重庆地区高校教室近窗区天然采光照度调研分析

曾思敬，杨振鑫，马道轩

（重庆大学 建筑城规学院，重庆 400030）

教室是学生日间活动、学习的主要场所，其光环境是构成室内物理环境的重要组成部分。天然光对教室光环境影响巨大，充分利用天然光不仅有益于学生的视力健康，对改善学生情绪、提高学生学习效率有积极影响，还可节约能源，促进绿色发展。目前，重庆高校教室通常采用单侧窗采光方式，照度随进深的增加逐渐减弱，教室内各区域照度差异较大，光环境质量较低。通过前期调研分析可知，天然光环境下，近窗区是学生更希望停留的区域。Korsavi 等[1]研究发现，有阳光直接照射的座位区，学生的视觉舒适评价满意度较高。这说明学生更倾向于在近窗区进行长时间的视觉作业，但此区域受天然光影响最大，存在夏季频繁出现眩光，冬季采光不足等问题，对学生的视觉功效和舒适度有一定程度的影响。同时，重庆地处我国日照资源最少的Ⅴ类光气候地区，据长期的气象观测资料表明[2]，重庆的年总日辐射量、年日照时数及年日照百分率均属全国最低位之列，其光气候还存在日照不均衡变化的特征[3]。因此，为提高重庆地区高校教室的光环境质量，亟需改善教室近窗区天然光环境。全面、充分的重庆地区高校教室光气候数据是教室近窗区光环境优化的基础。

近年来，天然采光领域的研究不断深入，研究表明，获取真实的光气候数据对指导建筑采光设计具有重要意义[4-5]。Heschong等[6]通过对美国3个不同气候地区的学校教室采光研究发现，教室不同的采光率对2～5年级学生的算术、阅读成绩影响显著，基于采光现状和光气候条件，提出改善光环境以影响学生的行为和表现，进而提高学习成绩。Samiou 等[7]将希腊雅典的一所幼儿园作为案例研究，进行了一组基于气候的日光建模模拟，提出了在希腊气候数据的背景下优化学前儿童教室视觉环境的采光设计策略。卢珍等[8]基于南宁地区的气象参数，对广西南宁地区独具特色的双侧窗教室的采光性能评价进行研究，提出了双侧窗教室舒适采光区域。既往研究多是基于国家气象文件或地区的光气候数据进行采光分析，其数据范围较大，落实到具体项目上易产生误差，对于重庆地区高校教室光气候数据还需进一步测量与分析。

为研究重庆地区高校教室近窗区光环境特点，基于CIE标准晴天空与CIE标准阴天空条件，对重庆地区高校教室的天然光照度进行实地测量与分析，根据照度测量值与开窗方式、朝向等教室差异指标，探讨重庆地区典型教室天然光照度变化规律，提出教室近窗区光环境优化建议，为后续近窗区光环境改善研究提供数据支撑与依据，并为重庆高校教室外窗调光构件设计研究提供参考。

1 重庆地区典型教室调研

1.1 调研对象

除了资源的影响，室内天然采光还与建筑物参数密切相关。从建筑物参数入手，选取重庆大学B区第二综合楼2南2北、开窗形式不同的4间典型教室作为调研对象，教室具体信息如表1所示。楼层位于13层，避免周围环境遮挡。整栋教学楼朝西北东南方向偏斜，其中北向教室的朝向为北偏西17°，南向教室为南偏东17°，教室方位情况如图1所示，教室平面布置与采光现状如图2所示。

表1 教室信息统计表

图1 第二综合教学楼卫星平面图

图2 4间典型教室的空间平面图和采光现状

1.2 典型教室实测

采用手持式分光辐射照度计 (杭州新叶光电XYI-Ⅲ)和激光测距仪（鹰克斯400）等仪器测量在CIE标准晴天空与CIE标准阴天空下，课桌平面照度一天中的变化。测量操作严格按照《建筑采光设计标准》 （GB 50033—2012）及 《采光测量方法》（GB/T 5699—2008）[9]相关规定，测量时间选择在 CIE 标准晴天与 CIE 标准阴天下 8：30-17：00 之间进行采光测量，测量高度取教室桌面高度 (750 mm) ，测量点在距黑板 2.2 m、距墙 0.5 m 的区域内采用 1 m×1 m 网格布局，如图3所示。采光测量结果如表2～表4所示。

