林 怡，董英俊，杜怡婷

(1.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092；2.高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室，上海 200092)

高密度办公空间人工照明的非视觉效应现场实验研究

林 怡1,2，董英俊1，杜怡婷1

(1.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092；2.高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室，上海 200092)

办公室作为办公人员白天的主要存在场所，其光照环境对办公人员的身心健康有重要的影响作用。在对高密度城市办公空间光环境现状调研及其工作人员的问卷调研分析的研究基础上，本实验选取真实办公场所，以其工作人员作为被试，进行光照对比实验。所有被试在日间工作时间内接受为期3+1周的基础场景光照(Eeye=182 lx，Tc=5 000 K)和持续3周的实验对比场景光照(Eeye=500 lx，Tc=6 500 K; 40分钟节律光照刺激：Eeye=1 000 lx，Tc=8 000 K；)，并记录节律相关的心理、生理指标数据进行对比分析研究。结果表明，被试警觉度、情绪和疲劳度在两个场景下存在不同层次的显著性差异，且实验场景照明条件下对工作人员的警觉度、正面情绪更为有利。

办公室；光照环境；睡眠质量；情绪；警觉度；疲劳度

引言

办公室是城市工作人员日间的主要活动空间，办公室环境对工作人员具有显著的影响作用。在形成办公空间的诸多环境因素中，光环境被认为是最为重要的因素之一[1]。近年来，随着对光生物效应的认识的发展以及半导体照明技术的不断突破，国内外对办公空间光照环境的研究与设计应用，已从满足光的视觉功效为目标逐渐转向光生物效应的需求。因为办公照明品质不仅直接影响人员对于工作任务的认知及完成效率，还对员工的情感和情绪产生作用[2]，更在长期作用下对人员健康产生重要影响[3-4]，所以探索有利于员工心理和生理健康的办公空间光照环境具有重要的现实意义。

大量以往研究显示日间或夜间的高照度光环境均可以提高办公人员警觉度，降低困倦度，减弱疲劳度，并对需要注意力集中的任务拥有更快的反应速度，在此过程中人体心率加快，体温升高，褪黑激素分泌受抑制[5-8]。高强度富含蓝光的光照亦令办公人员活力度提升，情感抑郁特征显著降低[17-18]，且无论人员是否表现出情感抑郁的征兆，高强度光照刺激都能显著改善人体的情绪状态，进而提高工作效率[9-11]。光的非视觉效应对于办公人员健康的影响作用，还表现在高强度光照，尤其短波光谱能够调节人体昼夜节律，改善睡眠质量，进而在长期效应下显著影响人的健康与工作效率[9,12-13]。多项现场跟踪实验研究显示日间受光量与睡眠质量有关[6,14-15]，可接受到日光照射的办公人员相对于得不到日光照射的人员工作表现更佳，活力度较高，睡眠时长也相对较长，睡眠质量更佳[16]。总体而言，自然光强度相对更高、蓝光含量更丰富，更利于办公人员昼夜节律，改善身心健康水平。然而，我国办公空间自然光水平总体低下。我们自2013年以来对上海地区20间办公室的光环境现状进行了实地调研，结果显示办公空间整体照度水平(包括自然光与人工光)低下，且近窗距离与工作人员的觉醒度与睡眠质量呈显性相关，远离窗户的工作人员白天感觉更为困倦，且睡眠质量相对较差[19]。究其原因，可能是因为远离窗户的人员日间难以获得充足自然光照刺激，以满足视觉需求设置的人工光亦不足激发生物效应。

故我们假设通过给予办公人员高强富蓝白光的光照刺激，通过光生物效应对人体节律产生作用，提高日间觉醒度、改善睡眠、提高工作效率。实验对真实办公空间进行照明改造，通过对比光照环境改造前后被试睡眠质量、情绪、警觉度和疲劳度的差异，探究人工照明对于难以获得自然光照的工作人员节律的影响作用。

