高校教室LED照明效果與不同場景光環(huán)境需求研究

王 賀，薛 鵬，梁青璇，趙夢靜，趙一凡

(北京工業(yè)大學，綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術北京市重點實驗室，北京 100124)

引言

高校教室是大學生活動的重要場所，因其大部分學習時間集中在教室[1]，良好的教室光環(huán)境可以提升學生的環(huán)境滿意度[2]，從而提高學習效率[3]。目前通過對北京市部分學校教室采光照明的調查分析, 發(fā)現其光環(huán)境與國家標準差距較大[4]。此外，隨著綠色建筑和健康建筑標準的快速發(fā)展，LED光源比熒光燈更好地滿足規(guī)范中對平均照度、照度均勻度和照明功率密度的要求[5]，但是其光譜特性帶來的綜合影響還需通過指標多維度進行判定。

國際照明委員會(CIE)在《室內工作場所照明》中指出光環(huán)境要關注照度、亮度分布、眩光、光及表面的顏色、閃爍等指標[6]，中國發(fā)布的《中小學校教室采光和照明衛(wèi)生標準》對照度、照度均勻度、顯色性和照明功率密度等光環(huán)境指標也做了明確規(guī)定[7]。許多學者利用現有指標對教室光環(huán)境進行評價研究，陳仲林[8]針對光環(huán)境指標，根據層次分析法和灰色理論，提出了定性和定量相結合的綜合評價方法。楊彪等[9]運用模糊綜合評價法建立了中小學教室光環(huán)境綜合評價指標體系, 并利用 Delphi 法和改進的層次分析法確定了各指標的相對權重。劉琳等[10]將多目標優(yōu)化理論與教室照明相結合對教室光環(huán)境進行評價。在光環(huán)境指標評價研究的基礎上，有學者對教室光環(huán)境光度學色度學耦合需求做了進一步研究，嚴永紅、關楊等[11]采用平行組實驗的方法對不同色溫下的最佳照度、最佳照度下的色溫偏好及光環(huán)境因子重要性排序等進行評價測試，結果顯示，學生對750 lx照度下中間色溫4 000 K的光環(huán)境主觀評價較好，高色溫次之、低色溫最差。楊春宇等[12]對秋冬季V類光氣候地區(qū)高校教室的照明環(huán)境色溫和照度與主觀舒適度的關系進行分析，結果顯示，學生傾向于高照度和低色溫的照明環(huán)境。

目前，很多學者都對教室光環(huán)境進行評價研究并根據標準和需求提出改進方案，但只是單純考慮日間或夜間的教室光環(huán)境，缺乏對日夜不同時間光環(huán)境需求的對比分析；同時僅通過現有標準指標進行評價[13]，未考慮亮度對比度和生理等效照度等標準以外的指標且未給出滿足光環(huán)境提升需求的具體指標閾值。因此，本文基于LED照明效果的現狀，從日夜不同時間出發(fā)，對比上課和自習不同場景光環(huán)境需求，結合客觀指標測量和主觀問卷調研數據，提出并利用一套完整的分析流程，識別影響學生光環(huán)境滿意度的歸因客觀指標及其閾值。本研究結果為大學教室光環(huán)境后評估提供了基礎數據，同時對舒適光環(huán)境營造與提升起到指導作用。

1 研究方法

本研究結合主觀問卷調查和客觀環(huán)境參數測量，并利用SPSS 25.0軟件對不同時間(日間和夜間)和不同場景(自習和上課)下影響學生光環(huán)境滿意度的因素進行分析，通過完整的分析流程(滿意度描述性分析→主觀感受相關分析→需求提升分析→客觀指標識別→指標閾值分析)得到滿足教室光環(huán)境提升需求的客觀指標及其閾值，為學校教室光環(huán)境的設計提供參考，具體步驟如圖1所示。

圖1 研究技術路線圖Fig.1 Research roadmap

1.1 問卷調查

本研究調研地點為北京某大學的第一、三和四教學樓的典型教室(南北朝向，三面外窗，8組燈具，42個座位)，調研時間為2019年11月至12月(日間14:00—17:00，采光+照明；夜間19:00—21:00，照明)，調研對象為教室學生。本研究預發(fā)放問卷100份以進行信度的檢驗，旨在對相同評價組內不同評價項目的一致性或不同評價組重復評價結果的一致性進行分析[14]，結果顯示Cronbach Alpha系數α>0.7，即問卷具有較高的可靠性[15]。

作為隨機抽樣調查，為確定具有統(tǒng)計學意義的樣本量可用以下公式計算：

(1)

