基于不同热光环境下的人员工作效率的研究

于慧俐，梁梦珂，管宏宇

(青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 266033)

随着社会经济的发展，工作效率越来越被人们所重视，提高工作效率将有利于公司经济效益的提高.在经济高速发展的时代，工作效率高则意味着具有更大的竞争优势，达到相同绩效的同时缩短工作时间，能使人员有更多的时间去学习其他内容提升自己和休闲放松，这将会在一定程度上提升人们的幸福感.根据调查发现，人们在室内的时间占据全天的80%～90%[1].室内环境的优劣不仅影响人员身体健康、情绪波动和舒适度，还在很大程度上影响人们对信息的接收速度和处理能力，这些对人们的工作效率都会造成影响.本研究通过改变室内温度、照度、色温3个因素在大量实验的基础上，来探究室内热光环境对人员工作效率的影响.这将为通过改变室内环境来提高工作效率提供理论依据.

对于室内环境对工作效率的影响，学者们进行过大量研究.FISK和ROSENFELD提出室内环境质量影响工作效率的几种疾病，如过敏、哮喘、传染性疾病、病态建筑综合症[2].在20世纪60年代，有学者进行过一项经典的实验来探究室内环境质量与人员工作效率的关系，实验探究了6个不同室内温度工况对学生学习成绩的影响[3].有研究表明工作效率可能受工作热情、舒适感、视觉、声音以及环境参数等影响.室内热环境中影响工作效率的因素有很多，主要是环境温度，有研究表明，高温环境下的人员工作效率下降.室内光环境对工作效率的影响研究相对来说较少，笔者认为光环境会直接通过视觉效果影响工作效率，例如当光环境照度较高时，会通过抑制褪黑激素的产生来影响人体，进而影响人员工作效率.有些研究发现，当照度过低时，任务绩效会有所下降.张颜梅通过实验研究发现，照度对认知任务的输出绩效有显著影响，并且提出照度在300～500 lx时，输出绩效最高[4].兰丽研究声、光、热环境对人员工作效率的影响，并建立一个多因素人员工作效率影响机制模型[5].严永红等探究光源色温对学习效率的影响，发现高色温和高照度时学习效率降低，原因可能是高色温、高照度时大脑皮层的活性较高，更易出现疲劳导致学习效率下降[6].

1 实验对象

1.1 受试者

16名大学生和研究生参加本实验，男生8人，平均年龄(18.88±1.6)岁，平均身高(175.86±4.3) cm，平均体重(71.25±6.2) kg；女生8人，平均年龄(21.36±1.9)岁，平均身高(160.38±5.7) cm，平均体重(56.5±8.2) kg.受试者均身体状况良好，视力经矫正后不低于5.0.受试者在实验过程中统一服装，上半身：秋衣+工装外套；下半身：秋裤+工装长裤+袜子+运动鞋.计算服装热阻为1.288 clo.为了保证实验尽可能准确，要求受试者保证前一晚睡眠时间7～8 h，实验开始前避免过度运动，目的是为了保证受试者稳定的代谢水平，禁止饮用功能性饮料，防止对人体产生刺激性影响.

1.2 实验条件

本实验在温湿度可控的实验小室(图1，2)中进行，由3种温度(18，22，26 ℃)、3种照度(100，300，500 lx)、3种色温(3000，4000、5700 K)组合成27种实验工况.

2 实验方法

2.1 实验程序

实验前实验人员设置好实验工况，受试者进入实验小室换实验统一服装，在小室内看书学习，适应实验环境30 min后，开始测试各项生理参数，做指针表试卷，最后填写主观问卷.

2.2 实验仪器

室内气温测试仪器为Testo 174H温湿度记录仪，温度量程-40～100 ℃，精度±0.5 ℃，分辨率0.1 ℃；湿度量程0～100 RH，精度±3% RH，分辨率0.1% RH.

光源照度、色温测试仪器：实验开始前，改变光环境，在同一测点测试照度、色温来满足实验要求.采用CHROMA METER CL-200色彩照度计，测量范围 0.1～99 990 lx，0.01～9999 fcd(色度：5 lx，0.5 fcd 或以上)，在4个量程内自动选择.

2.3 测试数据

1) 填写主观问卷，包括明亮感、疲劳感、显色性、放松感、愉悦感等，综合考虑这5个指标，定义为主观舒适度.

