基于明適應與舒適度的窗空間光環境實驗研究

王曉曼 付 瑤

沈陽建筑大學 建筑與規劃學院（遼寧 沈陽 110168）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，人們對室內物理環境的要求越來越高。光環境作為物理環境的重要組成部分，人們對其質量也越加重視，其中包括容易引起人們生理和心理不適的明適應問題。目前，關于明適應的研究主要集中在隧道和公路方面，在建筑中研究較少［1-2］。通常，在地下室出入口、室內外過渡空間以及窗空間，都存在明適應問題，如何在滿足建筑室內空間光環境舒適度要求的基礎上緩解明適應問題，是目前需要解決的問題之一。

對于光環境評價技術，早期主要是采用量化方式研究［3］。近幾年，隨著認知神經學、生物信號數據分析技術以及可穿戴傳感器技術的發展，很多學者開始使用新技術進行相關研究。已有研究人員研究發現，可穿戴式傳感器采集的情緒結果與實驗后訪談被試者的主觀感受結果吻合度較好［4］。基于此，文章通過可穿戴式傳感器和主觀問卷兩種方式綜合分析實驗結果，研究在何種光環境下，可同時滿足縮短反應時間和提高舒適度的雙重目標，為緩解建筑空間內的明適應問題提供參考，也使結果更具科學性。

文章選取單間式辦公空間作為照明模擬的對象，將尺寸為6 m×5 m×2.7 m（開間×進深×凈高）的辦公空間作為研究模型，窗的寬度為6 m，高度為2.7 m，窗臺高度記1 m。

1 實驗設計

被試者共17 名，年齡為22 ～27 歲，大學以上文化程度，無眼疾，矯正視力≥5.0。

（1）實驗中用到的儀器和輔助工具。LED 可調控燈（2 個）、燈架（2 個）、照度計、激光測距儀、皮膚電流信號（EDA）、光電容積脈搏波信號（PPG）、電腦、秒表、視力表和椅子。在實驗中，主要通過LED 可調控燈設置不同的垂直照度和色溫。實驗設計示意圖如圖1 所示。

（2）實驗環境選擇較容易控制的人工光環境，其量化指標主要包括照度、色溫、亮度和顯色性等。鑒于以往的研究者在研究時主要控制照度和色溫這兩項指標，文章也將照度和色溫作為該次實驗的控制變量［3］。實驗中LED 可控燈的色溫值范圍在3 000 ～8 000 K，實驗中確定的色溫值分別為3 000 K、4 000 K、5 000 K、6 000 K、7 000 K 和8 000 K；而亮度隨著固定在人眼高度1 500 mm 的垂直照度值進行調控，通過調控LED 燈的亮度，最終確定垂直照度值分別為100 lx、200 lx、300 lx、400 lx 和500 lx。兩兩組合，共設置30 種照明環境。

圖1 實驗設計示意圖

（3）測試墻面上有一張國際標準視力表，被試坐在室內靠窗300 mm 的位置。

（4）實驗中用到的可穿戴式傳感器主要有皮膚電流信號（EDA）和光電容積脈搏波信號（PPG），其中EDA 代表內源性或外源性壓力所誘發的表皮電位，反映了交感神經節后纖維功能狀態，是相對較為客觀和敏感的生理指標。通過該種方式，皮膚電導可以測量情緒和交感神經反應，準確地記錄被試者各個時刻的心理變化，提高了主觀調查問卷的準確性和可信度；而PPG 代表光電容積脈搏波信號，脈搏波所呈現出的形態、強度、速率和節律等方面的綜合信息，通過光電傳感器產生的光電信號強度轉換為電信號，在經放大后可反映出外周血管血流量隨心臟搏動的變化規律。

（5）李克特量表作為心理學實驗最常用的一種量表形式，可以在一定程度上反映被試的態度傾向[5]。實驗要求被試清晰辨認視力表上E 的開口方向，并評價該實驗場景的光環境。使用評價量表測定被試的舒適主觀感受，按舒適度水平分為5 級，1 為不舒適、2 為較不舒適、3 為一般、4 為較舒適、5 為舒適，其中3、4、5 等級為合格。共發放17 份問卷，回收有效問卷17 份。

