南京市學校教室天然采光初步研究之實地測量

吳 蔚，曹慶艷

(南京大學建筑與城市規劃學院，江蘇南京 210093)

1 文獻回顧

學校教室里的天然光環境對學生的身心健康非常重要。近年來一些研究表明，高質量的天然采光甚至可以提高學生的學習成績［1，2］。西方發達國家對學校的天然采光非常重視，相關研究筆者曾在本刊“西方學校天然采光設計的發展狀況”一文中做了詳盡的介紹［3］。相對而言，我國在學校采光照明上的相關研究起步較晚，尤其天然采光方面。但近些年，越來越多的研究人員開始關注這個問題［4］，引起重視的主要原因是近年來我國中小學學生視力不良檢出率居高不下，根據衛生部、教育部聯合調查數據顯示，我國學生近視發病率已達60%，并有向低齡化發展的趨勢［5］。雖然近視的形成與先天遺傳等多種因素有關聯，但我國調查人員也發現，在采光照明不合格的教室，其學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學生課程任務繁重，又基本采用傳統的教學模式有關。因此我國許多專家學者都呼吁改善我國中小學教室采光照明質量［8］，并開展相關研究。如孟超在北京市部分大中小學校的39間教室做了采光照明現狀調研［9］;蘇州科技學院陳亢利等一些研究人員對蘇州一些中學教室內部光環境進行調查和評估［10］。此外，復旦大學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村學校進行了采光照明的情況調查［11］。上述研究結果顯示，無論是城市還是農村學校，盡管達到我國既往的《建筑采光設計標準》GB/T 50033—2001，教室內光環境都或多或少存在著一定問題。

我國既往的《建筑采光設計標準》GB/T 50033—2001要求普通教室工作面的最低天然采光系數為2%，室內天然光臨界照度為100lx。而這個標準值可以追溯到英國1955年制定的IES lighting Code［12］。2013年，我國最新修訂和發布了《建筑采光設計標準》GB50033—2013，該標準是根據住房和城鄉建設部《關于印發 (2009年工程建設標準規范制訂、修訂計劃〉的通知》(建標［2009J 88)號的要求，由中國建筑科學研究院會同有關單位在2001版的采光設計標準基礎上修訂完成的。其主要修訂的內容是將側面采光的評價指標采光系數最低值改為采光系數平均值;室內天然光臨界照度值改為室內天然光設計照度平均值。在2013版的采光設計標準中，將普通教室的采光標準列為強制性條款，規定采光系數標準值為3%，室內天然采光照度標準值為450lx。然而，無論是舊的 GB/T 50033—2001標準中所使用的采光系數最低值和臨界照度值，還是最新的GB50033—2013標準采用的采光系數平均值和天然采光照度標準值，對建筑師而言都很少采用。一般而言，我國建筑師在設計中小學教室時，在采光設計時采用的主要控制標準是‘窗地比’，我國《中小學建筑設計規范》GBJ50099—2011的強制性條款規定教室‘窗地比’不應低于1∶5。我國最新的采光設計標準GB50033—2013盡管提高了室內天然采光系數和天然采光照度標準值，但窗地面積比還是沿用GBJ50099—2011所規定的標準1/5。

從我國最新的采光設計GB50033—2013可以看出，我國的采光設計標準有了大幅度的提高，與國外的設計標準不相上下。如英國教育部《Guidelines for Environmental Design in School 1997》建議教室內的主要光源應是天然光，且水平工作面不低于300lx，室內平均采光系數為4% ～5%［13］。美國綠色建筑協會 (U.S.Green Building Council)《LEED 2009－ForSchoolsNew Construction and Major Renovations》［14］則規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《建筑照明設計標準》GB50034—2004規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低于0.7。這與國際照明委員會和國際標準化組織(CIE/TC3－21和ISO/TC159/SC5－WG2)制定的室內照明準則相一致。美國照明學會IESNA在教室照明設計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，由于國際光學研究界對學校采光質量的日益關注，最新的LEED 2009還規定了照度上限值，即最高照度不得高于500 Fc(5382lx)，這一值基本要求教室內無任何直射陽光［14］。然而即使是我國最新的《建筑采光設計標準》GB50033—2013并沒有明文規定普通教室內不允許有直射陽光。對于教室中的直射陽光，可以查詢到規定僅在《中小學采光與照明衛生標準》GB7793—1987有提到“為防止窗的直接眩光，教室應設窗簾以避免陽光直接射入教室內”。我國《中小學建筑設計規范》GBJ99—2003有建議到，“教室光線應自學生座位的左側射入;當教室南向為外廊，北向為教室時，應以北向窗為主要采光面”，但這一條款并不是強制性規定。

