地下工程办公空间中照度和色温对主观评价和工作效率的影响的初步探究

陈晓东，张 昕，董 娴，2，金晓公，邢哲理

(1.清华大学建筑学院，北京 100084；2.中国人民解放军陆军工程大学，江苏 南京 210001；3.军事科学院国防工程研究院，北京 100097)

引言

地下工程空间因建筑主体位于地下，空间密闭，导致采光方式受到限制，其核心特点为缺乏自然采光维持工作人员的光照节律，仅能依靠人工光提供照明。已有研究表明，缺乏天然光的地下空间所面临的核心问题包括：

1)生理负面影响，光是人体生理节律的重要调节器，其中天然光的作用尤为关键，在缺乏天然光的地下空间如何调整节律作息是关键难题[1-3]。

2)心理负面影响，地下空间视线受阻，昏暗的光环境(如矿井、隧道等)，给人带来幽闭、恐惧等不适感[4，5]，造成焦虑、反感、抑郁等负面心理影响；研究表明[6]，引入外界景观和天然光来抵消地下车库的封闭感，可降低对心理的消极影响。

3)方向感缺失，人对其身处空间的方向定位，受光照引导，人员疏散具有趋光性，而安全疏散是地下空间设计的先决条件，实现地下空间的思维可达性、视线可达性以及行为可达性[7-9]，是光环境营造的重点。

本文研究对象为地下工程中的办公空间，即地下工作人员日常工作场所，不同于地下商场空间、停车场等相对广泛存在的地下建筑空间，地下工程空间的距地表深度、工程特点都具有特殊性，其光环境典型特点为缺少天然光照射，因而与极地、核潜艇的工作空间极为相似。高强度、高色温的照明策略、24 h的工作周期更有利于工作人员的生理节律和工作效率[10]。Kelly等通过观察18 h周期的潜水艇工作人员(12 h工作，6 h休息)的节律状况[10]，发现仅靠社交和时间概念不足以促进人正常的24 h的节律周期。Czeisler与Colin等学者的深入对比研究同样表明[11，12]，即便是无天然光信息的地下空间，24 h的工作周期仍更有利于人的生理节律和工作效率。此外，高色温光照所带来的强生理节律刺激，更受到核潜艇工作人员的偏好[12，13]。极地空间光环境研究也存在类似的结论， Francis等[14]在南极的研究表明，高强度的蓝光照射可有效提升人的睡眠效率。类似的，Mottram等[15]提出17 000 K的蓝光相比于普通白光，可显著提前人的睡眠时间。

另一方面，地面办公空间光环境的相关研究，对地下工程空间光环境的设计同样具有启发性。Figueiro等[16]对美国多栋办公建筑进行长期跟踪测量，论证了眼部曝光量和睡眠质量间的关联，并强调生理节律光刺激对照明设计反馈的重要性。 Sahin等[17]的研究结果表明，办公空间的人工光颜色对人的表现有显著作用，窄波段的红光可显著提升日间的警觉度及工作表现。类似研究也表明，办公空间蓝光对人存在镇定作用而红光存在刺激作用[18]。而荷兰学者的研究呈现了另一个有趣的结论，高色温的光在办公空间配置并不常见，原因在于其对人的情绪和认知表现不利[19]。

笔者团队于2019年11月对南京某地下工程进行实地调研和人员访谈，如图1所示，对办公相关空间的工作面光学参数进行测量，会议室光环境极差，工作面水平照度仅为92.5 lx，Ra为78.6，而指挥室光环境稍好，但工作面水平照度也仅为143.7 lx，Ra为83.8。该地下工程光环境质量整体较差，结合地下工程工作人员访谈结果，主要调研结论如下：

图1 南京某地下工程(左：会议室；右：指挥室)Fig.1 An underground project in Nanjing (Left: Conference room; Right: Control room)

