靜態光侵擾對室內活動的侵擾閾值研究

范 晴，張明宇，宋捷翹，于 娟，楊興棕

(1.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；2.浙江陽光照明電器集團股份有限公司，杭州 312300)

鄰近道路的居住區受到夜間道路照明的光侵擾影響，居住區內綠地景觀照明、停車場照明也是光侵擾來源。上述類別的靜態光源不僅數量多、使用范圍廣，而且光源還具有亮度高、持續時間長的特點，這些因素加劇了居住區的光侵擾問題。

CIE150號文件[1]針對光侵擾防治，規定了燈具最大發光強度和窗戶垂直面上的照度值,此外，還針對夜景照明、廣告標識等，規定了閾值增量[2]。Ho等[3-4]指出廣告牌亮度雖然滿足CIE 規定，但由于其覆蓋面積大，高密度的分布和安裝不當仍然造成嚴重的光侵擾，從城市規劃角度提出了解決措施。Jung等[5]對韓國235個地點調研得到78%的LED屏亮度超標并從窗戶對居民產生光侵擾現象。CIE標準也對防治光侵擾提出了相關建議[6]。2018年，CIE成立了針對夜間光侵擾防治的TC4-58技術會議。2020年，中國環境監測總站提出針對城市LED廣告屏光污染政策研究。

中國現行規范[7]采用CIE防治要求?，F有研究[3-4]在提出光侵擾的防治措施時以規范要求為準。但是在居民受到光侵擾時，僅“垂直照度”這一項指標不能完全解釋其真實感受，利用軟件仿真對光侵擾進行評估發現實際測量值與模擬值仍存在差異[8]，目前的不舒適眩光評價方法和模擬軟件也不能代替主觀感受[9]。另外，對黑暗環境下的睡眠活動及正常室內照明下視覺活動的不利影響已有較多論述[10-13]。靜態光侵擾的問題已被廣泛關注，但仍缺乏足以量化其影響程度的研究。亮度、色溫、侵擾面積比(侵擾光源面積/窗口面積)是影響靜態侵擾的主要因素[6，11-13]，從居民對光侵擾的主觀感受角度出發，采用亮度、色溫、侵擾面積比研究靜態光侵擾閾值問題，更接近于居民的真實反映。

開展靜態光侵擾對居民室內活動干擾程度的判定與評價研究，應從居民的主觀感受出發，研究靜態光的亮度侵擾閾值。亮度表征是靜態光對人產生侵擾的實際情況，亮度閾值是在實際操作與控制層面上的靜態光侵擾防治的量化依據。文中通過實驗室內再現居室環境，研究正常室內照明情況下，不同光色和面積比條件下的靜態侵擾光對居民看電視的干擾影響，計算得出靜態光侵擾的2種常見色溫對應光色和不同侵擾光源面積比的侵擾閾值，討論靜態光侵擾亮度閾值與侵擾面積比間的關系。為居住建筑室外照明干擾光的限制規范標準制定以及道路和景觀照明設計標準修訂提供數據基礎，也為靜態光侵擾的防治提供量化依據。

1 典型靜態光侵擾主觀評價實驗

1.1 實驗設置

實驗采用李克特量表(Likert Scakes)問卷，使用了5個等級：用數字1～5表示，數字越大代表干擾影響越嚴重，1表示“完全無干擾”，5表示“嚴重干擾”。實驗參數采用組內隨機排列、組間拉丁方設計的方式進行排序，消除個體差異因素和排序因素等導致的結果誤差或無關變量效果[14]。被試為天津大學在校學生，共計36人，年齡為18～30歲，均通過色盲測試(isihara color blindness test)，情緒良好，無生理疾病，近期無高強度工作等。