式(1)中，N表示樣本量大小，Z是和置信水平相關的一個數值(本研究取95%的置信度，對應Z為1.96)，σ2表示總體的標準差(在抽樣調查時，σ2一般取最大值0.25)，E表示絕對誤差(本研究取小于5%)[16]，計算得到樣本量N應大于384。本研究正式發(fā)放問卷500份，有效樣本為482份(日間242份，夜間240份)，問卷均采用Likert五分量表的形式提問[17]，其中在數據分析時，“1”和“2”劃分為不滿意；“3”為中性；“4”和“5”劃分為滿意。問卷第一部分為參與者的基本信息，第二部分為上課和自習場景下學生對水平照度、垂直照度、照度均勻度、亮度、亮度對比度、色溫、顯色性和頻閃等光環(huán)境指標的主觀感受，第三部分是學生對光環(huán)境的滿意度，第四部分是光環(huán)境對睡眠、注意力、心情等生理和心理的影響。

1.2 現場測量

為保證后續(xù)對比分析和數據的有效性，各項室內光環(huán)境指標均在學生填寫問卷的同時進行測量[18](圖2)。其中桌面照度(水平照度)和黑板照度(垂直照度)為被照面平均值[19]，具體測量儀器及精度如表1所示，亮度對比度、照度均勻度和生理等效照度等指標基于測量數據計算得到。

圖2 調研現場照片Fig.2 Photos of investigation site

表1 測量儀器及其精度Table 1 Measuring instrument and accuracy

1.3 數據分析

本研究使用SPSS 25.0軟件對問卷及客觀測量數據進行了準確的編碼和分析。采用Spearman秩相關系數[20]分析學生光環(huán)境滿意度與主觀感受的關系，主觀感受與客觀指標的關系；采用Mann-Whitney U檢驗[21]識別不同光環(huán)境滿意度之間學生主觀感受分布的差異；最后，根據光環(huán)境滿意度與客觀指標的關系，確定滿足光環(huán)境滿意度提升需求的客觀指標閾值。前人研究以50%的次數引起感覺確定閾值[22]，以總數67%的數量合格認為滿足規(guī)范[23]，本研究將以80%更為嚴苛的標準來評判學生滿意度是否產生變化。

2 研究結果及分析

2.1 LED照明效果分析

1)LED照明效果對標分析。以現有標準為依據，將LED照明營造的光環(huán)境進行對標分析，結果見表2。

表2 LED照明效果對標分析Table 2 Comparison of standard results for LED lamps

由表2可知，在照度方面，LED滿足標準占比為62.4%；在均勻度方面，LED滿足標準占比高達98.1%。上述數據表明教室光環(huán)境達標情況仍不可觀，以下均采用滿足規(guī)范的樣本，以識別光環(huán)境質量進一步提升的途徑。

2)光環(huán)境滿意度分析。結合主觀問卷數據分析LED照明效果，如圖3所示。對LED營造的光環(huán)境感到中性(滿意度=3)的學生人數占比為44%，滿意(滿意度=4&5)的學生人數占比為52%。LED照明效果還與使用時長、燈具的功率和布置方式有一定關系，為更加科學地分析學生對不同場景光環(huán)境的需求，還需從光環(huán)境指標的角度出發(fā)。

圖3 光環(huán)境滿意度及對應學生人數占比Fig.3 Luminous environment satisfaction and the proportion of corresponding students

2.2 指標提升分析

為保證分析流程的完整性，在光環(huán)境指標分析之前，先對不同時間和場景學生光環(huán)境滿意度進行總體描述，如圖4所示。

圖4 不同場景光環(huán)境滿意度分值占比Fig.4 The ratio of light environment satisfaction score in different scenes

由圖4可知，日間學生對光環(huán)境的滿意度占比優(yōu)于夜間，同一時間段，自習場景滿意人數高于上課場景，同時夜間上課學生滿意程度較低。為識別導致上述光環(huán)境滿意度不同的具體因素，利用Spearman秩相關系數分析光環(huán)境滿意度與學生主觀感受的單調關系，如表3所示。

表3 光環(huán)境滿意度與主觀感受的相關性Table 3 The correlation between the satisfaction of luminous environment and feeling degree of each index

由表3可知，日間上課時學生滿意度受垂直照度和光源色溫影響較大，自習時受光源色溫和水平照度影響較大；夜間上課時受垂直照度和照度均勻性影響較大，自習時受水平照度和光源顯色性影響較大。主觀感受的相關性和顯著性已經證明，但不代表實際環(huán)境仍存在提升空間。鑒于不同光環(huán)境場景的分析思路相同，以日間自習場景為例，進一步討論主觀感受因素(光源色溫、水平照度)在光環(huán)境滿意度等級之間的差異。采用Mann-Whitney U檢驗的方法，以光環(huán)境滿意度從“中性”提升至“滿意”為例，結果如圖5所示。

圖5 主觀感受在“中性”和“滿意”之間的差異性Fig.5 The difference between “neutral” and “satisfied” subjective feelings

