黔西北地區(qū)中小學(xué)教室光環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)研及實(shí)地工程改造示范

高 聞，鄒念育，，曹 帆，賀曉陽(yáng)，張克英，楊苗苗，李 健，何啟鵬

(1.大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所，遼寧 大連 116034；2.貴州致福光谷投資管理有限公司光創(chuàng)服務(wù)中心，貴州 畢節(jié) 551700)

引言

數(shù)據(jù)顯示我國(guó)兒童青少年總體近視率為53.6%，并且近視增長(zhǎng)率較快，小學(xué)階段從一年級(jí)的15.7%增長(zhǎng)到六年級(jí)的59.0%，初中階段從初一年級(jí)的64.9%增長(zhǎng)到初三年級(jí)的77.0%。近視患病率總體呈現(xiàn)低齡化趨勢(shì)[1]，近視率與生活學(xué)習(xí)環(huán)境有著一定聯(lián)系，浙江省、上海市、江蘇省等沿海等地均有對(duì)當(dāng)?shù)氐慕淌艺彰髑闆r的數(shù)據(jù)采集和調(diào)查分析[2-4]，但中國(guó)僻遠(yuǎn)地區(qū)缺乏相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)學(xué)校教室光環(huán)境情況進(jìn)行調(diào)研分析，導(dǎo)致學(xué)校教室光環(huán)境等數(shù)據(jù)較為匱乏，對(duì)制定地方標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)研究以及教室光環(huán)境優(yōu)化等近視防控工作造成一定的困難。因此為了改善這一現(xiàn)狀，大連工業(yè)大學(xué)光子學(xué)研究所聯(lián)合貴州光創(chuàng)服務(wù)中心立足貴州黔西北地區(qū)，對(duì)教室照明情況進(jìn)行檢測(cè)、記錄，形成數(shù)據(jù)庫(kù)。并且選取了當(dāng)?shù)匾婚g中學(xué)教室，提出了光環(huán)境設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了模擬仿真，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了工程改造，經(jīng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)驗(yàn)收，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并與模擬數(shù)據(jù)基本吻合，證實(shí)了此前的光環(huán)境設(shè)計(jì)方案可行性。

1 實(shí)地調(diào)研

1.1 調(diào)研對(duì)象

為最大限度了解此地區(qū)中小學(xué)校教室照明客觀情況，歷時(shí)兩個(gè)月，采取實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集的方式，共調(diào)研了中、小學(xué)校各5所。每所學(xué)校選取3間教室，對(duì)共計(jì)30間教室進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，為保證數(shù)據(jù)的客觀性，選取覆蓋城市與鄉(xiāng)村的不同學(xué)校，盡量選取不同學(xué)校教學(xué)樓、不同樓層、不同朝向、不同位置的教室進(jìn)行測(cè)量。對(duì)30間教室的課桌面水平照度、黑板面垂直照度、采光系數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在對(duì)實(shí)際客觀數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，對(duì)10所學(xué)校燈具的功率、光源類別、安裝布置方式等現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)研分析。

1.2 測(cè)試方法

依據(jù)GB 50033全國(guó)光氣候區(qū)的劃分，貴州屬于V區(qū)，年日光照量1 100 h左右，采光系數(shù)的高低變得尤為重要。本文應(yīng)用GB/T 5699—2017采光測(cè)試方法，對(duì)教室采光情況進(jìn)行檢測(cè)，在采光系數(shù)測(cè)量結(jié)束后，對(duì)室內(nèi)照明環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試均選擇在14：00—17：00進(jìn)行，在測(cè)試全程拉緊窗簾，開(kāi)啟教室內(nèi)部所有照明光源，根據(jù)GB/T 5700—2008照明測(cè)量方法，采用中心布點(diǎn)測(cè)試方法[5]，對(duì)教室的書(shū)寫(xiě)板、課桌面照度、照度均勻度進(jìn)行檢測(cè)。具體實(shí)施方法為：在課桌面照度測(cè)試方面，以方格1 m×1 m的方式均勻布點(diǎn)，測(cè)量高度選取課桌面高度；對(duì)于黑板面垂直照度的測(cè)量以0.4 m×0.4 m方式在黑板面均勻布點(diǎn)(圖1)，在數(shù)據(jù)采集完成后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，統(tǒng)計(jì)合格率，并在測(cè)試過(guò)程中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)燈具的功率、布置方式、光源類別進(jìn)行記錄。

圖1 運(yùn)用中心布點(diǎn)法對(duì)黑板面照度測(cè)試示意圖Fig.1 Schematic diagram of the illumination test on the blackboard surface by using the center point method

