中性色調起居室光照環境人因工學研究

陳堯東，郝洛西，崔 哲

(同濟大學 建筑與城市規劃學院，上海 200092)

引言

隨著我國社會經濟和生活水平的發展，簡單的功能性照明已無法滿足當代中國人對居住照明高品質、人性化的需求。起居室是家庭單位的主要生活空間，集會客、用餐、工作、休閑等眾多功能于一體，其照明品質與居住者的生活質量具有相關性。因此，探索符合中國人視覺偏好的起居室照明設計策略具有一定的學術價值和現實意義。迄今為止，發達國家在此領域已積累了大量研究基礎。其中，Peter Boyce[1]對基于人因工學的照明理論做了較為全面的總結。近年來，隨著LED照明技術的發展，關于半導體照明的研究也不斷深入。Nadarajah等人[2]的研究結果表明：在LED光照環境下，被試對低顯色性光照環境偏好度反而更高；被試對顏色的偏好度與顯色性的相關性在數理統計上不顯著；相較于白熾燈和熒光燈，被試對LED的光照環境表現出更高的偏好度。Maria Thompson等人[3]認為：在周邊視野中，色溫的變化比顯色性的變化更易被察覺。Ays-eDurak等人[4]通過改變照明方式與照度水平，評估空間的舒適、私密、愉悅等因素，得出以下結論：(1)不同的照明方式會影響人們對空間光照環境的主觀感覺；(2)相同照明方式，不同的照度也會影響人們對空間光照環境的主觀感覺。

國內方面，劉煒等人[5]的研究認為不同年齡和性別的人群對同一照度和色溫的光照環境所產生的舒適感是有差異的。同時他們對北京居民起居室的調研[6]結果顯示：CFL是北京居民最常用的光源。李國輝等人[7]對北京、上海和重慶的起居室照明環境進行入戶調查,搭建了有40種照明場景的起居室實驗平臺。在此平臺下，對被試進行問卷調查,篩選出了7個控制起居室光照環境的主觀評價指標。并得出了各指標的權重。林燕丹等人[8]通過主觀評價實驗得出：在一定范圍內，照度或色溫與被試的閱讀速度、工作時的滿意度具有正相關性。

以上研究主要圍繞功能照明的視覺滿意度進行的實驗評價。沒有涉及多光源、多色溫、多顯色性的綜合性光照環境評價。因此，本研究對中國居民進行主觀評價實驗，從人因工學角度探討中國人對起居室光照環境中色溫、顯色性、光源的視覺偏好，總結出適合中國人視覺偏好的起居室照明設計策略，為照明設計師提供設計指導。同時，研究分析LED與傳統光源對起居室光照環境塑造的優劣，為半導體照明技術在起居室的應用提供研究基礎和理論支持，并通過本實驗，對主觀評價實驗的方法進行總結，對下一階段實驗提供理論和經驗支持。

1 起居室照明現狀調研

1.1 調研對象

調研對象年齡范圍為20～50歲，教育背景專科以上的人群。被調研的起居室面積在20～40m2之間；室內裝修完整，照明設施完善。

1.2 調研問卷

調研問卷內容分為兩部分，第一部分為“主觀評價問卷”，含三方面信息：被試基本資料、被試對自家起居室的主觀評價、被試對理想起居室的主觀評價。問卷的第二部分為“調研記錄表”，記錄起居室的光源類型、功率、數量、品牌、照明方式、照度、色溫、起居室家具平面圖、燈位布置圖等信息。

1.3 調研流程

調研流程如表1所示：(1)主試發放問卷，指導被試填寫問卷。(2)繪制被調研起居室家具布置平面圖，收集功能布局信息。(3)記錄起居室照明基本情況：光源的類型、品牌、數量及功率等參數；繪制燈位布置圖，簡述照明方式及燈具維護情況。(4)測量起居室的平均照度及色溫。(5)拍攝實景照片。

表1 調研流程Table 1 The procedure of the survey

1.4 數據分析及空間抽象

1.4.1 中國起居室照明現狀

圖1 中國起居室空間典型照明方式及布局Fig.1 Typical layout of Chinese living rooms

中國起居室有三種典型照明方式：中央下照光、環境照明和重點照明。在大部分情況下，戶主只開啟中央下照光(吊燈)，所以中國起居室最常用的照明方式如圖1(b)所示，為中央下照光。圖2為中國起居室照度分布圖，從圖中可以看出，中國人最常用照度范圍是40～60lx，達到25%；圖3是中國起居室光源分布圖，熒光燈是中國人最常用的光源，占76%的份額；圖4是中國起居室色溫分布圖，中國人最常用的色溫范圍是3000～4000K，達36%。

