高校教室LED照明效果与不同场景光环境需求研究

王 贺，薛 鹏，梁青璇，赵梦静，赵一凡

(北京工业大学，绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室，北京 100124)

引言

高校教室是大学生活动的重要场所，因其大部分学习时间集中在教室[1]，良好的教室光环境可以提升学生的环境满意度[2]，从而提高学习效率[3]。目前通过对北京市部分学校教室采光照明的调查分析, 发现其光环境与国家标准差距较大[4]。此外，随着绿色建筑和健康建筑标准的快速发展，LED光源比荧光灯更好地满足规范中对平均照度、照度均匀度和照明功率密度的要求[5]，但是其光谱特性带来的综合影响还需通过指标多维度进行判定。

国际照明委员会(CIE)在《室内工作场所照明》中指出光环境要关注照度、亮度分布、眩光、光及表面的颜色、闪烁等指标[6]，中国发布的《中小学校教室采光和照明卫生标准》对照度、照度均匀度、显色性和照明功率密度等光环境指标也做了明确规定[7]。许多学者利用现有指标对教室光环境进行评价研究，陈仲林[8]针对光环境指标，根据层次分析法和灰色理论，提出了定性和定量相结合的综合评价方法。杨彪等[9]运用模糊综合评价法建立了中小学教室光环境综合评价指标体系, 并利用 Delphi 法和改进的层次分析法确定了各指标的相对权重。刘琳等[10]将多目标优化理论与教室照明相结合对教室光环境进行评价。在光环境指标评价研究的基础上，有学者对教室光环境光度学色度学耦合需求做了进一步研究，严永红、关杨等[11]采用平行组实验的方法对不同色温下的最佳照度、最佳照度下的色温偏好及光环境因子重要性排序等进行评价测试，结果显示，学生对750 lx照度下中间色温4 000 K的光环境主观评价较好，高色温次之、低色温最差。杨春宇等[12]对秋冬季V类光气候地区高校教室的照明环境色温和照度与主观舒适度的关系进行分析，结果显示，学生倾向于高照度和低色温的照明环境。

目前，很多学者都对教室光环境进行评价研究并根据标准和需求提出改进方案，但只是单纯考虑日间或夜间的教室光环境，缺乏对日夜不同时间光环境需求的对比分析；同时仅通过现有标准指标进行评价[13]，未考虑亮度对比度和生理等效照度等标准以外的指标且未给出满足光环境提升需求的具体指标阈值。因此，本文基于LED照明效果的现状，从日夜不同时间出发，对比上课和自习不同场景光环境需求，结合客观指标测量和主观问卷调研数据，提出并利用一套完整的分析流程，识别影响学生光环境满意度的归因客观指标及其阈值。本研究结果为大学教室光环境后评估提供了基础数据，同时对舒适光环境营造与提升起到指导作用。

1 研究方法

本研究结合主观问卷调查和客观环境参数测量，并利用SPSS 25.0软件对不同时间(日间和夜间)和不同场景(自习和上课)下影响学生光环境满意度的因素进行分析，通过完整的分析流程(满意度描述性分析→主观感受相关分析→需求提升分析→客观指标识别→指标阈值分析)得到满足教室光环境提升需求的客观指标及其阈值，为学校教室光环境的设计提供参考，具体步骤如图1所示。

图1 研究技术路线图Fig.1 Research roadmap

1.1 问卷调查

本研究调研地点为北京某大学的第一、三和四教学楼的典型教室(南北朝向，三面外窗，8组灯具，42个座位)，调研时间为2019年11月至12月(日间14:00—17:00，采光+照明；夜间19:00—21:00，照明)，调研对象为教室学生。本研究预发放问卷100份以进行信度的检验，旨在对相同评价组内不同评价项目的一致性或不同评价组重复评价结果的一致性进行分析[14]，结果显示Cronbach Alpha系数α>0.7，即问卷具有较高的可靠性[15]。

作为随机抽样调查，为确定具有统计学意义的样本量可用以下公式计算：

(1)