1 实验设计

1.1 实验场地

现场实验于2016年11月上旬至12月中旬在上海某高层办公楼6层一开放式办公室内相对独立办公区域进行。该办公区东北朝向，外部无遮挡，但由于沿外墙布置单人隔间，导致内部开放办公区域所获得自然光非常有限，且自然光水平相对稳定。

1.2 被试选择

本次实验选择在该办公室实验区域内稳定工作的25名员工(17名男性和8名女性)作为被试。被试年龄在25～42岁之间，全部视力正常或矫正视力正常，且自报告无情绪类疾病。所有被试在了解实验流程和需要采集的实验数据之后自愿签署知情同意书。

1.3 实验照明场景设计

本次实验以办公室原有光照条件为基线(baseline)场景。该空间均布悬挂式工矿灯，光源使用5 000 K紧凑型荧光灯。灯具分布平面图如图1所示，现场如图2所示。实测桌面水平照度50～150 lx，平均值82 lx。眼部垂直照度于工位桌面上方600 mm处，面向电脑显示屏后测得。由于实际工作中，电脑显示屏亦提供部分垂直照度，因此测量时未刻意关闭显示器。实测垂直照度40～200 lx，所有被试工位眼部垂直照度平均值为105 lx。

图1 基础场景灯具和被试位置分布平面图Fig.1 Plan of lamps and subjects in baseline scene

图2 实验空间基础场景现状照片Fig.2 Scene photograph of baseline experimental space

实验对比场景在原有基础上增设两套照明系统，一是增加悬挂式线型下照灯补充总体照明，二是在每个工作位上方增设一套表面柔光的线型灯具，提供眼部节律光照刺激。节律光照灯具体安装位置在实验室进行了模拟和评估，以尽量减少被试视看电脑屏幕的干扰和眩光感受。在实际安装根据被试坐高略有调整，但确保被试眼部照度大于1 000 lx。实验增设灯具均采用德国Osram的直管荧光灯，具体参数及光谱分布见表2。实验场景灯具位置关系图如图3所示。

图3 实验场景灯具布置立面图Fig.3 Elevation of lamps in experimental scene

图4 实验对比场景现场照片Fig.4 Scene photograph of experimental stage with lamps turn on

实验中不同时间段开启不同的照明系统，形成不同的照明模式。总体照明系统从9:00持续开启至下午5:30，桌面平均照度达到289 lx。下午5:30之后所增加的总体照明灯具全部关闭，恢复为基线场景；节律照明系统则从被试早晨开始工作始持续开启40 min。由于被试上班时间不完全一致，每个工位前上方的节律照明灯具均独立控制，灯具开启与关闭由实验操作人员进行控制和记录开启时刻。若被试晚于10:30到达，则不再开启。该系统实现眼部垂直照度1 000 lx以上。实验场景相关照度及色温见表1。其中工位水平照度和垂直照度使用柯尼卡美能达CL-200色彩照度计进行测量。关键工位的环境温度、垂直照度则由Thermal Recorder RS-13自动持续记录。本次实验未考虑电脑显示器对于眼部照度的影响，所以指标均在关闭显示器后测得。

表1 基础场景和实验场景的光照参数

表2 实验空间光环境改造选用光源的光谱

1.4 数据采集及问卷设计

本次现场实验对被试的睡眠质量、警觉度、情绪以及疲劳度进行了数据采集。

睡眠质量的数据采集一般可由被试填写睡眠日志而获取主观评价，亦可利用佩戴式体动监测仪进行客观数据采集。本实验则同时采用睡眠日志和睡眠手环的方法，进行主客观指标相互比较验证。被试每日到办公室开始工作时填写睡眠日志，对前一晚包括睡眠总时长、入睡情况以及醒来后的精神状态在内的三个睡眠指标对进行主观评价。考虑到日间活动、工作强度的个人差异对于睡眠的影响，在睡眠日志中询问被试“睡前是否吃过或饮用过？”选项包括：酒精饮料、大餐、咖啡因饮料、都没有。另要求列出其他可能影响睡眠的外在因素，用于对最后数据的筛选分析。

