城市照明色光對居民室內(nèi)活動(dòng)的干擾閾值

于娟，王立雄，張明宇，宋捷翹，楊笛

(天津大學(xué) 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

隨著城市照明建設(shè)的發(fā)展，城市居住區(qū)光環(huán)境日益明亮。同時(shí)，LED的廣泛應(yīng)用導(dǎo)致城市夜景常見彩色光，形成了色光侵?jǐn)_這種新的光侵?jǐn)_形式，即在亮度侵?jǐn)_的基礎(chǔ)上疊加了彩色光因素的光侵?jǐn)_形式。色光侵?jǐn)_導(dǎo)致了城市居住建筑光侵?jǐn)_問題的進(jìn)一步加劇。

國際照明委員會(huì)(CIE)對光侵?jǐn)_的防治限制參數(shù)為“光強(qiáng)”和“垂直照度”[1-2]，中國現(xiàn)行規(guī)范[3]“等同采用”CIE防治要求。因此，目前規(guī)范只是針對亮度侵?jǐn)_進(jìn)行防治，缺乏對色光侵?jǐn)_的對應(yīng)防治要求。已有研究[4-5]也多是依據(jù)規(guī)范要求來探討光侵?jǐn)_防治措施。事實(shí)上，“垂直照度”并不能代表居民對光侵?jǐn)_的實(shí)際感受，且目前的不舒適眩光評價(jià)方法和模擬軟件也不能有效評價(jià)居民對光侵?jǐn)_的實(shí)際感受[6]。同時(shí)，對“色光”的研究依舊處于情感偏好層面[7-8]，以優(yōu)化照明設(shè)計(jì)、美化城市夜景為研究目的，缺乏從居民感受出發(fā)的色光侵?jǐn)_判定與評價(jià)研究成果。另外，光侵?jǐn)_對暗黑環(huán)境下睡眠活動(dòng)的干擾已有較深入的研究[9]，但前期調(diào)查顯示[10-11]，光侵?jǐn)_對正常室內(nèi)照明情況下居民的室內(nèi)視覺任務(wù)亦產(chǎn)生干擾。因此，色光侵?jǐn)_的防治問題亟待解決，開展色光侵?jǐn)_對居民室內(nèi)活動(dòng)干擾程度的判定與評價(jià)的研究應(yīng)運(yùn)而生。

筆者通過主觀評價(jià)實(shí)驗(yàn)，得出正常室內(nèi)照明情況下城市照明色光對居民看電視的干擾閾值，包括明度閾值和亮度閾值，明度表征的是居民對色光侵?jǐn)_的視覺感知程度，亮度表征的是色光侵?jǐn)_源的實(shí)際情況。因此，明度閾值是從居民主觀感受角度出發(fā)的色光侵?jǐn)_防治量化依據(jù)，亮度閾值是在實(shí)際操作與控制層面上的色光侵?jǐn)_防治量化依據(jù)。筆者還研究了城市照明色光對居民室內(nèi)活動(dòng)干擾的季節(jié)差異、性別差異和色調(diào)差異，并對閾值結(jié)論的應(yīng)用性進(jìn)行了討論。

1 典型色光侵?jǐn)_干擾評價(jià)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)采用“李克特量表法”設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)問卷，使用5個(gè)等級(jí)表達(dá)干擾程度：1表示“完全無干擾”，2表示“有點(diǎn)干擾”，3表示“一般干擾”，4表示“比較干擾”，5表示“嚴(yán)重干擾”。

探討色光侵?jǐn)_的季節(jié)差異性，主要是考慮熱環(huán)境季節(jié)差異性對干擾程度的影響，論證被試在不同季節(jié)對色光干擾程度的感受是否存在差異性。為此，實(shí)驗(yàn)選擇在差異性較為明顯的冬、夏兩季。夏季實(shí)驗(yàn)被試36人，冬季實(shí)驗(yàn)被試70人(為探討性別差異性，男女比例1∶1)。被試年齡范圍為18～29歲，矯正視力均在1.0以上，均通過色盲/色弱檢查測試。

