夏啟航，郭文利，王舒陽(yáng)，許 楠

(1.中科院建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100086；2.上海華為技術(shù)有限公司，上海 201206)

引言

中小學(xué)教室是青少年日常學(xué)習(xí)與活動(dòng)的主要場(chǎng)所。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)中小學(xué)生每天大約60%的時(shí)間在教室[1]。教室的光環(huán)境質(zhì)量對(duì)學(xué)生的生理健康、學(xué)習(xí)效率影響顯著。為提升教室光環(huán)境，呵護(hù)學(xué)生健康成長(zhǎng)，江蘇、浙江等多地已開(kāi)展中小學(xué)教室照明改造工程。課桌面照度作為健康教室光環(huán)境驗(yàn)收的重要指標(biāo)，是評(píng)價(jià)改造效果的重要依據(jù)。然而，部分改造中存在著“燈光越亮越好”的誤區(qū)，盲目通過(guò)人工照明大幅增加課桌面照度，不僅造成了能源的浪費(fèi)，增加了資金投入，而且導(dǎo)致學(xué)生視疲勞，影響視力健康。除此之外，改造過(guò)程中也缺乏對(duì)天然光照度的關(guān)注，造成中小學(xué)教室課桌面局部天然光照度過(guò)高的現(xiàn)象普遍。

1 背景

1.1 人工照明照度值缺乏上限

我國(guó)的各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于桌面水平照度基本規(guī)定在300 lx?！督ㄖ彰髟O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見(jiàn)稿)GB 50034—2020的教育建筑照明標(biāo)準(zhǔn)值表中對(duì)于教室課桌面的照度標(biāo)準(zhǔn)值定為300 lx[2]。在《中小學(xué)教室健康照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(T/CIES 030—2020)中規(guī)定普通教室課桌面的維持平均照度為300 lx[3]。然而，在學(xué)校教室照明改造中，部分競(jìng)標(biāo)者為了體現(xiàn)自身優(yōu)勢(shì)，一味追求“明亮”效果，使得桌面照度遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)限定值，增加了過(guò)多的資金投入，引起了無(wú)謂的能源消耗與碳排放。以全國(guó)共有各類(lèi)學(xué)校51萬(wàn)所[4]、約1 000萬(wàn)間教室計(jì)算，如果不精準(zhǔn)控制課桌面照度的范圍，實(shí)施效果的照度值由300 lx提高到500 lx，那么每年將會(huì)增加用電量約15.9億度，增加約124.8萬(wàn)噸碳排放(1)用電量按每年的授課天數(shù)159 d，每天開(kāi)燈5 h，燈具光效80 lm/W計(jì)算。在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，我國(guó)明確指出2030年達(dá)到碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，這要求照明節(jié)能進(jìn)一步加強(qiáng)。照明節(jié)能的合理方式不僅是提升燈具光效，更要加強(qiáng)有效利用天然光，減少過(guò)度的人工照明。

李震宇[5]認(rèn)為，教室的照度絕不是越高越好，學(xué)生需要長(zhǎng)時(shí)間面對(duì)的多是白紙黑字的書(shū)本，白色反射全頻白光，與黑字形成反差。在過(guò)高的亮度條件下，人們的色覺(jué)功能反而會(huì)降低，出于本能，就會(huì)將書(shū)本拉近，眼睛受到的刺激更加強(qiáng)烈而容易引起視覺(jué)疲勞，從而引發(fā)近視。