式(1)中，N表示样本量大小，Z是和置信水平相关的一个数值(本研究取95%的置信度，对应Z为1.96)，σ2表示总体的标准差(在抽样调查时，σ2一般取最大值0.25)，E表示绝对误差(本研究取小于5%)[16]，计算得到样本量N应大于384。本研究正式发放问卷500份，有效样本为482份(日间242份，夜间240份)，问卷均采用Likert五分量表的形式提问[17]，其中在数据分析时，“1”和“2”划分为不满意；“3”为中性；“4”和“5”划分为满意。问卷第一部分为参与者的基本信息，第二部分为上课和自习场景下学生对水平照度、垂直照度、照度均匀度、亮度、亮度对比度、色温、显色性和频闪等光环境指标的主观感受，第三部分是学生对光环境的满意度，第四部分是光环境对睡眠、注意力、心情等生理和心理的影响。

1.2 现场测量

为保证后续对比分析和数据的有效性，各项室内光环境指标均在学生填写问卷的同时进行测量[18](图2)。其中桌面照度(水平照度)和黑板照度(垂直照度)为被照面平均值[19]，具体测量仪器及精度如表1所示，亮度对比度、照度均匀度和生理等效照度等指标基于测量数据计算得到。

图2 调研现场照片Fig.2 Photos of investigation site

表1 测量仪器及其精度Table 1 Measuring instrument and accuracy

1.3 数据分析

本研究使用SPSS 25.0软件对问卷及客观测量数据进行了准确的编码和分析。采用Spearman秩相关系数[20]分析学生光环境满意度与主观感受的关系，主观感受与客观指标的关系；采用Mann-Whitney U检验[21]识别不同光环境满意度之间学生主观感受分布的差异；最后，根据光环境满意度与客观指标的关系，确定满足光环境满意度提升需求的客观指标阈值。前人研究以50%的次数引起感觉确定阈值[22]，以总数67%的数量合格认为满足规范[23]，本研究将以80%更为严苛的标准来评判学生满意度是否产生变化。

2 研究结果及分析

2.1 LED照明效果分析

1)LED照明效果对标分析。以现有标准为依据，将LED照明营造的光环境进行对标分析，结果见表2。

表2 LED照明效果对标分析Table 2 Comparison of standard results for LED lamps

由表2可知，在照度方面，LED满足标准占比为62.4%；在均匀度方面，LED满足标准占比高达98.1%。上述数据表明教室光环境达标情况仍不可观，以下均采用满足规范的样本，以识别光环境质量进一步提升的途径。

2)光环境满意度分析。结合主观问卷数据分析LED照明效果，如图3所示。对LED营造的光环境感到中性(满意度=3)的学生人数占比为44%，满意(满意度=4&5)的学生人数占比为52%。LED照明效果还与使用时长、灯具的功率和布置方式有一定关系，为更加科学地分析学生对不同场景光环境的需求，还需从光环境指标的角度出发。

图3 光环境满意度及对应学生人数占比Fig.3 Luminous environment satisfaction and the proportion of corresponding students

2.2 指标提升分析

为保证分析流程的完整性，在光环境指标分析之前，先对不同时间和场景学生光环境满意度进行总体描述，如图4所示。

图4 不同场景光环境满意度分值占比Fig.4 The ratio of light environment satisfaction score in different scenes

由图4可知，日间学生对光环境的满意度占比优于夜间，同一时间段，自习场景满意人数高于上课场景，同时夜间上课学生满意程度较低。为识别导致上述光环境满意度不同的具体因素，利用Spearman秩相关系数分析光环境满意度与学生主观感受的单调关系，如表3所示。

表3 光环境满意度与主观感受的相关性Table 3 The correlation between the satisfaction of luminous environment and feeling degree of each index

由表3可知，日间上课时学生满意度受垂直照度和光源色温影响较大，自习时受光源色温和水平照度影响较大；夜间上课时受垂直照度和照度均匀性影响较大，自习时受水平照度和光源显色性影响较大。主观感受的相关性和显著性已经证明，但不代表实际环境仍存在提升空间。鉴于不同光环境场景的分析思路相同，以日间自习场景为例，进一步讨论主观感受因素(光源色温、水平照度)在光环境满意度等级之间的差异。采用Mann-Whitney U检验的方法，以光环境满意度从“中性”提升至“满意”为例，结果如图5所示。

图5 主观感受在“中性”和“满意”之间的差异性Fig.5 The difference between “neutral” and “satisfied” subjective feelings

