從“教室采光”到“課桌采光”
——基于不良利用時間占比的中小學教室采光標準重評估

張昕（通訊作者），周昕怡，陳曉東/ZHANG Xin (Corresponding Author), ZHOU Xinyi, CHEN Xiaodong

1 研究背景

中國學生近視高發的原因核查與預防干預已是包括建筑、照明、眼科等各相關領域亟待開展的工作。根據國家衛健委數據：2018年，全國兒童青少年總體近視率為53.6%，其中小學生為36%，初中生為71.6%，高中生為81%。習近平對此作出重要指示強調：共同呵護好孩子的眼睛，讓他們擁有一個光明的未來。

光線不足和光質量差是引起學生近視的一個重要原因[1]。造成教室照度不足的原因包括：（1）由采光設計缺陷導致的采光不足；（2）與近窗區過亮、投影教學等有關的拉窗簾模式，造成室內采光或補光不足；（3）全人工光模式的照明不足。

現行標準以教室為采光設計評價的最小單元。《建筑采光設計標準》（GB 50033-2013）基于保護青少年視力和身心健康的目的，將普通教室的采光標準列為強條，規定側窗采光的平均采光系數不低于3%和窗地面積比為1:5[1]。“1:5窗地比”被《中小學校教室采光和照明衛生標準》（GB7793-2010）、《中小學校設計規范》（GB50099-2011）等重要標準引用。窗地比標準基于采光系數的相關估算，反映的是天空光照度，未計入日光照度。如在南向使用且不加遮陽措施，將導致近窗課桌眩光嚴重，觸發拉窗簾模式，進而造成遠窗區采光不足。

基于動態氣象參數模型的模擬方法，已為建筑設計從“教室采光”進化到“課桌采光”提供了技術路徑。對于每列課桌：“有效照度”（UDI）照度上限3000lx的界定，可用于控制近窗區眩光；“采光閾占比” （sDA）達到300lx 50% 的時間占比界定，可用于控制遠窗區采光不足。綜上，本論文的研究問題和研究目的如下：

（1）建筑師如何執行采光設計標準，1:5窗地比與平均采光系數3%是否自洽，重新評估現有標準的有效性。

（2）針對不同氣象參數，分析各種設計策略的優劣。提出“不良利用時間占比”指標，并證明其可在近窗區課桌過亮與遠窗區課桌過暗的博弈中建立平衡。

（3）在動態采光的背景下，以北京為例，分析不同朝向、遮擋、樓層的教室采光差異性，對建筑設計的潛力和彈性進行展望。

2 建筑師對“教室采光”標準的執行與探索

“優先保障由天然光提供全部或盡可能多的推薦照度值”[2]。《北美照明設計手冊》對于教育建筑應用天然光的提法，可以代表當下建筑師、教育者、家長對于教室天然光設計的共識。基于近5年代表案例（部分代表案例見表1）的梳理與建筑師訪談，總結如下：

（1）單廊教室最為普遍，存在一個主采光面，并在走廊側開窗補光。少數雙側走廊教室，兩側采光方式接近，弱化主采光面的概念。

（2）盡管《建筑設計資料集》（第三版）提出“朝向以南向和東南向為主”[3]，實際上南向教室多位于北方地區，并采用多種形式的水平遮陽、混合遮陽。華東地區近期以北向教室較為流行，南向走廊側開低窗或高窗（出于課堂視線屏蔽的考慮），走廊可視為水平遮陽，部分走廊設置垂直遮陽構件，遮擋早晨與傍晚時段的低角度直射日光。

（3）在方案階段，建筑師均通過1:5窗地比確定“主采光面”的窗洞口面積，該指標接受施工圖審核。標準制定的初衷，3%是考察采光設計是否合理的判斷依據，1:5窗地比是簡易設計法則；而設計的操作邏輯上，二者關系常被倒置，即默認1:5窗地比可獲得近似3%的平均采光系數。