實驗室模擬起居室參數如表1所示，剖面布置如圖1所示。

圖1 實驗室剖面圖

表1 實驗室設置具體參數

為避免“色彩對比”影響實驗準確度，實驗室內表面材質均使用色彩飽和度低的灰色系，其表面反射系數均符合標準[15]。室內照明光源選用色溫為5 000 K的T5日光燈管，實測工作面(0.75 m)照度為330 lx，滿足起居室照度標準要求[15]；實驗室內的聲環境良好；內裝有空調，允許被試自主調節空調，保證室內溫度舒適。選取看電視活動，播放內容為黑白手繪動畫系列短片，保證被試對視覺作業的專注程度，各個短片對人的感知覺影響程度保持一致。同時，在不對任務產生干擾的前提下設置了答題提示，確保被試順利完成主觀評價實驗。

1.2 實驗變量

通過預評價實驗篩掉了評分為1“無干擾”和5“嚴重干擾”的參數值，調整實驗變量步長，最終的實驗參數共計44組：2種常見光色(黃光、白光各22組不同的靜態光侵擾參數，預評價實驗數據表明色溫與干擾程度無顯著影響，在前期現場調研數據中，侵擾光源光色為暖黃色和中性白占比較大，分別為33%、40%[13]，實驗選取色溫為2 000 K的黃光，色溫5 000 K的白光)，4種面積比(滿窗、1/4窗、1/16窗、1/64窗)的實驗變量如表2所示。

表2 實驗變量參數

1.3 實驗步驟

被試進入實驗室，填寫甄別問卷，對被試進行色盲測試。被試坐在沙發上，根據自身需求調節至實驗環境舒適。待被試適應且實驗環境穩定時，由主試進行實驗記錄(實驗編號、日期時間、室內物理環境指標等)，并向被試講解實驗任務和流程，確保被試完全理解。在正式實驗開始前，進行 2組以上預實驗幫助被試熟悉流程，在確認熟悉流程后開始正式實驗，被試觀看所播放的動畫短片，同時LED屏幕顯示干擾靜態光。短片暫停時提示被試填寫問卷。待正式實驗結束，主試回訪被試并填寫問卷。實驗流程如圖2所示。

2 實驗結果與閾值計算

2.1 實驗數據整理分析

主觀評價實驗共獲得1 584組實驗數據(36被試×44組實驗)。

2.1.1 被試評分

統計了被試評分的算術平均分、≥4得分所占百分比(%)，如表3所示。

表3 被試評分的算術平均分、≥4得分所占百分比

評分≥4對應評價為“比較干擾”和“嚴重干擾”，評分≤2對應評價為“完全無干擾”，“有點干擾”。平均分≥4的共4組，占總數的9.09%，平均分≤2的共17組，占總數的38.64%。根據閾限的操作定義，閾值為50%次數引起反應的那個刺激的大小[14]。評分≤2所占百分比>50%共計0組，評分≥4所占百分比>50%共計8組，占總數的18.2%。

2.1.2 問卷信度分析

黃光和白光侵擾實驗的信度系數分別為0.938和0.941，信度分析一致性較高。

2.1.3 相關性分析

由SPSS分析結果可知，在不同面積比時，黃光和白光侵擾實驗的主觀評價得分(平均分)與亮度和面積比呈顯著相關，Pearson相關系數均大于0.9。

2.2 閾值計算

根據上述閾值定義[14]。文中擬定評分≥4(對應評價為“比較干擾”和“嚴重干擾”)時計算的50%閾值為靜態光侵擾的干擾評價閾值(以下簡稱“閾值”)，為針對靜態光侵擾防治的控制標準。而主觀評價分數≤2時求得的50%閾值為剛剛能引起人們感受的閾值，即靜態光侵擾控制的較高標準。以黃光侵擾條件下，面積比為1時，評分≥4的百分比結果為例，計算閾值如表4所示。

表4 黃光侵擾實驗面積比為1時評分≥4的百分比結果

絕對閾值采用直線內插法[14](linear interpolation)計算，將50%的刺激值對應的絕對閾值設為X：

X=214.29。

即黃光侵擾實驗面積比為1時的亮度閾值為214.29 cd/m2。同理得出典型靜態光侵擾亮度閾值，如表5所示。

表5 閾值計算結果

參考現行值和目標值的概念，將上述的控制標準定義為目前需要達到的現行值，將較高標準定義為未來發展需要達到的目標值。對比兩者亮度閾值后發現，現行值與目標值存在明顯差異。通過對靜態侵擾光的實際測量與調研分析可知，現行值(控制標準)更符合我國靜態光侵擾現狀。文中的后續分析，均是采用評分≥4的亮度閾值。

