基于評價實驗的辦公室光環(huán)境舒適度研究

劉 剛，劉夢柳，雒 琛，黨 睿

(天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072)

基于評價實驗的辦公室光環(huán)境舒適度研究

劉 剛，劉夢柳，雒 琛，黨 睿

(天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072)

針對辦公室光環(huán)境設(shè)計與評價方面存在的問題，基于評價實驗，研究了照度、相關(guān)色溫、照度均勻度對照明舒適度的影響規(guī)律，并提出能夠滿足光環(huán)境舒適度的照明節(jié)能設(shè)計建議。同時根據(jù)得到照明指標(biāo)對舒適度的影響量化數(shù)據(jù)，通過SPSS軟件進(jìn)行多元非線性回歸分析，提出了辦公室光環(huán)境評價數(shù)學(xué)模型。研究成果可為辦公室照明設(shè)計提供參考，并為光環(huán)境評價提供工具。

辦公室照明；光環(huán)境舒適度；影響規(guī)律；評價模型

引言

辦公室人工光環(huán)境是室內(nèi)環(huán)境的重要組成部分，其功能是滿足生理、心理、美學(xué)等各方面的要求。舒適健康的照明環(huán)境不僅能使人精神愉悅，提高工作效率，還能避免因光環(huán)境不適對身體造成的傷害[1]。但目前對于人工光環(huán)境舒適度的相關(guān)研究還存在如下問題：首先，單參數(shù)、離散變量的評價方式缺少對變量間的耦合影響的考慮；其次，目前對于光環(huán)境舒適度的評價方法較為復(fù)雜，實際可操作性不佳[2-5]。因此，為解決上述問題，本文采用實驗方法，研究不同照明參數(shù)對光環(huán)境舒適度的耦合影響規(guī)律，并提出辦公室照明舒適度評價數(shù)學(xué)模型。

1 光環(huán)境舒適度評價實驗

1.1 控制變量

選取照度(100 lx、200 lx、300 lx、400 lx、500 lx)；相關(guān)色溫(2 700 K、4 000 K、6 500 K)；照度均勻度(0.4、0.7)作為辦公室光環(huán)境舒適度評價實驗的控制變量，同時保證如顯色指數(shù)等其他指標(biāo)滿足GB 50034—2013規(guī)定[6]。在保證實驗方法和實驗過程合理的前提下，對上述參量進(jìn)行排列組合，得到30組人工光環(huán)境實驗工況。

1.2 空間搭建

實驗室長4.6 m，寬3.6 m，高3.3 m，墻面為刷白色乳膠漆的輕質(zhì)隔墻，并使用遮光簾對窗口進(jìn)行掩蔽。選取辦公室照明典型光源-直管熒光燈作為實驗光源，并配置調(diào)光鎮(zhèn)流器，參數(shù)見表1。對于照度參數(shù)調(diào)節(jié)，通過調(diào)光鎮(zhèn)流器實現(xiàn)；對于相關(guān)色溫調(diào)節(jié)，通過各種色溫光源實現(xiàn)；對于照度均勻度調(diào)節(jié)，通過不同位置的燈具啟閉實現(xiàn)。由于控制變量較多，本實驗開發(fā)了一套可調(diào)光控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)的上位機軟件采用Visual Basic語言編寫，通過Windows系統(tǒng)的虛擬串口來模擬Modbus主機協(xié)議，并通過USB-485轉(zhuǎn)換器與照明系統(tǒng)控制接口相連，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

表1 實驗光源及鎮(zhèn)流器參數(shù)

圖1 燈具布置圖Fig.1 Lamp layout

1.3 照明參數(shù)

通過調(diào)光控制系統(tǒng)切換光源亮度、開啟類型及開啟位置，利用CL-200A色彩照度計測量被試面照度、相關(guān)色溫、顯色指數(shù)、照度均勻度，保證所有參數(shù)均在熒光燈開啟并穩(wěn)定30 s后，每種工況下均能滿足實驗設(shè)計要求，保存設(shè)置以供正式實驗時直接調(diào)用。被測試者位置如圖2所示，照度測點如圖3所示，光環(huán)境參數(shù)測量結(jié)果如表2所示。

