南京市學(xué)校教室天然采光初步研究之實(shí)地測量

吳 蔚，曹慶艷

(南京大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，江蘇南京 210093)

1 文獻(xiàn)回顧

學(xué)校教室里的天然光環(huán)境對學(xué)生的身心健康非常重要。近年來一些研究表明，高質(zhì)量的天然采光甚至可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績［1，2］。西方發(fā)達(dá)國家對學(xué)校的天然采光非常重視，相關(guān)研究筆者曾在本刊“西方學(xué)校天然采光設(shè)計(jì)的發(fā)展?fàn)顩r”一文中做了詳盡的介紹［3］。相對而言，我國在學(xué)校采光照明上的相關(guān)研究起步較晚，尤其天然采光方面。但近些年，越來越多的研究人員開始關(guān)注這個(gè)問題［4］，引起重視的主要原因是近年來我國中小學(xué)學(xué)生視力不良檢出率居高不下，根據(jù)衛(wèi)生部、教育部聯(lián)合調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國學(xué)生近視發(fā)病率已達(dá)60%，并有向低齡化發(fā)展的趨勢［5］。雖然近視的形成與先天遺傳等多種因素有關(guān)聯(lián)，但我國調(diào)查人員也發(fā)現(xiàn)，在采光照明不合格的教室，其學(xué)生視力不良率要比合格的教室高［6，7］。這也許與我國中小學(xué)學(xué)生課程任務(wù)繁重，又基本采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式有關(guān)。因此我國許多專家學(xué)者都呼吁改善我國中小學(xué)教室采光照明質(zhì)量［8］，并開展相關(guān)研究。如孟超在北京市部分大中小學(xué)校的39間教室做了采光照明現(xiàn)狀調(diào)研［9］;蘇州科技學(xué)院陳亢利等一些研究人員對蘇州一些中學(xué)教室內(nèi)部光環(huán)境進(jìn)行調(diào)查和評估［10］。此外，復(fù)旦大學(xué)光源與照明工程系陳壬賢等研究人員在福建省某縣幾所農(nóng)村學(xué)校進(jìn)行了采光照明的情況調(diào)查［11］。上述研究結(jié)果顯示，無論是城市還是農(nóng)村學(xué)校，盡管達(dá)到我國既往的《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033—2001，教室內(nèi)光環(huán)境都或多或少存在著一定問題。

我國既往的《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033—2001要求普通教室工作面的最低天然采光系數(shù)為2%，室內(nèi)天然光臨界照度為100lx。而這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值可以追溯到英國1955年制定的IES lighting Code［12］。2013年，我國最新修訂和發(fā)布了《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50033—2013，該標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《關(guān)于印發(fā) (2009年工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂、修訂計(jì)劃〉的通知》(建標(biāo)［2009J 88)號的要求，由中國建筑科學(xué)研究院會同有關(guān)單位在2001版的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上修訂完成的。其主要修訂的內(nèi)容是將側(cè)面采光的評價(jià)指標(biāo)采光系數(shù)最低值改為采光系數(shù)平均值;室內(nèi)天然光臨界照度值改為室內(nèi)天然光設(shè)計(jì)照度平均值。在2013版的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，將普通教室的采光標(biāo)準(zhǔn)列為強(qiáng)制性條款，規(guī)定采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為3%，室內(nèi)天然采光照度標(biāo)準(zhǔn)值為450lx。然而，無論是舊的 GB/T 50033—2001標(biāo)準(zhǔn)中所使用的采光系數(shù)最低值和臨界照度值，還是最新的GB50033—2013標(biāo)準(zhǔn)采用的采光系數(shù)平均值和天然采光照度標(biāo)準(zhǔn)值，對建筑師而言都很少采用。一般而言，我國建筑師在設(shè)計(jì)中小學(xué)教室時(shí)，在采光設(shè)計(jì)時(shí)采用的主要控制標(biāo)準(zhǔn)是‘窗地比’，我國《中小學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ50099—2011的強(qiáng)制性條款規(guī)定教室‘窗地比’不應(yīng)低于1∶5。我國最新的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB50033—2013盡管提高了室內(nèi)天然采光系數(shù)和天然采光照度標(biāo)準(zhǔn)值，但窗地面積比還是沿用GBJ50099—2011所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)1/5。

