基于評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的辦公室光環(huán)境舒適度研究

劉 剛，劉夢(mèng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

基于評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的辦公室光環(huán)境舒適度研究

劉 剛，劉夢(mèng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

針對(duì)辦公室光環(huán)境設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方面存在的問(wèn)題，基于評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，研究了照度、相關(guān)色溫、照度均勻度對(duì)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(jì)建議。同時(shí)根據(jù)得到照明指標(biāo)對(duì)舒適度的影響量化數(shù)據(jù)，通過(guò)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(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型。研究成果可為辦公室照明設(shè)計(jì)提供參考，并為光環(huán)境評(píng)價(jià)提供工具。

辦公室照明；光環(huán)境舒適度；影響規(guī)律；評(píng)價(jià)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(duì)身體造成的傷害[1]。但目前對(duì)于人工光環(huán)境舒適度的相關(guān)研究還存在如下問(wèn)題：首先，單參數(shù)、離散變量的評(píng)價(jià)方式缺少對(duì)變量間的耦合影響的考慮；其次，目前對(duì)于光環(huán)境舒適度的評(píng)價(jià)方法較為復(fù)雜，實(shí)際可操作性不佳[2-5]。因此，為解決上述問(wèn)題，本文采用實(shí)驗(yàn)方法，研究不同照明參數(shù)對(duì)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(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型。

1 光環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

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(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的控制變量，同時(shí)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(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)過(guò)程合理的前提下，對(duì)上述參量進(jìn)行排列組合，得到30組人工光環(huán)境實(shí)驗(yàn)工況。

1.2 空間搭建

實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)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(duì)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(shí)驗(yàn)光源，并配置調(diào)光鎮(zhèn)流器，參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)于照度參數(shù)調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)光鎮(zhèn)流器實(shí)現(xiàn)；對(duì)于相關(guān)色溫調(diào)節(jié)，通過(guò)各種色溫光源實(shí)現(xiàn)；對(duì)于照度均勻度調(diào)節(jié)，通過(guò)不同位置的燈具啟閉實(shí)現(xiàn)。由于控制變量較多，本實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)了一套可調(diào)光控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采用Visual Basic語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)Windows系統(tǒng)的虛擬串口來(lái)模擬Modbus主機(jī)協(xié)議，并通過(guò)USB-485轉(zhuǎn)換器與照明系統(tǒng)控制接口相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

表1 實(shí)驗(yàn)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(guò)調(diào)光控制系統(tǒng)切換光源亮度、開(kāi)啟類型及開(kāi)啟位置，利用CL-200A色彩照度計(jì)測(cè)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(kāi)啟并穩(wěn)定30 s后，每種工況下均能滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，保存設(shè)置以供正式實(shí)驗(yàn)時(shí)直接調(diào)用。被測(cè)試者位置如圖2所示，照度測(cè)點(diǎn)如圖3所示，光環(huán)境參數(shù)測(cè)量結(jié)果如表2所示。

圖2 被測(cè)者位置圖Fig.2 The position of the subjects

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Measuring point layout

表2 人工光環(huán)境參數(shù)測(cè)量結(jié)果

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)共包含30名被試者，但由于實(shí)驗(yàn)空間為小型辦公室，不能同時(shí)容納30名被試者，因此將被試者分為10組，每組3人按照?qǐng)D2所示進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室參與舒適度問(wèn)卷評(píng)價(jià)。問(wèn)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(shí)驗(yàn)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(kāi)啟光源。為避免因熒光燈在開(kāi)啟后短時(shí)間內(nèi)的不穩(wěn)定問(wèn)題，每種工況燈具開(kāi)啟并穩(wěn)定30 s后被試者開(kāi)始填寫(xiě)問(wèn)卷；然后關(guān)閉所有實(shí)驗(yàn)光源，僅開(kāi)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(cè)者休息15 s后進(jìn)行下一種工況的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)；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(píng)價(jià)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 照明指標(biāo)對(duì)光環(huán)境舒適度影響規(guī)律

由圖4可知，均勻度為0.7時(shí)：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(shí)，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(wú)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(shí)，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(shí)，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(shí)，無(wú)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(duì)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(duì)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(shí)：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(shí)，舒適度提升非常明顯，從200 lx變化到500 lx時(shí)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(wú)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(shí)，中間色溫光源對(duì)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(guò)高；當(dāng)使用高色溫光源時(shí)，照度應(yīng)達(dá)到250 lx以滿足舒適度要求，且可根據(jù)實(shí)際需求適當(dāng)提高照度；當(dāng)使用低色溫光源時(shí)，照度必須達(dá)到400 lx才能滿足舒適度要求，因此除非對(duì)低色溫有明確要求的場(chǎng)所，否則不宜采用低色溫光源，對(duì)照明節(jié)能不利。

圖5 照明指標(biāo)對(duì)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(shí)驗(yàn)得到的照度、色溫、照度均勻度對(duì)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(guò)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(píng)價(jià)各照明指標(biāo)對(duì)辦公室光環(huán)境舒適度影響的數(shù)學(xué)方程。并對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，得到模型迭代歷史記錄和方差分析結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置，對(duì)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(guò)對(duì)模型的檢驗(yàn)分析，得到模型的迭代歷史記錄見(jiàn)表3和模型方差分析結(jié)果見(jiàn)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(jì)值之間的相對(duì)減少量最多為 PCON=1.000×10-8，因此在3模型評(píng)估和2導(dǎo)數(shù)評(píng)估之后，系統(tǒng)停止運(yùn)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(guò)數(shù)字計(jì)算的。

表4 參數(shù)估計(jì)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(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，可以看到經(jīng)過(guò)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(jì)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(guò)對(duì)模型的檢驗(yàn)分析，得到模型的迭代歷史記錄見(jiàn)表6和模型方差分析結(jié)果見(jiàn)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(duì)減少量最多為SSCON=1.000×10-8，因此在 4 模型評(píng)估和 2 導(dǎo)數(shù)評(píng)估之后，系統(tǒng)停止運(yùn)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(guò)數(shù)字計(jì)算的。

表7 參數(shù)估計(jì)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(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，可以看到經(jīng)過(guò)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(jì)學(xué)意義上，可以說(shuō)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(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)提供簡(jiǎn)潔可靠的預(yù)測(cè)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新型采光技術(shù)與高校照明控制系統(tǒng)研發(fā)”(2016YFB0601700)，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“寒冷氣候區(qū)低能耗公共建筑空間設(shè)計(jì)理論與方法”(51338006)

TM923

A

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