城市照明色光對居民室內活動的干擾閾值

于娟，王立雄，張明宇，宋捷翹，楊笛

(天津大學 天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津300072)

隨著城市照明建設的發展，城市居住區光環境日益明亮。同時，LED的廣泛應用導致城市夜景常見彩色光，形成了色光侵擾這種新的光侵擾形式，即在亮度侵擾的基礎上疊加了彩色光因素的光侵擾形式。色光侵擾導致了城市居住建筑光侵擾問題的進一步加劇。

國際照明委員會(CIE)對光侵擾的防治限制參數為“光強”和“垂直照度”[1-2]，中國現行規范[3]“等同采用”CIE防治要求。因此，目前規范只是針對亮度侵擾進行防治，缺乏對色光侵擾的對應防治要求。已有研究[4-5]也多是依據規范要求來探討光侵擾防治措施。事實上，“垂直照度”并不能代表居民對光侵擾的實際感受，且目前的不舒適眩光評價方法和模擬軟件也不能有效評價居民對光侵擾的實際感受[6]。同時，對“色光”的研究依舊處于情感偏好層面[7-8]，以優化照明設計、美化城市夜景為研究目的，缺乏從居民感受出發的色光侵擾判定與評價研究成果。另外，光侵擾對暗黑環境下睡眠活動的干擾已有較深入的研究[9]，但前期調查顯示[10-11]，光侵擾對正常室內照明情況下居民的室內視覺任務亦產生干擾。因此，色光侵擾的防治問題亟待解決，開展色光侵擾對居民室內活動干擾程度的判定與評價的研究應運而生。

筆者通過主觀評價實驗，得出正常室內照明情況下城市照明色光對居民看電視的干擾閾值，包括明度閾值和亮度閾值，明度表征的是居民對色光侵擾的視覺感知程度，亮度表征的是色光侵擾源的實際情況。因此，明度閾值是從居民主觀感受角度出發的色光侵擾防治量化依據，亮度閾值是在實際操作與控制層面上的色光侵擾防治量化依據。筆者還研究了城市照明色光對居民室內活動干擾的季節差異、性別差異和色調差異，并對閾值結論的應用性進行了討論。

1 典型色光侵擾干擾評價實驗

1.1 實驗設置

實驗采用“李克特量表法”設計實驗問卷，使用5個等級表達干擾程度：1表示“完全無干擾”，2表示“有點干擾”，3表示“一般干擾”，4表示“比較干擾”，5表示“嚴重干擾”。

探討色光侵擾的季節差異性，主要是考慮熱環境季節差異性對干擾程度的影響，論證被試在不同季節對色光干擾程度的感受是否存在差異性。為此，實驗選擇在差異性較為明顯的冬、夏兩季。夏季實驗被試36人，冬季實驗被試70人(為探討性別差異性，男女比例1∶1)。被試年齡范圍為18～29歲，矯正視力均在1.0以上，均通過色盲/色弱檢查測試。

實驗變量范圍來源于實際調研，調研所得色光侵擾的主波長范圍為350～770 nm、亮度范圍為0～4 250 cd/m2、表征侵擾源面積視覺感知大小的Sw/Sl(人眼中的窗口與侵擾源面積比)范圍為1～328。實驗評價項最初設定為6種色相×5級明度(亮度)×5級Sw/Sl(圖1)，共計150項。

圖1 典型色光侵擾干擾評價實驗評價項Fig.1 Evaluation items of the subjective evaluation experiment of typical colored light

1)6種色相 350～770 nm基本涵蓋了可見光的波長范圍，選取了0/360(紅)、60(黃)、120(綠)、180(青)、240(藍)、300(紫)6種飽和度最高的典型色光設為實驗評價項。

2)5級明度(亮度) 各色光亮度范圍如圖2所示，量級差異較大，依據光譜光視效率理論，相同亮度不同色相的色光給人不同明亮感覺[12]。因此，實驗使用了明度參數，以保證6種色光之間的可比較性。選取了255、204、153、102、51共5級明度值，對應亮度值(復現設備LED屏幕實測值)涵蓋調研亮度范圍，對應亮度等級符合主觀亮度的韋伯定律規律。

圖2 色光主波長及對應亮度Fig.2 Dominant wavelength and luminance

3)5級Sw/SlSw/Sl=328為存在動態光的偶然案例，實驗評價項Sw/Sl的設定范圍縮小至1～256，劃分為1、4、16、64、256共5個等級。

經預實驗結果論證，刪除了評價得分過高(>4，比較干擾)和過低(<2，有點干擾)的實驗評價項，并調整了明度變量步長(間距由51調整為25.5，為便于復現，變量值取整數)，最終實驗優化為66項評價項(6色相×11項評價項)，見表1。

表1 大批次實驗變量設置情況Table 1 The setting of variables of the main experiment

選取LED顯示屏復現光侵擾，與以往研究使用的投影儀設備相比，其發光亮度高，亦可實現多種顏色、不同亮度和面積圖像的播放和調控，更符合實驗需求。實測LED顯示屏復現亮度如表1所示。

