錢 葉，劉 剛，劉魁星，甘婷婷

(天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072)

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對建筑室內(nèi)的舒適度有了更高的要求。室內(nèi)舒適度包括熱舒適度、光舒適度、聲舒適度和空氣品質(zhì)。熱舒適度對人們的整體舒適度、身心健康、工作效率等具有重要意義[1]。自熱舒適模型被提出以來，很多關(guān)于熱舒適的研究出現(xiàn)了[2]。另外，光環(huán)境也是室內(nèi)環(huán)境的主要方面，光照對人的情緒、睡眠、認(rèn)知等方面也有重要作用[3]。

文獻(xiàn)[4]結(jié)合神經(jīng)生理學(xué)概述了多種感官對于熱感覺和熱舒適的影響，討論的因素包括環(huán)境溫度、顏色、光的照度、空氣污染及噪音，結(jié)果表明熱感覺是受多種因素復(fù)合影響的。在室內(nèi)熱舒適研究領(lǐng)域，除了研究不同熱環(huán)境對熱感覺的影響外，有一部分學(xué)者研究了不同照明工況對熱感覺的影響。文獻(xiàn)[5]對國內(nèi)外教室光環(huán)境進(jìn)行了綜述，介紹了教室光環(huán)境對心理評價測試、視功效、效率-疲勞等方面的研究成果，說明光生物效應(yīng)研究具有重要意義。文獻(xiàn)[6]整理了辦公空間的光生物效應(yīng)的相關(guān)研究，探討了辦公照明領(lǐng)域的研究重點和發(fā)展方向。文獻(xiàn)[7]結(jié)合生理學(xué)綜述了前人關(guān)于光的照度和色溫對熱感覺的影響，指出在選擇照明方式和光源類別時，不僅要考慮藝術(shù)美觀和照明需求，還要考慮人員的生理和心理舒適。

文獻(xiàn)[8]將光照對熱反應(yīng)的影響進(jìn)行了全面綜述，光通過非視覺通道產(chǎn)生的影響：在夜間抑制褪黑素分泌并推遲人體核心溫度下降，在早晨加快褪黑素分泌并加快人體核心溫度上升。光通過視覺通道產(chǎn)生的影響存在一些爭議：照度、色溫、被試者暴露時間和光照持續(xù)時間對熱感覺的影響有待進(jìn)一步研究。因此研究熱舒適領(lǐng)域的光熱耦合很有必要。

前人的研究表明：照度對人體熱感覺存在影響，但這種影響的邊界條件和閾值存在爭議。對于照度的研究側(cè)重其對人體褪黑素的分泌即生物節(jié)律的影響研究。文獻(xiàn)[9]研究了光照對人體褪黑素分泌的抑制作用，研究表明夜間的微弱光照會抑制其他哺乳動物退褪黑素的分泌，但對人沒有影響。只有夜間的強(qiáng)光照射對人體褪黑素分泌有明顯抑制。文獻(xiàn)[10]研究了光照對褪黑素分泌的抑制作用，褪黑素進(jìn)而影響人體溫度和警覺性，結(jié)果表明500 lx的照度可能是光照抑制褪黑素分泌的閾值，達(dá)到500 lx后光照對人體溫度和警覺性有顯著影響。文獻(xiàn)[11]研究了照度對人傍晚和夜間著裝情況的影響，研究表明傍晚和夜間的強(qiáng)光照射會促進(jìn)被試者的穿衣行為。

