中学教室天然光环境视觉舒适度实验研究

边 宇，林 佳，冷天翔

(华南理工大学建筑学院，亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640)

引言

在使用天然光过程中一旦出现视觉不舒适，使用者常常倾向于关闭遮阳帘直接拒绝采光[1]，错失了可贵的资源。

天然光环境中，眩光是导致视觉不舒适的主因[2]，目前通常使用眩光指标评价视觉舒适度，但眩光问题很复杂、类型多，且受到空间形态、使用者视看行为等诸多因素影响[3]。我国教室内的眩光问题具有如下特点：

眩光类型：眩光按照形成途径可以分为：“直接眩光”、“反射眩光”[4]。教室中这两类型眩光均可能出现，如：过亮的窗口直接出现在视野内就是一种直接眩光；当室外光线透过侧窗照射黑板，如果过量的反射光线进入人眼，使得黑板局部亮度提高、对比度下降，达到无法清晰容易地辨识其上内容，这部分亮光即是光帷眩光(veiling glare)，是一种反射眩光。

空间形态：我国中学教室空间特征明确、尺度规范。《中小学教学楼设计规范》(GB 50099—2011)[5]、《国家建筑标准设计图集(11J934-2)：中小学校场地与用房》[6]等是学校建筑设计的指导。

视看行为：学生们上课强调秩序、座位固定，课堂上的视看行为有规律可循。在课堂上，学生的视看行为主要有如下几个方面：1-看黑板上(包括屏幕)的内容；2-看桌面上的书本内容；3-注视老师等。其中，看黑板、看桌上书本上的内容需要长时间连续视看，易产生视觉不舒适问题。当学生看桌面上书本时，由于眼睛和桌面距离较近，一般不超过40 cm，此时视野范围集中在桌面上，当不出现太阳光直射桌面的情况时视觉不舒适问题不显著。因此，教室内学生看黑板时较易产生视觉不舒适问题，这种视看行为也是本次研究的主要对象。

近年来，DGP[7]被认为是表现较好的天然光眩光指标，其主要针对近窗空间提出，如办公室中靠近窗户的区域。有研究证实DGP在其他空间中也存在局限性[8, 9]。鉴于中学教室的空间特征、视看行为等特点，有必要从基础出发再认识教室中的视觉舒适度问题，不宜直接使用已有眩光指标[10]。

1 实验方法

本项目的研究方法分为两个阶段：第一个阶段为调查研究，旨在通过问卷和现场测量掌握问题最集中的方面。第二阶段为实验研究，通过实验室内的评价与测试量化分析视觉舒适度。

1.1 问卷调查

广州市某初中的4个班级为对象，4间教室均为双侧窗采光，北向侧窗无遮阳，南向侧窗外为走廊。位于首层的2间北向侧窗外有不同程度的植物遮挡，2间位于中间楼层，南侧为走廊，北侧窗外无临近遮挡(图1)。课题组先期对教室人工照明情况进行了测量，并通过从教学楼外正对立面拍摄视频的方法记录了一段时期内4间教室南北侧窗上卷帘的位置(手动控制情况)以及(南)立面的日照情况。随后，在该初中的学生家长群中进行了线上问卷调研，由家长协助初中生完成问卷。内容包括：个人情况、座位位置、视力等，核心问题为：上课时，产生视觉不舒适的原因：1-过亮的窗户；2-过亮的墙面；3-黑板上的反射光；4-课桌面上的亮光；5-荧光灯；6-其他______。

图1 选为研究对象的教室之一Fig.1 One of the classroom selected as the study objects

调研测试结果说明，受测教室的人工照明水平满足标准，灯具眩光控制合格，当太阳直射走廊(位于南向)时，部分时间南北向侧窗上的卷帘会同时放下(常直到第二天早晨才会被拉起)，部分时间两侧卷帘均无动作。

经统计，问卷调查结果中视觉不舒适的源头最集中的方面为：“3-黑板上的反射光”占全部投票的49%，其次为“4-课桌面上的亮光”占30%，“5-荧光灯”、“1-过亮的窗户”、“6-其他”占比不足10%，“2-过亮的墙面”不足5%，由此可知，黑板上的反射光(veiling glare)导致的内容看不清是教室内视觉不舒适的主要因素，其次为直射光照射课桌面。

