基于HDR實測的高校教室采光環(huán)境評價研究

孔 哲，李 想，張如嫣，孔星淇，倪璟浩，寧芃瑄

(東南大學(xué)建筑學(xué)院，江蘇 南京 210096)

引言

人們基于視覺系統(tǒng)汲取80%以上的信息，光環(huán)境對人們的視覺和行為活動起到重要的支持作用。在人類漫長的進化過程中，視覺系統(tǒng)更適應(yīng)自然光譜的構(gòu)成。在校園建筑中，天然光環(huán)境的合理利用不僅能夠有效地降低人工照明的使用，節(jié)能減碳[1]，更能提高學(xué)生的警覺性、幫助其集中注意力、提高學(xué)習(xí)效率[2,3]。因此，教室天然光環(huán)境品質(zhì)研究對健康室內(nèi)環(huán)境的營造和綠色建筑的實現(xiàn)均具有支持作用。

郝洛西等[4]總結(jié)了光環(huán)境對人們的三方面影響：視覺功效、晝夜節(jié)律和情緒調(diào)節(jié)?，F(xiàn)今大多數(shù)天然光環(huán)境品質(zhì)研究集中在視覺功效方面，現(xiàn)有天然光環(huán)境評價體系包括光環(huán)境的充足度和舒適度兩方面，充足度主要采用水平工作面照度和采光系數(shù)來衡量；舒適度主要采用眩光指數(shù)(Daylight Glare Index，DGI)衡量[5]，但對視覺其他方面的評價較為缺失。吳碩賢院士于2017年提出的光景概念[6,7]，從光環(huán)境與空間構(gòu)成、材料分布結(jié)合的角度來衡量光環(huán)境的品質(zhì)，并基于光源的種類分為自然光景和人工光景。光景概念的提出和光景學(xué)的建立，表明僅從充足度和舒適度兩方面評價視覺功效的局限性，對光環(huán)境研究起到了重要的指導(dǎo)作用。

已有研究在視覺充足度和舒適度評價的基礎(chǔ)上，拓展光環(huán)境的主觀評價因子。徐俊麗等[8,9]探究心臟重癥監(jiān)護病房中光環(huán)境品質(zhì)與被試者的視覺主觀評價關(guān)系，采用由12組形容詞構(gòu)成的語義差別量表收集被試者的評價反饋，從而基于色溫、照度和照明方式總結(jié)出醫(yī)患人員的偏好。Franz等[10]通過VR(Virtual Reality)呈現(xiàn)16組不同采光口設(shè)計場景，采用語義差別量表提取被試者評價，發(fā)現(xiàn)窗墻比與人們對空間評價的趣味程度相關(guān)聯(lián)，空間比例與人們對空間評價的美好程度相關(guān)聯(lián)。Lam等[11]以宗教建筑為載體發(fā)現(xiàn)，增加窗戶的數(shù)量使人們對光環(huán)境的評價從神圣的和詩意的轉(zhuǎn)向世俗的和實用化的。由以上代表性研究可知，以語義解析法為研究方法，在充足度和舒適度的基礎(chǔ)上拓展人們對光環(huán)境的視覺評價因子，有助于精細(xì)化指導(dǎo)光環(huán)境設(shè)計，更有助于突進光景學(xué)的進一步發(fā)展。

本研究以高校教室的自然光景為研究對象，采用網(wǎng)絡(luò)問卷收集使用者的視覺評價，采用高動態(tài)(High Dynamic Range，HDR)圖片技術(shù)實測使用者所經(jīng)歷評價的場景亮度分布，通過主觀數(shù)據(jù)和客觀數(shù)據(jù)的結(jié)合分析，全面評價教室的自然光景品質(zhì)，探索視覺評價因子的關(guān)聯(lián)性以及常用采光設(shè)計指標(biāo)的有效性。

1 實驗設(shè)計

1.1 主觀及客觀數(shù)據(jù)收集流程

本研究在南京某高校教室開展，分別測試了前工院和逸夫建筑館兩個教學(xué)樓的三個工作室。前工院為建筑學(xué)院本科生的工作室，實測教室在四樓和五樓，側(cè)窗均為南北朝向，窗墻比為38%；逸夫建筑館為研究生工作室，實測教室在四樓南朝向，窗墻比為40%。圖1為前工院室內(nèi)外透視，以及逸夫建筑館室內(nèi)外透視圖。三個工作室均進行天然光環(huán)境下的光環(huán)境評價研究，即在數(shù)據(jù)收集前先關(guān)閉人工照明，拉開窗簾，以保證充足的采光進入室內(nèi)。

