南京市学校教室天然采光初步研究之实地测量

吴 蔚，曹庆艳

(南京大学建筑与城市规划学院，江苏南京 210093)

1 文献回顾

学校教室里的天然光环境对学生的身心健康非常重要。近年来一些研究表明，高质量的天然采光甚至可以提高学生的学习成绩［1，2］。西方发达国家对学校的天然采光非常重视，相关研究笔者曾在本刊“西方学校天然采光设计的发展状况”一文中做了详尽的介绍［3］。相对而言，我国在学校采光照明上的相关研究起步较晚，尤其天然采光方面。但近些年，越来越多的研究人员开始关注这个问题［4］，引起重视的主要原因是近年来我国中小学学生视力不良检出率居高不下，根据卫生部、教育部联合调查数据显示，我国学生近视发病率已达60%，并有向低龄化发展的趋势［5］。虽然近视的形成与先天遗传等多种因素有关联，但我国调查人员也发现，在采光照明不合格的教室，其学生视力不良率要比合格的教室高［6，7］。这也许与我国中小学学生课程任务繁重，又基本采用传统的教学模式有关。因此我国许多专家学者都呼吁改善我国中小学教室采光照明质量［8］，并开展相关研究。如孟超在北京市部分大中小学校的39间教室做了采光照明现状调研［9］;苏州科技学院陈亢利等一些研究人员对苏州一些中学教室内部光环境进行调查和评估［10］。此外，复旦大学光源与照明工程系陈壬贤等研究人员在福建省某县几所农村学校进行了采光照明的情况调查［11］。上述研究结果显示，无论是城市还是农村学校，尽管达到我国既往的《建筑采光设计标准》GB/T 50033—2001，教室内光环境都或多或少存在着一定问题。

我国既往的《建筑采光设计标准》GB/T 50033—2001要求普通教室工作面的最低天然采光系数为2%，室内天然光临界照度为100lx。而这个标准值可以追溯到英国1955年制定的IES lighting Code［12］。2013年，我国最新修订和发布了《建筑采光设计标准》GB50033—2013，该标准是根据住房和城乡建设部《关于印发 (2009年工程建设标准规范制订、修订计划〉的通知》(建标［2009J 88)号的要求，由中国建筑科学研究院会同有关单位在2001版的采光设计标准基础上修订完成的。其主要修订的内容是将侧面采光的评价指标采光系数最低值改为采光系数平均值;室内天然光临界照度值改为室内天然光设计照度平均值。在2013版的采光设计标准中，将普通教室的采光标准列为强制性条款，规定采光系数标准值为3%，室内天然采光照度标准值为450lx。然而，无论是旧的 GB/T 50033—2001标准中所使用的采光系数最低值和临界照度值，还是最新的GB50033—2013标准采用的采光系数平均值和天然采光照度标准值，对建筑师而言都很少采用。一般而言，我国建筑师在设计中小学教室时，在采光设计时采用的主要控制标准是‘窗地比’，我国《中小学建筑设计规范》GBJ50099—2011的强制性条款规定教室‘窗地比’不应低于1∶5。我国最新的采光设计标准GB50033—2013尽管提高了室内天然采光系数和天然采光照度标准值，但窗地面积比还是沿用GBJ50099—2011所规定的标准1/5。

从我国最新的采光设计GB50033—2013可以看出，我国的采光设计标准有了大幅度的提高，与国外的设计标准不相上下。如英国教育部《Guidelines for Environmental Design in School 1997》建议教室内的主要光源应是天然光，且水平工作面不低于300lx，室内平均采光系数为4% ～5%［13］。美国绿色建筑协会 (U.S.Green Building Council)《LEED 2009－ForSchoolsNew Construction and Major Renovations》［14］则规定教室天然采光的最低照度值为25 Fc(269lx)。在人工照明方面，我国2004年新修订的《建筑照明设计标准》GB50034—2004规定教室课桌面最低照度值为300lx，黑板面最低照度值为500lx，工作面和黑板面上的照度均匀度不应低于0.7。这与国际照明委员会和国际标准化组织(CIE/TC3－21和ISO/TC159/SC5－WG2)制定的室内照明准则相一致。美国照明学会IESNA在教室照明设计的推荐值一般高于其他国家，即教室照度值是500lx，黑板1000lx。

