地下工程辦公空間中照度和色溫對主觀評價和工作效率的影響的初步探究

陳曉東，張 昕，董 嫻，2，金曉公，邢哲理

(1.清華大學建筑學院，北京 100084；2.中國人民解放軍陸軍工程大學，江蘇 南京 210001；3.軍事科學院國防工程研究院，北京 100097)

引言

地下工程空間因建筑主體位于地下，空間密閉，導致采光方式受到限制，其核心特點為缺乏自然采光維持工作人員的光照節律，僅能依靠人工光提供照明。已有研究表明，缺乏天然光的地下空間所面臨的核心問題包括：

1)生理負面影響，光是人體生理節律的重要調節器，其中天然光的作用尤為關鍵，在缺乏天然光的地下空間如何調整節律作息是關鍵難題[1-3]。

2)心理負面影響，地下空間視線受阻，昏暗的光環境(如礦井、隧道等)，給人帶來幽閉、恐懼等不適感[4，5]，造成焦慮、反感、抑郁等負面心理影響；研究表明[6]，引入外界景觀和天然光來抵消地下車庫的封閉感，可降低對心理的消極影響。

3)方向感缺失，人對其身處空間的方向定位，受光照引導，人員疏散具有趨光性，而安全疏散是地下空間設計的先決條件，實現地下空間的思維可達性、視線可達性以及行為可達性[7-9]，是光環境營造的重點。

本文研究對象為地下工程中的辦公空間，即地下工作人員日常工作場所，不同于地下商場空間、停車場等相對廣泛存在的地下建筑空間，地下工程空間的距地表深度、工程特點都具有特殊性，其光環境典型特點為缺少天然光照射，因而與極地、核潛艇的工作空間極為相似。高強度、高色溫的照明策略、24 h的工作周期更有利于工作人員的生理節律和工作效率[10]。Kelly等通過觀察18 h周期的潛水艇工作人員(12 h工作，6 h休息)的節律狀況[10]，發現僅靠社交和時間概念不足以促進人正常的24 h的節律周期。Czeisler與Colin等學者的深入對比研究同樣表明[11，12]，即便是無天然光信息的地下空間，24 h的工作周期仍更有利于人的生理節律和工作效率。此外，高色溫光照所帶來的強生理節律刺激，更受到核潛艇工作人員的偏好[12，13]。極地空間光環境研究也存在類似的結論， Francis等[14]在南極的研究表明，高強度的藍光照射可有效提升人的睡眠效率。類似的，Mottram等[15]提出17 000 K的藍光相比于普通白光，可顯著提前人的睡眠時間。

另一方面，地面辦公空間光環境的相關研究，對地下工程空間光環境的設計同樣具有啟發性。Figueiro等[16]對美國多棟辦公建筑進行長期跟蹤測量，論證了眼部曝光量和睡眠質量間的關聯，并強調生理節律光刺激對照明設計反饋的重要性。 Sahin等[17]的研究結果表明，辦公空間的人工光顏色對人的表現有顯著作用，窄波段的紅光可顯著提升日間的警覺度及工作表現。類似研究也表明，辦公空間藍光對人存在鎮定作用而紅光存在刺激作用[18]。而荷蘭學者的研究呈現了另一個有趣的結論，高色溫的光在辦公空間配置并不常見，原因在于其對人的情緒和認知表現不利[19]。

筆者團隊于2019年11月對南京某地下工程進行實地調研和人員訪談，如圖1所示，對辦公相關空間的工作面光學參數進行測量，會議室光環境極差，工作面水平照度僅為92.5 lx，Ra為78.6，而指揮室光環境稍好，但工作面水平照度也僅為143.7 lx，Ra為83.8。該地下工程光環境質量整體較差，結合地下工程工作人員訪談結果，主要調研結論如下：

圖1 南京某地下工程(左：會議室；右：指揮室)Fig.1 An underground project in Nanjing (Left: Conference room; Right: Control room)