實(shí)驗(yàn)變量范圍來源于實(shí)際調(diào)研，調(diào)研所得色光侵?jǐn)_的主波長范圍為350～770 nm、亮度范圍為0～4 250 cd/m2、表征侵?jǐn)_源面積視覺感知大小的Sw/Sl(人眼中的窗口與侵?jǐn)_源面積比)范圍為1～328。實(shí)驗(yàn)評價(jià)項(xiàng)最初設(shè)定為6種色相×5級(jí)明度(亮度)×5級(jí)Sw/Sl(圖1)，共計(jì)150項(xiàng)。

圖1 典型色光侵?jǐn)_干擾評價(jià)實(shí)驗(yàn)評價(jià)項(xiàng)Fig.1 Evaluation items of the subjective evaluation experiment of typical colored light

1)6種色相 350～770 nm基本涵蓋了可見光的波長范圍，選取了0/360(紅)、60(黃)、120(綠)、180(青)、240(藍(lán))、300(紫)6種飽和度最高的典型色光設(shè)為實(shí)驗(yàn)評價(jià)項(xiàng)。

2)5級(jí)明度(亮度) 各色光亮度范圍如圖2所示，量級(jí)差異較大，依據(jù)光譜光視效率理論，相同亮度不同色相的色光給人不同明亮感覺[12]。因此，實(shí)驗(yàn)使用了明度參數(shù)，以保證6種色光之間的可比較性。選取了255、204、153、102、51共5級(jí)明度值，對應(yīng)亮度值(復(fù)現(xiàn)設(shè)備LED屏幕實(shí)測值)涵蓋調(diào)研亮度范圍，對應(yīng)亮度等級(jí)符合主觀亮度的韋伯定律規(guī)律。

圖2 色光主波長及對應(yīng)亮度Fig.2 Dominant wavelength and luminance

3)5級(jí)Sw/SlSw/Sl=328為存在動(dòng)態(tài)光的偶然案例，實(shí)驗(yàn)評價(jià)項(xiàng)Sw/Sl的設(shè)定范圍縮小至1～256，劃分為1、4、16、64、256共5個(gè)等級(jí)。

經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證，刪除了評價(jià)得分過高(>4，比較干擾)和過低(<2，有點(diǎn)干擾)的實(shí)驗(yàn)評價(jià)項(xiàng)，并調(diào)整了明度變量步長(間距由51調(diào)整為25.5，為便于復(fù)現(xiàn)，變量值取整數(shù))，最終實(shí)驗(yàn)優(yōu)化為66項(xiàng)評價(jià)項(xiàng)(6色相×11項(xiàng)評價(jià)項(xiàng))，見表1。

表1 大批次實(shí)驗(yàn)變量設(shè)置情況Table 1 The setting of variables of the main experiment

選取LED顯示屏復(fù)現(xiàn)光侵?jǐn)_，與以往研究使用的投影儀設(shè)備相比，其發(fā)光亮度高，亦可實(shí)現(xiàn)多種顏色、不同亮度和面積圖像的播放和調(diào)控，更符合實(shí)驗(yàn)需求。實(shí)測LED顯示屏復(fù)現(xiàn)亮度如表1所示。

實(shí)驗(yàn)室模擬起居室布置見圖3?？臻g尺寸：開間3 170 mm、進(jìn)深4 050 mm、高3 000 mm；窗口尺寸：1 500 mm×1 500 mm，窗臺(tái)高900 mm，窗口固定在可移動(dòng)的隔板上；LED屏幕尺寸：2 000 mm×2 000 mm，調(diào)節(jié)LED屏幕高度至830 mm，窗口左側(cè)距離墻面982 mm，以保證位于沙發(fā)中心位置的視點(diǎn)(坐姿)所見LED屏幕布滿整個(gè)窗口。

圖3 實(shí)驗(yàn)室剖面圖、平面圖與室內(nèi)布置Fig.3 The sectional view/floor plan and interior layout of the