1.2 天然光照度值缺乏上限

天然采光是教室白天主要的照明來(lái)源，目前我國(guó)現(xiàn)行的《建筑采光標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)要求教室內(nèi)的天然光照度不得低于450 lx[6]。但天然光不是越多越好，我國(guó)大部分區(qū)域(如Ⅰ-Ⅲ類(lèi)光氣候區(qū))日照較強(qiáng)，中小學(xué)教室課桌面呈現(xiàn)局部天然光照度過(guò)高的現(xiàn)象比較普遍。張昕等[7]通過(guò)對(duì)全國(guó)5個(gè)光氣候區(qū)、7個(gè)城市學(xué)校教室的采光進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)在未采用遮陽(yáng)設(shè)施時(shí)，無(wú)論南向還是北向教室，全年250 h以上時(shí)間課桌面區(qū)域天然光照度達(dá)到1 000 lx的面積占比超過(guò)44%，遠(yuǎn)超WELL標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的小于教室面積的10%。以第Ⅲ類(lèi)光氣候區(qū)北京的部分學(xué)校為例，晴天情況下，南向采光的教室近窗側(cè)部分課桌照度可達(dá)3 000～9 000 lx[8]，其產(chǎn)生的眩光嚴(yán)重影響學(xué)生視看效果與學(xué)習(xí)效率。

綜上所述，明確合理的照度上限值對(duì)于減少學(xué)生視疲勞、實(shí)現(xiàn)健康護(hù)眼與經(jīng)濟(jì)節(jié)能具有重要意義。

2 課桌面照度上限值的分析

2.1 照度上限值考量要素

照度上限值的確定，與視覺(jué)功效、視疲勞、作業(yè)模式特點(diǎn)、視覺(jué)主體的生理特點(diǎn)、天然光采光情況、能耗要求等因素都密切相關(guān)。

首先，隨著年齡的增長(zhǎng)，人的瞳孔會(huì)逐漸變小，晶狀體變得更厚，透明度更低[9]。因此中小學(xué)生對(duì)光更加敏感和脆弱，而視看能力要強(qiáng)于成年人和老年人。對(duì)于相同的視覺(jué)任務(wù)，年輕人需要的照度比高齡人要少。過(guò)高的作業(yè)面照度沒(méi)有積極意義。而長(zhǎng)時(shí)間在強(qiáng)光環(huán)境下人眼調(diào)節(jié)幅度變大，長(zhǎng)時(shí)間繃緊睫狀肌，造成視疲勞加劇，嚴(yán)重者出現(xiàn)眼痛眼干的癥狀。

此外，中小學(xué)校學(xué)生在上課時(shí)的視覺(jué)作業(yè)以“長(zhǎng)時(shí)間、雙視點(diǎn)、定向性”為基本特征，在我國(guó)中、高考備考?jí)毫ο?，中學(xué)上課時(shí)間長(zhǎng)普遍存在?！半p視點(diǎn)”指學(xué)生視線(xiàn)主要集中于黑板與桌面兩個(gè)目標(biāo)?！岸ㄏ蛐浴笔侵改抗舛ㄏ蛴谝朁c(diǎn)，上課時(shí)不能隨意變換方向、目標(biāo)點(diǎn)或者閉眼休息。除了視看黑板以外，經(jīng)常進(jìn)行閱讀與寫(xiě)字作業(yè)，考試測(cè)驗(yàn)也會(huì)頻繁發(fā)生。此外，在上課狀態(tài)下，局部課桌高照度時(shí)，學(xué)生往往缺乏察覺(jué)，也無(wú)法自由隨意和及時(shí)地拉起窗簾遮陽(yáng)，難以形成自我保護(hù)。以上特征是兒童青少年區(qū)別于成年人視覺(jué)作業(yè)的重要特征，兒童比成年人更容易造成視疲勞。

因此，照度上限值應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)狀態(tài)下對(duì)視疲勞的減緩程度，考慮到青少年群體的生理發(fā)育特點(diǎn)和學(xué)習(xí)中長(zhǎng)時(shí)間盯看文字的視覺(jué)作業(yè)特點(diǎn)。