圖2 被測者位置圖Fig.2 The position of the subjects

圖3 測點布置圖Fig.3 Measuring point layout

表2 人工光環(huán)境參數(shù)測量結(jié)果

1.4 實驗方法

實驗共包含30名被試者，但由于實驗空間為小型辦公室，不能同時容納30名被試者，因此將被試者分為10組，每組3人按照圖2所示進(jìn)入實驗室參與舒適度問卷評價。問卷按照舒適度水平被分為7檔，其中1為極不舒適，2為不舒適，3為較不舒適，4為適中，5為較舒適，6為舒適，7為非常舒適。

實驗按照在調(diào)光控制系統(tǒng)已設(shè)置完成的30種照明工況，依次開啟光源。為避免因熒光燈在開啟后短時間內(nèi)的不穩(wěn)定問題，每種工況燈具開啟并穩(wěn)定30 s后被試者開始填寫問卷；然后關(guān)閉所有實驗光源，僅開啟輔助照明保證室內(nèi)基本光環(huán)境需求，并防止由于明暗急劇變化引起的眩光；被測者休息15 s后進(jìn)行下一種工況的評價實驗；為防止視疲勞，待第15種工況結(jié)束后休息30 min，再進(jìn)行剩余15種工況評價。在實驗結(jié)束后對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 實驗數(shù)據(jù)分析

2.1 照明指標(biāo)對光環(huán)境舒適度影響規(guī)律

由圖4可知，均勻度為0.7時：在照度方面，平均照度從100～200 lx光環(huán)境舒適度值上升較快；平均照度從200～500 lx時，光環(huán)境舒適度變化不大且基本維持在適中水平。在色溫方面，無論何種照度水平，相同照度下3 850 K光源的舒適度均最高；當(dāng)照度低于300 lx時，2 729 K光源的舒適度高于6 485 K光源；當(dāng)照度高于300 lx時，6 485 K光源的舒適度高于2 729 K光源。因此，當(dāng)辦公室照度較均勻時，無論采用何種色溫光源，平均照度水平達(dá)到200 lx后均可滿足基本舒適度要求(舒適度指標(biāo)大于4)，但再提高照度對舒適度影響不明顯，從節(jié)能角度考慮可以控制辦公室平均照度水平在200 lx。在此基礎(chǔ)上(照度低于300 lx)，應(yīng)優(yōu)先選擇中間色溫光源，其次為低色溫光源，最后為高色溫光源。

圖4 照明指標(biāo)對光環(huán)境舒適度影響規(guī)律(0.7均勻度 )Fig.4 The effect of illumination index on the comfort of light environment(0.7 uniformity)

從圖5可知，照度均勻度為0.4時：在照度方面，舒適度水平隨照度值增加而增加，尤其是從100 lx變化到200 lx時，舒適度提升非常明顯，從200 lx變化到500 lx時舒適度上升較為緩慢。在色溫方面，不同色溫光源表現(xiàn)有所差異：3 850 K的光源整體舒適度最高，且當(dāng)照度達(dá)到200 lx后，舒適度隨照度值的增加幾乎無變化；6 485 K的光源整體舒適度居中，且當(dāng)照度達(dá)到200 lx后，舒適度隨照度值的增加緩慢提高；2 729 K的光源整體舒適度最低，照度在100～200 lx區(qū)間舒適度提升明顯，在200～400 lx區(qū)間舒適度變化很小，在高于400 lx后舒適度又有明顯提高。因此，當(dāng)辦公室的照度均勻度一般時，中間色溫光源對提高舒適度最為有利，只要達(dá)到200 lx即可滿足要求(舒適度指標(biāo)大于4)，且照度不宜過高；當(dāng)使用高色溫光源時，照度應(yīng)達(dá)到250 lx以滿足舒適度要求，且可根據(jù)實際需求適當(dāng)提高照度；當(dāng)使用低色溫光源時，照度必須達(dá)到400 lx才能滿足舒適度要求，因此除非對低色溫有明確要求的場所，否則不宜采用低色溫光源，對照明節(jié)能不利。

圖5 照明指標(biāo)對光環(huán)境舒適度影響規(guī)律(0.4均勻度 )Fig.5 The effect of illumination index on the comfort of light environment(0.4 uniformity)

2.2 多元回歸分析及模型提取

基于實驗得到的照度、色溫、照度均勻度對辦公室光環(huán)境舒適度影響數(shù)據(jù)，以“照度”和“色溫”為解釋變量，以“舒適度”為被解釋變量，通過SPSS軟件進(jìn)行多元非線性回歸分析[7]，擬合舒適度多元非線性模型，得到能夠量化評價各照明指標(biāo)對辦公室光環(huán)境舒適度影響的數(shù)學(xué)方程。并對模型進(jìn)行檢驗，得到模型迭代歷史記錄和方差分析結(jié)果。根據(jù)實驗設(shè)置，對照度均勻度為0.7和0.4兩種工況分別進(jìn)行研究。