實驗室模擬起居室布置見圖3。空間尺寸：開間3 170 mm、進深4 050 mm、高3 000 mm；窗口尺寸：1 500 mm×1 500 mm，窗臺高900 mm，窗口固定在可移動的隔板上；LED屏幕尺寸：2 000 mm×2 000 mm，調節LED屏幕高度至830 mm，窗口左側距離墻面982 mm，以保證位于沙發中心位置的視點(坐姿)所見LED屏幕布滿整個窗口。

圖3 實驗室剖面圖、平面圖與室內布置Fig.3 The sectional view/floor plan and interior layout of the

實驗室內各可見表面，全部采用飽和度較低的灰色系材質，以消除“顏色對比”對色光侵擾實驗的影響。表面反射系數均在標準[13]建議值范圍內。室內照明光源為T5日光燈管，色溫為5 000 K。實測0.75 m水平面照度為324 lx，滿足起居室書寫、閱讀300 lx的標準要求[13]；實驗室位于天津大學北洋科學樓715室，實驗室內的聲環境良好；由于體感舒適度因人而異，實驗室內裝有空調，允許被試自主調節空調。

1.2 實驗步驟

1)篩查被試 被試進入實驗室，首先填寫甄別問卷(包括年齡、性別、職業、視力情況、身體與情緒狀態)，然后由主試對其進行色盲測試。主試依據甄別問卷和色盲測試結果，判定被試是否適合參加實驗。

2)實驗前準備 被試就位，適應實驗環境，自主調控空調至舒適狀態。待實驗環境穩定，主試填寫實驗記錄表格(包括實驗日期和時間、拉丁方實驗編號、室內溫濕度等)。

3)講解實驗 主試對實驗要求、實驗步驟等內容進行講解，確認被試對講解內容理解無疑問。

4)熟悉實驗 被試通過兩組實驗熟悉流程，主試確認被試熟知實驗流程后退出實驗室，開始正式實驗。

5)正式實驗 被試坐在居室正中的沙發之上直視電視，觀看電視節目，LED屏幕播放干擾色光。電視節目暫停并提示答題時，填寫調查問卷。

6)實驗回訪 正式實驗結束之后，主試回訪被試(填寫回訪問卷并訪談)。

選取看電視活動，是因為電視節目具備一定的吸引力，能保證被試對視覺作業的專注程度。為保證實驗結果不受電視節目精彩程度的影響，一方面，電視播放內容為黑白色鉛筆手繪動畫短片系列，每個短片故事內容不同但精彩程度相差無幾；另一方面，實驗采用了拉丁方設計，避免實驗順序誤差。另外，實驗設置了答題提示，在不影響被試對視覺作業的注意力情況下，保證主觀評價實驗的順利進行。

2 實驗結果

2.1 問卷可信度

夏季實驗和冬季實驗的信度系數分別為0.979和0.986，均大于0.8，一致性較好。

2.2 平均分統計

表2、圖4為實驗所得評分的算術平均數統計，數據表明：冬季實驗評分平均分低于夏季實驗。

表2 夏季實驗與冬季實驗所得評分的算術平均數統計Table 2 Arithmetic mean statistics of the score of summer and winter experiment

圖4 夏、冬實驗相同評價項評分統計(實線為冬季、虛線為夏季)Fig.4 Statistics of the same evaluation items of summer and winter experiment (the solid line is for winter and the dotted line is for

2.3 相關性分析

夏季實驗與冬季實驗的偏相關分析結果均顯示：平均分與明度、亮度為強相關，與Sw/Sl成負的強相關，與色相無相關。

2.4 回歸分析

依據相關性結論，分別對各色相的平均分、明度和Sw/Sl3項相關變量進行回歸分析，除冬季實驗紫色的回歸程度稍弱，其它的回歸程度均為良好，方程顯著，各參數的影響顯著。

夏季實驗回歸方程為

紅色：Y=0.015B-0.133S+2.133(R2=0.833)

黃色：Y=0.021B-0.166S+1.565(R2=0.889)

綠色：Y=0.018B-0.135S+1.613(R2=0.812)

青色：Y=0.017B-0.113S+1.362(R2=0.875)

藍色：Y=0.015B-0.112S+1.472(R2=0.838)

紫色：Y=0.021B-0.147S+1.455(R2=0.865)

冬季實驗回歸方程為

紅色：Y=0.019B-0.190S+1.046(R2=0.820)

黃色：Y=0.019B-0.187S+0.864(R2=0.836)

綠色：Y=0.016B-0.160S+1.183(R2=0.706)

青色：Y=0.016B-0.157S+1.117(R2=0.726)

藍色：Y=0.014B-0.143S+0.923(R2=0.743)

紫色：Y=0.016B-0.157S+1.388(R2=0.686)

