中性色调起居室光照环境人因工学研究

陈尧东，郝洛西，崔 哲

(同济大学 建筑与城市规划学院，上海 200092)

引言

随着我国社会经济和生活水平的发展，简单的功能性照明已无法满足当代中国人对居住照明高品质、人性化的需求。起居室是家庭单位的主要生活空间，集会客、用餐、工作、休闲等众多功能于一体，其照明品质与居住者的生活质量具有相关性。因此，探索符合中国人视觉偏好的起居室照明设计策略具有一定的学术价值和现实意义。迄今为止，发达国家在此领域已积累了大量研究基础。其中，Peter Boyce[1]对基于人因工学的照明理论做了较为全面的总结。近年来，随着LED照明技术的发展，关于半导体照明的研究也不断深入。Nadarajah等人[2]的研究结果表明：在LED光照环境下，被试对低显色性光照环境偏好度反而更高；被试对颜色的偏好度与显色性的相关性在数理统计上不显著；相较于白炽灯和荧光灯，被试对LED的光照环境表现出更高的偏好度。Maria Thompson等人[3]认为：在周边视野中，色温的变化比显色性的变化更易被察觉。Ays-eDurak等人[4]通过改变照明方式与照度水平，评估空间的舒适、私密、愉悦等因素，得出以下结论：(1)不同的照明方式会影响人们对空间光照环境的主观感觉；(2)相同照明方式，不同的照度也会影响人们对空间光照环境的主观感觉。

国内方面，刘炜等人[5]的研究认为不同年龄和性别的人群对同一照度和色温的光照环境所产生的舒适感是有差异的。同时他们对北京居民起居室的调研[6]结果显示：CFL是北京居民最常用的光源。李国辉等人[7]对北京、上海和重庆的起居室照明环境进行入户调查,搭建了有40种照明场景的起居室实验平台。在此平台下，对被试进行问卷调查,筛选出了7个控制起居室光照环境的主观评价指标。并得出了各指标的权重。林燕丹等人[8]通过主观评价实验得出：在一定范围内，照度或色温与被试的阅读速度、工作时的满意度具有正相关性。

以上研究主要围绕功能照明的视觉满意度进行的实验评价。没有涉及多光源、多色温、多显色性的综合性光照环境评价。因此，本研究对中国居民进行主观评价实验，从人因工学角度探讨中国人对起居室光照环境中色温、显色性、光源的视觉偏好，总结出适合中国人视觉偏好的起居室照明设计策略，为照明设计师提供设计指导。同时，研究分析LED与传统光源对起居室光照环境塑造的优劣，为半导体照明技术在起居室的应用提供研究基础和理论支持，并通过本实验，对主观评价实验的方法进行总结，对下一阶段实验提供理论和经验支持。

1 起居室照明现状调研

1.1 调研对象

调研对象年龄范围为20～50岁，教育背景专科以上的人群。被调研的起居室面积在20～40m2之间；室内装修完整，照明设施完善。

1.2 调研问卷

调研问卷内容分为两部分，第一部分为“主观评价问卷”，含三方面信息：被试基本资料、被试对自家起居室的主观评价、被试对理想起居室的主观评价。问卷的第二部分为“调研记录表”，记录起居室的光源类型、功率、数量、品牌、照明方式、照度、色温、起居室家具平面图、灯位布置图等信息。

1.3 调研流程

调研流程如表1所示：(1)主试发放问卷，指导被试填写问卷。(2)绘制被调研起居室家具布置平面图，收集功能布局信息。(3)记录起居室照明基本情况：光源的类型、品牌、数量及功率等参数；绘制灯位布置图，简述照明方式及灯具维护情况。(4)测量起居室的平均照度及色温。(5)拍摄实景照片。

表1 调研流程Table 1 The procedure of the survey

1.4 数据分析及空间抽象

1.4.1 中国起居室照明现状

图1 中国起居室空间典型照明方式及布局Fig.1 Typical layout of Chinese living rooms

中国起居室有三种典型照明方式：中央下照光、环境照明和重点照明。在大部分情况下，户主只开启中央下照光(吊灯)，所以中国起居室最常用的照明方式如图1(b)所示，为中央下照光。图2为中国起居室照度分布图，从图中可以看出，中国人最常用照度范围是40～60lx，达到25%；图3是中国起居室光源分布图，荧光灯是中国人最常用的光源，占76%的份额；图4是中国起居室色温分布图，中国人最常用的色温范围是3000～4000K，达36%。