此外，实验期间被试全天佩戴睡眠手环，记录夜间总睡眠时长、深度睡眠时长和快速眼动睡眠(Rapid Eye Movement，REM)时长以及夜间醒来次数等指标。本实验采用Up3手环，是由美国Jawbone公司生产的记录睡眠、运动以及心率等生理参数的穿戴式健康手环。在预实验中与Philips公司的研究型体动仪Acti-watch进行了为期一周的睡眠数据比对，Up3所记录的睡眠数据在总体上与体动仪记录数据基本一致。实验第一天，被试还将填写PSQI量表(Pittsburgh Sleep Quality Index,匹兹堡睡眠指数量表)以确定睡眠类型。

警觉度的评价采用卡罗林斯卡困倦度量表(Karolinska Sleepiness Scale，KSS)，将警觉度分为10个阶段，从1-极度警觉到10-极度困倦无法保持清醒。由被试于每周一、三、五，节律光照30 min后、11:30和17:30根据主观感受打分。

情绪的评价则是通过7组与情绪相关的正负语义差量词汇组成，通过7级李克特量表(Likert Scale)的形式让被试根据自己的主观感受进行评价。7个情绪评价问题分别是：问题1“不高兴的—高兴的”、问题2“烦躁的—愉悦的”、问题3“沮丧的—欢乐的”、问题4“紧张的—放松的”、问题5“不喜欢的—喜欢的”、问题6“安静的—活跃的”和问题7“忧郁的—畅快的”。

疲劳度包括精神疲劳和躯体疲劳，相关问卷包括对于精神疲劳的问题8“我现在感到非常疲劳”、问题9“我感到很乏力”和问题10“我感到精力充沛”，要求被试分别在上午和下午进行评估。躯体疲劳的问题包括问题11“我感到头痛”，问题12“眼睛干涩”，被试将在下午进行评估。所有问题要求被试根据自身感受选择表述的准确性，同样采用7级量表进行评估。

1.5 实验流程设计

实验主要分为三个阶段，第一阶段采用基线场景即原光环境，持续三周；第二阶段在实验对比场景光照条件下进行，持续三周；第三阶段恢复到基线光照场景，并持续一周。

被试在实验期间每个工作日到达公司之后填写睡眠日志，并于实验期间每周一、三、五填写情绪、疲劳度及警觉度的问卷。11:30与17:30微信推送相关问卷，要求被试半小时内进行网络填写。实验期间被试全程佩戴睡眠手环，记录被试每天睡眠状况，每一周结束后将被试睡眠数据同步至手机后进行数据的保存和统计。手机记录睡眠数据界面如图5所示。实验具体流程如图6所示。

图5 Up3与手机连接后的显示界面Fig.5 The interface of Up3 app on mobile phone

2 数据分析

图6 实验流程及内容Fig.6 Experiment process and content

实验结束后根据被试在实验期间的配合情况、出勤情况，并结合睡眠问卷的影响睡眠干扰因素反馈情况进行了无效数据的剔除和干扰数据的筛选。最后获得18份有效数据，在此基础上进行了统计分析。数据分析通过对比被试在基础场景和实验场景下的数据统计结果，运用配对样本t检验的方法检验对比实验下各指标是否具有显著性差异。当P值小于0.05时，认为差异是显著的，当P值小于0.01认为差异高度显著。

2.1 睡眠质量

对睡眠质量的主客观评价指标进行的统计分析后发现，睡眠日志评价的三项睡眠指标(睡眠总时长、入睡情况及醒来后的精神状态)两种实验场景下均不具有显著性差异；通过睡眠手环收集的客观睡眠数据中，“总睡眠时长”同样不存在显著相关性(表3、表4)。手环记录的“深度睡眠时长”和“快速眼动睡眠时长”两项指标t检验P值小于0.05，表明两种照明场景下具有显著差异。然而实验光照条件下被试深度睡眠均值减小，REM均值增加。