1)灯具显色性整体偏低，难以满足人的正常视觉作业需求，严重影响人的正常工作效率；

2)不同功能空间灯具的色温分布不均，且常常和空间特性相悖，灯光色彩配置混乱；

3)工作面照度偏低，实测各功能空间工作面照度最高不足300 lx，部分工作面仅仅100 lx左右，不满足视觉作业工作面照度要求的下限。

目前国内地下工程办公空间光环境研究尚存在以下问题[10]：设计标准多沿用地面标准，对地下空间的特殊性缺乏考虑，且缺乏相关非视觉设计指标；研究总体较少且不系统，多仅关注色温或照度的单一作用，缺乏对双参数共同作用的探究。综上，本研究以地下工程办公空间为研究对象，探讨不同色温、照度参数组合条件对人的视觉主观反馈和工作效率的影响，为地下工程办公空间光环境设计提供参考。

1 实验介绍

本实验通过模拟类似地下工程空间的无天然光环境，以色温、照度两个参数为实验变量，设置不同的人工光照明方案，模拟地下日常工作状态，通过评估不同实验组别被试的视觉与非视觉反馈及工作效率，探讨照度、色温对人的视觉及非视觉主观评价及工作效率的影响，归纳总结适宜地下工作环境的照明参数。

1.1 实验条件及被试

实验于2020年7月23日至8月8日进行，共计15天。实验空间位于京市朝阳区酒厂艺术园区(图2)，包括三间配有天窗及侧窗的南向实验室，每间实验室包括两个实验工位，三间实验室的天窗和侧窗进行完全封闭处理以模拟全人工光实验条件，且三间实验室的声环境、热湿环境基本保持一致(26.1±0.5 ℃，相对湿度48.2±1.3)。人工照明配置了色温、照度双参数的调光系统，依据实验需求选择制定相应的人工照明方案。

图2 实验空间图示Fig.2 Diagram of experimental space

本实验被试共计13人，均满足身体状况良好、实验期间无服药经历，视觉状况良好，饮食作息规律。被试平均年龄为28.64±5.39，男女比例为6∶7。实验期间被试保持坐姿，采用个人笔记本模拟办公任务，代谢率约为1 met(静坐)～1.1 met(打字)。

1.2 实验技术手段

实验空间光学参数测量，通过SPIC-200彩色光谱照度计记录各办公工位的实际光谱数据，测量并计算人眼部的垂直光谱数据，记录间隔1 h；通过照明研究中心(Lighting research center)提出的节律照度(Circadian light)、节律刺激(Circadian stimulus)的非视觉指标和计算方法[20]，将光谱数据转化为非视觉量度，与被试非视觉反馈结合分析。

实验评测内容包括视觉主观评价、非视觉主观评价以及工作效率评估三个方面。视觉主观评价采用VAS视觉模拟评价问卷[21]，标度0～100 mm，获取被试视觉主观评价(共计6项)，主要聚焦视觉满意度、光照充足程度以及空间物体呈现效果等问题。非视觉主观评价包括觉醒度评价和情绪评价两部分，觉醒度评价采用Karolinska Sleepiness Scale评估[22]；情绪评价采用The Positive and Negative Affect Schedule (PANAS)[23]，包括积极情绪、消极情绪各10项子问题，该量表要求被试对个人情绪进行自我评估，通过对每十个子问题求和，表示相应的情绪状态。以上视觉及非视觉主观评价均为120 min填写一次。

工作效率评估采用FocusTest，该工具为清华大学建筑技术科学系研发，主要用于评估被试的任务表现水平，共包括字母记忆、数字心算和图片匹配三个任务。字母记忆测试，被试需要在1 s内记住屏幕中闪现的6位英文字母组合，并有4 s的时间在字母消失后输入答案，手动确认或4 s结束后进入下一题；数字心算要求被试完成3个10以内自然数加法，需要4 s内完成结果输入；图片匹配要求被试在16张图片中找到2组相同的图片，完成后进入下一题。本实验设置了200 s字母记忆、200 s数字心算、200 s图片匹配三个子任务，聚焦作答准确率及任务效度综合评价等指标。

