刘 刚，刘梦柳，雒 琛，党 睿

(天津大学建筑学院，天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072)

基于评价实验的办公室光环境舒适度研究

刘 刚，刘梦柳，雒 琛，党 睿

(天津大学建筑学院，天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072)

针对办公室光环境设计与评价方面存在的问题，基于评价实验，研究了照度、相关色温、照度均匀度对照明舒适度的影响规律，并提出能够满足光环境舒适度的照明节能设计建议。同时根据得到照明指标对舒适度的影响量化数据，通过SPSS软件进行多元非线性回归分析，提出了办公室光环境评价数学模型。研究成果可为办公室照明设计提供参考，并为光环境评价提供工具。

办公室照明；光环境舒适度；影响规律；评价模型

引言

办公室人工光环境是室内环境的重要组成部分，其功能是满足生理、心理、美学等各方面的要求。舒适健康的照明环境不仅能使人精神愉悦，提高工作效率，还能避免因光环境不适对身体造成的伤害[1]。但目前对于人工光环境舒适度的相关研究还存在如下问题：首先，单参数、离散变量的评价方式缺少对变量间的耦合影响的考虑；其次，目前对于光环境舒适度的评价方法较为复杂，实际可操作性不佳[2-5]。因此，为解决上述问题，本文采用实验方法，研究不同照明参数对光环境舒适度的耦合影响规律，并提出办公室照明舒适度评价数学模型。

1 光环境舒适度评价实验

1.1 控制变量

选取照度(100 lx、200 lx、300 lx、400 lx、500 lx)；相关色温(2 700 K、4 000 K、6 500 K)；照度均匀度(0.4、0.7)作为办公室光环境舒适度评价实验的控制变量，同时保证如显色指数等其他指标满足GB 50034—2013规定[6]。在保证实验方法和实验过程合理的前提下，对上述参量进行排列组合，得到30组人工光环境实验工况。

1.2 空间搭建

实验室长4.6 m，宽3.6 m，高3.3 m，墙面为刷白色乳胶漆的轻质隔墙，并使用遮光帘对窗口进行掩蔽。选取办公室照明典型光源-直管荧光灯作为实验光源，并配置调光镇流器，参数见表1。对于照度参数调节，通过调光镇流器实现；对于相关色温调节，通过各种色温光源实现；对于照度均匀度调节，通过不同位置的灯具启闭实现。由于控制变量较多，本实验开发了一套可调光控制系统，本系统的上位机软件采用Visual Basic语言编写，通过Windows系统的虚拟串口来模拟Modbus主机协议，并通过USB-485转换器与照明系统控制接口相连，实现远程控制。

表1 实验光源及镇流器参数

图1 灯具布置图Fig.1 Lamp layout

1.3 照明参数

通过调光控制系统切换光源亮度、开启类型及开启位置，利用CL-200A色彩照度计测量被试面照度、相关色温、显色指数、照度均匀度，保证所有参数均在荧光灯开启并稳定30 s后，每种工况下均能满足实验设计要求，保存设置以供正式实验时直接调用。被测试者位置如图2所示，照度测点如图3所示，光环境参数测量结果如表2所示。

图2 被测者位置图Fig.2 The position of the subjects

图3 测点布置图Fig.3 Measuring point layout

表2 人工光环境参数测量结果

1.4 实验方法

实验共包含30名被试者，但由于实验空间为小型办公室，不能同时容纳30名被试者，因此将被试者分为10组，每组3人按照图2所示进入实验室参与舒适度问卷评价。问卷按照舒适度水平被分为7档，其中1为极不舒适，2为不舒适，3为较不舒适，4为适中，5为较舒适，6为舒适，7为非常舒适。

实验按照在调光控制系统已设置完成的30种照明工况，依次开启光源。为避免因荧光灯在开启后短时间内的不稳定问题，每种工况灯具开启并稳定30 s后被试者开始填写问卷；然后关闭所有实验光源，仅开启辅助照明保证室内基本光环境需求，并防止由于明暗急剧变化引起的眩光；被测者休息15 s后进行下一种工况的评价实验；为防止视疲劳，待第15种工况结束后休息30 min，再进行剩余15种工况评价。在实验结束后对结果进行统计分析。

2 实验数据分析

2.1 照明指标对光环境舒适度影响规律

由图4可知，均匀度为0.7时：在照度方面，平均照度从100～200 lx光环境舒适度值上升较快；平均照度从200～500 lx时，光环境舒适度变化不大且基本维持在适中水平。在色温方面，无论何种照度水平，相同照度下3 850 K光源的舒适度均最高；当照度低于300 lx时，2 729 K光源的舒适度高于6 485 K光源；当照度高于300 lx时，6 485 K光源的舒适度高于2 729 K光源。因此，当办公室照度较均匀时，无论采用何种色温光源，平均照度水平达到200 lx后均可满足基本舒适度要求(舒适度指标大于4)，但再提高照度对舒适度影响不明显，从节能角度考虑可以控制办公室平均照度水平在200 lx。在此基础上(照度低于300 lx)，应优先选择中间色温光源，其次为低色温光源，最后为高色温光源。

图4 照明指标对光环境舒适度影响规律(0.7均匀度 )Fig.4 The effect of illumination index on the comfort of light environment(0.7 uniformity)