式中：Y為平均分；B為明度；S為Sw/Sl。

3 典型色光侵擾干擾評價閾值獲取

閾值為50%次數引起反應的那個刺激的大小[14]。選定評分≥4(對應評價為“比較干擾”和“嚴重干擾”)時求得的50%閾限值為色光侵擾的干擾評價閾值(以下簡稱“閾值”)。

3.1 明度閾值

表3、表4為明度閾值統計結果。

表3 夏季實驗閾值計算Table 3 Threshold calculation of summer experiment

注：閾值為y=50時的x值。

表4 冬季實驗閾值計算Table 4 Threshold calculation of winter experiment

注：閾值為y=50時的x值。

3.2 亮度閾值

亮度閾值在實際操作與控制層面更具實際應用性。因所得明度閾值存在大于實際最大明度255的案例，所以,不能測得全部明度閾值所對應的實際亮度,因此，通過線性回歸獲取亮度閾值。

首先，依據表3、表4，擬合明度閾值與Sw/Sl的函數關系；已知各色相明度所對應亮度(表1)，可確定明度閾值與亮度閾值的函數關系；從而進一步推導出亮度閾值與Sw/Sl的函數關系，計算各色相亮度閾值。表5為亮度閾值統計結果，圖5、圖6分別為夏季和冬季實驗亮度閾值圖，結果表明，各色光的干擾亮度閾值數值相差范圍較大，屬于不同數量級。

表5 夏季實驗與冬季實驗亮度閾值統計Table 5 Luminance threshold statistics of summer and winter experiment

圖5 夏季實驗亮度閾值直觀圖Fig.5 Visual map of the luminance

圖6 冬季實驗亮度閾值直觀圖Fig.6 Visual map of the luminance

4 閾值討論與應用

4.1 季節差異性

表2、圖4數據表明：冬季評分的平均值低于夏季。進一步討論明度閾值，如圖7所示，冬季閾值均大于夏季閾值。因此，冬季的色光侵擾包容度高于夏季。

圖7 冬、夏季實驗明度閾值對比Fig.7 The lightness threshold comparison between summer and winter

4.2 性別差異性

如表6所示，冬季實驗男性評分大部分大于女性評分，僅23.8%的評價項男性評分小于女性(表7)。因此，除黃色外，對其他5色相色光侵擾而言，男性的包容度均小于女性。

表6 相同評價項得分差(男-女)Table 6 The difference of the same evaluation items between male and female ( male minus female)

表7 評價項男性評分小于女性統計Table 7 Statistics of evaluation items of which the male score is smaller than females’

4.3 明度閾值色調差異性

依據顏色色調的冷暖感理論：藍色、青色為冷色調，紅色、黃色為暖色調。圖8表明：除夏季Sw/Sl=16時，紅色明度閾值大于其它色相，其余冷色調的明度閾值均大于暖色調。因此，對于明度閾值，冷色調色光侵擾的包容度高于暖色調。

圖8 冷暖色相閾值對比Fig.8 The lightness threshold comparison between cold and warm

4.4 亮度閾值色調差異性

對于亮度閾值的討論，引入“安全Sw/Sl”概念，指當侵擾源亮度取目前規范規定的最高限值1 000 cd/m2時，產生的侵擾感知程度在“4比較干擾”程度以下(平均分<4)時，Sw/Sl的數值。

安全Sw/Sl表征的是當限定侵擾源亮度后，可接受的侵擾源大小。如圖9、圖10所示，亮度=1 000 cd/m2時，對黃、綠、青3色相的侵擾面積的包容度較紅、藍、紫3色相高。將黃、綠、青3色相定義為“清爽色”，將紅、藍、紫3色相定義為“濃郁色”。對于亮度閾值，清爽色光侵擾的包容度高于濃郁色。

圖9 各色相夏季實驗安全Sw/Sl直觀圖Fig.9 Tolerable Sw/Sl visual map of each

圖10 各色相冬季實驗安全Sw/Sl直觀圖Fig.10 Tolerable Sw/Sl visual map of each

5 結論

色光侵擾程度與色相無相關性、與Sw/Sl負相關、與明度和亮度正相關；明度閾值和亮度閾值與Sw/Sl的線性關系均符合冪函數曲線；冬季色光侵擾的包容度高于夏季；除黃色外，紅、綠、青、藍、紫5色相色光侵擾，男性的包容度小于女性；對于明度閾值，冷色調的包容度高于暖色調；對于亮度閾值，“清爽色”的包容度高于“濃郁色”。

光侵擾的防治可從亮度控制和Sw/Sl控制兩方面著手，對于不宜進行亮度控制的路燈，可通過控制Sw/Sl來避免光侵擾干擾；如若必要，制定冬、夏兩季不同光侵擾標準限值，夏季室外照明亮度應低于冬季；暖色調的景觀照明，可考慮通過控制開燈時長，縮短侵擾時長的方式防治其產生的光侵擾；對于需持續的照明，如標示指引性廣告照明、庭院燈等功能性彩色光照明，宜采用冷色調；相同亮度要求下，建議居住區光環境使用清爽色系照明，清爽色作為居住區夜間照明色光的設計較好。