前人關(guān)于色溫對人體熱感覺的影響存在爭議。早期的研究認(rèn)為色溫對熱舒適沒有影響，直到20世紀(jì)60—80年代出現(xiàn)了hue-heat假說：暖色光使人感覺偏暖，冷色光使人感覺偏涼。目前為止，關(guān)于色溫對熱舒適的影響結(jié)論仍是模棱兩可的，而且缺乏完整的理論體系。文獻(xiàn)[12]得出了與hue-heat假說相反的結(jié)論，結(jié)果表明辦公室中人員在色溫4 000 K時比2 700 K、6 200 K時更舒適。作者分析了實驗驗證失敗的原因可能有：色溫對熱感覺的影響非常?。粺岘h(huán)境比光環(huán)境的影響顯著得多；被試者適應(yīng)時間過長。文獻(xiàn)[13]在真實機(jī)艙環(huán)境中進(jìn)行了黃光和藍(lán)光的對比實驗，結(jié)果表明色溫對熱感覺有小影響，驗證了hue-heat假說是成立的，并指出根據(jù)此假說調(diào)整照明工況對機(jī)艙節(jié)能有重要貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[14]研究了強(qiáng)、弱照度下，色溫對夜間人體褪黑素分泌的影響，結(jié)果表明冷色溫下光照對褪黑素分泌的抑制作用更明顯。

文獻(xiàn)[15]總結(jié)了光對熱感覺的影響研究中出現(xiàn)差異的原因，主要是由于各學(xué)科學(xué)者在參數(shù)選擇上的不同。該實驗考慮了熱環(huán)境和光環(huán)境，控制了光的照度、色溫工況，雖然沒有控制熱環(huán)境，但研究了兩個溫度范圍。該文在寒冷地區(qū)過渡季，研究了底面積為6 m×6 m空間中，被試者的熱感覺隨著照明工況變化的規(guī)律。補(bǔ)充了寒冷地區(qū)過渡季光熱耦合在熱舒適領(lǐng)域的研究，為寒冷地區(qū)過渡季照明對熱感覺的影響的研究提供了參考。

1 實驗設(shè)計及實驗流程

1.1 實驗工況設(shè)計

該實驗在天津大學(xué)變空間實驗艙進(jìn)行，實驗艙實景圖見圖1。兩次實驗均在2018年過渡季自然通風(fēng)狀態(tài)下完成，兩次實驗均在底面積為6 m×6 m的房間進(jìn)行。

實驗艙吊頂照明設(shè)備是LEDCOB筒燈，見圖2，筒燈型號為EC202060WA01.C-X，色溫可調(diào)范圍是2 700～6 600 K，顯色指數(shù)≥80。實驗艙照明采用DALI系統(tǒng)，通過智能調(diào)光系統(tǒng)進(jìn)行控制。實驗過程中可以通過控制實驗艙吊頂?shù)腖ED COB筒燈的白黃光配比，進(jìn)而改變實驗過程中的照度和色溫。

圖1 實驗艙實景圖Fig.1 Actual view of the experimental room

圖2 LED COB筒燈Fig.2 LED COB tube light

采用CL-500A手持式分光輻射照度計在桌面測量照度和色溫以確定實驗工況，實驗1是在桌面照度400 lx工況下研究冷色溫CT=5 000 K、中色溫CT=4 000 K、暖色溫CT=3 000 K工況下熱感覺的變化。實驗2是在桌面照度分別為272 lx、365 lx、510 lx和760 lx工況下研究冷色溫CT=5 000 K、中色溫CT=4 000 K、暖色溫CT=3 000 K工況下熱感覺的變化，實驗2的工況設(shè)計見表1。

表1 實驗2工況設(shè)計Table 1 Working condition design of Experiment 2

1.2 主觀調(diào)查問卷收集

兩次實驗分別招募了15名天津大學(xué)學(xué)生為被試者，年齡在22～25歲，其中男女比例接近1∶1。被試者在實驗過程中保持靜坐；在實驗前12 h保證睡眠充足、情緒穩(wěn)定，禁止飲用酒精、咖啡等刺激性飲料；實驗前1.5 h不能吃東西；實驗前3 h不要進(jìn)行劇烈運動。

實驗過程中改變色溫時，要求被試者閉眼，為避免被試者心理作用的影響，色溫的改變不是按一定的規(guī)律，由于色溫的即時改變對室內(nèi)熱環(huán)境幾乎沒有影響，被試者睜眼后直接進(jìn)行下一個色溫工況的問卷填寫。被試者初次進(jìn)入實驗房間時，需要靜坐適應(yīng)6 min后再開始實驗[16]，實驗流程如圖3所示。

