基于不同熱光環(huán)境下的人員工作效率的研究

于慧俐，梁夢珂，管宏宇

(青島理工大學 環(huán)境與市政工程學院，青島 266033)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，工作效率越來越被人們所重視，提高工作效率將有利于公司經(jīng)濟效益的提高.在經(jīng)濟高速發(fā)展的時代，工作效率高則意味著具有更大的競爭優(yōu)勢，達到相同績效的同時縮短工作時間，能使人員有更多的時間去學習其他內容提升自己和休閑放松，這將會在一定程度上提升人們的幸福感.根據(jù)調查發(fā)現(xiàn)，人們在室內的時間占據(jù)全天的80%～90%[1].室內環(huán)境的優(yōu)劣不僅影響人員身體健康、情緒波動和舒適度，還在很大程度上影響人們對信息的接收速度和處理能力，這些對人們的工作效率都會造成影響.本研究通過改變室內溫度、照度、色溫3個因素在大量實驗的基礎上，來探究室內熱光環(huán)境對人員工作效率的影響.這將為通過改變室內環(huán)境來提高工作效率提供理論依據(jù).

對于室內環(huán)境對工作效率的影響，學者們進行過大量研究.FISK和ROSENFELD提出室內環(huán)境質量影響工作效率的幾種疾病，如過敏、哮喘、傳染性疾病、病態(tài)建筑綜合癥[2].在20世紀60年代，有學者進行過一項經(jīng)典的實驗來探究室內環(huán)境質量與人員工作效率的關系，實驗探究了6個不同室內溫度工況對學生學習成績的影響[3].有研究表明工作效率可能受工作熱情、舒適感、視覺、聲音以及環(huán)境參數(shù)等影響.室內熱環(huán)境中影響工作效率的因素有很多，主要是環(huán)境溫度，有研究表明，高溫環(huán)境下的人員工作效率下降.室內光環(huán)境對工作效率的影響研究相對來說較少，筆者認為光環(huán)境會直接通過視覺效果影響工作效率，例如當光環(huán)境照度較高時，會通過抑制褪黑激素的產(chǎn)生來影響人體，進而影響人員工作效率.有些研究發(fā)現(xiàn)，當照度過低時，任務績效會有所下降.張顏梅通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，照度對認知任務的輸出績效有顯著影響，并且提出照度在300～500 lx時，輸出績效最高[4].蘭麗研究聲、光、熱環(huán)境對人員工作效率的影響，并建立一個多因素人員工作效率影響機制模型[5].嚴永紅等探究光源色溫對學習效率的影響，發(fā)現(xiàn)高色溫和高照度時學習效率降低，原因可能是高色溫、高照度時大腦皮層的活性較高，更易出現(xiàn)疲勞導致學習效率下降[6].

1 實驗對象

1.1 受試者

16名大學生和研究生參加本實驗，男生8人，平均年齡(18.88±1.6)歲，平均身高(175.86±4.3) cm，平均體重(71.25±6.2) kg；女生8人，平均年齡(21.36±1.9)歲，平均身高(160.38±5.7) cm，平均體重(56.5±8.2) kg.受試者均身體狀況良好，視力經(jīng)矯正后不低于5.0.受試者在實驗過程中統(tǒng)一服裝，上半身：秋衣+工裝外套；下半身：秋褲+工裝長褲+襪子+運動鞋.計算服裝熱阻為1.288 clo.為了保證實驗盡可能準確，要求受試者保證前一晚睡眠時間7～8 h，實驗開始前避免過度運動，目的是為了保證受試者穩(wěn)定的代謝水平，禁止飲用功能性飲料，防止對人體產(chǎn)生刺激性影響.

1.2 實驗條件

本實驗在溫濕度可控的實驗小室(圖1，2)中進行，由3種溫度(18，22，26 ℃)、3種照度(100，300，500 lx)、3種色溫(3000，4000、5700 K)組合成27種實驗工況.

2 實驗方法

2.1 實驗程序

實驗前實驗人員設置好實驗工況，受試者進入實驗小室換實驗統(tǒng)一服裝，在小室內看書學習，適應實驗環(huán)境30 min后，開始測試各項生理參數(shù)，做指針表試卷，最后填寫主觀問卷.

2.2 實驗儀器

室內氣溫測試儀器為Testo 174H溫濕度記錄儀，溫度量程-40～100 ℃，精度±0.5 ℃，分辨率0.1 ℃；濕度量程0～100 RH，精度±3% RH，分辨率0.1% RH.

光源照度、色溫測試儀器：實驗開始前，改變光環(huán)境，在同一測點測試照度、色溫來滿足實驗要求.采用CHROMA METER CL-200色彩照度計，測量范圍 0.1～99 990 lx，0.01～9999 fcd(色度：5 lx，0.5 fcd 或以上)，在4個量程內自動選擇.

2.3 測試數(shù)據(jù)

1) 填寫主觀問卷，包括明亮感、疲勞感、顯色性、放松感、愉悅感等，綜合考慮這5個指標，定義為主觀舒適度.

