基于明适应与舒适度的窗空间光环境实验研究

王晓曼 付 瑶

沈阳建筑大学 建筑与规划学院（辽宁 沈阳 110168）

0 引言

随着社会经济的快速发展，人们对室内物理环境的要求越来越高。光环境作为物理环境的重要组成部分，人们对其质量也越加重视，其中包括容易引起人们生理和心理不适的明适应问题。目前，关于明适应的研究主要集中在隧道和公路方面，在建筑中研究较少［1-2］。通常，在地下室出入口、室内外过渡空间以及窗空间，都存在明适应问题，如何在满足建筑室内空间光环境舒适度要求的基础上缓解明适应问题，是目前需要解决的问题之一。

对于光环境评价技术，早期主要是采用量化方式研究［3］。近几年，随着认知神经学、生物信号数据分析技术以及可穿戴传感器技术的发展，很多学者开始使用新技术进行相关研究。已有研究人员研究发现，可穿戴式传感器采集的情绪结果与实验后访谈被试者的主观感受结果吻合度较好［4］。基于此，文章通过可穿戴式传感器和主观问卷两种方式综合分析实验结果，研究在何种光环境下，可同时满足缩短反应时间和提高舒适度的双重目标，为缓解建筑空间内的明适应问题提供参考，也使结果更具科学性。

文章选取单间式办公空间作为照明模拟的对象，将尺寸为6 m×5 m×2.7 m（开间×进深×净高）的办公空间作为研究模型，窗的宽度为6 m，高度为2.7 m，窗台高度记1 m。

1 实验设计

被试者共17 名，年龄为22 ～27 岁，大学以上文化程度，无眼疾，矫正视力≥5.0。

（1）实验中用到的仪器和辅助工具。LED 可调控灯（2 个）、灯架（2 个）、照度计、激光测距仪、皮肤电流信号（EDA）、光电容积脉搏波信号（PPG）、电脑、秒表、视力表和椅子。在实验中，主要通过LED 可调控灯设置不同的垂直照度和色温。实验设计示意图如图1 所示。

（2）实验环境选择较容易控制的人工光环境，其量化指标主要包括照度、色温、亮度和显色性等。鉴于以往的研究者在研究时主要控制照度和色温这两项指标，文章也将照度和色温作为该次实验的控制变量［3］。实验中LED 可控灯的色温值范围在3 000 ～8 000 K，实验中确定的色温值分别为3 000 K、4 000 K、5 000 K、6 000 K、7 000 K 和8 000 K；而亮度随着固定在人眼高度1 500 mm 的垂直照度值进行调控，通过调控LED 灯的亮度，最终确定垂直照度值分别为100 lx、200 lx、300 lx、400 lx 和500 lx。两两组合，共设置30 种照明环境。

图1 实验设计示意图

（3）测试墙面上有一张国际标准视力表，被试坐在室内靠窗300 mm 的位置。

（4）实验中用到的可穿戴式传感器主要有皮肤电流信号（EDA）和光电容积脉搏波信号（PPG），其中EDA 代表内源性或外源性压力所诱发的表皮电位，反映了交感神经节后纤维功能状态，是相对较为客观和敏感的生理指标。通过该种方式，皮肤电导可以测量情绪和交感神经反应，准确地记录被试者各个时刻的心理变化，提高了主观调查问卷的准确性和可信度；而PPG 代表光电容积脉搏波信号，脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，通过光电传感器产生的光电信号强度转换为电信号，在经放大后可反映出外周血管血流量随心脏搏动的变化规律。

（5）李克特量表作为心理学实验最常用的一种量表形式，可以在一定程度上反映被试的态度倾向[5]。实验要求被试清晰辨认视力表上E 的开口方向，并评价该实验场景的光环境。使用评价量表测定被试的舒适主观感受，按舒适度水平分为5 级，1 为不舒适、2 为较不舒适、3 为一般、4 为较舒适、5 为舒适，其中3、4、5 等级为合格。共发放17 份问卷，回收有效问卷17 份。