從我國最新的采光設(shè)計(jì)GB50033—2013可以看出，我國的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有了大幅度的提高，與國外的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不相上下。如英國教育部《Guidelines for Environmental Design in School 1997》建議教室內(nèi)的主要光源應(yīng)是天然光，且水平工作面不低于300lx，室內(nèi)平均采光系數(shù)為4% ～5%［13］。美國綠色建筑協(xié)會 (U.S.Green Building Council)《LEED 2009－ForSchoolsNew Construction and Major Renovations》［14］則規(guī)定教室天然采光的最低照度值為25 Fc(269lx)。在人工照明方面，我國2004年新修訂的《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034—2004規(guī)定教室課桌面最低照度值為300lx，黑板面最低照度值為500lx，工作面和黑板面上的照度均勻度不應(yīng)低于0.7。這與國際照明委員會和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(CIE/TC3－21和ISO/TC159/SC5－WG2)制定的室內(nèi)照明準(zhǔn)則相一致。美國照明學(xué)會IESNA在教室照明設(shè)計(jì)的推薦值一般高于其他國家，即教室照度值是500lx，黑板1000lx。

此外，由于國際光學(xué)研究界對學(xué)校采光質(zhì)量的日益關(guān)注，最新的LEED 2009還規(guī)定了照度上限值，即最高照度不得高于500 Fc(5382lx)，這一值基本要求教室內(nèi)無任何直射陽光［14］。然而即使是我國最新的《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50033—2013并沒有明文規(guī)定普通教室內(nèi)不允許有直射陽光。對于教室中的直射陽光，可以查詢到規(guī)定僅在《中小學(xué)采光與照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB7793—1987有提到“為防止窗的直接眩光，教室應(yīng)設(shè)窗簾以避免陽光直接射入教室內(nèi)”。我國《中小學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ99—2003有建議到，“教室光線應(yīng)自學(xué)生座位的左側(cè)射入;當(dāng)教室南向?yàn)橥饫?，北向?yàn)榻淌視r(shí)，應(yīng)以北向窗為主要采光面”，但這一條款并不是強(qiáng)制性規(guī)定。

新修訂和發(fā)布的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB50033—2013無疑為創(chuàng)造良好的室內(nèi)光環(huán)境，充分利用天然光，節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境起到積極的促進(jìn)作用。針對這一新標(biāo)準(zhǔn)，本文對2所南京市中學(xué)的12間教室進(jìn)行了實(shí)地測量和評估，初步了解南京市中小學(xué)教室的天然光環(huán)境現(xiàn)狀，檢驗(yàn)這些既有學(xué)校教室能否達(dá)到最新制定的采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2 調(diào)查內(nèi)容及方法

本次調(diào)研選取的研究對象是南京梅園中學(xué)和南京師范大學(xué)附屬中學(xué)新城初中 (后簡稱新城中學(xué))兩所中學(xué)。梅園中學(xué)有兩幢教學(xué)樓，分別為高中部和初中部 (后簡稱梅園初中、梅園高中)，這兩棟教學(xué)樓均建于上世紀(jì)九十年代，均為4層。梅園高中為現(xiàn)在中小學(xué)設(shè)計(jì)中較為少見單側(cè)采光教室，即一個(gè)內(nèi)廊，雙側(cè)為教室的形式 (圖1)。梅園初中采用我國傳統(tǒng)的南廊北教室設(shè)計(jì)，雙側(cè)采光，主要采光窗為北窗 (圖2)。新城中學(xué)為2005年新建的學(xué)校，教學(xué)樓為5層，普通教學(xué)用教室主要分布在1～4層，學(xué)校配套設(shè)施較為先進(jìn)。盡管基本遵照南廊北教室的設(shè)計(jì) (圖3)，但由于基地為西南朝向，所以主采光窗為被偏東45°。除梅園初中教學(xué)樓北面有一個(gè)自行車棚和一些高達(dá)2層的小樹外，三棟教學(xué)樓周圍均無明顯高大室外遮擋物。