圖3 實驗流程圖Fig.3 Experimental flowchart

實驗1采用紙質(zhì)版問卷、實驗2采用電子版問卷。調(diào)查問卷包括：被試者身高、體重、著裝等基本信息；7 ℃熱感覺評價；期望熱環(huán)境中溫度、風(fēng)速、相對濕度如何改變；對熱環(huán)境的可接受度和滿意度。三種色溫下被試者填寫熱感覺調(diào)查問卷的過程見圖4。

1.3 室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)測量

需要測量的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)有：空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速、黑球溫度。測量高度在距地面約0.6 m處。每個工況下，在實驗區(qū)域均勻地布置三個測點。室內(nèi)空氣溫度和相對濕度的測量儀器為美國ONSET溫濕度記錄儀(HOBO)，HOBO每隔5 min測量并記錄一次溫濕度數(shù)據(jù)且可實時顯示當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)。風(fēng)速測量使用TSI model 9545熱敏風(fēng)速儀，實驗過程中盡量避免對風(fēng)速儀附近空氣流動的干擾。黑球溫度測量使用KIMO TM 200黑球溫度計。實驗中測量的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)及使用的實驗儀器見表2。

在被試者填寫調(diào)查問卷的同時，實驗人員進(jìn)行室內(nèi)空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速、黑球溫度的測量和記錄。室內(nèi)熱環(huán)境測量儀器見圖5。

圖4 被試者填寫調(diào)查問卷Fig.4 Participants filled out questionnaires

表2 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的測量儀器Table 2 Measuring instruments for indoor environmental parameters

圖5 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的測量儀器Fig.5 Measuring instruments for indoor environmental parameters

2 實驗結(jié)果

2.1 室內(nèi)熱環(huán)境

兩次實驗過程中室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)記錄見表3。

表3 實驗過程中室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)Table 3 Indoor thermal environment parameters during the experiment

實驗1平均溫度28.14 ℃，溫度較高。實驗2平均溫度18.2 ℃，溫度較低。兩次實驗中風(fēng)速都比較小，最大風(fēng)速只有0.06 m/s。實驗2比實驗1室內(nèi)空氣相對濕度略低，但有研究表明人體熱舒適受相對濕度影響較小[17]。

操作溫度反映了室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度的綜合作用，因此在熱感覺評價實驗中用操作溫度評價室內(nèi)熱環(huán)境[16]。操作溫度的計算見式(1)，實驗1的平均操作溫度是28.39 ℃。實驗2的平均操作溫度是18.51 ℃。

(1)

式中to是操作溫度， ℃；tg是黑球溫度， ℃；ta是空氣溫度， ℃；v是風(fēng)速，m/s；hr是輻射換熱系數(shù)，W/(m2· ℃)；hc是對流換熱系數(shù)，W/(m2· ℃)。

由于每種照度的冷、中、暖三個色溫工況間室內(nèi)熱環(huán)境差異很小，因此實驗中僅記錄不同照度工況下的室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)。

2.2 熱感覺調(diào)查問卷

1)被試者的熱期望。實驗1中被試者服裝熱阻變化范圍是0.23～0.79 clo(1 clo=0.155 m2·K·W-1)，被試者靜坐狀態(tài)下代謝率是1.2 met(1 met=58.15 W·m-2)。不同色溫下被試者希望溫度、風(fēng)速、相對濕度升高、不變或降低的比例見圖6。服裝熱阻和代謝率參考GB 50785《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評價標(biāo)準(zhǔn)》[18]。實驗2中被試者服裝熱阻變化范圍是0.71～1.33 clo，被試者靜坐狀態(tài)下代謝率是1.2 met。不同色溫下被試者希望溫度、風(fēng)速、相對濕度升高、不變或降低的比例見圖7。

圖6 實驗1中被試者期望室內(nèi)環(huán)境的變化Fig.6 The subjects expected changes in the indoor environment in Experiment 1