（6）实验目的。得到被试清晰辨认视力表上E 的开口方向所用的时间即明适应反应时间、皮肤电流信号（EDA）和光电容积脉搏波信号（PPG）实验数据以及主观问卷结果。

（7）实验过程。①先将EDA 皮电传感器通过一次性电极片连接到被试手掌上，记录被试的皮肤电导数据，然后将PPG 传感器固定在被试的耳垂上，记录被试的光电容积脉搏数据。②研究人员为被试讲解实验过程与注意事项。③让被试坐在室内窗的指定座位上。④清洁被试的手掌和耳垂，研究人员为被试佩戴生理传感器。⑤被试静坐3 min，放松心情，保持心情平静，并通过ErgoLAB 软件记录被试的生理信号基线数据。⑥让被试的头转向室外黑暗环境静坐0.5 min 后，开启室内环境光源，同时让被试的头转向室内光环境的方向。研究人员指定一个E 开口方向，让被试正确辨认视力表上E 的开口方向并对该实验场景的光环境评价打分。整个一组实验过程耗时1 min，记录被试的明适应反应时间和在该组照明环境下实验的生理信号数据。重复实验，30 组共30 min。最后回收光环境评价打分表。⑦回收问卷，取下实验仪器，实验结束。

2 实验数据分析

（1）主观问卷与EDA、PPG 的吻合度分析。在实验结果统计中发现，主观问卷与EDA、PPG 的结果基本一致，吻合度较好。

（2）信度分析。对采集到的舒适度采用被试内部一致性信度系数进行统计分析，以衡量其信度。统计结果显示，对窗空间明适应的光环境舒适度实验的被试的一致性信度系数为0.822，达到Bakeman[6]提出的0.75 的被试一致性标准。

（3）各变量的平均数、标准差和相关系数分析。通过SPSS 软件分析色温、垂直照度、反应时间以及舒适度变量的平均数、标准差和相关系数，结果显示，色温和照度不相关，色温与反应时间和舒适度不存在显著性；而垂直照度和反应时间存在显著的负相关，垂直照度和舒适度存在不显著的正相关，反应时间和舒适度存在较弱的负相关。由此可以看出，反应时间主要与垂直照度和舒适度有较大的关联性[7]。

（4）方差分析。通过SPSS 软件对色温、垂直照度与反应时间和舒适度进行方差分析，结果显示，色温与反应时间的P=0.726 ＞0.05，色温与舒适度的P=0.178 ＞0.05，即色温与反应时间和舒适度无显著性差异；而垂直照度与反应时间和舒适度的P=0.000 ＜0.05，即垂直照度与反应时间和舒适度有显著性差异。

3 实验结果

3.1 明适应水平与垂直照度的关联性

在不同色温照度下，反应时间的变化，即被试的明适应水平的变化，通过SPSS 线性回归分析，在不考虑色温的情况下，垂直照度与反应时间的P=0.03 ＜0.05，有显著性，且线性系数为-0.02，呈负相关。

3.2 反应时间与舒适度的关联性

反应时间与舒适度的关系如图2 所示。从图2 可以看出，反应时间＜5.12 s 时，舒适度值相对稳定且表现为较舒适，结合问卷结果可以看出反应时间＜5.12 s的垂直照度分别为300 lx、400 lx 和500 lx；反应时间在5.12 ～6.82 s 时，舒适度值相对不稳定且有少部分表现为不舒适，结合问卷结果可以看出，反应时间在5.12 ～5.72 s 的垂直照度主要集中在100 lx 和200 lx。

图2 明适应反应时间与舒适度的关系

4 结论

不舒适的室内窗空间光环境会使人在室内外视线转换过程中的适应水平减弱，甚至会让人感觉刺眼、眩晕，因此研究舒适的室内窗空间光环境十分必要。文章研究了夜间在不同垂直照度和色温的光环境下，人在室内外视线转换过程中明适应对应的舒适度,得出以下结论：

（1）通过比对主观问卷和EDA、PPG 的结果，二者吻合度较高。

（2）通过信度分析，结果表明该实验符合一致性标准。

（3）通过相关性分析和方差分析，结果一致表明色温和照度之间不相关，色温与反应时间和舒适度不存在显著性，垂直照度与反应时间和舒适度存在显著性。

（4）通过分析因变量反应时间和舒适度的关联性图表，在垂直照度分别为300 lx、400 lx 和500 lx 以及明适应反应时间＜5.12 s 时，舒适度值相对稳定且表现为较舒适。