辦公室LED照明舒適度研究

劉煜 王少 胡昆 葉祥平

廣東省惠州市質量計量監督檢測所，廣東 惠州 516003

隨著我國經濟建設的快速發展，人們的物質生活水平得到了顯著的提高，同時對精神需要也越來越重視。室內是人們工作和生活的主要場所，人們對室內照明光環境的要求也逐步提高，特別對室內照明的舒適性更加重視。室內的照明光環境對人們的生理、心理及所從事的各項工作或是各種家庭活動有很大影響，這是因為人們在工作生活過程中80%以上的信息來自視覺，人們若長期在不舒適的光環境下工作、生活，會引起視力下降，還會感到心理不適甚至生理不適以及降低勞動生產率、引起各種事故等。良好舒適的人工照明光環境不僅能夠增進視力健康，特別是保護小孩和青少年的視力，為室內安全有效進行各種工作和活動提供保障，而且可以美化室內環境，使人們得到心理和生理上的雙重舒適。

LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節能、環保、壽命長、體積小等特點，可以廣泛應用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景照明等領域。在目前全球能源緊缺的背景下，LED作為一種新興光源，具有高效節能的優點，在照明中的應用正逐漸吸引人們的目光，是未來照明產業發展的新趨勢。目前，LED照明產品已經廣泛應用于人們工作、生活和學習的場所，所以對LED照明的舒適度進行評價顯得非常重要和緊迫，許多文獻[1][2][3][4]都對照明的視覺舒適度做了研究。下面從韋伯·費昔勒定律出發，研究不同種類光源的室內照明視覺舒適度與照度的數學模型，并研究它在實際照明設計中的應用。

1 韋伯·費昔勒定律

韋伯·費昔勒定律表明的是心理量和物理量之間的關系。德國生理學家韋伯研究發現人們要對外界刺激的變化產生感覺，這個刺激量的變化必須達到當前刺激量的一定比例，不與這個變化的絕對值成正比，而跟其變化相對值有關。為了描述心理量和物理量之間的關系，德國物理學家費昔勒總結了韋伯的研究并提出一個假定：把最小視覺差（變化限值）作為感覺量的單位，同時每增加一個變化限值，心理量增加一個單位。根據假定，費昔勒推導出公式：dS=k·dR/R。

其中S表示生理感覺量，R表示物理刺激量，k為比例系數，表示人們對這個刺激的敏感度。這個公式被稱為韋伯·費昔勒定律，也可寫成S=kInR+C。可以看出，感覺量的增長落后于物理量的增長，兩者成對數關系，這個定律僅僅適用于中等強度的刺激。

人們應用這個定律解決了一些物理量與感覺量的問題，應用的最好例子是聲學，建立貝爾表描述了聽覺與聲音強度的關系，將聲音強度直觀地以聽覺貝爾（分貝）的形式表示出來。但是在其他一些地方經常會發現理論與實際存在一定的偏離,于是,人們將韋伯·費昔勒定律加以改進,得到了廣義的韋伯·費昔勒定律[5]:dS=kf(S)·dR/R。它引入了一個感覺量修正因子f(S)。廣義的韋伯·費昔勒定律也可寫成：dS/f(S)=k·dR/R。

將廣義的韋伯·費昔勒定律應用于視覺舒適度研究，將兩邊積分可得：g(S)=aInR+b，說明S可表示成InR的函數，進行泰勒級數展開，可得視覺舒適度S的數學模型表達式為：S=a0+a1InR+a2(InR)2+a3(InR)3+…+an(InR)n+…

其中，an系數為待定系數，由實驗數據確定，n取得越大模擬的結果越精確，一般取到3～5次冪。

2 照明舒適度實驗研究

實驗研究了辦公室照明環境下，不同光源在不用照度下的視覺舒適度。從房間明亮感覺與明暗對比、空間寬敞感、閱讀書寫清晰感與注意力集中難度、照明顏色喜好度與被照物體顏色失真度、光源刺眼度等方面綜合評價照明舒適度，將所有舒適度評價進行數學加權平均得到整體照明舒適度評價。

2.1 冷白LED光源的照明舒適度

此組實驗光源為冷白LED 球泡燈，相關色溫為6500K，實驗場所為普通辦公室，設計不同的辦公桌面照度值，并評價不同照度條件下的照明舒適度，得到的實驗數據見表1。

表1 冷白LED照明舒適度與照度關系的實驗數據

計算得到冷白LED光源照明的視覺舒適度的函數表達式為：

2.2 暖白LED光源的照明舒適度

試驗場所不變，將光源換成3000K的暖白LED球泡燈，設計不同的桌面照度值，得到的實驗結果見表2。

表2 暖白LED照明舒適度與照度關系的實驗數據

計算得到暖白LED光源照明的視覺舒適度函數表達式為：

2.3 白熾燈光源的照明舒適度

依舊維持其它實驗條件不變，將實驗照明光源換成磨砂玻璃的鎢絲燈泡。實驗測得的舒適度結果見表3。

表3 白熾燈泡照明舒適度與照度關系的實驗數據

根據實驗數據得到照明舒適度的函數表達式為：

3 小結

上面以韋伯·費昔勒定律為基礎，研究了辦公室照明環境中照度值與數據舒適度之間的關系，根據數學模型得到了不同光源的照明舒適度與照度關系的函數表達式，由表達式可作出冷白LED、暖白LED和白熾燈的照明舒適度隨照度變化的曲線。該模型的結果對于辦公室的照明設計有一定的指導作用，設計照明環境時，根據選取的光源，使辦公桌面照度值在曲線的最大值附近，可以獲得最好的照明效果。如果同時考慮到節能，可以將照度值設計在稍微低于最佳舒適度的照度值處，達到既節能又舒適的照明設計。

[1]張紹綱,張建平,張耀根,康斌生.住宅起居室照明的實驗研究.照明工程學報,2001,12(2):11-18.

[2]左現廣,鄒勇惠,陳仲林.住宅起居室舒適照明研究.燈與照明,2003,27(1):21-23.

[3]劉沁,張乘風.視覺舒適度的理論模型及其圖像研究.激光雜志,2010,31（4）：28-29.

[4]劉沁,張乘風.起居室照明中的視覺舒適度研究.重慶工商大學學報,2010,27(4):382-384.

[5]陳啟高,馬貫中,丁小中,陳永成,韋延年.廣義的韋伯·費昔勒定律.重慶建筑工程學院學報,1991,14（4）：17-21.