图2 中国起居室照度分布图Fig.2 Commonly used illumination bands

图3 中国起居室光源分布图Fig.3 Commonly used light sources

图4 中国起居室色温分布图Fig.4 Commonly used CCT bands

1.4.2 中国起居室平面布局

中国起居室的典型平面布局如图1(a)所示，客厅中央位置摆放茶几，茶几一边布置沙发，另一边靠墙位置放置电视。

2 实验设计

2.1 实验室设计

图5为实验室平面图。实验室分为“起居室”和“适应室”两个部分。根据调研结论，起居室平面布局与图1(a)具有相同的空间特征。室内装修色彩以中性色调(黑白灰)为主，如墙纸、窗帘、茶几、沙发等家具均为中性白色。此外，室内在中性主色调的基础上，布置了标准色卡、植物、书籍等彩色物品，帮助被试评价光源的显色性。适应室是为了消除日光对被试的影响、前一个场景对后一个场景的影响，以及当主试者在切换场景时，作为被试休息的场所。因此，适应室中布置了一张桌子和两把椅子。

图5 实验室平面图Fig.5 Plan of the laboratory

2.2 照明场景设计

如表2所示，起居室有6种照明场景。在所有场景中，室内茶几表面照度均为150lx，室内温度设定为22℃，相对湿度控制在50%。场景自变量是光源、色温、显色性。其中光源包含传统CFL、白炽灯以及LED三种；色温有4000K、2700K两种；显色性有80、95、100 三种。照明方式为“中央下照光”[与图1(a)具有相同的特征]。灯具布置考虑到光分布的均匀性,每个场景设置4盏灯同时点亮，均匀度优于一盏。图6是天花灯具布置实景照片(a)及各场景亮灯位置示意图(b)。

根据调研结论，适应室光源选用CFL，工作面平均照度设定为50lx，色温为3000K。

2.3 问卷设计

实验问卷包括4部分。第一部分是被试的基本资料，包括性别、年龄和专业背景等信息；第二部分是“倾向性评价表”，如表3所示，包含3类词汇：1)描述空间和光照环境的形容词(以下简称“空间光照词汇”)、描述被试主观情绪的形容词(以下简称“心理情绪词汇”)和描述生活中常见的照明场所的名词(以下简称“环境词汇”)；第三部分是 “语义差别量表”，量表分为-3到+3，7档；第四部分是被试自调光记录表(此部分要求被试自主调光，主试者记录。调光的预设条件是：将光调到和家人聊天时最舒适的亮度。)

表2 实验场景Table 2 The lighting scenes

图6 天花灯具布置Fig.6 The luminaire arrangement

表3 倾向性评价表Table 3 Words selection table

2.4 被试选择

本实验共有33位被试。其中男性18人，女性15人；青年(20～30岁)13人、中年(31～50岁)10人、老年(50岁以上)10人；建筑及照明相关专业人员17人、非建筑及照明相关专业人员16人。所有被试均需通过上海市级以上医院眼底检查才能参与此实验。

2.5 实验步骤

实验要求被试对每个照明场景填写一份相同的评价问卷，通过问卷呈现出的不同答案，反应出被试对各场景的不同主观感受。实验步骤为：(1)被试进入适应室适应15分钟，其间主试者发放问卷、进行实验介绍，然后进入起居室切换场景。被试填写个人信息及完成预备场景的问卷；(2)被试进入起居室，适应2分钟、熟悉光照环境，完成该场景问卷并自主调光，主试者记录自调光数值；(3)被试离开起居室到适应空间休息，主试者在起居室切换照明场景；(4)重复步骤(2)；(5)重复步骤(2)、(3)，直至完成所有场景。

3 数据分析

3.1 筛选高频词汇

通过Excel统计“倾向性评价表”中各场景词汇的被选择频数(词频)，得出如图7所示的词云图表。图中词汇的字体越大，代表该词的词频越大。从图7中可以看出：被试最重视的起居室照明主观感受词汇有：明亮、清晰、清醒、自在、温暖、温馨、舒适、柔和、宁静等指标。