1)燈具顯色性整體偏低，難以滿足人的正常視覺作業需求，嚴重影響人的正常工作效率；

2)不同功能空間燈具的色溫分布不均，且常常和空間特性相悖，燈光色彩配置混亂；

3)工作面照度偏低，實測各功能空間工作面照度最高不足300 lx，部分工作面僅僅100 lx左右，不滿足視覺作業工作面照度要求的下限。

目前國內地下工程辦公空間光環境研究尚存在以下問題[10]：設計標準多沿用地面標準，對地下空間的特殊性缺乏考慮，且缺乏相關非視覺設計指標；研究總體較少且不系統，多僅關注色溫或照度的單一作用，缺乏對雙參數共同作用的探究。綜上，本研究以地下工程辦公空間為研究對象，探討不同色溫、照度參數組合條件對人的視覺主觀反饋和工作效率的影響，為地下工程辦公空間光環境設計提供參考。

1 實驗介紹

本實驗通過模擬類似地下工程空間的無天然光環境，以色溫、照度兩個參數為實驗變量，設置不同的人工光照明方案，模擬地下日常工作狀態，通過評估不同實驗組別被試的視覺與非視覺反饋及工作效率，探討照度、色溫對人的視覺及非視覺主觀評價及工作效率的影響，歸納總結適宜地下工作環境的照明參數。

1.1 實驗條件及被試

實驗于2020年7月23日至8月8日進行，共計15天。實驗空間位于京市朝陽區酒廠藝術園區(圖2)，包括三間配有天窗及側窗的南向實驗室，每間實驗室包括兩個實驗工位，三間實驗室的天窗和側窗進行完全封閉處理以模擬全人工光實驗條件，且三間實驗室的聲環境、熱濕環境基本保持一致(26.1±0.5 ℃，相對濕度48.2±1.3)。人工照明配置了色溫、照度雙參數的調光系統，依據實驗需求選擇制定相應的人工照明方案。

圖2 實驗空間圖示Fig.2 Diagram of experimental space

本實驗被試共計13人，均滿足身體狀況良好、實驗期間無服藥經歷，視覺狀況良好，飲食作息規律。被試平均年齡為28.64±5.39，男女比例為6∶7。實驗期間被試保持坐姿，采用個人筆記本模擬辦公任務，代謝率約為1 met(靜坐)～1.1 met(打字)。

1.2 實驗技術手段

實驗空間光學參數測量，通過SPIC-200彩色光譜照度計記錄各辦公工位的實際光譜數據，測量并計算人眼部的垂直光譜數據，記錄間隔1 h；通過照明研究中心(Lighting research center)提出的節律照度(Circadian light)、節律刺激(Circadian stimulus)的非視覺指標和計算方法[20]，將光譜數據轉化為非視覺量度，與被試非視覺反饋結合分析。

實驗評測內容包括視覺主觀評價、非視覺主觀評價以及工作效率評估三個方面。視覺主觀評價采用VAS視覺模擬評價問卷[21]，標度0～100 mm，獲取被試視覺主觀評價(共計6項)，主要聚焦視覺滿意度、光照充足程度以及空間物體呈現效果等問題。非視覺主觀評價包括覺醒度評價和情緒評價兩部分，覺醒度評價采用Karolinska Sleepiness Scale評估[22]；情緒評價采用The Positive and Negative Affect Schedule (PANAS)[23]，包括積極情緒、消極情緒各10項子問題，該量表要求被試對個人情緒進行自我評估，通過對每十個子問題求和，表示相應的情緒狀態。以上視覺及非視覺主觀評價均為120 min填寫一次。

工作效率評估采用FocusTest，該工具為清華大學建筑技術科學系研發，主要用于評估被試的任務表現水平，共包括字母記憶、數字心算和圖片匹配三個任務。字母記憶測試，被試需要在1 s內記住屏幕中閃現的6位英文字母組合，并有4 s的時間在字母消失后輸入答案，手動確認或4 s結束后進入下一題；數字心算要求被試完成3個10以內自然數加法，需要4 s內完成結果輸入；圖片匹配要求被試在16張圖片中找到2組相同的圖片，完成后進入下一題。本實驗設置了200 s字母記憶、200 s數字心算、200 s圖片匹配三個子任務，聚焦作答準確率及任務效度綜合評價等指標。