1.3 实验设置及流程

实验模拟正常日间办公时间，设置三个实验时段，分别为：10:00—12:00、13:20—15:20、15:30—17:30。实验变量为照度和色温，结合已有采光照明设计标准规定以及地下工程空间调研结果，以工作面中心作为参照点，分别设置150 lx、300 lx、500 lx、1 000 lx等4个照度组别，4 000 K、5 000 K、6 000 K等3个色温组别，照度色温参数交叉构成共计12个实验组别，每个实验组别至少有10人次参与实验，累计实验人次不低于120。各参数条件的实验场景如图3所示, 从上至下色温依次为4 000 K、5 000 K、6 000 K,从左至右照度依次为150 lx、300 lx、500 lx、1 000 lx。

图3 实验场景Fig.3 Experiment scenes

实验流程设置如下：每2 h的实验期间，被试需提前10 min到达实验空间，完成光环境适应。实验开始，记录各被试眼部及工作面的光谱数据；实验过程中，被试模拟正常坐姿办公任务，不许离开实验室或实验室内走动；实验结束时，被试需完成视觉主观评价VAS问卷、KSS觉醒度量表以及PANAS情绪评价量表的填写，并于实验结束前10 min完成工作效率评估。

2 实验数据分析

2.1 实验光环境

本实验过程依靠人工照明提供光线，人工照明的调节系统共包括四个矩形面光源，实验预设的照度、色温组别，与实际的实验参数的误差控制不超过5%。对于12个实验组别光环境条件下，被试工作状态眼部垂直点位的节律刺激进行计算，结果如图4所示。以节律刺激作为指标，通常建议取值大于0.3以保证充分的非视觉刺激[20,24]，本实验中，仅1 000 lx的实验组别满足条件，其余组别的非视觉刺激量均有不足；此外，实验组别设定是以工作面水平照度作为参考，而实验空间仅由人工光源提供顶部光，缺乏侧面天然光供给，100 lx、300 lx、500 lx三个组别中人眼部垂直方向照度最高也未超过260 lx，与相应的水平照度接近1∶2的比例关系，因而计算得到的节律刺激值偏低，说明在仅存在人工照明的地下工程办公空间，照度标准值设定宜不拘泥于工作面照度值的规定，以保证充分的非视觉刺激量，保障地下工作人员的节律健康。

图4 不同实验组别的节律刺激Fig.4 Circadian stimulusof different experimental groups

2.2 视觉主观评价

本实验中，视觉主观评价共包括光环境舒适度、吸引力、光色自然度、光照充足度、场景印象和物体轮廓呈现共计6项。笔者分别以上述6项评价指标作为因变量，对照度、色温双自变量，进行ANOVA双因素方差分析(图5)。结果显示，除吸引力外，其余5项视觉主观评价均存在统计显著性。事后分析两两比较显示(表1)，光环境舒适度受照度显著影响， 1 000 lx的工况相比于150 lx可显著提升被试的主观舒适度评价；对光色自然度和光照充足度而言，150 lx条件相比于300 lx/500 lx/1 000 lx组别的评价得分也显著偏低，被试普遍反馈150 lx的工作条件难以满足正常的工作需求；对于场景印象和物体轮廓呈现的评价，同样存在高照度(1 000 lx)优于低照度(150 lx/500 lx)组别的情况，被试认为1 000 lx条件下视野中的场景更加生动。另外，色温变量在所有视觉主观评价问题中均不存在统计显著性，一方面说明色温变量在本实验中对于视觉主观评价的区分度较弱，另一方面表明照度变量在光环境评价中的主导作用。

图5 不同实验组别的视觉主观评价Fig.5 Subjective visual performance of different experimental groups

表1 视觉主观评价问题多重比较结果

综上，对于大部分视觉主观评价，均呈现高照度条件(1 000 lx)的满意度显著优于低照度条件(150 lx)；对于300 lx/500 lx的中照度组别，虽然1 000 lx组别的主观评价普遍高于300 lx及500 lx条件，但仅仅在光照充足度(300 lx)和场景印象评分(500 lx)存在统计显著。