明亮感：指受試者認為當前室內環(huán)境的明亮程度，投票值為-2～2，代表明亮—不明亮；

疲勞感：指受試者在當前環(huán)境下認為自己的整體疲勞感程度，投票值為-2～2，代表不疲勞—疲勞；

圖1 實驗小室平面

圖2 實驗小室燈具布置

圖3 指針表試卷

顯色性：指受試者在當前環(huán)境下，認為環(huán)境中物體的失真程度，投票值為-2～2，代表不失真—失真；

放松感：指受試者在當前環(huán)境下整體放松程度，投票值為-2～2，代表放松—不放松；

愉悅感：指受試者對當前環(huán)境下的愉悅程度，投票值為-2～2，代表愉悅—不愉悅.

2) 指針表試卷：試卷由8個方向一共160個箭頭組成(圖3).實驗過程中由實驗者指定任意2個方向的箭頭，受試者從頭到尾瀏覽試卷，將指定的2個箭頭勾選出來.實驗用指針表試卷的實際用時和正確率來表示工作效率.實際用時是指受試者做完整張試卷的時間；正確率指的是受試者勾選出來的箭頭符合要求的個數(shù)除以總個數(shù).

2.4 數(shù)據(jù)處理

用指針表試卷成績表征工作效率，試卷成績包括實際用時、正確率兩部分，對于工作效率的評價不能單看某一項指標，所以本實驗采取熵值法求2個指標權重，結合實際用時評分和正確率評分加權得到綜合得分來表示綜合績效.

在信息論中，熵是對不確定性的一種度量.信息量越大，不確定性越大，熵越小.根據(jù)熵的不確定性，可以利用熵值法來確定指標權重，熵值可以用來判斷某個指標的離散程度，離散程度越大，該指標對綜合評價的影響越大.

首先，實際用時和正確率的計量單位并不統(tǒng)一，所以要進行標準化；其次正確率越高越好，屬于正向指標，而實際用時越低越好，屬于負向指標，所以二者標準化的方式有所不同.

正確率：

(1)

實際用時：

(2)

計算第j項指標下某個工況所占比重：

(3)

計算第j項指標的熵值：

(4)

計算信息熵冗余度：

dj=1-ej

(5)

計算兩指標權重：

(6)

熵值法計算權重所用的數(shù)據(jù)都為受試者實驗中指針表試卷的真實測試數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量巨大，此處給出部分樣本點數(shù)據(jù)，如表1、表2所示.

表1 實際用時 s

表2 正確率數(shù)據(jù)

圖4 評分規(guī)則

經(jīng)計算實際用時所占比重0.453，正確率所占比重0.547.

對于評分，選擇實際用時的最短時長46 s和最長時長131 s作為區(qū)間來評分，評分為百分制，46 s為100分，131 s為0分，將實際用時轉化為百分制.正確率選擇最高正確率和最小正確率作為區(qū)間來評分，同樣轉化為百分制(圖4).

經(jīng)計算得出：綜合績效=0.453×實際用時評分+0.547×正確率評分.

通過熵值法，利用真實測試數(shù)據(jù)求得每個指標的權重.由于數(shù)據(jù)量巨大，此處列出部分實驗數(shù)據(jù)，如表3—7所示.

表3 明亮感投票數(shù)據(jù)

表4 疲勞感投票數(shù)據(jù)

表5 顯色性投票數(shù)據(jù)

表6 放松感投票數(shù)據(jù)

表7 愉悅感投票數(shù)據(jù)

表8 主觀舒適度中各指標權重

利用以上5個測試指標的真實實驗數(shù)據(jù)，定義一個主觀舒適度，根據(jù)熵值法求得5個指標所占權重，見表8.

主觀舒適度=0.194×明亮感主觀值+0.181×疲勞感主觀值+0.219×顯色性主觀值+0.152×放松感主觀值+0.254×愉悅感主觀值

為了有助于理解，將熵值法求得的各工況下的得分值加2，即主觀舒適度范圍為0～4，代表從舒適—不舒適，與熱舒適度量范圍類似.

3 實驗結果與分析

3.1 主觀舒適度

經(jīng)計算后主觀舒適度分析結果如圖5—7所示.

分析可知：不論哪個溫度工況下，在實驗照度范圍內，隨著照度升高主觀舒適度越來越好，而且隨著色溫升高，主觀舒適度同樣越來越好，可以認為不論室內溫度如何，對于主觀舒適度來說，高色溫、高照度要優(yōu)于低色溫、低照度.

并且對比圖5—7可以發(fā)現(xiàn)主觀舒適度最優(yōu)的溫度工況為22 ℃，其次為18 ℃，并且18與22 ℃相差不大，而26 ℃下的主觀舒適度要稍差于18和22 ℃.

由于數(shù)據(jù)量太大，無法一一羅列，將直接給出處理后數(shù)據(jù).

各個溫度下主觀舒適度得分的平均值及各個溫度下得分的差值如表9所示.