圖2 中國起居室照度分布圖Fig.2 Commonly used illumination bands

圖3 中國起居室光源分布圖Fig.3 Commonly used light sources

圖4 中國起居室色溫分布圖Fig.4 Commonly used CCT bands

1.4.2 中國起居室平面布局

中國起居室的典型平面布局如圖1(a)所示，客廳中央位置擺放茶幾，茶幾一邊布置沙發，另一邊靠墻位置放置電視。

2 實驗設計

2.1 實驗室設計

圖5為實驗室平面圖。實驗室分為“起居室”和“適應室”兩個部分。根據調研結論，起居室平面布局與圖1(a)具有相同的空間特征。室內裝修色彩以中性色調(黑白灰)為主，如墻紙、窗簾、茶幾、沙發等家具均為中性白色。此外，室內在中性主色調的基礎上，布置了標準色卡、植物、書籍等彩色物品，幫助被試評價光源的顯色性。適應室是為了消除日光對被試的影響、前一個場景對后一個場景的影響，以及當主試者在切換場景時，作為被試休息的場所。因此，適應室中布置了一張桌子和兩把椅子。

圖5 實驗室平面圖Fig.5 Plan of the laboratory

2.2 照明場景設計

如表2所示，起居室有6種照明場景。在所有場景中，室內茶幾表面照度均為150lx，室內溫度設定為22℃，相對濕度控制在50%。場景自變量是光源、色溫、顯色性。其中光源包含傳統CFL、白熾燈以及LED三種；色溫有4000K、2700K兩種；顯色性有80、95、100 三種。照明方式為“中央下照光”[與圖1(a)具有相同的特征]。燈具布置考慮到光分布的均勻性,每個場景設置4盞燈同時點亮，均勻度優于一盞。圖6是天花燈具布置實景照片(a)及各場景亮燈位置示意圖(b)。

根據調研結論，適應室光源選用CFL，工作面平均照度設定為50lx，色溫為3000K。

2.3 問卷設計

實驗問卷包括4部分。第一部分是被試的基本資料，包括性別、年齡和專業背景等信息；第二部分是“傾向性評價表”，如表3所示，包含3類詞匯：1)描述空間和光照環境的形容詞(以下簡稱“空間光照詞匯”)、描述被試主觀情緒的形容詞(以下簡稱“心理情緒詞匯”)和描述生活中常見的照明場所的名詞(以下簡稱“環境詞匯”)；第三部分是 “語義差別量表”，量表分為-3到+3，7檔；第四部分是被試自調光記錄表(此部分要求被試自主調光，主試者記錄。調光的預設條件是：將光調到和家人聊天時最舒適的亮度。)

表2 實驗場景Table 2 The lighting scenes

圖6 天花燈具布置Fig.6 The luminaire arrangement

表3 傾向性評價表Table 3 Words selection table

2.4 被試選擇

本實驗共有33位被試。其中男性18人，女性15人；青年(20～30歲)13人、中年(31～50歲)10人、老年(50歲以上)10人；建筑及照明相關專業人員17人、非建筑及照明相關專業人員16人。所有被試均需通過上海市級以上醫院眼底檢查才能參與此實驗。

2.5 實驗步驟

實驗要求被試對每個照明場景填寫一份相同的評價問卷，通過問卷呈現出的不同答案，反應出被試對各場景的不同主觀感受。實驗步驟為：(1)被試進入適應室適應15分鐘，其間主試者發放問卷、進行實驗介紹，然后進入起居室切換場景。被試填寫個人信息及完成預備場景的問卷；(2)被試進入起居室，適應2分鐘、熟悉光照環境，完成該場景問卷并自主調光，主試者記錄自調光數值；(3)被試離開起居室到適應空間休息，主試者在起居室切換照明場景；(4)重復步驟(2)；(5)重復步驟(2)、(3)，直至完成所有場景。

3 數據分析

3.1 篩選高頻詞匯

通過Excel統計“傾向性評價表”中各場景詞匯的被選擇頻數(詞頻)，得出如圖7所示的詞云圖表。圖中詞匯的字體越大，代表該詞的詞頻越大。從圖7中可以看出：被試最重視的起居室照明主觀感受詞匯有：明亮、清晰、清醒、自在、溫暖、溫馨、舒適、柔和、寧靜等指標。