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各可見表面，全部采用飽和度較低的灰色系材質(zhì)，以消除“顏色對比”對色光侵?jǐn)_實(shí)驗(yàn)的影響。表面反射系數(shù)均在標(biāo)準(zhǔn)[13]建議值范圍內(nèi)。室內(nèi)照明光源為T5日光燈管，色溫為5 000 K。實(shí)測0.75 m水平面照度為324 lx，滿足起居室書寫、閱讀300 lx的標(biāo)準(zhǔn)要求[13]；實(shí)驗(yàn)室位于天津大學(xué)北洋科學(xué)樓715室，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的聲環(huán)境良好；由于體感舒適度因人而異，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)裝有空調(diào)，允許被試自主調(diào)節(jié)空調(diào)。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)篩查被試 被試進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，首先填寫甄別問卷(包括年齡、性別、職業(yè)、視力情況、身體與情緒狀態(tài))，然后由主試對其進(jìn)行色盲測試。主試依據(jù)甄別問卷和色盲測試結(jié)果，判定被試是否適合參加實(shí)驗(yàn)。

2)實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備 被試就位，適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，自主調(diào)控空調(diào)至舒適狀態(tài)。待實(shí)驗(yàn)環(huán)境穩(wěn)定，主試填寫實(shí)驗(yàn)記錄表格(包括實(shí)驗(yàn)日期和時(shí)間、拉丁方實(shí)驗(yàn)編號(hào)、室內(nèi)溫濕度等)。

3)講解實(shí)驗(yàn) 主試對實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)步驟等內(nèi)容進(jìn)行講解，確認(rèn)被試對講解內(nèi)容理解無疑問。

4)熟悉實(shí)驗(yàn) 被試通過兩組實(shí)驗(yàn)熟悉流程，主試確認(rèn)被試熟知實(shí)驗(yàn)流程后退出實(shí)驗(yàn)室，開始正式實(shí)驗(yàn)。

5)正式實(shí)驗(yàn) 被試坐在居室正中的沙發(fā)之上直視電視，觀看電視節(jié)目，LED屏幕播放干擾色光。電視節(jié)目暫停并提示答題時(shí)，填寫調(diào)查問卷。

6)實(shí)驗(yàn)回訪 正式實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，主試回訪被試(填寫回訪問卷并訪談)。

選取看電視活動(dòng)，是因?yàn)殡娨暪?jié)目具備一定的吸引力，能保證被試對視覺作業(yè)的專注程度。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果不受電視節(jié)目精彩程度的影響，一方面，電視播放內(nèi)容為黑白色鉛筆手繪動(dòng)畫短片系列，每個(gè)短片故事內(nèi)容不同但精彩程度相差無幾；另一方面，實(shí)驗(yàn)采用了拉丁方設(shè)計(jì)，避免實(shí)驗(yàn)順序誤差。另外，實(shí)驗(yàn)設(shè)置了答題提示，在不影響被試對視覺作業(yè)的注意力情況下，保證主觀評價(jià)實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 問卷可信度

夏季實(shí)驗(yàn)和冬季實(shí)驗(yàn)的信度系數(shù)分別為0.979和0.986，均大于0.8，一致性較好。

2.2 平均分統(tǒng)計(jì)

表2、圖4為實(shí)驗(yàn)所得評分的算術(shù)平均數(shù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)表明：冬季實(shí)驗(yàn)評分平均分低于夏季實(shí)驗(yàn)。

表2 夏季實(shí)驗(yàn)與冬季實(shí)驗(yàn)所得評分的算術(shù)平均數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Arithmetic mean statistics of the score of summer and winter experiment

圖4 夏、冬實(shí)驗(yàn)相同評價(jià)項(xiàng)評分統(tǒng)計(jì)(實(shí)線為冬季、虛線為夏季)Fig.4 Statistics of the same evaluation items of summer and winter experiment (the solid line is for winter and the dotted line is for

2.3 相關(guān)性分析

夏季實(shí)驗(yàn)與冬季實(shí)驗(yàn)的偏相關(guān)分析結(jié)果均顯示：平均分與明度、亮度為強(qiáng)相關(guān)，與Sw/Sl成負(fù)的強(qiáng)相關(guān)，與色相無相關(guān)。