由圖5可知，日間自習學生對色溫和水平照度的主觀感受滿意度均滿足sig≤0.05且平均數差距明顯，故存在顯著性差異，即光環(huán)境滿意度由中性提升為滿意時應著重考慮以上兩個主觀感受的提升。為進一步識別影響主觀感受的客觀指標，利用Spearman秩相關系數分析得到相關性大且顯著性強的客觀指標如表4所示。

由表4可知，光源色溫、顯色指數和亮度對比度與水平照度和色溫滿意度呈現顯著相關關系，即在光環(huán)境滿意度從“中性”至“滿意”的提升過程中，應該著重考慮以上三個客觀指標的改善。因此，本研究利用小提琴圖探討上述三個客觀指標與光環(huán)境滿意度的關系，再通過對應“中性”和“滿意”的各指標百分比堆積柱形圖分析其具體閾值，結果如圖6所示。

表4 與主觀感受相關的客觀指標統(tǒng)計Table 4 Statistics of objective indicators related to subjective feelings

圖6 光環(huán)境滿意度與客觀指標關系Fig.6 The relationship between satisfaction with the luminous environment and objective indicators

由圖6(a)和6(b)可知，在日間自習時，學生的光環(huán)境滿意度與光源色溫和顯色指數成正相關關系(相關系數0.383**和0.324**)，即光源色溫和顯色性值越高，滿意的學生越多；由圖6(c)可知，滿意度與亮度對比度成負相關關系(相關系數-0.237**)，即亮度對比度越低，滿意的學生越多。以80%作為評判標準計算，結果顯示，若要將日間自習時的光環(huán)境滿意度從中性提升至滿意，色溫需要提高至5 700 K，光源顯色指數需提高至82，亮度對比度需低于0.5。

2.3 分析結果匯總

基于2.2節(jié)的分析流程，針對其他特定時間和場景的光環(huán)境提升需求，相應的客觀指標及其閾值總結如表5所示。

表5 特定時間及光環(huán)境場景的指標閾值匯總Table 5 Summary of the index threshold of specific time and luminous environment scene

由表5可知，光環(huán)境滿意度從不滿意提升至中性，均未識別出具體指標，主要原因在于不滿意的因素多樣且離散性較強，難以歸為單一因素影響。但在從中性提升至滿意的過程中，不同時間和場景的歸因指標及其閾值均有不同結論。首先，日間上課需提升指標多于夜間，可能由于日間受天然采光影響色溫和顯色性變化較為明顯。其次，日間上課所需垂直照度低于夜間，一方面，由于日間教室具有天然采光，整個教室照度水平高于夜間；另一方面，光環(huán)境滿意度是多個指標共同作用的結果，受同一環(huán)境的其他光環(huán)境指標影響，導致結果出現差異。此外，夜間自習所需色溫高于日間，可能由于學生在夜間自習時受外界環(huán)境因素和生理因素等影響易產生困倦感，因此，更偏愛較高色溫的光以集中注意力。

3 結論

本文以北京某大學三棟教學樓的典型教室為研究對象，結合主觀問卷調查和客觀環(huán)境測量，并利用SPSS軟件進行數據分析，以識別不同光環(huán)境場景下提升學生光環(huán)境滿意度的客觀指標閾值。本研究在前人研究的基礎上，分析了LED光源照明效果，增加了對亮度對比度和生理等效照度指標的研究，提出并運用一套完整的分析方法，對不同時間和場景的教室光環(huán)境進行了分析，主要結論如下：

1)LED光源基本滿足現有標準在照度和照度均勻度方面的要求。

2)不同的時間和場景下，學生對光環(huán)境的主觀需求均有不同，其中主要控制參數為水平照度、垂直照度、色溫、顯色指數、亮度對比度和生理等效照度。

3)在提升教室光環(huán)境質量時，日間上課應保證垂直照度達到210 lx，色溫達到5 600 K，顯色指數達到80；日間自習應保證色溫達到5 700 K，顯色指數達到82，桌面亮度對比度低于0.5；夜間上課應保證垂直照度達到240 lx，生理等效照度達到180 lx。

夜間自習應保證水平照度達到400 lx，色溫達到5 800 K，顯色指數達到83。此閾值為本研究統(tǒng)計分析結果，其精確程度可在實驗條件下進一步驗證。

綜合以上結果，在保障燈具數量和合理的布置方式的基礎上，大學教室光環(huán)境設計，可考慮選用色溫高于5 600 K且顯色指數高于80的LED光源，并盡可能安裝調光調色的智能燈具系統(tǒng)以保障不同場景需求的轉變，同時使用淺色材質的桌面以降低亮度對比度，黑板應設置局部照明以滿足垂直照度需求，進而有效提升教室光環(huán)境質量。