中學教室天然光環境視覺舒適度實驗研究

邊 宇，林 佳，冷天翔

(華南理工大學建筑學院，亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640)

引言

在使用天然光過程中一旦出現視覺不舒適，使用者常常傾向于關閉遮陽簾直接拒絕采光[1]，錯失了可貴的資源。

天然光環境中，眩光是導致視覺不舒適的主因[2]，目前通常使用眩光指標評價視覺舒適度，但眩光問題很復雜、類型多，且受到空間形態、使用者視看行為等諸多因素影響[3]。我國教室內的眩光問題具有如下特點：

眩光類型：眩光按照形成途徑可以分為：“直接眩光”、“反射眩光”[4]。教室中這兩類型眩光均可能出現，如：過亮的窗口直接出現在視野內就是一種直接眩光；當室外光線透過側窗照射黑板，如果過量的反射光線進入人眼，使得黑板局部亮度提高、對比度下降，達到無法清晰容易地辨識其上內容，這部分亮光即是光帷眩光(veiling glare)，是一種反射眩光。

空間形態：我國中學教室空間特征明確、尺度規范?！吨行W教學樓設計規范》(GB 50099—2011)[5]、《國家建筑標準設計圖集(11J934-2)：中小學校場地與用房》[6]等是學校建筑設計的指導。

視看行為：學生們上課強調秩序、座位固定，課堂上的視看行為有規律可循。在課堂上，學生的視看行為主要有如下幾個方面：1-看黑板上(包括屏幕)的內容；2-看桌面上的書本內容；3-注視老師等。其中，看黑板、看桌上書本上的內容需要長時間連續視看，易產生視覺不舒適問題。當學生看桌面上書本時，由于眼睛和桌面距離較近，一般不超過40 cm，此時視野范圍集中在桌面上，當不出現太陽光直射桌面的情況時視覺不舒適問題不顯著。因此，教室內學生看黑板時較易產生視覺不舒適問題，這種視看行為也是本次研究的主要對象。

近年來，DGP[7]被認為是表現較好的天然光眩光指標，其主要針對近窗空間提出，如辦公室中靠近窗戶的區域。有研究證實DGP在其他空間中也存在局限性[8, 9]。鑒于中學教室的空間特征、視看行為等特點，有必要從基礎出發再認識教室中的視覺舒適度問題，不宜直接使用已有眩光指標[10]。

1 實驗方法

本項目的研究方法分為兩個階段：第一個階段為調查研究，旨在通過問卷和現場測量掌握問題最集中的方面。第二階段為實驗研究，通過實驗室內的評價與測試量化分析視覺舒適度。

1.1 問卷調查

廣州市某初中的4個班級為對象，4間教室均為雙側窗采光，北向側窗無遮陽，南向側窗外為走廊。位于首層的2間北向側窗外有不同程度的植物遮擋，2間位于中間樓層，南側為走廊，北側窗外無臨近遮擋(圖1)。課題組先期對教室人工照明情況進行了測量，并通過從教學樓外正對立面拍攝視頻的方法記錄了一段時期內4間教室南北側窗上卷簾的位置(手動控制情況)以及(南)立面的日照情況。隨后，在該初中的學生家長群中進行了線上問卷調研，由家長協助初中生完成問卷。內容包括：個人情況、座位位置、視力等，核心問題為：上課時，產生視覺不舒適的原因：1-過亮的窗戶；2-過亮的墻面；3-黑板上的反射光；4-課桌面上的亮光；5-熒光燈；6-其他______。

圖1 選為研究對象的教室之一Fig.1 One of the classroom selected as the study objects

調研測試結果說明，受測教室的人工照明水平滿足標準，燈具眩光控制合格，當太陽直射走廊(位于南向)時，部分時間南北向側窗上的卷簾會同時放下(常直到第二天早晨才會被拉起)，部分時間兩側卷簾均無動作。

經統計，問卷調查結果中視覺不舒適的源頭最集中的方面為：“3-黑板上的反射光”占全部投票的49%，其次為“4-課桌面上的亮光”占30%，“5-熒光燈”、“1-過亮的窗戶”、“6-其他”占比不足10%，“2-過亮的墻面”不足5%，由此可知，黑板上的反射光(veiling glare)導致的內容看不清是教室內視覺不舒適的主要因素，其次為直射光照射課桌面。