2 測(cè)試結(jié)果分析

本文對(duì)教室的采光系數(shù)、黑板面照度與照度均勻度、課桌面照度與照度均勻度進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以期對(duì)當(dāng)?shù)氐闹行W(xué)教室照明情況有一定了解。共抽檢當(dāng)?shù)刂小⑿W(xué)校各5所，每所學(xué)校抽檢3間教室，共計(jì)30間教室。下列數(shù)據(jù)圖片中，教室編號(hào)1～15號(hào)為中學(xué)教室，16～30號(hào)為小學(xué)教室，相關(guān)國(guó)家評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 中小學(xué)教室部分照明標(biāo)準(zhǔn)[6，7]

2.1 采光現(xiàn)狀

采光系數(shù)：在室內(nèi)給定平面上的某一點(diǎn)，采光系數(shù)為該點(diǎn)的照度與同一時(shí)間的室外無(wú)遮攔水平面上產(chǎn)生的天空漫射光照度之比，以%表示，是衡量某處空間對(duì)自然光利用情況的客觀數(shù)據(jù)。日光在教室照明中具有重要的作用，日光不足對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)會(huì)造成負(fù)面影響[8]，因此良好的采光十分重要。黔西北地區(qū)位于Ⅴ類采光地域，采光國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為2.4%以上[6]。所測(cè)30間教室具體數(shù)據(jù)分布如圖2所示，其中最大采光系數(shù)為1.8%，最小采光系數(shù)為0.21%，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求2.4%以上相比，所測(cè)教室采光系數(shù)較低。

圖2 采光系數(shù)數(shù)據(jù)一覽Fig.2 Daylighting coefficient data summary

自然光下黑板面照明數(shù)據(jù)分析：在實(shí)地考察時(shí)，由于貴州獨(dú)特的自然地理情況，因此對(duì)自然光照下的黑板面照明情況進(jìn)行考量，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3?？芍畲笳斩?2 lx，最小照度62 lx，各教室整體均值72 lx。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到黑板面照度均勻度，各教室均勻度見(jiàn)圖4?？芍畲笳斩染鶆蚨?.45，最小0.33，各教室整體均值0.41。

圖3 自然采光下的黑板面照度分布一覽Fig.3 Illumination distribution on the blackboard surface under natural lighting

圖4 自然采光下的黑板面照度均勻度分布一覽Fig.4 An overview of the distribution of illumination evenness on the blackboard surface under natural lighting

自然光下課桌面照明數(shù)據(jù)分析：教室中課桌面是學(xué)習(xí)生活的重要組成部分，因此本測(cè)試對(duì)自然光下的課桌面照明數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)測(cè)得各教室課桌面最大平均照度116 lx，最小83 lx，整體均值98 lx(圖5)。所測(cè)教室中，教室課桌面最大照度均勻度0.46，最小0.25，整體均值0.37(圖6)。

圖5 自然采光下的課桌面照度分布一覽Fig.5 Illumination distribution of desk surface under natural lighting

圖6 自然采光下的課桌面照度均勻度分布一覽Fig.6 Table surface illumination evenness distribution under natural lighting

本測(cè)試于14：00進(jìn)行，被測(cè)試的五項(xiàng)指標(biāo)，采光系數(shù)均值為1.06%；黑板面照度、照度均勻度平均值分別為72 lx、0.41；課桌面照度、照度均勻度平均值分別為98 lx、0.37。在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，同一間教學(xué)樓不同樓層的教室，樓層越高的采光相對(duì)來(lái)說(shuō)越好，整體教室的黑板面與課桌面平均照度越髙，但是也導(dǎo)致靠近窗口處的照度與教室內(nèi)部的照度差距越大，照度均勻度越低。并且由于貴州地區(qū)的自然氣候，自然光照量較少；山區(qū)較多，植被較為茂盛，存在一定的遮擋現(xiàn)象，也對(duì)采光有一定影響。

2.2 人工照明現(xiàn)狀

黑板面照明數(shù)據(jù)分析：研究表明良好的黑板面照度均勻度有利于看清黑板，更便于開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)[9]，黑板面照度情況是教室光環(huán)境的一個(gè)重要組成。在對(duì)各教室黑板面平均照度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，最大照度97 lx，最小77 lx，各教室整體均值87 lx(圖7)，所抽查30間教室黑板面垂直照度與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求500 lx以上相對(duì)比，有一定的差距。對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算得到黑板面照度均勻度，各教室黑板照度均勻度見(jiàn)圖8，最大照度均勻度0.56，最小0.33，各教室整體均值0.45，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.8要求而言，黑板面均勻度有待提升。

