寒冷地區過渡季建筑照明對熱感覺的影響

錢 葉，劉 剛，劉魁星，甘婷婷

(天津大學建筑學院，天津 300072)

引言

隨著科學技術的發展和生活水平的提高，人們對建筑室內的舒適度有了更高的要求。室內舒適度包括熱舒適度、光舒適度、聲舒適度和空氣品質。熱舒適度對人們的整體舒適度、身心健康、工作效率等具有重要意義[1]。自熱舒適模型被提出以來，很多關于熱舒適的研究出現了[2]。另外，光環境也是室內環境的主要方面，光照對人的情緒、睡眠、認知等方面也有重要作用[3]。

文獻[4]結合神經生理學概述了多種感官對于熱感覺和熱舒適的影響，討論的因素包括環境溫度、顏色、光的照度、空氣污染及噪音，結果表明熱感覺是受多種因素復合影響的。在室內熱舒適研究領域，除了研究不同熱環境對熱感覺的影響外，有一部分學者研究了不同照明工況對熱感覺的影響。文獻[5]對國內外教室光環境進行了綜述，介紹了教室光環境對心理評價測試、視功效、效率-疲勞等方面的研究成果，說明光生物效應研究具有重要意義。文獻[6]整理了辦公空間的光生物效應的相關研究，探討了辦公照明領域的研究重點和發展方向。文獻[7]結合生理學綜述了前人關于光的照度和色溫對熱感覺的影響，指出在選擇照明方式和光源類別時，不僅要考慮藝術美觀和照明需求，還要考慮人員的生理和心理舒適。

文獻[8]將光照對熱反應的影響進行了全面綜述，光通過非視覺通道產生的影響：在夜間抑制褪黑素分泌并推遲人體核心溫度下降，在早晨加快褪黑素分泌并加快人體核心溫度上升。光通過視覺通道產生的影響存在一些爭議：照度、色溫、被試者暴露時間和光照持續時間對熱感覺的影響有待進一步研究。因此研究熱舒適領域的光熱耦合很有必要。

前人的研究表明：照度對人體熱感覺存在影響，但這種影響的邊界條件和閾值存在爭議。對于照度的研究側重其對人體褪黑素的分泌即生物節律的影響研究。文獻[9]研究了光照對人體褪黑素分泌的抑制作用，研究表明夜間的微弱光照會抑制其他哺乳動物退褪黑素的分泌，但對人沒有影響。只有夜間的強光照射對人體褪黑素分泌有明顯抑制。文獻[10]研究了光照對褪黑素分泌的抑制作用，褪黑素進而影響人體溫度和警覺性，結果表明500 lx的照度可能是光照抑制褪黑素分泌的閾值，達到500 lx后光照對人體溫度和警覺性有顯著影響。文獻[11]研究了照度對人傍晚和夜間著裝情況的影響，研究表明傍晚和夜間的強光照射會促進被試者的穿衣行為。

前人關于色溫對人體熱感覺的影響存在爭議。早期的研究認為色溫對熱舒適沒有影響，直到20世紀60—80年代出現了hue-heat假說：暖色光使人感覺偏暖，冷色光使人感覺偏涼。目前為止，關于色溫對熱舒適的影響結論仍是模棱兩可的，而且缺乏完整的理論體系。文獻[12]得出了與hue-heat假說相反的結論，結果表明辦公室中人員在色溫4 000 K時比2 700 K、6 200 K時更舒適。作者分析了實驗驗證失敗的原因可能有：色溫對熱感覺的影響非常小；熱環境比光環境的影響顯著得多；被試者適應時間過長。文獻[13]在真實機艙環境中進行了黃光和藍光的對比實驗，結果表明色溫對熱感覺有小影響，驗證了hue-heat假說是成立的，并指出根據此假說調整照明工況對機艙節能有重要貢獻。文獻[14]研究了強、弱照度下，色溫對夜間人體褪黑素分泌的影響，結果表明冷色溫下光照對褪黑素分泌的抑制作用更明顯。

文獻[15]總結了光對熱感覺的影響研究中出現差異的原因，主要是由于各學科學者在參數選擇上的不同。該實驗考慮了熱環境和光環境，控制了光的照度、色溫工況，雖然沒有控制熱環境，但研究了兩個溫度范圍。該文在寒冷地區過渡季，研究了底面積為6 m×6 m空間中，被試者的熱感覺隨著照明工況變化的規律。補充了寒冷地區過渡季光熱耦合在熱舒適領域的研究，為寒冷地區過渡季照明對熱感覺的影響的研究提供了參考。