圖1 實測教室室內(nèi)外透視圖Fig.1 Exterior and interior perspectives of actual classrooms

數(shù)據(jù)收集分為兩步：首先，在學(xué)生同意參與的前提下發(fā)送網(wǎng)絡(luò)問卷鏈接，學(xué)生用個人電腦(筆記本或臺式機)回答問卷。若在作答問卷的過程中有問題，學(xué)生可以隨時向研究人員提問；其次，學(xué)生提交問卷后馬上離開自己座位，研究人員開始進行測量水平桌面照度、相機鏡頭垂直照度、拍攝若干低動態(tài)圖片等工作，光環(huán)境數(shù)據(jù)測量結(jié)束后請學(xué)生繼續(xù)之前的工作。調(diào)研分三天進行，均為晴天，分別在2020年11月14日、11月19日和12月12日，從上午10點持續(xù)到下午4點。

1.2 主觀評價問卷構(gòu)成

主觀問卷分為三部分：個人信息、視覺功效評價和視覺偏好評價。個人信息包括性別和年齡；視覺功效問題綜合Kong和Jakubiec等[12,13]的研究，評價座位上天然光環(huán)境的充足度、舒適度、滿意度、眩光程度和眩光光源、改善天然光環(huán)境以及室外景色。視覺偏好采用語義差別(Semantic Differential，SD)量表，評價尺度為7級，以4為中心對稱，1為最低值，7為最高值。SD量表由八對評價因子構(gòu)成，分別評價天然光環(huán)境的對比度、均勻度、變化程度、興奮程度、分散程度、復(fù)雜程度、刺激程度和愉悅程度，視覺偏好的評價因子參照Rockcastle和Chamilothori的研究[14,15]。

1.3 光環(huán)境數(shù)據(jù)及主觀評價數(shù)據(jù)分析

高動態(tài)(High Dynamic Range，HDR)圖片采用佳能5D Mark IV和魚眼鏡頭SIGMA f/3.5拍攝，感光度為100、光圈為f11、快門速度范圍由30秒到1/8 000秒，每兩檔拍攝一張。HDR圖片的拍攝和數(shù)據(jù)合成操作依照J(rèn)akubiec等[16]的研究成果，以保證高動態(tài)圖片數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?；谂恼涨昂鬁y量的水平照度(Eh)和垂直照度(Ev)計算Eh和Ev的平均值，采用evalglare[17]計算HDR圖片的平均亮度(Lmean)、眩光指數(shù)DGI(Daylight Glare Index)[5]和眩光指數(shù)DGP(Daylight Glare Probability)[18]。其中DGI為我國《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》定義量化判斷采光環(huán)境舒適度的眩光指標(biāo)[5]，DGP為Wienold基于HDR技術(shù)提取的采光環(huán)境眩光指標(biāo)[18]。兩種眩光指數(shù)均設(shè)定5倍工作區(qū)域亮度平均值為眩光光源最低值。主觀問卷數(shù)據(jù)和客觀光環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)匯總后，采用SPSS和Rstudio進行數(shù)據(jù)分析。主觀問卷評價數(shù)據(jù)的Alpha信度系數(shù)為0.754，KMO值為0.747，大于0.7，說明問卷的結(jié)構(gòu)效度良好。采用Shapiro-Wilk檢測，所有的p<0.05，即不符合正態(tài)分布，數(shù)據(jù)分析采用非參數(shù)分析方法。

2 研究結(jié)果

2.1 主觀評價數(shù)據(jù)