2.4 回歸分析

依據(jù)相關(guān)性結(jié)論，分別對各色相的平均分、明度和Sw/Sl3項(xiàng)相關(guān)變量進(jìn)行回歸分析，除冬季實(shí)驗(yàn)紫色的回歸程度稍弱，其它的回歸程度均為良好，方程顯著，各參數(shù)的影響顯著。

夏季實(shí)驗(yàn)回歸方程為

紅色：Y=0.015B-0.133S+2.133(R2=0.833)

黃色：Y=0.021B-0.166S+1.565(R2=0.889)

綠色：Y=0.018B-0.135S+1.613(R2=0.812)

青色：Y=0.017B-0.113S+1.362(R2=0.875)

藍(lán)色：Y=0.015B-0.112S+1.472(R2=0.838)

紫色：Y=0.021B-0.147S+1.455(R2=0.865)

冬季實(shí)驗(yàn)回歸方程為

紅色：Y=0.019B-0.190S+1.046(R2=0.820)

黃色：Y=0.019B-0.187S+0.864(R2=0.836)

綠色：Y=0.016B-0.160S+1.183(R2=0.706)

青色：Y=0.016B-0.157S+1.117(R2=0.726)

藍(lán)色：Y=0.014B-0.143S+0.923(R2=0.743)

紫色：Y=0.016B-0.157S+1.388(R2=0.686)

式中：Y為平均分；B為明度；S為Sw/Sl。

3 典型色光侵?jǐn)_干擾評價(jià)閾值獲取

閾值為50%次數(shù)引起反應(yīng)的那個(gè)刺激的大小[14]。選定評分≥4(對應(yīng)評價(jià)為“比較干擾”和“嚴(yán)重干擾”)時(shí)求得的50%閾限值為色光侵?jǐn)_的干擾評價(jià)閾值(以下簡稱“閾值”)。

3.1 明度閾值

表3、表4為明度閾值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表3 夏季實(shí)驗(yàn)閾值計(jì)算Table 3 Threshold calculation of summer experiment

注：閾值為y=50時(shí)的x值。

表4 冬季實(shí)驗(yàn)閾值計(jì)算Table 4 Threshold calculation of winter experiment

注：閾值為y=50時(shí)的x值。

3.2 亮度閾值

亮度閾值在實(shí)際操作與控制層面更具實(shí)際應(yīng)用性。因所得明度閾值存在大于實(shí)際最大明度255的案例，所以,不能測得全部明度閾值所對應(yīng)的實(shí)際亮度,因此，通過線性回歸獲取亮度閾值。

首先，依據(jù)表3、表4，擬合明度閾值與Sw/Sl的函數(shù)關(guān)系；已知各色相明度所對應(yīng)亮度(表1)，可確定明度閾值與亮度閾值的函數(shù)關(guān)系；從而進(jìn)一步推導(dǎo)出亮度閾值與Sw/Sl的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算各色相亮度閾值。表5為亮度閾值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖5、圖6分別為夏季和冬季實(shí)驗(yàn)亮度閾值圖，結(jié)果表明，各色光的干擾亮度閾值數(shù)值相差范圍較大，屬于不同數(shù)量級(jí)。

表5 夏季實(shí)驗(yàn)與冬季實(shí)驗(yàn)亮度閾值統(tǒng)計(jì)Table 5 Luminance threshold statistics of summer and winter experiment

圖5 夏季實(shí)驗(yàn)亮度閾值直觀圖Fig.5 Visual map of the luminance

圖6 冬季實(shí)驗(yàn)亮度閾值直觀圖Fig.6 Visual map of the luminance

4 閾值討論與應(yīng)用

4.1 季節(jié)差異性

表2、圖4數(shù)據(jù)表明：冬季評分的平均值低于夏季。進(jìn)一步討論明度閾值，如圖7所示，冬季閾值均大于夏季閾值。因此，冬季的色光侵?jǐn)_包容度高于夏季。