此外，由于国际光学研究界对学校采光质量的日益关注，最新的LEED 2009还规定了照度上限值，即最高照度不得高于500 Fc(5382lx)，这一值基本要求教室内无任何直射阳光［14］。然而即使是我国最新的《建筑采光设计标准》GB50033—2013并没有明文规定普通教室内不允许有直射阳光。对于教室中的直射阳光，可以查询到规定仅在《中小学采光与照明卫生标准》GB7793—1987有提到“为防止窗的直接眩光，教室应设窗帘以避免阳光直接射入教室内”。我国《中小学建筑设计规范》GBJ99—2003有建议到，“教室光线应自学生座位的左侧射入;当教室南向为外廊，北向为教室时，应以北向窗为主要采光面”，但这一条款并不是强制性规定。

新修订和发布的采光设计标准GB50033—2013无疑为创造良好的室内光环境，充分利用天然光，节约能源和保护环境起到积极的促进作用。针对这一新标准，本文对2所南京市中学的12间教室进行了实地测量和评估，初步了解南京市中小学教室的天然光环境现状，检验这些既有学校教室能否达到最新制定的采光设计标准。

2 调查内容及方法

本次调研选取的研究对象是南京梅园中学和南京师范大学附属中学新城初中 (后简称新城中学)两所中学。梅园中学有两幢教学楼，分别为高中部和初中部 (后简称梅园初中、梅园高中)，这两栋教学楼均建于上世纪九十年代，均为4层。梅园高中为现在中小学设计中较为少见单侧采光教室，即一个内廊，双侧为教室的形式 (图1)。梅园初中采用我国传统的南廊北教室设计，双侧采光，主要采光窗为北窗 (图2)。新城中学为2005年新建的学校，教学楼为5层，普通教学用教室主要分布在1～4层，学校配套设施较为先进。尽管基本遵照南廊北教室的设计 (图3)，但由于基地为西南朝向，所以主采光窗为被偏东45°。除梅园初中教学楼北面有一个自行车棚和一些高达2层的小树外，三栋教学楼周围均无明显高大室外遮挡物。

图1 梅园高中标准层平面图Fig.1 Standard floor plan of Meiyuan High school

图2 梅园初中标准层平面图Fig.2 Standard floor plan of Meiyuan junior high school

样本教室的选择主要基于两个标准:1)正在使用的普通教学用教室;2)具有一定的光学代表性。由于梅园初中属于我国比较标准的南廊北教室形式，尽管建造年代较早，但教室仍符合即使是最新的中小学设计规范，因此选择了6间教室。而梅园高中属于国内较为少见的单侧采光教室，因此分别在3层的南、北教室选择3间。尽管新城中学较新，但由于基地朝向问题，光学代表性不强，因此也只选择了3间教室作为样本教室。样本教室的编号是以“学校名的汉语拼音缩写+楼层数+教室编号”，如梅园高中的样本教室为“MG3-1”。样本教室的地点详见图1～3。

每个样本教室在水平面上选择6个测点:①前排近走廊;②前排中间;③前排近窗;④后排近窗;⑤后排中间;⑥后排近走廊。测点距教室前后墙2米，距离左右墙面1.5米。黑板面选择5个测点:B1位于黑板中心，B2、B3与B1垂直对齐，分别距黑板上、下边缘各1/4高，B4、B5距与B1水平对齐，分别距黑板左、右边缘各1/4宽。测点位置见图4。

图3 新城中学标准层平面图Fig.3 Standard Floor Plan of Xincheng junior high school

图4 教室水平面与黑板测点布置Fig.4 Position of the measuring points on blackboard and in a typical simple classroom

在样本教室选定后，首先进行建筑测量，教室尺寸见平面图1～3。梅园高中、梅园初中的教室室内净高均为3.3米，新城中学的室内净高为3.45米。其次，测量和计算教室的反射系数、窗玻璃的透射系数。教室光学测量中的照度测量使用TES 1332A照度计，亮度计采用日本柯尼卡美能达LS-100-110亮度计。测量日期为2012年4月期间，因进行全阴天的实地测量较难控制，因此测量全部选择在晴天。测量时间段一般选择从10:00-15:00，每个测点每隔30分钟测量一次。当测点内出现直射阳光时，如测点移动位置不大就可避免直射阳光，则适当移动测点以避免直射阳光。如直射阳光范围过大，则该测值则不在计算之内。每次测量先是关闭所有的人工照明测一次，然后打开人工照明再测一次。