明亮感：指受试者认为当前室内环境的明亮程度，投票值为-2～2，代表明亮—不明亮；

疲劳感：指受试者在当前环境下认为自己的整体疲劳感程度，投票值为-2～2，代表不疲劳—疲劳；

图1 实验小室平面

图2 实验小室灯具布置

图3 指针表试卷

显色性：指受试者在当前环境下，认为环境中物体的失真程度，投票值为-2～2，代表不失真—失真；

放松感：指受试者在当前环境下整体放松程度，投票值为-2～2，代表放松—不放松；

愉悦感：指受试者对当前环境下的愉悦程度，投票值为-2～2，代表愉悦—不愉悦.

2) 指针表试卷：试卷由8个方向一共160个箭头组成(图3).实验过程中由实验者指定任意2个方向的箭头，受试者从头到尾浏览试卷，将指定的2个箭头勾选出来.实验用指针表试卷的实际用时和正确率来表示工作效率.实际用时是指受试者做完整张试卷的时间；正确率指的是受试者勾选出来的箭头符合要求的个数除以总个数.

2.4 数据处理

用指针表试卷成绩表征工作效率，试卷成绩包括实际用时、正确率两部分，对于工作效率的评价不能单看某一项指标，所以本实验采取熵值法求2个指标权重，结合实际用时评分和正确率评分加权得到综合得分来表示综合绩效.

在信息论中，熵是对不确定性的一种度量.信息量越大，不确定性越大，熵越小.根据熵的不确定性，可以利用熵值法来确定指标权重，熵值可以用来判断某个指标的离散程度，离散程度越大，该指标对综合评价的影响越大.

首先，实际用时和正确率的计量单位并不统一，所以要进行标准化；其次正确率越高越好，属于正向指标，而实际用时越低越好，属于负向指标，所以二者标准化的方式有所不同.

正确率：

(1)

实际用时：

(2)

计算第j项指标下某个工况所占比重：

(3)

计算第j项指标的熵值：

(4)

计算信息熵冗余度：

dj=1-ej

(5)

计算两指标权重：

(6)

熵值法计算权重所用的数据都为受试者实验中指针表试卷的真实测试数据，由于数据量巨大，此处给出部分样本点数据，如表1、表2所示.

表1 实际用时 s

表2 正确率数据

图4 评分规则

经计算实际用时所占比重0.453，正确率所占比重0.547.

对于评分，选择实际用时的最短时长46 s和最长时长131 s作为区间来评分，评分为百分制，46 s为100分，131 s为0分，将实际用时转化为百分制.正确率选择最高正确率和最小正确率作为区间来评分，同样转化为百分制(图4).

经计算得出：综合绩效=0.453×实际用时评分+0.547×正确率评分.

通过熵值法，利用真实测试数据求得每个指标的权重.由于数据量巨大，此处列出部分实验数据，如表3—7所示.

表3 明亮感投票数据

表4 疲劳感投票数据

表5 显色性投票数据

表6 放松感投票数据

表7 愉悦感投票数据

表8 主观舒适度中各指标权重

利用以上5个测试指标的真实实验数据，定义一个主观舒适度，根据熵值法求得5个指标所占权重，见表8.

主观舒适度=0.194×明亮感主观值+0.181×疲劳感主观值+0.219×显色性主观值+0.152×放松感主观值+0.254×愉悦感主观值

为了有助于理解，将熵值法求得的各工况下的得分值加2，即主观舒适度范围为0～4，代表从舒适—不舒适，与热舒适度量范围类似.

3 实验结果与分析

3.1 主观舒适度

经计算后主观舒适度分析结果如图5—7所示.

分析可知：不论哪个温度工况下，在实验照度范围内，随着照度升高主观舒适度越来越好，而且随着色温升高，主观舒适度同样越来越好，可以认为不论室内温度如何，对于主观舒适度来说，高色温、高照度要优于低色温、低照度.

并且对比图5—7可以发现主观舒适度最优的温度工况为22 ℃，其次为18 ℃，并且18与22 ℃相差不大，而26 ℃下的主观舒适度要稍差于18和22 ℃.

由于数据量太大，无法一一罗列，将直接给出处理后数据.

各个温度下主观舒适度得分的平均值及各个温度下得分的差值如表9所示.

