重慶地區(qū)高校教室近窗區(qū)天然采光照度調(diào)研分析

曾思敬，楊振鑫，馬道軒

（重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400030）

教室是學(xué)生日間活動、學(xué)習(xí)的主要場所，其光環(huán)境是構(gòu)成室內(nèi)物理環(huán)境的重要組成部分。天然光對教室光環(huán)境影響巨大，充分利用天然光不僅有益于學(xué)生的視力健康，對改善學(xué)生情緒、提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率有積極影響，還可節(jié)約能源，促進(jìn)綠色發(fā)展。目前，重慶高校教室通常采用單側(cè)窗采光方式，照度隨進(jìn)深的增加逐漸減弱，教室內(nèi)各區(qū)域照度差異較大，光環(huán)境質(zhì)量較低。通過前期調(diào)研分析可知，天然光環(huán)境下，近窗區(qū)是學(xué)生更希望停留的區(qū)域。Korsavi 等[1]研究發(fā)現(xiàn)，有陽光直接照射的座位區(qū)，學(xué)生的視覺舒適評價滿意度較高。這說明學(xué)生更傾向于在近窗區(qū)進(jìn)行長時間的視覺作業(yè)，但此區(qū)域受天然光影響最大，存在夏季頻繁出現(xiàn)眩光，冬季采光不足等問題，對學(xué)生的視覺功效和舒適度有一定程度的影響。同時，重慶地處我國日照資源最少的Ⅴ類光氣候地區(qū)，據(jù)長期的氣象觀測資料表明[2]，重慶的年總?cè)蛰椛淞俊⒛耆照諘r數(shù)及年日照百分率均屬全國最低位之列，其光氣候還存在日照不均衡變化的特征[3]。因此，為提高重慶地區(qū)高校教室的光環(huán)境質(zhì)量，亟需改善教室近窗區(qū)天然光環(huán)境。全面、充分的重慶地區(qū)高校教室光氣候數(shù)據(jù)是教室近窗區(qū)光環(huán)境優(yōu)化的基礎(chǔ)。

近年來，天然采光領(lǐng)域的研究不斷深入，研究表明，獲取真實的光氣候數(shù)據(jù)對指導(dǎo)建筑采光設(shè)計具有重要意義[4-5]。Heschong等[6]通過對美國3個不同氣候地區(qū)的學(xué)校教室采光研究發(fā)現(xiàn)，教室不同的采光率對2～5年級學(xué)生的算術(shù)、閱讀成績影響顯著，基于采光現(xiàn)狀和光氣候條件，提出改善光環(huán)境以影響學(xué)生的行為和表現(xiàn)，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)成績。Samiou 等[7]將希臘雅典的一所幼兒園作為案例研究，進(jìn)行了一組基于氣候的日光建模模擬，提出了在希臘氣候數(shù)據(jù)的背景下優(yōu)化學(xué)前兒童教室視覺環(huán)境的采光設(shè)計策略。盧珍等[8]基于南寧地區(qū)的氣象參數(shù)，對廣西南寧地區(qū)獨具特色的雙側(cè)窗教室的采光性能評價進(jìn)行研究，提出了雙側(cè)窗教室舒適采光區(qū)域。既往研究多是基于國家氣象文件或地區(qū)的光氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行采光分析，其數(shù)據(jù)范圍較大，落實到具體項目上易產(chǎn)生誤差，對于重慶地區(qū)高校教室光氣候數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步測量與分析。

為研究重慶地區(qū)高校教室近窗區(qū)光環(huán)境特點，基于CIE標(biāo)準(zhǔn)晴天空與CIE標(biāo)準(zhǔn)陰天空條件，對重慶地區(qū)高校教室的天然光照度進(jìn)行實地測量與分析，根據(jù)照度測量值與開窗方式、朝向等教室差異指標(biāo)，探討重慶地區(qū)典型教室天然光照度變化規(guī)律，提出教室近窗區(qū)光環(huán)境優(yōu)化建議，為后續(xù)近窗區(qū)光環(huán)境改善研究提供數(shù)據(jù)支撐與依據(jù)，并為重慶高校教室外窗調(diào)光構(gòu)件設(shè)計研究提供參考。

