基于疲勞度、工作效率及節能的光環境研究

梁 平， 胡松濤， 鹿銘理， 馬 申

(青島理工大學 環境與市政工程學院， 山東 青島 266033)

建筑室內光環境作為建筑環境的重要組成部分，已受到國內外學者越來越多的關注。影響光環境的參數眾多并且相當復雜，在實踐中仍以照度作為照明設計的直觀設計指標[1]，然而色溫營造的環境氛圍潛移默化地影響人的情緒和感受[2]。將工作面的照度和色溫作為主要研究指標，結合3種照明方式以探索不同場景的最佳適用性，并盡可能降低照明能耗，已成為建筑室內光環境研究的熱點。

一方面，影響工作效率的因素眾多，可分為社會環境因素和自然環境因素。有研究表明，良好的室內環境能提升15%～20%的工作效率[3]，而人通過視覺獲取的信息量多達87%以上[4]，光環境直接影響人對外界信息的接受，合理設計室內光環境能夠提升人的工作效率與心理狀態[5]。喻柏林等[6]的研究表明，在照度為1.7～2 160 lx范圍內的視覺感受隨著照度的增大而改善，但是收效遞減。石路[7]指出，冷色調光源對腦力要求較高的任務是有利的。吳文苗[8]的研究表明，低照度(100 lx)與低色溫(3 000 K)組合條件下的績效值整體較小，不同任務對應的最佳照度與色溫并不相同，但是高照度(300、1 000 lx)與高色溫(4 000、6 500 K)的組合在整體上有較好的表現。馬秀峰等[9]的研究表明，21～30歲的人對垂直照度為300～850 lx范圍內的環境適應性相對較好，主觀舒適度也較高。

另一方面，照明能耗占建筑總能耗的10%～40%，因此對照明用能進行分析，根據用途合理挖掘節能潛力，提出節能措施，同樣具有重要意義。采用高效的燈具和控制方式配合節能行為是降低照明能耗的重要途徑[10]。本文中首先利用問卷打分的方式對不同照度、色溫及照明方式的多種組合進行主觀滿意度評價；其次利用閱讀勾銷實驗進行任務評價，衡量人員在光環境下的工作效率與疲勞度；最后利用閃光融合頻率儀測試表征疲勞度的客觀指標；綜合以上結果，探索在主觀感受和工作效率大致相同的條件下，盡可能降低照明能耗的燈具配置方案。

1 實驗

1.1 實驗環境與照明燈具

實驗在內部尺寸為4 800×2 500×2 000 mm(長度×寬度×高度)的環境模擬艙內進行，除實驗所需的燈具外，無其他光源。空氣溫度為(25±1) ℃，相對濕度為57%～67%，均由風機盤管控制。內壁鋪設隔音材料，以避免噪音對實驗產生干擾。實驗中心區域放置高度為0.75 m的寫字臺，將照度、色溫測點置于寫字臺中心位置，確保測點上部半球形空間內無遮擋，本文中所有實測照度、色溫值均在寫字臺中心位置進行測量。

選用歐普照明股份有限公司的T5 型發光二極管(LED)燈管，燈具的色溫三檔可控(暖色調、中性色調、冷色調)，共計18根燈管。采用3個無線遙控器進行控制，每個遙控器控制6根同色溫的燈管，其中A、B、C這3個按鍵分別控制2根燈管同時啟停。局部照明光源選用MY-102 1×MAX40W型LED長臂折疊臺燈，三檔調節對應冷、暖、中性3種色調的光源。燈具平面布置圖如圖1所示。

A、B、C—頂棚開啟燈管的編號。圖1 燈具平面布置圖

1.2 受試者

為了研究室內辦公光環境對光舒適、疲勞度、工作效率的影響，應選擇身體狀況良好、有一定閱讀認知能力、視力良好或經光學矯正后可正常作業的受試者，因此實驗中選擇20名23～26歲視力正常或佩戴矯正度數不高于300度鏡片后滿足正常學習和工作要求的受試者，其中男生13人，女生7人。將受試者分為5個實驗小組，每組4人。

1.3 預實驗與工況設置

由于實現一般照明、局部照明、混合照明3種照明方式的燈具組合形式繁多，因此通過預實驗對實驗工況進行合理篩選。

預實驗的主要是對51種燈具組合形式的照度分別進行測量和記錄。根據國家標準GB 50034—2013《建筑照明設計標準》[11]，為了使工況之間具有明顯的感官區分度，盡可能便于受試者對主觀感受進行打分，對預實驗工況進行先粗后細的篩選后，最終確定實驗工況設置，如表1所示。