表2 全阴天教室照度记录统计表lx

表3 全晴天上午天教室照度记录统计表lx

表4 全晴天下午天教室照度记录统计表lx

图3 教室照度测试布点示意图

2 调研数据整理与分析

2.1 照度数据筛选与近窗区定义

全部实测完成后，对全晴天上午及下午与全阴天3组照度数据进行整合汇总。采用Matlab软件对实测数据进行绘图分析，结果发现，仅全晴天上午照度数据具有代表性。对于全阴天数据而言，距窗3 m处的照度不满足《建筑采光设计标准》所规定的 450 lx 照度值，同时，教室大部分区域的照度值均在标准照度以下。因此，在全阴天环境下教室大部分空间需要采取室内照明改善照度，该数据不能准确分析仅天然光影响下的教室照度变化规律。通过筛选，最后综合全晴天上午、下午的照度数据进行教室照度变化规律分析。

针对不同项目，近窗区范围定义不同，想要对所研究的教室进行近窗区照度分析，需定义具体的近窗区范围。研究以《建筑采光设计标准》（GB 50033—2013）为依据， 以标准规定的教室工作面照度 450 lx 为定位线，通过被测教室全晴天上午的照度数据得到各教室窗距离与达标率的变化图像（见图4）。分析发现，北侧教室在4.0～5.0 m窗距离的范围内达标率跌落 100%。因此，针对该区域进行多次照度测试，整理汇总后得到平均达标率。结果发现，在 4.47 m 处平均达标率下降到 90% 以下，为了后续测量及计算方便，取4.5 m。最终，研究所定义的近窗区为距窗 0～4.5 m 区域。

图4 教室照度达标图

2.2 数据整理与分析

该部分采用直观的图形对比与客观数据结合的方式，比对分析不同教室在照度空间分布方面的共同规律，并总结目前教室存在的照度问题。实测数据通过Matlab 绘图软件绘制成教室照度空间图和教室照度切片图（见图5、图6）。

图5 教室照度空间图

图6 教室东西照度切片图

由图4可见，教室内部照度随进深的增加而产生明显的变化，最高值与最低值相差均在 1 000 lx 以上，且以1304和1306为代表的南向教室的照度变化更为显著。

由图5所示，对于教室东西方向，4间教室均出现前后处照度高、中部照度下降的情况，且越靠近教室内墙，变化越不明显。这种情况是由窗间墙遮挡阳光所致。南向教室1306的东西方向照度变化最大，同列照度最大值 12 000 lx 与最小值 705 lx 之间的差距超过了12倍，照度过高且均匀度较差。因此，应降低该区域的照度，对该区域进行充分的遮阳处理。北向教室东西方向存在照度变化，但变化不明显。对于教室南北方向，4间教室均存在照度由窗户向内部剧烈下降，在靠墙处微弱回升的情况。这种分布情况主要由于天然光在近窗区的剧烈衰减和墙面反射对照度的提升。因此，应考虑通过采用反射系数较高的墙面材料、增加墙面平整度等方式，增大教室内部的照度，使教室内部能利用更多的天然采光，达到节能效应。南向教室1304的南北方向照度变化最大，同排照度最大值 20 200 lx与 最小值 800 lx 之间存在近乎30倍的差距。

对于具体照度值而言， 目前《建筑采光设计标准》要求教室的天然光照度不低于450 lx。从表5可知，中南侧教室照度最小值为 597 lx，均满足国家规范要求的教室照度大小；而北侧教室仅在近窗区达到国家规范要求，在教室中部照度就下降至400 lx 以下，一半以上的教室空间低于标准值。

表5 教室照度达标分布表全晴天上午天教室照度记录统计lx

2.2.1 建筑朝向对教室照度的影响分析

为研究教室不同朝向对照度的影响，主要选取1306教室(南向)与1307教室(北向)进行分析。这两间教室在开窗形式、尺寸等方面基本相同，可减少干扰因素，南向教室照度值远高于北向教室，但南北向教室仅存在照度值大小差异，仍有相似的照度空间分布情况。