1 重慶地區(qū)典型教室調(diào)研

1.1 調(diào)研對象

除了資源的影響，室內(nèi)天然采光還與建筑物參數(shù)密切相關(guān)。從建筑物參數(shù)入手，選取重慶大學(xué)B區(qū)第二綜合樓2南2北、開窗形式不同的4間典型教室作為調(diào)研對象，教室具體信息如表1所示。樓層位于13層，避免周圍環(huán)境遮擋。整棟教學(xué)樓朝西北東南方向偏斜，其中北向教室的朝向為北偏西17°，南向教室為南偏東17°，教室方位情況如圖1所示，教室平面布置與采光現(xiàn)狀如圖2所示。

表1 教室信息統(tǒng)計表

圖1 第二綜合教學(xué)樓衛(wèi)星平面圖

圖2 4間典型教室的空間平面圖和采光現(xiàn)狀

1.2 典型教室實測

采用手持式分光輻射照度計 (杭州新葉光電XYI-Ⅲ)和激光測距儀（鷹克斯400）等儀器測量在CIE標(biāo)準(zhǔn)晴天空與CIE標(biāo)準(zhǔn)陰天空下，課桌平面照度一天中的變化。測量操作嚴(yán)格按照《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 （GB 50033—2012）及 《采光測量方法》（GB/T 5699—2008）[9]相關(guān)規(guī)定，測量時間選擇在 CIE 標(biāo)準(zhǔn)晴天與 CIE 標(biāo)準(zhǔn)陰天下 8：30-17：00 之間進(jìn)行采光測量，測量高度取教室桌面高度 (750 mm) ，測量點在距黑板 2.2 m、距墻 0.5 m 的區(qū)域內(nèi)采用 1 m×1 m 網(wǎng)格布局，如圖3所示。采光測量結(jié)果如表2～表4所示。

表2 全陰天教室照度記錄統(tǒng)計表lx

表3 全晴天上午天教室照度記錄統(tǒng)計表lx

表4 全晴天下午天教室照度記錄統(tǒng)計表lx

圖3 教室照度測試布點示意圖

2 調(diào)研數(shù)據(jù)整理與分析

2.1 照度數(shù)據(jù)篩選與近窗區(qū)定義

全部實測完成后，對全晴天上午及下午與全陰天3組照度數(shù)據(jù)進(jìn)行整合匯總。采用Matlab軟件對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅全晴天上午照度數(shù)據(jù)具有代表性。對于全陰天數(shù)據(jù)而言，距窗3 m處的照度不滿足《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》所規(guī)定的 450 lx 照度值，同時，教室大部分區(qū)域的照度值均在標(biāo)準(zhǔn)照度以下。因此，在全陰天環(huán)境下教室大部分空間需要采取室內(nèi)照明改善照度，該數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確分析僅天然光影響下的教室照度變化規(guī)律。通過篩選，最后綜合全晴天上午、下午的照度數(shù)據(jù)進(jìn)行教室照度變化規(guī)律分析。

針對不同項目，近窗區(qū)范圍定義不同，想要對所研究的教室進(jìn)行近窗區(qū)照度分析，需定義具體的近窗區(qū)范圍。研究以《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50033—2013）為依據(jù)， 以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的教室工作面照度 450 lx 為定位線，通過被測教室全晴天上午的照度數(shù)據(jù)得到各教室窗距離與達(dá)標(biāo)率的變化圖像（見圖4）。分析發(fā)現(xiàn)，北側(cè)教室在4.0～5.0 m窗距離的范圍內(nèi)達(dá)標(biāo)率跌落 100%。因此，針對該區(qū)域進(jìn)行多次照度測試，整理匯總后得到平均達(dá)標(biāo)率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在 4.47 m 處平均達(dá)標(biāo)率下降到 90% 以下，為了后續(xù)測量及計算方便，取4.5 m。最終，研究所定義的近窗區(qū)為距窗 0～4.5 m 區(qū)域。