（4）冬至日滿窗日照2小時的規范，嚴格限定了教學樓布局。對于立面得光下限的限定，將導致大量教室日照過量，因此仍需通過設計遮陽措施，保證南側天然光的合理利用。以由直向建筑設計的、

1 深圳福田區人民小學效果圖（圖紙提供：直向建筑）

表1 學校建筑近年代表案例（繪制：周昕怡）

國家自然科學基金項目（項目批準號：52078266）尚未完工的深圳福田區人民小學項目為例，建筑布局首先滿足冬至日滿窗日照符合規范，并根據遮陽與視野營造的整體構思，設計了傾斜的38%穿孔率的30mm厚外掛混凝土遮陽板。在此基礎上進行采光模擬，為實現平均采光系數3%的采光設計標準，需在走廊側設計較大開窗（圖1）。

3 “課桌采光”的研究模型

選取5個光氣候區的7個代表城市進行模擬研究。兼顧光氣候、建筑氣候區、地域代表性、城市規模與學校建設量，分別為拉薩（I/嚴寒）、昆明（II/溫和）、北京（III/寒冷）、哈爾濱（IV/嚴寒）、上海（IV/夏熱冬冷）、深圳（IV/夏熱冬暖）、重慶（V夏熱冬冷）。

教學樓布局依據中學規范，設置為5層，每層3間教室[4]。墻體厚度設定為外墻370mm，內墻240mm。為研究相鄰建筑對教室采光情況的影響，采用3棟教學樓南北向排列的無連廊布局，樓間距25m。每棟教學樓選取5間基準教室（一層兩端2間，三層中間1間，五層兩端2間），各方案性能的比較，采用15間教室均值的綜合評估方式。

教室模型取標準中學教室，7800mm（進深）×9300mm（面寬）× 3400mm（凈高），單人課桌尺寸為600mm×400mm。教室平面根據《建筑設計資料集》中的雙人座方案進行微調，以滿足：黑板寬度為4m，前排邊座座椅與黑板遠端的水平視角不小于30°；最前排課桌的前沿與前方黑板的水平距離不小于2200mm；最后排課桌的后沿與前方黑板的水平距離不大于9000mm。反射比設置為黑板0.1、室內/外地面0.2、外墻0.5、內墻/天花0.7、課桌/窗框/欄桿0.35（參木質），玻璃透射比0.8。每間教室設置130個計算點，相鄰兩點的南北距離設定為600mm，東西距離設定為900mm。保障48個照度計算點位于48張課桌面正中央，并均勻分布在教室內。

每間教室設2個3600mm（窗寬）×2000mm（窗高）主采光窗，窗臺高900mm。窗戶分隔為上（不可開啟扇）、下（可開啟扇）兩部分，窗框寬度為50mm。教室前后門的上部設置高450mm的窗。以主采光面朝南/北的兩個符合1:5窗地比且不加遮陽措施的模型為基準策略，通過降低主采光窗高至1500mm，走廊側設不同高度側窗，設置混合遮陽、水平遮陽、內導光板、內外導光板等措施，共生成11種方案進行綜合策略比較（圖2）。

2 11個研究模型及其采光系數（繪制：周昕怡）

表2 11種采光遮陽策略不良利用時間占比（%）的綜合評估表（繪制：張昕）

采用DIVA for Rhino進行基于動態氣象參數模型的模擬。氣象數據源采用CSWD（北京、上海、重慶、拉薩、哈爾濱、昆明）和SWERA（深圳），進行全年8769小時的逐時模擬，為兼顧中、小學的上下學時間，分析數據取每日8:00-16:00。獲得各計算點的逐時數據后，提取分析指標，包括各教室的采光系數平均值、DA300lx(天然光照度不足300lx的時間占比)、DA3000lx(天然光照度超過3000lx的時間占比)。