1.4 主觀問卷與試題設計

主觀問卷統計受試者的基本信息、睡眠情況，并對每種工況的明亮程度、顏色真實性、空間寬敞感、愉悅感、清晰感、放松感、緊張感、憂郁感、疲勞感指標打分。評價標尺如圖2所示。

表1 實驗工況設置

圖2 主觀評價標尺

為了保證閱讀勾銷實驗結果盡可能客觀、準確，試題按照以下4個原則進行設計： 1)保證受試者對試題的熟悉程度相同； 2)確保受試者對試題的可接受程度相同； 3)受試者應在短時間內掌握測試方法； 4)測試結果盡可能便于統計與量化分析。閱讀勾銷實驗材料設計流程如圖3所示。

試題分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5套，每套試題有100組英文字母組合，每組5個英文字母。其中工況1、6、11使用試題Ⅰ，工況2、7、12使用試題Ⅱ，以此類推。每次測試前，由工作人員隨機指定一個目標字母，受試者盡快找出目標字母并用筆勾銷(劃除)，并且不得復查。每個實驗小組的4名受試者同時開始測試，分別記錄完成時間并統計正確率。

正式實驗前，由2名工作人員對15套試題進行標準難度測試。測試結束后，統計這2名工作人員的當量時間并取平均值，用來表示每套試題的標準難度。當量時間等于實際完成時間除以正確率，其中，正確率等于字母總數減去錯誤數再除以字母總數。勾銷字母時，選錯、漏選均判為錯誤。

圖3 閱讀勾銷實驗材料設計流程

1.5 實驗流程

由于人眼視錐細胞中的感光色素再生過程至少需要5 min，因此實驗中要求受試者在每種工況下先靜坐5 min以適應環境，然后進行主觀問卷填寫、閱讀勾銷實驗、閃光融合頻率測試。每天8：30—12：00進行工況1—9的測試，14：30—17：00進行工況10—15的測試。

2 數據分析

2.1 主觀問卷分析

對15種工況下的明亮程度、顏色真實性、空間寬敞感、愉悅感、清晰感、放松感、緊張感、憂郁感、疲勞感進行滿意度打分，并將20名受試者在同一工況下的打分取平均值，按色溫繪制成雷達圖，如圖4所示。由圖可知，明亮程度、顏色真實性、空間寬敞感、愉悅感、清晰感、放松感的得分趨勢大致相同，受試者的主觀感受較一致，并且得分區間較寬，反映了受試者對此6項指標相對敏感。

從語義上看，6項指標均表征舒適的感覺，一定程度上反映了受試者對同類指標的感受有一定的相似性。緊張感、憂郁感、疲勞感表征不舒適，緊張感、憂郁感的得分區間較窄，反映了受試者對其相對不敏感，而疲勞感的變化幅度相對較大，說明光環境對疲勞感的影響程度更大。工況2、3、5、6、8、9、11、15的舒適指標得分相對較高，對應的照明方案均為照度水平較高的LED一般照明，說明受試者對高照度水平的工況有一定偏好。

(a)色溫為3 000 K

(b)色溫為4 000 K

(c)色溫為6 000 K圖4 不同光環境中主觀感受評價雷達圖

2.2 照明方案對比分析

在主觀評價指標大致相同的情況下，從節能的角度分析能耗較低的照明方案。工況2，工況3、5，以及工況6、8、9分別代表一般照明時3種色溫水平下方案A+B與方案A+B+C這2種組合對明亮程度的評價，平均得分差異較小(不超過0.23)，但是照度相差200～300 lx，顯然方案A+B更節能。與照度相當的混合照明工況11、13相比，一般照明對明亮程度的影響更明顯，因此一般照明時照度為800 lx的冷光更經濟、高效。高照度、一般照明的顏色真實性得分較高，并且與冷色溫組合時效果更佳，綜合考慮節能性，可選照度為800 lx的冷光。愉悅感在高照度與中性偏冷色溫的組合下得分較高。清晰感在冷色溫燈光時得分較高，說明冷色調給人醒目的感覺。一般照明工況的放松感高于混合照明和局部照明工況，同樣高照度、冷色溫的環境更有優勢。對于緊張感、憂郁感、疲勞感，局部照明和混合照明的主觀滿意度評價更有優勢。綜合考慮節能性，可選擇低照度局部照明方式，以降低心理作用造成的不舒適感。