圖4 教室照度達(dá)標(biāo)圖

2.2 數(shù)據(jù)整理與分析

該部分采用直觀的圖形對比與客觀數(shù)據(jù)結(jié)合的方式，比對分析不同教室在照度空間分布方面的共同規(guī)律，并總結(jié)目前教室存在的照度問題。實測數(shù)據(jù)通過Matlab 繪圖軟件繪制成教室照度空間圖和教室照度切片圖（見圖5、圖6）。

圖5 教室照度空間圖

圖6 教室東西照度切片圖

由圖4可見，教室內(nèi)部照度隨進(jìn)深的增加而產(chǎn)生明顯的變化，最高值與最低值相差均在 1 000 lx 以上，且以1304和1306為代表的南向教室的照度變化更為顯著。

由圖5所示，對于教室東西方向，4間教室均出現(xiàn)前后處照度高、中部照度下降的情況，且越靠近教室內(nèi)墻，變化越不明顯。這種情況是由窗間墻遮擋陽光所致。南向教室1306的東西方向照度變化最大，同列照度最大值 12 000 lx 與最小值 705 lx 之間的差距超過了12倍，照度過高且均勻度較差。因此，應(yīng)降低該區(qū)域的照度，對該區(qū)域進(jìn)行充分的遮陽處理。北向教室東西方向存在照度變化，但變化不明顯。對于教室南北方向，4間教室均存在照度由窗戶向內(nèi)部劇烈下降，在靠墻處微弱回升的情況。這種分布情況主要由于天然光在近窗區(qū)的劇烈衰減和墻面反射對照度的提升。因此，應(yīng)考慮通過采用反射系數(shù)較高的墻面材料、增加墻面平整度等方式，增大教室內(nèi)部的照度，使教室內(nèi)部能利用更多的天然采光，達(dá)到節(jié)能效應(yīng)。南向教室1304的南北方向照度變化最大，同排照度最大值 20 200 lx與 最小值 800 lx 之間存在近乎30倍的差距。

對于具體照度值而言， 目前《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》要求教室的天然光照度不低于450 lx。從表5可知，中南側(cè)教室照度最小值為 597 lx，均滿足國家規(guī)范要求的教室照度大??；而北側(cè)教室僅在近窗區(qū)達(dá)到國家規(guī)范要求，在教室中部照度就下降至400 lx 以下，一半以上的教室空間低于標(biāo)準(zhǔn)值。

表5 教室照度達(dá)標(biāo)分布表全晴天上午天教室照度記錄統(tǒng)計lx

2.2.1 建筑朝向?qū)淌艺斩鹊挠绊懛治?/p>

為研究教室不同朝向?qū)φ斩鹊挠绊懀饕x取1306教室(南向)與1307教室(北向)進(jìn)行分析。這兩間教室在開窗形式、尺寸等方面基本相同，可減少干擾因素，南向教室照度值遠(yuǎn)高于北向教室，但南北向教室僅存在照度值大小差異，仍有相似的照度空間分布情況。

照度過大會對學(xué)生學(xué)習(xí)帶來眩光、視覺疲勞等不利影響，在針對疲勞度的光舒適研究中發(fā)現(xiàn)，高于10 000 lx照度的光環(huán)境極易給人帶來視覺疲勞，在該環(huán)境下長時間工作會產(chǎn)生眼刺痛感[10]。對于南向教室的近窗區(qū)，桌面照度值過大，南向教室近窗2 m照度平均值為7 122 lx和10 811 lx，存在眩光問題。

在調(diào)光構(gòu)件設(shè)計方面，對于近窗區(qū)域，南側(cè)教室照度過大，最大值達(dá) 20 000 lx 以上，會導(dǎo)致嚴(yán)重的眩光現(xiàn)象，應(yīng)主要考慮遮光，特別是需要根據(jù)時間調(diào)節(jié)遮陽形式。北側(cè)教室在近窗區(qū)域的照度適宜，但教室內(nèi)部照度不足，需要進(jìn)行天然光的補(bǔ)充，應(yīng)主要考慮補(bǔ)光，依靠反射板增大教室內(nèi)部的天然光照度。