1.3 實驗設置及流程

實驗模擬正常日間辦公時間，設置三個實驗時段，分別為：10:00—12:00、13:20—15:20、15:30—17:30。實驗變量為照度和色溫，結合已有采光照明設計標準規定以及地下工程空間調研結果，以工作面中心作為參照點，分別設置150 lx、300 lx、500 lx、1 000 lx等4個照度組別，4 000 K、5 000 K、6 000 K等3個色溫組別，照度色溫參數交叉構成共計12個實驗組別，每個實驗組別至少有10人次參與實驗，累計實驗人次不低于120。各參數條件的實驗場景如圖3所示, 從上至下色溫依次為4 000 K、5 000 K、6 000 K,從左至右照度依次為150 lx、300 lx、500 lx、1 000 lx。

圖3 實驗場景Fig.3 Experiment scenes

實驗流程設置如下：每2 h的實驗期間，被試需提前10 min到達實驗空間，完成光環境適應。實驗開始，記錄各被試眼部及工作面的光譜數據；實驗過程中，被試模擬正常坐姿辦公任務，不許離開實驗室或實驗室內走動；實驗結束時，被試需完成視覺主觀評價VAS問卷、KSS覺醒度量表以及PANAS情緒評價量表的填寫，并于實驗結束前10 min完成工作效率評估。

2 實驗數據分析

2.1 實驗光環境

本實驗過程依靠人工照明提供光線，人工照明的調節系統共包括四個矩形面光源，實驗預設的照度、色溫組別，與實際的實驗參數的誤差控制不超過5%。對于12個實驗組別光環境條件下，被試工作狀態眼部垂直點位的節律刺激進行計算，結果如圖4所示。以節律刺激作為指標，通常建議取值大于0.3以保證充分的非視覺刺激[20,24]，本實驗中，僅1 000 lx的實驗組別滿足條件，其余組別的非視覺刺激量均有不足；此外，實驗組別設定是以工作面水平照度作為參考，而實驗空間僅由人工光源提供頂部光，缺乏側面天然光供給，100 lx、300 lx、500 lx三個組別中人眼部垂直方向照度最高也未超過260 lx，與相應的水平照度接近1∶2的比例關系，因而計算得到的節律刺激值偏低，說明在僅存在人工照明的地下工程辦公空間，照度標準值設定宜不拘泥于工作面照度值的規定，以保證充分的非視覺刺激量，保障地下工作人員的節律健康。

圖4 不同實驗組別的節律刺激Fig.4 Circadian stimulusof different experimental groups

2.2 視覺主觀評價

本實驗中，視覺主觀評價共包括光環境舒適度、吸引力、光色自然度、光照充足度、場景印象和物體輪廓呈現共計6項。筆者分別以上述6項評價指標作為因變量，對照度、色溫雙自變量，進行ANOVA雙因素方差分析(圖5)。結果顯示，除吸引力外，其余5項視覺主觀評價均存在統計顯著性。事后分析兩兩比較顯示(表1)，光環境舒適度受照度顯著影響， 1 000 lx的工況相比于150 lx可顯著提升被試的主觀舒適度評價；對光色自然度和光照充足度而言，150 lx條件相比于300 lx/500 lx/1 000 lx組別的評價得分也顯著偏低，被試普遍反饋150 lx的工作條件難以滿足正常的工作需求；對于場景印象和物體輪廓呈現的評價，同樣存在高照度(1 000 lx)優于低照度(150 lx/500 lx)組別的情況，被試認為1 000 lx條件下視野中的場景更加生動。另外，色溫變量在所有視覺主觀評價問題中均不存在統計顯著性，一方面說明色溫變量在本實驗中對于視覺主觀評價的區分度較弱，另一方面表明照度變量在光環境評價中的主導作用。

圖5 不同實驗組別的視覺主觀評價Fig.5 Subjective visual performance of different experimental groups

表1 視覺主觀評價問題多重比較結果

綜上，對于大部分視覺主觀評價，均呈現高照度條件(1 000 lx)的滿意度顯著優于低照度條件(150 lx)；對于300 lx/500 lx的中照度組別，雖然1 000 lx組別的主觀評價普遍高于300 lx及500 lx條件，但僅僅在光照充足度(300 lx)和場景印象評分(500 lx)存在統計顯著。