本次研究共回收56份有效問卷，其中41位本科生，15位研究生；27位男生，29位女生；平均年齡為21.2歲。圖2為視覺功效[圖2(a)]和視覺偏好[圖2(b)]主觀評價的人數(shù)比例和分布范圍。視覺功效方面，28位被試者(50.0%)認(rèn)為座位上的采光環(huán)境充足，22位被試者(39.3%)對座位上的采光環(huán)境感到舒適，26位被試者(46.4%)對座位上的采光環(huán)境感到滿意，12位被試者(21.4%)評價座位上有干擾程度或程度無法忍受的眩光，18位被試者(32.2%)希望降低采光環(huán)境。選擇最多的三個眩光原因為窗戶、電腦屏幕和直射光線，分別有27位、12位和11位被試者選擇。視覺偏好方面，27位被試者(48.2%)認(rèn)為采光環(huán)境對比度強，32位被試者(57.1%)認(rèn)為采光環(huán)境不均勻，15位被試者(26.9%)認(rèn)為采光環(huán)境多變，11位被試者(19.7%)認(rèn)為座位上的采光環(huán)境令人興奮，30位被試者(53.6%)認(rèn)為采光分布集中，10位被試者(17.9%)認(rèn)為采光環(huán)境復(fù)雜，26位被試者(46.4%)認(rèn)為采光環(huán)境有刺激性，24位被試者(42.9%)認(rèn)為采光環(huán)境令人愉快。

圖2 視覺功效和視覺偏好評價數(shù)據(jù)分布Fig.2 Distributions of subjective assessments for visual comfort and visual preference

2.2 光環(huán)境數(shù)據(jù)分布

表1為實測采光環(huán)境數(shù)據(jù)，水平桌面照度(Eh)的變化范圍在42～32 650 lx之間，平均值為3 742 lx；垂直照度(Ev)的變化范圍在26～4 646 lx之間，平均值為619 lx；由于實測的三天均為晴天，有7位被試者座位沿南側(cè)窗，做問卷及測量數(shù)據(jù)時有直射光線落到桌面，Eh在14 104～32 650 lx之間。比較拍攝HDR圖片前后的Ev變化在10%以內(nèi)，即為穩(wěn)定的直射光線落在水平桌面的情況，因此這7組數(shù)據(jù)保留在分析數(shù)據(jù)中。基于HDR圖片提取了平均場景亮度(Lmean)、DGI和DGP結(jié)果。Lmean的變化范圍在9～3 473 cd/m2之間，平均值為304 cd/m2。圖3呈現(xiàn)了三組實測HDR圖片、偽彩圖以及眩光分析圖。其中圖3(a)為“無法容忍”程度眩光，偽彩圖的閾值為1 cd/m2至3×104cd/m2，整體采光環(huán)境過亮，眩光主要集中在側(cè)窗和桌面區(qū)域[圖3(a)眩光分析圖的彩色區(qū)域]；圖3(b)為“可察覺”程度眩光，偽彩圖的閾值為1cd/m2至1.5×104cd/m2，眩光區(qū)域仍集中在側(cè)窗和桌面區(qū)域；圖3(c)為“未察覺”程度眩光，場景亮度整體較暗，偽彩圖的閾值為1cd/m2至3×102cd/m2，不存在眩光區(qū)域。圖3的三組HDR圖展示了實測HDR不同眩光程度和亮暗層級的場景。

圖3 實測HDR圖片、HDR偽彩圖以及眩光分析圖Fig.3 HDR images,falsecolor images and results of daylight glare

表1 實測采光環(huán)境數(shù)據(jù)Table 1 Statistical information of daylighting predictors based on field measurements

2.1 主觀評價因子相關(guān)性分析

圖4以矩陣的方式展示主觀問卷評價因子的斯皮爾曼分析結(jié)果和分析圖，相關(guān)系數(shù)ρ右上角的紅色星號表示該相關(guān)性成立，且ρ值越高、ρ字號越大，表示兩個評價因子的相關(guān)程度越高。在視覺功效部分，滿意度和舒適度呈緊密正相關(guān)(ρ=0.74，p<0.001)；光環(huán)境調(diào)節(jié)與充足度呈緊密負(fù)相關(guān)(ρ=-0.68，p<0.001)，當(dāng)采光環(huán)境充足甚至過亮?xí)r，使用者傾向于降低采光水平；眩光程度與充足度呈正相關(guān)(ρ=0.44，p<0.01)，與舒適度(ρ=-0.44，p<0.01)、滿意度(ρ=-0.43，p<0.01)和光環(huán)境調(diào)節(jié)(ρ=-0.49，p<0.001)均呈負(fù)相關(guān)。