3 调查结果与分析

样本教室的测量结果汇总见表1。综合研究小组的实地观察和表1统计结果，可以看出:

表1 全部实测教室采光测量结果汇总表Table 1 A Summary of all the physical measuring results in the sample classrooms

1)《建筑采光设计标准》GB50033—2013和《中小学建筑设计规范》GBJ50099—2011规定学校窗地比要求不小于1/5，所有被测样本教室，即使是单侧采光的梅园高中也都符合这一要求。其中以2005年建的新城中学窗地比最高1/2.6，远远高于标准。此外，研究小组在实地走访中也注意到南京市的中小学，越是新建的学校建筑，窗子越大。

2)新修订的《建筑采光设计标准》GB 50033—2013对教室内主要反射面的反射比都有所调整。如被测教室100%的地面和75%的桌面的反射率无法满足2001年的标准，但却完全达到新修订的2013年标准。此外，所有被测教室的墙面反射率如按照2001年的标准都偏高，但按照最新的2013年采光设计标准，75%教室能达到标准，仅有较新的新城中学被测教室的墙面反射比不满足。

3)无论新的还是旧的建筑采光设计标准都没有规定教室黑板面的反射比，但《中小学建筑设计规范》GBJ50099—2011规定了黑板反射比应在0.10～0.20之间，而《中小学校教室采光和照明卫生标准》GB 7793—2010要求更高些，规定了黑板反射比应在0.15～0.20之间。如果根据《中小学校教室采光和照明卫生标准》GB 7793—2010标准，100%样本教室中的黑板反射率偏低。

4)本次实地测量都是在晴天所测得的照度值，没有测量天然采光系数。表1中的照度值是在无人工照明下的平均照度值。从表中可以看出，83%被测教室的水平面照度平均值达到《建筑采光设计标准》GB 50033—2013。采光最差的被测教室是MC2-3，但教室内水平照度均值在300lx以上。采光差的主要原因是该教室的南面有一个楼梯间，遮挡了教室一半的南向采光，北面还有一个自行车棚和一些高达2层的小树。梅园初中另外两间底层样本教室MC1-1和MC2-2水平照度较低，也是北面这些遮挡物造成的。

5)尽管新标准中提到侧面采光没有均匀度的规定，但教室水平面照度均匀度明显是一个不容忽视的问题。特别是在梅园高中的单侧采光教室室内照度均匀度仅为0.16～0.18。双侧采光的教室室内明显好于单侧采光教室，但情况也不乐观。在此值得一提的是，新标准提出了有效进深这一概念，该概念可以对单侧采光的教室室内采光均匀度有一定控制。

6)无论是新修订的还是旧的《建筑采光设计标准》都没有规定黑板面 (即垂直面的照度值)。本研究根据的是《建筑照明设计标准》GB 50034—2004，梅园高中和初中所有样本教室黑板垂直面采光都无法达到该标准，即使在增添人工照明的情况下，也无一间教室达到要求。但新建的新城中学样本教室的黑板采光照明则改善很大，都满足规范要求。

7)尽管所有被测教室黑板的照度均匀度都相当高，但研究小组观察到几乎所有教室黑板都或多或少有反射眩光问题，这一问题也在后期的问卷调查中得到证实。引起黑板眩光的原因很多，如黑板材料不好或清洁的不干净等，但过大的采光窗也是引起反射眩光的重要原因之一。即使在南外廊双侧采光的教室，过大的北向侧窗也会引起临近北侧墙的水平工作面和黑板面照度过高，以图5梅园初中MC4-1教室为例，右边照片显示出黑板有明显反射眩光。

图5 梅园初中教室鱼眼照片Fig.5 Fish eye views taken from two sides of the sample classroom in Meiyuan junior high school