圖7 黑板面照度分布一覽Fig.7 Illumination distribution on blackboard surface

圖8 黑板面照度均勻度分布一覽Fig.8 An overview of illumination evenness distribution on the blackboard surface

課桌面照明數(shù)據(jù)分析：課桌面平均照度是衡量某一空間內(nèi)，是否可以滿足學(xué)習(xí)需要的重要指標(biāo)，中小學(xué)生視力更容易受到光環(huán)境影響，特別是課桌面照度影響，課桌面照度不足，使學(xué)生處于昏暗的閱讀水平面下，會(huì)對(duì)近視的預(yù)防產(chǎn)生不利的影響[10]。對(duì)抽測(cè)教室課桌面測(cè)試，測(cè)得各教室課桌面最大平均照度157 lx，最小125 lx，整體均值144 lx(圖9)，均未達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)300 lx以上的照度值要求。所測(cè)教室中，教室課桌面最大照度均勻度0.55，最小0.29，整體均值0.43(圖10)，也未達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求0.7的要求。

圖9 課桌面照度分布一覽Fig.9 Table illumination distribution in general

圖10 課桌面照度均勻度分布一覽Fig.10 Table surface illumination evenness distribution in a glance

通過(guò)對(duì)被抽測(cè)教室的黑板面平均照度、均勻度，課桌面平均照度、均勻度四項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，黑板面照度、照度均勻度平均值分別為87 lx、0.45；課桌面照度、照度均勻度平均值分別為144 lx、0.43，被抽測(cè)的30間教室，相關(guān)教室光環(huán)境指標(biāo)均未達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn),被抽查教室燈具數(shù)量普遍不足, 照明功率密度僅為5～7 W/m2，并且照明光源多為熒光燈，發(fā)光效率普遍不高，使用年限較長(zhǎng),存在一定光衰。以上都導(dǎo)致了光通量不足、課桌面平均照度偏低、照度均勻度較差。對(duì)于黑板面來(lái)看，所測(cè)教室均未安裝適合于黑板面照明特殊配光的黑板燈。僅有部分教室將普通教室燈平行于黑板面設(shè)置，甚至有教室僅依賴前排教室燈進(jìn)行照明。這些都導(dǎo)致了黑板面照度較低、照度均勻度較差。為改變此地區(qū)教室光環(huán)境現(xiàn)狀，建議進(jìn)行更換具有更高的發(fā)光效率的LED教室燈。并且根據(jù)教室布局合理布置燈具，以增強(qiáng)課桌面的水平照度以及均勻度。此外，選擇單向透鏡式配光設(shè)計(jì)的黑板燈，以求得到更好的黑板面照明效果。

表2 現(xiàn)場(chǎng)燈具情況一覽

3 教室照明設(shè)計(jì)與改造案例

此前測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，此地區(qū)被測(cè)教室照明環(huán)境均與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)存在一定差距?，F(xiàn)在當(dāng)?shù)厝∫婚g教室面積為68.4 m2(9.5 m×7.2 m)作為此地區(qū)改造示范樣板間。在調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，此種教室布局在此地區(qū)占比較大，且測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其光環(huán)境也比較能反映此地區(qū)的共性問(wèn)題，因此具有一定的代表性。對(duì)此間教室進(jìn)行照明方案設(shè)計(jì)，利用DIALux EVO進(jìn)行仿真模擬，并根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)際的教室照明環(huán)境改造，可以為此地區(qū)教室光環(huán)境改造提供思路。

在對(duì)該教室測(cè)試發(fā)現(xiàn)，此間教室光環(huán)境存在此地區(qū)教室共性問(wèn)題：教室課桌面照度、均勻度；黑板面照度、均勻度與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相比均有一定差距，測(cè)得分別為95 lx、0.5；150 lx、0.5。對(duì)眩光進(jìn)行測(cè)試，整間教室UGR達(dá)到了21。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，整間教室的照明功率密度僅為6.5 W/m2，光源類型為雙管熒光燈。較低的照明功率密度與光源的低光效共同導(dǎo)致了教室課桌面的較低照明質(zhì)量。此外，此間教室并未布置經(jīng)專門(mén)配光設(shè)計(jì)的黑板燈。僅平行于黑板面布置了兩盞普通教室燈，由于未經(jīng)過(guò)適合于黑板面的配光設(shè)計(jì)，導(dǎo)致黑板面照度較低、照度均勻度較差。各燈具也未設(shè)置專門(mén)的防眩光裝置，導(dǎo)致空間中眩光較大。