1)照度均勻度為0.7。經(jīng)過對模型的檢驗分析，得到模型的迭代歷史記錄見表3和模型方差分析結(jié)果見表4和表5。

表3 迭代歷史記錄②③

①由于連續(xù)參數(shù)估計值之間的相對減少量最多為 PCON=1.000×10-8，因此在3模型評估和2導(dǎo)數(shù)評估之后，系統(tǒng)停止運行。

②主迭代數(shù)在小數(shù)左側(cè)顯示，次迭代數(shù)在小數(shù)右側(cè)顯示。

③導(dǎo)數(shù)是通過數(shù)字計算的。

表4 參數(shù)估計值

表5 ANOVA①Table 5 ANOVA

因變量：Y

①R2=1-(殘差平方和)/(已更正的平方和)=0.669。

對結(jié)果進(jìn)行分析，可以看到經(jīng)過數(shù)次迭代，模型達(dá)到要求。最終回歸得到模型為

LPMV=-2.267×10-5×T+0.01×E+

0.071×E2-0.48

(1)

其中LPMV代表舒適度，T代表相關(guān)色溫，E代表平均照度，且模型的擬合優(yōu)度達(dá)到0.812，在統(tǒng)計學(xué)意義上該模型具有很好的擬合度。

2)照度均勻度為0.4。經(jīng)過對模型的檢驗分析，得到模型的迭代歷史記錄見表6和模型方差分析結(jié)果見表7和表8。

表6 迭代歷史記錄②③

①由于連續(xù)殘差平方和之間的相對減少量最多為SSCON=1.000×10-8，因此在 4 模型評估和 2 導(dǎo)數(shù)評估之后，系統(tǒng)停止運行。

②主迭代數(shù)在小數(shù)左側(cè)顯示，次迭代數(shù)在小數(shù)右側(cè)顯示。

③導(dǎo)數(shù)是通過數(shù)字計算的。

表7 參數(shù)估計值Table 7 Parameter estimates

表8 ANOVA①Table 8 ANOVA

因變量：Y

①R2=1-(殘差平方和)/(已更正的平方和)=0.669。

對結(jié)果進(jìn)行分析，可以看到經(jīng)過數(shù)次迭代，模型達(dá)到要求。最終回歸得到模型為

LPMV=-1.159×10-5×T+0.01×E-

1.111×10-5×E2+2.093

(2)

其中LPMV代表舒適度，T代表相關(guān)色溫，E代表平均照度，模型的擬合優(yōu)度為0.669，在統(tǒng)計學(xué)意義上，可以說模型擬合結(jié)果尚可。

3 結(jié)論

辦公室照明建議采用中間色溫光源，并將照度值控制在200～300 lx，這樣可在滿足光環(huán)境舒適度要求的基礎(chǔ)上節(jié)約照明能耗。此外，基于舒適度評價實驗得到的辦公室光環(huán)境舒適度數(shù)學(xué)模型，可為照明舒適度的評價提供簡潔可靠的預(yù)測方法。

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StudyofLightEnvironmentComfortinOfficeBasedonEvaluationExperiment

LIU Gang，LIU Mengliu，LUO Chen，DANG Rui
(SchoolofArchitecture，TianjinUniversity,TianjinKeyLaboratoryofArchitecturalPhysicsandEnvironmentalTechnology，Tianjin300072，China)

Regarding problems in design and evaluation of office’s light environment，the paper studies the impacts of illuminance，the correlation color temperature，and the uniformity of illumination uniformity on the lighting comfort based on evaluation experiment.Furthermore，it puts forward the suggestion of energy saving design which can meet the comfort of light environment.At the same time，the influence of illumination index on comfort is quantized.Through a multivariate linear regression analysis by SPSS software，the mathematical model of office’s light environment is established.The results can provide reference for office lighting design and provide tools for the evaluation of light environment.

office lighting; light environment comfort; influence rule; evaluation mode

國家重點研發(fā)計劃“新型采光技術(shù)與高校照明控制系統(tǒng)研發(fā)”(2016YFB0601700)，國家自然科學(xué)基金重點項目“寒冷氣候區(qū)低能耗公共建筑空間設(shè)計理論與方法”(51338006)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.009