圖1 梅園高中標(biāo)準(zhǔn)層平面圖Fig.1 Standard floor plan of Meiyuan High school

圖2 梅園初中標(biāo)準(zhǔn)層平面圖Fig.2 Standard floor plan of Meiyuan junior high school

樣本教室的選擇主要基于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn):1)正在使用的普通教學(xué)用教室;2)具有一定的光學(xué)代表性。由于梅園初中屬于我國比較標(biāo)準(zhǔn)的南廊北教室形式，盡管建造年代較早，但教室仍符合即使是最新的中小學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范，因此選擇了6間教室。而梅園高中屬于國內(nèi)較為少見的單側(cè)采光教室，因此分別在3層的南、北教室選擇3間。盡管新城中學(xué)較新，但由于基地朝向問題，光學(xué)代表性不強(qiáng)，因此也只選擇了3間教室作為樣本教室。樣本教室的編號是以“學(xué)校名的漢語拼音縮寫+樓層數(shù)+教室編號”，如梅園高中的樣本教室為“MG3-1”。樣本教室的地點(diǎn)詳見圖1～3。

每個(gè)樣本教室在水平面上選擇6個(gè)測點(diǎn):①前排近走廊;②前排中間;③前排近窗;④后排近窗;⑤后排中間;⑥后排近走廊。測點(diǎn)距教室前后墻2米，距離左右墻面1.5米。黑板面選擇5個(gè)測點(diǎn):B1位于黑板中心，B2、B3與B1垂直對齊，分別距黑板上、下邊緣各1/4高，B4、B5距與B1水平對齊，分別距黑板左、右邊緣各1/4寬。測點(diǎn)位置見圖4。

圖3 新城中學(xué)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖Fig.3 Standard Floor Plan of Xincheng junior high school

圖4 教室水平面與黑板測點(diǎn)布置Fig.4 Position of the measuring points on blackboard and in a typical simple classroom

在樣本教室選定后，首先進(jìn)行建筑測量，教室尺寸見平面圖1～3。梅園高中、梅園初中的教室室內(nèi)凈高均為3.3米，新城中學(xué)的室內(nèi)凈高為3.45米。其次，測量和計(jì)算教室的反射系數(shù)、窗玻璃的透射系數(shù)。教室光學(xué)測量中的照度測量使用TES 1332A照度計(jì)，亮度計(jì)采用日本柯尼卡美能達(dá)LS-100-110亮度計(jì)。測量日期為2012年4月期間，因進(jìn)行全陰天的實(shí)地測量較難控制，因此測量全部選擇在晴天。測量時(shí)間段一般選擇從10:00-15:00，每個(gè)測點(diǎn)每隔30分鐘測量一次。當(dāng)測點(diǎn)內(nèi)出現(xiàn)直射陽光時(shí)，如測點(diǎn)移動位置不大就可避免直射陽光，則適當(dāng)移動測點(diǎn)以避免直射陽光。如直射陽光范圍過大，則該測值則不在計(jì)算之內(nèi)。每次測量先是關(guān)閉所有的人工照明測一次，然后打開人工照明再測一次。

3 調(diào)查結(jié)果與分析

樣本教室的測量結(jié)果匯總見表1。綜合研究小組的實(shí)地觀察和表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出:

表1 全部實(shí)測教室采光測量結(jié)果匯總表Table 1 A Summary of all the physical measuring results in the sample classrooms

1)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50033—2013和《中小學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ50099—2011規(guī)定學(xué)校窗地比要求不小于1/5，所有被測樣本教室，即使是單側(cè)采光的梅園高中也都符合這一要求。其中以2005年建的新城中學(xué)窗地比最高1/2.6，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)。此外，研究小組在實(shí)地走訪中也注意到南京市的中小學(xué)，越是新建的學(xué)校建筑，窗子越大。

2)新修訂的《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50033—2013對教室內(nèi)主要反射面的反射比都有所調(diào)整。如被測教室100%的地面和75%的桌面的反射率無法滿足2001年的標(biāo)準(zhǔn)，但卻完全達(dá)到新修訂的2013年標(biāo)準(zhǔn)。此外，所有被測教室的墻面反射率如按照2001年的標(biāo)準(zhǔn)都偏高，但按照最新的2013年采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，75%教室能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，僅有較新的新城中學(xué)被測教室的墻面反射比不滿足。