1 實驗設計及實驗流程

1.1 實驗工況設計

該實驗在天津大學變空間實驗艙進行，實驗艙實景圖見圖1。兩次實驗均在2018年過渡季自然通風狀態下完成，兩次實驗均在底面積為6 m×6 m的房間進行。

實驗艙吊頂照明設備是LEDCOB筒燈，見圖2，筒燈型號為EC202060WA01.C-X，色溫可調范圍是2 700～6 600 K，顯色指數≥80。實驗艙照明采用DALI系統，通過智能調光系統進行控制。實驗過程中可以通過控制實驗艙吊頂的LED COB筒燈的白黃光配比，進而改變實驗過程中的照度和色溫。

圖1 實驗艙實景圖Fig.1 Actual view of the experimental room

圖2 LED COB筒燈Fig.2 LED COB tube light

采用CL-500A手持式分光輻射照度計在桌面測量照度和色溫以確定實驗工況，實驗1是在桌面照度400 lx工況下研究冷色溫CT=5 000 K、中色溫CT=4 000 K、暖色溫CT=3 000 K工況下熱感覺的變化。實驗2是在桌面照度分別為272 lx、365 lx、510 lx和760 lx工況下研究冷色溫CT=5 000 K、中色溫CT=4 000 K、暖色溫CT=3 000 K工況下熱感覺的變化，實驗2的工況設計見表1。

表1 實驗2工況設計Table 1 Working condition design of Experiment 2

1.2 主觀調查問卷收集

兩次實驗分別招募了15名天津大學學生為被試者，年齡在22～25歲，其中男女比例接近1∶1。被試者在實驗過程中保持靜坐；在實驗前12 h保證睡眠充足、情緒穩定，禁止飲用酒精、咖啡等刺激性飲料；實驗前1.5 h不能吃東西；實驗前3 h不要進行劇烈運動。

實驗過程中改變色溫時，要求被試者閉眼，為避免被試者心理作用的影響，色溫的改變不是按一定的規律，由于色溫的即時改變對室內熱環境幾乎沒有影響，被試者睜眼后直接進行下一個色溫工況的問卷填寫。被試者初次進入實驗房間時，需要靜坐適應6 min后再開始實驗[16]，實驗流程如圖3所示。

圖3 實驗流程圖Fig.3 Experimental flowchart

實驗1采用紙質版問卷、實驗2采用電子版問卷。調查問卷包括：被試者身高、體重、著裝等基本信息；7 ℃熱感覺評價；期望熱環境中溫度、風速、相對濕度如何改變；對熱環境的可接受度和滿意度。三種色溫下被試者填寫熱感覺調查問卷的過程見圖4。

1.3 室內熱環境參數測量

需要測量的室內環境參數有：空氣溫度、相對濕度、風速、黑球溫度。測量高度在距地面約0.6 m處。每個工況下，在實驗區域均勻地布置三個測點。室內空氣溫度和相對濕度的測量儀器為美國ONSET溫濕度記錄儀(HOBO)，HOBO每隔5 min測量并記錄一次溫濕度數據且可實時顯示當前溫濕度數據。風速測量使用TSI model 9545熱敏風速儀，實驗過程中盡量避免對風速儀附近空氣流動的干擾。黑球溫度測量使用KIMO TM 200黑球溫度計。實驗中測量的室內環境參數及使用的實驗儀器見表2。

在被試者填寫調查問卷的同時，實驗人員進行室內空氣溫度、相對濕度、風速、黑球溫度的測量和記錄。室內熱環境測量儀器見圖5。

圖4 被試者填寫調查問卷Fig.4 Participants filled out questionnaires

表2 室內環境參數的測量儀器Table 2 Measuring instruments for indoor environmental parameters

圖5 室內環境參數的測量儀器Fig.5 Measuring instruments for indoor environmental parameters

2 實驗結果

2.1 室內熱環境

兩次實驗過程中室內熱環境參數記錄見表3。

表3 實驗過程中室內熱環境參數Table 3 Indoor thermal environment parameters during the experiment

實驗1平均溫度28.14 ℃，溫度較高。實驗2平均溫度18.2 ℃，溫度較低。兩次實驗中風速都比較小，最大風速只有0.06 m/s。實驗2比實驗1室內空氣相對濕度略低，但有研究表明人體熱舒適受相對濕度影響較小[17]。