照度过大会对学生学习带来眩光、视觉疲劳等不利影响，在针对疲劳度的光舒适研究中发现，高于10 000 lx照度的光环境极易给人带来视觉疲劳，在该环境下长时间工作会产生眼刺痛感[10]。对于南向教室的近窗区，桌面照度值过大，南向教室近窗2 m照度平均值为7 122 lx和10 811 lx，存在眩光问题。

在调光构件设计方面，对于近窗区域，南侧教室照度过大，最大值达 20 000 lx 以上，会导致严重的眩光现象，应主要考虑遮光，特别是需要根据时间调节遮阳形式。北侧教室在近窗区域的照度适宜，但教室内部照度不足，需要进行天然光的补充，应主要考虑补光，依靠反射板增大教室内部的天然光照度。

2.2.2 开窗方式对教室照度的影响分析

针对教室不同开窗方式对照度的影响，主要选取1305 教室(落地窗)与1307 教室(横向侧窗)，1304教室(竖向条窗)与1306 教室(横向侧窗)进行分析。教室在朝向方面基本相同，可减少干扰因素，教室的照度空间分布总体上均呈现前大后小、迅速衰减的趋势。在近窗区域内，教室前后方向上，横向侧窗教室照度呈“U”形， 竖向条窗教室照度呈“W”形，落地窗教室照度呈“一”字形。在远窗区域内，教室前后方向上，3种开窗形式的教室照度均呈“一”字形。

不同开窗方式对照度空间分布的影响主要是窗洞口位置与墙柱位置导致的。在调光设计方面，对于南向教室近窗区，需根据窗洞口大小设置不同角度的调光构件达到窗下遮光、墙下反光的效果。落地窗由于受到墙柱影响小，照度在教室前后方向上较为均匀，则主要考虑教室朝向所带来的照度变化问题。北向教室近窗区，墙柱影响较小，主要考虑教室朝向所带来的照度变化问题。

目前，4间教室设计未考虑诸如朝向和开窗方式等潜在因素所带来的差异性，南北向教室均仅采用窗帘进行调光，缺乏针对不同教室的调光构件设计。

3 结论

教室天然光环境对学生学习产生重要影响，最大限度地利用天然光能 更好地起到节约能源的效果。通过重庆教室的照度实测，进行数据分析，研究重庆教室的近窗区照度规律并提出改进建议。

1）对重庆地区高校典型教室近窗区进行了照度分析。结果表明，室内照度分布具有独特性与复杂性。南北向教室照度差异明显，最大照度值相差15 000 lx左右，南向教室内部直射区与墙后阴影区照度值相差10 000 lx 以上，需要针对教室不同区域进行单独的调光构件设计。

2）探究了建筑参数对教室照度的影响。结果表明，建筑朝向主要影响照度值大小，开窗方式主要影响照度的空间分布情况。建筑参数对教室近窗区影响大于远窗区，因此，研究主要考虑近窗区各教室的照度变化。南向教室近窗区需根据窗洞口大小设置不同角度的调光构件达到窗下遮光、墙下反光的效果。北向教室近窗区的墙柱影响较小，主要考虑教室朝向所带来的照度变化问题。

3）根据规范分析教室实测照度数据，定义教室近窗区为距窗 0～4.5 m 区域，对教室近窗区的照度规律进行了总结，思考调光构件设计方向。近窗区照度沿进深方向衰减快，整体变化较大。南向教室近窗区照度过大，存在眩光问题，调光构件主要考虑遮阳问题；北向教室近窗区照度均匀，调光构件主要考虑补光问题；横向侧窗教室与竖向条窗教室近窗区照度均呈现波动变化，直射处存在眩光问题，墙柱遮挡处又存在照度不足的问题。因此，应针对开窗位置调整调光构件角度，达到过滤直射光、增大反射光的目的，调光构件应随天然光变化而动态变化，具有可变性。