（6）實驗目的。得到被試清晰辨認視力表上E 的開口方向所用的時間即明適應反應時間、皮膚電流信號（EDA）和光電容積脈搏波信號（PPG）實驗數據以及主觀問卷結果。

（7）實驗過程。①先將EDA 皮電傳感器通過一次性電極片連接到被試手掌上，記錄被試的皮膚電導數據，然后將PPG 傳感器固定在被試的耳垂上，記錄被試的光電容積脈搏數據。②研究人員為被試講解實驗過程與注意事項。③讓被試坐在室內窗的指定座位上。④清潔被試的手掌和耳垂，研究人員為被試佩戴生理傳感器。⑤被試靜坐3 min，放松心情，保持心情平靜，并通過ErgoLAB 軟件記錄被試的生理信號基線數據。⑥讓被試的頭轉向室外黑暗環境靜坐0.5 min 后，開啟室內環境光源，同時讓被試的頭轉向室內光環境的方向。研究人員指定一個E 開口方向，讓被試正確辨認視力表上E 的開口方向并對該實驗場景的光環境評價打分。整個一組實驗過程耗時1 min，記錄被試的明適應反應時間和在該組照明環境下實驗的生理信號數據。重復實驗，30 組共30 min。最后回收光環境評價打分表。⑦回收問卷，取下實驗儀器，實驗結束。

2 實驗數據分析

（1）主觀問卷與EDA、PPG 的吻合度分析。在實驗結果統計中發現，主觀問卷與EDA、PPG 的結果基本一致，吻合度較好。

（2）信度分析。對采集到的舒適度采用被試內部一致性信度系數進行統計分析，以衡量其信度。統計結果顯示，對窗空間明適應的光環境舒適度實驗的被試的一致性信度系數為0.822，達到Bakeman[6]提出的0.75 的被試一致性標準。

（3）各變量的平均數、標準差和相關系數分析。通過SPSS 軟件分析色溫、垂直照度、反應時間以及舒適度變量的平均數、標準差和相關系數，結果顯示，色溫和照度不相關，色溫與反應時間和舒適度不存在顯著性；而垂直照度和反應時間存在顯著的負相關，垂直照度和舒適度存在不顯著的正相關，反應時間和舒適度存在較弱的負相關。由此可以看出，反應時間主要與垂直照度和舒適度有較大的關聯性[7]。

（4）方差分析。通過SPSS 軟件對色溫、垂直照度與反應時間和舒適度進行方差分析，結果顯示，色溫與反應時間的P=0.726 ＞0.05，色溫與舒適度的P=0.178 ＞0.05，即色溫與反應時間和舒適度無顯著性差異；而垂直照度與反應時間和舒適度的P=0.000 ＜0.05，即垂直照度與反應時間和舒適度有顯著性差異。

3 實驗結果

3.1 明適應水平與垂直照度的關聯性

在不同色溫照度下，反應時間的變化，即被試的明適應水平的變化，通過SPSS 線性回歸分析，在不考慮色溫的情況下，垂直照度與反應時間的P=0.03 ＜0.05，有顯著性，且線性系數為-0.02，呈負相關。

3.2 反應時間與舒適度的關聯性

反應時間與舒適度的關系如圖2 所示。從圖2 可以看出，反應時間＜5.12 s 時，舒適度值相對穩定且表現為較舒適，結合問卷結果可以看出反應時間＜5.12 s的垂直照度分別為300 lx、400 lx 和500 lx；反應時間在5.12 ～6.82 s 時，舒適度值相對不穩定且有少部分表現為不舒適，結合問卷結果可以看出，反應時間在5.12 ～5.72 s 的垂直照度主要集中在100 lx 和200 lx。

圖2 明適應反應時間與舒適度的關系

4 結論

不舒適的室內窗空間光環境會使人在室內外視線轉換過程中的適應水平減弱，甚至會讓人感覺刺眼、眩暈，因此研究舒適的室內窗空間光環境十分必要。文章研究了夜間在不同垂直照度和色溫的光環境下，人在室內外視線轉換過程中明適應對應的舒適度,得出以下結論：

（1）通過比對主觀問卷和EDA、PPG 的結果，二者吻合度較高。

（2）通過信度分析，結果表明該實驗符合一致性標準。

（3）通過相關性分析和方差分析，結果一致表明色溫和照度之間不相關，色溫與反應時間和舒適度不存在顯著性，垂直照度與反應時間和舒適度存在顯著性。

（4）通過分析因變量反應時間和舒適度的關聯性圖表，在垂直照度分別為300 lx、400 lx 和500 lx 以及明適應反應時間＜5.12 s 時，舒適度值相對穩定且表現為較舒適。