操作溫度反映了室內空氣溫度和平均輻射溫度的綜合作用，因此在熱感覺評價實驗中用操作溫度評價室內熱環境[16]。操作溫度的計算見式(1)，實驗1的平均操作溫度是28.39 ℃。實驗2的平均操作溫度是18.51 ℃。

(1)

式中to是操作溫度， ℃；tg是黑球溫度， ℃；ta是空氣溫度， ℃；v是風速，m/s；hr是輻射換熱系數，W/(m2· ℃)；hc是對流換熱系數，W/(m2· ℃)。

由于每種照度的冷、中、暖三個色溫工況間室內熱環境差異很小，因此實驗中僅記錄不同照度工況下的室內熱環境參數。

2.2 熱感覺調查問卷

1)被試者的熱期望。實驗1中被試者服裝熱阻變化范圍是0.23～0.79 clo(1 clo=0.155 m2·K·W-1)，被試者靜坐狀態下代謝率是1.2 met(1 met=58.15 W·m-2)。不同色溫下被試者希望溫度、風速、相對濕度升高、不變或降低的比例見圖6。服裝熱阻和代謝率參考GB 50785《民用建筑室內熱濕環境評價標準》[18]。實驗2中被試者服裝熱阻變化范圍是0.71～1.33 clo，被試者靜坐狀態下代謝率是1.2 met。不同色溫下被試者希望溫度、風速、相對濕度升高、不變或降低的比例見圖7。

圖6 實驗1中被試者期望室內環境的變化Fig.6 The subjects expected changes in the indoor environment in Experiment 1

圖7 實驗2中被試者期望室內環境的變化Fig.7 The subjects expected changes in the indoor environment in Experiment 2

由圖6和圖7可以看出，冷色溫下期望溫度升高的比例明顯高于暖色溫下；圖6中冷色溫下希望風速減小的比例明顯高于暖色溫下，而圖7中不同色溫下被試者對風速的期望沒有規律，這可能是實驗中其他因素造成的；不同色溫下被試者對相對濕度的期望沒有明顯規律，再次證明了相對濕度對熱感覺沒有明顯影響。

2)被試者的熱滿意率。實驗1和實驗2中被試者對熱環境的滿意率見圖8。

圖8 實驗1和實驗2的熱滿意率Fig.8 The thermal satisfaction rates of Experiment 1 and Experiment 2

實驗1過程中操作溫度較高，被試者在中色溫CT=4 000 K時熱滿意率最高。實驗2過程中操作溫度較低，被試者在暖色溫CT=3 000 K時熱滿意率最高。

3)被試者的熱可接受度。實驗1和實驗2中被試者對熱環境的可接受度見圖9。

圖9 實驗1和實驗2的熱可接受度Fig.9 The thermal acceptability of Experiment 1 and Experiment 2

實驗1過程中操作溫度較高，此時被試者對中色溫CT=4 000 K時的熱環境最滿意，熱可接受度達到了100%。實驗2過程中操作溫度較低，明顯看出被試者的熱可接受度在暖色溫CT=3 000 K時比冷色溫CT=5 000 K時高。

熱滿意率和熱可接受度的統計結果均表明：物理環境冷熱適宜時，被試者更喜歡中色溫環境；在物理環境偏冷時，被試者更傾向暖色溫的照明環境。色溫可以彌補熱環境的不足。

2.3 照度和色溫對熱感覺的影響

整理被試者每個工況下調查問卷中熱感覺投票并求平均值，得到該工況下15個被試者的實際平均熱感覺投票(thermal sensation vote, TSV)。

由于過渡季無法控制空間溫度，因此溫度有較小的波動。實驗1過程中不同照明工況下的操作溫度標準差僅0.47 ℃，故認為實驗1熱感覺投票差異主要是建筑照明引起的。實驗2過程中下不同照明工況下的操作溫度標準差僅0.73 ℃，故認為實驗2熱感覺投票的差異也是主要由建筑照明引起的。

1)實驗1中色溫對熱感覺的影響。實驗1時，被試者實際平均熱感覺投票TSV隨色溫的變化見圖10。

圖10 實驗1中TSV隨色溫的變化Fig.10 The change of TSV with color temperature in Experiment 1

實驗1中中色溫CT=4 000 K和冷色溫CT=5 000 K時，實際平均熱感覺投票TSV都接近TSV=0，說明實驗1中物理熱環境基本是適宜的。實驗1中隨著色溫升高TSV呈下降趨勢，不同色溫下TSV呈如下規律：暖色溫>中色溫>冷色溫，這一結論與hue-heat假說是一致的。