為解決以上問(wèn)題，針對(duì)性地指定了三點(diǎn)解決方案：1)選取具有防眩光格柵處理的新型LED教室燈；2)采用單向透鏡式配光設(shè)計(jì)的黑板燈；3)針對(duì)教室面積以及實(shí)際情況合理選擇布燈方式，適當(dāng)提高照明功率密度。具體設(shè)計(jì)方案如下。

采用單向透鏡式配光設(shè)計(jì)的黑板燈，如圖11左圖所示，黑板規(guī)格為4 m×1.2 m，安裝2盞黑板燈，通過(guò)DIALux EVO進(jìn)行模擬，黑板照度550 lx，均勻度0.8以上；根據(jù)教室的面積，安裝3×3共計(jì)9盞教室燈(圖12)，教室燈采用防眩格柵設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)仿真，課桌面照度達(dá)到400 lx以上，均勻度大于0.7，教室眩光小于等于16，整體優(yōu)化和提升了教室光環(huán)境指標(biāo)(圖13)。

圖11 使用的黑板燈與教室燈配光曲線Fig.11 Curve of light distribution between blackboard lights and classroom lights

表3 模擬所得教室光環(huán)境

圖12 教室仿真平面圖Fig.12 Classroom simulation plan

圖13 仿真結(jié)果圖Fig.13 Simulation results

改造后教室燈具數(shù)量為11盞，由2盞平行于黑板面的黑板照明燈和9盞(3×3均勻排布)垂直于黑板面的教室燈組成(圖14)。所有燈具均經(jīng)過(guò)防眩光處理，在燈具安裝結(jié)束后，由第三方檢測(cè)單位對(duì)黑板面照度及均勻度、課桌面照度及均勻度、空間眩光指數(shù)UGR都進(jìn)行了測(cè)試，均達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。教室光環(huán)境得到了提高(表4)。

表4 教室改造前后光環(huán)境對(duì)比

為保證測(cè)試結(jié)果更具有科學(xué)性，除了對(duì)改造前后的教室光環(huán)境客觀指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，還對(duì)教室的實(shí)際使用者包括5名教師、30名學(xué)生分發(fā)了試卷，進(jìn)行主觀調(diào)查。設(shè)置問(wèn)題包括：整體的明亮感覺(jué)、空間光線刺眼現(xiàn)象、課桌面讀書(shū)寫(xiě)字的舒適清晰性、觀看板書(shū)的舒適清晰性四項(xiàng)問(wèn)題。設(shè)置評(píng)判選項(xiàng)分為滿意、一般、不滿意、很不滿意四項(xiàng)答案。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，改造后的教室在四項(xiàng)評(píng)測(cè)問(wèn)題方面，滿意率均有了較大的提高，各項(xiàng)滿意率均超過(guò)97%(圖15、圖16)。在主觀角度上，證實(shí)了教室光環(huán)境確實(shí)得到了改善。

圖14 教室改造后光環(huán)境效果圖(實(shí)拍)Fig.14 Effect of light Environment after classroom Renovation (real shot)

圖15 改造前教室的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.15 Subjective evaluation results of classrooms before renovation

圖16 改造后教室的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.16 Subjective evaluation results of classroom after renovation

4 小結(jié)

本文對(duì)黔西北地區(qū)的10所中小學(xué)校共計(jì)30間教室照明環(huán)境進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研測(cè)試，測(cè)試自然采光下與人工照明兩種條件的教室光環(huán)境，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)被測(cè)試教室采光系數(shù)，人工照明條件下的黑板面照度、均勻度，課桌面照度、均勻度，這五項(xiàng)指標(biāo)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相比均不達(dá)標(biāo)，教室照明環(huán)境比較嚴(yán)峻。為了改善這一現(xiàn)狀，并為此地區(qū)教室后續(xù)大范圍的改造提供思路，選取了當(dāng)?shù)匾婚g教室制定了光環(huán)境設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了仿真模擬，并且根據(jù)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了實(shí)際的工程改造。經(jīng)第三方檢測(cè)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果基本吻合，證實(shí)了設(shè)計(jì)方案的可行性。與改造前相比，各項(xiàng)數(shù)據(jù)得到了提高，均達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并且進(jìn)行針對(duì)改造教室進(jìn)行了主觀問(wèn)卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)滿意率均有了一定提高，教室光環(huán)境有了很大改善，為此地區(qū)教室照明環(huán)境改造提供了思路與依據(jù)。