3 靜態光侵擾干擾評價閾值分析

3.1 黃、白光侵擾干擾程度對比分析

主觀評價分數≥4的亮度閾值(如表5和圖3所示)，證明被試抗白光侵擾程度大于黃光侵擾程度。

圖3 主觀評價分數≥4對應的亮度閾值

圖4 主觀評價分數≥4的百分比

對比2種光色的被試評分≥4的百分比，如圖3所示，發現面積比為1和1/4時，相同亮度的侵擾條件下，被試抗白光的侵擾程度高于抗黃光的侵擾程度；當面積比為1/16和1/64時，有3組實驗結果出現被試抗白光侵擾程度低于抗黃光侵擾程度，發現在面積比小的時候，光色對抗光侵擾程度無顯著影響。分析原因如下：1)實驗時間為8月，被試在氣溫炎熱的時候會偏好冷色；另外，實驗室內環境照明與實驗變量白光5 000 K色溫近似，可能導致被試包容度對實驗白光偏高。2)當實驗侵擾面積比為1/16窗口和1/64窗口時，超出被試主視野范圍，辨色不敏感，人們抗光侵擾程度與黃光、白光沒有明顯的區別。

3.2 靜態光侵擾面積比對干擾程度的影響

由圖3和表5可知，黃光、白光亮度閾值隨面積比的減小而增大，面積比同黃光、白光亮度閾值成反比，發現面積比與靜態光侵擾程度有顯著影響。當面積比在1～1/4窗口范圍時，黃光、白光亮度閾值的變化趨勢緩慢，亮度閾值隨面積比的減小增幅減少，在此侵擾面積比范圍內應嚴格控制靜態侵擾光的亮度值，不得超出700 cd/m2，以限制光侵擾的干擾影響；面積比在1/4～1/16窗口范圍時，亮度閾值隨面積比減小亮度閾值增加變快，亮度值應該控制為500～4 160 cd/m2，以限制光侵擾的干擾影響；面積比在1/16～1/64窗口范圍時，亮度閾值隨面積比減小陡然增加，光侵擾產生干擾程度很小。

3.3 SPSS曲線回歸分析

基于面積比顯著影響侵擾亮度閾值的結論，進一步開展了兩者的關系研究。

3.3.1 黃光侵擾實驗

如表6所示，曲線方程為冪函數曲線，R2值為0.986，函數模型有統計學意義。

表6 黃光的參數估計值

函數方程式為

y=198.84x-0.88，

(1)

式中：y為亮度閾值；x為面積比。

3.3.2 白光侵擾實驗

如表7所示，曲線方程為冪函數曲線，R2值為0.975，函數模型有統計學意義。

表7 白光的參數估計值

函數方程式為

y=219.81x-1.12,

(2)

式中：y為亮度閾值；x為面積比。

4 結 論

通過對靜態光侵擾的不同亮度、光色和面積比主觀評價實驗，進行靜態光侵擾的定量化研究，計算了不同光色、不同面積比所得的亮度閾值。從評分≥4分的百分比來看，在面積比較大時，被試抗白光的侵擾程度高于抗黃光的侵擾程度；在面積比越小時，被試抗光侵擾程度與光色沒有明顯的區別；面積比與侵擾程度呈強相關，面積比越大，亮度閾值越小，受侵擾程度越大。因此，在我國靜態光侵擾防治中應著重控制侵擾面積；對計算出的亮度侵擾閾值進行曲線回歸，得到黃光和白光的亮度侵擾閾值與面積比之間的冪函數關系。通過對主觀評價結果的計算，得到4種面積比(1、1/4、1/16、1/64)條件下的黃光、白光亮度閾值，實驗評價主觀感受實現了對靜態光侵擾現象的定量化研究，得到的數值及函數關系可為定量化防治靜態光侵擾提供指導。