1.2 現場測量

學生反映集中的問題中，桌面上的直射光可通過完善的遮陽設計解決，該問題另行討論。黑板上光帷眩光的影響程度是本文所研究的問題。當視野內亮度相近的前提下，光帷眩光的影響程度可用亮度對比度衡量。如圖2所示，在天然光環境穩定的前提下，在教室內前后排共6個座位上對黑板面上多個區域的亮度對比度進行測量。

圖2 黑板面上亮度對比度測試布置Fig.2 The layout of luminance contrast measurement on chalkboard

綜合的測試結果說明，前排、且距離明亮側窗較遠的C1位置的亮度對比度最低，黑板面上光帷眩光影響最嚴重的區域為靠近明亮側窗的區域。這些結果給實驗研究提供了依據。

1.3 實驗研究

在前期調查測試的基礎上，為研究黑板上的光帷眩光，在采光測試室內設計了實驗。圖3為實驗場景，測試室為單側窗，足尺寸模擬了典型中學教室的寬度及前排座位與黑板距離，測試位置為C1點，在黑板面上繪制了等間距的16個由粉筆涂白和黑板底色組成測量圖案，這些圖案周圍用粉筆按照標準規格書寫了文字圖表等教學內容。

圖3 模擬教室中黑板上光帷眩光實驗評價測試Fig.3 The expriential evlaution and measurement of veiling glare within chalkboard in mockup classroom

實驗中，測試人視看測試圖案周圍的文字內容，根據感受對眩光干擾程度進行6級評價，即：1-嚴重影響，6-無影響，其余各級介于兩者之間等程度分布。接著，手持亮度計測量圖案中白色分布的亮度(Lt)以及底色部分亮度(Lb)，同時儀器采集各測試圖案上的照度(Ep)、觀察者眼部視看方向上垂直照度(Ev)、觀察者與圖案的距離(D)等數據。其中，該場景中亮度對比度C的定義為：

一輪測試完成后可通過百葉調整側窗亮度再開展下一輪測試。為期10個月的測試中，共35名受測人員參與實驗評價與測試，收集了2300組測量與評價數據。

2 研究結果

黑板面上的反射眩光(光帷眩光)的干擾程度與觀察者眼部垂直照度(Ev)和亮度對比度C相關。當C相同時Ev高的場景眩光影響輕，但綜合全部數據C與眩光影響程度具有強相關性。

箱式如圖4所示為黑板面上光帷眩光所導致的視覺不舒適程度與亮度對比度之間的數值關系，圖中曲線為全部數據的集中區間上下限擬合曲線。

圖4 亮度對比度與光帷眩光干擾程度的數量關系Fig.4 The correlation between lumiance contrast and the disturbance rankings of veiling glare

將統計結果整理后可以得出黑板上光帷眩光所產生的視覺不舒適感受所對應的對比度范圍，如表1所示。

表1 眩光干擾程度于對應的對比度范圍

3 討論

黑板面上的反射眩光程度由側窗亮度、黑板面與側窗的空間位置關系，黑板面材質的光澤度、學生座位位置等因素決定。在教室內各物件空間位置固定、學生座位也固定的情況下，通過限制窗亮度、提高視野內亮度水平、選擇黑板面材質以及選擇凹弧形的黑板可以達到降低光帷眩光干擾程度的目的，營造舒適的教室光環境。

本次研究以傳統的粉筆書寫黑板的教學媒介為研究對象，有必要針對投影屏幕以及液晶屏幕開展進一步的研究，并開發重點工作為開發相應的分析工具，用于分析教室內黑板上的反射眩光視覺不舒適程度。

4 結論與研究展望

(1)光線照射到黑板上所形成的反射眩光(光帷眩光)是教室中視覺不舒適的主要原因。

(2)側窗采光的教室中，教室前排、遠離明亮采光窗的位置眩光感受最強烈，在分析教室內亮度對比度時建議選擇該點。

(3)反射眩光的影響程度受亮度對比度C和觀察者視線方向垂直照度Ev的影響。

(4)綜合多種Ev的情況，黑板面亮度對比度≥1.4時光帷眩光無影響，可保證清楚地識別黑板上文字內容。

(5)可通過限制側窗亮度、提高視野內平均亮度、凹弧形黑板以及光澤度低的面層材料可以避免眩光導致的視覺不舒適。