中小學教室桌面照度上限值指標簡述

夏啟航，郭文利，王舒陽，許 楠

(1.中科院建筑設計研究院有限公司，北京 100086；2.上海華為技術(shù)有限公司，上海 201206)

引言

中小學教室是青少年日常學習與活動的主要場所。數(shù)據(jù)顯示，我國中小學生每天大約60%的時間在教室[1]。教室的光環(huán)境質(zhì)量對學生的生理健康、學習效率影響顯著。為提升教室光環(huán)境，呵護學生健康成長，江蘇、浙江等多地已開展中小學教室照明改造工程。課桌面照度作為健康教室光環(huán)境驗收的重要指標，是評價改造效果的重要依據(jù)。然而，部分改造中存在著“燈光越亮越好”的誤區(qū)，盲目通過人工照明大幅增加課桌面照度，不僅造成了能源的浪費，增加了資金投入，而且導致學生視疲勞，影響視力健康。除此之外，改造過程中也缺乏對天然光照度的關(guān)注，造成中小學教室課桌面局部天然光照度過高的現(xiàn)象普遍。

1 背景

1.1 人工照明照度值缺乏上限

我國的各類標準關(guān)于桌面水平照度基本規(guī)定在300 lx?！督ㄖ彰髟O計標準》(征求意見稿)GB 50034—2020的教育建筑照明標準值表中對于教室課桌面的照度標準值定為300 lx[2]。在《中小學教室健康照明設計規(guī)范》(T/CIES 030—2020)中規(guī)定普通教室課桌面的維持平均照度為300 lx[3]。然而，在學校教室照明改造中，部分競標者為了體現(xiàn)自身優(yōu)勢，一味追求“明亮”效果，使得桌面照度遠超標準限定值，增加了過多的資金投入，引起了無謂的能源消耗與碳排放。以全國共有各類學校51萬所[4]、約1 000萬間教室計算，如果不精準控制課桌面照度的范圍，實施效果的照度值由300 lx提高到500 lx，那么每年將會增加用電量約15.9億度，增加約124.8萬噸碳排放(1)用電量按每年的授課天數(shù)159 d，每天開燈5 h，燈具光效80 lm/W計算。在第75屆聯(lián)合國大會上，我國明確指出2030年達到碳達峰，2060年實現(xiàn)碳中和的目標。實現(xiàn)“雙碳”目標，這要求照明節(jié)能進一步加強。照明節(jié)能的合理方式不僅是提升燈具光效，更要加強有效利用天然光，減少過度的人工照明。

李震宇[5]認為，教室的照度絕不是越高越好，學生需要長時間面對的多是白紙黑字的書本，白色反射全頻白光，與黑字形成反差。在過高的亮度條件下，人們的色覺功能反而會降低，出于本能，就會將書本拉近，眼睛受到的刺激更加強烈而容易引起視覺疲勞，從而引發(fā)近視。

1.2 天然光照度值缺乏上限

天然采光是教室白天主要的照明來源，目前我國現(xiàn)行的《建筑采光標準》(GB 50033—2013)要求教室內(nèi)的天然光照度不得低于450 lx[6]。但天然光不是越多越好，我國大部分區(qū)域(如Ⅰ-Ⅲ類光氣候區(qū))日照較強，中小學教室課桌面呈現(xiàn)局部天然光照度過高的現(xiàn)象比較普遍。張昕等[7]通過對全國5個光氣候區(qū)、7個城市學校教室的采光進行模擬研究，發(fā)現(xiàn)在未采用遮陽設施時，無論南向還是北向教室，全年250 h以上時間課桌面區(qū)域天然光照度達到1 000 lx的面積占比超過44%，遠超WELL標準中規(guī)定的小于教室面積的10%。以第Ⅲ類光氣候區(qū)北京的部分學校為例，晴天情況下，南向采光的教室近窗側(cè)部分課桌照度可達3 000～9 000 lx[8]，其產(chǎn)生的眩光嚴重影響學生視看效果與學習效率。