由图5可知，日间自习学生对色温和水平照度的主观感受满意度均满足sig≤0.05且平均数差距明显，故存在显著性差异，即光环境满意度由中性提升为满意时应着重考虑以上两个主观感受的提升。为进一步识别影响主观感受的客观指标，利用Spearman秩相关系数分析得到相关性大且显著性强的客观指标如表4所示。

由表4可知，光源色温、显色指数和亮度对比度与水平照度和色温满意度呈现显著相关关系，即在光环境满意度从“中性”至“满意”的提升过程中，应该着重考虑以上三个客观指标的改善。因此，本研究利用小提琴图探讨上述三个客观指标与光环境满意度的关系，再通过对应“中性”和“满意”的各指标百分比堆积柱形图分析其具体阈值，结果如图6所示。

表4 与主观感受相关的客观指标统计Table 4 Statistics of objective indicators related to subjective feelings

图6 光环境满意度与客观指标关系Fig.6 The relationship between satisfaction with the luminous environment and objective indicators

由图6(a)和6(b)可知，在日间自习时，学生的光环境满意度与光源色温和显色指数成正相关关系(相关系数0.383**和0.324**)，即光源色温和显色性值越高，满意的学生越多；由图6(c)可知，满意度与亮度对比度成负相关关系(相关系数-0.237**)，即亮度对比度越低，满意的学生越多。以80%作为评判标准计算，结果显示，若要将日间自习时的光环境满意度从中性提升至满意，色温需要提高至5 700 K，光源显色指数需提高至82，亮度对比度需低于0.5。

2.3 分析结果汇总

基于2.2节的分析流程，针对其他特定时间和场景的光环境提升需求，相应的客观指标及其阈值总结如表5所示。

表5 特定时间及光环境场景的指标阈值汇总Table 5 Summary of the index threshold of specific time and luminous environment scene

由表5可知，光环境满意度从不满意提升至中性，均未识别出具体指标，主要原因在于不满意的因素多样且离散性较强，难以归为单一因素影响。但在从中性提升至满意的过程中，不同时间和场景的归因指标及其阈值均有不同结论。首先，日间上课需提升指标多于夜间，可能由于日间受天然采光影响色温和显色性变化较为明显。其次，日间上课所需垂直照度低于夜间，一方面，由于日间教室具有天然采光，整个教室照度水平高于夜间；另一方面，光环境满意度是多个指标共同作用的结果，受同一环境的其他光环境指标影响，导致结果出现差异。此外，夜间自习所需色温高于日间，可能由于学生在夜间自习时受外界环境因素和生理因素等影响易产生困倦感，因此，更偏爱较高色温的光以集中注意力。

3 结论

本文以北京某大学三栋教学楼的典型教室为研究对象，结合主观问卷调查和客观环境测量，并利用SPSS软件进行数据分析，以识别不同光环境场景下提升学生光环境满意度的客观指标阈值。本研究在前人研究的基础上，分析了LED光源照明效果，增加了对亮度对比度和生理等效照度指标的研究，提出并运用一套完整的分析方法，对不同时间和场景的教室光环境进行了分析，主要结论如下：

1)LED光源基本满足现有标准在照度和照度均匀度方面的要求。

2)不同的时间和场景下，学生对光环境的主观需求均有不同，其中主要控制参数为水平照度、垂直照度、色温、显色指数、亮度对比度和生理等效照度。

3)在提升教室光环境质量时，日间上课应保证垂直照度达到210 lx，色温达到5 600 K，显色指数达到80；日间自习应保证色温达到5 700 K，显色指数达到82，桌面亮度对比度低于0.5；夜间上课应保证垂直照度达到240 lx，生理等效照度达到180 lx。

夜间自习应保证水平照度达到400 lx，色温达到5 800 K，显色指数达到83。此阈值为本研究统计分析结果，其精确程度可在实验条件下进一步验证。

综合以上结果，在保障灯具数量和合理的布置方式的基础上，大学教室光环境设计，可考虑选用色温高于5 600 K且显色指数高于80的LED光源，并尽可能安装调光调色的智能灯具系统以保障不同场景需求的转变，同时使用浅色材质的桌面以降低亮度对比度，黑板应设置局部照明以满足垂直照度需求，进而有效提升教室光环境质量。