3)無論新的還是舊的建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都沒有規(guī)定教室黑板面的反射比，但《中小學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ50099—2011規(guī)定了黑板反射比應(yīng)在0.10～0.20之間，而《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB 7793—2010要求更高些，規(guī)定了黑板反射比應(yīng)在0.15～0.20之間。如果根據(jù)《中小學(xué)校教室采光和照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB 7793—2010標(biāo)準(zhǔn)，100%樣本教室中的黑板反射率偏低。

4)本次實(shí)地測量都是在晴天所測得的照度值，沒有測量天然采光系數(shù)。表1中的照度值是在無人工照明下的平均照度值。從表中可以看出，83%被測教室的水平面照度平均值達(dá)到《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50033—2013。采光最差的被測教室是MC2-3，但教室內(nèi)水平照度均值在300lx以上。采光差的主要原因是該教室的南面有一個(gè)樓梯間，遮擋了教室一半的南向采光，北面還有一個(gè)自行車棚和一些高達(dá)2層的小樹。梅園初中另外兩間底層樣本教室MC1-1和MC2-2水平照度較低，也是北面這些遮擋物造成的。

5)盡管新標(biāo)準(zhǔn)中提到側(cè)面采光沒有均勻度的規(guī)定，但教室水平面照度均勻度明顯是一個(gè)不容忽視的問題。特別是在梅園高中的單側(cè)采光教室室內(nèi)照度均勻度僅為0.16～0.18。雙側(cè)采光的教室室內(nèi)明顯好于單側(cè)采光教室，但情況也不樂觀。在此值得一提的是，新標(biāo)準(zhǔn)提出了有效進(jìn)深這一概念，該概念可以對單側(cè)采光的教室室內(nèi)采光均勻度有一定控制。

6)無論是新修訂的還是舊的《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》都沒有規(guī)定黑板面 (即垂直面的照度值)。本研究根據(jù)的是《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50034—2004，梅園高中和初中所有樣本教室黑板垂直面采光都無法達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，即使在增添人工照明的情況下，也無一間教室達(dá)到要求。但新建的新城中學(xué)樣本教室的黑板采光照明則改善很大，都滿足規(guī)范要求。

7)盡管所有被測教室黑板的照度均勻度都相當(dāng)高，但研究小組觀察到幾乎所有教室黑板都或多或少有反射眩光問題，這一問題也在后期的問卷調(diào)查中得到證實(shí)。引起黑板眩光的原因很多，如黑板材料不好或清潔的不干凈等，但過大的采光窗也是引起反射眩光的重要原因之一。即使在南外廊雙側(cè)采光的教室，過大的北向側(cè)窗也會引起臨近北側(cè)墻的水平工作面和黑板面照度過高，以圖5梅園初中MC4-1教室為例，右邊照片顯示出黑板有明顯反射眩光。

圖5 梅園初中教室魚眼照片F(xiàn)ig.5 Fish eye views taken from two sides of the sample classroom in Meiyuan junior high school

8)教室中存在直射陽光需要引起重視，尤其是單側(cè)采光的梅園高中，其南向教室沒有任何室外遮陽設(shè)備，加之單側(cè)采光引起的照度不均，一年四季基本上要拉上窗簾。此外還有新城中學(xué)，尤其當(dāng)建筑不是坐落正南正北時(shí)，即使有‘南廊’設(shè)計(jì)，一年大部分時(shí)間都會有直射陽光射入教室。

4 分析與討論

從上述實(shí)地調(diào)研可以看出，所有被調(diào)查的教室都滿足新的《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50033—2013和《中小學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ50099—2011所規(guī)定的窗地比不小于1/5的要求。由于各種因素限制，本次研究沒有測量天然采光系數(shù)，僅測量了室內(nèi)工作面的照度均值。所測結(jié)果發(fā)現(xiàn)83%被測教室的水平面照度平均值達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的要求。由于新標(biāo)準(zhǔn)對黑板垂直面沒有做任何規(guī)定，本次研究以《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50034—2004為根據(jù)，發(fā)現(xiàn)即使有人工照明的情況下，75%被測教室的黑板照度不達(dá)標(biāo)，而且?guī)缀跛斜粶y教室都存在著反射眩光的問題。綜合這次初步研究和文獻(xiàn)回顧，以下是筆者對我國新標(biāo)準(zhǔn)的幾點(diǎn)看法:

1)首先，我國舊的《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033—2001在學(xué)校采光上僅規(guī)定了“采光系數(shù)”和“天然光臨界照度”兩個(gè)最低限值。但相較于西方發(fā)達(dá)國家的標(biāo)準(zhǔn)，這兩個(gè)最低限值顯然偏低。最新修訂的標(biāo)準(zhǔn)GB50033—2013在這上面明顯有了大幅度的提高，值得稱贊。但此次實(shí)測研究發(fā)現(xiàn)即使是90年代的教學(xué)樓，被測教室也都基本達(dá)到了新標(biāo)準(zhǔn)的要求。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)學(xué)校教室天然光環(huán)境中普遍存在的兩大主要問題是室內(nèi)照度不均勻和直射陽光，并不是照度不夠的問題。

2)無論是“采光系數(shù)”還是“天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值”，這些光學(xué)參數(shù)在建筑設(shè)計(jì)中都較難控制。因此我國建筑師在設(shè)計(jì)中小學(xué)時(shí)大都會采用“1:5的窗地比”這一參數(shù)來控制天然采光。從本次調(diào)查可以看出，即使是采用單側(cè)采光的梅園高中，只要一側(cè)采光口開的較大，也能達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)。然而，即使在沒有直射陽光的情況下，沒有任何控光和遮光設(shè)備的過大采光口會帶來大面積高亮度的天空視域，容易造成室內(nèi)照度不均、不舒適眩光等一系列問題。我國以前的研究也提到過這個(gè)問題［11］，由此可見，“窗地比”并不是一個(gè)能很好控制教室內(nèi)采光質(zhì)量的條款。此外，在本次實(shí)地走訪中，研究小組注意到目前新建學(xué)校的窗口越開越大，因?yàn)楹芏嘟ㄖO(shè)計(jì)人員認(rèn)為把學(xué)校教室的窗口開的越大，天然采光越好，這顯然是設(shè)計(jì)誤區(qū)，因此有必要對現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步的修訂。

3)盡管新標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)將采光系數(shù)的最低限值和臨界照度值修改為采光系數(shù)和照度均值，但還是沒有規(guī)定室內(nèi)天然光的最高限度值，這樣就沒有任何強(qiáng)制性規(guī)定使教室避免有直射陽光。雖然《中小學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ50099—2011也建議南廊北教室形式，但并不是強(qiáng)規(guī)。如果學(xué)校建筑為正南北方向，南廊結(jié)構(gòu)無疑能較好的防止南面直射陽光。但非正南北向朝向的學(xué)校，如本次調(diào)研選擇的新城中學(xué)，即使采用傳統(tǒng)的“南廊”設(shè)計(jì)，教室中也有直射陽光進(jìn)入。目前我國城市用地緊張，很難保證傳統(tǒng)的正南北方向設(shè)計(jì)，因而教室中難免有直射陽光。但大量的既往研究都表明教室中有直射陽光會造成很多問題，應(yīng)盡量避免［3］，因此建議在新標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)加入避免直射陽光的條款。

4)無論是既往研究還是本次調(diào)研，學(xué)校黑板的采光照明都存在較多的問題。但新頒布的《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50033—2013似乎并沒有特別關(guān)注這個(gè)問題。如既沒有黑板面的反射比的建議值，也沒有規(guī)定黑板面的采光系數(shù)和照度值，因此本次研究都是根據(jù)其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估。筆者認(rèn)為要解決黑板采光照明問題，除改善黑板材質(zhì)外，適當(dāng)提高照明設(shè)計(jì)規(guī)范中的黑板照度值較為現(xiàn)實(shí)可行。

在學(xué)校中創(chuàng)造一個(gè)良好的天然光環(huán)境，不僅有益于學(xué)生的身心健康，還節(jié)能環(huán)保。本文針對最新頒布的《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50033—2013，選取南京市2所中學(xué)中的12間教室進(jìn)行實(shí)地測量和評估，筆者認(rèn)為雖然新標(biāo)準(zhǔn)有了較大的改善和提高，但還是存在一定的問題，筆者希望本次學(xué)校天然采光的初步研究，能對進(jìn)一步完善我國采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)起到拋磚引玉的作用。

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