圖7 詞云表Fig.7 Wordle diagram

3.2 空間光照詞匯與心理情緒詞匯相關性

對高頻詞匯在“語義差別量表” 中的得分進行相關性分析。(以“清醒”與“明亮”、“溫馨”與“溫暖”、“顏色鮮艷”與“膚色真實”的相關性分析為例)，圖8是“清醒-慵懶”與“明亮-昏暗”的相關性圖表，從中可以看出：(1)在相同照度和光分布下，對比2700K，色溫4000K的場景1和場景4的主觀亮度更高。(2)被試的主觀明亮感覺與清醒感呈正相關(P=0.006)，說明當場景給人的主觀亮度越大時，被試覺得越清醒。圖9是“溫馨—凄涼”與“溫暖—寒冷”的相關性圖表，從中可以看出：(1)在相同照度和光分布下，比起4000K，色溫2700K的照明場景給人感覺更溫暖，同時給人感覺也更溫馨。(2)被試的溫暖感覺與溫馨感呈正相關(P=0.002)。圖10“顏色鮮艷-不鮮艷”與“膚色真實-不真實”的相關性圖表。從中可以看出：(1)在相同照度和光分布下，比起2700K，色溫4000K的照明場景給人感覺顏色更鮮艷。(2)顯色性對膚色真實性和顏色鮮艷度的主觀感受的影響不顯著，原因可能是因為場景間顯色性的差異太小。

圖8 明亮與清醒相關性圖表Fig.8 Interaction between “bright” and “alert”

圖9 溫暖與溫馨相關性圖表Fig.9 Interaction between “warm” and “cozy”

圖10 顏色鮮艷與膚色真實相關性圖表Fig.10 Interaction between “colorful” and “natural”

3.3 色溫、顯色性和光源與詞頻的相關性

通過比較兩兩場景中高頻詞匯的詞頻差異情況，分析色溫、顯色性和光源對各場景選詞的影響。其中，以色溫為自變量，比較場景1和場景2、場景3和場景4的差異，得出色溫對詞頻的影響在數理統計上非常顯著(P<0.01)；以顯色性為自變量，比較場景2和場景3、場景1和場景4的差異，得出顯色性對詞頻的影響在數理統計上不顯著。以光源為自變量，比較場景2和場景5、場景3和場景6的差異，得出光源對詞頻的影響在數理統計上不顯著。

4 實驗結論

第一階段實驗的結論如下：(1)在一定范圍內，在相同照度和光分布下，被試的主觀感受是：明亮與清醒正相關，與溫馨呈負相關；清晰與清醒正相關，與溫馨呈負相關；柔和與溫馨正相關；與清醒呈負相關；溫暖與溫馨正相關，與清醒呈負相關。(2)在相同照度和光分布下，對比2700K，色溫4000K的光照環境的主觀亮度更高。(3)色溫與被試對空間的主管感受的相關性在數理統計上顯著(P=0.001)；但光源、顯色性與被試對空間的主管感受的相關性在數理統計上不顯著。

5 總結與展望

本輪實驗通過主觀評價和數據分析，得出較為可靠的實驗結論，尤其是關于色溫的相關實驗結論，證明了實驗設計的合理性。但關于顯色性的結論存在較大爭議，原因可能有：(1)場景間顯色性差異太小；(2)實驗空間中色彩太少；(3)被試對顯色性關注不夠。因此，下一輪實驗將對起居室進行重新裝修，使用彩色主色調，以驗證第一輪實驗的結論及重點探討顯色性。

[1] Peter Boyce. Human Factors in Lighting[M]. Second Edition. Toylor & Francis, 2003.

[2] Nadarajah, Lei Deng. Colour Rendering Properties of LED Light Sources, Solid State LightingⅡ[C].. Proceedings of SPIE, 2002.

[3] Maria Thompson, Jeremy Spaulding, Kent Larson, et al. Investigation of Tunable LED Lighting for General Illumination Employing Preliminary Activity Recognition Sensor Network[C]. Proc. SPIE, 2011:8123.

[4] Ay-e Durak, Nilgun Camgoz Olgunturk. Impact of lighting arrangements and illuminances on different impressions of a room[J]. Building and Environment, 42.

[5] Liu Wei，Wang Xiaojin. Investigation and Analysis about Indoor Illumination of Light Environment in Beijing Houses[J]. Light and Lighting, 32(3),2008.

[6] 劉煒,王曉靜,薛大金.北京市住宅室內照明光環境調查與分析[J].燈與照明,2008,32(3).

[7] 李國會，雍靜，王曉靜，等.住宅起居室人工照明光環境評價指標及其權重試驗研究[J].現代建筑電氣，2010(4).

[8] Lin Yandan，Ju Jiaqi， Chen Wencheng,et al. Subjective Rating on Indoor Luminous Environment And Its Effect on Reading Task Performance[C]. Beijing: CIE 26TH SESSION, 2007.