8)教室中存在直射阳光需要引起重视，尤其是单侧采光的梅园高中，其南向教室没有任何室外遮阳设备，加之单侧采光引起的照度不均，一年四季基本上要拉上窗帘。此外还有新城中学，尤其当建筑不是坐落正南正北时，即使有‘南廊’设计，一年大部分时间都会有直射阳光射入教室。

4 分析与讨论

从上述实地调研可以看出，所有被调查的教室都满足新的《建筑采光设计标准》GB50033—2013和《中小学建筑设计规范》GBJ50099—2011所规定的窗地比不小于1/5的要求。由于各种因素限制，本次研究没有测量天然采光系数，仅测量了室内工作面的照度均值。所测结果发现83%被测教室的水平面照度平均值达到新标准的要求。由于新标准对黑板垂直面没有做任何规定，本次研究以《建筑照明设计标准》GB 50034—2004为根据，发现即使有人工照明的情况下，75%被测教室的黑板照度不达标，而且几乎所有被测教室都存在着反射眩光的问题。综合这次初步研究和文献回顾，以下是笔者对我国新标准的几点看法:

1)首先，我国旧的《建筑采光设计标准》GB/T 50033—2001在学校采光上仅规定了“采光系数”和“天然光临界照度”两个最低限值。但相较于西方发达国家的标准，这两个最低限值显然偏低。最新修订的标准GB50033—2013在这上面明显有了大幅度的提高，值得称赞。但此次实测研究发现即使是90年代的教学楼，被测教室也都基本达到了新标准的要求。然而，研究人员发现学校教室天然光环境中普遍存在的两大主要问题是室内照度不均匀和直射阳光，并不是照度不够的问题。

2)无论是“采光系数”还是“天然光照度标准值”，这些光学参数在建筑设计中都较难控制。因此我国建筑师在设计中小学时大都会采用“1:5的窗地比”这一参数来控制天然采光。从本次调查可以看出，即使是采用单侧采光的梅园高中，只要一侧采光口开的较大，也能达到该标准。然而，即使在没有直射阳光的情况下，没有任何控光和遮光设备的过大采光口会带来大面积高亮度的天空视域，容易造成室内照度不均、不舒适眩光等一系列问题。我国以前的研究也提到过这个问题［11］，由此可见，“窗地比”并不是一个能很好控制教室内采光质量的条款。此外，在本次实地走访中，研究小组注意到目前新建学校的窗口越开越大，因为很多建筑设计人员认为把学校教室的窗口开的越大，天然采光越好，这显然是设计误区，因此有必要对现行标准进行进一步的修订。

3)尽管新标准已经将采光系数的最低限值和临界照度值修改为采光系数和照度均值，但还是没有规定室内天然光的最高限度值，这样就没有任何强制性规定使教室避免有直射阳光。虽然《中小学建筑设计规范》GBJ50099—2011也建议南廊北教室形式，但并不是强规。如果学校建筑为正南北方向，南廊结构无疑能较好的防止南面直射阳光。但非正南北向朝向的学校，如本次调研选择的新城中学，即使采用传统的“南廊”设计，教室中也有直射阳光进入。目前我国城市用地紧张，很难保证传统的正南北方向设计，因而教室中难免有直射阳光。但大量的既往研究都表明教室中有直射阳光会造成很多问题，应尽量避免［3］，因此建议在新标准中应加入避免直射阳光的条款。

4)无论是既往研究还是本次调研，学校黑板的采光照明都存在较多的问题。但新颁布的《建筑采光设计标准》GB50033—2013似乎并没有特别关注这个问题。如既没有黑板面的反射比的建议值，也没有规定黑板面的采光系数和照度值，因此本次研究都是根据其他标准进行评估。笔者认为要解决黑板采光照明问题，除改善黑板材质外，适当提高照明设计规范中的黑板照度值较为现实可行。

在学校中创造一个良好的天然光环境，不仅有益于学生的身心健康，还节能环保。本文针对最新颁布的《建筑采光设计标准》GB50033—2013，选取南京市2所中学中的12间教室进行实地测量和评估，笔者认为虽然新标准有了较大的改善和提高，但还是存在一定的问题，笔者希望本次学校天然采光的初步研究，能对进一步完善我国采光设计标准起到抛砖引玉的作用。

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