表3 睡眠质量分析结果

表4 深度睡眠时长与REM时长分析结果Table 4 Result of deep sleep time and REM time

2.2 警觉度

警觉度三个时间段的评价结果统计结果如图7和表5所示。其中早上警觉度的评价在对比实验阶段中，被试是在给予约30 min的节律光照(色温8 000 K，眼部垂直照度1 000 lx)后进行的。数据统计结果发现，早上被试警觉度在两种光照场景下有显著性差异(P=0.015)，实验场景光照下被试的警觉度显著高于基础场景。而中午和下午警觉度的分析结果显示被试的警觉度与光照场景不具有显著相关性，但是从均值来看实验场景光照条件下警觉度总体高于基础场景。

图7 一天内三个时刻的警觉度统计结果Fig.7 Alertness evaluation result of three moments in one day

2.3 情绪

情绪的评价分为上午和下午两次进行，分别是针对上午和下午这段时间进行评价，统计结果如表6、表7所示。

上午和下午的情绪评价7个问题中各有三个问题P<0.05。其中问题3“沮丧的—欢乐的”在上午和下午的评估中都与实验场景具有显著相关性，且对比实验场景光照条件下被试感受更“欢乐”。此外，问题4“紧张的—放松的”和问题7“忧郁的—畅快的”在上午评估中显示出与照明场景的关联性。问题1“不高兴的—高兴的”、问题2“烦躁的—愉悦的”则在下午下班前的评估中显示出与照明场景的关联性。且从均值上看，对比实验照明场景更利于被试的正面情绪。

表5 警觉度评价分析结果

表6 上午情绪评价分析结果

2.4 疲劳度

精神疲劳度统计结果分别如表8和表9所示。上午分析结果中问题9“我感到很乏力”和问题10“我感到精力充沛”P值小于0.05，两种照明场景下的疲劳度有显著性差异，且实验对比场景下更为有利。而下午的数据全部未显示出显著性差异。

表7 被试下午情绪评价分析结果

躯体疲劳评估数据分析结果如表10所示。自我报告问题12“眼睛干涩”P=0.039<0.05，显示两种光照条件下具有显著性差异。问题11“头痛”不具有显著性差异，但是从均值可以看出实验对比场景光照条件下有更为有利的趋势。

表8 被试上午疲劳度分析结果

表9 被试下午疲劳度分析结果

表10 被试全天头痛和眼睛干涩分析结果

3 讨论

以往大量实验室实验证实人工光照同样对人体具有光生物效应，其影响程度取决于其光谱、光照强度、时间等因素。本研究则在缺乏自然光照的真实工作场所，利用人工光照给予的办公人员光生物刺激补充，研究假设是实验光照模式将利于提高人员的警觉度、改善睡眠，调节情绪进而提高工作效率。

虽然以往多个研究认为日间获得的光照刺激越对夜晚睡眠有利[13-16]。但本次实验结果并未能发现参与实验的工作人员在两种光照条件下的睡眠质量有显著差异。本次实验利用佩戴式设备采集了除睡眠总时长之外的深度睡眠和REM时长数据。深度睡眠可使大脑皮层细胞充分休息，对于消除疲劳、恢复精力、具有至关重要的作用。REM则表现为眼球快速移动，同时身体肌肉放松，并作用于某些类型的记忆保存[20]，对创造力的发挥产生帮助[21-23]。总体上相对于其他阶段，深度睡眠阶段与REM阶段对解除疲劳有更大作用，是评估睡眠质量的两个重要指标。然而，本次实验结果显示深度睡眠时长、REM时长虽均与照明模式显著相关，但实验对比模式下REM时间增加了，而深度睡眠的时间则减少了。加之其他的主客观指标都与照明场景无显著性相关性，因此难以得出与总体睡眠质量相关的结论。究其原因，可能是影响睡眠品质感受的因素太多，外部环境、工作强度以及心理情绪可能都会产生较大影响，而在现场跟踪实验中难以控制这些影响因素，进而产生偏差。因此，在今后类似研究中应更重视对被试的生活模式、工作强度的帅选与控制。