在視覺偏好部分，均勻度與其他七個評價因子不相關(guān)，因此從圖4中刪除。其中變化程度、興奮程度、分散程度和刺激程度分別與5個評價因子相關(guān)，對比程度與4個評價因子相關(guān)，復(fù)雜程度和愉悅程度僅與2個評價因子相關(guān)。僅愉悅程度分別與興奮程度(ρ=-0.38，p<0.01)和刺激程度(ρ=-0.43，p<0.001)呈負(fù)相關(guān)，即興奮程度和刺激程度高的采光分布會降低被試者的愉悅度。刺激程度與興奮程度呈緊密正相關(guān)(ρ=0.73，p<0.001)，即被試者評價座位采光環(huán)境的興奮程度越高，刺激程度也越高。其余成立的相關(guān)性均為中等或弱相關(guān)(ρ的絕對值范圍為0.27～0.43)，即視覺偏好評價因子之間的關(guān)聯(lián)性較弱。

視覺功效和視覺偏好評價之間，愉悅程度分別與舒適度(ρ=0.69，p<0.001)和滿意度(ρ=0.73，p<0.001)呈緊密正相關(guān)。眩光程度分別與刺激程度(ρ=0.68，p<0.001)和興奮程度(ρ=0.57，p<0.001)呈正相關(guān)，舒適度和滿意度分別與興奮程度和刺激程度呈負(fù)相關(guān)(ρ的范圍為-0.35～-0.29)，相關(guān)性較弱。光環(huán)境調(diào)節(jié)與對比度(ρ=-0.3，p<0.05)、興奮程度(ρ=-0.43，p<0.01)、分散程度(ρ=-0.36，p<0.01)和刺激程度(ρ=-0.60，p<0.001)均呈負(fù)相關(guān)。

注：*相關(guān)性在0.05層上顯著(雙尾)；** 相關(guān)性在0.01層上顯著(雙尾)；*** 相關(guān)性在0.001層上顯著(雙尾)圖4 視覺功效和視覺偏好評價因子斯皮爾曼等級相關(guān)性分析結(jié)果Fig.4 Spearman results between visual comfort and visual preference

由圖4視覺評價因子正負(fù)和強弱相關(guān)性可知，舒適度、滿意度和愉悅程度三個評價因子在本研究中均彼此緊密正相關(guān)，刺激程度和興奮程度也呈緊密正相關(guān)，被試者的主觀評價一致性較高。視覺偏好中的興奮程度和刺激程度均與眩光程度呈正相關(guān)，即采光分布場景中令被試者感到興奮或刺激的程度偏高時，有引起被試者視覺不舒適眩光的隱患。與此同時，興奮程度和刺激程度與舒適度、滿意度以及愉悅程度的弱負(fù)相關(guān)表明，在被試者容忍范圍內(nèi)的興奮程度和刺激程度并不會過多影響其對采光環(huán)境的舒適度、滿意度和愉悅程度的評價。

2.2 光環(huán)境數(shù)據(jù)與主觀評價相關(guān)性分析

表2為主觀評價因子與采光設(shè)計指標(biāo)(Eh、Ev、Lmean、DGI和DGP)的斯皮爾曼分析結(jié)果，圖5為相應(yīng)的分析圖。由于每個評價因子同時檢驗5個采光指標(biāo)，每個假設(shè)的統(tǒng)計顯著水平為一個假設(shè)統(tǒng)計水平的1/5[19]，即顯著性p值由原來的0.05和0.01下降為0.01和0.002。表2和圖5排除了與采光設(shè)計指標(biāo)無相關(guān)性的主觀評價因子：滿意度、舒適度、均勻度、對比度、變化程度和復(fù)雜程度。表2和圖5中相關(guān)性不成立的單元格和單元分析圖為灰色(p>0.01)，相關(guān)系數(shù)ρ絕對值大于0.6且p<0.01的結(jié)果加粗。

表2 光環(huán)境數(shù)據(jù)與主觀評價斯皮爾曼等級相關(guān)性分析Table 2 Spearman results betweendaylighting assessments and daylighting predictors

圖5 視覺評價因子與采光設(shè)計指標(biāo)的斯皮爾曼相關(guān)性分析圖Fig.5 Spearman results between daylighting assessments and daylighting predictors