提出各列課桌的天然光“不良利用時間占比”指標，為兩類不良利用時間的占比之和，以綜合評估天然采光的過量與不足：（1）各列課桌的天然光照度超過3000lx 的時間占比，用于近主采光窗側課桌的采光過量評估，提取自“有效照度”（UDI）研究中對于照度上限的界定。（2）各列課桌的天然光照度不足DA300lx的時間占比與50%的差距，用于房間深處課桌的采光不足評估，參考自主采光閾（DA）的定義。例如，如果47%的天然采光時間，該列照度達不到300lx，則計作3%的不良利用時間。

4 以“不良利用時間占比”為判據的“課桌采光”評估

11個分析模型的全年不良利用時間平均值，通過Python和Excel進行數據處理，呈現于表2。綠色為各地排名前五的策略，數字越小意味著性能越優。根據各列課桌的天然光不良利用時間占比指標，總結如下。

本研究以一列課桌為最小分析單元，上限借用有效照度（UDI）概念，下限借用天光自治（DA）概念，解決了在同一教室中“采光過量”與“采光不足”的判定博弈。利用182,120,400個模擬數據（9×365×48×15×11×7），重點比較同一地域在不同設計策略間的性能差異。

對于北側主采光面，1:5窗地比可作為華東、華南地區的參考設計指標，可滿足15間代表教室的平均采光系數高于3%，但應設置走廊側遮陽。

（1）北向代表方案——2號方案，2000mm窗高（1:5窗地比），南側450mm高側窗的策略，在拉薩、北京、哈爾濱為排名前三的策略，但與嚴寒、寒冷地區的日照需求矛盾；在重慶為最差策略，列平均僅42.7%的時間超過300lx。

（2）北向代表方案——6號方案，2000mm窗高（1:5窗地比），南側1350mm低側窗的策略，如在華東、華南地區使用，1800mm走廊且不設遮陽的策略表現不佳，應在走廊南向表面設置遮陽措施，與調查案例采用的措施吻合。

對于南側主采光面，內外導光板的性能最優，混合遮陽、水平遮陽、內導光板的性能接近。排序較優策略的平均采光系數低于2%，其對應的窗地比在1:6至1:7之間。北京、哈爾濱的遮陽效力減弱，與太陽高度角較低有關，應減小開窗并設置遮陽措施。重慶地區因天然光資源不足，南向較為適宜，但應綜合得熱與節能進行評估。

（1）南向代表方案——1號方案，1500mm窗高（1:6.7窗地比），即設置內外導光板的策略，在7個代表城市均為最優策略，主要體現在控制南向進光，并合理利用日照，即近窗遮陽并將光線導向房間深處，而此方案的平均采光系數僅為1.68%。如仍按1:5窗地比設置南向開窗，并設置同型號內外導光板，即7號方案，在除重慶以外的6個城市，至少6.3%的時間，列平均照度超過3000lx。

（2）南向代表方案——4號方案，1500mm窗高（1:6.7窗地比），即設置內導光板的策略，可視作9號方案的室內改造，對于北京、深圳，降低了5%以上的超3000lx時間占比，可視作一種有效的改造措施。

（3）南向代表方案——11號方案，2000mm窗高 （1:5窗地比），即無遮陽措施的策略。除重慶外，在其它6個代表城市均為最差策略，至少13.7%的時間，列平均照度超過3000lx。

5 教室間采光差異評估（以北京為例）

教室間的采光不均由朝向、樓層位置、形體自遮擋造成。可參考主采光窗外表面的年日均垂直照度，評估每間教室可利用的天然光資源總量。以北京為例，每組布局方案共45間教室，通過模擬得到6組布局方案（南/北向的無連廊、東側連廊、西側連廊）下270間教室的主采光窗外表面的年日均垂直照度（單位lx，圖3），可知：

（1）南向可利用的天然光資源遠高于北向，以無連廊布局為例，南向（綠線）約為北向（灰線）的2.80倍，平均采光系數適用于北向穩定的天然光環境，因此南向必須采取必要的遮陽措施，以控制天然光過量的問題。

