基于疲勞度、工作效率及節(jié)能的光環(huán)境研究

梁 平， 胡松濤， 鹿銘理， 馬 申

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院， 山東 青島 266033)

建筑室內(nèi)光環(huán)境作為建筑環(huán)境的重要組成部分，已受到國內(nèi)外學(xué)者越來越多的關(guān)注。影響光環(huán)境的參數(shù)眾多并且相當(dāng)復(fù)雜，在實(shí)踐中仍以照度作為照明設(shè)計(jì)的直觀設(shè)計(jì)指標(biāo)[1]，然而色溫營造的環(huán)境氛圍潛移默化地影響人的情緒和感受[2]。將工作面的照度和色溫作為主要研究指標(biāo)，結(jié)合3種照明方式以探索不同場景的最佳適用性，并盡可能降低照明能耗，已成為建筑室內(nèi)光環(huán)境研究的熱點(diǎn)。

一方面，影響工作效率的因素眾多，可分為社會(huì)環(huán)境因素和自然環(huán)境因素。有研究表明，良好的室內(nèi)環(huán)境能提升15%～20%的工作效率[3]，而人通過視覺獲取的信息量多達(dá)87%以上[4]，光環(huán)境直接影響人對(duì)外界信息的接受，合理設(shè)計(jì)室內(nèi)光環(huán)境能夠提升人的工作效率與心理狀態(tài)[5]。喻柏林等[6]的研究表明，在照度為1.7～2 160 lx范圍內(nèi)的視覺感受隨著照度的增大而改善，但是收效遞減。石路[7]指出，冷色調(diào)光源對(duì)腦力要求較高的任務(wù)是有利的。吳文苗[8]的研究表明，低照度(100 lx)與低色溫(3 000 K)組合條件下的績效值整體較小，不同任務(wù)對(duì)應(yīng)的最佳照度與色溫并不相同，但是高照度(300、1 000 lx)與高色溫(4 000、6 500 K)的組合在整體上有較好的表現(xiàn)。馬秀峰等[9]的研究表明，21～30歲的人對(duì)垂直照度為300～850 lx范圍內(nèi)的環(huán)境適應(yīng)性相對(duì)較好，主觀舒適度也較高。

另一方面，照明能耗占建筑總能耗的10%～40%，因此對(duì)照明用能進(jìn)行分析，根據(jù)用途合理挖掘節(jié)能潛力，提出節(jié)能措施，同樣具有重要意義。采用高效的燈具和控制方式配合節(jié)能行為是降低照明能耗的重要途徑[10]。本文中首先利用問卷打分的方式對(duì)不同照度、色溫及照明方式的多種組合進(jìn)行主觀滿意度評(píng)價(jià)；其次利用閱讀勾銷實(shí)驗(yàn)進(jìn)行任務(wù)評(píng)價(jià)，衡量人員在光環(huán)境下的工作效率與疲勞度；最后利用閃光融合頻率儀測試表征疲勞度的客觀指標(biāo)；綜合以上結(jié)果，探索在主觀感受和工作效率大致相同的條件下，盡可能降低照明能耗的燈具配置方案。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與照明燈具

實(shí)驗(yàn)在內(nèi)部尺寸為4 800×2 500×2 000 mm(長度×寬度×高度)的環(huán)境模擬艙內(nèi)進(jìn)行，除實(shí)驗(yàn)所需的燈具外，無其他光源。空氣溫度為(25±1) ℃，相對(duì)濕度為57%～67%，均由風(fēng)機(jī)盤管控制。內(nèi)壁鋪設(shè)隔音材料，以避免噪音對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾。實(shí)驗(yàn)中心區(qū)域放置高度為0.75 m的寫字臺(tái)，將照度、色溫測點(diǎn)置于寫字臺(tái)中心位置，確保測點(diǎn)上部半球形空間內(nèi)無遮擋，本文中所有實(shí)測照度、色溫值均在寫字臺(tái)中心位置進(jìn)行測量。