綜上所述，明確合理的照度上限值對于減少學生視疲勞、實現(xiàn)健康護眼與經(jīng)濟節(jié)能具有重要意義。

2 課桌面照度上限值的分析

2.1 照度上限值考量要素

照度上限值的確定，與視覺功效、視疲勞、作業(yè)模式特點、視覺主體的生理特點、天然光采光情況、能耗要求等因素都密切相關(guān)。

首先，隨著年齡的增長，人的瞳孔會逐漸變小，晶狀體變得更厚，透明度更低[9]。因此中小學生對光更加敏感和脆弱，而視看能力要強于成年人和老年人。對于相同的視覺任務，年輕人需要的照度比高齡人要少。過高的作業(yè)面照度沒有積極意義。而長時間在強光環(huán)境下人眼調(diào)節(jié)幅度變大，長時間繃緊睫狀肌，造成視疲勞加劇，嚴重者出現(xiàn)眼痛眼干的癥狀。

此外，中小學校學生在上課時的視覺作業(yè)以“長時間、雙視點、定向性”為基本特征，在我國中、高考備考壓力下，中學上課時間長普遍存在?！半p視點”指學生視線主要集中于黑板與桌面兩個目標?！岸ㄏ蛐浴笔侵改抗舛ㄏ蛴谝朁c，上課時不能隨意變換方向、目標點或者閉眼休息。除了視看黑板以外，經(jīng)常進行閱讀與寫字作業(yè)，考試測驗也會頻繁發(fā)生。此外，在上課狀態(tài)下，局部課桌高照度時，學生往往缺乏察覺，也無法自由隨意和及時地拉起窗簾遮陽，難以形成自我保護。以上特征是兒童青少年區(qū)別于成年人視覺作業(yè)的重要特征，兒童比成年人更容易造成視疲勞。

因此，照度上限值應重點關(guān)注長時間作業(yè)狀態(tài)下對視疲勞的減緩程度，考慮到青少年群體的生理發(fā)育特點和學習中長時間盯看文字的視覺作業(yè)特點。

2.2 照度上限值指標分析

我國學校教室照明驗收標準是基于《照明測量方法》(GB/T 5700—2008)[10]的測量標準，即只針對人工照明進行驗收測量。而中小學教學時間主要為白天，天然光為教室提供大量照度，教室光環(huán)境融合了天然光和人工光的雙重作用。如果只設定一個上限值，實際上驗收只能監(jiān)管到人工照明，仍然無法解決天然光照度過高的問題。因此，中小學教室桌面照度上限值應包含兩部分：人工照明上限值與天然光照度上限值。為中小學教室照明提供綜合性、個性化的干預措施，探索滿足相應目標人群的視覺健康需求。

人工光和天然光的光譜構(gòu)成有巨大差異，同樣強度的光對人的生理和心理影響有顯著差別，兩者的照度上限值應區(qū)別分析。

2.2.1 人工照明的課桌面照度上限值指標分析

近年來，隨著健康照明理念的普及，越來越多的學者關(guān)注到了光環(huán)境與人體健康的關(guān)系。邵志棟[11]研究了6名學生使用平板電腦閱讀時，50～1 000 lx的不同 LED 照度光環(huán)境對學習者學習效率、腦疲勞及視疲勞的影響。實驗結(jié)果表明LED照度在700 lx附近學習效率最大，腦疲勞最嚴重，視疲勞較低。且照度大于700 lx時，學習效率逐漸降低，視疲勞急劇增加。

黃海靜[12]選擇3名學生為被試者，研究教室照明條件下學生瞳孔大小隨亮度水平的變化規(guī)律，結(jié)果表明當照度從300 lx提高到500 lx時，瞳孔面積迅速縮小，但照度達750 lx之后，隨著亮度(照度)水平的提高，瞳孔面積變化率減小，即亮度增大對瞳孔收縮的影響大大減緩。

吳思穎[13]選取學生為實驗對象，模擬教室環(huán)境搭建實驗室，讓實驗者在100～600 lx的光環(huán)境中進行視覺舒適度評價實驗、警覺度評價實驗及視疲勞試驗。通過32人的主觀評價實驗，得出高校教室內(nèi)學生視覺較舒適、警覺度較高及視疲勞程度較低的照度閾值范圍為315.58～451.08 lx。

從以上研究中可以發(fā)現(xiàn)，照度變化與學生生理狀態(tài)有較為清晰的關(guān)系，照度增加到一定值后，視疲勞程度會迅速增加，進一步影響學生學習效率與視力健康。