警觉度数据分析结果显示，对被试给予 8 000 K，眼部照度1 000 lx以上的富蓝白光刺激30 min后，被试的警觉度显著增强。且在与被试进行面对面访谈时，半数以上被试主动反映节律照明模式对于他们到达办公室后振奋精神、快速进入工作状态，提高工作效率有明显的帮助。中午和下午的警觉度评估虽然未找到与照明场景的相关性，但评估均值亦有提高，尤其是对于上午时间段的评价增值较为明显。这一结果一方面可能是受到40 min节律光照刺激的影响，另一方面也于以往关于明亮的高色温光环境利于办公人员警觉性的认识一致。有研究认为日间至少需要1 000 lx的眼部照度才能激发人体节律[4]，因此，对于上午总体照明水平提高对于警觉性的影响中，视觉效应与非视觉效应的影响作用各有多少作用仍需更为深入的研究。

此外，在情绪及疲劳度的影响方面，实验对比场景亦显示出一定的有利性。在情绪方面，分析结果显示上午被试更倾向于“欢乐的”、“放松的”、“畅快的”，而非“沮丧的”、“紧张的”、“忧郁的”。而后两者并未在下午数据中显示出相关性。可能是受到上午40 min的高强度富蓝白光照明的影响，且与以往大量研究认为富蓝白光令情感抑郁特征减低的结论一致。此外，问题1～5和7在实验场景下的平均值均高于基线场景，某种程度上说明实验光照条件利于正面情绪。在精神疲劳方面，上午数据显示实验对比场景更易于使被试感到精力充沛，不易感到乏力，下午无相关性。这一结果亦可能是因为上午40 min的富蓝白光影响的结果。

4 结语

本实验通过对比实验在真实场景下探讨了人工光的生物效应对于办公人员节律的影响。结果显示，上午工作开始时给予被试40 min眼部垂直照度1 000 lx，色温8 000 K的光照刺激，被试警觉度显著提高，亦更易于缓解被试躯体疲劳，有利于被试正面情绪。本次现场实验研究显示，在自然光缺乏的办公场所采用人工照明对办公人员进行特定的光照刺激补偿，可提高警觉度，降低疲劳感，利于正面情绪，为创造利于人员身心健康的办公光环境提供了一定的理论支持及设计思路。

致谢：感谢所有参与实验的工作人员对实验的支持。

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AFieldExperimentalStudyofArtificialLightingNon-visualEffectsinHigh-DensityOfficeSpaces

LIN Yi1,2，DONG Yingjun1，DU Yiting1
(1.TheCollegeofArchitectureandUrbanPlanning，TongjiUniversity，Shanghai200092，China;2.KeyLaboratoryofEcologyandEnergySavingStudyofDenseHabitat,MinistryofEducation,Shanghai200092,China)

As the main place for office staff during the day，the lighting environmental of office space has an important effect on the staff’s physical and psychological health.Based on the analysis of the field survey study of office lighting in high-density urban areas，in this study，we chose a real office and its staff as subjects，keep recording the data of subjects’ psychological and circadian rhythm for 4 weeks of baseline scene(functional lighting：Eeye=182 lx，Tc=5 000 K) and 3 weeks of experimental scene(40 minutes of circadian light stimulation：Eeye=1 000 lxTc=8 000 K; functional lighting：Eeye=500 lx，Tc=6 500 K)，and the two groups of data were analyzed and compared.The results showed that there were significant difference of the subjects’ mood，alertness and fatigue with different degree in the two scenes，and lighting condition of experimental scene was more favorable to the staff.

office; lighting environment; sleep quality; mood; alertness；fatigue

国家重点研发计划项目资助(项目编号：2017YFB0403700)，上海市浦江人才计划资助(项目批准号：17PJC102)，国家自然科学基金资助(项目批准号：51308397)

TU1

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.010