選用歐普照明股份有限公司的T5 型發(fā)光二極管(LED)燈管，燈具的色溫三檔可控(暖色調(diào)、中性色調(diào)、冷色調(diào))，共計(jì)18根燈管。采用3個(gè)無線遙控器進(jìn)行控制，每個(gè)遙控器控制6根同色溫的燈管，其中A、B、C這3個(gè)按鍵分別控制2根燈管同時(shí)啟停。局部照明光源選用MY-102 1×MAX40W型LED長臂折疊臺(tái)燈，三檔調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)冷、暖、中性3種色調(diào)的光源。燈具平面布置圖如圖1所示。

A、B、C—頂棚開啟燈管的編號(hào)。圖1 燈具平面布置圖

1.2 受試者

為了研究室內(nèi)辦公光環(huán)境對(duì)光舒適、疲勞度、工作效率的影響，應(yīng)選擇身體狀況良好、有一定閱讀認(rèn)知能力、視力良好或經(jīng)光學(xué)矯正后可正常作業(yè)的受試者，因此實(shí)驗(yàn)中選擇20名23～26歲視力正?；蚺宕鞒C正度數(shù)不高于300度鏡片后滿足正常學(xué)習(xí)和工作要求的受試者，其中男生13人，女生7人。將受試者分為5個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，每組4人。

1.3 預(yù)實(shí)驗(yàn)與工況設(shè)置

由于實(shí)現(xiàn)一般照明、局部照明、混合照明3種照明方式的燈具組合形式繁多，因此通過預(yù)實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行合理篩選。

預(yù)實(shí)驗(yàn)的主要是對(duì)51種燈具組合形式的照度分別進(jìn)行測量和記錄。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[11]，為了使工況之間具有明顯的感官區(qū)分度，盡可能便于受試者對(duì)主觀感受進(jìn)行打分，對(duì)預(yù)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行先粗后細(xì)的篩選后，最終確定實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置，如表1所示。

1.4 主觀問卷與試題設(shè)計(jì)

主觀問卷統(tǒng)計(jì)受試者的基本信息、睡眠情況，并對(duì)每種工況的明亮程度、顏色真實(shí)性、空間寬敞感、愉悅感、清晰感、放松感、緊張感、憂郁感、疲勞感指標(biāo)打分。評(píng)價(jià)標(biāo)尺如圖2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

圖2 主觀評(píng)價(jià)標(biāo)尺

為了保證閱讀勾銷實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡可能客觀、準(zhǔn)確，試題按照以下4個(gè)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)： 1)保證受試者對(duì)試題的熟悉程度相同； 2)確保受試者對(duì)試題的可接受程度相同； 3)受試者應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)掌握測試方法； 4)測試結(jié)果盡可能便于統(tǒng)計(jì)與量化分析。閱讀勾銷實(shí)驗(yàn)材料設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

試題分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5套，每套試題有100組英文字母組合，每組5個(gè)英文字母。其中工況1、6、11使用試題Ⅰ，工況2、7、12使用試題Ⅱ，以此類推。每次測試前，由工作人員隨機(jī)指定一個(gè)目標(biāo)字母，受試者盡快找出目標(biāo)字母并用筆勾銷(劃除)，并且不得復(fù)查。每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的4名受試者同時(shí)開始測試，分別記錄完成時(shí)間并統(tǒng)計(jì)正確率。

正式實(shí)驗(yàn)前，由2名工作人員對(duì)15套試題進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)難度測試。測試結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)這2名工作人員的當(dāng)量時(shí)間并取平均值，用來表示每套試題的標(biāo)準(zhǔn)難度。當(dāng)量時(shí)間等于實(shí)際完成時(shí)間除以正確率，其中，正確率等于字母總數(shù)減去錯(cuò)誤數(shù)再除以字母總數(shù)。勾銷字母時(shí)，選錯(cuò)、漏選均判為錯(cuò)誤。

圖3 閱讀勾銷實(shí)驗(yàn)材料設(shè)計(jì)流程

1.5 實(shí)驗(yàn)流程

由于人眼視錐細(xì)胞中的感光色素再生過程至少需要5 min，因此實(shí)驗(yàn)中要求受試者在每種工況下先靜坐5 min以適應(yīng)環(huán)境，然后進(jìn)行主觀問卷填寫、閱讀勾銷實(shí)驗(yàn)、閃光融合頻率測試。每天8：30—12：00進(jìn)行工況1—9的測試，14：30—17：00進(jìn)行工況10—15的測試。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 主觀問卷分析