2.2.2 開窗方式對教室照度的影響分析

針對教室不同開窗方式對照度的影響，主要選取1305 教室(落地窗)與1307 教室(橫向側(cè)窗)，1304教室(豎向條窗)與1306 教室(橫向側(cè)窗)進(jìn)行分析。教室在朝向方面基本相同，可減少干擾因素，教室的照度空間分布總體上均呈現(xiàn)前大后小、迅速衰減的趨勢。在近窗區(qū)域內(nèi)，教室前后方向上，橫向側(cè)窗教室照度呈“U”形， 豎向條窗教室照度呈“W”形，落地窗教室照度呈“一”字形。在遠(yuǎn)窗區(qū)域內(nèi)，教室前后方向上，3種開窗形式的教室照度均呈“一”字形。

不同開窗方式對照度空間分布的影響主要是窗洞口位置與墻柱位置導(dǎo)致的。在調(diào)光設(shè)計方面，對于南向教室近窗區(qū)，需根據(jù)窗洞口大小設(shè)置不同角度的調(diào)光構(gòu)件達(dá)到窗下遮光、墻下反光的效果。落地窗由于受到墻柱影響小，照度在教室前后方向上較為均勻，則主要考慮教室朝向所帶來的照度變化問題。北向教室近窗區(qū)，墻柱影響較小，主要考慮教室朝向所帶來的照度變化問題。

目前，4間教室設(shè)計未考慮諸如朝向和開窗方式等潛在因素所帶來的差異性，南北向教室均僅采用窗簾進(jìn)行調(diào)光，缺乏針對不同教室的調(diào)光構(gòu)件設(shè)計。

3 結(jié)論

教室天然光環(huán)境對學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)生重要影響，最大限度地利用天然光能 更好地起到節(jié)約能源的效果。通過重慶教室的照度實測，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，研究重慶教室的近窗區(qū)照度規(guī)律并提出改進(jìn)建議。

1）對重慶地區(qū)高校典型教室近窗區(qū)進(jìn)行了照度分析。結(jié)果表明，室內(nèi)照度分布具有獨特性與復(fù)雜性。南北向教室照度差異明顯，最大照度值相差15 000 lx左右，南向教室內(nèi)部直射區(qū)與墻后陰影區(qū)照度值相差10 000 lx 以上，需要針對教室不同區(qū)域進(jìn)行單獨的調(diào)光構(gòu)件設(shè)計。

2）探究了建筑參數(shù)對教室照度的影響。結(jié)果表明，建筑朝向主要影響照度值大小，開窗方式主要影響照度的空間分布情況。建筑參數(shù)對教室近窗區(qū)影響大于遠(yuǎn)窗區(qū)，因此，研究主要考慮近窗區(qū)各教室的照度變化。南向教室近窗區(qū)需根據(jù)窗洞口大小設(shè)置不同角度的調(diào)光構(gòu)件達(dá)到窗下遮光、墻下反光的效果。北向教室近窗區(qū)的墻柱影響較小，主要考慮教室朝向所帶來的照度變化問題。

3）根據(jù)規(guī)范分析教室實測照度數(shù)據(jù)，定義教室近窗區(qū)為距窗 0～4.5 m 區(qū)域，對教室近窗區(qū)的照度規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，思考調(diào)光構(gòu)件設(shè)計方向。近窗區(qū)照度沿進(jìn)深方向衰減快，整體變化較大。南向教室近窗區(qū)照度過大，存在眩光問題，調(diào)光構(gòu)件主要考慮遮陽問題；北向教室近窗區(qū)照度均勻，調(diào)光構(gòu)件主要考慮補(bǔ)光問題；橫向側(cè)窗教室與豎向條窗教室近窗區(qū)照度均呈現(xiàn)波動變化，直射處存在眩光問題，墻柱遮擋處又存在照度不足的問題。因此，應(yīng)針對開窗位置調(diào)整調(diào)光構(gòu)件角度，達(dá)到過濾直射光、增大反射光的目的，調(diào)光構(gòu)件應(yīng)隨天然光變化而動態(tài)變化，具有可變性。