Eh與充足度(ρ=0.64，p<0.002)和刺激程度(ρ=0.61，p<0.002)呈緊密正相關(guān)，與光環(huán)境調(diào)節(jié)(ρ=-0.68，p<0.002)呈緊密負(fù)相關(guān)。Ev與刺激程度呈緊密正相關(guān)(ρ=0.66，p<0.002)，與光環(huán)境調(diào)節(jié)呈負(fù)相關(guān)(ρ=-0.57，p<0.002)。Lmean與刺激程度呈緊密正相關(guān)(ρ=0.65，p<0.002)，與光環(huán)境調(diào)節(jié)呈負(fù)相關(guān)(ρ=-0.61，p<0.002)。眩光指數(shù)DGI和DGP均分別與刺激程度和興奮程度呈正相關(guān)(ρ絕對值的范圍為0.38～0.64)，且DGP與充足度(ρ=0.45，p<0.002)呈正相關(guān)，與光環(huán)境調(diào)節(jié)(ρ=-0.54，p<0.002)呈負(fù)相關(guān)。

Eh、Ev和Lmean與主觀評價因子的相關(guān)性相近，但與Ev和Lmean相比，Eh與更多評價因子相關(guān)，且緊密程度更高，即本研究中Eh對被試者的主觀評價預(yù)判能力強于Ev和Lmean。與Lmean相比，Eh與Ev更便于測量和計算，在既有建筑的光環(huán)境評價中更常應(yīng)用。因此Eh和Ev常用于調(diào)控室內(nèi)人工照明、自動遮陽設(shè)施等。與DGI相比，DGP關(guān)聯(lián)的評價因子更多，且緊密程度更高。由于DGP是在天然光環(huán)境的實驗室下提取的眩光指標(biāo)[18]，而DGI是在實驗室人工照明模擬天然光環(huán)境的條件下提取的眩光指標(biāo)[20]，DGP對采光環(huán)境下眩光的預(yù)判能力優(yōu)于DGI。DGP和DGI的計算公式中均包含了場景亮度對比度的計算部分，因而與視覺偏好的興奮程度和刺激程度相關(guān)。但DGP和DGI均與眩光程度不相關(guān)，唯一與眩光程度有弱關(guān)聯(lián)性的采光指標(biāo)為Lmean。

3 結(jié)論

本研究在建筑學(xué)院工作室中采用實測的研究方法，收集了56位被試者對其座位上采光環(huán)境的視覺評價和場景亮度分布數(shù)據(jù)，分析視覺評價因子之間、視覺評價因子與采光設(shè)計指標(biāo)之間的相關(guān)性?；跀?shù)據(jù)分析結(jié)果，本研究得出以下結(jié)論。

主觀評價方面，被試者對建筑學(xué)院工作室采光環(huán)境的舒適度、滿意度和愉悅度較高，但沿窗的座位存在眩光和過亮的問題。被試者對采光環(huán)境的興奮程度和刺激程度與眩光程度呈正相關(guān)，與滿意度、舒適度和愉悅度呈負(fù)相關(guān)，采光環(huán)境的設(shè)計可以在興奮程度和刺激程度兩組評價因子，以及滿意度、舒適度和愉悅程度三組評價因子間取得平衡，即不降低使用者視覺滿意度、舒適度和愉悅程度的同時增加適當(dāng)?shù)拇碳ば?，為使用者提供有活力的采光環(huán)境。

光環(huán)境分布方面，水平工作面照度、垂直眼部照度和場景平均亮度均與主觀評價因子有較好的關(guān)聯(lián)性，介于測量和計算的便利性，水平工作面照度和垂直眼部照度更適用于既有建筑光環(huán)境中的檢測和使用。在天然光環(huán)境下，DGP對使用者視覺評價的預(yù)判性比DGI更高。

此外，本研究具有以下兩點局限性：第一，只有56位被試者的有效數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)收集集中在冬季，即樣本數(shù)量和數(shù)據(jù)收集的季節(jié)具有局限性；第二，工作室為常規(guī)側(cè)窗設(shè)計，光影分布較為統(tǒng)一，這也可能是導(dǎo)致視覺偏好中均勻程度與其他評價因子無相關(guān)性的主要原因。因此，本研究的下個階段會增加被試者數(shù)量、涵蓋不同季節(jié)、并拓展采光口的設(shè)計形式。