3 教室間采光差異與日照時數分析模型（繪制：周昕怡）

（2）東西側的連廊導致教室間的采光不均，以中間樓（橫坐標16-30）為例，北向的均勻度（平均值/最大值）由0.92（無廊）下降到0.83（東廊）/0.79 （西廊），受影響最大教室下降為原來的70%（東廊）/61%（西廊）；南向的均勻度（平均值/最大值）由0.93（無廊）下降到0.83（東廊）/0.81（西廊），受影響最大教室下降為原來的64%（東廊）/57%（西廊）。

（3）根據平均采光系數3%的采光標準基準線，推算出年日均窗口垂直照度（8:00-16:00）為7509lx，年日均室內平均照度（8:00-16:00）為644lx。基準線以下的北向教室，可相應增加走廊側開窗；基準線以上的南向教室，可相應減小窗口面積，并設置遮陽措施。

6 對于冬至日滿窗日照標準的思考（以北京為例）

“冬至日滿窗日照不小于2小時”的標準，被《中小學校設計規范》（GB50099-2011）[4]、上海市工程建設規范《普通中小學校建設標準》（DG/TJ08-12-2004 J10355-2004）[5]等多個校園建筑標準采用。日照時數規定多見于住宅建筑。對于辦公、學校等以閱讀、書寫為主要視覺任務的空間，限定照度超過某閾值的面積、時間占比是國際上更為通用的評價方法，如“年日照時數” （annual sunlight exposure, ASE），指房間中某一點一年中所接收到的太陽光直射光照度超過1000lx的累計時間。如ASE1000lx,250h指房間中某一點一年中所接受到的太陽光直射照度超過1000lx的累計時間為250小時。該指標用于評估由直射日光造成的視覺不舒適問題，如LEED 規定不超過工作平面面積的10%達到ASE1000lx,250h。

滿窗日照指標關注的是最不利教室，即學校建筑的天然采光下限，但是，最不利教室的下限值達標，也意味著大量教室的曝光過量。選取上述模型中的日照遮擋最不利情況，即南向西廊模型（以北京為例）。由Ecotect、DIVA模擬分別獲得4個教室的冬至日滿窗日照時數和平均采光系數，未達標教室依次為16號（0.77小時/1.74%）、19號（1.52小時/1.97%）、17號（1.77小時/2.18%）。以冬至日滿窗日照僅0.77小時的16號教室為例，其年日均窗口垂直照度（8:00-16:00）仍高出北向基準照度59%，意味著通過季節性的遮陽導光，即將過量日光轉化為可接受的照度范圍，并增加走廊側補光，仍具有實現合理采光的可能性。由于直射陽光并不是教室能直接利用的光線，基于上述分析，有必要對于冬至日滿窗日照標準的合理性展開更深入的研究。

7 設計潛力展望

相比于窗簾、人工照明等被動式的干預手段，立面系統與走廊系統對于改善教室采光，具有極大的設計潛力，可保障教室空間設計的整體性與視覺環境的舒適性。

關于立面系統，從遮陽形式上，除內外導光板性能最優外，內遮陽、水平遮陽、混合遮陽的效果接近，除北京和重慶外，其他5個城市的性能接近，意味著立面創作上的較大自由度。

關于走廊系統，如能通過設計手段解決好課堂視線干擾，將是極為有效的教室采光的空間調節手段，北側走廊具有較大的設計自由度，南側走廊應因地制宜地做好遮陽設計，也具有豐富的形式可能性。

關于設計策略，整齊劃一的設計策略無法實現全校的教室得光均勻，建筑師將有更大空間，設計漸變式的、因教室位置而異（宜）的采光遮陽策略。

從“教室采光”到“課桌采光”，從粗放的平均采光系數指標到精細的各列課桌的天然光“不良時間利用占比”指標，其本質是時間與空間層面細分的動態采光評估，即面向人因采光設計的飛躍。建筑師應充分整合采光設計的新策略與空間干預的新手段，不局限于僵化的數值引導，一如既往地在教室采光設計理念與實踐探索中，發揮引領作用。□（致謝：感謝建筑師董功、張佳晶、臧峰在本文研究過程中提供的寶貴意見。）