表9 主觀舒適度得分

由表9數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的升高，主觀舒適度得分差值越來越大，即溫度越高，人體主觀舒適度波動幅度越大，可以說明溫度越高，主觀舒適度受到光環(huán)境的影響越大.從平均值可以發(fā)現(xiàn)，在中性環(huán)境22 ℃下，人體主觀舒適度得分最小，即最舒適，并且可以發(fā)現(xiàn)，從中性環(huán)境到偏冷環(huán)境主觀舒適度得分下降0.1，而從中性環(huán)境到偏熱環(huán)境中主觀舒適度得分下降0.2，也可以說，人體在偏熱環(huán)境中受到光環(huán)境影響較大.

3.2 工作效率受光環(huán)境影響規(guī)律

分析結果可知，偏冷工況18 ℃，與22，26 ℃不同，工作效率結果如圖8—9所示.

從圖8可以發(fā)現(xiàn)，在18 ℃時，100，300 lx照度下的綜合績效相差不大，而500 lx照度下綜合績效明顯升高，對比主觀舒適度也可以發(fā)現(xiàn)500 lx的主觀舒適度要高于100，300 lx. 不論中高低色溫，100與300 lx之間工作效率得分差值為0.2～1.1，幅度較小，可以認為不論色溫如何，低、中照度之間工作效率差距可以忽略，而500 lx相對于其他2個照度，差值最大為6，明顯要高于其他2個照度下工作效率，所以在偏冷環(huán)境時為提高工作效率應盡量選擇較高照度.

可以發(fā)現(xiàn)隨著色溫的變化，工作效率在4000 K時最低(圖8)，是因為在18 ℃下，3000 K是可以減少人體散熱，有利于保持人體熱平衡的，這點YASUKOUCHI在研究中談到了，3000 K相對于較高色溫有利于人體舒適[7].即3000 K下的熱舒適是要優(yōu)于4000 K.

在 22，26 ℃下，隨著照度升高，工作效率先升后降(圖9—10).22 ℃時，低照度升至中間照度時，工作效率上升范圍為1.48～4.50，而中間照度升至500 lx時，工作效率下降范圍為0.37～2.49.在300 lx時工作效率最高，說明在室內光環(huán)境方面可以通過提高照度的方式來提高工作效率，但是該方式有一定限制，當照度升高到500 lx時，工作效率會出現(xiàn)略微下降，幅度較小.原因可能是因為高照度會分散人的注意力，進而影響工作效率.BYOUNG-KYONG Min在實驗研究中發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)的注意力任務中，較強的光照會導致人的注意力受到影響[8].所以說在低溫環(huán)境下，適合選擇較高照度500 lx、稍高色溫5700 K.

隨著色溫升高也可以發(fā)現(xiàn)工作效率先升后降，在中間色溫4000 K時工作效率最高，并且發(fā)現(xiàn)3000 K色溫下，不論何種照度都表現(xiàn)為最低的工作效率，說明3000 K低色溫不適合人員進行閱讀學習(圖9—10).對于高色溫工作效率會下降的原因，認為與人體在高色溫時大腦活性高有關.嚴永紅等提到在高色溫下，α波、β波指數(shù)變化率大，認為在高色溫下大腦活性較高，會增加人的疲勞，進而導致工作效率會有所降低[6].可以發(fā)現(xiàn)在中性和偏熱環(huán)境下，工作效率最優(yōu)的光環(huán)境為300 lx、4000 K.對比主觀舒適度可以發(fā)現(xiàn)，在主觀舒適度最優(yōu)的環(huán)境中并沒有最高的工作效率.

同時通過分析受試者的熱感覺、熱舒適可以發(fā)現(xiàn)，人的熱調節(jié)不可忽略，26 ℃的熱感覺投票和22 ℃相差并不大，而18 ℃熱感覺投票則表現(xiàn)為偏冷.偏冷環(huán)境中最優(yōu)光環(huán)境的照度、色溫都要高于其他2個溫度工況，可以認為在偏冷環(huán)境下，人的注意力會更集中，所以說高照度、高色溫帶來的影響不如22和26 ℃.

3.3 工作效率受溫度影響規(guī)律

經(jīng)分析可以發(fā)現(xiàn)工作效率隨著溫度變化規(guī)律并不明顯，這與以往研究有所不同，以往研究認為人在偏冷環(huán)境中工作效率會稍高一些，而偏熱環(huán)境會使得人精神不振，或者加劇病態(tài)建筑綜合癥進而影響工作效率.分析其原因可能是本實驗的溫度工況過于保守，18，22，26 ℃工況的確定是綜合溫度、風速、新陳代謝率、服裝熱阻等計算的PMV(預計平均熱感覺指數(shù))為-1～1，位于舒適區(qū)溫度范圍內，故本實驗中溫度對工作效率影響不明顯.

4 結論

1) 分析主觀舒適度可以發(fā)現(xiàn)，不論室內溫度如何，對于主觀舒適度來說，高色溫、高照度要優(yōu)于低色溫、低照度.

2) 對于工作效率，偏冷工況和其他2個溫度工況是不同的，在偏冷工況時100，300 lx照度下的綜合績效相差不大，而500 lx照度下綜合績效明顯升高，即在環(huán)境偏冷時，為提高工作效率宜選擇較高照度，而在中性環(huán)境和偏熱環(huán)境時，最優(yōu)環(huán)境為300 lx、4000 K.