新修訂和發布的采光設計標準GB50033—2013無疑為創造良好的室內光環境，充分利用天然光，節約能源和保護環境起到積極的促進作用。針對這一新標準，本文對2所南京市中學的12間教室進行了實地測量和評估，初步了解南京市中小學教室的天然光環境現狀，檢驗這些既有學校教室能否達到最新制定的采光設計標準。

2 調查內容及方法

本次調研選取的研究對象是南京梅園中學和南京師范大學附屬中學新城初中 (后簡稱新城中學)兩所中學。梅園中學有兩幢教學樓，分別為高中部和初中部 (后簡稱梅園初中、梅園高中)，這兩棟教學樓均建于上世紀九十年代，均為4層。梅園高中為現在中小學設計中較為少見單側采光教室，即一個內廊，雙側為教室的形式 (圖1)。梅園初中采用我國傳統的南廊北教室設計，雙側采光，主要采光窗為北窗 (圖2)。新城中學為2005年新建的學校，教學樓為5層，普通教學用教室主要分布在1～4層，學校配套設施較為先進。盡管基本遵照南廊北教室的設計 (圖3)，但由于基地為西南朝向，所以主采光窗為被偏東45°。除梅園初中教學樓北面有一個自行車棚和一些高達2層的小樹外，三棟教學樓周圍均無明顯高大室外遮擋物。

圖1 梅園高中標準層平面圖Fig.1 Standard floor plan of Meiyuan High school

圖2 梅園初中標準層平面圖Fig.2 Standard floor plan of Meiyuan junior high school

樣本教室的選擇主要基于兩個標準:1)正在使用的普通教學用教室;2)具有一定的光學代表性。由于梅園初中屬于我國比較標準的南廊北教室形式，盡管建造年代較早，但教室仍符合即使是最新的中小學設計規范，因此選擇了6間教室。而梅園高中屬于國內較為少見的單側采光教室，因此分別在3層的南、北教室選擇3間。盡管新城中學較新，但由于基地朝向問題，光學代表性不強，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“學校名的漢語拼音縮寫+樓層數+教室編號”，如梅園高中的樣本教室為“MG3-1”。樣本教室的地點詳見圖1～3。

每個樣本教室在水平面上選擇6個測點: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。測點距教室前后墻2米，距離左右墻面1.5米。黑板面選擇5個測點: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。測點位置見圖4。

圖3 新城中學標準層平面圖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凈高均為3.3米，新城中學的室內凈高為3.45米。其次，測量和計算教室的反射系數、窗玻璃的透射系數。教室光學測量中的照度測量使用TES 1332A照度計，亮度計采用日本柯尼卡美能達LS-100-110亮度計。測量日期為2012年4月期間，因進行全陰天的實地測量較難控制，因此測量全部選擇在晴天。測量時間段一般選擇從10:00-15:00，每個測點每隔30分鐘測量一次。當測點內出現直射陽光時，如測點移動位置不大就可避免直射陽光，則適當移動測點以避免直射陽光。如直射陽光范圍過大，則該測值則不在計算之內。每次測量先是關閉所有的人工照明測一次，然后打開人工照明再測一次。

3 調查結果與分析

樣本教室的測量結果匯總見表1。綜合研究小組的實地觀察和表1統計結果，可以看出:

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

1)《建筑采光設計標準》GB50033—2013和《中小學建筑設計規范》GBJ50099—2011規定學校窗地比要求不小于1/5，所有被測樣本教室，即使是單側采光的梅園高中也都符合這一要求。其中以2005年建的新城中學窗地比最高1/2.6，遠遠高于標準。此外，研究小組在實地走訪中也注意到南京市的中小學，越是新建的學校建筑，窗子越大。

2)新修訂的《建筑采光設計標準》GB 50033—2013對教室內主要反射面的反射比都有所調整。如被測教室100%的地面和75%的桌面的反射率無法滿足2001年的標準，但卻完全達到新修訂的2013年標準。此外，所有被測教室的墻面反射率如按照2001年的標準都偏高，但按照最新的2013年采光設計標準，75%教室能達到標準，僅有較新的新城中學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計標準都沒有規定教室黑板面的反射比，但《中小學建筑設計規范》GBJ50099—2011規定了黑板反射比應在0.10～0.20之間，而《中小學校教室采光和照明衛生標準》GB 7793—2010要求更高些，規定了黑板反射比應在0.15～0.20之間。如果根據《中小學校教室采光和照明衛生標準》GB 7793—2010標準，100%樣本教室中的黑板反射率偏低。

4)本次實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。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到《建筑采光設計標準》GB 50033—2013。采光最差的被測教室是MC2-3，但教室內水平照度均值在300lx以上。采光差的主要原因是該教室的南面有一個樓梯間，遮擋了教室一半的南向采光，北面還有一個自行車棚和一些高達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)盡管新標準中提到側面采光沒有均勻度的規定，但教室水平面照度均勻度明顯是一個不容忽視的問題。特別是在梅園高中的單側采光教室室內照度均勻度僅為0.16～0.18。雙側采光的教室室內明顯好于單側采光教室，但情況也不樂觀。在此值得一提的是，新標準提出了有效進深這一概念，該概念可以對單側采光的教室室內采光均勻度有一定控制。

6)無論是新修訂的還是舊的《建筑采光設計標準》都沒有規定黑板面 (即垂直面的照度值)。本研究根據的是《建筑照明設計標準》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到該標準，即使在增添人工照明的情況下，也無一間教室達到要求。但新建的新城中學樣本教室的黑板采光照明則改善很大，都滿足規范要求。

7)盡管所有被測教室黑板的照度均勻度都相當高，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查中得到證實。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。即使在南外廊雙側采光的教室，過大的北向側窗也會引起臨近北側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Fig.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，尤其是單側采光的梅園高中，其南向教室沒有任何室外遮陽設備，加之單側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，尤其當建筑不是坐落正南正北時，即使有‘南廊’設計，一年大部分時間都會有直射陽光射入教室。

4 分析與討論

從上述實地調研可以看出，所有被調查的教室都滿足新的《建筑采光設計標準》GB50033—2013和《中小學建筑設計規范》GBJ50099—2011所規定的窗地比不小于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，僅測量了室內工作面的照度均值。所測結果發現83%被測教室的水平面照度平均值達到新標準的要求。由于新標準對黑板垂直面沒有做任何規定，本次研究以《建筑照明設計標準》GB 50034—2004為根據，發現即使有人工照明的情況下，75%被測教室的黑板照度不達標，而且幾乎所有被測教室都存在著反射眩光的問題。綜合這次初步研究和文獻回顧，以下是筆者對我國新標準的幾點看法:

1)首先，我國舊的《建筑采光設計標準》GB/T 50033—2001在學校采光上僅規定了“采光系數”和“天然光臨界照度”兩個最低限值。但相較于西方發達國家的標準，這兩個最低限值顯然偏低。最新修訂的標準GB50033—2013在這上面明顯有了大幅度的提高，值得稱贊。但此次實測研究發現即使是90年代的教學樓，被測教室也都基本達到了新標準的要求。然而，研究人員發現學校教室天然光環境中普遍存在的兩大主要問題是室內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”還是“天然光照度標準值”，這些光學參數在建筑設計中都較難控制。因此我國建筑師在設計中小學時大都會采用“1:5的窗地比”這一參數來控制天然采光。從本次調查可以看出，即使是采用單側采光的梅園高中，只要一側采光口開的較大，也能達到該標準。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問題［11］，由此可見，“窗地比”并不是一個能很好控制教室內采光質量的條款。此外，在本次實地走訪中，研究小組注意到目前新建學校的窗口越開越大，因為很多建筑設計人員認為把學校教室的窗口開的越大，天然采光越好，這顯然是設計誤區，因此有必要對現行標準進行進一步的修訂。

