黔西北地區中小學教室光環境現狀調研及實地工程改造示范

高 聞，鄒念育，，曹 帆，賀曉陽，張克英，楊苗苗，李 健，何啟鵬

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

引言

數據顯示我國兒童青少年總體近視率為53.6%，并且近視增長率較快，小學階段從一年級的15.7%增長到六年級的59.0%，初中階段從初一年級的64.9%增長到初三年級的77.0%。近視患病率總體呈現低齡化趨勢[1]，近視率與生活學習環境有著一定聯系，浙江省、上海市、江蘇省等沿海等地均有對當地的教室照明情況的數據采集和調查分析[2-4]，但中國僻遠地區缺乏相關機構對學校教室光環境情況進行調研分析，導致學校教室光環境等數據較為匱乏，對制定地方標準、技術研究以及教室光環境優化等近視防控工作造成一定的困難。因此為了改善這一現狀，大連工業大學光子學研究所聯合貴州光創服務中心立足貴州黔西北地區，對教室照明情況進行檢測、記錄，形成數據庫。并且選取了當地一間中學教室，提出了光環境設計方案，進行了模擬仿真，并在此基礎上，進行了工程改造，經第三方檢測機構檢測驗收，各項指標均達到了國家標準，并與模擬數據基本吻合，證實了此前的光環境設計方案可行性。

1 實地調研

1.1 調研對象

為最大限度了解此地區中小學校教室照明客觀情況，歷時兩個月，采取實地數據采集的方式，共調研了中、小學校各5所。每所學校選取3間教室，對共計30間教室進行實地測試，為保證數據的客觀性，選取覆蓋城市與鄉村的不同學校，盡量選取不同學校教學樓、不同樓層、不同朝向、不同位置的教室進行測量。對30間教室的課桌面水平照度、黑板面垂直照度、采光系數等數據進行采集，在對實際客觀數據采集過程中，對10所學校燈具的功率、光源類別、安裝布置方式等現場情況進行調研分析。

1.2 測試方法

依據GB 50033全國光氣候區的劃分，貴州屬于V區，年日光照量1 100 h左右，采光系數的高低變得尤為重要。本文應用GB/T 5699—2017采光測試方法，對教室采光情況進行檢測，在采光系數測量結束后，對室內照明環境進行測試，測試均選擇在14：00—17：00進行，在測試全程拉緊窗簾，開啟教室內部所有照明光源，根據GB/T 5700—2008照明測量方法，采用中心布點測試方法[5]，對教室的書寫板、課桌面照度、照度均勻度進行檢測。具體實施方法為：在課桌面照度測試方面，以方格1 m×1 m的方式均勻布點，測量高度選取課桌面高度；對于黑板面垂直照度的測量以0.4 m×0.4 m方式在黑板面均勻布點(圖1)，在數據采集完成后，對數據進行整合分析，與國家標準進行比對，統計合格率，并在測試過程中對現場燈具的功率、布置方式、光源類別進行記錄。

圖1 運用中心布點法對黑板面照度測試示意圖Fig.1 Schematic diagram of the illumination test on the blackboard surface by using the center point method

2 測試結果分析

本文對教室的采光系數、黑板面照度與照度均勻度、課桌面照度與照度均勻度進行測試，并對采集數據進行分析，以期對當地的中小學教室照明情況有一定了解。共抽檢當地中、小學校各5所，每所學校抽檢3間教室，共計30間教室。下列數據圖片中，教室編號1～15號為中學教室，16～30號為小學教室，相關國家評測標準如表1所示。

表1 中小學教室部分照明標準[6，7]

2.1 采光現狀

采光系數：在室內給定平面上的某一點，采光系數為該點的照度與同一時間的室外無遮攔水平面上產生的天空漫射光照度之比，以%表示，是衡量某處空間對自然光利用情況的客觀數據。日光在教室照明中具有重要的作用，日光不足對于學生學習會造成負面影響[8]，因此良好的采光十分重要。黔西北地區位于Ⅴ類采光地域，采光國家標準為2.4%以上[6]。所測30間教室具體數據分布如圖2所示，其中最大采光系數為1.8%，最小采光系數為0.21%，與國家標準要求2.4%以上相比，所測教室采光系數較低。

圖2 采光系數數據一覽Fig.2 Daylighting coefficient data summary

自然光下黑板面照明數據分析：在實地考察時，由于貴州獨特的自然地理情況，因此對自然光照下的黑板面照明情況進行考量，測試結果見圖3。可知，最大照度82 lx，最小照度62 lx，各教室整體均值72 lx。對數據進行計算得到黑板面照度均勻度，各教室均勻度見圖4。可知，最大照度均勻度0.45，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據分析：教室中課桌面是學習生活的重要組成部分，因此本測試對自然光下的課桌面照明數據進行測試。測試發現測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

本測試于14：00進行，被測試的五項指標，采光系數均值為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。在測試過程中發現，同一間教學樓不同樓層的教室，樓層越高的采光相對來說越好，整體教室的黑板面與課桌面平均照度越髙，但是也導致靠近窗口處的照度與教室內部的照度差距越大，照度均勻度越低。并且由于貴州地區的自然氣候，自然光照量較少；山區較多，植被較為茂盛，存在一定的遮擋現象，也對采光有一定影響。

2.2 人工照明現狀

黑板面照明數據分析：研究表明良好的黑板面照度均勻度有利于看清黑板，更便于開展教學活動[9]，黑板面照度情況是教室光環境的一個重要組成。在對各教室黑板面平均照度測試發現，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家標準要求500 lx以上相對比，有一定的差距。對數據計算得到黑板面照度均勻度，各教室黑板照度均勻度見圖8，最大照度均勻度0.56，最小0.33，各教室整體均值0.45，與國家標準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

