标准为2.4%以上[6]。所测30间教室具体数据分布如图2所示，其中最大采光系数为1.8%，最小采光系数为0.21%，与国家标准要求2.4%以上相比，所测教室采光系数较低。

图2 采光系数数据一览Fig.2 Daylighting coefficient data summary

自然光下黑板面照明数据分析：在实地考察时，由于贵州独特的自然地理情况，因此对自然光照下的黑板面照明情况进行考量，测试结果见图3。可知，最大照度82 lx，最小照度62 lx，各教室整体均值72 lx。对数据进行计算得到黑板面照度均匀度，各教室均匀度见图4。可知，最大照度均匀度0.45，最小0.33，各教室整体均值0.41。

图3 自然采光下的黑板面照度分布一览Fig.3 Illumination distribution on the blackboard surface under natural lighting

图4 自然采光下的黑板面照度均匀度分布一览Fig.4 An overview of the distribution of illumination evenness on the blackboard surface under natural lighting

自然光下课桌面照明数据分析：教室中课桌面是学习生活的重要组成部分，因此本测试对自然光下的课桌面照明数据进行测试。测试发现测得各教室课桌面最大平均照度116 lx，最小83 lx，整体均值98 lx(图5)。所测教室中，教室课桌面最大照度均匀度0.46，最小0.25，整体均值0.37(图6)。

图5 自然采光下的课桌面照度分布一览Fig.5 Illumination distribution of desk surface under natural lighting

图6 自然采光下的课桌面照度均匀度分布一览Fig.6 Table surface illumination evenness distribution under natural lighting

本测试于14：00进行，被测试的五项指标，采光系数均值为1.06%；黑板面照度、照度均匀度平均值分别为72 lx、0.41；课桌面照度、照度均匀度平均值分别为98 lx、0.37。在测试过程中发现，同一间教学楼不同楼层的教室，楼层越高的采光相对来说越好，整体教室的黑板面与课桌面平均照度越髙，但是也导致靠近窗口处的照度与教室内部的照度差距越大，照度均匀度越低。并且由于贵州地区的自然气候，自然光照量较少；山区较多，植被较为茂盛，存在一定的遮挡现象，也对采光有一定影响。

2.2 人工照明现状

黑板面照明数据分析：研究表明良好的黑板面照度均匀度有利于看清黑板，更便于开展教学活动[9]，黑板面照度情况是教室光环境的一个重要组成。在对各教室黑板面平均照度测试发现，最大照度97 lx，最小77 lx，各教室整体均值87 lx(图7)，所抽查30间教室黑板面垂直照度与国家标准要求500 lx以上相对比，有一定的差距。对数据计算得到黑板面照度均匀度，各教室黑板照度均匀度见图8，最大照度均匀度0.56，最小0.33，各教室整体均值0.45，与国家标准0.8要求而言，黑板面均匀度有待提升。

图7 黑板面照度分布一览Fig.7 Illumination distribution on blackboard surface

图8 黑板面照度均匀度分布一览Fig.8 An overview of illumination evenness distribution on the blackboard surface

课桌面照明数据分析：课桌面平均照度是衡量某一空间内，是否可以满足学习需要的重要指标，中小学生视力更容易受到光环境影响，特别是课桌面照度影响，课桌面照度不足，使学生处于昏暗的阅读水平面下，会对近视的预防产生不利的影响[10]。对抽测教室课桌面测试，测得各教室课桌面最大平均照度157 lx，最小125 lx，整体均值144 lx(图9)，均未达到国家标准300 lx以上的照度值要求。所测教室中，教室课桌面最大照度均匀度0.55，最小0.29，整体均值0.43(图10)，也未达到国家标准要求0.7的要求。

图9 课桌面照度分布一览Fig.9 Table illumination distribution in general

图10 课桌面照度均匀度分布一览Fig.10 Table surface illumination evenness distribution in a glance

通过对被抽测教室的黑板面平均照度、均匀度，课桌面平均照度、均匀度四项指标数据分析发现，黑板面照度、照度均匀度平均值分别为87 lx、0.45；课桌面照度、照度均匀度平均值分别为144 lx、0.43，被抽测的30间教室，相关教室光环境指标均未达到国家标准要求。经过对现场的调查发现,被抽查教室灯具数量普遍不足, 照明功率密度仅为5～7 W/m2，并且照明光源多为荧光灯，发光效率普遍不高，使用年限较长,存在一定光衰。以上都导致了光通量不足、课桌面平均照度偏低、照度均匀度较差。对于黑板面来看，所测教室均未安装适合于黑板面照明特殊配光的黑板灯。仅有部分教室将普通教室灯平行于黑板面设置，甚至有教室仅依赖前排教室灯进行照明。这些都导致了黑板面照度较低、照度均匀度较差。为改变此地区教室光环境现状，建议进行更换具有更高的发光效率的LED教室灯。并且根据教室布局合理布置灯具，以增强课桌面的水平照度以及均匀度。此外，选择单向透镜式配光设计的黑板灯，以求得到更好的黑板面照明效果。

