邊 宇，林 佳，冷天翔

(華南理工大學(xué)建筑學(xué)院，亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640)

引言

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

天然光環(huán)境中，眩光是導(dǎo)致視覺不舒適的主因[2]，目前通常使用眩光指標(biāo)評(píng)價(jià)視覺舒適度，但眩光問題很復(fù)雜、類型多，且受到空間形態(tài)、使用者視看行為等諸多因素影響[3]。我國(guó)教室內(nèi)的眩光問題具有如下特點(diǎn)：

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(xiàn)，如：過亮的窗口直接出現(xiàn)在視野內(nèi)就是一種直接眩光；當(dāng)室外光線透過側(cè)窗照射黑板，如果過量的反射光線進(jìn)入人眼，使得黑板局部亮度提高、對(duì)比度下降，達(dá)到無法清晰容易地辨識(shí)其上內(nèi)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(tài)：我國(guó)中學(xué)教室空間特征明確、尺度規(guī)范。《中小學(xué)教學(xué)樓設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50099—2011)[5]、《國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集(11J934-2)：中小學(xué)校場(chǎng)地與用房》[6]等是學(xué)校建筑設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。

視看行為：學(xué)生們上課強(qiáng)調(diào)秩序、座位固定，課堂上的視看行為有規(guī)律可循。在課堂上，學(xué)生的視看行為主要有如下幾個(gè)方面：1-看黑板上(包括屏幕)的內(nèi)容；2-看桌面上的書本內(nèi)容；3-注視老師等。其中，看黑板、看桌上書本上的內(nèi)容需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)視看，易產(chǎn)生視覺不舒適問題。當(dāng)學(xué)生看桌面上書本時(shí)，由于眼睛和桌面距離較近，一般不超過40 cm，此時(shí)視野范圍集中在桌面上，當(dāng)不出現(xiàn)太陽光直射桌面的情況時(shí)視覺不舒適問題不顯著。因此，教室內(nèi)學(xué)生看黑板時(shí)較易產(chǎn)生視覺不舒適問題，這種視看行為也是本次研究的主要對(duì)象。

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

1 實(shí)驗(yàn)方法

本項(xiàng)目的研究方法分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段為調(diào)查研究，旨在通過問卷和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量掌握問題最集中的方面。第二階段為實(shí)驗(yàn)研究，通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的評(píng)價(jià)與測(cè)試量化分析視覺舒適度。

1.1 問卷調(diào)查

廣州市某初中的4個(gè)班級(jí)為對(duì)象，4間教室均為雙側(cè)窗采光，北向側(cè)窗無遮陽，南向側(cè)窗外為走廊。位于首層的2間北向側(cè)窗外有不同程度的植物遮擋，2間位于中間樓層，南側(cè)為走廊，北側(cè)窗外無臨近遮擋(圖1)。課題組先期對(duì)教室人工照明情況進(jìn)行了測(cè)量，并通過從教學(xué)樓外正對(duì)立面拍攝視頻的方法記錄了一段時(shí)期內(nèi)4間教室南北側(cè)窗上卷簾的位置(手動(dòng)控制情況)以及(南)立面的日照情況。隨后，在該初中的學(xué)生家長(zhǎng)群中進(jìn)行了線上問卷調(diào)研，由家長(zhǎng)協(xié)助初中生完成問卷。內(nèi)容包括：個(gè)人情況、座位位置、視力等，核心問題為：上課時(shí)，產(chǎn)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(duì)象的教室之一Fig.1 One of the classroom selected as the study objects

調(diào)研測(cè)試結(jié)果說明，受測(cè)教室的人工照明水平滿足標(biāo)準(zhǔn)，燈具眩光控制合格，當(dāng)太陽直射走廊(位于南向)時(shí)，部分時(shí)間南北向側(cè)窗上的卷簾會(huì)同時(shí)放下(常直到第二天早晨才會(huì)被拉起)，部分時(shí)間兩側(cè)卷簾均無動(dòng)作。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，問卷調(diào)查結(jié)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(dǎo)致的內(nèi)容看不清是教室內(nèi)視覺不舒適的主要因素，其次為直射光照射課桌面。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

學(xué)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(shè)計(jì)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(dāng)視野內(nèi)亮度相近的前提下，光帷眩光的影響程度可用亮度對(duì)比度衡量。如圖2所示，在天然光環(huán)境穩(wěn)定的前提下，在教室內(nèi)前后排共6個(gè)座位上對(duì)黑板面上多個(gè)區(qū)域的亮度對(duì)比度進(jìn)行測(cè)量。