1.2 现场测量

学生反映集中的问题中，桌面上的直射光可通过完善的遮阳设计解决，该问题另行讨论。黑板上光帷眩光的影响程度是本文所研究的问题。当视野内亮度相近的前提下，光帷眩光的影响程度可用亮度对比度衡量。如图2所示，在天然光环境稳定的前提下，在教室内前后排共6个座位上对黑板面上多个区域的亮度对比度进行测量。

图2 黑板面上亮度对比度测试布置Fig.2 The layout of luminance contrast measurement on chalkboard

综合的测试结果说明，前排、且距离明亮侧窗较远的C1位置的亮度对比度最低，黑板面上光帷眩光影响最严重的区域为靠近明亮侧窗的区域。这些结果给实验研究提供了依据。

1.3 实验研究

在前期调查测试的基础上，为研究黑板上的光帷眩光，在采光测试室内设计了实验。图3为实验场景，测试室为单侧窗，足尺寸模拟了典型中学教室的宽度及前排座位与黑板距离，测试位置为C1点，在黑板面上绘制了等间距的16个由粉笔涂白和黑板底色组成测量图案，这些图案周围用粉笔按照标准规格书写了文字图表等教学内容。

图3 模拟教室中黑板上光帷眩光实验评价测试Fig.3 The expriential evlaution and measurement of veiling glare within chalkboard in mockup classroom

实验中，测试人视看测试图案周围的文字内容，根据感受对眩光干扰程度进行6级评价，即：1-严重影响，6-无影响，其余各级介于两者之间等程度分布。接着，手持亮度计测量图案中白色分布的亮度(Lt)以及底色部分亮度(Lb)，同时仪器采集各测试图案上的照度(Ep)、观察者眼部视看方向上垂直照度(Ev)、观察者与图案的距离(D)等数据。其中，该场景中亮度对比度C的定义为：

一轮测试完成后可通过百叶调整侧窗亮度再开展下一轮测试。为期10个月的测试中，共35名受测人员参与实验评价与测试，收集了2300组测量与评价数据。

2 研究结果

黑板面上的反射眩光(光帷眩光)的干扰程度与观察者眼部垂直照度(Ev)和亮度对比度C相关。当C相同时Ev高的场景眩光影响轻，但综合全部数据C与眩光影响程度具有强相关性。

箱式如图4所示为黑板面上光帷眩光所导致的视觉不舒适程度与亮度对比度之间的数值关系，图中曲线为全部数据的集中区间上下限拟合曲线。

图4 亮度对比度与光帷眩光干扰程度的数量关系Fig.4 The correlation between lumiance contrast and the disturbance rankings of veiling glare

将统计结果整理后可以得出黑板上光帷眩光所产生的视觉不舒适感受所对应的对比度范围，如表1所示。

表1 眩光干扰程度于对应的对比度范围

3 讨论

黑板面上的反射眩光程度由侧窗亮度、黑板面与侧窗的空间位置关系，黑板面材质的光泽度、学生座位位置等因素决定。在教室内各物件空间位置固定、学生座位也固定的情况下，通过限制窗亮度、提高视野内亮度水平、选择黑板面材质以及选择凹弧形的黑板可以达到降低光帷眩光干扰程度的目的，营造舒适的教室光环境。

本次研究以传统的粉笔书写黑板的教学媒介为研究对象，有必要针对投影屏幕以及液晶屏幕开展进一步的研究，并开发重点工作为开发相应的分析工具，用于分析教室内黑板上的反射眩光视觉不舒适程度。

4 结论与研究展望

(1)光线照射到黑板上所形成的反射眩光(光帷眩光)是教室中视觉不舒适的主要原因。

(2)侧窗采光的教室中，教室前排、远离明亮采光窗的位置眩光感受最强烈，在分析教室内亮度对比度时建议选择该点。

(3)反射眩光的影响程度受亮度对比度C和观察者视线方向垂直照度Ev的影响。

(4)综合多种Ev的情况，黑板面亮度对比度≥1.4时光帷眩光无影响，可保证清楚地识别黑板上文字内容。

(5)可通过限制侧窗亮度、提高视野内平均亮度、凹弧形黑板以及光泽度低的面层材料可以避免眩光导致的视觉不舒适。