對(duì)15種工況下的明亮程度、顏色真實(shí)性、空間寬敞感、愉悅感、清晰感、放松感、緊張感、憂郁感、疲勞感進(jìn)行滿意度打分，并將20名受試者在同一工況下的打分取平均值，按色溫繪制成雷達(dá)圖，如圖4所示。由圖可知，明亮程度、顏色真實(shí)性、空間寬敞感、愉悅感、清晰感、放松感的得分趨勢大致相同，受試者的主觀感受較一致，并且得分區(qū)間較寬，反映了受試者對(duì)此6項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)敏感。

從語義上看，6項(xiàng)指標(biāo)均表征舒適的感覺，一定程度上反映了受試者對(duì)同類指標(biāo)的感受有一定的相似性。緊張感、憂郁感、疲勞感表征不舒適，緊張感、憂郁感的得分區(qū)間較窄，反映了受試者對(duì)其相對(duì)不敏感，而疲勞感的變化幅度相對(duì)較大，說明光環(huán)境對(duì)疲勞感的影響程度更大。工況2、3、5、6、8、9、11、15的舒適指標(biāo)得分相對(duì)較高，對(duì)應(yīng)的照明方案均為照度水平較高的LED一般照明，說明受試者對(duì)高照度水平的工況有一定偏好。

(a)色溫為3 000 K

(b)色溫為4 000 K

(c)色溫為6 000 K圖4 不同光環(huán)境中主觀感受評(píng)價(jià)雷達(dá)圖

2.2 照明方案對(duì)比分析

在主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)大致相同的情況下，從節(jié)能的角度分析能耗較低的照明方案。工況2，工況3、5，以及工況6、8、9分別代表一般照明時(shí)3種色溫水平下方案A+B與方案A+B+C這2種組合對(duì)明亮程度的評(píng)價(jià)，平均得分差異較小(不超過0.23)，但是照度相差200～300 lx，顯然方案A+B更節(jié)能。與照度相當(dāng)?shù)幕旌险彰鞴r11、13相比，一般照明對(duì)明亮程度的影響更明顯，因此一般照明時(shí)照度為800 lx的冷光更經(jīng)濟(jì)、高效。高照度、一般照明的顏色真實(shí)性得分較高，并且與冷色溫組合時(shí)效果更佳，綜合考慮節(jié)能性，可選照度為800 lx的冷光。愉悅感在高照度與中性偏冷色溫的組合下得分較高。清晰感在冷色溫?zé)艄鈺r(shí)得分較高，說明冷色調(diào)給人醒目的感覺。一般照明工況的放松感高于混合照明和局部照明工況，同樣高照度、冷色溫的環(huán)境更有優(yōu)勢。對(duì)于緊張感、憂郁感、疲勞感，局部照明和混合照明的主觀滿意度評(píng)價(jià)更有優(yōu)勢。綜合考慮節(jié)能性，可選擇低照度局部照明方式，以降低心理作用造成的不舒適感。

2.3 閱讀勾銷實(shí)驗(yàn)的工作效率分析

閱讀勾銷實(shí)驗(yàn)通過測試完成任務(wù)的時(shí)間和質(zhì)量來評(píng)價(jià)工作效率，不會(huì)被受試者主觀干擾，可以較客觀地衡量受試者的工作效率，間接反映疲勞程度。

分別統(tǒng)計(jì)15種工況下20名受試者閱讀勾銷實(shí)驗(yàn)的完成時(shí)間和正確率的變異系數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果均小于20%，因此認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。數(shù)據(jù)處理過程及方法如下：

1)計(jì)算每次測試的當(dāng)量時(shí)間。2)計(jì)算每名受試者完成15套試題的個(gè)人平均時(shí)間，用以衡量個(gè)人能力。3)計(jì)算每套題的平均完成時(shí)間，用以衡量試題難度。4)修正每套題的難度，難度修正值等于試題難度減去標(biāo)準(zhǔn)難度。5)計(jì)算疲勞度。疲勞度等于個(gè)人平均時(shí)間與難度修正值之和減去當(dāng)量時(shí)間。