3)盡管新標準已經將采光系數的最低限值和臨界照度值修改為采光系數和照度均值，但還是沒有規定室內天然光的最高限度值，這樣就沒有任何強制性規定使教室避免有直射陽光。雖然《中小學建筑設計規范》GBJ50099—2011也建議南廊北教室形式，但并不是強規。如果學校建筑為正南北方向，南廊結構無疑能較好的防止南面直射陽光。但非正南北向朝向的學校，如本次調研選擇的新城中學，即使采用傳統的“南廊”設計，教室中也有直射陽光進入。目前我國城市用地緊張，很難保證傳統的正南北方向設計，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，應盡量避免［3］，因此建議在新標準中應加入避免直射陽光的條款。

4)無論是既往研究還是本次調研，學校黑板的采光照明都存在較多的問題。但新頒布的《建筑采光設計標準》GB50033—2013似乎并沒有特別關注這個問題。如既沒有黑板面的反射比的建議值，也沒有規定黑板面的采光系數和照度值，因此本次研究都是根據其他標準進行評估。筆者認為要解決黑板采光照明問題，除改善黑板材質外，適當提高照明設計規范中的黑板照度值較為現實可行。

在學校中創造一個良好的天然光環境，不僅有益于學生的身心健康，還節能環保。本文針對最新頒布的《建筑采光設計標準》GB50033—2013，選取南京市2所中學中的12間教室進行實地測量和評估，筆者認為雖然新標準有了較大的改善和提高，但還是存在一定的問題，筆者希望本次學校天然采光的初步研究，能對進一步完善我國采光設計標準起到拋磚引玉的作用。

［1］E.R.Robson.School Architecture:Being Practical Remarks on the Planning，Designing，Building and Furnishing of School-Houses［M］.London:John Murray，1877(2nd ed.).

［2］L.Heschong，L.R.Wright，and S.Okura，Daylighting impacts on human performance in school［J］.Journal of the Illuminating Engineering Society，2002，31(2):101～114.

［3］吳蔚.西方學校天然采光設計的發展狀況［J］.照明工程學報，2005，16(2):35～43.

［4］屠其非，徐蔚.學校照明［M］.上海:復旦大學出版社，2004.

［5］李艷萍.青少年視力低下的影響因素研究進展［J］.中國校醫，2002，16(6):578～579.

［6］宋俊生.教室采光照明對學生視力的影響［J］.中國學校衛生，1996，17(5):355.

［7］孫卓，王瑞珊.中小學生視力低下的影響因素調查［J］.中國初級衛生保健，2007，21(2):70.

［8］姚遠.教室照明設計的幾個問題［J］.照明工程學報，2003，15(2):59～61.

［9］孟超.北京市部分學校教室采光照明現狀分析［J］.照明工程學報，2006，17(1):34～41.

［10］陳亢利，唐瑤.蘇州中學教室內部光環境質量調查與評價［J］.蘇州科技學院學報 (自然科學版)，2009，26(2):67～70.

［11］陳壬賢，彭倫煥，嚴奕，林燕丹.農村地區教室光環境現狀調查研究［J］.照明工程學報，2007，18(2):28～32.

［12］Illuminating Engineering Society.IES Code for Interior Lighting［M］.London:I.E.S.，1955.

［13］Great Britain，Dept.of Education and Science，Architects and Building Branch.Guidelines for Environmental Design in Schools 1997［M］.London:Stationery Office，1997.

［14］USGBC.LEED 2009 For Schools New Construction and Major Renovations［M］.2009.模擬分析、評價實驗、統計結論等方面構成的研究大學.