圖7 實驗2中被試者期望室內(nèi)環(huán)境的變化Fig.7 The subjects expected changes in the indoor environment in Experiment 2

由圖6和圖7可以看出，冷色溫下期望溫度升高的比例明顯高于暖色溫下；圖6中冷色溫下希望風(fēng)速減小的比例明顯高于暖色溫下，而圖7中不同色溫下被試者對風(fēng)速的期望沒有規(guī)律，這可能是實驗中其他因素造成的；不同色溫下被試者對相對濕度的期望沒有明顯規(guī)律，再次證明了相對濕度對熱感覺沒有明顯影響。

2)被試者的熱滿意率。實驗1和實驗2中被試者對熱環(huán)境的滿意率見圖8。

圖8 實驗1和實驗2的熱滿意率Fig.8 The thermal satisfaction rates of Experiment 1 and Experiment 2

實驗1過程中操作溫度較高，被試者在中色溫CT=4 000 K時熱滿意率最高。實驗2過程中操作溫度較低，被試者在暖色溫CT=3 000 K時熱滿意率最高。

3)被試者的熱可接受度。實驗1和實驗2中被試者對熱環(huán)境的可接受度見圖9。

圖9 實驗1和實驗2的熱可接受度Fig.9 The thermal acceptability of Experiment 1 and Experiment 2

實驗1過程中操作溫度較高，此時被試者對中色溫CT=4 000 K時的熱環(huán)境最滿意，熱可接受度達(dá)到了100%。實驗2過程中操作溫度較低，明顯看出被試者的熱可接受度在暖色溫CT=3 000 K時比冷色溫CT=5 000 K時高。

熱滿意率和熱可接受度的統(tǒng)計結(jié)果均表明：物理環(huán)境冷熱適宜時，被試者更喜歡中色溫環(huán)境；在物理環(huán)境偏冷時，被試者更傾向暖色溫的照明環(huán)境。色溫可以彌補(bǔ)熱環(huán)境的不足。

2.3 照度和色溫對熱感覺的影響

整理被試者每個工況下調(diào)查問卷中熱感覺投票并求平均值，得到該工況下15個被試者的實際平均熱感覺投票(thermal sensation vote, TSV)。

由于過渡季無法控制空間溫度，因此溫度有較小的波動。實驗1過程中不同照明工況下的操作溫度標(biāo)準(zhǔn)差僅0.47 ℃，故認(rèn)為實驗1熱感覺投票差異主要是建筑照明引起的。實驗2過程中下不同照明工況下的操作溫度標(biāo)準(zhǔn)差僅0.73 ℃，故認(rèn)為實驗2熱感覺投票的差異也是主要由建筑照明引起的。

1)實驗1中色溫對熱感覺的影響。實驗1時，被試者實際平均熱感覺投票TSV隨色溫的變化見圖10。

圖10 實驗1中TSV隨色溫的變化Fig.10 The change of TSV with color temperature in Experiment 1

實驗1中中色溫CT=4 000 K和冷色溫CT=5 000 K時，實際平均熱感覺投票TSV都接近TSV=0，說明實驗1中物理熱環(huán)境基本是適宜的。實驗1中隨著色溫升高TSV呈下降趨勢，不同色溫下TSV呈如下規(guī)律：暖色溫>中色溫>冷色溫，這一結(jié)論與hue-heat假說是一致的。

由曲線變化趨勢可以看出，被試者對靠近暖色溫時色溫的改變更敏感?？赡苁枪獾纳珳貙岣杏X的影響存在閾值，這需要進(jìn)一步的研究。

2)實驗2中照度、色溫對熱感覺的影響。實驗2時，被試者實際平均熱感覺投票TSV隨色溫、照度的變化見圖11。

圖11 實驗2中TSV隨色溫、照度的變化Fig.11 The change of TSV with color temperature and illumination in Experiment 2