將15種工況的照度-平均疲勞度散點(diǎn)按相同色溫連成折線，如圖5所示。從圖中可以看出，當(dāng)光源色溫為4 000 K時(shí)，平均疲勞度整體較低，側(cè)面反映出工作效率相對(duì)較高。當(dāng)色溫相同時(shí)，照度由小到大的燈具組合形式依次為A、臺(tái)燈2、A+B、臺(tái)燈2+C、A+B+C，色溫為4 000 K時(shí)的局部照明工況疲勞度最低。在色溫為3 000 K的條件下，照度約為800 lx時(shí)疲勞度相對(duì)較低。色溫為6 000 K時(shí)的疲勞度與色溫為3 000 K時(shí)的完全相反，說明3種照明方式下照度與色溫的不同組合對(duì)疲勞度和工作效率產(chǎn)生了明顯影響。

圖5 不同色溫時(shí)的平均疲勞度

從節(jié)能的角度分析，色溫為4 000 K時(shí)的局部照明工況的效果最好，并且能耗最低，為最佳方案。其次，色溫為6 000 K時(shí)的低照度一般照明工況的效果僅次于最佳方案的，能耗相對(duì)較低，此方案也可納入考慮范圍。

2.4 閃光融合頻率的疲勞度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

閃光融合頻率用于測試人眼可分辨的最大閃爍頻率。受試者雙眼注視閃光融合頻率儀內(nèi)部以固定頻率閃爍的亮點(diǎn)，逐漸增大閃爍頻率，當(dāng)受試者觀測到亮點(diǎn)恰好停止閃爍時(shí)，記錄此時(shí)的臨界值。測試值越大，表示人眼可分辨的閃爍頻率越大，此時(shí)眼部的敏銳程度更高，視疲勞程度越低； 反之，測試值越小，說明此時(shí)眼部的敏銳程度越低，視疲勞程度越高。

首先，以照度為自變量，閃光融合頻率為因變量，進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，由檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的樣本觀察值得出的原假設(shè)可被拒絕的最小顯著性水平p值為0.466>0.05。其次，以色溫為自變量，閃光融合頻率為因變量，進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果p值為0.404>0.05。由此可知，觀察變量總體方差無顯著差異。

分別對(duì)照度-閃光融合頻率、色溫-閃光融合頻率進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果如表2、3所示。從表中可以看出，p值均大于0.05，均無法拒絕原假設(shè)，即通過閃光融合頻率臨界值反映的視疲勞程度主要影響因素為隨機(jī)誤差，與照度、色溫的相關(guān)性較差。短期暴露的情況下，照度與色溫對(duì)視疲勞的影響并不顯著，導(dǎo)致閃光融合頻率臨界值的隨機(jī)誤差掩蓋了光環(huán)境對(duì)疲勞度的影響，仍然認(rèn)為長期暴露時(shí)，照度與色溫對(duì)視疲勞的組合效應(yīng)可能會(huì)顯現(xiàn)。

表2 照度-閃光融合頻率單因素方差分析結(jié)果

表3 色溫-閃光融合頻率單因素方差分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文中通過主觀評(píng)價(jià)、任務(wù)評(píng)價(jià)、生理參數(shù)評(píng)價(jià)3種方式，分析了不同照明方式下照度與色溫對(duì)人的心理、工作效率、疲勞度的影響，得到以下主要結(jié)論：

1)從主觀感受評(píng)價(jià)的角度分析，光環(huán)境主要通過影響人的心理作用進(jìn)而影響受試者的主觀感受。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，高照度、一般照明工況的整體滿意度較高，原因可能是高照度環(huán)境給人以敞亮、輕松的感覺，而低照度環(huán)境則顯得壓抑。綜合考慮節(jié)能性，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。

2)閱讀勾銷實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，色溫為4 000 K的局部照明工況下的疲勞度最小，工作效率最高，并且此方案能耗低，因此在短時(shí)辦公區(qū)域推薦使用中性色溫的局部照明方案。

3)閃光融合頻率測試結(jié)果表明，照度-閃光融合頻率、色溫-閃光融合頻率均無相關(guān)性，即閃光融合頻率測試值的主導(dǎo)因素并非光環(huán)境，因此利用閃光融合頻率儀測試疲勞度的方法不適用于短期暴露下的視疲勞測試。