2.2 照度上限值指標(biāo)分析

我國(guó)學(xué)校教室照明驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是基于《照明測(cè)量方法》(GB/T 5700—2008)[10]的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，即只針對(duì)人工照明進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)量。而中小學(xué)教學(xué)時(shí)間主要為白天，天然光為教室提供大量照度，教室光環(huán)境融合了天然光和人工光的雙重作用。如果只設(shè)定一個(gè)上限值，實(shí)際上驗(yàn)收只能監(jiān)管到人工照明，仍然無(wú)法解決天然光照度過(guò)高的問(wèn)題。因此，中小學(xué)教室桌面照度上限值應(yīng)包含兩部分：人工照明上限值與天然光照度上限值。為中小學(xué)教室照明提供綜合性、個(gè)性化的干預(yù)措施，探索滿(mǎn)足相應(yīng)目標(biāo)人群的視覺(jué)健康需求。

人工光和天然光的光譜構(gòu)成有巨大差異，同樣強(qiáng)度的光對(duì)人的生理和心理影響有顯著差別，兩者的照度上限值應(yīng)區(qū)別分析。

2.2.1 人工照明的課桌面照度上限值指標(biāo)分析

近年來(lái)，隨著健康照明理念的普及，越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注到了光環(huán)境與人體健康的關(guān)系。邵志棟[11]研究了6名學(xué)生使用平板電腦閱讀時(shí)，50～1 000 lx的不同 LED 照度光環(huán)境對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效率、腦疲勞及視疲勞的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明LED照度在700 lx附近學(xué)習(xí)效率最大，腦疲勞最嚴(yán)重，視疲勞較低。且照度大于700 lx時(shí)，學(xué)習(xí)效率逐漸降低，視疲勞急劇增加。

黃海靜[12]選擇3名學(xué)生為被試者，研究教室照明條件下學(xué)生瞳孔大小隨亮度水平的變化規(guī)律，結(jié)果表明當(dāng)照度從300 lx提高到500 lx時(shí)，瞳孔面積迅速縮小，但照度達(dá)750 lx之后，隨著亮度(照度)水平的提高，瞳孔面積變化率減小，即亮度增大對(duì)瞳孔收縮的影響大大減緩。

吳思穎[13]選取學(xué)生為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，模擬教室環(huán)境搭建實(shí)驗(yàn)室，讓實(shí)驗(yàn)者在100～600 lx的光環(huán)境中進(jìn)行視覺(jué)舒適度評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)、警覺(jué)度評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)及視疲勞試驗(yàn)。通過(guò)32人的主觀(guān)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，得出高校教室內(nèi)學(xué)生視覺(jué)較舒適、警覺(jué)度較高及視疲勞程度較低的照度閾值范圍為315.58～451.08 lx。

從以上研究中可以發(fā)現(xiàn)，照度變化與學(xué)生生理狀態(tài)有較為清晰的關(guān)系，照度增加到一定值后，視疲勞程度會(huì)迅速增加，進(jìn)一步影響學(xué)生學(xué)習(xí)效率與視力健康。

國(guó)內(nèi)部分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于照度上限值已做出明確限定，如《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見(jiàn)稿)GB 50034—2020對(duì)于各類(lèi)照度標(biāo)準(zhǔn)值做了專(zhuān)門(mén)注釋?zhuān)骸霸O(shè)計(jì)照度與照度標(biāo)準(zhǔn)值的偏差不應(yīng)超過(guò)+20%[2]。”此條款具有明確的引導(dǎo)傾向：希望設(shè)計(jì)師在照度模擬計(jì)算時(shí)遵循既不應(yīng)低于也不應(yīng)過(guò)多，將照度維持在300～360 lx之間，實(shí)現(xiàn)效果與節(jié)能的最佳平衡，這種精準(zhǔn)控制在應(yīng)用驗(yàn)收和貫徹節(jié)能時(shí)是非常必要和有實(shí)效的。此外，2021年最新發(fā)布的《深圳市中小學(xué)教室照明技術(shù)規(guī)范》(T/SZEEIA 001—2021)首次明確提出了普通教室的課桌面照度上限值為750 lx[14]。各標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于人工光照度上下限推薦值的對(duì)比如表1所示。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于人工光照度上下限推薦值的對(duì)比