2.3 閱讀勾銷實驗的工作效率分析

閱讀勾銷實驗通過測試完成任務的時間和質量來評價工作效率，不會被受試者主觀干擾，可以較客觀地衡量受試者的工作效率，間接反映疲勞程度。

分別統計15種工況下20名受試者閱讀勾銷實驗的完成時間和正確率的變異系數，統計結果均小于20%，因此認為實驗結果具有統計學意義。數據處理過程及方法如下：

1)計算每次測試的當量時間。2)計算每名受試者完成15套試題的個人平均時間，用以衡量個人能力。3)計算每套題的平均完成時間，用以衡量試題難度。4)修正每套題的難度，難度修正值等于試題難度減去標準難度。5)計算疲勞度。疲勞度等于個人平均時間與難度修正值之和減去當量時間。

將15種工況的照度-平均疲勞度散點按相同色溫連成折線，如圖5所示。從圖中可以看出，當光源色溫為4 000 K時，平均疲勞度整體較低，側面反映出工作效率相對較高。當色溫相同時，照度由小到大的燈具組合形式依次為A、臺燈2、A+B、臺燈2+C、A+B+C，色溫為4 000 K時的局部照明工況疲勞度最低。在色溫為3 000 K的條件下，照度約為800 lx時疲勞度相對較低。色溫為6 000 K時的疲勞度與色溫為3 000 K時的完全相反，說明3種照明方式下照度與色溫的不同組合對疲勞度和工作效率產生了明顯影響。

圖5 不同色溫時的平均疲勞度

從節能的角度分析，色溫為4 000 K時的局部照明工況的效果最好，并且能耗最低，為最佳方案。其次，色溫為6 000 K時的低照度一般照明工況的效果僅次于最佳方案的，能耗相對較低，此方案也可納入考慮范圍。

2.4 閃光融合頻率的疲勞度實驗結果分析

閃光融合頻率用于測試人眼可分辨的最大閃爍頻率。受試者雙眼注視閃光融合頻率儀內部以固定頻率閃爍的亮點，逐漸增大閃爍頻率，當受試者觀測到亮點恰好停止閃爍時，記錄此時的臨界值。測試值越大，表示人眼可分辨的閃爍頻率越大，此時眼部的敏銳程度更高，視疲勞程度越低； 反之，測試值越小，說明此時眼部的敏銳程度越低，視疲勞程度越高。

首先，以照度為自變量，閃光融合頻率為因變量，進行方差齊性檢驗，由檢驗統計量的樣本觀察值得出的原假設可被拒絕的最小顯著性水平p值為0.466>0.05。其次，以色溫為自變量，閃光融合頻率為因變量，進行方差齊性檢驗，檢驗結果p值為0.404>0.05。由此可知，觀察變量總體方差無顯著差異。

分別對照度-閃光融合頻率、色溫-閃光融合頻率進行單因素方差分析，結果如表2、3所示。從表中可以看出，p值均大于0.05，均無法拒絕原假設，即通過閃光融合頻率臨界值反映的視疲勞程度主要影響因素為隨機誤差，與照度、色溫的相關性較差。短期暴露的情況下，照度與色溫對視疲勞的影響并不顯著，導致閃光融合頻率臨界值的隨機誤差掩蓋了光環境對疲勞度的影響，仍然認為長期暴露時，照度與色溫對視疲勞的組合效應可能會顯現。

表2 照度-閃光融合頻率單因素方差分析結果

表3 色溫-閃光融合頻率單因素方差分析結果

3 結論

本文中通過主觀評價、任務評價、生理參數評價3種方式，分析了不同照明方式下照度與色溫對人的心理、工作效率、疲勞度的影響，得到以下主要結論：

1)從主觀感受評價的角度分析，光環境主要通過影響人的心理作用進而影響受試者的主觀感受。統計結果表明，高照度、一般照明工況的整體滿意度較高，原因可能是高照度環境給人以敞亮、輕松的感覺，而低照度環境則顯得壓抑。綜合考慮節能性，實際應用時應根據具體情況進行分析。

2)閱讀勾銷實驗結果表明，色溫為4 000 K的局部照明工況下的疲勞度最小，工作效率最高，并且此方案能耗低，因此在短時辦公區域推薦使用中性色溫的局部照明方案。

3)閃光融合頻率測試結果表明，照度-閃光融合頻率、色溫-閃光融合頻率均無相關性，即閃光融合頻率測試值的主導因素并非光環境，因此利用閃光融合頻率儀測試疲勞度的方法不適用于短期暴露下的視疲勞測試。