2.3 非視覺主觀評價與工效測評

非視覺主觀評價包括KSS覺醒度和PANAS情緒評價兩項。

對于KSS覺醒度(圖6)，方差分析及事后多重比較結果表明，1 000 lx條件下的覺醒度顯著高于150 lx(p=0.026<0.05)，即被試在1 000 lx的高照度條件下更能保持清醒狀態。這與已有光學研究結論吻合，高照度所帶來的強生理節律刺激，更能有效抑制人褪黑激素分泌，并維持人的覺醒度。此外，300 lx、500 lx與1 000 lx條件下的覺醒度評價并不存在顯著差別，說明照明標準中通常采用的常規照度限值可維持工作人員正常工作的覺醒度。

圖6 不同實驗組別的覺醒度得分Fig.6 KSS feedback of different experimental groups

對于PANAS情緒評價的積極情緒、消極情緒兩個因變量(圖7)，同樣進行了照度和色溫的雙因素方差分析，結果均不存在統計顯著，說明在本實驗不同照度和色溫條件并未導致被試積極情緒和消極情緒的差異。而以往的研究經驗中，情緒反饋對光照和色溫變量具備較好的響應能力[25]，本實驗的差異結果，其可能原因在于光的非視覺作用的時間累積效應，2 h的短時實驗未能有效反饋實驗期間的真實情緒變化。

圖7 不同實驗組別的情緒評價(積極情緒、消極情緒)Fig.7 Mood feedback (positive and negative) of different experimental groups

工效測試三項子任務為字母記憶、圖片匹配以及數字心算，然而方差分析的結果均不存在統計顯著。究其原因，一方面是上述提到的實驗時間和非視覺作用累積效應的沖突，另一方面也說明本實驗工效測試工具對被試的區分度較差。

3 討論與結論

本研究實驗主要結論包括如下三點：

高照度條件(1 000 lx)可提升整體視覺主觀滿意度和覺醒度，低照度條件(150 lx)無法維持良好的視覺作業效率。這和已有相關實驗結論一致，夜間人工照明的照度增加與褪黑素抑制呈顯著正相關[26,27]，高照度可保證白天的覺醒度[17,28,29]，提升人的視覺及非視覺滿意度。另外，在已有建筑照明標準中[30]，300 lx是對于普通辦公室和會議室工作面的照明標準值，500 lx是對高級辦公室、視頻會議室及設計室等空間工作面的照明標準值，兩者可視作一般視覺作業和高級視覺作業的要求，在本實驗中，1 000 lx照度的條件更受偏好，說明設計值相比標準值的提升仍可有效改善視覺舒適度，因而從改善地下工程辦公空間人員的視覺舒適度和覺醒度角度，筆者認為在缺乏天然光供給的地下工程辦公空間中，人工照明設計的照度標準值宜相比標準要求有所提高。

照度與色溫雙參數對視覺主觀評價的影響，照度值具有先決意義，色溫變量影響較小。通常，高色溫往往有利于覺醒度提升[31,32]和積極情緒的激發[33]，考慮到已有研究實驗中多為色溫單變量實驗或照度考慮較少，而本實驗自變量設計包括照度色溫雙參數，筆者認為在照度色溫交叉實驗中，照度變量也許對色溫存在掩蔽效應。結合已有研究結論，當照度值達到一定限值(500 lx)，色溫提高對人的視覺與非視覺反饋影響減弱[34,35]，本實驗側面印證了照度在視覺主觀評價的潛在先決影響，該結論有待后續相關實驗進一步驗證。

地下工程辦公空間人工照明設計中，保證充足眼部非視覺刺激不容忽視。本實驗中，缺少了天然光側面采光，頂部人工照明是唯一光源，即便滿足了500 lx的視覺作業要求，落實到眼部垂直方向的非視覺指標如節律刺激CS值依然低于建議值，這意味著以視覺作業為單一評估準則很可能導致非視覺刺激量的不足，對地下工作人員的長期節律健康存在隱患。雖然本實驗的非視覺評價中僅覺醒度存在統計顯著性， 筆者團隊認為采取合適的照明方式和方案以保證非視覺刺激量是設計實踐的重點。

本實驗由于實驗時間較短，還存在如下局限：單位實驗時間較短, 光對非視覺的作用的時間累積效應，短時間2 h的測試并不能有效反映作用效果；非視覺測度手段相對單一，有待補充客觀測量工具深入研究。