由曲線變化趨勢可以看出，被試者對靠近暖色溫時色溫的改變更敏感。可能是光的色溫對熱感覺的影響存在閾值，這需要進一步的研究。

2)實驗2中照度、色溫對熱感覺的影響。實驗2時，被試者實際平均熱感覺投票TSV隨色溫、照度的變化見圖11。

圖11 實驗2中TSV隨色溫、照度的變化Fig.11 The change of TSV with color temperature and illumination in Experiment 2

實驗2中，照度272 lx時熱感覺明顯高于其他照度時，TSV隨照度升高逐漸減小，說明照度越高，感覺越冷，這可能是由于照度低時，使人感到煩躁而感到熱；照度高時，人的警覺性提高且使人更冷靜。尤其是實驗中照度760 lx明顯大于GB 50034—2013《建筑照明設計標準》[19]表5.3.2中規定的辦公室照度值200～750 lx，說明過高的照度會給人帶來冷的感覺。

實驗2中四個照度工況下，不同色溫下TSV均有以下規律：暖色溫>中色溫>冷色溫，這與hue-heat假說也是一致的。

實驗2中影響熱感覺的主要有色溫、照度兩個因素。為了研究照度和色溫這兩個因素對熱感覺的共同影響。將實驗2按L12(4×3)的正交表進行正交試驗分析。正交試驗方案及試驗結果具體見表4。

表4 正交試驗方案及試驗結果Table 4 Orthogonal test scheme and test results

對于正交試驗結果的分析一般有兩種方法：極差分析法和方差分析法。極差分析法(直觀分析法)只能定性的給出各因素的重要順序，不能區分結果差異是由因素水平引起的，還是實驗誤差引起的，往往不能令人滿意。方差分析法是將因素水平和實驗誤差引起的結果差異分開的一種數學方法。該實驗中采用方差分析法，利用統計分析軟件SPSS對正交試驗進行分析；為了進一步量化照度和色溫這兩個因素對熱感覺的影響，又利用SPSS進一步進行了線性回歸分析，正交試驗的分析結果和回歸分析的結果見表5。

表5 統計分析軟件SPSS的分析結果Table 5 Statistical analysis software SPSS analysis results

表5中的正交試驗結果中，P值是用來檢驗該因素對結果影響是否顯著，若P<0.05，說明該因素對結果有顯著的影響。照度對試驗結果影響的顯著性0.001<0.05，即照度對熱感覺有顯著影響。色溫對試驗結果影響的顯著性0.007<0.05，即色溫對熱感覺也有顯著影響。F值的意義是用來檢驗樣本的結果能夠代表總體的真實程度。對比照度和色溫的F值29.333>13.000，說明照度比色溫對熱感覺的影響大。

觀察表5的線性回歸分析結果，照度與熱感覺是負相關，即照度越高人感覺越冷；色溫與熱感覺也是負相關，即色溫越高人感覺越冷。對比照度標準化系數和色溫標準化系數的絕對值，0.808>0.452，說明照度比色溫對熱感覺的影響大，這與正交試驗結果分析是一致的。

3 結論及展望

該實驗通過對寒冷地區過渡季實驗艙不同照明工況下熱環境的測量和被試者熱感覺的問卷調查，得到以下結論：

1)色溫會影響人的熱感覺：色溫越低人感覺越熱，色溫越高人感覺越冷。即暖色溫下人感覺較暖，冷色溫下人感覺較冷。

2)被試者在冷色溫下期望溫度升高的比例明顯高于暖色溫下：溫度適宜時，中色溫下被試者滿意度和熱接受度最高；溫度偏低時，暖色溫下被試者滿意度和熱接受度最高，說明色溫可以一定程度彌補熱環境的不足。

3)通過正交試驗和回歸分析得到結論：照度越高，人感覺越冷；色溫越高即越靠近冷色溫，人感覺越冷。光的照度比色溫對熱感覺的影響大。

在進一步的實驗中，需要在更多的色溫和照度工況下進行研究，同時需要擴大樣本量；研究空調環境下的照明對感覺的影響也具有重要意義；在光熱耦合研究中加入生理參數的測量和對暴露時間的記錄也十分必要。