表2 现场灯具情况一览

3 教室照明设计与改造案例

此前测试数据显示，此地区被测教室照明环境均与国家标准存在一定差距。现在当地取一间教室面积为68.4 m2(9.5 m×7.2 m)作为此地区改造示范样板间。在调研过程中发现，此种教室布局在此地区占比较大，且测试发现，其光环境也比较能反映此地区的共性问题，因此具有一定的代表性。对此间教室进行照明方案设计，利用DIALux EVO进行仿真模拟，并根据设计方案进行实际的教室照明环境改造，可以为此地区教室光环境改造提供思路。

在对该教室测试发现，此间教室光环境存在此地区教室共性问题：教室课桌面照度、均匀度；黑板面照度、均匀度与国家标准相比均有一定差距，测得分别为95 lx、0.5；150 lx、0.5。对眩光进行测试，整间教室UGR达到了21。对现场分析发现，整间教室的照明功率密度仅为6.5 W/m2，光源类型为双管荧光灯。较低的照明功率密度与光源的低光效共同导致了教室课桌面的较低照明质量。此外，此间教室并未布置经专门配光设计的黑板灯。仅平行于黑板面布置了两盏普通教室灯，由于未经过适合于黑板面的配光设计，导致黑板面照度较低、照度均匀度较差。各灯具也未设置专门的防眩光装置，导致空间中眩光较大。

为解决以上问题，针对性地指定了三点解决方案：1)选取具有防眩光格栅处理的新型LED教室灯；2)采用单向透镜式配光设计的黑板灯；3)针对教室面积以及实际情况合理选择布灯方式，适当提高照明功率密度。具体设计方案如下。

采用单向透镜式配光设计的黑板灯，如图11左图所示，黑板规格为4 m×1.2 m，安装2盏黑板灯，通过DIALux EVO进行模拟，黑板照度550 lx，均匀度0.8以上；根据教室的面积，安装3×3共计9盏教室灯(图12)，教室灯采用防眩格栅设计，经过设计仿真，课桌面照度达到400 lx以上，均匀度大于0.7，教室眩光小于等于16，整体优化和提升了教室光环境指标(图13)。

图11 使用的黑板灯与教室灯配光曲线Fig.11 Curve of light distribution between blackboard lights and classroom lights

表3 模拟所得教室光环境

图12 教室仿真平面图Fig.12 Classroom simulation plan

图13 仿真结果图Fig.13 Simulation results

改造后教室灯具数量为11盏，由2盏平行于黑板面的黑板照明灯和9盏(3×3均匀排布)垂直于黑板面的教室灯组成(图14)。所有灯具均经过防眩光处理，在灯具安装结束后，由第三方检测单位对黑板面照度及均匀度、课桌面照度及均匀度、空间眩光指数UGR都进行了测试，均达到了国家标准。教室光环境得到了提高(表4)。

表4 教室改造前后光环境对比

为保证测试结果更具有科学性，除了对改造前后的教室光环境客观指标进行测试，还对教室的实际使用者包括5名教师、30名学生分发了试卷，进行主观调查。设置问题包括：整体的明亮感觉、空间光线刺眼现象、课桌面读书写字的舒适清晰性、观看板书的舒适清晰性四项问题。设置评判选项分为满意、一般、不满意、很不满意四项答案。通过对数据分析发现，改造后的教室在四项评测问题方面，满意率均有了较大的提高，各项满意率均超过97%(图15、图16)。在主观角度上，证实了教室光环境确实得到了改善。

图14 教室改造后光环境效果图(实拍)Fig.14 Effect of light Environment after classroom Renovation (real shot)

图15 改造前教室的主观评价结果Fig.15 Subjective evaluation results of classrooms before renovation

图16 改造后教室的主观评价结果Fig.16 Subjective evaluation results of classroom after renovation

4 小结

本文对黔西北地区的10所中小学校共计30间教室照明环境进行了实地调研测试，测试自然采光下与人工照明两种条件的教室光环境，并对测试数据进行了分析。发现被测试教室采光系数，人工照明条件下的黑板面照度、均匀度，课桌面照度、均匀度，这五项指标与国家标准相比均不达标，教室照明环境比较严峻。为了改善这一现状，并为此地区教室后续大范围的改造提供思路，选取了当地一间教室制定了光环境设计方案，进行了仿真模拟，并且根据设计思路进行了实际的工程改造。经第三方检测，各项数据与模拟结果基本吻合，证实了设计方案的可行性。与改造前相比，各项数据得到了提高，均达到了国家标准，并且进行针对改造教室进行了主观问卷调查，发现各项满意率均有了一定提高，教室光环境有了很大改善，为此地区教室照明环境改造提供了思路与依据。