國內(nèi)部分標準對于照度上限值已做出明確限定，如《建筑照明設計標準》(征求意見稿)GB 50034—2020對于各類照度標準值做了專門注釋：“設計照度與照度標準值的偏差不應超過+20%[2]。”此條款具有明確的引導傾向：希望設計師在照度模擬計算時遵循既不應低于也不應過多，將照度維持在300～360 lx之間，實現(xiàn)效果與節(jié)能的最佳平衡，這種精準控制在應用驗收和貫徹節(jié)能時是非常必要和有實效的。此外，2021年最新發(fā)布的《深圳市中小學教室照明技術(shù)規(guī)范》(T/SZEEIA 001—2021)首次明確提出了普通教室的課桌面照度上限值為750 lx[14]。各標準關(guān)于人工光照度上下限推薦值的對比如表1所示。

表1 各標準關(guān)于人工光照度上下限推薦值的對比

綜上，人工照明平均照度維持值宜控制在300～360 lx，而不應超過750 lx。

2.2.2 天然光照明的課桌面照度上限值指標分析

英國拉夫堡大學的Mardaljevic教授在2005年首次提出“有效的天然采光照度”(UDI)，將其定義為使用者有益于進行工作和學習的室內(nèi)工作面照度[15]。在2012年的研究報告中指出在公共建筑中300～3 000 lx是人們普遍接受且滿意的照度范圍，這個范圍內(nèi)可能不需要額外的人工照明[16]。

王夢蕊[17]通過問卷調(diào)查得出大部分學生可以接受1000～3 000 lx范圍內(nèi)的光線照度，對2 000～3 000 lx范圍內(nèi)的照度有高滿意度的評分，當教室內(nèi)自然光照度值超過3 000 lx時，部分學生反映教室內(nèi)光線過亮，無法順利進行閱讀任務。該結(jié)論與Mardaljevic教授的研究結(jié)果基本一致。

我國《建筑采光標準》(GB 50033—2013)規(guī)定了采光系數(shù)的上限值，即采光系數(shù)7%，規(guī)定采光系數(shù)的上限是為了防止夏天太陽輻射對室內(nèi)產(chǎn)生的過熱影響以及由此引起的不舒適眩光[6]，但其在實際應用中缺乏直觀性與便利性。

美國提出天然光照度值在100～2 000 lx為合適照度，大于2000 lx為過高照度[6]。北美LEED 2009中指出，天然光照度水平不應超過5 382 lx[18]?！吨行W教室健康照明設計規(guī)范》(T/CIES 030—2020)提出“南向采光教室靠窗側(cè)課桌面的天然光照度不宜大于3 000 lx”條款[3]。邊宇[19]經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，200～2 000 lx是大多數(shù)學生在天然光下學習或進行其他簡單作業(yè)所喜好的照度范圍。結(jié)合其他研究成果，舒適的天然光環(huán)境中，其上限值約為2 000～3 000 lx。劉佳平[20]也提出照度不宜大于3 000 lx，經(jīng)采樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨照度增加，滿意人數(shù)百分比上升，超過3 000 lx時滿意人數(shù)反而減少。各標準或書籍關(guān)于天然光照度上下限推薦值對比如表2所示。

表2 各標準關(guān)于天然光照度上下限推薦值對比

綜上，南向采光的教室天然光照度宜控制在2 000 lx以內(nèi)，而不應超過3 000 lx。北向采光的靠窗側(cè)天然光照度雖然也存在大于3 000 lx的情況，但并非直射光，對視覺作業(yè)負面影響在接受范圍之內(nèi)，因而建議只針對南向教室規(guī)定。

3 結(jié)論

從中小學生的視看需求和經(jīng)濟節(jié)能方面統(tǒng)籌考慮，在教室照明標準制定中應增加對照度上限值的界定，包括人工照明照度上限和天然光照度上限。人工照明平均照度維持值宜控制在300～360 lx，而不應超過750 lx；南向采光的教室天然光照度宜控制在2 000 lx以內(nèi)，而不應超過3 000 lx。我們應在“健康中國”戰(zhàn)略下進一步保護和改善中小學的視覺健康。