2.3 非视觉主观评价与工效测评

非视觉主观评价包括KSS觉醒度和PANAS情绪评价两项。

对于KSS觉醒度(图6)，方差分析及事后多重比较结果表明，1 000 lx条件下的觉醒度显著高于150 lx(p=0.026<0.05)，即被试在1 000 lx的高照度条件下更能保持清醒状态。这与已有光学研究结论吻合，高照度所带来的强生理节律刺激，更能有效抑制人褪黑激素分泌，并维持人的觉醒度。此外，300 lx、500 lx与1 000 lx条件下的觉醒度评价并不存在显著差别，说明照明标准中通常采用的常规照度限值可维持工作人员正常工作的觉醒度。

图6 不同实验组别的觉醒度得分Fig.6 KSS feedback of different experimental groups

对于PANAS情绪评价的积极情绪、消极情绪两个因变量(图7)，同样进行了照度和色温的双因素方差分析，结果均不存在统计显著，说明在本实验不同照度和色温条件并未导致被试积极情绪和消极情绪的差异。而以往的研究经验中，情绪反馈对光照和色温变量具备较好的响应能力[25]，本实验的差异结果，其可能原因在于光的非视觉作用的时间累积效应，2 h的短时实验未能有效反馈实验期间的真实情绪变化。

图7 不同实验组别的情绪评价(积极情绪、消极情绪)Fig.7 Mood feedback (positive and negative) of different experimental groups

工效测试三项子任务为字母记忆、图片匹配以及数字心算，然而方差分析的结果均不存在统计显著。究其原因，一方面是上述提到的实验时间和非视觉作用累积效应的冲突，另一方面也说明本实验工效测试工具对被试的区分度较差。

3 讨论与结论

本研究实验主要结论包括如下三点：

高照度条件(1 000 lx)可提升整体视觉主观满意度和觉醒度，低照度条件(150 lx)无法维持良好的视觉作业效率。这和已有相关实验结论一致，夜间人工照明的照度增加与褪黑素抑制呈显著正相关[26,27]，高照度可保证白天的觉醒度[17,28,29]，提升人的视觉及非视觉满意度。另外，在已有建筑照明标准中[30]，300 lx是对于普通办公室和会议室工作面的照明标准值，500 lx是对高级办公室、视频会议室及设计室等空间工作面的照明标准值，两者可视作一般视觉作业和高级视觉作业的要求，在本实验中，1 000 lx照度的条件更受偏好，说明设计值相比标准值的提升仍可有效改善视觉舒适度，因而从改善地下工程办公空间人员的视觉舒适度和觉醒度角度，笔者认为在缺乏天然光供给的地下工程办公空间中，人工照明设计的照度标准值宜相比标准要求有所提高。

照度与色温双参数对视觉主观评价的影响，照度值具有先决意义，色温变量影响较小。通常，高色温往往有利于觉醒度提升[31,32]和积极情绪的激发[33]，考虑到已有研究实验中多为色温单变量实验或照度考虑较少，而本实验自变量设计包括照度色温双参数，笔者认为在照度色温交叉实验中，照度变量也许对色温存在掩蔽效应。结合已有研究结论，当照度值达到一定限值(500 lx)，色温提高对人的视觉与非视觉反馈影响减弱[34,35]，本实验侧面印证了照度在视觉主观评价的潜在先决影响，该结论有待后续相关实验进一步验证。

地下工程办公空间人工照明设计中，保证充足眼部非视觉刺激不容忽视。本实验中，缺少了天然光侧面采光，顶部人工照明是唯一光源，即便满足了500 lx的视觉作业要求，落实到眼部垂直方向的非视觉指标如节律刺激CS值依然低于建议值，这意味着以视觉作业为单一评估准则很可能导致非视觉刺激量的不足，对地下工作人员的长期节律健康存在隐患。虽然本实验的非视觉评价中仅觉醒度存在统计显著性， 笔者团队认为采取合适的照明方式和方案以保证非视觉刺激量是设计实践的重点。

本实验由于实验时间较短，还存在如下局限：单位实验时间较短, 光对非视觉的作用的时间累积效应，短时间2 h的测试并不能有效反映作用效果；非视觉测度手段相对单一，有待补充客观测量工具深入研究。