課桌面照明數據分析：課桌面平均照度是衡量某一空間內，是否可以滿足學習需要的重要指標，中小學生視力更容易受到光環境影響，特別是課桌面照度影響，課桌面照度不足，使學生處于昏暗的閱讀水平面下，會對近視的預防產生不利的影響[10]。對抽測教室課桌面測試，測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)，均未達到國家標準300 lx以上的照度值要求。所測教室中，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)，也未達到國家標準要求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

通過對被抽測教室的黑板面平均照度、均勻度，課桌面平均照度、均勻度四項指標數據分析發現，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，被抽測的30間教室，相關教室光環境指標均未達到國家標準要求。經過對現場的調查發現,被抽查教室燈具數量普遍不足, 照明功率密度僅為5～7 W/m2，并且照明光源多為熒光燈，發光效率普遍不高，使用年限較長,存在一定光衰。以上都導致了光通量不足、課桌面平均照度偏低、照度均勻度較差。對于黑板面來看，所測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置，甚至有教室僅依賴前排教室燈進行照明。這些都導致了黑板面照度較低、照度均勻度較差。為改變此地區教室光環境現狀，建議進行更換具有更高的發光效率的LED教室燈。并且根據教室布局合理布置燈具，以增強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計的黑板燈，以求得到更好的黑板面照明效果。

表2 現場燈具情況一覽

3 教室照明設計與改造案例

此前測試數據顯示，此地區被測教室照明環境均與國家標準存在一定差距。現在當地取一間教室面積為68.4 m2(9.5 m×7.2 m)作為此地區改造示范樣板間。在調研過程中發現，此種教室布局在此地區占比較大，且測試發現，其光環境也比較能反映此地區的共性問題，因此具有一定的代表性。對此間教室進行照明方案設計，利用DIALux EVO進行仿真模擬，并根據設計方案進行實際的教室照明環境改造，可以為此地區教室光環境改造提供思路。

在對該教室測試發現，此間教室光環境存在此地區教室共性問題：教室課桌面照度、均勻度；黑板面照度、均勻度與國家標準相比均有一定差距，測得分別為95 lx、0.5；150 lx、0.5。對眩光進行測試，整間教室UGR達到了21。對現場分析發現，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致了教室課桌面的較低照明質量。此外，此間教室并未布置經專門配光設計的黑板燈。僅平行于黑板面布置了兩盞普通教室燈，由于未經過適合于黑板面的配光設計，導致黑板面照度較低、照度均勻度較差。各燈具也未設置專門的防眩光裝置，導致空間中眩光較大。

為解決以上問題，針對性地指定了三點解決方案：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計的黑板燈；3)針對教室面積以及實際情況合理選擇布燈方式，適當提高照明功率密度。具體設計方案如下。

采用單向透鏡式配光設計的黑板燈，如圖11左圖所示，黑板規格為4 m×1.2 m，安裝2盞黑板燈，通過DIALux EVO進行模擬，黑板照度550 lx，均勻度0.8以上；根據教室的面積，安裝3×3共計9盞教室燈(圖12)，教室燈采用防眩格柵設計，經過設計仿真，課桌面照度達到400 lx以上，均勻度大于0.7，教室眩光小于等于16，整體優化和提升了教室光環境指標(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 模擬所得教室光環境

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

圖13 仿真結果圖Fig.13 Simulation results

改造后教室燈具數量為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)。所有燈具均經過防眩光處理，在燈具安裝結束后，由第三方檢測單位對黑板面照度及均勻度、課桌面照度及均勻度、空間眩光指數UGR都進行了測試，均達到了國家標準。教室光環境得到了提高(表4)。

表4 教室改造前后光環境對比

為保證測試結果更具有科學性，除了對改造前后的教室光環境客觀指標進行測試，還對教室的實際使用者包括5名教師、30名學生分發了試卷，進行主觀調查。設置問題包括：整體的明亮感覺、空間光線刺眼現象、課桌面讀書寫字的舒適清晰性、觀看板書的舒適清晰性四項問題。設置評判選項分為滿意、一般、不滿意、很不滿意四項答案。通過對數據分析發現，改造后的教室在四項評測問題方面，滿意率均有了較大的提高，各項滿意率均超過97%(圖15、圖16)。在主觀角度上，證實了教室光環境確實得到了改善。

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

圖15 改造前教室的主觀評價結果Fig.15 Subjective evaluation results of classrooms before renovation

圖16 改造后教室的主觀評價結果Fig.16 Subjective evaluation results of classroom after renovation

4 小結

本文對黔西北地區的10所中小學校共計30間教室照明環境進行了實地調研測試，測試自然采光下與人工照明兩種條件的教室光環境，并對測試數據進行了分析。發現被測試教室采光系數，人工照明條件下的黑板面照度、均勻度，課桌面照度、均勻度，這五項指標與國家標準相比均不達標，教室照明環境比較嚴峻。為了改善這一現狀，并為此地區教室后續大范圍的改造提供思路，選取了當地一間教室制定了光環境設計方案，進行了仿真模擬，并且根據設計思路進行了實際的工程改造。經第三方檢測，各項數據與模擬結果基本吻合，證實了設計方案的可行性。與改造前相比，各項數據得到了提高，均達到了國家標準，并且進行針對改造教室進行了主觀問卷調查，發現各項滿意率均有了一定提高，教室光環境有了很大改善，為此地區教室照明環境改造提供了思路與依據。