實驗2中，照度272 lx時熱感覺明顯高于其他照度時，TSV隨照度升高逐漸減小，說明照度越高，感覺越冷，這可能是由于照度低時，使人感到煩躁而感到熱；照度高時，人的警覺性提高且使人更冷靜。尤其是實驗中照度760 lx明顯大于GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[19]表5.3.2中規(guī)定的辦公室照度值200～750 lx，說明過高的照度會給人帶來冷的感覺。

實驗2中四個照度工況下，不同色溫下TSV均有以下規(guī)律：暖色溫>中色溫>冷色溫，這與hue-heat假說也是一致的。

實驗2中影響熱感覺的主要有色溫、照度兩個因素。為了研究照度和色溫這兩個因素對熱感覺的共同影響。將實驗2按L12(4×3)的正交表進(jìn)行正交試驗分析。正交試驗方案及試驗結(jié)果具體見表4。

表4 正交試驗方案及試驗結(jié)果Table 4 Orthogonal test scheme and test results

對于正交試驗結(jié)果的分析一般有兩種方法：極差分析法和方差分析法。極差分析法(直觀分析法)只能定性的給出各因素的重要順序，不能區(qū)分結(jié)果差異是由因素水平引起的，還是實驗誤差引起的，往往不能令人滿意。方差分析法是將因素水平和實驗誤差引起的結(jié)果差異分開的一種數(shù)學(xué)方法。該實驗中采用方差分析法，利用統(tǒng)計分析軟件SPSS對正交試驗進(jìn)行分析；為了進(jìn)一步量化照度和色溫這兩個因素對熱感覺的影響，又利用SPSS進(jìn)一步進(jìn)行了線性回歸分析，正交試驗的分析結(jié)果和回歸分析的結(jié)果見表5。

表5 統(tǒng)計分析軟件SPSS的分析結(jié)果Table 5 Statistical analysis software SPSS analysis results

表5中的正交試驗結(jié)果中，P值是用來檢驗該因素對結(jié)果影響是否顯著，若P<0.05，說明該因素對結(jié)果有顯著的影響。照度對試驗結(jié)果影響的顯著性0.001<0.05，即照度對熱感覺有顯著影響。色溫對試驗結(jié)果影響的顯著性0.007<0.05，即色溫對熱感覺也有顯著影響。F值的意義是用來檢驗樣本的結(jié)果能夠代表總體的真實程度。對比照度和色溫的F值29.333>13.000，說明照度比色溫對熱感覺的影響大。

觀察表5的線性回歸分析結(jié)果，照度與熱感覺是負(fù)相關(guān)，即照度越高人感覺越冷；色溫與熱感覺也是負(fù)相關(guān)，即色溫越高人感覺越冷。對比照度標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)和色溫標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)的絕對值，0.808>0.452，說明照度比色溫對熱感覺的影響大，這與正交試驗結(jié)果分析是一致的。

3 結(jié)論及展望

該實驗通過對寒冷地區(qū)過渡季實驗艙不同照明工況下熱環(huán)境的測量和被試者熱感覺的問卷調(diào)查，得到以下結(jié)論：

1)色溫會影響人的熱感覺：色溫越低人感覺越熱，色溫越高人感覺越冷。即暖色溫下人感覺較暖，冷色溫下人感覺較冷。

2)被試者在冷色溫下期望溫度升高的比例明顯高于暖色溫下：溫度適宜時，中色溫下被試者滿意度和熱接受度最高；溫度偏低時，暖色溫下被試者滿意度和熱接受度最高，說明色溫可以一定程度彌補(bǔ)熱環(huán)境的不足。

3)通過正交試驗和回歸分析得到結(jié)論：照度越高，人感覺越冷；色溫越高即越靠近冷色溫，人感覺越冷。光的照度比色溫對熱感覺的影響大。

在進(jìn)一步的實驗中，需要在更多的色溫和照度工況下進(jìn)行研究，同時需要擴(kuò)大樣本量；研究空調(diào)環(huán)境下的照明對感覺的影響也具有重要意義；在光熱耦合研究中加入生理參數(shù)的測量和對暴露時間的記錄也十分必要。