从图5可知，照度均匀度为0.4时：在照度方面，舒适度水平随照度值增加而增加，尤其是从100 lx变化到200 lx时，舒适度提升非常明显，从200 lx变化到500 lx时舒适度上升较为缓慢。在色温方面，不同色温光源表现有所差异：3 850 K的光源整体舒适度最高，且当照度达到200 lx后，舒适度随照度值的增加几乎无变化；6 485 K的光源整体舒适度居中，且当照度达到200 lx后，舒适度随照度值的增加缓慢提高；2 729 K的光源整体舒适度最低，照度在100～200 lx区间舒适度提升明显，在200～400 lx区间舒适度变化很小，在高于400 lx后舒适度又有明显提高。因此，当办公室的照度均匀度一般时，中间色温光源对提高舒适度最为有利，只要达到200 lx即可满足要求(舒适度指标大于4)，且照度不宜过高；当使用高色温光源时，照度应达到250 lx以满足舒适度要求，且可根据实际需求适当提高照度；当使用低色温光源时，照度必须达到400 lx才能满足舒适度要求，因此除非对低色温有明确要求的场所，否则不宜采用低色温光源，对照明节能不利。

图5 照明指标对光环境舒适度影响规律(0.4均匀度 )Fig.5 The effect of illumination index on the comfort of light environment(0.4 uniformity)

2.2 多元回归分析及模型提取

基于实验得到的照度、色温、照度均匀度对办公室光环境舒适度影响数据，以“照度”和“色温”为解释变量，以“舒适度”为被解释变量，通过SPSS软件进行多元非线性回归分析[7]，拟合舒适度多元非线性模型，得到能够量化评价各照明指标对办公室光环境舒适度影响的数学方程。并对模型进行检验，得到模型迭代历史记录和方差分析结果。根据实验设置，对照度均匀度为0.7和0.4两种工况分别进行研究。

1)照度均匀度为0.7。经过对模型的检验分析，得到模型的迭代历史记录见表3和模型方差分析结果见表4和表5。

表3 迭代历史记录②③

①由于连续参数估计值之间的相对减少量最多为 PCON=1.000×10-8，因此在3模型评估和2导数评估之后，系统停止运行。

②主迭代数在小数左侧显示，次迭代数在小数右侧显示。

③导数是通过数字计算的。

表4 参数估计值

表5 ANOVA①Table 5 ANOVA

因变量：Y

①R2=1-(残差平方和)/(已更正的平方和)=0.669。

对结果进行分析，可以看到经过数次迭代，模型达到要求。最终回归得到模型为

LPMV=-2.267×10-5×T+0.01×E+

0.071×E2-0.48

(1)

其中LPMV代表舒适度，T代表相关色温，E代表平均照度，且模型的拟合优度达到0.812，在统计学意义上该模型具有很好的拟合度。

2)照度均匀度为0.4。经过对模型的检验分析，得到模型的迭代历史记录见表6和模型方差分析结果见表7和表8。

表6 迭代历史记录②③

①由于连续残差平方和之间的相对减少量最多为SSCON=1.000×10-8，因此在 4 模型评估和 2 导数评估之后，系统停止运行。

②主迭代数在小数左侧显示，次迭代数在小数右侧显示。

③导数是通过数字计算的。

表7 参数估计值Table 7 Parameter estimates

表8 ANOVA①Table 8 ANOVA

因变量：Y

①R2=1-(残差平方和)/(已更正的平方和)=0.669。

对结果进行分析，可以看到经过数次迭代，模型达到要求。最终回归得到模型为

LPMV=-1.159×10-5×T+0.01×E-

1.111×10-5×E2+2.093

(2)

其中LPMV代表舒适度，T代表相关色温，E代表平均照度，模型的拟合优度为0.669，在统计学意义上，可以说模型拟合结果尚可。

3 结论

办公室照明建议采用中间色温光源，并将照度值控制在200～300 lx，这样可在满足光环境舒适度要求的基础上节约照明能耗。此外，基于舒适度评价实验得到的办公室光环境舒适度数学模型，可为照明舒适度的评价提供简洁可靠的预测方法。

[1] 朱赤晖.室内环境的舒适性评价与灰色理论分析研究[D].长沙：湖南大学，2012.

[2] 王书晓.办公室光环境评价体系研究[D].北京：中国建筑科学研究院，2007.

[3] 张耀根，张建平，张绍纲.住宅光环境综合评价方法[J].照明工程学报，2000，11(1)：25-28.

[4] 胡晓倩，张莲，李山，等.住宅光环境舒适度的模糊综合评价方法[J].重庆理工大学学报(自然科学),2013，27(7)：103-107.

[5] CAI D D， PAN Y Q， HUANG Z Z.Subjective Evaluation Indicators of Lighting Environment Comfort in Office[J].Building Energy Efficiency，2013，12：62-67.

[6] 建筑照明设计标准：GB 50034—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[7] 包凤达，翁心真.多元回归分析的软件求解和案例分析[J].数据统计与管理，2000,5:56-61.

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

国家重点研发计划“新型采光技术与高校照明控制系统研发”(2016YFB0601700)，国家自然科学基金重点项目“寒冷气候区低能耗公共建筑空间设计理论与方法”(51338006)

TM923

A

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