圖7 冬、夏季實(shí)驗(yàn)明度閾值對比Fig.7 The lightness threshold comparison between summer and winter

4.2 性別差異性

如表6所示，冬季實(shí)驗(yàn)?zāi)行栽u分大部分大于女性評分，僅23.8%的評價(jià)項(xiàng)男性評分小于女性(表7)。因此，除黃色外，對其他5色相色光侵?jǐn)_而言，男性的包容度均小于女性。

表6 相同評價(jià)項(xiàng)得分差(男-女)Table 6 The difference of the same evaluation items between male and female ( male minus female)

表7 評價(jià)項(xiàng)男性評分小于女性統(tǒng)計(jì)Table 7 Statistics of evaluation items of which the male score is smaller than females’

4.3 明度閾值色調(diào)差異性

依據(jù)顏色色調(diào)的冷暖感理論：藍(lán)色、青色為冷色調(diào)，紅色、黃色為暖色調(diào)。圖8表明：除夏季Sw/Sl=16時(shí)，紅色明度閾值大于其它色相，其余冷色調(diào)的明度閾值均大于暖色調(diào)。因此，對于明度閾值，冷色調(diào)色光侵?jǐn)_的包容度高于暖色調(diào)。

圖8 冷暖色相閾值對比Fig.8 The lightness threshold comparison between cold and warm

4.4 亮度閾值色調(diào)差異性

對于亮度閾值的討論，引入“安全Sw/Sl”概念，指當(dāng)侵?jǐn)_源亮度取目前規(guī)范規(guī)定的最高限值1 000 cd/m2時(shí)，產(chǎn)生的侵?jǐn)_感知程度在“4比較干擾”程度以下(平均分<4)時(shí)，Sw/Sl的數(shù)值。

安全Sw/Sl表征的是當(dāng)限定侵?jǐn)_源亮度后，可接受的侵?jǐn)_源大小。如圖9、圖10所示，亮度=1 000 cd/m2時(shí)，對黃、綠、青3色相的侵?jǐn)_面積的包容度較紅、藍(lán)、紫3色相高。將黃、綠、青3色相定義為“清爽色”，將紅、藍(lán)、紫3色相定義為“濃郁色”。對于亮度閾值，清爽色光侵?jǐn)_的包容度高于濃郁色。

圖9 各色相夏季實(shí)驗(yàn)安全Sw/Sl直觀圖Fig.9 Tolerable Sw/Sl visual map of each

圖10 各色相冬季實(shí)驗(yàn)安全Sw/Sl直觀圖Fig.10 Tolerable Sw/Sl visual map of each

5 結(jié)論

色光侵?jǐn)_程度與色相無相關(guān)性、與Sw/Sl負(fù)相關(guān)、與明度和亮度正相關(guān)；明度閾值和亮度閾值與Sw/Sl的線性關(guān)系均符合冪函數(shù)曲線；冬季色光侵?jǐn)_的包容度高于夏季；除黃色外，紅、綠、青、藍(lán)、紫5色相色光侵?jǐn)_，男性的包容度小于女性；對于明度閾值，冷色調(diào)的包容度高于暖色調(diào)；對于亮度閾值，“清爽色”的包容度高于“濃郁色”。

光侵?jǐn)_的防治可從亮度控制和Sw/Sl控制兩方面著手，對于不宜進(jìn)行亮度控制的路燈，可通過控制Sw/Sl來避免光侵?jǐn)_干擾；如若必要，制定冬、夏兩季不同光侵?jǐn)_標(biāo)準(zhǔn)限值，夏季室外照明亮度應(yīng)低于冬季；暖色調(diào)的景觀照明，可考慮通過控制開燈時(shí)長，縮短侵?jǐn)_時(shí)長的方式防治其產(chǎn)生的光侵?jǐn)_；對于需持續(xù)的照明，如標(biāo)示指引性廣告照明、庭院燈等功能性彩色光照明，宜采用冷色調(diào)；相同亮度要求下，建議居住區(qū)光環(huán)境使用清爽色系照明，清爽色作為居住區(qū)夜間照明色光的設(shè)計(jì)較好。