圖2 黑板面上亮度對(duì)比度測(cè)試布置Fig.2 The layout of luminance contrast measurement on chalkboard

綜合的測(cè)試結(jié)果說明，前排、且距離明亮側(cè)窗較遠(yuǎn)的C1位置的亮度對(duì)比度最低，黑板面上光帷眩光影響最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)榭拷髁羵?cè)窗的區(qū)域。這些結(jié)果給實(shí)驗(yàn)研究提供了依據(jù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)研究

在前期調(diào)查測(cè)試的基礎(chǔ)上，為研究黑板上的光帷眩光，在采光測(cè)試室內(nèi)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)。圖3為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，測(cè)試室為單側(cè)窗，足尺寸模擬了典型中學(xué)教室的寬度及前排座位與黑板距離，測(cè)試位置為C1點(diǎn)，在黑板面上繪制了等間距的16個(gè)由粉筆涂白和黑板底色組成測(cè)量圖案，這些圖案周圍用粉筆按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格書寫了文字圖表等教學(xué)內(nèi)容。

圖3 模擬教室中黑板上光帷眩光實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)測(cè)試Fig.3 The expriential evlaution and measurement of veiling glare within chalkboard in mockup classroom

實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試人視看測(cè)試圖案周圍的文字內(nèi)容，根據(jù)感受對(duì)眩光干擾程度進(jìn)行6級(jí)評(píng)價(jià)，即：1-嚴(yán)重影響，6-無影響，其余各級(jí)介于兩者之間等程度分布。接著，手持亮度計(jì)測(cè)量圖案中白色分布的亮度(Lt)以及底色部分亮度(Lb)，同時(shí)儀器采集各測(cè)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(shù)據(jù)。其中，該場(chǎng)景中亮度對(duì)比度C的定義為：

一輪測(cè)試完成后可通過百葉調(diào)整側(cè)窗亮度再開展下一輪測(cè)試。為期10個(gè)月的測(cè)試中，共35名受測(cè)人員參與實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)與測(cè)試，收集了2300組測(cè)量與評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

2 研究結(jié)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(duì)比度C相關(guān)。當(dāng)C相同時(shí)Ev高的場(chǎng)景眩光影響輕，但綜合全部數(shù)據(jù)C與眩光影響程度具有強(qiáng)相關(guān)性。

箱式如圖4所示為黑板面上光帷眩光所導(dǎo)致的視覺不舒適程度與亮度對(duì)比度之間的數(shù)值關(guān)系，圖中曲線為全部數(shù)據(jù)的集中區(qū)間上下限擬合曲線。

圖4 亮度對(duì)比度與光帷眩光干擾程度的數(shù)量關(guān)系Fig.4 The correlation between lumiance contrast and the disturbance rankings of veiling glare

將統(tǒng)計(jì)結(jié)果整理后可以得出黑板上光帷眩光所產(chǎn)生的視覺不舒適感受所對(duì)應(yīng)的對(duì)比度范圍，如表1所示。

表1 眩光干擾程度于對(duì)應(yīng)的對(duì)比度范圍

3 討論

黑板面上的反射眩光程度由側(cè)窗亮度、黑板面與側(cè)窗的空間位置關(guān)系，黑板面材質(zhì)的光澤度、學(xué)生座位位置等因素決定。在教室內(nèi)各物件空間位置固定、學(xué)生座位也固定的情況下，通過限制窗亮度、提高視野內(nèi)亮度水平、選擇黑板面材質(zhì)以及選擇凹弧形的黑板可以達(dá)到降低光帷眩光干擾程度的目的，營(yíng)造舒適的教室光環(huán)境。

本次研究以傳統(tǒng)的粉筆書寫黑板的教學(xué)媒介為研究對(duì)象，有必要針對(duì)投影屏幕以及液晶屏幕開展進(jìn)一步的研究，并開發(fā)重點(diǎn)工作為開發(fā)相應(yīng)的分析工具，用于分析教室內(nèi)黑板上的反射眩光視覺不舒適程度。

4 結(jié)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(cè)窗采光的教室中，教室前排、遠(yuǎn)離明亮采光窗的位置眩光感受最強(qiáng)烈，在分析教室內(nèi)亮度對(duì)比度時(shí)建議選擇該點(diǎn)。

(3)反射眩光的影響程度受亮度對(duì)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(duì)比度≥1.4時(shí)光帷眩光無影響，可保證清楚地識(shí)別黑板上文字內(nèi)容。

(5)可通過限制側(cè)窗亮度、提高視野內(nèi)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(dǎo)致的視覺不舒適。