綜上，人工照明平均照度維持值宜控制在300～360 lx，而不應(yīng)超過(guò)750 lx。

2.2.2 天然光照明的課桌面照度上限值指標(biāo)分析

英國(guó)拉夫堡大學(xué)的Mardaljevic教授在2005年首次提出“有效的天然采光照度”(UDI)，將其定義為使用者有益于進(jìn)行工作和學(xué)習(xí)的室內(nèi)工作面照度[15]。在2012年的研究報(bào)告中指出在公共建筑中300～3 000 lx是人們普遍接受且滿(mǎn)意的照度范圍，這個(gè)范圍內(nèi)可能不需要額外的人工照明[16]。

王夢(mèng)蕊[17]通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查得出大部分學(xué)生可以接受1000～3 000 lx范圍內(nèi)的光線(xiàn)照度，對(duì)2 000～3 000 lx范圍內(nèi)的照度有高滿(mǎn)意度的評(píng)分，當(dāng)教室內(nèi)自然光照度值超過(guò)3 000 lx時(shí)，部分學(xué)生反映教室內(nèi)光線(xiàn)過(guò)亮，無(wú)法順利進(jìn)行閱讀任務(wù)。該結(jié)論與Mardaljevic教授的研究結(jié)果基本一致。

我國(guó)《建筑采光標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)規(guī)定了采光系數(shù)的上限值，即采光系數(shù)7%，規(guī)定采光系數(shù)的上限是為了防止夏天太陽(yáng)輻射對(duì)室內(nèi)產(chǎn)生的過(guò)熱影響以及由此引起的不舒適眩光[6]，但其在實(shí)際應(yīng)用中缺乏直觀(guān)性與便利性。

美國(guó)提出天然光照度值在100～2 000 lx為合適照度，大于2000 lx為過(guò)高照度[6]。北美LEED 2009中指出，天然光照度水平不應(yīng)超過(guò)5 382 lx[18]。《中小學(xué)教室健康照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(T/CIES 030—2020)提出“南向采光教室靠窗側(cè)課桌面的天然光照度不宜大于3 000 lx”條款[3]。邊宇[19]經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，200～2 000 lx是大多數(shù)學(xué)生在天然光下學(xué)習(xí)或進(jìn)行其他簡(jiǎn)單作業(yè)所喜好的照度范圍。結(jié)合其他研究成果，舒適的天然光環(huán)境中，其上限值約為2 000～3 000 lx。劉佳平[20]也提出照度不宜大于3 000 lx，經(jīng)采樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨照度增加，滿(mǎn)意人數(shù)百分比上升，超過(guò)3 000 lx時(shí)滿(mǎn)意人數(shù)反而減少。各標(biāo)準(zhǔn)或書(shū)籍關(guān)于天然光照度上下限推薦值對(duì)比如表2所示。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于天然光照度上下限推薦值對(duì)比

綜上，南向采光的教室天然光照度宜控制在2 000 lx以?xún)?nèi)，而不應(yīng)超過(guò)3 000 lx。北向采光的靠窗側(cè)天然光照度雖然也存在大于3 000 lx的情況，但并非直射光，對(duì)視覺(jué)作業(yè)負(fù)面影響在接受范圍之內(nèi)，因而建議只針對(duì)南向教室規(guī)定。

3 結(jié)論

從中小學(xué)生的視看需求和經(jīng)濟(jì)節(jié)能方面統(tǒng)籌考慮，在教室照明標(biāo)準(zhǔn)制定中應(yīng)增加對(duì)照度上限值的界定，包括人工照明照度上限和天然光照度上限。人工照明平均照度維持值宜控制在300～360 lx，而不應(yīng)超過(guò)750 lx；南向采光的教室天然光照度宜控制在2 000 lx以?xún)?nèi)，而不應(yīng)超過(guò)3 000 lx。我們應(yīng)在“健康中國(guó)”戰(zhàn)略下進(jìn)一步保護(hù)和改善中小學(xué)的視覺(jué)健康。