图7 词云表Fig.7 Wordle diagram

3.2 空间光照词汇与心理情绪词汇相关性

对高频词汇在“语义差别量表” 中的得分进行相关性分析。(以“清醒”与“明亮”、“温馨”与“温暖”、“颜色鲜艳”与“肤色真实”的相关性分析为例)，图8是“清醒-慵懒”与“明亮-昏暗”的相关性图表，从中可以看出：(1)在相同照度和光分布下，对比2700K，色温4000K的场景1和场景4的主观亮度更高。(2)被试的主观明亮感觉与清醒感呈正相关(P=0.006)，说明当场景给人的主观亮度越大时，被试觉得越清醒。图9是“温馨—凄凉”与“温暖—寒冷”的相关性图表，从中可以看出：(1)在相同照度和光分布下，比起4000K，色温2700K的照明场景给人感觉更温暖，同时给人感觉也更温馨。(2)被试的温暖感觉与温馨感呈正相关(P=0.002)。图10“颜色鲜艳-不鲜艳”与“肤色真实-不真实”的相关性图表。从中可以看出：(1)在相同照度和光分布下，比起2700K，色温4000K的照明场景给人感觉颜色更鲜艳。(2)显色性对肤色真实性和颜色鲜艳度的主观感受的影响不显著，原因可能是因为场景间显色性的差异太小。

图8 明亮与清醒相关性图表Fig.8 Interaction between “bright” and “alert”

图9 温暖与温馨相关性图表Fig.9 Interaction between “warm” and “cozy”

图10 颜色鲜艳与肤色真实相关性图表Fig.10 Interaction between “colorful” and “natural”

3.3 色温、显色性和光源与词频的相关性

通过比较两两场景中高频词汇的词频差异情况，分析色温、显色性和光源对各场景选词的影响。其中，以色温为自变量，比较场景1和场景2、场景3和场景4的差异，得出色温对词频的影响在数理统计上非常显著(P<0.01)；以显色性为自变量，比较场景2和场景3、场景1和场景4的差异，得出显色性对词频的影响在数理统计上不显著。以光源为自变量，比较场景2和场景5、场景3和场景6的差异，得出光源对词频的影响在数理统计上不显著。

4 实验结论

第一阶段实验的结论如下：(1)在一定范围内，在相同照度和光分布下，被试的主观感受是：明亮与清醒正相关，与温馨呈负相关；清晰与清醒正相关，与温馨呈负相关；柔和与温馨正相关；与清醒呈负相关；温暖与温馨正相关，与清醒呈负相关。(2)在相同照度和光分布下，对比2700K，色温4000K的光照环境的主观亮度更高。(3)色温与被试对空间的主管感受的相关性在数理统计上显著(P=0.001)；但光源、显色性与被试对空间的主管感受的相关性在数理统计上不显著。

5 总结与展望

本轮实验通过主观评价和数据分析，得出较为可靠的实验结论，尤其是关于色温的相关实验结论，证明了实验设计的合理性。但关于显色性的结论存在较大争议，原因可能有：(1)场景间显色性差异太小；(2)实验空间中色彩太少；(3)被试对显色性关注不够。因此，下一轮实验将对起居室进行重新装修，使用彩色主色调，以验证第一轮实验的结论及重点探讨显色性。

[1] Peter Boyce. Human Factors in Lighting[M]. Second Edition. Toylor & Francis, 2003.

[2] Nadarajah, Lei Deng. Colour Rendering Properties of LED Light Sources, Solid State LightingⅡ[C].. Proceedings of SPIE, 2002.

[3] Maria Thompson, Jeremy Spaulding, Kent Larson, et al. Investigation of Tunable LED Lighting for General Illumination Employing Preliminary Activity Recognition Sensor Network[C]. Proc. SPIE, 2011:8123.

[4] Ay-e Durak, Nilgun Camgoz Olgunturk. Impact of lighting arrangements and illuminances on different impressions of a room[J]. Building and Environment, 42.

[5] Liu Wei，Wang Xiaojin. Investigation and Analysis about Indoor Illumination of Light Environment in Beijing Houses[J]. Light and Lighting, 32(3),2008.

[6] 刘炜,王晓静,薛大金.北京市住宅室内照明光环境调查与分析[J].灯与照明,2008,32(3).

[7] 李国会，雍静，王晓静，等.住宅起居室人工照明光环境评价指标及其权重试验研究[J].现代建筑电气，2010(4).

[8] Lin Yandan，Ju Jiaqi， Chen Wencheng,et al. Subjective Rating on Indoor Luminous Environment And Its Effect on Reading Task Performance[C]. Beijing: CIE 26TH SESSION, 2007.