表9 主观舒适度得分

由表9数据可知，随着温度的升高，主观舒适度得分差值越来越大，即温度越高，人体主观舒适度波动幅度越大，可以说明温度越高，主观舒适度受到光环境的影响越大.从平均值可以发现，在中性环境22 ℃下，人体主观舒适度得分最小，即最舒适，并且可以发现，从中性环境到偏冷环境主观舒适度得分下降0.1，而从中性环境到偏热环境中主观舒适度得分下降0.2，也可以说，人体在偏热环境中受到光环境影响较大.

3.2 工作效率受光环境影响规律

分析结果可知，偏冷工况18 ℃，与22，26 ℃不同，工作效率结果如图8—9所示.

从图8可以发现，在18 ℃时，100，300 lx照度下的综合绩效相差不大，而500 lx照度下综合绩效明显升高，对比主观舒适度也可以发现500 lx的主观舒适度要高于100，300 lx. 不论中高低色温，100与300 lx之间工作效率得分差值为0.2～1.1，幅度较小，可以认为不论色温如何，低、中照度之间工作效率差距可以忽略，而500 lx相对于其他2个照度，差值最大为6，明显要高于其他2个照度下工作效率，所以在偏冷环境时为提高工作效率应尽量选择较高照度.

可以发现随着色温的变化，工作效率在4000 K时最低(图8)，是因为在18 ℃下，3000 K是可以减少人体散热，有利于保持人体热平衡的，这点YASUKOUCHI在研究中谈到了，3000 K相对于较高色温有利于人体舒适[7].即3000 K下的热舒适是要优于4000 K.

在 22，26 ℃下，随着照度升高，工作效率先升后降(图9—10).22 ℃时，低照度升至中间照度时，工作效率上升范围为1.48～4.50，而中间照度升至500 lx时，工作效率下降范围为0.37～2.49.在300 lx时工作效率最高，说明在室内光环境方面可以通过提高照度的方式来提高工作效率，但是该方式有一定限制，当照度升高到500 lx时，工作效率会出现略微下降，幅度较小.原因可能是因为高照度会分散人的注意力，进而影响工作效率.BYOUNG-KYONG Min在实验研究中发现，在持续的注意力任务中，较强的光照会导致人的注意力受到影响[8].所以说在低温环境下，适合选择较高照度500 lx、稍高色温5700 K.

随着色温升高也可以发现工作效率先升后降，在中间色温4000 K时工作效率最高，并且发现3000 K色温下，不论何种照度都表现为最低的工作效率，说明3000 K低色温不适合人员进行阅读学习(图9—10).对于高色温工作效率会下降的原因，认为与人体在高色温时大脑活性高有关.严永红等提到在高色温下，α波、β波指数变化率大，认为在高色温下大脑活性较高，会增加人的疲劳，进而导致工作效率会有所降低[6].可以发现在中性和偏热环境下，工作效率最优的光环境为300 lx、4000 K.对比主观舒适度可以发现，在主观舒适度最优的环境中并没有最高的工作效率.

同时通过分析受试者的热感觉、热舒适可以发现，人的热调节不可忽略，26 ℃的热感觉投票和22 ℃相差并不大，而18 ℃热感觉投票则表现为偏冷.偏冷环境中最优光环境的照度、色温都要高于其他2个温度工况，可以认为在偏冷环境下，人的注意力会更集中，所以说高照度、高色温带来的影响不如22和26 ℃.

3.3 工作效率受温度影响规律

经分析可以发现工作效率随着温度变化规律并不明显，这与以往研究有所不同，以往研究认为人在偏冷环境中工作效率会稍高一些，而偏热环境会使得人精神不振，或者加剧病态建筑综合症进而影响工作效率.分析其原因可能是本实验的温度工况过于保守，18，22，26 ℃工况的确定是综合温度、风速、新陈代谢率、服装热阻等计算的PMV(预计平均热感觉指数)为-1～1，位于舒适区温度范围内，故本实验中温度对工作效率影响不明显.

4 结论

1) 分析主观舒适度可以发现，不论室内温度如何，对于主观舒适度来说，高色温、高照度要优于低色温、低照度.

2) 对于工作效率，偏冷工况和其他2个温度工况是不同的，在偏冷工况时100，300 lx照度下的综合绩效相差不大，而500 lx照度下综合绩效明显升高，即在环境偏冷时，为提高工作效率宜选择较高照度，而在中性环境和偏热环境时，最优环境为300 lx、4000 K.